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第 48 卷 第 1 期 煤田地质与勘探 Vol. 48 No.1 2020 年 2 月 COAL GEOLOGY 2. Xi’an Research Institute Co. Ltd., China Coal Technology and Engineering Group Corp., Xi’an 710077, China; 3. Shaanxi Key Lab of Mine Water Hazard Prevention and Control, Xi’an 710077, China Abstract The mud and sand inrush disaster during the mining of deep-buried coal seam is caused by the disintegration of the mudstone in the coal seam roof when meeting water. It is a comprehensive disaster due to concentrated underground mud and sand gush under mine pressure. The occurrence of such disaster is affected by many factors, such as aquifer, mine pres- sure, and geological structure, etc. This paper took Zhaojin coal mine in Huanglong coalfield as the study area, and discussed the mechanism of the disaster. Then the main controlling factors were identified, including water yield property of Luohe ation aquifer, distance between coal roof and Luohe ation aquifer, thickness of conglomerate in Yijun ation, thickness of variegated mudstone above the coal seam, distance between coal roof and variegated mudstone, fault density, distribution of fold, coal seam thickness. The analytic hierarchy process was used to determine the weights of the main con- trolling factors, and the mathematical model for the risk assessment of the mud and sand inrush disaster in the coal seam roof was constructed. Then the thematic map of the main control factors was drawn. Based on the ination fusion , the factors were superimposed, and finally the disaster integrated zoning of multi-source ination fusion was ed. The research results show that the risk of disaster occurrence of ZF202 working face is high, which is in conity to the ChaoXing 114 煤田地质与勘探 第 48 卷 “425” major disaster, indicating that the risk assessment model is reasonable, and the zoning results can be used to guide mining of Zhaojin coal mine and prevention and control of mud and sand inrush disaster. Keywords deep-buried coal seam; mud and sand inrush; multi-source ination fusion; main controlling factors; uation ; Jurassic coalfield; Zhaojin coal mine 西部侏罗系深埋煤层在开采过程中发生的顶板 泥砂溃涌灾害是近年来出现的新型顶板灾害类型， 其形成机理是由于煤层顶板泥岩遇水极易砂化，在 矿压影响下，水、砂混合物集中溃入井下。