城郊煤矿二水平煤层底板突水危险性综合评价研究.pdf

doi 10. 11799/ ce202101027 收稿日期 2020-12-05 基金项目 国家自然科学基金资助项目U1710253 作者简介 段李宏1986, 男, 山西临汾人, 高级工程师, 现从事地测防治水工作, E-mail dlhcumt 163. com。 引用格式 段李宏, 张金陵. 城郊煤矿二水平煤层底板突水危险性综合评价研究 [J]. 煤炭工程, 2021, 531 128-132. 城郊煤矿二水平煤层底板突水危险性综合评价研究 段李宏, 张金陵 河南能源化工集团永城煤电控股集团有限公司, 河南 永城 476600 摘 要 为了探究城郊煤矿深部延伸二水平主采二2煤层底板突水危险性, 根据矿区二水平底 板地层及断层构造特征, 采用突水系数法和分形分维方法对二水平底板的断层构造复杂程度及突水 危险性分别进行了量化分区与综合分区评价。 结果表明, 虽然两种方法的计算过程和量化分区参数 不同, 但所进行的量化分区具有较好的一致性, 断裂构造复杂程度分维值与突水系数值存在明显的 正相关性, 断裂构造复杂区域对应的突水系数值明显偏大, 综合对比得到二水平煤层底板在东部和 西部突水危险性均较大, 中间区域偏安全。 研究结果对城郊煤矿二水平二2煤层安全带压开采具有 重要的参考价值。 关键词 城郊煤矿; 底板突水; 突水危险性; 断层; 分形分维; 突水系数 中图分类号 TD745. 2 文献标识码 A 文章编号 1671-0959202101-0128-05 Comprehensive risk assessment of water inrush from coal seam floor for No. 2 mining level in Chengjiao Coal Mine DUAN Li-hong, ZHANG Jin-ling Yongcheng Coal Holdings Group Co. , Ltd. , Henan Energy and Chemical Industry Group Co. , Ltd. , Yongcheng 476600, China Abstract In order to explore the risk of water inrush from II2 coal seam floor in No. 2 mining level in the deep extension of Cheng Jiao Coal Mine, according to the characteristics of the No. 2 level floor strata and fault structure in the mining area, the water inrush coefficient and the fractal dimension are used for the quantitative zonation and comprehensive zonation assessment of the fault structure complexity and risk of water inrush. The results show that, despite the different calculation process and parameters, the quantitative partitioning results of the two s are highly consistent; the fractal dimension of the fault structure has a significant positive correlation with the water inrush coefficient. The comprehensive comparison shows that, the water