周文武，王 杰，楊 飛，滿孝全，王 正，張偉杰，韓承豪，郜普濤

(1.山東科技大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院，山東 青島 266590；2.山東能源新汶礦業(yè)集團(tuán)，山東 泰安 271200；3.棗莊礦業(yè)集團(tuán)高莊煤業(yè)有限公司，山東 濟(jì)寧 277605)

礦井水害是煤礦安全生產(chǎn)的重大威脅，其中頂?shù)装迳?礫)巖含水層突(涌)水是重要災(zāi)害類型之一[1-2]。若井巷工程揭露或溝通砂(礫)巖含水層(強(qiáng))富水區(qū)域，可引發(fā)瞬間大體量突水災(zāi)害，輕者會(huì)造成采礦機(jī)械損失，重者可引發(fā)淹井甚至慘重的人員傷亡事故，而含水層富水性是礦井水害強(qiáng)度的重要影響因素之一，因此開展碎屑巖類含水層富水性評(píng)價(jià)工作是礦井水害防治的基礎(chǔ)工作。傳統(tǒng)研究中，含水層富水性評(píng)價(jià)多是建立在礦井水文地質(zhì)條件較高的探查程度的基礎(chǔ)上，如武強(qiáng)等[3]提出的“三圖-雙預(yù)測(cè)法”，該方法已納入到礦井防治水水害防治的相關(guān)規(guī)程中。然而，對(duì)于水文地質(zhì)條件查明程度較低，或者難以具備水文地質(zhì)勘查條件(如水體下采煤)的礦井，能夠獲得的水文地質(zhì)參數(shù)[4]有限，直接利用探查的水文地質(zhì)資料開展含水層富水性預(yù)測(cè)工作將遇到諸多困難。隨著計(jì)算機(jī)信息技術(shù)的發(fā)展，多位學(xué)者運(yùn)用多源地學(xué)信息復(fù)合疊加原理[5-6]，這些方法為礦井水害防治起到了積極作用，但在水文地質(zhì)勘探程度較低的井田或采區(qū)適宜性較差。

本文以水文地質(zhì)勘探程度較低的高莊煤礦為研究對(duì)象，開展砂(礫)巖等碎屑巖類含水層富水性評(píng)價(jià)及水害危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)研究，構(gòu)建了碎屑巖類含水層富水性預(yù)測(cè)模型，提出了碎屑巖類含水層富水性預(yù)測(cè)方法，并運(yùn)用于高莊煤礦湖下深部采區(qū)頂板富水性預(yù)測(cè)中，取得了良好的效果。

1 煤層采動(dòng)擾動(dòng)帶碎屑巖類含水層富水性預(yù)測(cè)方法

1.1 基本方法

針對(duì)水文地質(zhì)勘查程度較低或勘查條件困難的區(qū)域[5]，基于沉積環(huán)境分析和研究區(qū)構(gòu)造發(fā)育特征，選取含煤地層巖性結(jié)構(gòu)特征和構(gòu)造復(fù)雜程度作為砂(礫)巖含水層富水性的主控因素。提出巖性結(jié)構(gòu)系數(shù)表征煤層頂板巖性及其組合特征，用于評(píng)價(jià)碎屑巖類含水層發(fā)育的物質(zhì)基礎(chǔ)，引入分形理論，采用構(gòu)造分維值用于定量評(píng)價(jià)構(gòu)造復(fù)雜程度。將巖性與構(gòu)造相結(jié)合，提出巖性結(jié)構(gòu)系數(shù)-構(gòu)造預(yù)測(cè)法，用于碎屑巖含水層富水性預(yù)測(cè)。

水文地質(zhì)條件不同以及研究區(qū)碎屑巖類含水層涉及范圍不同，導(dǎo)致含水層富水性主控因素權(quán)重大小各異。首先根據(jù)相關(guān)規(guī)程、研究區(qū)或鄰區(qū)實(shí)測(cè)資料及微震數(shù)據(jù)，確定研究區(qū)工作面采動(dòng)頂板導(dǎo)水裂縫帶范圍，匯總富水性評(píng)價(jià)所涉及到的含水層巖性、數(shù)量、厚度等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)；其次根據(jù)已開采區(qū)域頂板突水案例，重點(diǎn)考慮突水通道類型及涌水量大小，結(jié)合“征集專家評(píng)分”的方法，確定含煤地層巖性結(jié)構(gòu)系數(shù)及構(gòu)造復(fù)雜程度對(duì)砂(礫)巖含水層富水性的權(quán)值大小，構(gòu)建碎屑巖類含水層富水性評(píng)價(jià)模型(LS-SC模型)；最后根據(jù)礦井已開采區(qū)域井下突水資料確定富水性分區(qū)閾值，進(jìn)而確定性分區(qū)范圍。

