顶板突(涌)水危险性“双图”评价技术与应用——以鄂尔多斯盆地西缘新上海一号煤矿为例_吕玉广.pdf

第 44 卷 第 5 期 煤田地质与勘探 Vol. 44 No.5 2016 年 10 月 COAL GEOLOGY EXPLORATION Oct. 2016 收稿日期 2016-01-05 作者简介 吕玉广（1969），男，江苏宿迁人，硕士，高级工程师，从事矿井地质及煤矿防治水工作. E-maillvyg691208 引用格式 吕玉广，齐东合. 顶板突（涌）水危险性“双图”评价技术与应用以鄂尔多斯盆地西缘新上海一号煤矿为例［J］. 煤田地质与勘 探，2016，44（5）108-112. LYU Yuguang，QI Donghe. Technique based on “double maps”for assessment of water inrush from roof aquifer and its applicationwith New Shanghai No.1 coal mine at western edge of Ordos basin as example［J］. Coal Geology Exploration，2016，44（5）108-112. 文章编号 1001-1986（2016）05-0108-05 顶板突（涌）水危险性“双图”评价技术与应用 以鄂尔多斯盆地西缘新上海一号煤矿为例 吕玉广，齐东合 （山东能源内蒙古上海庙矿业有限责任公司，内蒙古 鄂尔多斯 016299） 摘要 为解决煤层顶板突水预测预报评价难题，在提出了富水性指数和突水危险性指数的基础上， 以鄂尔多斯盆地西缘新上海一号煤矿为研究对象，应用富水性指数和突水危险性指数的双图，对 三个采煤工作面顶板突水危险性进行评价，结果表明，采煤活动位于富水区又位于突水危险区是 顶板突（涌）水的充要条件。 关 键 词富水性指数；富水性等值线图；突水危险性指数；突水危险性值线图；突水充要条件 中图分类号TD713 文献标识码A DOI 10.3969/j.issn.1001-1986.2016.05.020 Technique based on “double maps”for assessment of water inrush from roof aquifer and its applicationwith New Shanghai No.1 coal mine at western edge of Ordos basin as example LYU Yuguang， QI Donghe （Shandong Energy Inner Mongolia Shanghaimiao Mining Co.， Ltd.， Ordos 016299， China） Abstract To solve the difficult problem of forecast and uation of water inrush from roof， on the basis of pro- posing the water abundance index and water inrush risk index， taking New Shanghai No.1 coal mine at western edge of Ordos basin as research object， the maps of water abundance index and and water inrush risk index were used to to uate water inrush risk from roof in 3 coal mining face. The results showed that coal mining at wa- ter-abundant zone and risky zone of water inrush was the necessary condition for water inrush from roof. Key words water abundance index； contour map of water abundance； water inrush risk index； contour map of water inrush risk； necessary and sufficient condition of water inrush 煤层顶板突水一直影响我国西部矿区侏罗系煤田 可持续发展。