地质与测量

基于多类型四双法的煤层顶板突水预测评价研究

吕玉广1,李宏杰2,夏宇君1,刘汉慈1,韩 港1

(1.内蒙古上海庙矿业有限责任公司,内蒙古 鄂尔多斯 016299;2.煤炭科学技术研究院有限公司 安全分院,北京 100013)

摘 要:富水性和导通性是评价预测顶板突水的2个关键判据。基于GIS的多源信息复合叠加方法评价富水性,存在数据来源不足、评价过程烦琐、评价手段过于专业等问题;采用冒裂安全性分区图来评判含水层的导通性,存在两极值区间过大、精度较低问题;采用疏干开采技术时,采前疏干程度评价缺少量化判据。实践中,顶板突水条件千差万别,目前缺少一套适用于各种地质条件的技术评价体系预测顶板突水,为此提出了“多类型四双法”评价预测技术,简称MTFD法。首先,依据煤层与上部岩层(含水层)空间组合关系以及岩层自身富水性强弱,将顶板分为A、B、C、D四种评价类型,确定了每种类型的评价对象和评价准则,并形成了完整的技术评价路线。再次,基于钻孔柱状图信息建立了双表,即基础数据表和工作表,获取评价和预测工作的数据源;其次,引入了双指数概念,即富水性指数和突水危险性指数评价参量,通过双指数绘制双图,即富水性等值线图和突水危险性等值线图,富水性指数用来表征地层的富水性,将砂岩厚度和脆塑性比值2种最重要地学信息指数,可省去繁琐的多源信息归一化处理过程;突水危险性指数用来衡量间接充水含水层水导入采场可能性大小,由于两极值区间范围小,有利于提高评价的精准度和灵敏度,同时能够克服经验公式的不足。最后,提出了双水量预测方法,即疏干水量预测或涌水量预测,以富水性指数为主控因素预计的疏干水量,可以作为采前安全开采评价的量化判据;以富水性指数为主控因素预计工作面涌水量,可以作为涌水量传统预计方法的有益补充。应用结果表明:MTFD工作法在内蒙古上海庙矿区、宁夏鸳鸯湖矿区、山东济宁矿区均已得到广泛应用,指导了约60个采煤工作面的疏放水钻孔设计和施工。富水性指数法预测富水性指数与实测钻孔放水量呈正相关关系,预计水量的偏差率约4%;利用“双图”科学揭示了多起典型的突水溃沙事故的机理。

关键词:富水性指数;突水危险性指数;疏干水量预计;涌水量预计

0 引 言

矿井突水灾害是制约我国煤炭安全开采的主要问题之一[1]。按空间关系分为煤层顶板突水和煤层底板突水两大类。刘天泉院士提出的采后覆岩移动“上三带”理论仍是国内评价顶板突水的理论基础,给出了“两带”高度计算的经验公式。

含水层富水性和导水通道是评价顶板突水的两个关键要素,《煤矿防治水细则》提供了“三图—双预测”技术,该技术综合砂岩厚度、脆塑性比值、 涌水量、渗透系数、裂隙率、冲洗液消耗量、岩心采取率等6种以上地学信息评价地层的富水性[2-3];依据“导水裂隙带与煤层顶板到含水层之间隔水岩层厚度的差值进行冒裂安全性分区”,解决了导水通道问题[4];以Visual Mod-flow模拟软件预测采场动态涌水量[5]。该技术方法从水源、通道、水量3个方面评价预测顶板突水,形成了科学的技术评价体系,对我国煤层顶板突水防治做出了突出贡献。但是,该技术方法也存在一些值得商榷或探讨的问题,如进行富水性评价时要求提供6种以上地学信息,鉴于我国大部分煤矿区水文地质勘探程度较低[6],同时具备多种地学信息的矿井较少,尤其是受多个含水层影响的矿井,经常出现某一重要含水层仅有几个抽水试验点甚至没有抽水试验数据, 涌水量和渗透系数的数据来源十分有限;实践中取心钻进并统计裂隙(孔隙)率的做法也不常见;限于现场施工条件,冲洗液消耗量数据的可靠性受人为因素影响较大;资源勘查钻孔经常采用无心或部分取心钻进,以地球物理测井手段获取岩性信息,因此,岩心采取率的数据来源也较为匮乏。以仅有少量数据的地学信息描述动辄数十甚至上百平方公里地层的富水规律,效果显然不佳。由于不同地学参数的量纲、 和量级差别,需要进行归一化处理[7],应用到构造判断矩阵、AHP层次分析法[8]、Arcgis地理信息系统[9]、Visual Mod-flow专业软件等,可见评价和预测手段专业性强、工作过程复杂,在一定程度上制约了该技术在广大基层工程技术人员中推广应用。笔者认为,砂岩厚度和脆塑性比值这两种地学信息数据来源广,是最重要的地学信息,如果融合那些数据少、贡献小,甚至可靠性低的地学信息后,会大大强化富水性评价过程的复杂性和评价手段的专业性。也有学者认为碎屑岩粒径大小与富水性呈正相关关系,根据粒径赋以不同的等效系数,单层厚度与等效系数相乘后再相加作为富水性评价因素[10]。笔者认为碎屑岩的富水性与其自身力学强度、裂隙发育程度、胶结方式等密切相关,大粒径碎屑岩并不必然比小粒径碎屑岩富水性强[11]。如内蒙古上海庙矿区白垩系上部中粒砂岩以接触式胶结为主,下部砾岩以泥质基底式胶结为主,上部中粒砂岩的富水性却显著优于下部砾岩的富水性。因此,笔者未采用等效系数的做法。

