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★ 煤矿安全 ★

西北矿区浅埋煤层突水溃砂危险性评价

赵迎春

(兖州煤业鄂尔多斯能化有限公司转龙湾煤矿,内蒙古自治区鄂尔多斯市,017000)

摘 要 我国西北地区煤矿矿区生态环境脆弱,尤其是浅埋煤层进行开采时,上覆岩层突水溃砂频发,造成重大的人身伤亡和经济损失。以西北转龙湾煤矿23105工作面为研究区,基于熵权法和GIS技术,选取了砂层厚度、含水层富水性、有效隔水层厚度和煤层采厚等4个指标作为影响研究区浅埋煤层工作面突水溃砂危险性的关键因素,建立了基于熵权法和GIS技术的浅埋煤层突水溃砂危险性评价模型,对研究区突水溃砂危险性进行了分区评价。根据模型评价结果与依据“三下规范”评价结果进行对比,结果表明:浅埋煤层工作面突水溃砂危险性多因素分区评价更加充分地考虑突水溃砂的诱发条件,得出了23105工作面突水溃砂危险性处于相对安全-极高危险,工作面从南至北、自东南向西北危险性逐渐减小的趋势,有利于有针对性地防治突水溃砂,在不同分区内采用最适当的工程防治措施。

关键词 浅埋煤层 突水溃砂 危险性分区 导水裂隙带 熵权法 GIS技术

突水溃砂历来是影响我国西北地区晋陕蒙矿区浅部薄基岩煤层安全开采的主要灾害之一。许多学者采用大量的方法和手段研究了突水溃砂灾害发生机理[1-6],提出了突水溃砂预测及防控技术[7-12] 。范利民等[13]采用熵权法确定影响突水溃砂形成的各个因素的权重并构建了突水溃砂多因素评价模型,在ARCGIS平台上对东胜矿区进行突水溃砂危险性综合分区;吕情绪等[14]利用层次分析法确定各影响指标的权重,结合自然断裂法将哈拉沟煤矿22206工作面的突水溃砂危险性进行了四级分区;郭启琛等[15]通过FAHP的方法以ARCGIS为平台,结合GRA灰色关联度对矿区富水性进行等级划分;张绅等[16] 通过对基岩空间分布规律、主含水层富水性分区和冒裂安全性分区复合叠加分析,形成突水溃沙危险性分区预测方法。

笔者以西北转龙湾煤矿23105工作面为例,通过对多源地学信息进行加权叠加,建立基于GIS 的信息融合性评价模型,实现对浅埋煤层工作面突水溃砂危险性分区,并与依据《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规范》(2017)(以下简称《规范》)[17]进行的结果进行对比验证,以实现对23105工作面突水溃砂危险性做出综合分区评价,为工作面水害防治安全回采提供重要依据。

1 23105工作面水文地质与工程地质

转龙湾煤矿23105工作面位于首采区中部,北邻第二辅运大巷,西邻23101工作面采空区,南到DF4断层,东邻未开采的23106工作面,工作面地表大部分被第四系风成砂覆盖,与公涅尔盖沟距离较近。采区范围内,23101、23102、23103工作面已回采结束,23104工作面正在回采,23106工作面及后续工作面均未开采。23105工作面位置详见图1。

图1 23105工作面位置平面示意

转龙湾煤矿23105工作面开采侏罗系延安组Ⅱ-3煤层,煤层埋深138~160 m,煤层厚度4.3~6 m;基岩总厚度为75~118 m,基岩厚度总体上从西北向东南逐渐减小;第四系厚度为30~60 m,从西北向东南逐渐增厚;II-3煤层到第四系间距为71~139 m, 从西北向东南间距逐渐增大,如图2所示。煤层覆岩由老到新分别为侏罗系延安组、直罗组和安定组以及第四系,23105工作面地层剖面如图3所示。