灾害的 形成同时受到矿井充水条件、煤层顶板岩性及顶板 稳定性、矿压显现特征、地质构造等多方面影响， 是多场、多因素综合影响的非线性灾害类型。由于 泥砂溃涌灾害具有突发性、强动力显现且灾害性强 的特点，易发生群死群伤事故，且灾害一旦发生救 援难度高，人员生存可能性小，其危险性评价与灾 害防治是侏罗纪煤田开发的一大难题。 近年来，随着对煤层顶板水砂灾害研究的逐渐 深入，灾害危险性评价方法也逐渐完善。魏秉亮[1] 对发生在神府矿区的溃水溃砂灾害形成机理进行了 深入研究，提出含水岩层、水砂流动通道、水砂充 填空间和水势能 4 个因素是灾害形成的关键，并利 用 4 个因素定性评价了灾害危险性；范立民等[2-3] 总结提出溃水溃砂本质为水流驱动砂粒发生位移， 并形成了综合砂层厚度、富水性、有效隔水层厚度 和开采强度 4 个指标的危险性评价方法，提出了采 用降低含水层厚度和减小突水通道的系统防治手 段；王子河[4]通过分析松散砂层粒径分布和微量元 素组分，利用砂体液化评价指标判别松散砂层发生 溃水溃砂灾害的可能性；隋旺华等[5-6]开展了水砂突 涌临界水力坡度试验，认为含水层的初始水头和突 砂口张开程度是控制矿井工作面突砂量的关键因 素，并提出将孔隙水压力变化作为溃砂灾害预警指 标；杨天鸿等[7-8]对该问题进行了进一步深入研究和 分析，揭示了砂体运移规律。在顶板水害危险性评 价方面，武强等[9]提出将冒裂安全分区图和含水层 富水性分区图进行叠加，生成顶板突水危险性分区 图，用以评价顶板含水层突水危险性，进一步考虑 了影响含水层富水性的多个指标，建立形成信息融 合型含水层富水性评价方法。整体而言，针对浅埋 煤层开采顶板溃水溃砂灾害评价和顶板水害危险 性评价的研究成果较为丰富， 但尚无深埋条件下综 合考虑多因素影响的顶板泥砂溃涌灾害危险性评 价方面的研究。 由于深埋煤层顶板泥砂溃涌灾害受 到顶板含水层涌水、 顶板稳定性和矿压显现等多方 面的影响， 是多因素综合叠加的非线性动力灾害问 题， 多因素多场源的形成机制增加了该类型灾害危 险性评价的难度， 单独采用水动力条件的传统评价 方法不再适用。 本文在探讨深埋煤层泥砂溃涌灾害形成机理的 基础上，总结灾害发生的多方面主要控制因素，利 用综合各因素的信息融合方法对各主控因素进行叠 加，形成多源信息融合的评价方法，为该类灾害发 生的危险性评价提供依据。 1 研究区地质及水文地质条件 研究区为陕西省旬耀矿区照金煤矿， 井田无大型 断裂构造发育， 主要受褶皱构造和局部裂隙与小断层 影响，主要有 NE 向发育的 S1 向斜、F1补断层、井田 西翼ZF201、ZF202 工作面区域共轭节理带图 1。 图 1 矿井采掘工程平面分布 Fig.1 Distribution of construction engineering and tectonic outline ChaoXing 第 1 期 郭小铭等 深埋煤层开采顶板泥砂溃涌灾害多源信息评价 115 地层由老到新依次发育有侏罗系富县组J1f、 延安组J2y、直罗组J2z，白垩系宜君组K1y、洛 河组K1l及第四系Q。其中，J2y 和 J2z 均为富水性 极弱的相对含水层，而 K1l 富水性较好。 矿井主采侏罗系 4–2煤，煤厚 2.4016.30 m，平 均厚度 8.28 m。煤层开采过程中主要受顶板侏罗系 延安组、直罗组弱富水含水层直接充水和白垩系洛 河组含水层渗透性充水影响。ZF202 工作面回采过 程中曾发生严重的泥砂溃涌灾害，表现为工作面采 场顶板大量泥砂集中溃入，泥砂淤积采场及巷道并 造成 11 人死亡， 灾害发生区域典型地层及水文地质 结构如图 2 所示。 图 2 灾害发生工作面综合柱状示意图 Fig.2 Synthetical lithological column in the working face with the disaster 2 泥砂溃涌形成机制及关键因素 2.1 灾害形成机制 深埋煤层顶板泥砂溃涌灾害表现为水、 砂碎石 混合物在短时间集中溃入井下采掘工作面，在事故 前期通常伴随着压架、片帮等矿压显现现象。