冒裂安全性分区图依据“导水垮裂带与煤层顶板到含水层之间隔水岩层厚度的差值进行分区”,而这个差值两极值范围过大,势必影响评价的灵敏度;文献[6]对突水危险性综合分区图的实质作了概括:“导水裂隙带发育到充水含水层的底板标高以上,且触及到含水层部位的富水性强,可能会引起相当规模的矿井突水”,可见解决是的煤层与含水层之间存在一定厚度隔水层这种类型突水危险性评价问题,即间接充水含水层突水危险性评价,而煤层与含水层空间关系以及含水层自身富水性特点等还可以有其它组合形式,也需要相应的评价方法。富水性分区图解决的是富水性强弱问题,冒裂安全性分区图解决的是导水通道问题[12],本是2个不同的属性,直接复合叠加得到突水危险性综合分区图的做法是否妥当值得商榷。

此外,《煤矿防治水细则》从威胁安全生产角度列举了需要超前疏放水的几种情况,事实上地质软岩条件下即使少量的淋水对软岩劣化效应影响都很大,严重制约高效采煤,预先疏干更为必要[13]。疏干水量是指工作面实现无水状态下开采应该预先疏放的水量,由于缺乏充分的水文地质参数,疏干水量难以预计,致使采前安全评价缺少量化判据,也不利于防排水系统设计[14]。因此,笔者从对顶板含水层评价类型划分入手,以给定的评价方法与准则为技术路线开展富水性评价和突水危险性评价,预计疏干水量或工作面涌水量,形成了一套系统的研究思路和具体的实施步骤,即“多类型四双”评价预测技术,简称MTFD工作法。与前人技术方法相比,本技术方法只需要砂岩厚度和脆塑性比值这2种地学信息,数据来源广泛;采用Excel建立双表,选用Golden Surfer绘制“双图”,评价手段难度低、评价过程简单、评价效果可靠,更容易在基层广大工程技术人员中推广应用。

1 突水类型划分及评价技术路线

1.1 突水类型划分

根据开采的煤层与上部岩层(含水层)之间空间组合关系以及岩层自身富水性强弱,可分为A、B、C、D四种评价类型(图1和表1)。

图1 评价条件分类
Fig.1 Classifications of evaluation conditions

表1 多类型评价方法与准则

Table 1 Description of various types of evaluation methods and guidelines

评价类型应用条件评价内容评价方法评价准则A型直接顶板为砂泥质互层型沉积建造,富水性不均;导水裂隙波及不到间接顶板,无须考虑间接顶板的富水性直接顶板突(涌)水危险性运用富水性指数,绘制直接顶板富水性指数等值线图采掘活动位于相对富水区,则突(涌)水B型直接顶板和间接顶板均为砂泥质互层型沉积建造,富水性相似,但不均,不再区别直接顶板或间接顶板,视为一套地层去评价煤层顶板突(涌)水危险性运用富水性指数,绘制煤层顶板富水性指数等值线图采掘活动位于相对富水区,则突(涌)水C型直接顶板富水性弱,视为隔水层;间接顶板为砂泥质互层型沉积建造,富水性较好,但不均间接顶板突(涌)水危险性运用富水性指数绘制间接顶板底部层段富水性等值线图;运用突水危险性绘制突水危险性指数等值线图采掘活动同时位于富水区和突水危险区,则突(涌)水D型间接顶板为强含水层(如第四系松散沙层、岩溶发育的灰岩、采空区积水体、地表水体等);直接顶板为隔水岩层,但厚度不稳定间接顶板突(涌)水危险性运用突水危险性指数绘制突水危险性指数等值线图采掘活动位于突水危险区,则突(涌)水