inrush risk for coal seams in the No. 2 mining level is great in the east and west part, and the middle part is safer. The research results can offer references for the safe compensate mining of II2 coal seam in No. 2 mining level of Chengjiao Coal Mine. Keywords Chengjiao Coal Mine; inrush risk from coal seam floor; water inrush risk; fault; fractal dimension; water inrush coefficient 煤层底板高承压含水层在采掘扰动下诱发突水 事故, 是煤层开采过程中的一种严重地质灾害, 常 造成严重的人员伤亡与财产损失, 严重威胁煤炭资 源的安全高效开采[1,2]。 而且, 采掘诱发煤层底板突 水是一项具有高承压性、 突发性、 破坏性强特点的 复杂动力地质灾害, 具有很高的不确定性, 且难以 准确预测和有效控制。 随着我国浅部煤炭资源的日 益枯竭, 开采深部煤炭资源必将是我国今后主要的 资源来源, 而深部煤炭资源开采必将面临煤层底板 突水灾害的严重威胁[3,4]。 煤层底板高承压水突水灾 害的诱发机理十分复杂, 突水水源主要是煤层底板 奥灰岩溶水、 太灰岩溶水、 老空水等, 导水通道多 为底板裂缝带、 隐伏陷落柱、 导水断层等。 例如, 1988 年 10 月 24 日淮北杨庄煤矿Ⅱ617 综采工作面 底板突发特大型突水灾害, 实测瞬时最大突水量达 3153m3/ h, 导致 4 个采区被淹, 直接经济损失高达 821 第53卷第1期 煤 炭 工 程 COAL ENGINEERING Vol. 53, No. 1 1. 50 亿元, 原因主要是煤层底板隐伏构造断裂带沟 通底板太原群灰岩高承压含水层, 同时奥灰水侧向 补给导致突水[5]。 2010 年 3 月 1 日, 骆驼山煤矿 16 号煤870m 水平回风大巷掘进工作面发生突水, 涌 水量 65000m3/ h, 造成全矿井淹没, 32 人遇难, 其 诱发机理就是煤层底板隐伏陷落柱导通底板高承压 奥灰水[6]。 2017 年5 月22 日, 东于煤矿井下三采区 03304 巷底板发生老空水突水事故, 造成 6 人死亡, 直接经济损失 505. 50 万元[7]。 由此可见, 煤层底板 高承压水突水事故已经成为制约我国煤炭资源安全、 高效开采的重要威胁之一。 目前, 开展煤层底板突水危险性评价主要采用 的是 “突水系数法”, 此种方法是基于大量的突水 实例分析得出的一种经验规律性方法, 被广泛应用 于各种地质条件的煤矿开采实践中[8]。 但是, 由于 各类煤层底板地质构造差异巨大,“突水系数法” 具有一定的局限性, 无法考虑到煤层底板地质构造 的复杂程度, 而这些地质构造又往往是造成煤矿底 板突水的重要导水通道, 其中最主要的就是导水断 层构造, 而通过预留安全煤柱的方法又会造成大量 可采资源的浪费[9]。 本文就在充分分析城郊煤矿二 水平煤层底板断层构造复杂程度的基础上, 采用 “突水系数法” 和 “分形分维理论” 对底板突水危 险性进行了综合分区评价, 为指导城郊煤矿二水平 煤炭资源的安全开采提供了必要的理论支撑。 1 城郊煤矿概况 1. 1 矿山基本情况 城郊煤矿位于河南省永城市境内, 矿井采用立 井多水平开拓方式, 一水平标高-495m, 二水平标 高-800m, 矿井设计生产能力 2. 40Mt/ a。 采用分区 上行开采的开采方式, 目前主采一水平东翼采区二2 煤层。 随着矿井生产能力的提高, 一水平服务年限 逐渐减少, 矿井开采水平将逐步转入二水平, 主采 煤层埋深最大即将达到 1000m。 