蒋庄煤矿太原组煤层开采底板突水危险性分区分级研究

尹会永，Liliana Lefticariu，魏久传，谢道雷，肖乐乐，张伟杰，佟文亮

（1.中国矿业大学 （北京）地球科学与测绘工程学院，北京100083；2.山东科技大学地球科学与工程学院 山东省沉积成矿作用与沉积矿产重点实验室，山东 青岛266590；3.山东科技大学 矿山灾害预防控制省部共建国家重点实验室培育基地，山东 青岛266590；4.南伊利诺伊大学地质系，伊利诺伊卡本代尔62901；5.枣庄矿业 （集团）有限责任公司蒋庄煤矿，山东 枣庄 277519）

蒋庄煤矿太原组煤层开采底板突水危险性分区分级研究

尹会永1，2，3，Liliana Lefticariu4，魏久传2，3，谢道雷2，肖乐乐2，张伟杰2，佟文亮5

（1.中国矿业大学 （北京）地球科学与测绘工程学院，北京100083；2.山东科技大学地球科学与工程学院 山东省沉积成矿作用与沉积矿产重点实验室，山东 青岛266590；3.山东科技大学 矿山灾害预防控制省部共建国家重点实验室培育基地，山东 青岛266590；4.南伊利诺伊大学地质系，伊利诺伊卡本代尔62901；5.枣庄矿业 （集团）有限责任公司蒋庄煤矿，山东 枣庄 277519）

华北地区越来越多的煤矿将要开采太原组下部煤层，基底奥灰突水危险性随之增加。为合理评价滕州矿区蒋庄煤矿162、163采区太原组16煤底板奥陶突水危险性，在分析采区地质及水文地质特征的基础上，利用基于GIS的AHP型“脆弱性指数法”，选取奥灰（富水性与水压力）、断裂构造（密度、断层交点和端点的分布、断层规模指数）和有效隔水层厚度因素作为评价指标，建立预测模型。应用本模型对研究区奥灰突水危险性进行了分区分级，分为安全、较安全、较危险和危险四个等级，对每个等级的分布进行了分区。经验证，预测效果符合实际，并与“突水系数法”预测结果相比，更详细、具体。分区分级结果有助于指导矿井16煤开采防治水工作。

太原组；底板突水；脆弱性指数；分区分级

华北含煤区作为我国主要的产煤区之一，多年来以开采山西组和太原组上部煤层为主，但随着上部煤层的日渐殆尽，越来越多的煤矿要面临开采太原组下部煤层的局面。然而，太原组下部煤层距离基底奥陶系灰岩（奥灰）岩溶含水层较近，易发生底板突水灾害。如何较为准确的确定底板突水危险性是矿井防治水工作需要解决的主要任务。我国矿井水文地质工作者经过近六十多年的实践、研究，已形成了许多实用、先进的评价理论和方法，如“突水系数法”［1］、下三带”理论［2］、“关键层”（KS）理论［3］、薄板结构理论［4］、“零位破坏”与“原位张裂”理论［5］、基于 GIS的多源信息复合［6］、突水概率指数法［7］、神 经 网 络［8］、优 势 面［9］、信 息 分 析－熵 的 方法［10］、“脆弱性指数法”［11］、“突水系数－单位涌水量法”［12］、模糊聚类法［13］、无量纲信息融合法［14］、基于岩体极限平衡理论［15］、基于模糊物元理论［16］等理论和方法，对预测底板突水起到了良好的指导作用。近年来，“脆弱性指数”系列方法应用越来越广［17－19］，本文即利用脆弱性指数系列方法中的基于GIS（地理信息系统）的AHP（层次分析）型评价方法对山东省滕州矿区蒋庄煤矿太原组下部煤层开采受底板奥灰突水危险性进行分区分级，并对比突水系数评价结果，以指导矿井水害防治工作。

1 矿井概况

蒋庄煤矿位于济宁市微山县欢城镇和滕州市西岗镇交界处，北距滕州市城区25km，南距微山县城16km。井田基本呈长方型，东西宽约3.5km，南北长约10km，面积36.463km2。蒋庄煤矿于1989年6月24日正式投产，主采3上、3下、12下、16煤，核定生产能力为275万t/a，生产水平为－320m和－430m。

随着蒋庄煤矿上组煤煤炭资源的日渐殆尽，矿井今后将逐渐进入开采下组煤为主。其中太原组16煤将是今后主要开采对象。16煤的162采区、163采区是矿井下组煤先期开拓开采区域，162采区、163采区自西向东埋藏深度逐渐增大，底板突水威胁逐渐增加，尤其是底板奥灰承压含水层水压也越来越大，奥灰岩溶水的突水危险性也随之增大，因此研究16煤底板突水危险性对于矿井今后开展防治水工作具有重要的指导意义。162采区、163采区即为本文研究对象，162采区、163采区位于井田的中西部，面积约为6.67km2。