1.2 碎屑巖類含水層富水性影響因素

基于華北型煤礦頂?shù)装逋凰咐治?，控制?礫)巖含水層富水性的巖性及構(gòu)造因素包括以下4個(gè)方面。

1) 砂(礫)巖含水層賦存規(guī)律：砂(礫)巖空間分布形態(tài)及厚度變化規(guī)律受控于含煤盆地沉積環(huán)境[7]。沉積環(huán)境從根本上決定了含水層內(nèi)部空隙類型及分布，而含水層內(nèi)部空隙構(gòu)成地下水存儲(chǔ)空間，是含水層富水性評(píng)價(jià)的地質(zhì)基礎(chǔ)。

2) 巖層組合關(guān)系：煤層頂?shù)装鍘r層為多個(gè)巖層(組)互層結(jié)構(gòu)。實(shí)踐表明，巖層組合結(jié)構(gòu)中含水層單層厚度及含水層、隔水層間隔數(shù)量對(duì)該巖層組的整體富水性有很大影響[7-10]。

3) 褶曲構(gòu)造發(fā)育程度：褶曲軸部及轉(zhuǎn)折端伴生大量張性節(jié)理，成為含水層良好的儲(chǔ)水空間。尤其是向斜構(gòu)造，為頂板突水事故多發(fā)區(qū)域。

4) 斷裂構(gòu)造發(fā)育程度：斷裂構(gòu)造性質(zhì)和發(fā)育程度對(duì)含水層賦水特征有決定性影響，斷裂構(gòu)造多形成良好的賦水空間。此外，開采擾動(dòng)可能導(dǎo)致斷層滯后活化，擴(kuò)展導(dǎo)水通道并連通更多含水層，增大了頂板水害概率。

1.3 頂板碎屑巖類含水層富水性評(píng)價(jià)模型

采動(dòng)擾動(dòng)下煤層頂板砂(礫)巖含水層富水性可以通過巖性結(jié)構(gòu)系數(shù)(LSC)及構(gòu)造復(fù)雜程度相融合的方法進(jìn)行評(píng)價(jià)。通過以下步驟建立含水層富水性評(píng)價(jià)模型。

圖1 開采擾動(dòng)帶示意圖Fig.1 Zone of mining-disturbance

1) 開采擾動(dòng)帶確定。本文將煤層開采所波及的含水層的范圍稱為開采擾動(dòng)帶Ht(圖1)。開采擾動(dòng)帶垂向區(qū)間確定方法見式(1)和式(2)。

Ht=H開采破壞區(qū)終止于隔水層

(1)

Ht=H+Hr開采破壞區(qū)終止于含水層

(2)

式中：Ht為開采擾動(dòng)帶垂向高(深)度，m；H為開采破壞區(qū)垂向范圍，m；Hr為破壞區(qū)終止含水層殘余厚度，m。

測(cè)定或計(jì)算研究區(qū)煤層開采時(shí)導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育范圍。分析已施工鉆孔資料，自下而上統(tǒng)計(jì)巖層巖性、含水層單層厚度h(w b)i、隔水層單層厚度h(w r)i、含水層-隔水層轉(zhuǎn)換界面數(shù)量n，并測(cè)算各鉆孔的頂板開采擾動(dòng)帶高度。

2) 頂板開采擾動(dòng)帶巖性結(jié)構(gòu)(LS)特征分析。本文考慮碎屑含水層粒徑大小、含水層-隔水層沉積間隔、含水層巖性及單層厚度對(duì)煤層頂板富水性影響，提出運(yùn)用巖性結(jié)構(gòu)系數(shù)(LSC)表征頂板擾動(dòng)區(qū)內(nèi)巖層富水程度，評(píng)價(jià)公式見式(3)。

(3)

式中：h(w b)i為第i個(gè)含水層單層厚度，m；ri為第i個(gè)含水層厚度等效系數(shù)；n為頂板擾動(dòng)帶內(nèi)含水層-隔水層轉(zhuǎn)換界面數(shù)量。

采用極差標(biāo)準(zhǔn)化方法將各鉆孔LSC數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，見式(4)。

(4)

式中：xmk為L(zhǎng)SC原始數(shù)據(jù)；max{xmk}、min{xmk}為L(zhǎng)SC原始數(shù)據(jù)中最大值、最小值。