通过 对事故形成机理深入研究，查明了灾害发生的主要 水源、物源和动力条件。 a. 水源煤层顶板白垩系洛河组含水层水； b. 物源煤层顶板厚层泥岩、粉砂质泥岩； c. 动力条件顶板关键层复合断裂造成矿压 显现； d. 照金煤矿深埋煤层顶板泥砂溃涌灾害的形成 机理煤层综放开采导致泥岩直接顶板超前断裂，并 导通洛河组含水层，滞采条件下含水层水进入泥岩地 层并长期浸泡，使其泥化崩解形成泥流体，采场来压 造成顶板泥岩失稳及采场压架，使泥流体沿切顶通道 集中溃入井下图 3[11]。 该灾害与浅埋薄基岩溃水溃砂 灾害的初始条件、动力条件、通道、水源和物源基础 均不相同，需深入研究其致灾因素作为危险性评价的 主控因素。 图 3 泥砂溃涌灾害形成机理示意图 Fig.3 Schematic diagram of the ation mechanism of mud and sand inrush 2.2 致灾主控因素分析 通过工作面开采情况、地质条件等因素分析， 结合灾害发生的水源、物源和通道分析成果，研究 泥砂溃涌灾害发生的主要致灾因素。 a. 煤层上覆含隔水层 研究区煤层上覆含水层主要有直罗组砂岩含水 层、洛河组砂岩含水层。其中，直罗组含水层单位涌 水量为 0.000 1660.000 418 1 L/sm，属于富水性极 弱含水层，对灾害发生无显著影响；洛河组含水层是 区域内主要富水层位，也是煤层开采的主要充水含水 层。泥砂溃涌灾害发生水源分析成果表明，ZF202 工 作面“425”事故的溃水水源中，洛河组含水层水占主 要地位。由此可知，洛河组含水层富水性和含水层 受裂隙带影响程度对下部泥岩砂化有决定性影响。 富水性越强，与煤层间距越小，会使工作面充水强 度越高[12]，灾害发生的危险性越大。因此，洛河组含 水层富水性、含水层与煤层间距是致灾主要因素。 宜君组地层位于洛河组下部，岩性以致密砾岩 为主。该层砾岩孔隙率低n2.27，岩层强度高， 破碎后易形成砌体梁结构而保持一定的稳定性，对 阻隔砂岩含水层水进入采场有一定作用。因此，宜 君组砾岩地层可保持整体结构稳定，具有阻隔水作 用，对灾害发生起抑制作用。宜君组砾岩层厚度是 抑制灾害发生的主要因素之一。 b. 煤层上覆杂色泥岩地层 侏罗纪地层沉积相以辫状河三角洲平原相为 主[13]， 同时， 在分流间湾泥岩上部发育决口扇砂体， 在沉积过程中由于气候干旱、水体动荡，加之沉积 后可能存在的岩层风化、构造运动以及风化淋滤等 综合影响，使直罗组底部和延安组上部泥岩地层中 伊利石和蒙脱石含量较高，具有易风化、遇水膨胀、 ChaoXing 116 煤田地质与勘探 第 48 卷 崩解性强等特点，回采过程中极易受到破坏，并发 生大规模冒落。煤层顶板厚层泥岩是泥砂溃涌灾害 的主要物质，是灾害发生的主要物源基础。对泥岩 力学性质、崩解性和膨胀性分析成果表明，泥岩弹 性模量、剪切模量均较小，力学强度极低，遇水后 膨胀力大、膨胀性好、结构松散。因此，煤层上覆 松散泥岩厚度是影响致灾的最主要因素。 煤层顶板泥岩地层遇水稳定性差，当煤层与泥 岩间存在一定厚度的砂岩地层时，可以有效缓解推 采过程中泥岩塑性变形而造成的压架现象，从而减 弱压架、切顶的可能性。因此，煤层到泥岩之间砂 岩地层厚度是抑制致灾发生的主要因素之一。 c. 地质构造 黄陇煤田断裂构造主要包括褶皱、断层和节理 裂隙，部分区域出现古隆起、冲刷带等沉积构造。 断层和节理结构面破坏了岩体本身的完整性， 是顶板岩层薄弱区和水流的优先通道。同时，构造 对工作面回采过程中基本顶岩层滑落失稳有极大的 促进作用[14]。因此，断裂构造发育是造成顶板岩层 失稳并造成压架的主要诱因之一。 井田范围内地层主要受到 NE 向发育的 S1 宽缓 向斜控制，局部小向斜发育不明显。向斜核部地层 挤压形成局部裂隙与应力集中，使得煤层开采过程 中更容易发生基本顶复合断裂、失稳，造成工作面 压架。同时，向斜轴部洛河组含水层厚度大，易造 成局部富水现象。因此，向斜构造的存在对于工作 面压架、含水层富水性增强均有促进作用，是致灾 的主要促进因素之一。 d. 工作面开采 工作面开采影响是造成照金煤矿泥砂溃涌灾害 的直接诱发因素。煤层回采形成采掘空间，破坏了 地层的原始应力平衡，造成煤层顶板岩层破坏并形 成导水裂隙带[15]，导通顶板含水层。直接顶垮落与 基本顶破断造成采场矿压显现，严重时发生切顶、 压架等现象， 影响工作面矿压显现的主要因素包含 顶板岩层破断形式、煤层采厚及开采方式、工作面 推采速度、 煤柱与周边采空区、 断裂构造发育等[16]。 由于开采方式、推采速度及采空区等主观因素受 实际回采过程影响，无法客观定量化表述。