1.2 评价技术路线

A、B、D三种类型均为单指数评价,其中A、B型采用富水性指数,D型采用突水危险性指数;C型采用富水性指数和突水危险性指数(图2)。

图2 评价技术路线
Fig.2 Routes of technical evaluation

2 双表建立

双表包括基础数据表和工作表,推荐选用Excel电子表格建立双表。基础数据表相当于数据库,所有数据和信息均来源于地质报告中的钻孔柱状图,是后续一切评价、预测工作的数据源[15];在基础数据表的基础上建立工作表,富水性指数及突水危险性指数等计算均在工作表上进行。

2.1 建立基础数据表

钻孔编号按行排列,每个钻孔占用3列,分别填写岩性、层厚、底板埋深(或标高)等数据;第1列为标志层,如含水层、煤层、地层分界等。2个标志层之间岩层层数不一致时,层数少的保留空格,以确保同一标志层同行对齐,便于后期工作[16](表2)。

表2 地质条件基础数据

Table 2 Basic data of coal geology Conolilions

标志层Z1孔Z2孔Z3孔Z4孔…岩性层厚/m 底板埋深/m岩性层厚/m 底板埋深/m岩性层厚/m 底板埋深/m岩性层厚/m 底板埋深/m…标志层1————————————…︙标志层2—…︙标志层3—…︙︙

2.2 建立工作表

工作表第1列为钻孔编号,1个钻孔数据占1行;第2~3列填写孔口坐标(XY);与煤层有关的含水层底板埋深h填入第4列;开采煤层占用4列,分别填入煤层底板埋深H、煤层至上覆含水层距离L、煤厚M、采高m;后续依次为HdHbHy1dxdfHy2McFiTi,分别代表导水裂隙高度、保护层厚度、理论研究层段、修正值、附加值、实际研究层段、砂岩厚度、富水性指数、突水危险性指数等,在相应单元格内输入公式即可完成评价工作所需的数据(表3)。

表3 工作表

Table 3 Table for calculation

钻孔编号孔口坐标XYh开采煤层HLMmHdHbHy1dxdfHy2McFiTi…Z1————————————————…Z2—…︙︙

3 双指数求取

3.1 富水性指数

富水性指数是表征地层富水性相对强弱的参数,富水性指数越大表示富水性越强,反之富水性越弱,富水性指数区间范围为0~100。

富水性指数即研究层段内脆性岩层(包括砾岩、粗粒砂岩、中粒砂岩、细粒砂岩)总厚度占研究层段地层总厚度的百分比[16]

(1)

式中:Fi为富水性指数 ;Mc为研究层段内脆性岩层累加厚度, m;Hy为研究层段厚度,m。

式中分子适用于脆性岩石,分母则适用于脆性岩石和塑性岩石,因此式(1)本身包括了砂岩厚度和脆塑性比值2种地学信息[17],可省去多源信息归一化处理和复合叠加的复杂过程。采煤对顶板水有影响的那部分地层称为研究层段(图3)。

图3 覆岩研究层段示意
Fig.3 Schematic of overburden research section

富水性指数计算过程如下:

1)设定采高M。实践中采高决定着导水裂隙发育高度[18],而采高经常与煤层厚度不相等,采高受到煤层厚度、支架选型、刮板输送机能力、破碎机能力、带式输送机运输能力等匹配度制约,因此不可直接将煤层厚度代入计算式。如ZY900-18-40型综采支架,最大采高3.8 m(保留0.2 m活柱),最小采高2.2 m(便于煤机通过),无论煤层厚度变化多大,采高的区间范围以2.2~3.8 m为限。

2)公式选择。笔者以上海庙矿区地层条件为例,选用经验公式中的软岩适用公式为

(2)

式中:Hd为导水裂隙高度, m;∑M为累计采高, m,为增加安全系数,这里选取+4.0 m。

同时,也可通过现场实测或数值仿真模拟等方法确定计算公式。

3)保护层厚度Hb:直接将计算得到的导水裂隙高度作为研究层段,有可能研究范围偏小,“借用”保护层厚度以适当扩大研究范围。这里所谓的“保护层”不是传统意义上的保护层,而是在经验公式计算结果可能偏小且没更好手段的情况下,适当增加研究范围。笔者设定保护层厚度为采高的4倍,各矿实际应用时不限于4倍的采高。