图2 23105工作面II-3煤到第四系间距等值线

图3 23105工作面地层剖面示意图

由图3可知,煤层直接顶是延安组地层,上覆为直罗组地层,局部出露于地表。安定组地层工作面范围内分布差异较大,为泥岩隔水层,主要集中在工作面停采线一侧,上覆为第四系。煤层倾角约为0°~3°,从开切眼到停采线,基岩厚度逐渐增加,第四系厚度逐渐减小。

Ⅱ-3号煤层开采过程中,直接充水水源为煤层顶底板砂岩含水组,在基岩厚度大于导水裂隙带发育高度的区段,第四系松散层水作为基岩裂隙水的主要补给来源将作为间接充水水源对矿井充水;对于局部基岩厚度较小的区段,导水裂隙带可能发育到基岩顶面风氧化带和第四系松散岩类孔隙潜水含水组,使其成为直接充水水源。在这种情况下,大气降水作为地下水的补给来源将成为间接充水水源对矿井充水。此外,随着第四系松散层潜水位的降低,地下水流场将发生改变,第四系含水层水位低于地表水体水位后,就近的地表水体也可能作为间接充水水源对矿井充水。

2 23105工作面突水溃砂危险性单因素评价

2.1 突水危险性评价

井田内主要地表水体公涅尔盖沟位于23105工作面附近,第四系潜水及地表水可以沿着采动裂隙对矿井直接充水,且钻孔抽水试验结果表明第四系松散含水层富水性中等。 根据《规范》,直接位于基岩上方或底界面下无稳定的黏性土隔水层的松散孔隙强、中含水层水体为Ⅰ类水体,要求留设顶板防水安全煤(岩)柱。依据《规范》,井田内第四系松散层底部无黏性土层,Ⅱ-3煤层顶部基岩自然状态抗压强度均小于40 MPa,为软弱-中硬岩,采煤方法为综采一次采全高,因此,防水安全煤(岩)柱保护层厚度为煤层厚的4倍。工作面内平均煤厚为5 m,所以选取第四系含水层保护层厚度为20 m。《规范》中要求防水安全煤(岩)柱的垂高(Hsh)应当大于或者等于导水裂缝带的最大高度(Hli)加上保护层厚度(Hb)。导水裂隙带高度及剩余煤岩柱综合情况如表1所示,23105工作面附近钻孔的防水安全煤(岩)柱的垂高与导水裂缝带的最大高度及保护层厚度的差范围为-52.67~32.18 m,且多数钻孔的安全煤岩柱高度值为负值,不能保证留出20 m厚的保护层,导致导水裂隙带导通至第四纪含水层,具有很大的突水危险性。

根据表1中Hsh-Hli-Hb的值绘制第四系突水危险性分区图,见图4。从图4可以看出,23105工作面有安全隔水层厚度不够的区域,23105工作面基本处于较危险-危险区,23105工作面南面第四系厚度较大,富水性较强,而基岩厚度较小,使得导水裂隙带容易波及到第四系,此区域会有第四系突水危险,且危险性自工作面西北至东南方向逐渐增大。

2.2 溃砂危险性评价

根据直接顶板的岩性,结合《规范》,以及周边矿井薄基岩区开采实践经验,本区垮落带高度一般为采高的3~4倍,平均高度为19 m。留设保护层厚度需在20 m以上,才能有效阻止松散层砂大量溃入回采工作面。对比采高相近工作面,采高相近工作面未出现上覆第四系风积沙溃砂灾害。通过对23105工作面附近21个钻孔的统计,23105工作面内基岩厚度在75~118 m左右,平均厚度约98 m,安全煤岩柱高度在30~100 m之间,平均厚度约为60 m,具有较好的保护作用,因此垮落带导通第四系含水砂层的可能性较小。

