济三煤矿煤层顶板砂岩含水层富水性预测_石守桥.pdf

第 45 卷 第 5 期 煤田地质与勘探 Vol. 45 No.5 2017 年 10 月 COAL GEOLOGY 2. Jining No.3 Mine, Yanzhou Coal Mining Group, Jining 272169, China Abstract Considering the low degree of hydrologic exploration and the limited number of pumping test in the seventh mining district of Jining No.3 mine, quantitative analysis was carried out on the roof aquifer from two aspects the lithology structure characteristics and tectonic development features. Firstly, the factors, such as sandstone thickness, the numbers of sandstone and mudstone, core recovery percentage and the percent of sandstone in the strata, were considered synthetically to build the lithology structure index. Secondly, the tectonic characteristics of faults were quantitatively analyzed by fractal dimension. Then, the comprehensive uation model of water abundance index was established through ination recombination. Zonation of water abundance was made for seam roof aquifer. The uation results were verified by actually measured specific capacity and good results have been achieved. Keywords lithology structure index; fractal dimension; water abundance index; water abundance of roof 矿井顶板突水一直是煤层开采过程中主要灾害 之一。近年来，煤矿开采强度和规模不断加大，顶 板水害威胁日益严重，对煤矿安全生产构成严重威 胁。因此，煤层开采之前对顶部含水层的富水性进 行有效合理的评价预测，划分重点防控区并采取相 应措施，对消除顶板水害隐患，避免出现对安全生 产有影响的突水事故有着重要意义。我国相关领域 的专家和学者对顶板含水层富水性问题进行了大量 研究。主要通过对多种因素权重求解而进行信息融 合的方法如基于 GIS 信息融合的富水性指数法、模 糊层次分析法[1-3]；基于数据分析的概率神经网络、模 糊聚类综合评判富水性预测法[4-7]；基于瞬变电磁、三 维高密度等物探手段的富水性预测方法[8-10]。但是， 不同地区的地质和水文地质条件各不相同，在新矿 区、新采区水文地质勘探程度较低，或受地形地貌 等条件影响的情况下，以上方法对含水层富水性合 理准确的评价及分区方面具有一定的局限性。 此外， 单独参照有限的单位涌水量数据来评价预测充水含 水层的富水性，无法真实准确反映其分布规律[11]。 在影响煤层顶板含水层富水性的众多因素中，岩性 ChaoXing 第 5 期 石守桥等 济三煤矿煤层顶板砂岩含水层富水性预测 101 结构和构造特征是影响含水层富水性强弱的基础因 素，同时，地层钻探等资料也是最基础、最容易获 取的信息。通过岩性结构和构造特征来分析评价顶 板含水层富水性，是最直接也是最有效的方法。 1 研究区概况 研究区位于济宁三号煤矿西北部，采区面积 14.21 km2。 采区内主要发育的地层有第四系、 侏罗系、 二叠系、石炭系及奥陶系。地层近水平状，侏罗系中 部为岩浆岩侵入层，厚度较大，区内没有较大断层、 褶皱， 地质构造简单。 主要含煤地层为石炭–二叠系的 太原组和山西组，主采煤层为二叠系山西组 3 煤层。 通过对采区的地质及水文地质条件分析，确定 3 煤开采时直接充水含水层为 3上和 3下之间的砂岩裂隙 含水层、3上煤顶部山西组砂岩裂隙含水层，可统称为 3 砂含水层； 间接充水含水层为上侏罗统三台组下部砂 岩裂隙含水层图 1。两含水层之间为石盒子组，主要 岩性为灰绿色砂岩、杂色铝质泥岩、灰及深灰色泥岩 与粉砂岩等。整体以泥岩等为主，夹有薄层细、中、 粗粒砂岩，是主要的隔水层。三台组中部为岩浆岩侵 入，连续性好，厚度大，富水性极弱，可视为隔水层。 三台组上部为砂岩含水层，与上覆第四系不整合接触。 2 顶板含水层富水性预测范围的确定 煤层开采时，只有导水裂缝带内的砂岩水对矿井 造成的影响， 也是顶板砂岩含水层富水性预测的范围。 研究区煤层开采时先开采 3下煤， 再开采 3上煤， 属于近距离煤层[13-14]。本文运用 FLAC3D数值模拟 的方法对 3 煤层开采的导水裂缝带高度进行模拟， 根据模型计算， 单独开采 3下煤时导水裂缝带高度约 为 85 m，裂采比为 17；先开采 3下煤再开采 3上煤时 导水裂缝带高度约为 115 m，裂采比为 14.4。