煤层顶板冒落沟通上覆含水层而导致顶 板突水灾害发生或恶化采煤面生产环境的实例日益增 多，煤层顶板突水灾害定量评价问题也是矿井水文地 质学的一个难题。 中国矿业大学武强等［1］以荆各庄煤矿 为背景提出“三图双预测法”， 运用多源地学信息复合 叠加原理，较好地解决了顶板突（涌）水定量评价问题。 该技术通过对岩性岩相变化、构造场、水化学场、抽 水试验场、突水事件渗流场和钻孔冲洗液消耗量变化 等 6 个方面的地学信息综合分析、叠加，对砂岩富水 性进行分区。限于勘探程度或其他原因，多项地学信 息难以同时具备，在一定程度上限制了其适用性；此 外，自然界地层的富水性强弱或突水危险性大小是相 对的，分区的方法过于绝对。笔者根据多年实践，提 出煤层顶板突（涌）水灾害“双图”评价法，以富水性等值 线表征富水性强弱、以突水危险性等值线表征突水危 险性大小，适用于煤层与上覆含水层之间有一定厚度 隔水层的条件。如鄂尔多斯盆地侏罗系延安组煤层与 直罗组含水层之间呈角度不整合关系，各煤层普遍受 直罗组砂岩水威胁。由于成岩较晚，岩石成熟度低， 一旦出水还会伴随有溃沙现象，危害较大［2］。“双图”评 价法侧重于岩相、隔水层厚度两个地学信息，资料易 于获取、应用较为简便。下面以鄂尔多斯盆地西缘上 海庙矿区新上海一号煤矿为例介绍评价方法。 ChaoXing 第 5 期 吕玉广等 顶板突（涌）水危险性“双图”评价技术与应用 109 1 地层与含水层 1.1 延安组（J2y） 印支运动晚期本区表现为上升隆起，三叠系延 长组地层受到不同程度的剥蚀，侏罗系延安组含煤 地层以角度不整合或假整合覆盖于延长组地层之 上。早燕山期处于微振荡升降状态，中侏罗世与晚 侏罗世之间出现短暂的沉积间断，表现在直罗组地 层以小角度不整合于延安组地层之上［3］。 延安组为区域含煤地层，岩性组合为灰黑、黑 色粉砂岩、泥岩、炭质泥岩、灰白色砂岩等，有编 号的煤层共 21 层，可采或局部可采的共 10 层。井 田西部因受剥蚀缺失中上部部分地层。地层厚度 317.95～345.94 m， 平均厚度为 332.09 m， 西浅东深， 西薄东厚。其中赋存不稳定的薄层砂岩为含水层， 抽水试验单位涌水量 0.002 4～0.027 4 L/s.m， 渗透系 数 0.003～0.187 m/d，水质为 Cl.SO4－Na 型，矿化度 0.532～10.221 8 g/L，总硬度 25.86～2 240.08 mg/L， pH 值 7.55～8.4，富水性极弱。 1.2 直罗组（J2z） 直罗组地层厚度 106.5～261.73 m，平均 153.88 m。 由一套河湖相沉积的砂岩、粉砂岩、砂质泥岩等组成 的砂泥质沉积建造，与下伏延安组地层以低角度不整 合接触，在井田西部成为煤层的直接顶板。下部多见 粗粒石英长石砂岩， 俗称“七里镇”砂岩， 属孔隙裂隙 型含水层。 抽水试验单位涌水量0.017 9～0.145 6 L /s.m， 渗透系数 0.043 2～0.344 0 m/d， 水质全部为 SO4.ClNa 型，矿化度 2.666～3.521 g/ L，平均 3.068 g/ L，pH 值 8.21～8.67，平均 8.47，富水性中等。该含水层是鄂尔 多斯盆地重要的含水层之一。 2 双图评价法 2.1 富水性等值线图 2.1.1 含水层特点 砂泥质沉积建造内岩性可分为两大类，即砂质 岩石和泥质岩石。其中砾岩、粗砂岩、中砂岩、细 砂岩等粗碎屑岩，因其颗粒较粗、脆性较高称之为 砂质岩石（或脆性岩石）；而粉砂岩、泥岩、砂质泥 岩、炭质泥岩等因其颗粒较细、可塑性较强，称之 为泥质岩石（或塑性岩石）［4-5］。砂质岩石原生孔隙度 大于塑性岩石，在同等应力作用下容易形成大量网 络型裂隙，孔隙或裂隙即为储水空间。