浅埋煤层工作面突水溃沙风险评价及防治技术研究

吕情绪 李 鹏 许 峰

(1.神东煤炭集团公司神东煤炭技术研究院，陕西省神木县，719315；2.煤炭科学研究总院，北京市朝阳区，100013；3.中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西省西安市，710054)

神东及周边矿区多数矿井具有浅埋深、薄基岩、厚富水松散沙层的水文地质沉积特征，进而导致该区域突水溃沙灾害频发[1]。据不完全统计，自20世纪90年代以来，该区域发生了突水溃沙灾害事故20余起，典型案例如瓷窑湾煤矿(1990年)[2]、大柳塔煤矿1203工作面(1993年)等[3]。突水溃沙灾害不仅带来了人身财产损失，还造成了地下水含水层系统的破坏，导致生态环境恶化。众多学者采用多种方法和手段研究了突水溃沙灾害发生机理[4-6]，提出了突水溃沙预测及防控技术[7-11]，但对突水溃沙灾害危险性评价研究较少。范立民等[12]在突水溃沙机理分析的基础上讨论选取沙层厚度、含水层富水性、有效隔水层厚度和采动空间作为关键评价因素对榆神府矿区突水溃沙威胁性进行了评价，具有很好的指导意义。本文在范立民等[12]研究的基础上，结合神东矿区哈拉沟煤矿22206工作面实际情况，对突水溃沙威胁性评价关键指标进行重新考量选取，基于GIS平台对工作面进行了突水溃沙风险分区，并提出重点区域防治思路及防治关键技术。

1 突水溃沙风险评价指标选取

对于浅埋深、薄基岩水文地质条件下突水溃沙灾害发生的充分条件，众多学者已达成共识，概括为：是否存在水沙溃涌的物质基础、是否存在水沙流动的通道、是否存在一定的动水压力和是否存在可容纳水沙流入的空间4个方面。突水溃沙发生的条件是工作面突水溃沙风险评价的基础，因此，本文结合神东矿区哈拉沟煤矿22206工作面实际情况，选取饱水沙层厚度、有效隔水层厚度以及煤层采厚作为评价突水溃沙风险的关键指标。

1.1 饱水沙层厚度

突水溃沙的物源包括水源和沙源，研究区沙源主要来自地表风积沙和萨拉乌苏组松散沙层，水源则是赋存于其中的潜水。若沙层中无水，则其流动性较差，不易溃入井下，只有在沙层富水的条件下，才具有较强流动性，水源和沙源共同组成了突水溃沙物质基础，二者缺一不可。因此，饱水沙层厚度成为表征突水溃沙灾害发生的关键指标之一。

1.2 有效隔水层厚度

根据煤层开采顶板覆岩破坏规律，一旦导水裂隙带沟通松散沙层含水层，水将进入井下成为充水水源，但沙粒不一定能够通过导水裂隙带大规模的进入井下。只有当裂缝宽度达到一定程度，能够形成管道流时，才会引发大规模突水溃沙灾害。据此，刘洋[13]研究提出了“导水沙裂缝带”的概念，同时考虑了冒落带和其上部发育的网络型裂缝，并建立了导水沙裂缝带计算公式。

本文将煤层顶板至松散层底部间距(H间)与导水沙裂缝带(H导)之间的差值定义为有效隔水层厚度(ME)：

ME=H间-H导

(1)

当ME<0时，表明导水沙裂缝带已沟通松散沙层，具备了突水溃沙灾害发生的通道。

1.3 煤层采厚

煤层开采形成采空区，才能够具备水沙源溃入的空间。而采动区空间的大小也决定了突水溃沙灾害发生的危险程度，空间愈大，容纳水沙体体积就越大，水沙体进入井下后，具有较大的流动距离，突水溃沙灾害程度也愈大，反之亦然。研究区煤层厚度4.5～6 m，采用一次采全高采煤工艺，因此，本文以煤层采厚来表征采动空间的大小和开采的强度。