本次仅选 取开采厚度指标作为影响开采因素的主控因素。 综合分析各致灾因素，确定影响深埋煤层泥砂 溃涌灾害的主控因素如下洛河组含水层富水性、 煤层到洛河组含水层距离、宜君组砾岩厚度、煤层 上覆杂色泥岩厚度、煤层到杂色泥岩距离、单位面 积断层密度、褶皱构造分布、煤层开采厚度。 3 泥砂溃涌危险性评价模型 3.1 数学模型建立 3.1.1 主控因素权重确定 根据影响泥砂溃涌危险性的主要控制因素分 析，将研究对象划分为 4 个层次泥砂溃涌危险性 评价作为模型的目标层A 层次；含水层B1、杂色 泥岩B2、构造发育B3、开采条件B44 个方面影 响泥砂溃涌灾害发生的可能性，为模型的准则层B 层次；各主控因素指标构成了本模型的决策层C 层次，通过对该层次问题的决策，最终达到所要求 解的目标[17]，结构分析模型如图 4 所示。 图 4 泥砂溃涌灾害危险性评价结构模型 Fig.4 Structural model for risk assessment of mud and sand inrush 运用标度评分方法判识各主控因素对灾害发生 的影响程度，对各主控因素进行评分。打分标准主 要是依照 19 标度法[18]，构建泥砂溃涌灾害危险性 AHP 评价的判断矩阵。计算表明，各判别矩阵均符 合计算指标要求，可用于计算总目标权重。 各指标 Ci对准则层 B的综合权重计算结果分别 为 0.161B1、0.425B2、0.270B3、0.144B4；综 合权重 Wi为各指标 Ci对总目标 A 的权重，计算结 果见表 1 所示。 3.1.2 主控因素指标数据归一化 为了消除主控因素不同量纲数据对评价结果的 影响， 需要对数据进行归一化处理。 采用线性分布的 归一化方法，对于正向影响的主控因素，采用式1 进行正向归一化，负向影响的采用式2进行处理[19]。 ,min ,max,min ii i ii baxx Xa xx -- - 1 ,min ,max,min 1 ii i ii baxx Xa xx ■■-- -■■ ■■ - ■■ 2 式中 Xi为归一化处理后的数据；a、b 分别为归一 化范围的下限和上限，本文取 0 和 1；xi,min，xi,max 分别为各主控因素量化值的最小值和最大值；xi为 各主控因素量化值。 ChaoXing 第 1 期 郭小铭等 深埋煤层开采顶板泥砂溃涌灾害多源信息评价 117 表 1 各指标对总目标的权重 Table 1 Weights of different indicators to the overall goal Ci针对准则层 B 权重 指标 Ci B1 B2 B3 B4 综合权重 Wi 含水层富水性 0.249 3 0.040 2 煤层到洛河间距 0.593 6 0.095 7 宜君砾岩厚 0.157 1 0.025 3 杂色泥岩厚 0.333 3 0.141 6 煤层到泥岩间距 0.666 7 0.283 2 断裂构造密度 0.666 7 0.180 0 褶皱分布 0.333 3 0.090 0 煤层采厚 1 0.143 8 3.1.3 评价模型的建立 建立表明各影响因素作用的数学模型，其计算 值能反映出某一地理位置发生灾害的危险程度。为 此引入危险指数 VIVulnerability Index对灾害危险 性进行评价，其表示某一栅格位置上各种影响因素 对其产生的叠加影响总和[20]，模型表达式如式3。 1 VI , n ii i Wf x y ∑ 3 式中 VI 为危险指数；Wi为影响因素权重；fix,y 为单因素影响值函数； x、 y 为计算栅格的地理坐标； n 为影响因素的个数。 通过 AHP 方法确定的各影响因素权重值表 1，由 此得出照金煤矿顶板泥砂溃涌灾害危险性评价模型为 （） 1 VI, n ii i Wfx y ∑ 0.040 2f1x,y0.095 7f2x,y 0.025 3f3x,y0.141 6f4x,y0.283 2f5x,y 0.180 0 f6x,y0.090 0f7x,y0.143 8f8x,y 4 该数学模型可用于计算空间范围内每一栅格位 置泥砂溃涌灾害发生的危险性。 3.2 主控因素栅格化赋值 将照金煤矿全井田共剖分为 200 列 100 行的均 匀栅格， 每个栅格面积约 50 m2， 绘制各主控因素专 题图，并对栅格赋值。 洛河组含水层富水性指标选择井田范围内抽水 试验得到的单位涌水量值[21]，煤层到洛河组含水层 距离、宜君组砾岩厚度、煤层上覆杂色泥岩厚度、 煤层到杂色泥岩距离、煤层开采厚度均采用实际厚 度和间距数值，分别绘制各主控因素专题图，并将 专题图绘制的插值数据赋值到栅格中图 5图 10。 