青龙寺煤矿5-2煤层顶板含水层突水危险性评价

王生全，武 超，彭 涛，武忠山，刘凯祥

(1.西安科技大学 地质与环境学院，陕西 西安 710054；2.国土资源部煤炭资源勘查与综合利用重点实验室，陕西 西安 710021)

0 引 言

近年来，随着煤炭资源开采逐渐向西部转移，开采深度不断加大、地质条件越来越复杂，煤层顶板冒裂导通上覆含水层而发生涌(突)水事故和恶化工作面生产环境的现象日益严重，开展煤层顶板含水层突水危险性的评价，对提前做好工作面的防治水工作显得尤为重要[1-7]。

目前针对含水层突水危险性评价的研究，主要有刘天泉[8]提出的覆岩破坏学说，将上覆岩层分为“三带”，即冒落带、裂隙带和整体弯曲下沉带，目前国内以此理论为研究顶板突水机理的基础；高延法[9]提出岩移“四带”模型，认为岩层结构力学模型应划分为破裂带、离层带、弯曲带和松散冲积层带，进一步拓宽了对顶板突水机理的认识；钱鸣高[10]创立关键层理论；武强[11-13]提出的“三图-双预测”理论。

通过对青龙寺煤矿地质及水文地质条件分析，充分挖掘勘探和生产过程中收集的资料，采用武强提出的“三图-双预测”理论[14-20]，对煤层顶板上覆含水层的富水性和因煤层开采造成的充水通道进行评价，建立了煤层顶板含水层突水危险性综合分区图，可作为矿井工作面防治水的地质依据。

1 研究区概况

青龙寺煤矿位于陕西省榆林市府谷县西北部，井田东西长约8.95 km，南北宽约5.85 km，面积为50.38 km2.地表属典型黄土丘陵沟壑区地貌单元。

井田构造形态为倾角1°左右向南西倾斜的单斜构造，区内无较大的断层、褶曲、火成岩，仅在局部有少数微型冲刷构造，构造简单，规律明显。

井田含煤地层为侏罗系中统延安组，属大型内陆湖泊三角洲沉积，含可采煤层4层，其中主要可采煤层为3-1煤层和5-2煤层。其中5-2煤层为稳定的全区可采中厚煤层，煤厚1.08～4.72 m，平均厚度2.68 m，为矿井目前主采煤层。

5-2煤顶板以上主要含水层为第四系孔隙潜水含水层、侏罗系延安组第五段裂隙承压含水层、侏罗系延安组第四段裂隙承压含水层、侏罗系延安组第三段裂隙承压含水层和侏罗系延安组第二段裂隙承压含水层；隔水层主要为新近系上新统保德组隔水层、侏罗系延安组第三段隔水层、3-1煤层和侏罗系延安组第二段隔水层。侏罗系延安组第二段裂隙承压含水层是5-2煤层采后的直接充水含水层，如图1所示。

图1 5-2煤层顶板之上含(隔)水层柱状Fig.1 Column diagram of aquifer(aquifuge)above the roof of 5-2 coal seam

青龙寺煤矿为新建矿井，首采盘区为5-201盘区，首采工作面为5-20101工作面，矿井设计生产能力300万t/a，采用长壁、后退式采煤法，全部冒落法管理顶板。

2 煤层顶板充水含水层富水性评价与分区

由于含水层富水性强弱是多个因素共同作用的结果，具有复杂性、多变性的特点。基于此，在对青龙寺煤矿水文地质、矿区构造、岩性岩相特征以及勘探和生产资料研究的基础上，确定影响充水含水层富水性的主控因素为：岩性岩相变化特征、含水层厚度、岩心采取率、单位涌水量和渗透系数。

2.1 岩性岩相变化特征

岩性岩相变化直接影响着岩石的结构及其物理性质。从岩石力学角度来看，脆性岩主要包括细粒砂岩、中粒砂岩和粗粒砂岩等，受应力破坏后，裂隙较发育，透水性强；塑性岩主要包括砂质泥岩、泥岩和粉砂岩，岩石蠕变变形较大，抵抗破坏能力强，裂隙不发育，具有隔水性。一般情况下，当其它控制因素相同时，脆塑比越大，含水层富水性越强。采用含水层中脆性岩和塑性岩的厚度比值(脆塑比)，绘制了含水层脆塑比变化图如图2所示。

图2 含水层脆塑比变化Fig.2 Change diagram of brittleness to plasticity ratio of aquifer

2.2 含水层厚度

含水层主要由细粒砂岩、中粒砂岩和粗粒砂岩组成，其厚度约为50.36～105.87 m，平均厚度约为83.57 m.一般情况下，当其它控制因素相同时，含水层厚度越大，则富水性越强。含水层厚度变化如图3所示。

2.3 岩心采取率

一般情况下，岩心采取率低，说明岩层完整性差，较破碎，裂隙较发育。所以当其它控制因素相同时，岩心采取率低，富水性较好。岩心采取率变化如图4所示。

图3 含水层厚度变化Fig.3 Change diagram of aquifer thickness

2.4 单位涌水量

一般情况下，当其它控制因素相同时，单位涌水量越大，则含水层富水性越强。单位涌水量变化如图5所示。

图4 岩心采取率变化Fig.4 Change diagram of core recovery rate

图5 单位涌水量变化Fig.5 Change diagram of unit water inflow

2.5 渗透系数

一般情况下，当含水层厚度较厚时，渗透系数越大，代表含水层富水性越强。但是当含水层厚度有限时，即使渗透系数再大，那它的出水能力也是有限的。渗透系数变化如图6所示。

图6 渗透系数变化Fig.6 Change diagram of coefficient

2.6 含水层富水性综合评价与分区

根据对影响青龙寺煤矿5-2煤层顶板充水含水层富水性强弱的各主控因素研究，构建了5-2煤层顶板直接充水含水层富水性判断矩阵[21-27]。根据判断矩阵，计算出各主控因素的权重值，见表1.