3) 井田地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜程度(SC)分析。構(gòu)造網(wǎng)絡(luò)是一種具有分形結(jié)構(gòu)的復(fù)雜系統(tǒng)[4]，定量描述分形結(jié)構(gòu)不規(guī)則性的分維數(shù)可以作為定量評(píng)價(jià)斷層、褶皺復(fù)雜程度的一種指標(biāo)，反映了構(gòu)造區(qū)含水層富水特征[7]。

4) 碎屑巖類含水層富水性LS-SC評(píng)價(jià)模型構(gòu)建。綜合考量巖性結(jié)構(gòu)特征以及地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育程度，歸納總結(jié)礦井已采區(qū)域或相鄰礦井頂板水害規(guī)律，確定涌水通道類型，評(píng)價(jià)頂板沉積結(jié)構(gòu)及地質(zhì)構(gòu)造對(duì)頂板富水性影響權(quán)值α、β，構(gòu)建頂板砂(礫)巖含水層富水性評(píng)價(jià)模型，見式(5)。

(5)

根據(jù)上述模型求取復(fù)合值F，繪制等值線圖。

1.4 頂板開采擾動(dòng)帶含水層富水性等級(jí)劃分

在工作面頂板采動(dòng)擾動(dòng)范圍內(nèi)，碎屑巖類含水層的富水性是礦井突水的基礎(chǔ)，其富水程度是決定礦井突水的水量大小和突水點(diǎn)是否能夠持久涌水的基本條件。將LS-SC模型與礦井已開采區(qū)工作面突水位置、涌水量等信息結(jié)合，綜合確定碎屑巖類含水層富水等級(jí)閾值，最終劃分出頂板含水層富水性分區(qū)，對(duì)指導(dǎo)工作面頂板水害防治工作具有一定現(xiàn)實(shí)意義。

2 應(yīng)用實(shí)例

2.1 研究區(qū)概況

高莊煤礦地處微山湖區(qū)，主采煤層為3上煤層，目前淺部煤炭資源開采殆盡，已進(jìn)入湖下深部開采階段。深部開采區(qū)域地表為微山湖水常年覆蓋，水文地質(zhì)勘察程度低，且井田內(nèi)構(gòu)造發(fā)育，工作面頂板突水事故頻發(fā)。根據(jù)實(shí)際揭露的資料3上煤層頂板砂巖是開采3上煤層的直接含水層，巖性以細(xì)砂巖為主，而深部采區(qū)已采的3上1101工作面、3上1107工作面等開采表明，工作面頂板涌水量較淺部顯著增大，亟需開展頂板砂巖含水層富水性評(píng)價(jià)工作，以制定針對(duì)性的礦井水害防治措施。

2.2 深部采區(qū)3上煤層頂板含水層富水性評(píng)價(jià)

根據(jù)本文提出的預(yù)測(cè)方法，對(duì)高莊煤礦3上煤層頂板碎屑巖類含水層富水性預(yù)測(cè)開展研究。

2.2.1 導(dǎo)水裂縫帶高度確定

通過3上1101等工作面開采過程中微震資料分析，本礦深部采區(qū)導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度為50～55 m。參考3上509工作面“兩帶”高度實(shí)測(cè)結(jié)果為49.35 m，該礦3上煤層開采頂板導(dǎo)水裂縫帶最大發(fā)育高度確定為55 m。

2.2.2 3上煤層頂板開采擾動(dòng)帶高度計(jì)算及巖性結(jié)構(gòu)特征分析

1) 開采擾動(dòng)帶高度計(jì)算。統(tǒng)計(jì)高莊煤礦湖下采區(qū)共計(jì)25個(gè)鉆孔資料，分析認(rèn)為該礦頂板擾動(dòng)區(qū)高度為55～68.75 m，依次統(tǒng)計(jì)各鉆孔頂板擾動(dòng)區(qū)內(nèi)轉(zhuǎn)換界面數(shù)量n及含水層厚度所占比重R。

2) 厚度等效系數(shù)計(jì)算。含水層富水性定量評(píng)價(jià)工作中，含水層富水性的歸一化處理是重要環(huán)節(jié)[7,11]。我國(guó)現(xiàn)行規(guī)范《煤礦防治水細(xì)則》[12]中采用鉆孔單位涌水量q作為含水層富水性的評(píng)定指標(biāo)，依據(jù)的是含水層的出水能力，因此單純依據(jù)含水層儲(chǔ)水參數(shù)——孔隙度為指標(biāo)確定含水層等效厚度是不準(zhǔn)確的。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)水文地質(zhì)試驗(yàn)并獲取大量實(shí)測(cè)資料，采用數(shù)據(jù)擬合分析方法獲得了含水層導(dǎo)水系數(shù)T和單位涌水量q之間線性關(guān)系，即導(dǎo)水系數(shù)一定程度上可表征單位涌水量大小[13-15]。