表1 导水裂隙带高度及剩余煤岩柱综合表

孔号煤厚/m防水安全煤(岩)柱的垂高Hsh/m保护层厚度Hb/m导水裂隙带最大高度Hli/mHsh-Hli-Hb/mZK 59085.85102.5520117.0-34.45ZK 57325.1870.9320103.6-52.67ZK 59144.8170.382096.2-45.82ZK 59325.2182.1420104.2-42.06ZK 61145.23108.0020104.6-16.6ZK6131-14.6873.612093.6-39.99 ZK 61314.6170.942092.2-41.26ZK 63075.0687.6920101.2-33.51ZK 63134.4476.142088.8-32.66ZK 63144.80118.812096.02.81ZK 63314.51101.432090.2-8.77ZK 65075.01113.6320100.2-6.57ZK 65144.39138.782086.632.18ZK 65314.69116.812093.83.01ZK 67074.76122.242095.27.04J14.9269.692098.4-48.71S15.13100.1620102.6-22.44S25.0085.5820100.0-34.42ZK69075.09144.1920101.822.39ZK67133.81117.832076.221.63ZK59073.71107.492074.213.29

图4 23105工作面突水危险分区图

3 23105工作面突水溃砂危险性多因素评价

3.1 突水溃砂危险性评价影响因素选取

诱发煤矿突水溃砂灾害的因素多元化,主要与煤层上覆含水层的富水性、覆岩岩性及其强度、开采方式等因素有关。根据西北鄂尔多斯矿区内的水文地质与工程地质条件,且23105工作面绝大多数区域的有效隔水层厚度小于垮落带或者导水裂隙带(见表1),砂岩厚度与含水层富水性可以对突水溃砂危险性评价起作用,综合考虑水砂源、通道及空间等因素,故选取砂层厚度、含水层富水性、有效隔水层厚度和采厚等作为研究突水溃砂的关键因素。

(1)砂层厚度。砂是突水溃砂发生的物质基础,据研究,在相同的通道宽度情况下,颗粒粒径越小,溃砂量越大,随着通道宽度的增加,粒径与溃砂量呈正相关关系。西北鄂尔多斯矿区内的砂层主要指萨拉乌苏组及风积砂,在矿区厚度一般为0~73 m,平均46 m左右,以粉细砂为主,易于发生溃砂。

(2)含水层富水性。研究表明,较高的初始水头是薄基岩采掘溃砂的必要条件,含水层富水性越强,厚度越大,水力坡度越大,越容易形成水砂突涌。在本区萨拉乌苏组含水层是矿井突水溃砂的水动力来源,萨拉乌苏组地下水在风砂滩区普遍分布,厚度变化大,萨拉乌苏组厚度大的区域,含水层厚度大,水力坡度大,富水性强,反之则小。

(3)有效隔水层厚度。本区将煤层到第四纪松散含水层底界面之间的距离减去导水裂隙带及安全带高度的差值作为有效隔水层厚度。根据岩层工程地质特征,西北鄂尔多斯矿区基岩属于中等稳定岩体,导水裂隙带高度一般为采高的20倍,安全带厚度按3~4倍采高计。

(4)煤层采厚。煤层开采形成采空区,才能够具备水砂源溃入的空间。而采动区空间的大小也决定了突水溃砂灾害发生的危险程度,空间愈大,容纳水砂体体积就越大,水砂体进入井下后,具有较大的流动距离,突水溃砂灾害程度也愈大,反之亦然。

3.2 突水溃砂危险性多因素评价原理

3.2.1 数据标准化处理

本次选定的4个突水溃砂关键因素各自代表不同的物理意义,各指标由于性质不同、计量单位不同,因而缺乏综合性。笔者采用阈值法对各关键因素进行无量纲处理。在无量纲化时,需要对指标进行同趋势性变换,不同指标之间需要相同趋势性,所以针对高优指标和低优指标采用不同的无量纲化方法。