之后 根据邻区实测公式式1，式2及“三下规程”中 经验公式式3进行检验对比见表 1。整体上来 图 1 研究区水文地质剖面图 Fig.1 Hydrogeological section of the study area 表 1 3 煤层开采最大导水裂缝带高度统计 Table 1 Statistical height of water-flowing fracture zone during mining coal seam No.3 3煤近距离开采综合导水裂缝带高度/m 3煤近距离开采综合导水裂缝带高度/m 孔号 经验公式法 实测公式法 数值模拟法 孔号 经验公式法 实测公式法 数值模拟法 C10-15 96.38 70.77 71.22 S31 98.30 72.05 72.55 C11-10 37.91 11.04 15.13 S32 97.63 71.55 79.39 C11-11 104.92 77.57 78.22 S33 90.35 64.10 69.70 C15-10 95.23 68.75 69.76 S34 101.13 74.03 74.63 C15-11 68.76 49.73 72.25 S35 85.43 57.91 76.50 C15-16 97.15 69.90 70.77 S36 82.83 61.43 89.25 C17-6 82.50 55.80 56.78 S37 78.67 63.41 92.14 S 4 94.96 67.67 68.31 S57 85.57 58.42 59.32 S27 81.97 65.52 95.20 S59 80.22 52.87 53.52 S28 61.55 35.46 48.62 S61 87.06 62.62 63.84 S29 89.57 62.22 64.60 S62 100.04 74.09 75.16 S30 97.62 70.14 70.94 ChaoXing 102 煤田地质与勘探 第 45 卷 说，实测公式与数值模拟求得的高度值相差不大， 证明了模拟结果的准确性，而经验公式值明显大于 两者，这主要是由于不同地区地质条件的差异性造 成的。由表 1 可知煤层顶板数值模拟导水裂缝带高 度为 15.3 95.2 m。 相邻采区 3下煤开采导水裂缝带高度实测公式 L 12.43.5 11.73.56 10.96 HMM HMM HMM        L L ， ≤ ， ， ≥ 1 式中 M 为煤层厚度，m。 相邻采区 3上煤开采导裂带实测公式 HL13.9M 2 “三下规程”经验公式 L 100 8.9 1.22.0 M H M   ∑ ∑ 3 3 煤层顶板含水层富水性分析评价 3.1 预测范围内岩性结构特征富水性定量分析 3.1.1 富水因素的确定 a. 砂岩厚度M 砂岩厚度是反映富水性强弱的一个直接指标[12]， 厚 度越大，富水性越强。以往将砂岩厚度作为富水性影响 因素时，只是将含水层内不同砂岩的厚度简单相加，但 是实际情况中不同砂岩由于渗透性的差异，岩层富水性 是不同的。而岩层渗透性与其孔隙度成正比，故可将岩 层孔隙度作为不同砂岩厚度换算的比例系数。 b. 砂泥组合特征N 含水层中的砂岩和泥页岩的组成特征直接影 响着含水层的渗透性能，砂泥互层越多，含导水性 能越弱，富水性越弱。 c. 岩心采取率R 岩层孔隙、裂隙为地下水赋存提供场所，岩心 采取率越低裂隙越发育，岩层完整性越低，越有利 于地下水的富集，从而富水性越强。 d. 砂岩含量Ps 在地应力作用下，砂岩受力之后以张破坏和剪 破坏的形式释放应力，同等条件下砂岩含量越高， 裂隙和节理越发育，地下水赋存条件越好，富水性 越强。 3.1.2 富水因素定量分析 根据计算对含水层最大导裂带内不同砂岩的孔 隙度进行测定， 以粗砂岩孔隙度为标准定为 1计算 不同砂岩间的孔隙度值ki，以此值作为研究砂岩富 水性时不同砂岩厚度换算的比例。具体公式 a1b2c MMk Mk M 4 式中 M 为含水层砂岩等效厚度； Ma为粗砂岩厚度； Mb为中砂岩厚度；Mc为细砂岩厚度；k1为中砂岩厚 度换算等效系数；k2为细砂岩厚度换算等效系数。 对 3 煤层顶板中砂岩粗、中、细的孔隙度进 行工程地质测量统计表 2，并以粗砂岩为基础约 定为 1，折算中、细砂岩对粗砂岩厚度换算的等效 系数。结果显示 k10.8，k20.6。 表 2 3 煤层顶板岩层孔隙度统计分析表 Table 2 Statistical analysis of rock porosity of the roof of coal seam No.3 样本孔隙度/ 岩性 No.1 No.2 No.3 No.4 No.5 No.6 No.7 平均值/ 等效系数 粗砂岩 6.90 15.40 7.60 11.6 10.4 6.87 5.87 9.23 1.0 中砂岩 8.30 8.20 3.80 4.10 9.40 7.40 8.80 7.14 0.8 细砂岩 3.20 8.30 7.70 4.50 5.20 3.20 4.20 5.19 0.6 根据式4统计计算导水裂缝带内砂岩含水层 厚度，厚度统计时，如果导水裂隙带上界为砂岩含 水层，则需要将该含水层全部厚度统计进来，否则 只需要统计导裂带内砂岩含水层厚度。 此外，整理分析各钻孔勘探资料，分别统计计 算最大导水裂缝带内砂–泥岩互层数、 岩心采取率以 及砂岩含量。 3.1.3 岩性结构指数富水性定量分析 在对岩性结构特征中富水因素量化之后，构建煤 层顶板含水层富水性分析模型岩性结构指数 Lithology Structure Index式5。将富水因素统计数据 代入模型，计算研究区内岩性结构指数值L，然后采 用极差法式6进行标准化处理，最后利用 surfer 软 件强大的插值功能绘制标准化之后的岩性结构指数 Lst等值线图图 2。