2 162、163采区地质与水文地质概况

2.1 162采区、163采区地质概况

该采区地层属典型的华北型含煤地层，属于隐蔽型煤田。地层发育有寒武系、奥陶系、石炭系、二叠系、侏罗系、第四系。井田位于滕南煤田的中部，162采区、163采区总体为一倾向南东的单斜构造，在162采区发育一向斜，地层倾角在3～10°。采区目前共揭露及控制断层19条，断层密度2.8条/km2，其中：落差（H）≥100m有3条，50≤H＜100m有3条，20≤H＜50m有8条，10≤H＜20m有3条，5≤H＜10m有2条。

采区内16煤底板标高为－400～－560m，埋藏深度整体呈由西向东逐渐加深。16煤厚度0.7～1.91m，平均0.89m，呈现由北向南逐渐变厚的趋势。采区内及其周边共有49个钻孔，其中48个钻孔穿过16煤，钻探密度为6.15孔/km2。采区16煤资源储量约750万t。163采区西部已回采16301工作面，16303工作面、16306工作面已放出。

2.2 162采区、163采区水文地质概况

2.2.1 含水层

矿井直接充水含水层主要有：山西组3煤顶砂（包括3上、3下煤层顶部砂岩简称3煤顶砂）、太原组第三层石灰岩（简称三灰）、太原组第十下层灰岩（简称十下灰）；间接充水含水层主要有：第四系砂砾层、上侏罗统砾岩、石盒子组顶底部砂岩、本溪组第十四层石灰岩（简称十四灰）、奥陶系石灰岩（简称奥灰）。本文仅对16煤底板具有突水威胁的奥灰含水层进行简要叙述。

奥灰为青灰、灰白色厚层状石灰岩。浅部裂隙溶洞发育，富水性弱至强，为煤系含水层重要补给水源。钻孔揭露奥灰上部铝质较多，下部少量方解石、少量泥质充填，含硅质结合，坚硬，完整，缝合线发育，方解石充填裂隙，坚硬完整。单位涌水量0.000125～0.612L/s.m，水质为硫酸盐、氯化物－钙钠型，矿化度3.828～4.9g/L，2014年6月31日水位标高－169.68m（水12－2孔）～－156.95m（2006－1孔）。

2.2.2 隔水层

主要隔水层为：第四系隔水层、太原组煤层间的黏土岩和本溪组黏土岩。其中本溪组黏土岩主要有十二灰至十四灰之间的黏土岩，间夹细砂岩；16煤与奥灰间距平均57.52m。十四灰与奥灰之间为杂色黏土岩、铁质泥岩、黏土岩、G层黏土岩。对于阻隔奥灰水上升、减少奥灰水对矿井生产的威胁起到重要作用。

3 煤层底板突水威胁性分区分级研究

为了确定研究区煤层开采受底板奥灰突水的威胁程度，并进行威胁程度分区分级，本文利用基于GIS的AHP型“脆弱性指数法”的原理建立各个影响因素专题图，并确定各个影响因素的权重，最终综合各影响因素并统一在预测模型中，建立研究区煤层开采受底板奥灰突水威胁程度的分区分级图。

3.1 影响因素分析及其图件

在分析蒋庄煤矿已有的生产资料和参考其他文献的基础上［20－21］，本文选取影响突水的“矛”（奥灰水压及其富水性，断裂构造（密度、交点和端点个数、规模））和“盾”（有效隔水层厚度）等主要影响因素并绘制各个图件（图1）。

图1 各影响因素图

1）煤层底板奥灰含水层。奥灰是影响162采区、163采区16煤开采最具威胁性的含水层，分析其水压与富水性特征。①奥灰含水层水压是发生底板突水的动力因素。利用蒋庄煤矿奥灰水文观测孔的水位和标高数据以及区内钻孔的相关数据推算得到奥灰水头压力，据此生成研究区奥灰水压图（图1（a），单位为 MPa）。可以看出，奥灰水压是随着埋深的增加而增加，突水的概率也随之增加。奥灰水压最大在162采区中部，呈现由西向东逐渐变大的趋势。②奥灰含水层的富水性是发生底板突水物质基础。井田内奥灰含水层的富水性主要受埋深、断裂构造、岩溶发育程度等因素控制，具有极大的不均一性。根据收集到的抽水钻孔单位涌水量大小、钻孔漏失量、埋深、断裂构造等因素，将奥灰富水性划分为弱、中等、富三个级别。据此数据插值生成了富水性等值线图，进而制作奥灰含水层的富水性图（图1（b），图中数字为相对大小）。总体呈现，采区边缘富水性较弱，中部富水性较强。