4)修正值dx。采高与煤层厚度不等时需要引入修正值进行调整,以便于统一研究层段的起始层位。沿煤层顶板回采时,dx=0;留顶煤回采时,保留的顶煤视为隔水层,dx>0;破顶板岩石回采时,则被采出的岩石厚度为修正值,此时dx<0。(图4)

图4 修正值示意
Fig.4 Diagram of revision value

5)附加层厚度df。当研究层段上方相邻的岩层为砂岩时,将该层砂岩作为附加层厚度df计入研究范围。为区别于前文的研究层段,前者称为理论研究层段长Hy1,考虑附加层后称为实际研究层段长Hy2。附加层厚度需要在基础数据表中获得,方法简单,不再赘述。最终研究层段构成如图5所示。

Hk—垮落带高;Hli—裂隙带高;Hd—导水裂隙带高;Hb—保护层厚;
df—附加层厚;Hy1—理论研究层段高;Hy2—实际层段高
图5 研究层段构成
Fig.5 Composition of study section

6)研究层段起始位置。A型:从煤层顶板起向上计算。B型:从煤层顶板起向上计算。C型:从煤层间接顶板的底板起向上计算。D型:从煤顶板起向上计算。

7)砂岩厚度Mc。在基础数据表中,找到钻孔相应煤层,从起始位置向上计算研究层段内砂岩层(包括粗砂岩、中砂岩、细砂岩、砾岩等)累加厚度,填入工作表相应单元格内。

8)富水性指数。富水性指数计算式为

式中:mi为单层砂岩厚度(i=1,2,3,…)。

3.2 突水危险性指数

通常, 采用地质剖面图判断导水裂隙是否波及到上覆含水层,绘制地质剖面图受钻孔数量和钻孔分布情况等限制。经验公式有时误差较大,工程探测和数值模拟等手段也未必能获得更加准确的计算公式[19]。可把采用经验公式计算出的导水裂隙带高度作为参考值,后期在生产实践中进一步修正。

突水危险性指数是衡量间接充水含水层水涌入采场可能性大小的参数,零值为临界值;指数为正数且数值越大则突水危险性越小;指数为负数且绝对值越大则突水危险性越大,其实质是通过衡量导水裂隙波及上部含水层可能性大小来评价突水可能性大小[20]

如不考虑其他因素,突水危险性指数计算式为

Ti=(Hg-Hfs)/Hfs

(4)

式中:Ti为突水危险性指数 ;Hg为隔水层厚度,即煤层顶板到上方含水层之间距离;Hfs为防隔水煤(岩)柱理论计算值。

这里也需要考虑修正值问题(方法同前文),则式(4)转换为

(5)

突水危险性指数的两极值区间较小,评价的灵敏度提高。 强调露头插值这一环节,以三维地震勘探成果图为基础,沿着煤层隐伏露头线选点,露头线越长、露头线越曲折,需要插入点越多。将图上量取点的平面坐标填入表内,这些点位于的隔水层厚度均为零,故突水危险性指数均为-1。露头插值环节非常重要,缺少这一步则难以得到满意的成果图。

4 双图绘制

4.1 富水性指数等值线图

从工作表中提取富水性指数,将数据列表导入Surfer绘图软件,得到富水性指数等值线图。

目前,业内多习惯人为设定阈值进行富水性分区。笔者认为地层富水性强弱是自然渐变的,分区的方法过于绝对化,富水性强弱是相对的,采用等值线表征富水性强弱更加符合自然规律,充填颜色仅是为了直观需要。内蒙古上海庙矿业公司新上海一号煤矿8煤层直接顶板富水性等值线如图6所示。

图6 8煤直接顶板富水性指数等值线
Fig.6 Contours of water abundant of roof aquifer from
No.8 coal seam

4.2 突水危险性等值线图

将突水危险性指数列表导入Surfer绘图软件,得到突水危险性等值线图。评价新上海一号煤矿8煤层开采时,上覆间接充水含水层(侏罗系直罗组)突水危险性等值线如图7所示。为更加直观,Ti≤0区域以红色充填,导水裂隙波及到含水层可能性很大;Ti>0区域以灰色充填,导水裂隙波及该含水层的可能性小。参照采空区积水“三线”做法,将0<Ti≤0.5区域以黄色充填,相当于警戒区。实际应用时应结合生产实践,进一步修正本矿井突水危险临界指数。

图7 8煤层顶板直罗组突水危险性等值线
Fig.7 Contours of water inrush danger in
No.8 coal seam from Zhiluo Formation