城郊煤矿二水平二2 煤层分布相对稳定, 资源储量大, 是矿井接续资源 开采的重要方向。 但是城郊煤矿二水平二2煤层受到太原组灰岩含 水层的威胁较大, 预计太原组灰岩含水层水压高达 67MPa, 突水系数均超过 煤矿防治水细则 的 正常地段 0. 1MPa/ m 的推荐值。 二水平二2煤层处于 “三高一扰动” 的复杂地质与力学环境中, 为保证 其安全开采, 对其进行更加合理的突水危险性评价 十分重要。 1. 2 井田地层条件 根据矿区钻孔揭露的地层自下而上分别为奥陶 系中统马家沟组O2m 灰岩、 石炭系中统本溪组 C2b铝质泥岩、 上石炭统太原组C2t灰岩与泥岩 互层、 二叠系下统山西组P1s泥岩砂岩互层、 下统 下石盒子组P1x 泥岩、 上统上石盒子组P2s 灰 岩、 上统石千峰组P2sh砂岩。 其中主要含煤地层 自下而上为上石炭统太原组, 下二叠统山系组、 下 石盒子组, 上二叠统上石盒子组地层。 城郊煤矿二 水平二2煤层主要受太原组群灰岩含水层和奥陶系灰 岩含水层威胁, 局部煤层底板距太原组灰岩含水层 仅有 13. 50m, 平均 50. 36m, 厚度差异巨大。 1. 3 主要隔水层特征 矿区主要隔水层为山西组底部泥岩、 砂质泥岩 隔水层, 山西组可采煤层为二水平二2煤, 该煤层与 太原组 L11灰间距 32. 1472. 58m, 平均 51m 左右, 层位稳定。 泥岩与砂质泥岩互层隔水层累计平均厚 度 26. 5m, 形成了较好的隔水层, 在无构造破坏条 件下, 可以避免发生太原组灰岩突水事故。 但是, 城郊煤矿自建井以来发生过多次底板断层突水事故, 最大突水量达 300m3/ h, 钻孔资料也证实了煤层底 板断层构造极为发育, 且多为小型断层, 成为制约 二水平二2煤层安全开采的巨大威胁。 2 二水平煤层底板断层构造特征分析 2. 1 断层特征 城郊煤矿二水平底板断层构造极为发育, 大中 型断层数量较少, 小型断层占大多数, 大部分为正 断层, 断层构造发育简图如图 1 所示。 断层走向在 0360区间基本上呈现均匀分布, 且走向以 NE、 NW 为主, 近 SN 方向较少, 断层走向玫瑰花图, 如 图 2 所示。 断层倾角主要集中在 41 70之间, 约 占断层总数的 95左右, 可见二水平底板以高角度 断层发育为主, 且断层落差以小于5m 的最多。 由于 小断层数量多, 勘探精度较低, 多数是在采掘过程 中被揭露的, 因此是矿井水害防治的重点对象。 2. 2 断层密度分布 在城郊煤矿二水平二2煤层底板断层分布图的基 础上, 以 500m500m 的正方形将其总共划分为 160 个块段, 依次编号为 K1K160, 如图 1 所示。 然后 对每个块段的断层数量进行统计, 依次得出各个块 段的断层密度, 将得到的断层密度统计数据, 通过 921 2021 年第 1 期 煤 炭 工 程 研究探讨 ArcGIS 空间插值克里金法进行数据处理, 得到了断层密度等值面平面图, 如图 3 所示。 图 1 城郊煤矿二水平底板断层分布与网格划分 图 2 底板断层走向玫瑰花图 图 3 底板断层密度等值面 由图 3 中可以看出, 该区断层密度东西部大多 在 15 条/ km2以上, 表明二水平总体断层构造格局 复杂, 从井田的断层密度分布可以看出, 中部地段 的密度相对较小, 分布区间主要 8 条/ km2以下。 2. 3 断层强度分布 对每个块段的断层落差和延伸长度分别进行统 计, 断层强度可以采用式1进行计算 F ∑ n i 1 LiHi S 1 式中, Li为单元内第 i 条断层的水平延伸长度, m; Hi为 第 i 条 断 层 的 落 差, m; S 为 统 计 面 积, 104m2。 根据依次算出每个段块的断层强度, 将得到的 断层强度统计数据通过 ArcGIS 空间插值克里金法进 行数据处理, 得到了研究区断层强度等值面平面图, 如图 4 所示。 图 4 底板断层强度等值面 由图 4 中可以看出, 该区断层强度大多在 500 以上, 表明井田的总体断层构造格局复杂, 从井田 的断层强度分布可以看出, 中部地段的强度相对较 小, 分布区间主要 500 以下。 