2 构建工作面突水溃沙风险评价模型

工作面突水溃沙风险评价模型的构建思路为：首先将上述3个指标实际数据进行归一化处理，形成各指标专题图，然后采用AHP法确定上述3个评价指标的权重，通过线性加权得到风险值，根据实际情况确定分级阈值，通过GIS平台进行融合输出，使工作面突水溃沙风险等级分区直观可见。

2.1 指标数据归一化处理

考虑到风险评价指标本身代表的含义、计量单位等差异，在专题图层融合前，需将各指标进行归一化处理。

正向指标(指标数值越大，风险值越高)的归一化公式为：

(2)

反向指标(指标数值越大，风险值越低)的归一化公式为：

(3)

式中：Ai——各指标的实际数值；

maxAi——单一指标最大值；

minAi——单一指标最小值。

根据归一化结果，绘制各指标专题图。

2.2 指标权重的确定

采用AHP(层次分析法)结合1-9标度方法构建两两判别矩阵、层次排序及其一致性检验来确定工作面突水溃沙指标的权重。判别矩阵及其特征向量见表1。

根据随机一致性指标RI值对表1判别矩阵进行一致性检验：一致性指标CI=0.017，检验系数CR=0.033<1，则通过了一致性检验。

因此，经计算，饱水沙层厚度、有效隔水层厚度以及煤层采厚指标各自权重分别取值为0.32、0.56和0.12。

表1 判别矩阵及其特征向量

2.3 突水溃沙风险值的确定

在各指标权重确定的基础上，通过线性融合，建立工作面突水溃沙风险(VI)评价模型：

(4)

式中：VI——突水溃沙风险指数；

Wi——指标权重；

x、y——地理坐标。

根据已建立的各指标专题图，通过GIS平台融合叠加，得到工作面突水溃沙风险分区图。

3 实例研究

3.1 评价工作面地质概况

神东矿区哈拉沟煤矿22206工作面开采22煤层，煤层埋深35～96 m，属典型的浅埋煤层，煤层厚度4.5～6 m，采用一次采全高采煤工艺。工作面地层自上往下依次为第四系风积沙层、侏罗系直罗组和延安组基岩层。由于第四系风积沙底部赋存有一定量积水，且与直罗组地层直接不整合接触，使得工作面回采过程中可能会存在突水溃沙风险。

3.2 建立评价指标专题图

根据22206工作面钻孔数据统计显示，工作面范围内饱水沙层厚度为0～20 m，煤层采厚为4.5～6 m、有效隔水层厚度经计算为0～55 m。通过数据归一化处理，绘制得到各指标专题图，见图1。

图1 各指标归一化专题图

3.3 专题图叠加及分区评价

利用ArcGIS平台，将上述饱水沙层厚度、采厚、有效隔水层厚度归一化专题图采用前述突水溃沙风险评价模型(VI)进行加权叠加融合，同时采用自然间断点分级法(Jenks)进行统计分级，确定各分级间断值分别为0.22、0.48、0.79，则工作面突水溃沙风险可分为高风险、较高风险、低风险以及安全4个等级，工作面突水溃沙风险分区见图2。

高风险区VI值>0.79，表示该区域范围无有效隔水层，且具有一定厚度饱水沙层，极易发生突水溃沙灾害；较高风险区VI值介于0.48～0.79，表示该区域有效隔水层厚度基本为零，饱水沙层厚度有限，发生突水溃沙灾害风险较高；低风险区VI值介于0.22～0.48，表示该区域有效隔水层厚度较小，突水溃沙灾害发生几率较低；安全区VI值<0.22，表示有效隔水层厚度较大，该区不会发生突水溃沙。