根据以上原则和方法,对各指标值进行无量纲化处理后,按计算结果绘制出各因素分布,如图5至图8所示。

3.2.2 指标权重确定

突水溃砂受到多方面因素的共同影响,而各个影响因素所占比重是不相同的,所以在对突水溃砂危险性进行综合分析之前,各因素的权重应当明确。

熵权法的基本思路是根据指标变异性的大小来确定客观权重。指标的信息熵愈小,说明指标值的变异程度愈大,在综合评价中提供的信息量也就越多,其权重也就越大,反之亦然。

图5 砂层厚度分布

图6 第四系含水层钻孔单位涌水量分布

图7 有效隔水层厚度分布

通过计算,砂层厚度权重为0.194、含水层富水性权重为0.2980、有效隔水层厚度权重为0.315、采动空间权重为0.193。由此可见,有效隔水层厚度和含水层富水性权重较大,说明在突水溃砂发生过程中,二者的作用力最大。

图8 煤层厚度分布(采动空间)

3.2.3 评价模型构建

对于多指标综合评价,通常需要建立数学模型将各个单因素的评价指标值融合为可以起到整体评价作用的综合评价值。笔者所选取的4种因素相互独立,故采用线性加权评价模型,见式(1)所示。

(1)

式中:IEI(x,y)——综合评价值;

fi(xy)——指标i在位置(xy)的同化值;

wi——指标i的权重。

按照上述确定的权重,本次构建的突水溃砂评价模型为:

(2)

式中:f1(xy)——砂层厚度在位置(xy)的同化值;

f2(xy)——有效隔水层厚度在位置(xy)的同化值;

f3(xy)——富水性在位置(xy)的同化值;

f4(xy)——采动空间在位置(xy)的同化值。

3.3 突水溃砂危险性多因素评价

根据影响突水溃砂的因素、危险程度、预警级别等,将突水溃砂危险性分为4级,即突水溃砂危险性大、中等、小和安全。将上述评价模型综合计算生成的综合评价指数IEI值在ArcGIS下采用自然断裂法进行分级,可得到5级分级结果,分别对应极高危险IEI值0.80~ 1.00、高危险IEI值0.60~0.80、危险IEI值0.40~0.60、相对安全IEI值0.20~0.40和安全IEI值0~0.20,综合评价指数越大,说明突水溃砂危险性越大。

将上述处理好的各指标对应的矢量图输入到ArcGIS平台,进行多因素加权叠加。即对各图层进行叠加,使叠加得到的图层中包含各图层原有的信息数据,21305工作面突水溃砂风险分区见图9。

由图9可以看出,23105工作面突水溃砂危险性处于相对安全-高危险,工作面从南至北、自东南向西北危险性逐渐减小的趋势。

图9 突水溃砂危险性综合分区图

3.4 23105工作面突水溃砂危险性综合分析

依据《规范》对23105工作面突水溃砂危险性评价的方法,主要考虑水体等级划分和剩余安全岩柱高度。对比之下,通过GIS平台对多源地学信息进行加权叠加分析对23105工作面进行突水溃砂危险性分区的方法考虑了砂层厚度、含水层富水性、有效隔水层厚度和煤层采厚4种因素,其中有效隔水层厚度与剩余安全岩柱高度相似,侧重于考虑突水溃砂发生的通道因素。含水层富水性与水体等级划分相似,侧重于考虑突水溃砂发生的水源因素,相比于依据《规范》对水体定性地划分水体等级,分析含水层富水性并对工作面进行富水性分区考虑到工作面不同区域含水层富水性的差异性,有利于有针对性地设置采高及疏放水方案。除此之外,砂岩厚度和煤层采厚则从突水溃砂的诱发条件出发,考虑到了突水溃砂诱发所需要的砂源以及空间2个因素。