砂质岩层之 间所夹的泥质岩层对裂隙的扩展有限制作用，沉积 旋回的不确定性和物源构成的复杂性等因素，共同 决定了这类含水层的富水性具有各层异性、各向异 性特点［6］，研究砂泥质沉积建造的富水性就是研究 砂岩层的特点和赋存规律。 根据新上海一号井田精查地质报告（2007 年 10 月）， 直罗组地层为砂质岩层与泥质岩层交替沉积。 图 1 是直罗组底部 60 m 地层柱状图（限于篇幅， 本文 仅列出部分钻孔资料），所谓“七里镇砂岩”实为砂岩 较为发育的一段地层的总称， 此类含水层富水性不均 一，本文用富水性指数法研究其富水规律。 图 1 直罗组底部（部分钻孔）地层柱状图 Fig.1 Stratigraphic column of the bottom of Zhiluo ation （part of the boreholes） 2.1.2 富水性指数 a. 确定研究范围 砂泥质沉积建造中砂岩含水层在垂向上水力联 系差，主要是顺层径流［7］，因此只需要研究受采煤 影响的某段地层的富水性。本例中直罗组地层以角 度不整合上覆于煤层之上，在煤层隐伏露头处直罗 组受采煤影响的高度最大，远离隐伏露头受采煤影 响的高度越来越小甚至不受影响。 本文借用“防水安 全煤岩柱”概念， 将导水裂隙带和保护层厚度合并作 为研究对象。“借用”的涵义是此时“防水安全煤岩 ChaoXing 110 煤田地质与勘探 第 44 卷 柱”和“保护层厚度”均与传统概念有所不同，仅仅是 用来确定研究范围。根据三下开采规程结合开 采技术条件选择导水裂隙带公式 li 100 5.6 1.63.6 M H M ∑ - ∑ （1） “保护层厚度”按中硬岩条件取煤厚（或采高）的 5 倍。 式中 Hli为导水裂隙带高度，m；∑M 为累加采 高，m； 8 煤层最大采高为 3.8 m，计算得“防水安全煤 岩柱”最大高度为 52.7 m。 因此研究直罗组地层富水 性的厚度范围限定在底部 52.7 m 即可，其上部是否 还有含水层与矿井充水无关。 b. 指数计算 本文把上述研究范围内砂质岩石累加厚度占该 段地层总厚度的百分比称为富水性指数，指数越大 富水性越强，指数越小富水性越弱。计算公式为 C ZH g 100 M F D （2） 式中 FZH为富水性指数，无量纲；MC为研究范围内 砂质岩石累加厚度，m；Dg为研究范围（地层）总厚 度，m。根据前文 Dg取 52.7 m。 富水性指数以钻孔揭露的地层统计资料为基础， 计算出直罗组底部富水性指数为 0.9～84.6， 平均 39（见 表 1）。 富水性指数与单位涌水量（q 值）相比， 前者表征 富水程度的相对性，即同一研究区不同位置富水性相 对强弱，后者直接表征含水层的富水程度，突出定量 性。同一含水层进行过系统抽水试验的矿井较少，而 资源勘探的钻孔资料较多，可以认为富水性指数是在 获得 q 值较少的情况下一种替代性参数。也有作者［8］ 综合考虑赋水性、渗透性等因素后，对砾岩、粗砂岩、 中砂岩、细砂岩等分别赋予不同的权值。笔者认为权 值的大小主观性较强，不同的沉积环境下粗颗粒砾岩 层的富水性未必强于颗粒较细的砂岩层，此外赋权值 的方法应用起来也较复杂，本文将各类砂岩笼统地归 入砂质岩石计算富水性指数容易被生产单位工程技术 人员掌握，可操作性强，应用方便。 2.1.3 富水性等值线图 根据表 1 数据，利用 Surfer 绘图软件绘制出直 罗组底部富水性等值线图（图 2）。 可见直罗组底部富 水性极不均一，表现在 ZK802、1006、Z5、1702 等 钻孔附近富水性最强，1002、1402、S6 等钻孔附近 富水性最弱。地层富水性强弱是渐变的，与传统的 分区相比较，等值线更符合自然规律。 