2）断裂构造。断裂构造的存在增加了突水概率，断裂构造的分布及其发育情况，规模大小等对底板突水影响较大。①断层存在的区域，突水概率增加，因此，断层分布是影响煤层底板突水的重要因素。在采区16煤底板等高线图上，以200m×200m的网度，按照文献［11］的方法绘制断层密度等值线图（图1（c），单位为条数），整体西部复杂，东部较为简单。②断层规模主要从断层落差和延展长度考虑，相同条件下，断层落差越大、延展长度越长，则断层效应越大，导水性增强。以200m×200m的网度绘制断层规模指数等值线图（图1（d），单位为落差与长度乘积），整体西部复杂，东部较为简单。③在断层相交与断层的端点处，岩体裂隙发育，导水的可能性增强。在采区16煤底板等高线图上，同样以200m×200m的网度绘制断层点和端点分布图（图1（e），单位为个数），整体西部复杂，东部较为简单。

3）隔水层厚度。根据“下三带”理论，真正起到阻水作用的是有效隔水层，其数值等于16煤至奥灰间距减去底板破坏带数值与导升带高度。根据钻孔资料，先统计间距值，然后再减去以“三下压煤规程”［22］中的公式计算出来的底板破坏带深度（工作面宽度以现有工作面值为参考，为160m）。资料表明，采区原始导升高度和矿压导升高度为零。16煤至奥灰有效隔水层厚度见图1（f）（单位为m），可知，16煤底板有效隔水层厚度为34.62～37.32m，平均35.91m，总体呈自西向东逐渐变薄的趋势。

3.2 基于AHP方法的影响权重确定

通过前述影响因素分析可知，为了确定底板奥灰突水危险性，需对“矛”和“盾”的指标进行权重衡量，如图2所示，建立三个级别来逐一确定权重大小。

根据对影响蒋庄煤矿162采区、163采区煤层底板突水因素的分析，运用“征集专家评分”的方法［11］，来构建162采区、163采区16煤底板奥灰突水评价的判断矩阵，并最终获得各个影响因素的权重大小（表1～4）。

通过表1～4可知，各组矩阵计算出λ，CI与CR，存在的CR值都小于0.1，判断矩阵通过一致性检验。所以，得到的各因素权重值如表4中w列所示。

图2 底板奥灰突水危险性层次结构示意图

表1 判断矩阵A～Bi（i＝1～3）

表2 判断矩阵B1～Ci（i＝1～2）

表3 判断矩阵B2～Ci（i＝3～5）

表4 各因素权重确定表

3.3 数据归一化

前述各因素的单位不一致，不能统一在模型中，因此需要进行归一化，选用式（1）［23］进行。

式中：Si为计算所得数据；设定a＝0.1，b＝0.9；xi为归一化前的各个影响因素数值。

各因素数据经过归一化处理后，即可运用SURFER建立格网文件，选用50m×50m的格网，共划分4941个网格，建立上述六个因素的归一化格网图，且要保证范围、格网位置、大小均要一致。其中前5个因素对底板突水都属于正相关，但有效隔水层厚度正好相反，因此，需对其进行处理，S′i＝1－Si，S′i为处理后所得数据。

3.4 预测模型建立

建立煤层底板突水脆弱性模型［11］，即建立能反映蒋庄煤矿162采区、163采区16煤层底板突水危险性情况的模型，此模型包括前述的各个影响因素以及各因素的影响权重。

利用脆弱性指数（VI）模型来对煤层底板突水危险性进行评价。模型如式（2）所示。

3.5 分区分级结果及其分析

使用该模型对16煤各个格网点的脆弱性指数进行统计、分析［11］，确定出分级的界限值为0.32、0.57、0.68。根据界限值对162采区、163采区进行区域划分，从而得16煤开采受底板奥灰突水危险分区分级图（图3（a））。VI＞0.68突水脆弱区（危险区）；0.57＜ VI≤0.68突水较脆弱区（较危险区）；0.32＜ VI≤0.57突水过渡区（较安全区）；VI≤0.32安全区。

由图3可以看出，安全区范围较小位于采区西部和中南部；过渡区（较安全区）范围较大，位于采区西南部和东南部；较脆弱区（较危险区）主要位于162采区，脆弱区（危险区）位于162采区深部。评价结果与利用传统的“突水系数法”计算得到的突水系数评价图（图3（b））相似，但脆弱性分区更加详细。但突水系数评价图中的16301工作面位于突水系数大于0.06MPa/m的区域，精度不如本文的评价结果。