岩性结构指数是岩性特征因素信 息的集合， 反映了各因素对含水层富水性的综合影响， L 值越大，含水层富水性越强，反之亦然。 sa1b2cs M PMk Mk MP L N RN R （） 5 式中 L为岩性结构指数；Ps为砂岩含量，；N为 砂岩、泥岩粉砂岩互层数；R为岩心采取率。   ikik ikik ik xx xx x minmax min    6 式中 xik为某因子的原始数据。 ChaoXing 第5期 石守桥等 济三煤矿煤层顶板砂岩含水层富水性预测 103 图 2 研究区 Lst等值线图 Fig.2 Contour map of Lst in the study area 由图2可以看出，Lst值由中部向南北两侧逐渐 增大，说明研究区3煤层顶板砂岩含水层富水性， 由中部向南北方向逐渐增强。 3.2 顶板断层构造富水性定量分析 顶板含水层富水性的强度除了受岩性结构特征 影响之外，还与断层构造的发育有关。一般而言， 断层构造越发育破碎程度就越高，越有利于地下水 富集，富水性就越强。对研究区断层构造进行分维 值D统计[15]，根据式6进行标准化处理，得到研 究区断层分维值Dst等值线图图3，Dst值越大则富 水性越强。 3.3 顶板含水层富水性综合分析 含水层富水性强弱是岩性结构特征及断层构造 特征综合影响的结果，结合以上分析，对研究区3 煤顶板含水层富水性进行多因素复合，构建富水性 指数模型W stst WLD 7 研究区尚未开采，但邻近的六采区与其水文地 质条件相似且已开采完毕，六采区回采过程中断层 密集带附近涌水量明显增加，对有断层穿过与没有 断层的工作面分别进行最大涌水量统计，经计算二 者最大平均涌水量分别为326 m3/h和201 m3/h。一 般认为涌水量的大小与含水层富水性强弱成正比， 故有α0.62，β0.38。 模型确立后通过surfer软件进行信息融合，对 六采区以相同方法进行计算，并与实际涌水量数据 对比，得到分区阈值为0.3、0.5、0.65，进而得到研 图 3 研究区 Dst等值线图 Fig.3 Contour map of Dst in the study area 究区3煤顶板富水性指数W分区图图4。由图4 可以看出，研究区中部为富水性弱及过渡区，南部 和北部为富水性中等和富水性强区。研究区内仅钻 孔S33进行过放水试验，单位涌水量q0.1 L/ms， 钻孔位于北部富水性强区范围内，在一定程度上反 映该方法富水性分区的合理性。 图 4 研究区砂岩富水性分区图 Fig.4 Zonation of sandstone water abundance in the study area 4 结 论 a. 以井田现有的大量地质勘查资料为基础，基 ChaoXing 104 煤田地质与勘探 第45卷 于砂岩厚度、砂–泥组合特征、岩心采取率、砂岩含 量4个主要影响因素构建了岩性结构指数模型，以 断层分维值表示断层构造发育特征，分别阐述了岩 性结构和断层构造与煤层顶板含水层富水性之间的 相关关系；提出了通过信息综合构建富水性指数模 型进行顶板富水性预测评价的方法。 b. 根据模型计算对济三煤矿七采区3煤顶板含 水层进行富水性分区；以邻近水文地质情况相似的 六采区实际涌水资料为基础，确定了信息综合时的 权重比例及分区阈值；以现有的实际抽水试验数据 对评价结果进行相对检验，效果较好。 参考文献 [1] 武强，樊振丽，刘守强，等. 基于 GIS 的信息融合型含水层 富水性评价方法富水性指数法[J]. 煤炭学报，2011，367 1124–1128. WU Qiang，FAN Zhenli，LIU Shouqiang，et al. Water-richness uation of water-filled aquifer based on the principle of ination fusion with GIS Water-richness index [J]. Journal of China Coal Society，2011，3671124–1128. [2] 崔雪丽，李文平. 综采顶板砂岩富水性多源信息预测评价[J]. 煤田地质与勘探，2015，43143–47. CUI Xueli，LI Wenping. Forecasting and assessment of water abundance of sandstone roof by multivariate ination[J]. Coal Geology Exploration，2015，43143–47. [3] 韩超，泮晓华，李国梁，等. 基于 GIS 多源信息集成的含水 层富水性模糊层次分析法[J]. 水文地质工程地质，2012， 39419–25. HAN Chao， PAN Xiaohua， LI Guoliang， et al. The fuzzy analytic hierarchy process of water abundance of an aquifer based on GIS and multi–source ination fusion techniques[J]. Hydrogeol- ogy Engineering Geology，2012，39419–25. [4] 刘德民，连会青，韩永，等. 基于概率神经网络的煤层顶板砂 岩含水层富水性预测[J]. 