5 双预测方法

“双预测”指采煤工作面疏干水量预测和采煤工作面涌水量预测。

5.1 疏干水量预测

《煤矿防治水细则》第六十二条:“当煤层(组)顶板导水裂隙带范围内的含水层或者其他水体影响采掘安全时,应当采用超前疏放……”。地质软岩条件下,水可引起围岩劣化效应,严重影响生产,必须彻底预先疏放。将实际疏放的水量与预计的疏干水量进行比较,可以判断疏放程度,作为采前安全评价的依据。

1)疏干水量概念。疏干水量指工作面顶板水经过预先疏放,生产过程中采空区无涌水、顶板无淋水,达到无水状态开采条件应该疏放的最大水量。这里强调地质软岩条件下开采需要预先疏干,其他条件下开采具备足够的排水能力时不一定要预先疏干。

2)影响疏干水量的因素。疏干水量主要与富水性指数、开采面积、采高等因素相关,与疏干水量成正相关关系。新开采的煤层,第一个工作面经过预疏干达到无水状态开采的条件时,总疏放水量可实测,后续其他工作面均可采用式(6)预计疏干水量,即

( 6)

式中:Qdc为待采工作面预计疏干水量,为待采工作面平均富水性指数;Sdc为待采工作面的平面积,为待采工作面设计平均采高,为已采工作面平均富水性指数;Syc为已开采工作面平面积,为已采工作面实测平均采高, m;Qyc为已采工作面疏放水量, m3

3)平均富水性指数求取方法。采煤工作面平均富水性指数可以按下列方法获取:将巷道工程展绘于富水性等值线图上,每隔50 m画一条垂直于工作巷道槽的直线,每条直线与上下平巷各有1个交点,按插值方法得到各交点上的富水性指数(图8)。

图8 工作面平均富水性指数求取方法
40富水性指数;G1-G31为上平卷交点;P1-P31为下平巷交点
Fig.8 Method for calculating average water
abundance index of working face

求取其算术平均数得到工作面的平均富水性指数。即

(7)

式中:为工作面平均富水性指数;Fi,j为第j交点上富水性指数;n为插值总数。

5.2 工作面涌水量预计

无需进行疏干开采时,把疏干水量预计公式中疏放水量替换成涌水量,即可得到工作面涌水量预计公式。与传统的相似水文地质条件比拟法相比,引入了量化参数后,预计结果更趋近于准确。涌水量预计计算式为

(8)

式中: Qdc为待采工作面预计涌水量,m3/h; Qyc为已采工作面实测涌水量,m3/h;

6 应用实例

6.1 富水性评价

新上海一号煤矿侏罗系延安组8煤层113082工作面富水性指数等值线如图9所示,沿工作面中部切一条剖面得富水性指数变化曲线;根据实测的钻孔放水量绘制水量变化曲线。可以看出2条曲线具有高度正相关性(图10),说明富水性评价方法是可行的。

图9 113082工作面富水性指数等值线
Fig.9 Contours of water abundant index of No.113082 working face

图10 富水性指数与放水量叠合曲线
Fig.10 Curves of water abundance index and discharge

6.2 疏干水量预计

榆树井煤矿114151工作面是侏罗系延安组15号煤层首采工作面,回采面积为300 772 m2,平均采高3.6 m,平均富水性指数36.99,共疏放水量176 598 m3,实现了无水状态开采。

114152工作面是15煤第2个采煤工作面,回采面积431 048 m2,设计平均采高3.5 m,平均富水性指数39.86,预计114152工作面疏干水量可代入式(6),得Q114152=265 150 m3

114152工作面实际疏放水量275 880 m3,生产过程中采空区无涌水、顶板无淋水,满足疏干水量预计条件。预计的水量与实际放水量相差10 730 m3,偏差率4%。

6.3 “双图”评价

新上海一号煤矿主采侏罗系延安组8煤层,单斜构造,倾向东,煤层与上覆直罗组地层为小角度不整合关接触。8煤层直接顶板富水性弱,直罗组底部“七里镇砂岩”为间接充水含水层,富水性中等,但富水性不均。8煤层已经回采四个工作面,唯有111084工作面发生严重的突水溃沙事故,总出水量约23.3万m3,溃出泥沙量约3.58万m3。水化学联通试验表明,突水水源为直罗组“七里镇砂岩”水。符合C型评价条件,采用“双图”分析其突水原因。