以 100 m100 m 网格剖分整个井田， 统计得出剖 分网格内断层条数，以网格中心点为坐标、断层条数 为数值绘制断层密度等值线图 11。 沿 S1 褶皱轴分布 绘制褶皱分布图，并对其数值化处理图 12。 3.3 危险性评价分区 采用式1和式2提出的数据归一化方法， 将各 主控因素专题图中各栅格数值进行归一化处理。利 图 5 洛河组含水层富水性专题图单位L/ms Fig.5 Thematic map of water yield property of Luohe ation 图 6 煤层到洛河组间距专题图单位m Fig.6 Thematic map of the distance between the coal seam and Luohe ation 图 7 宜君组砾岩厚度专题图单位m Fig.7 Thematic map of the thickness of conglomerate of Yijun ation 图 8 杂色泥岩厚度专题图单位m Fig.8 Thematic map of the thickness of the variegated mudstone ation ChaoXing 118 煤田地质与勘探 第 48 卷 图 9 煤层到泥岩间距专题图单位m Fig.9 Thematic map of the distance between the coal seam and the variegated mudstone ation 图 10 煤层开采厚度专题图单位m Fig.10 Thematic map of thickness of coal seam 图 11 断裂构造密度专题图单位条/10 000 m2 Fig.11 Thematic map of fracture structure density 图 12 褶皱分布专题图 Fig.12 Thematic map of fold distribution 用信息融合方法，将归一化后的各栅格数值进行叠 加，使其赋值到统一的栅格剖分文件中。运用危险 指数数学模型计算各栅格的危险指数，形成危险指 数分区，由此对照金煤矿发生泥砂溃涌灾害危险性 进行评价图 13。 图 13 中红色部分为危险指数大于 0.5 的区域， 最大值位于 ZF202 工作面，可达 0.66。巷道掘进资 料表明，该区域断裂构造密度较大，向斜构造发育， 泥岩厚度大且直接覆盖于煤层顶板之上，成为井田 范围内发生该类型灾害危险最高的地区。 图 13 中黄色和黄绿色区域分布于红色区域两 图 13 照金煤矿泥砂溃涌灾害危险性分区 Fig.13 Risk zoning of mud and sand inrush in Zhaojin coal mine 侧，覆盖二采区大部分地区，该区危险指数达 0.4 以上。区域内煤层上覆泥岩厚度较大且多数直接覆 盖于煤层顶板，同时，该区域煤层到洛河组间距相 对较小，煤层开采易受到含水层充水影响。区内局 部已采工作面未发生该类事故，但部分工作面出现 明显的涌水特征。因此，此区域仍需加强防范。 图 13 中绿色区域为危险指数介于 0.30.4 的地 区，该区由于煤层采厚小，开采强度低，导水裂缝 带波及洛河组含水层程度相对较低。区内已采工作 面相对较多且未发生该类事故，其主要原因为一采 区工作面煤层与泥岩间距较大。位于二采区范围内 的绿色区域由于煤层上覆泥岩厚度大、泥岩到煤层 距离小，回采过程中仍存在该类事故风险。但由于 二采区绿色区域煤层采厚多数较小， 开采强度较低， 可在一定程度上减小该类事故发生的危险性。 4 结 论 a. 提出深埋煤层开采顶板泥砂溃涌灾害 4方面 8 个主控因素洛河组含水层富水性、煤层到洛河 组含水层距离、宜君组砾岩厚度、煤层上覆杂色泥 岩厚度、煤层到杂色泥岩距离、单位面积断层密度、 褶皱构造分布和煤层开采厚度。 b. 引入危险指数评价指标，利用 AHP 线性权 重标定方法确定主控因素权重， 并进行专题图叠加， 建立照金煤矿开采泥砂溃涌灾害发生危险性评价模 型，并通过多源信息融合技术得出照金井田泥砂溃 涌灾害危险指数。 c. 计算评价结果表明， 照金井田由东向西泥砂溃 涌灾害发生危险性逐渐增加，最西部 ZF202 工作面位 置危险指数达到 0.5 以上， 是全井田危险性最高区域。 请听作者语音介绍创新技术成果 等信息，欢迎与作者进行交流 参考文献References OSID 码 [1] 魏秉亮. 神府矿区突水溃砂地质灾害研究[J]. 中国煤田地质， 1996，8228–30. 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