依据《规范》的评价结果可以看出,23105工作面突水危险性自工作面东南至西北方向逐渐减小,发生溃砂的可能性小。基于GIS 的信息融合性评价模型,对浅埋煤层工作面突水溃砂危险性分区评价结果显示,23105工作面突水溃砂危险性处于相对安全-极高危险,工作面东南角发生突水溃砂危险性高,且工作面内自东南向西北危险性逐渐减小。两种方法得出的结果具有一定的相似性,均体现出23105工作面突水危险性自工作面东南至西北方向逐渐减小的趋势。因此在开采23105工作面南部煤层的时候,要更加重视矿井水害的防治,加强对该区域的探放水工作,同时也要重点预防工作面东南方位发生突水溃砂灾害。

4 结论

(1)根据《规范》,对剩余岩柱高度计算结果进行分析,23105工作面发生突水灾害的危险性较大,且突水危险性自工作面东南至西北方向突水危险性逐渐减小,但垮落带导通含水砂层的可能性极小,出现工作面溃砂的风险低。

(2)基于GIS平台,突水溃砂危险性多因素评价,从浅埋深薄基岩突水溃砂发生条件出发,确定了工作面突水溃砂危险性评价关键指标为砂层厚度、含水层富水性、有效隔水层厚度和煤层采厚。

(3)相比《规范》中以剩余岩柱高度为评价依据,通过GIS平台对砂层厚度、含水层富水性、有效隔水层厚度和采厚等多源地学信息进行叠加分析,对23105工作面进行突水溃砂危险性分区综合考虑了诱发突水溃砂灾害的4种条件,对于西北转龙湾煤矿区突水溃砂危险性评价更综合,有利于有针对性地防治突水溃砂,从而在不同分区内采用最适当的工程防治措施。

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Risk assessment of water and sand inrush in shallow coal seam in northwest mining area

ZHAO Yingchun

(Zhuanlongwan Coal Mine of Ordos Energy and Chemical Industry Co., Ltd., Yanzhou Coal Mining Co., Ltd., Ordos, Inner Mongolia 017000, China)

Abstract The ecological environment of coal mine area in northwest China is fragile. When mining in shallow coal seam, accidents of water and sand inrush were frequent, resulting in casualties and property losses. Taking the 23105 working face of Zhuanlongwan Coal Mine in northwest China as an example, the authors selected sand layer thickness, aquifer water yield, effective aquiclude thickness and mining thickness as the key factors for the risk of water and sand inrush in working face of shallow coal seam in the study area, established a risk assessment model of water and sand inrush in shallow coal seam based on entropy weight method and GIS technology, and conducted a zoning assessment for the risk of water and sand inrush. Through comparing the assessment results of modeling with that according to the regulations for coal mining under buildings, water bodies and railways, the study showed that the multi-factor zoning assessment of the risk of water and sand inrush in shallow coal seam was more sufficient in taking the induced conditions into account. It was concluded that the risk of water and sand inrush was relatively safe to extremely high in 23105 working face, the risk had the trend of gradually decreasing from south to north and from southeast to northwest. The results was conducive to targeted prevention and control of water and sand inrush, and the selection of the most appropriate engineering prevention and control measures in different zones.

Key words shallow coal seam, water and sand inrush, risk zoning, water flowing fractured zone, entropy weight method, GIS technology

中图分类号 TD711.43

文献标志码 A

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引用格式:赵迎春. 西北矿区浅埋煤层突水溃砂危险性评价[J].中国煤炭,2021,47(1)∶64-70. doi:10.19880/j.cnki.ccm.2021.01. 009

ZHAO Yingchun. Risk assessment of water and sand inrush in shallow coal seam in northwest mining area[J].China Coal,2021,47(1)∶64-70. doi:10.19880/j.cnki.ccm.2021.01. 009

作者简介:赵迎春(1983-),男,河南焦作人,本科学历,高级工程师,主要从事煤矿生产技术管理工作。E-mail:61993769@qq.com

通讯作者:时宝(1989-),男,安徽宿州人,硕士学历,工程师,主要从事煤矿安全技术研究工作。E-mail:352923556@qq.com

(责任编辑 张艳华)