根据断层强度等值面 图可以看出, 强度高的地区, 一般是大中型断层延 伸长度较长的区域; 强度低的区域, 一般是小型断 层所在区域。 3 二水平底板突水系数法危险性分区 2018 年 9 月实施的 煤矿防治水细则 中的突 水系数计算公式如式2 T P/ M2 式中, T 为突水系数, MPa/ m; P 为含水层水 压, MPa; M 为隔水层厚度, m。 突水系数值来衡量承压开采所导致的煤层底板 突水危险性, 即单位隔水层厚度所能承受的极限水 压, 突水系数越大, 表明突水的危险性也就越大。 城郊煤矿二水平二2煤层底板距离最近的含水层 为 L11太灰含水层, 且通过矿山长期的水文地质观测 资料可以确定该含水层的水压为 4. 6MPa。 L11太灰 含水层与二水平二2煤层底板之间的直接隔水层为山 西组底部泥岩、 砂质泥岩隔水层。 通过矿山历年的 031 研究探讨 煤 炭 工 程 2021 年第 1 期 地质钻孔资料, 可以对该隔水层的厚度进行统计分 析, 从而计算得到在 L11太灰含水层直接威胁下, 二 水平二2煤层底板的突水系数。 结合钻孔孔位信息, 便可以绘制出突水系数等值线, 如图 5 所示。 图 5 底板突水系数等值线 从图 5 中可以主直观的看出, 二水平二2煤层底 板东西两侧的突水系数明显大于中间位置, 这是因 为两侧的隔水层厚度较薄, 且变化较大所致。 4 基于分形分维理论的底板突水危险性分区 分形分维理论是法国数学家 Manderbrot 于 1975 年率先提出的, 在具有相似性的曲线与图形及自反 射分形集等方面有较多研究与应用[10,11]。 分形理论 作为研究不规则形体的自相似性与复杂性的理论, 为定量化研究地质构造的复杂性提供了一种新方 法[12]。 分形分维理论作为评价断层复杂程度的优越 性十分明显, 可以将断层的数量、 水平延伸长度、 断层分布范围和分布的不均匀性等关键信息综合涵 盖, 可以作为矿井地质构造复杂程度的综合性指标。 故本文采用基于矿区二水平断层构造迹线的分形分 维评价方法对其底板断层发育的复杂程度进行定量 评价[13]。 4. 1 分形分维基本理论 目前研究断层构造主要应用较多的是具有自相 似性的分形, 即线性分形。 可以采用网格覆盖法在 断层网格上计算分维值, 即用尺寸为 r 的网格去覆 盖断层构造迹线, 记录下含有断层迹线的网格数 Nr, 再用按一定比例缩小后的尺寸 ri的网格继续 覆盖, 再得到相应的网格数 Nri, 绘制一条以 lnr-lnNr为横竖坐标轴的双对数曲线, 经过线 性拟合后其直线斜率就是分形维数[14,15]。 根据二水平划分的 160 个网格块段, 可得到每 种网格间距下块段内的断层迹线的网格数。 采用双 对数坐标系, 以 K1 块段为例, 计算结果如图 6 所 示, 由图 6 可知, K1 块段的分形维数为 0. 903, 相 关系数 R2为 0. 967, 按此方法依次计算出剩余块段 的分形维数。 图 6 块段 K1分维值计算 4. 2 二水平底板构造复杂程度分区 通过双对数线性回归分析表明, 断层网络分布 的单元数据相关系数较大, 绝大多数相关性好, 拟 合直线的斜率即为该单元的断层相似维值。 单元网 格中心的分维值即相似维值, 反映断层的复杂程度。 然后将网格单元的中心经纬度和断层相似维值绘制 断层的分维等值线平面图, 得到底板二水平断层分 维平面分布, 如图 7 所示。 从图 7 中还可以看出, 分维值高的地区, 属于断裂构造复杂区域, 往往就 是断裂构造非常发育的区域, 一般断裂交叉点多, 断裂的规模也比较大; 分维值低的区域, 属于断裂 构造简单区域, 实际条件断裂构造一般较为稀疏, 断裂出现交叉的情况也较少, 断裂的规模一般也不 大, 对开采较为有利。 图 7 城郊煤矿断层复杂程度分维值平面分区分布 4. 