图2 工作面突水溃沙风险分区图

3.4 分区结果讨论

分区结果显示，距工作面切眼900 m至停采线大部分区域为突水溃沙低风险区和安全区，突水溃沙高风险区及较高风险区主要集中距切眼900 m范围内的两块区域。而2个高风险区域对应的地表存在三元沟的两条支流，见图3。由于沟流侵蚀切割基岩，使得沟流及周边一定范围内基岩厚度较薄(<30 m)，有效隔水层缺失，从而导致工作面回采导水沙裂缝带直接沟通了饱水沙层。结果同样显示了有效隔水层厚度在突水溃沙风险评价中占主导因素，体现了是否具备水沙溃涌通道是突水溃沙灾害发生中的决定性条件之一。

图3 突水溃沙高风险区与三元沟位置关系图

4 突水溃沙防治思路及关键技术

4.1 突水溃沙防治基本思路

根据大量现场防治实践[14-16]及其研究，笔者将浅埋深薄基岩工作面突水溃沙灾害防治思路总结为：水文地质条件探查与分析，掌握基岩、含水层厚度特征、含水层富水性等关键信息；进行工作面突水溃沙风险评价，确定防治重点区域；根据风险评价结果采取有针对性的防治关键技术，如注浆改造沙层含水层、疏水降压、限厚开采等。

4.2 突水溃沙防治关键技术

(1)注浆改造关键技术。针对突水溃沙高风险区(如过沟段薄基岩区域)，可在井下或地面施工钻孔至饱水沙层底部进行注浆，改造沙层充水性质，填堵裂缝，降低饱水砂层的流动性，并且增加有效隔水层厚度等来降低突水溃沙风险。煤矿注浆改造饱水沙层示意图见图4。

图4 煤矿注浆改造饱水沙层示意图

针对22206工作面三元沟薄基岩段(突水溃沙高风险区)，采用了井下注浆方法，共施工注浆钻孔161个，共计注浆量为5610 m3。通过检验钻孔取芯结果显示，松散沙层孔隙中可见水泥，见图5，水泥浆液扩散明显，注浆效果较好，达到了固结沙层的目的。

(2)疏水降压关键技术。可在地面或井下已形成的巷道、联巷及硐室内，施工疏放水钻孔至松散含水层底部。疏干或降低含水层水位，减少饱水沙层的厚度，从而来降低突水溃沙风险。煤矿钻孔抽排水示意图见图6。

图5 注浆检验孔取芯照片

图6 煤矿钻孔抽排水示意图

同样，针对22206工作面突水溃沙高风险区，矿方在两巷道及泄水巷共施工了206个疏放水孔，所有钻孔终孔均位于松散层沙层底部，累计疏放该区域松散沙层含水层水量约29万m3，含水层厚度平均减少了5 m左右，疏放效果较为明显。

(3)限厚开采。采厚同样是影响突水溃沙风险的因素之一，通过降低煤层开采高度，减小导水沙裂缝带发育高度，增加有效隔水层厚度来降低突水溃沙风险。

上述防治措施可根据灾害威胁程度以及现场施工条件单独或相互配合实施，旨在消除水害危险，确保工作面安全回采。22206工作面采前同时采用了井下注浆改造沙层与井下疏水降压等措施，消除了高风险地段(过沟段)突水溃沙威胁，目前该工作面已安全回采完毕。

5 结论

(1)从浅埋深薄基岩突水溃沙发生条件出发，确定了工作面突水溃沙风险评价关键指标为：饱水沙层厚度、有效隔水层厚度以及工作面采厚。

(2)采用AHP法确定了各评价指标权重，提出基于ArcGIS平台融合的突水溃沙风险评价模型以及评价思路，确定了突水溃沙风险评价4级分区。

(3)以神东矿区哈拉沟22206工作面为例，进行了突水溃沙风险评价，分区结果显示突水溃沙高风险区位于三元沟过沟段。

(4)提出了浅埋深薄基岩突水溃沙防治思路及关键技术，主要为注浆改造饱水沙层、疏水降压以及限厚开采等。22206工作面安全回采实践表明上述防治关键技术可靠有效，具有较好的推广应用前景。