1)导通性评价。根据前文方法,计算得到全井田“8煤层—直罗组”突水危险性指数,绘制突水危险性等值线图(图11)。111084工作面突水危险性指数为负值;111082工作面仅开切眼附近小范围内突水危险性指数小于0(-0.01左右)。113081及113082工作面突水危险性指数均为正值。

图11 8煤顶板直罗组含水层突水危险性等值线
Fig.11 Contours of danger index of water inrush for Zhiluo
Formation from No.8 coal seam

2)富水性评价。根据前文,直罗组地层作为间接充水含水层,只研究其下部地层的富水性,研究层段起止位置为直罗组地层底板,直罗组下部地层富水性等值线如图12所示。如果将阈值设定为45,富水性指数≥45富水性相对较强,可以看出上述4个工作面均有一部分位于直罗组富水区下。

图12 直罗组底部富水性指数等值线
Fig.12 Contours of water abundant index for Zhiluo Formation

3)突水原因分析。113081及113082工作面均有一部分位于相对富水区,但均不在突水危险区内,因此直罗组水源没有进入采场。111084工作面突水危险区与富水区大面积重叠,满足C型突水条件,因此发生突水溃沙事故。111082工作面极小范围突水危险区与富水区重叠,却没有突水,也说明了经验公式在不同矿区应用会有一定误差。矿井可以根据突水实例进行修正,如本例可以将突水危险性指数-0.01设为临界值。

6.4 王楼煤矿应用

山东济宁煤田王楼煤矿设计生产能力90万t/a,开采山西组3煤层,平均厚度1.6~2.4 m。煤层顶板砂岩为直接充水含水层,富水性不均一;煤系地层上覆石盒子为隔水层;石盒组上方侏罗系砂岩为间接充水含水层,富水性弱~中等(图13)。

图13 地层柱状
Fig.13 Typical stratigraphic column

《矿井地质报告》预计矿井正常涌水量146 m3/h,最大涌水量178 m3/h。2007年7月投产,首采区6个工作面涌水量均较大,其中11305工作面推进80 m时涌水量450 m3/h,造成工作面被淹。通过水位观测、水化学联通试验、水质分析等,确定主要充水水源为煤层顶板砂岩水,上部侏罗系砂岩水通过刘官屯断层有少量补给[21]

采用富水性指数法得到煤层顶板砂岩富水性等值线图(图14),可以看出富水区呈不规则的带状分布:一采区富水性较强(指数为30~40);二采区靠近刘官屯断层附近富水性较强(指数为30~40),其余部分富水性弱(指数为10~30);七采区富水性最弱(指数为6~20);三采区中部富水性最强(指数为30~55)。

1—11306工作面,Q=150 m3/h;2—11304工作面,Q=120 m3/h;
3—11302工作面,Q=140 m3/h;4—11305工作面,Q=450 m3/h;
5—11303工作面,Q=280 m3/h;6—11301工作面,Q=180 m3/h;
7—13301工作面,Q=920 m3/h
图14 王楼井田煤层顶板富水性指数等值线
Fig.14 Contours of water abundance Index for
roof aquifer in Wanglou Mine

13301工作面为三采区的首采工作面,走向长1 160 m,倾斜宽160 m,煤层平均厚度2.15 m,上距侏罗系76.00~140.54 m,层间距远大于导水裂隙发育高度。回采前总水量约60 m3/h(巷道顶板淋水),推进400 m时,水量增长到120 m3/h;推进520 m时水量200 m3/h;推进640 m时水量690 m3/h;推进760 m时水量达到920 m3/h的峰值。根据图14,该工作面所处位置富水性最好,预计涌水量较大,采取的措施有:工作面设计为伪俯斜开采,有利于自然泄水;加大了下平巷水沟断面;扩大三采区泵房系统排水能力。由于预测到位、采取措施得当,工作面生产没有受水影响。

首采区6个工作面已回采结束,涌水量均较大(120~450 m3/h);二采区已回采8个工作面,涌水量15~45 m3/h;三采区已回采6个工作面,除了13 301工作面水量达到920 m3/h以外,后续回采的工作面水量50~150 m3/h;七采区已回采3个工作面,涌水量均不超过10 m3/h;-650 m采区未采动(图14)。与首采区相比,二采区工作面涌水量呈断崖式减小;三采区后续开采的工作面与13301工作面相比,涌水量呈断崖式下降。不排除先开采的工作面对后续开采的工作面有一定超前疏放效应,但总体上,各采区之间以及采区内部各工作面之间涌水量大小与富水性预测结果是高度吻合的。