3 与突水系数法的对比分析 综合断层复杂程度分形分维值与突水系数值, 将两种危险性评价方法拟合在一起, 整体观察该研 究区的突水危险性, 得到突水危险性综合评价图, 如图 8 所示。 由图 8 还可以看出, 在二水平底板突 水不安全区或安全区同时也是断层构造复杂区或简 单区, 二者在一定程度上存在关联对应关系。 由两 种危险性评价方法综合得出城郊煤矿二水平底板的 东西部开采突水危险性大, 开采不安全; 而在二水 平矿区的中部, 则是比较安全, 但也不是绝对的, 131 2021 年第 1 期 煤 炭 工 程 研究探讨 因为从图 8 可看出在该区的北部也出现构造复杂地 区它的突水系数值却不大, 或者突水系数值较大的 地区构造复杂程度比较简单, 这也与构造分布程度 有一定的关系。 图 8 突水危险性综合对比分区评价 5 结 论 1 运用突水系数法绘制的城郊煤矿二水平二2 煤层底板突水系数等值线和运用分形分维理论计算 得到的底板断层构造复杂程度分布, 均可以直观的 得出二水平底板东西部突水危险性较中部位置较大。 2 结合突水系数法和分形分维发对二水平底板 突水危险性进行了量化与综合对比分析评价。 表明 两种方法的评价结果具有较好的一致性。 断裂构造 复杂程度分维值与突水系数值存在明显的正相关性, 断裂构造复杂区域则对应的突水系数值明显偏大, 综合对比得到了二水平煤层底板在东部和西部突水 危险性均较大, 中间区域偏安全。 参考文献 [ 1 ] 靳德武. 我国煤层底板突水问题的研究现状及展望 [J]. 煤 炭科学技术, 2002, 306 1-4. [ 2 ] 武 强, 周英杰, 刘金韬, 等. 煤层底板断层滞后型突水时 效机制的力学试验研究 [J].煤炭学报, 2003, 286 561-565. [ 3 ] 卜万奎, 茅献彪. 断层倾角对断层活化及底板突水的影响研 究 [J]. 岩石力学与工程学报, 2009, 282 386-393. [ 4 ] 刘德民, 尹尚先, 连会青, 等. 煤矿底板突水定量预警准则 及预警系统研究 [J]. 煤炭工程, 2019, 514 26-30. [ 5 ] 王长申, 孙亚军, 杭 远. 基于事故树分析的煤矿潜在突水 危险评价研究 [J].岩石力学与工程学报, 2009, 282 298-305. [ 6 ] 刘生优. 骆驼山煤矿 16 煤大巷奥灰突水封堵工程设计 [J]. 煤炭工程, 2011, 4310 37-42. [ 7 ] 牛鹏堃, 曾一凡, 李 哲, 等.基于 GIS 的突水系数法与 AHP 型脆弱指数法在应用中的对比 [J].煤炭工程, 2018, 507 97-100. [ 8 ] 琚棋定, 胡友彪, 张淑莹. 基于主成分分析与贝叶斯判别法 的矿井突水水源识别方法研究 [J].煤炭工程, 2018, 50 12 99-103. [ 9 ] 马 凯, 白海波, 祁 静, 等. 司马煤矿底板断层活化突水 机理分析 [J]. 煤炭工程, 2018, 501 85-88. [10] 陈 鹏, 彭是阳, 王鹏飞, 等. 断层分形与多重分形特征及 其对突出分布的控制作用 [J].煤炭科学技术, 2019, 47 7 47-52. [11] 谢焱石, 谭凯旋. 断裂构造的分形研究及其地质应用 [J]. 地球与环境, 2002, 301 71-77. [12] 徐志斌, 王继尧, 张大顺, 等. 煤矿断层网络复杂程度的分 维描述 [J]. 煤炭学报, 1996, 214 358-363. [13] 魏大勇, 王 飞, 许进鹏, 等. 基于分形与模糊综合评价法 的矿井突水危险性评价 [J].煤矿安全, 2013, 448 184-186. [14] 李常文, 柳 峥, 郭好新, 等. 基于采动和承压水作用下断 层突水关键路径的力学分析 [ J].煤炭工程, 2011, 43 5 70-73. [15] 袁世冲, 张改玲, 郑国胜, 等. 斜井穿越风积砂层水砂突涌 注浆治理研究 [J]. 煤炭学报, 2018, 434 207-213. 责任编辑 张宝优 231 研究探讨 煤 炭 工 程 2021 年第 1 期