樊 敏， 梁少劍， 劉美樂

(1.中煤科工集團西安研究院有限公司， 西安 710077；2.陜西煤業(yè)化工技術研究院有限責任公司， 西安 710065)

正確評價煤層開采充水含水層富水性，對于礦井防治水工作具有重要的指導意義。目前含水層富水性評價主要采用“三圖雙預測”方法[1-2]，它能綜合多種地學因素評價含水層富水性，應用效果良好，對該方法中的地學因素的選取、因素權重的確定等環(huán)節(jié)進行優(yōu)化，也能獲得更適合區(qū)域地質條件的評價結果[3-4]。

下石節(jié)煤礦作為銅川礦務局較早開采的主力礦井之一，近年采掘工作進入近距離煤層重復采動區(qū)域，上組煤回采過程中曾出現過明顯的異常涌水現象，下組煤回采后，導水斷裂帶發(fā)育高度增加，礦井面臨更加嚴重的頂板水害威脅，對上組煤開采擾動后的含水層富水性評價，對礦井防治水安全具有重要意義。

1 開采概況

下石節(jié)礦井位于陜西省銅川市耀州區(qū)，主采侏羅系延安組4號煤層，井田西北部區(qū)域4號煤層分岔為4-1煤和4-2煤，兩個煤層均可采，煤層間距為0.80～48.91 m，一般10～30 m，平均13.71 m。4-1煤層平均厚度4.17 m，以綜采工作面為主，4-2煤層平均厚度13.67 m，以綜放開采為主。

近年礦井布設2301～2303、2305工作面對4-1煤層進行開采，首個重復采動的222工作面位于4-1煤的2301工作面采空區(qū)正下方，與2301工作面兩巷道內錯20 m布置。隨著煤層分岔區(qū)域4-1煤層資源量開采殆盡，礦井主要采掘工作將在下伏的4-2煤層布設。礦井采掘工程示意圖見圖1。

圖1 礦井采掘工程示意Fig. 1 Schematic of mine mining engineering

2 頂板含水層水文地質條件

在上覆4-1煤層已采情況下，4-2煤回采主要面臨的水害問題包括4-1煤采空區(qū)積水和頂板巨厚洛河組砂巖含水層水，采空區(qū)積水可在掘進中施工探查，鉆孔進行疏放，可基本排除采空區(qū)積水隱患。而洛河組含水層水在上組煤開采導水斷裂帶波及情況下，含水層底部裂隙發(fā)育，其富水性對于4-2煤開采影響較為嚴重。

2.1 洛河組含水層厚度特征

研究區(qū)范圍內洛河組含水層一般厚度在290.0～330.0 m，局部地段厚度達到343.0 m(8944號鉆孔)，平均厚度321.9 m。井田西部及西北部厚度較小，約310.0 m，由西北向東南厚度逐漸增大。洛河組底板標高+1 070～+1 130 m，呈傾向NW的單斜構造，在研究區(qū)西北部洛河組底板平緩，向東南部底板抬升明顯(圖2)?？傮w上洛河組含水層發(fā)育較為穩(wěn)定且厚度較大，為含水層儲水提供了條件。

圖2 洛河組含水層厚度等值線Fig. 2 Isoline of aquifer thickness of Luohe formation

2.2 洛河組含水層巖性特征

基于礦井以往地質資料，對洛河組含水層巖性發(fā)育及巖層組合結構進行統計可得，洛河組地層巖性以中粗粒砂巖、礫巖為主，中粗粒砂巖在洛河組全段均有發(fā)育，泥質膠結為主；礫巖主要位于洛河組中上部，泥鈣質膠結為主，較為堅硬。根據洛河組地層礫巖主要發(fā)育在中上部的特征可以將洛河組劃分為上下兩段，上段為厚層礫巖與中粗粒砂巖互層，平均厚度170.04 m，下段為巨厚層狀中粗粒砂巖，平均厚度151.50 m。洛河組地層巖性對比見圖3洛河組砂巖以中粗砂巖為主，偶見細砂巖、粉砂巖，砂巖厚度占總厚度的68%，其中洛河組下段的巨厚層狀砂巖占總厚度的48%；礫巖主要在洛河組中上部發(fā)育，厚度占總厚度的32%，見圖4，占洛河組上段厚度的64%，上段礫巖厚度占比更大。