7 结 论

1)顶板突水已成为煤矿突水灾害的主要类型之一。为了克服传统评价方法的不足,提出了“多类型四双”工作法,简称MTFD法。依据煤层与上部岩层(含水层)之间空间组合关系以及岩层自身富水性强弱,将顶板突水分为A、B、C、D四种评价类型 ;基于钻孔柱状图信息建立双表,即基础数据表和工作表;计算双指数,即富水性指数和突水危险性指数,通过双指数形成双图,即富水性等值线图和突水危险性等值线图;预计双水量,即疏干水量或涌水量预测。通过研究形成了完整的评价方法和技术路线。

2)通过多类型评价方法研究,确定A、B两种类型采用“一图”评价(富水性指数等值线图),C型采用“双图”联合评价(富水性等值线图、突水危险性指数等值线图),D型采用“一图”评价,即突水危险性指数等值线图。

3)提出了富水性指数和突水危险性指数概念,并确定了详细的计算方法。富水性指数是表征地层富水性相对强弱的重要参数,富水性指数区间范围为0~100,富水性指数越大表示富水性越强,反之富水性越弱;突水危险性指数是衡量间接充水含水层水涌入采场可能性大小的参数,零值为临界值,指数为正数且数值越大则突水危险性越小,指数为负数且绝对值越大则突水危险性越大。

4)MTFD工作法在内蒙古上海庙矿区、宁夏鸳鸯湖矿区、山东济宁矿区得到广泛应用,涌水量预计偏差率约4%,提高了预测评价的精准度和灵敏度。同时,MTFD工作法将数据来源广、可靠性强的2种地学信息有机结合,使评价过程和评价手段更加简单,易被广大基层工程技术人员掌握运用。

参考文献

[1] 冯启言,周 来,杨天鸿.煤层顶板破坏与突水实例研究[J]. 采矿与安全工程学报,2007,24(3):17-21.

FENG Qiyan,ZHOU Lai,YANG Tianhong.A case study of rock failure and water inrush from the coal seam roof[J].Journal of Mining & Safety Engineering,2007,24(3):17-21.

[2] 武 强,黄晓玲,董东林,等.评价煤层顶板涌(突)水条件的“三图—双预测法”[J].煤炭学报,2000,25(1):60-65.

WUQ,HUANG Xiaoling,DONG Donglin, et al.Application of the ‘three maps-two predictions’method to evaluate the conditions of roof water inrush[J]. Journal of China Coal Society,2000,25(1):60-65.

[3] 李 坤,曾一凡,尚彦军,等.基于GIS的“三图—双预测法”的应用[J].煤田地质与勘探,2015,43(2):58-62.

LI Kun,ZENG Yifan, SHANG Yanjun,et al.The application of “three maps-two predictions ”method based on GIS[J].Coal Geology & Exploration,2015,43(2):58-62.

[4] 武 强,徐 华,赵颖旺,等.基于“三图法”煤层顶板突水动态可视化预测[J].煤炭学报,2016,41(12):2968-2974.

WU Qiang,XU Hua,ZHAO Yingwang,et al.Dynamic visualization and prediction for water bursting on coal roof based on ‘three maps method’[J].Journal of China Coal Society,2016,41(12):2968-2974.

[5] 刘 颖,孙亚军,徐智敏,等.基于GIS小浪底水库下采煤的危险性分析与评价[J].煤矿安全,2009,40(6):98-100.

[6] 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,2016,41(6):1341-1347.

WU Qiang,XU Ke,ZANG Wei.Further research on ‘three maps-two predictions’ method for prediction on coal seam roof water bursting risk[J].Journal of China Coal Society,2016, 41(6):1341-1347.

[7] 王广弟,刘雨琪,刘红艳.含水层富水性分区的无量纲与可拓层次分析法研究[J].煤炭工程,2016,48(11):145-148.

WANG Guangdi,LIU Yuqi,LIU Hongyan.Research on water-richness of aquifer division based on non-dimensional and the extensional analytical hierarchy process[J].Coal Engineering,2016,48(11):145-148.

[8] 冯书顺,武 强.基于AHP-变异系数法综合赋权的含水层富水性研究[J].煤炭工程,2016,48(11):138-140.

FENG Shushun,WU Qiang.Research on water richness of aquifer using comprehensive weight method based on AHP and variation coefficient[J].Coal Engineering,2016,48(11): 138-140.

[9] 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,2011,36(7):1124-1128.