假設(shè)不同巖性含水層富水程度相同，水文地質(zhì)試驗(yàn)中鉆孔單位涌水量相等，則近似存在式(6)和式(7)關(guān)系。

T=Ki×Mi(i=1，2，3)

(6)

(7)

式中：T為導(dǎo)水系數(shù)，m2/d；K為滲透系數(shù)，m/d；M為含水層厚度，m；r為以粗砂巖為基準(zhǔn)的含水層厚度等效系數(shù)；1、2、3為細(xì)砂巖、中砂巖及粗砂巖。

通過3上1110工作面鉆探取樣，獲得井田深部3上煤層頂板細(xì)砂巖、中砂巖及粗砂巖層樣品各5件，利用巖石滲透儀開展?jié)B透性試驗(yàn)研究，得到細(xì)砂巖、中砂巖厚度等效系數(shù)分別為r細(xì)=0.42、r中=0.60。

3) 頂板開采擾動(dòng)帶巖性結(jié)構(gòu)系數(shù)值(LSC)計(jì)算。根據(jù)各鉆孔不同巖性含水層厚度統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，計(jì)算數(shù)據(jù)見表1。

表1 研究區(qū)深部3上煤層頂板特征值統(tǒng)計(jì)表Table 1 Roof strata’s characteristics values of the 3上coal seam in the deep area

圖2 研究區(qū)3上煤層頂板巖性結(jié)構(gòu)系數(shù)等值線圖Fig.2 Contours of of the 3上coal seam roof

2.2.3 井田構(gòu)造分維值等值線圖繪制

井田總體為一寬緩單斜構(gòu)造，斷層發(fā)育。本文僅對(duì)落差大于煤厚或者切割煤層的斷層進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。斷層分維值計(jì)算方法參見文獻(xiàn)[4]，不再贅述。計(jì)算結(jié)果見表1，繪制井田斷層標(biāo)準(zhǔn)化分維值等值線圖(圖3)。由圖3可知，研究區(qū)域內(nèi)斷層等構(gòu)造發(fā)育程度高，極易導(dǎo)通多個(gè)含水層，成為地下水賦存和運(yùn)動(dòng)場(chǎng)所。

圖3 研究區(qū)斷層分維值等值線圖Fig.3 Contours of fault fractal value

2.2.4 頂板含水層富水性分區(qū)圖繪制

1) 頂板含水層富水因素權(quán)值確定。統(tǒng)計(jì)高莊煤礦建井以來涌水量Q>30 m3/h的3上煤層頂板砂巖含水層水害事故(表2)。由表2可知，以斷層發(fā)育區(qū)頂板砂巖含水層突水案例11次；正常圍巖區(qū)頂板砂巖突水案例7次。以突水案例次數(shù)、平均最大涌水量、平均穩(wěn)定涌水量為指標(biāo)分別比對(duì)分析，斷層發(fā)育區(qū)占比分別為61.11%、58.59%、57.49%，正常圍巖區(qū)占比分別為38.89%、41.41%、42.51%。綜合分析以上數(shù)據(jù)，在碎屑巖含水層富水性評(píng)價(jià)模型中，構(gòu)造復(fù)雜程度和巖性結(jié)構(gòu)特征兩個(gè)指標(biāo)的權(quán)重可確定為0.6和0.4。

表2 研究區(qū)3上煤層頂板水害案例統(tǒng)計(jì)表Table 2 Statistic of water-burst cases of the 3上coal seam roof

2) 頂板含水層富水性評(píng)價(jià)模型構(gòu)建。基于上文研究成果，頂板含水層富水性復(fù)合評(píng)價(jià)模型見式(8)。

(8)

圖4 研究區(qū)3上煤層頂板含水層F值等值線圖Fig.4 Contours of F value of the 3上coal seam roof

3) 頂板含水層富水性等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)制定。根據(jù)高莊煤礦已開采區(qū)域內(nèi)工作面頂板砂巖含水層突水位置、涌水量等信息，綜合確定了研究區(qū)頂板含水層富水性分區(qū)界限值F，即：F≥0.58為強(qiáng)富水區(qū)；0.49