圖3 洛河組地層巖性對比 Fig. 3 Stratigraphic lithologic correlation of Luohe formation

圖4 洛河組各巖性占比Fig. 4 Lithologic proportion of Luohe formation

2.3 涌水特征

下石節(jié)煤礦在進入深部工作面回采后各工作面涌水現象逐漸突顯，涌水水源主要為頂板洛河組含水層水。4-1、4-2煤各工作面在回采過程中均出現不同程度的涌水量異常波動現象，類似于“離層涌水”情況，4-1煤各工作面在回采前期涌水量相對較小且穩(wěn)定，在回采中后期開始出現涌水量波動，單次出水持續(xù)數天，涌水量Q整體較大，回采末期涌水持續(xù)且較為穩(wěn)定。以2301工作面為例，在回采至0～1 200 m時，工作面涌水量保持在50 m3/h以內；1 200 m以后出現多次異常涌水現象，最大涌水量可達250 m3/h以上，回采結束后水量逐漸下降穩(wěn)定在50～60 m3/h。2301工作面涌水量變化曲線見圖5。

圖5 2301工作面涌水量變化曲線 Fig. 5 Variation curve of water inflow in 2301 working face

2.4 采后導水裂隙變化規(guī)律

長期的開采經驗及相關研究表明，煤層覆巖中的采動裂隙隨與煤層距離的增加而擾動破壞程度降低，從研究初期定性認識到后期學者對碎脹系數及滲透性的定量描述，目前已經明確采空區(qū)垂向上的滲透系數隨著與煤層距離的增大而逐漸減小，并且服從對數遞減分布，滲透系數最終在導水斷裂帶頂部趨近于原巖滲透系數[5]。

另外，采后裂隙受應力恢復影響逐漸閉合也已經得到廣泛認知，趙永樹等[6]對采動過程中松散含水層水位進行現場監(jiān)測指出，風化基巖的隔水性在采動后期將逐漸恢復。王文學等[7]對采動15 a后的采空區(qū)覆巖裂隙進行了重新觀測，多種觀測方法表明，導水斷裂帶高度比開采初期降低40%，從定量方面反映出裂隙巖體滲透性的后期演化。

以往勘探時期XK6孔抽水試驗說明，滲透系數K=0.012 1 m/d，單位涌水量q=0.036 3 L/(s·m)；礦井在2303工作面施工的TC3采后探查孔說明下石節(jié)煤礦4-1煤采后導水斷裂帶已經波及洛河組砂巖含水層底部，波及厚度約45 m，在回采后洛河組含水層水位逐漸上升并穩(wěn)定，抽水試驗獲取的K=0.072 78 m/d，q=0.071 0 L/(s·m)，遠大于原始情況下含水層的滲透系數及單位涌水量，采動導水斷裂帶改變了洛河組含水層的富水性，也使含水層內孔隙水更多變?yōu)榱严端?。隨著采空區(qū)覆巖應力的恢復，裂隙逐漸趨于閉合，垂向滲流更加微弱，最終現象是采空區(qū)涌水量衰減以及受破壞的含水層滲透系數逐漸恢復至接近破壞前。距2301工作面回采結束約7 a，回采結束時涌水量達50～60 m3/h，目前涌水量已經衰減為15 m3/h，導水斷裂帶波及的洛河組含水層對于2301采空區(qū)涌水的貢獻量已經非常小。但已受開采擾動的含水層裂隙水豐富，在重復開采下組煤時，導水斷裂帶再次波及洛河組含水層，含水層靜儲量釋放將遠大于上組煤初次擾動時的涌水，即下組煤開采波及洛河組時，可能形成突水。