表 1 直罗组底部地层（七里镇砂岩）富水性指数 Table 1 Water content index of the bottom （Qilizhen sandstone） of Zhiluo ation 钻孔 编号 富水性 指数 钻孔 编号 富水性 指数 钻孔 编号 富水性 指数 钻孔 编号 富水性 指数 钻孔 编号 富水性 指数 钻孔 编号 富水性 指数 1002 6.9 1502 48 1804 34.2 2205 83.6 2802 46 Z1 56.6 1004 47.1 1504 68.6 1901 25.7 2302 56.5 3002 57.2 Z2 51.4 1006 100 1601 100 1902 15.9 2401 29.4 3202 15.7 Z3 41.6 1102 73.6 1602 34.3 1904 2 2402 28.2 S1 67.5 Z4 31.1 1104 66 1604 20.8 2001 10 2403 52 S3 85.3 Z5 84.4 1202 82.8 1702 93.5 2002 25.2 2404 15.7 S5 57.7 Z6 64.7 1302 32.6 1704 42.9 2004 63.6 2502 85.2 S6 0 Z7 20.9 1304 51.1 1800 55.2 2102 23 2602 69.6 X6 0 Z8 29.8 1402 25.0 1801 45.1 2202 50.4 2603 30.4 ZK802 99.2 Z9 35.8 1403 11.2 1803 34.7 2204 46.8 2604 61.7 ZK1802 51.6 Z10 49.7 Z11 47.2 Z12 35.1 Z13 42.7 Z14 39.9 Z15 70.6 Z16 21.6 2.2 突水危险性等值线图 “上三带”理论是研究上覆含水层突（涌）水危险 性的基础， 三下开采规程及煤矿防治水规定 均给出了厚煤层分层开采导水裂隙带发育高度经验 计算公式。经验公式在对覆岩段的岩性组合和空间 分布位置等方面考虑有些不足，也不一定完全适用 于综采工艺。有的矿井通过试验研究已经取得了适 合本井田的两带高度计算公式，大多数矿井没有开 展过此项工作，因此经验公式目前仍是我国许多矿 区防治水工作的重要依据之一。通常采用地质剖面 图法划分突水危险区和安全区，导水裂隙带高度是 划分的依据。笔者认为“危险区”和“安全区”的划分 过于绝对，恰当的表述是隔水层厚度越小则突水危 险性越大，隔水层厚度越大则突水危险性越小，由 此提出突水危险性等值线图方法，在一定程度上可 以弥补经验公式的不足。 ChaoXing 第 5 期 吕玉广等 顶板突（涌）水危险性“双图”评价技术与应用 111 图 2 直罗组底部（七里镇砂岩）富水性等值线图 Fig.2 Contours of water abundance of the bottom （Qilizhen sandstone）of Zhiluo ation 2.2.1 突水危险性指数 隔水层实际厚度与计算的防水安全煤岩柱高度 的差值占防水安全煤岩柱厚度的百分比称为突水危 险性指数。指数 0 代表突水临界点，指数为正值且 数值越大突水危险性越小，指数为负值且绝对值越 大突水危险性越大。计算公式为 gfs ZH fs 100 HH T H - （3） 式中 TZH为突水危险性指数，无量纲；Hg为隔水层 厚度，m；Hfs为防水安全煤岩柱高度，m。 实践中采煤面可能留顶煤或破顶板开采，此时 Hg代表的是采空区顶界至含水层底界的距离。分别 计算出导水裂隙带高度、保护层厚度、防水安全煤 岩柱高度以及隔水层厚度等，运用式（3）得到突水危 险性指数（表 2）。 2.2.2 绘制等值线图 运用表 2 数据绘制突水危险性等值线图（图 3）。 可以看出突水危险区沿煤层隐伏露头分布，这与煤 层与含水层之间为角度不整合接触关系和单斜构造 特点相一致。具体应用时可理解为指数大于 10 的 区域为安全区（图中等值线省略），0～10 区间为过渡 区，指数小于 0 的区域为危险区。 