表1 基于AHP模型的各主控因素权重值Table 1 Based on the AHP model of the master weight value

根据上述各主控因素权重值及所得到的专题图，利用GIS进行无量纲化后，建立了煤层顶板直接充水含水层富水性综合分区图，如图7所示。从整体来看，在矿区西北、东北部和西南局部富水性较弱，东南部富水性较强。

图7 含水层富水性分区Fig.7 Water-rich zone diagram of aquifer

3 煤层顶板冒裂安全性评价与分区

3.1 导水裂缝带高度计算

通过矿区钻孔统计资料和岩石力学参数的分析，确定选用《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》(以下简称《三下采煤规程》)厚煤层分层开采的导水裂缝带高度计算公式”中的“中硬”岩性计算公式，计算5-2煤层的导水裂缝带发育高度。其计算公式为

(1)

式中 Hli为冒裂带高度，m；∑M为煤层累计采厚，m.

根据各钻孔5-2煤层厚度，通过式(1)算出青龙寺煤矿5-2煤开采后导水裂隙带发育高度范围为19.7～76.2m，平面分布趋势和5-2煤层厚度变化趋势一致，总体由西南至东北呈现逐渐增大的特点，如图8所示。

图8 5-2煤层导水裂隙带发育高度分布Fig.8 Height distribution diagram of water conduction fracture zone in 5-2 coal seam

3.2 5-2煤层顶板隔水层厚度变化分析

5-2煤层之上，延安组第二段含水层之下存在着由粉砂岩、泥岩和炭质泥岩等组成的侏罗系延安组第二段隔水层，其厚度为0～32.48m，平均厚度为5.35m，在矿区内呈中间厚、向东西边界变薄的特点，其中厚度小于5m的区域占矿区总面积的60%以上，如图9所示。总的来看，5-2煤层顶板隔水岩段厚度较小，在5-2煤层开采后大部分处于冒落带内，基本起不到隔水作用。

图9 5-2煤层顶板隔水层厚度分布Fig.9 Distribution diagram of thickness of water-resisting layer in roof of 5-2 coal seam

3.3 煤层开采顶板冒裂安全性评价与分区

若5-2煤层顶板隔水层厚度大于导水裂隙带发育高度，则煤层以上充水含水层中的水一般不容易泄入巷道，划分为冒裂安全区；反之，若5-2煤层顶板隔水层厚度小于导水裂隙带发育高度，即导水裂隙带进入直接充水含水层，则容易发生突水事故，划分为冒裂非安全区。此外，以导水裂隙带发育高度进入直接充水含水层层位的二分之一为界限，将大于二分之一的区域划分为冒裂非安全严重区，反之为冒裂非安全一般区。基于上述分区原则，在综合分析青龙寺井田125个钻孔的基础上，考虑顶板隔水层厚度变化、地质构造以及开采方法对冒裂带发育高度的影响，建立了5-2煤层开采顶板冒裂安全性分区图，如图10所示。青龙寺5-2煤层开采造成的导水裂隙带在全区范围内都大于顶板隔水层厚度，即导水裂隙带发育到直接充水含水层中，故无冒裂安全区。

图10 5-2煤层开采顶板冒裂安全性分区Fig.10 Safety zoning diagram of roof burst in 5-2 Coal seam

4 煤层顶板突水危险性综合评价与分区

煤层顶板涌(突)水灾害的发生，主要取决于冒裂带是否导通上覆充水含水层和上覆含水层富水性强弱2个因素[28-31]。考虑水文地质条件和地质构造等因素，按照表2所示的叠加原则，叠加直接充水含水层富水性分区图和顶板冒裂安全性分区图，得出煤层顶板危险性综合分区图，如图11所示。可以看出，在矿区西北、东北和中部主要为相对安全区和较安全区，而矿区西南和东南部主要为较危险区和危险区。

表2 煤层顶板突水危险性综合分区原则Table 2 Principle of comprehensive zoning of water inrush in coal seam roof

图11 5-2煤层顶板突水危险性综合分区Fig.11 Comprehensive zonal diagram of roof water inrush risk in 5-2 coal seam

5 结 论

1)在对青龙寺煤矿水文地质条件和充水因素分析基础上，认为侏罗系延安组第二段裂隙承压含水层是5-2煤层顶板突水的直接充水含水层，基于地理信息系统及层次分析法，对该含水层富水性进行了评价与分区；

2)通过对矿区钻孔统计资料和岩石物理力学参数的分析，采用《“三下”采煤规程》中计算导水裂缝带高度公式，考虑5-2煤层顶板隔水层厚度变化，对5-2煤层顶板冒裂安全性进行了评价与分区；

3)叠加含水层富水性分区图与顶板冒裂安全性分区图，建立了5-2煤层顶板涌(突)水危险性综合分区图，并划分为4个区域。划分区域与实际涌(突)水监测数据拟合程度较高，从而对即将进行生产的5-20102和5-20104工作面煤层顶板水害防治方案的制定提供了科学依据。