3.6 模型的检验

由于研究区目前只开采了16301工作面，已实现安全开采。16301工作面开采时只有十下灰水涌水，水量较小，初期揭露时为5m3/h左右，后减小至1～2.5m3/h。另外，进行的底板含水层富水性探测尽管表明十四灰和奥灰有一定的富水性，但实际开采并无突水。16301工作面位于图3（a）中的安全区，也说明评价结果与实际相吻合，所以，评价结果能反映实际条件，可以指导矿井今后开采162采区、163采区的防治水工作。

图3 162采区、163采区16煤底板突水危险性分区分级图（a）与突水系数图（b）

4 结 论

1）蒋庄煤矿162采区、163采区16煤开采主要水害威胁来自煤系基底奥陶系岩溶含水层，16煤至奥灰间距平均57.52m，岩性主要为灰岩、杂色黏土岩、铁质泥岩、黏土岩、G层黏土岩等，对于阻隔奥灰水上升、减少奥灰水对矿井安全生产的威胁起到重要作用。

2）利用基于GIS的AHP的“脆弱性指数”方法，选取奥灰含水层特征（富水性与水压力）、断裂构造（密度、交点和端点的分布、规模指数）和有效隔水层厚度等三个方面、六个主要影响因素，对底板突水的影响权重由大至小分别为：断裂构造、奥灰含水层特征和有效隔水层厚度，并建立了预测模型。

3）利用本预测模型对162采区、163采区底板奥灰突水危险性进行了分区分级，共分为安全、较安全、较危险和危险四个等级，对每个等级的分布进行了分区。经验证，预测效果与实际较为吻合，并经与“突水系数法”预测结果进行对比，更详细、具体，可用来指导矿井防治水工作。

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Water inrush risk zoning and classification during coal seam mining in the Jiangzhuang coal mine，Shandong province

YIN Hui－yong1，2，3，Liliana Lefticariu4，WEI Jiu－chuan2，XIE Dao－lei2，XIAO Le－le2，ZHANG Wei－jie2，TONG Wen－liang5
（1.College of Geoscience and Surveying Engineering，China University of Mining and Technology（Beijing），Beijing 100083，China；2.Shandong Provincial Key Laboratory of Depositional Mineralization ＆Sedimentary Minerals，College of Earth Sciences ＆Engineering，Shandong University of Science ＆Technology，Qingdao 266590，China；3.State Key Laboratory of Mining Disaster Prevention and Control Co－founded by Shandong Province and the Ministry of Science and Technology，Shandong University of Science ＆Technology，Qingdao 266590，China；4.Department of Geology，Southern Illinois University，Carbondale，Illinois 62901，USA；5.Jiangzhuang Coal Mine，Zaozhuang Mining（Group）Co.，Ltd，Zaozhuang 277519，China）

An increasing number of coal mines will focus their operations on the coal seams present in the early Carboniferous Taiyuan Group in North China.It is expected the risk of water inrush from the Ordovician confined limestone aquifer through the floor of overlying excavations to be significant during mining.The current study is using the No.162，163 district in Jiangzhuang coal mine，which is located in the Tengzhou coal field in the Shandong province，as an example of how to calculate and zone this risk based on the analysis of local geological and hydrogeological features such as hydraulic pressure and water yield capacity of the limestone aquifer，fault density，fault crossing and endpoint density，scale index of faults，and effective aquiclude thickness.The vulnerability index was determined using Geographical Information Systems and Analytic Hierarchy Process techniques in order to build the risk prediction model.Four areas were identified with the prediction model based on the risk of water inflow to the floor of the coal seam：safe，transitional，less dangerous，and dangerous.The model validation was carried out by using actual data from the No.16301 workface and showed that it predicted the water inflow risk better than the traditional water inrush coefficient method.The model was considered to be accurate and therefore reliable and helped with the policy to prevent and control groundwater hazards during the mining of coal seam No.16.

Taiyuan group；floor water inrush；vulnerability index；zoning and classification

TD823.84

A

1004－4051（2015）10－0149－06

2014－11－06

国家重点基础研究发展计划（973）项目资助（编号：2012CB723104）；国家自然科学基金资助（编号：41372290；41402250）；山东省自然科学基金资助（编号：ZR2013EEQ019）；山东省矿山灾害预防控制国家重点实验室培育基地开放基金资助（编号：MDPC2012KF13）

尹会永（1979－），男，博士后，副教授，主要从事矿业地质及水文地质方面的教学与研究工作。E－mail：yhy1919＠163.com。