3 含水層富水性評價

含水層富水性的影響因素眾多，目前能綜合多種因素評價含水層富水性且應用成熟的就是多源地學信息融合方法，該方法選取多個含水層主控因素并確定其權重，以權重及各因素量化值建立富水性評價模型，經多源信息疊加得到含水層富水性的量化值[8]。

分析下石節(jié)重復采動區(qū)域洛河組含水層巖性及充水特征，選擇含水層砂巖厚度、含水層砂巖厚度與地層厚度之比(砂地比)、巖心采取率、褶皺分維值作為洛河組含水層富水性評價的主控因素，下石節(jié)井田洛河組含水層富水性評價與以往不同之處在于，洛河組含水層下段已受上組煤開采擾動，導水斷裂帶部分波及洛河組下段。在上組煤采后該段裂隙逐漸閉合，含水層垂向滲流減弱，裂隙發(fā)育導致含水層靜儲量增大，富水性增強，因此在評價下組煤開采時的洛河組含水層水害時，加入上組煤開采導水斷裂帶波及洛河組含水層厚度，作為重復采動條件下洛河組含水層富水性評價的重要控制因素之一。

選取主控因素的單因素專題圖見圖6，將主控因素分類、分層次建立層次分析評價模型，如圖7所示。

圖6 單因素專題圖Fig. 6 Single factor thematic map

圖7 層次分析評價模型Fig. 7 Analytic hierarchy process evaluation model

采用標度評分方法對各主控因素進行打分[9-11]，得出的各因素權重見表1。

表1 主控因素權重值

將權重值賦給各主控因素形成富水性評價模型：

CI=0.15f1(x,y)+0.05f2(x,y)+0.111 7f3(x,y)+

0.266 0f4(x,y)+0.422 3f5(x,y)，

式中：CI——富水性指數；

fk(x,y)——第k個主控因素歸一化后的值，其中(x,y)是該值所在地理坐標點。

根據富水性指數法建立的富水性評價模型，在Surfer中將多個主控因素的單因素專題圖進行疊加計算，多源地學信息融合得出受導高部分波及的洛河組含水層富水性分區(qū)圖，按照研究區(qū)內的富水性指數值進行自然間斷點分級，將區(qū)內洛河組含水層富水性劃分為弱富水區(qū)(CI<0.23)、中等富水區(qū)(0.230.41)這3個等級，如圖8所示。

圖8 洛河組含水層富水性分區(qū) Fig. 8 Water-rich zoning of aquifer of Luohe formation

將富水性分區(qū)結果與礦井4-1煤工作面開采時工作面異常涌水位置疊加，如圖9所示，礦井多個工作面的異常涌水位置均位于強富水區(qū)及其周邊，評價結果與實際情況相符。

圖9 強富水區(qū)與工作面異常涌水位置的關系Fig. 9 Relationship between strong water-rich area and water gushing position of working face

在構造裂隙及開采裂隙等因素的綜合影響下，研究區(qū)內富水性較強的區(qū)域主要分布在中部及西部局部區(qū)域，中等富水區(qū)主要分布在研究區(qū)東西兩側，弱富水區(qū)分布面積較小，說明在已受開采擾動情況下，研究區(qū)內洛河組含水層富水區(qū)域相對廣泛，在重復采動至對應區(qū)域且導高能波及洛河組時，存在涌水量增大的可能。

4 結 論

(1)礦井4-1煤采后波及洛河組含水層底部，使洛河組砂巖孔隙含水層向裂隙含水層變化，下伏4-2煤開采仍然受頂板洛河組含水層的威脅。

(2)4-1煤采動導水斷裂帶波及洛河組含水層厚度可作為主控因素之一，以多元信息融合方法進行含水層富水性評價，將重復采動區(qū)域洛河組含水層劃分為弱富水區(qū)、中等富水區(qū)、強富水區(qū)，以指導礦井防治水工作的開展。