結(jié)合3上煤層頂板含水層F值等值線圖及富水性分區(qū)界限值，繪制了研究區(qū)3上煤層頂板含水層富水性分區(qū)圖(圖5)。由圖5可知， 3上煤層開采擾動(dòng)范圍內(nèi)頂板砂巖含水層在礦井西部及東部富水性強(qiáng)，中部富水性大部分為中等，其中在中部?jī)H有兩個(gè)小區(qū)域富水性弱。

圖5 研究區(qū)3上煤層頂板含水層富水性分區(qū)圖Fig.5 Potential groundwater yield zonation of3上coal seam roof

2.3 高莊煤礦3上煤層頂板含水層富水性分區(qū)驗(yàn)證

1) 地球物理異常信息驗(yàn)證。3上1110工作面總體為一單斜構(gòu)造，受斷層影響，煤層產(chǎn)狀變化較大，煤層傾角5°～10°，平均14°。工作面走向長(zhǎng)度1 614 m，傾向長(zhǎng)度108～174 m，煤層厚度穩(wěn)定，厚3.6～7.0 m，平均5.1 m。根據(jù)工作面材料巷、運(yùn)輸巷及切眼實(shí)際揭露情況，工作面實(shí)際揭露斷層50余條，斷層H≥2.0 m共27條(圖6)。

圖6 3上1110工作面物探異常區(qū)分布圖Fig.6 The layout of geophysical exploration anomaly of 3上 1110 working face

為探查3上1110工作面頂板含水層富水情況，2012年11月選擇在該工作面材料巷、切眼和運(yùn)輸巷內(nèi)進(jìn)行，測(cè)線總長(zhǎng)度為2 130 m。材料巷和切眼測(cè)線上每個(gè)測(cè)點(diǎn)探測(cè)工作面順層和工作面頂板兩個(gè)方向，運(yùn)輸巷每個(gè)測(cè)點(diǎn)探測(cè)工作面順層、下幫頂板和上幫頂板三個(gè)方向。

根據(jù)地球物理探測(cè)結(jié)果，確定的富水性異常區(qū)范圍如圖6所示。圖6中菱形網(wǎng)格填充區(qū)域表示工作面順層方向富水異常區(qū)范圍，黑色填充區(qū)域表示頂板方向富水異常區(qū)范圍。結(jié)合圖5和圖6可知，井下瞬變電磁探測(cè)獲得的3上1110工作面富水區(qū)范圍均處于本文提出的頂板含水層富水性分區(qū)圖中的強(qiáng)富水區(qū)內(nèi)，兩者吻合程度較高。因此，圖5可作為高莊煤礦頂板砂巖水富水程度預(yù)測(cè)依據(jù)。

2) 工作面突水點(diǎn)信息驗(yàn)證。統(tǒng)計(jì)了井田深部工作面3上1109工作面和3上1110工作面頂板突水信息，見表3。同時(shí)將突水點(diǎn)位置繪制在圖5上。由表3和圖5可知，兩個(gè)工作面發(fā)生突水3次，均位于預(yù)測(cè)的強(qiáng)富水區(qū)和中等富水區(qū)，反映了該方法富水性分區(qū)的合理性。

表3 3上1109工作面和3上1110工作面頂板突水信息Table 3 Water inrush information of roof in 1109and 1110 working face of 3上coal seam

3 結(jié) 論

1) 綜合運(yùn)用沉積-構(gòu)造方法評(píng)價(jià)煤層采動(dòng)影響區(qū)碎屑巖含水層富水性，采用巖性結(jié)構(gòu)系數(shù)量化含煤地層的巖性及組合關(guān)系，引入分形理論評(píng)價(jià)地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜程度，提出采動(dòng)煤層頂板碎屑巖類含水層富水性預(yù)測(cè)方法。

2) 將碎屑巖類含水層富水性預(yù)測(cè)方法應(yīng)用于高莊煤礦3上煤層頂板砂巖含水層富水性評(píng)價(jià)，基于碎屑巖類富水性預(yù)測(cè)方法，結(jié)合高莊煤礦地質(zhì)與水文地質(zhì)資料，構(gòu)建了煤層開采時(shí)頂板砂巖含水層富水性評(píng)價(jià)模型，確定了3上煤層頂板含水層富水性程度，即將其劃分為強(qiáng)富水區(qū)、中等富水區(qū)及弱富水區(qū)。

3) 通過高莊煤礦3上1110工作面頂部砂巖含水層富水性異常信息及實(shí)際突水點(diǎn)信息，驗(yàn)證了本文方法預(yù)測(cè)結(jié)果的正確性。