表 2 “8 煤层直罗组”突水危险性指数 Table 2 The water inrush risk index of the 8 coal seam-Zhiluo group 钻孔号 危险性 指数 钻孔号 危险性 指数 钻孔号 危险性 指数 钻孔号 危险性 指数 钻孔号 危险性 指数 钻孔号 危险性 指数 1004 66.21 2004 69.74 Z1 55.79 1006 111.202102 -39.7 Z7 -22.25 1102 -31.19 2204 6.74 Z6 -29.35 1104 112.572205 39.82 Z10 73.82 1304 12.54 2403 1.01 Z9 33.48 1403 -34.762404 44.66 Z12 58.00 1502 -32.24 2604 -24.02 Z11 151.48 1504 -3.34 S5 111.05 Z14 27.89 1604 71.51 S3 12.51 Z13 72.89 1702 -11.34X6 -24.31 Z16 44.11 1704 11.53 S6 -0.14 Z15 86.94 1804 73.73ZK1802 -4 S1 -19.84 1902 -11.62 ZK802 94.84 J2 30.39 1904 110.34 Z2 -36.33 图 3 8 煤层直罗组突水危险性等值线图 Fig.3 Contours of water inrush risk from coal seam8Zhiluo ation ChaoXing 112 煤田地质与勘探 第 44 卷 2.3 突（涌）水充要条件 采场位于富水区并不必然突（涌）水，在隔水层 厚度不足的情况下才会发生；采场位于突（涌）水危 险区但上部地层不富水时也不会突（涌）水。采场位 于富水区同时又位于突水危险区是突（涌）水的充要 条件。 3 评价实例 新上海一号煤矿位于内蒙古鄂托克前旗境内， 属鄂尔多斯盆地上海庙矿区，矿区面积 1 154 km2， 煤炭资源总量约 143 亿 t， 其中侏罗系煤层占总资源 量的 85％以上。规划分 14 个井田，新上海一号煤矿 是首期建设的矿井， 8 煤层是主采煤层之一。 111082 是矿井首采工作面，2012 年 11 月开始回采，2013 年 9 月回采结束，最大涌水量 5 m3/h。111084 是矿 井第二个投产的工作面（两采煤面之间留设 20 m 煤 柱）， 2014 年 7 月 27 日推进 141 m 时 88 号综采支架 前端顶板突水溃沙，最大涌水量 2 000 m3/h，总出 水量约 23.3 万 m3，溃出泥沙量 3.58 万 m3，造成淹 面严重事故。113082 工作面 2015 年 2 月 20 日开始 回采，同年 11 月 25 日累计推进 930 m，最大涌水 量 3 m3/h。 同一煤层三个采煤工作面几何参数相近、 采高相近、采煤工艺相同，水情差别极大。 a. 富水性等值线图评价 从图 2 可以看出上述三个工作面开切眼附近均位 于直罗组（七里镇砂岩）含水层富水区内，从切眼向外 富水性指数超过 45 的顺槽长度分别为111084 工作 面胶顺 780 m， 轨顺 680 m； 111082 工作面胶顺 370 m， 轨顺 330 m；113082 工作面胶顺 260 m，轨顺 400 m。 各工作面远离开切眼富水性指数越来越小甚至为 0。 三个工作面开切眼附近富水性指数均较高（富 水区），具备了突（涌）水必备条件之一。 b. 突水危险性等值线图评价 从图 3 可以看出 111082、 113082 工作面均不在 突水危险区内；111084 工作面约 90％面积位于突水 危险区内（突水点附近突水危险性指数为-20）。 c. 评价结论 根据突（涌）水充要条件111082、113082 工作 面不会发生突（涌）水事故； 111084 工作面满足突（涌） 水充要条件，因此发生了“7.27”携沙突水事故。 4 结 论 a. 采煤活动位于富水区同时又处于突水危险 区，容易引发煤层顶板突（涌）水。建议在进行采掘 之前，利用煤田勘探钻孔数据，运用“双图法”进行 先期判断是否有突（涌）水危险性。 b. 煤层顶板突（涌）水危险性“双图”评价方法以 大量钻孔资料为基础，钻孔越多、钻孔分布越合理 评价效果越好。 参考文献 ［1］ 武强，李周尧. 矿井水灾防治［M］. 徐州中国矿业大学出版 社，2002116-124. ［2］ 张玉军， 康永华， 刘秀娥. 松软砂岩含水层下煤矿开采溃砂预 测［J］. 煤炭学报，2006，31（4）429-432. 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