煤炭技术，2014，339336–338. LIU Demin，LIAN Huiqing，HAN Yong，et al. Study on water enrichment prediction of coal roof sandstone aquifer based on PNN[J]. Coal Technology，2014，339336–338. [5] 武旭仁，魏久传，尹会永，等. 基于模糊聚类的顶板砂岩富水 性预测研究以龙固井田为例[J]. 山东科技大学学报自然科 学版，2011，30214–18. WU Xuren，WEI Jiuchuan，YIN Huiyong，et al. Study on water enrichment prediction of roof sandstone aquifer based on the fuzzy clustering A case study on longgu coal mine[J]. Journal of Shandong University of Science and Technology， 2011，30214–18. [6] 彭涛，宣良瑞，张海潮，等. 卧龙湖煤矿砂岩含水层富水性预 测及评价[J]. 煤矿安全，2014，458199–202. PENG Tao， XUAN Liangrui， ZHANG Haichao， et al. Prediction and uation of water abundance of sandstone aquifer in Wolonghu coal mine[J]. Safety in Coal Mines，2014，458 199–202. [7] 冯书顺， 李飞飞， 张小明. 基于不同无量纲化方法的煤层顶板 含水层富水性研究[J]. 煤炭技术，2016，355221–222. FENG Shushun，LI Feifei，ZHANG Xiaoming. Research of water-richness of coal seam roof aquifer based on different di- mensionless s[J]. Coal Technology，2016，355 221–222. [8] 张振勇. TEM 技术在岩层富水性探测中的应用[J]. 煤田地质 与勘探，2015，436109–113. ZHANG Zhenyong. Application of TEM technique in detecting the water enrichment of strata[J]. Coal Geology Exploration， 2015，436109–113. [9] 朱恒忠， 刘萍， 汪华君. 近距离顶板灰岩富水性探测与突水危 险性研究[J]. 矿业安全与环保，2015，42160–63. ZHU Hengzhong， LIU Ping， WANG Huajun. Detection of water abundance of short-interval roof limestone and research on water inrush risk[J]. Mining Safety Environment Protevtion，2015， 42160–63. [10] 施龙青，牛超，翟培合，等. 三维高密度电法在顶板水探测中 应用[J]. 地球物理学进展，2013，2863276–3279. SHI Longqing，NIU Chao，ZHAI Peihe，et al. Application of three-dimensional high density resistivity technique in detecting roof water[J]. Progress in Geophysics， 2013， 286 3276–3279. [11] 武强，许珂，张维. 再论煤层顶板涌突水危险性预测评价的 “三图–双预测法”[J]. 煤炭学报，2016，4161341–1347. WU Qiang，XU Ke，ZHANG Wei. Further research on “three maps-two predictions” for prediction on coal seam roof water bursting risk[J]. Journal of China Coal Society，2016， 4161341–1347. [12] 李忠建. 半胶结低强度围岩浅埋煤层开采覆岩运动及水害评 价研究[D]. 青岛山东科技大学，2011. [13] 国家煤炭工业局. 建筑物、 水体、 铁路及主要井巷煤柱留设与 压煤开采规程[S]. 北京煤炭工业出版社，2000. [14] 鲁亮， 刘荣波， 赵从胜. 近距离煤层开采水害防治技术研究[J]. 中国煤炭地质，2016，28239–43. LU Liang，LIU Rongbo，ZHAO Congsheng. Water hazard control study for mining of closer coal seams[J]. Coal Geology of China，2016，28239–43. [15] 李建林，张洪云，冯有利，等. 煤矿断层构造复杂程度的 非线性分析[J]. 中国地质灾害与防治学报，2011，224 69–73. LI Jianlin，ZHANG Hongyun，FENG Youli，et al. Nonlinear analysis of complexity of faults structures in coal mines[J]. The Chinese Journal of Geological Hazard and Control， 2011， 224 69–73. 责任编辑 张宏 ChaoXing