WU Qiang,FAN Zhenli, LIU Shouqiang,etal.Water-richness evaluation method of water-filled aquifer based on the principle of information fusion with GIS:water-richness index method[J].Journal of China Coal Society,2011,36(7):1124-1128.

[10] 李沛涛,武 强.开采底砾含水层保护煤柱可行性研究[J].煤炭工程,2008,42(11):7-9.

[11] 吕玉广,肖庆华,程久龙.弱富水软岩水-沙混合型突水机制与防治技术研究:以上海庙矿区为例[J].煤炭学报.doi:10.13225/j.cnki.jccs.

LYU Yuguang,XIAO Qinghua1,CHENG Jiulong.The mechanism and prevention of water-sand inrush in soft rock with weakly abundant water:a case study in Shanghaimiao Mining Area[J].Journal of China Coal Society.

[12] 李 喆.宁东鸳鸯湖矿区梅花井煤矿112201工作面探放水实践[J].中国煤炭地质,2011,23(11):41-43.

LI Zhe.Exploration and drainage practices at No.112201 working face in Meihuajing Coalmine,Yuanyanghu Mine Area,Eastern Ningxia[J].Coal Geology of China,2011,23(11):41-43.

[13] 吕玉广,齐东合,夏宇君,等. 间接充水含水层突水危险性综合评价方法及系统[P].中国专利:201510657028.7,2018-10-30.

[14] 吕玉广,任智德,肖庆华. 利用脆弱性指数法研究砂岩裂隙型含水层[A].国家煤矿安全监察局.中国煤矿水害防治技术[M].徐州:中国矿业大学出版社,2011:392-397.

[15] 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 application: with Xinshanghai No.1 coal mine at western edge of Ordos Basin as example[J].Coal Geology & Exploration,2016,44(5):08-112.

[16] 吕玉广,齐东合.内蒙古鄂托克前旗新上海一号煤矿111084工作面突水原因与机理[J].中国煤炭地质,2016,28(9):53-57.

LYU Yuguang,QI Donghe.No.111084 working face water bursting causation and mechanism in Xinshanghai No.1 coalmine,Otog Front Banner,Inner Mongolia[J].Coal Geology of China,2016,28(9):53-57.

[17] 吕玉广,齐东合. 砂泥质沉积建造富水性等值线图绘制方法与应用[J].内蒙古科技,2016,34(8):71-73.

LYU Yuguang,QI Donghe.Method and application for drawing water rich equivalent line drawing of sand shale formation[J].Inner Mongolia Science and Technology Magazine,2016,347(8):71-73.

[18] 尹尚先,徐 斌,徐 慧,等.综采条件下煤层顶板导水裂缝带高度计算研究[J].煤炭科学技术,2013,47(9):138-142.

YIN Shangxian,XU Bin,XU Hui,et al.Study on height calculation of water conducted fractured zone caused by fully mechanized mining[J].Coal Science and Technology,2013,47(9):138-142.

[19] 吕玉广.水文地质复杂矿井突水水源综合判别方法研究[J]. 煤炭科学技术,2017,45(10):155-162.

LYU Yuguang.Study on comprehensive judgment method of mine inrush water source in complicated hydrogeological mine[J].Coal Science and Technology,2017,45(10):155-162.

[20] 武 斌,徐兴海,郜普涛,等.工作面顶板砂岩水综合防治技术研究应用[J].现代矿业,2009(6):115-117.

[21] 任智德,吕玉广,郑纲.利用脆性岩石含量指数预测裂隙型含水层富水区[J].煤田地质与勘探,2011,39(4):35-38.

REN Zhide,LYU Yuguang,ZHENG Gang.Research on predicting water-rich area of fissured aquifer by studying brittle rock percentage composition[J].Coal Geology & Exploration,2011,39(4):35-38.

Prediction and evaluation study on coal seam roof waterinrush based on multi-type four-double method

LYU Yuguang1,LI Hongjie2,XIA Yujun1,LIU Hanci1,HAN Gang1

(1.Inner Mongolia Shanghaimiao Mining Co., Ltd., Erdos 016299,China; 2.Mine Safety Technology Branch, China Coal Research Institute, Beijing 100013,China)

Abstract:Water-rich and conductivity are two key criteria for evaluating the prediction of water inrush from the roof. The method of multi-source information superposition method based on GIS is more advanced, but there are problems such as insufficient data sources,complex evaluation process and over-professional evaluation methods. The difference between thickness of aquifer and height of water conducting fracture is used to evaluate the connectivity between aquifer and stope, but evaluation accuracy is low because of the large extreme values. It is necessary to pre-drain roof water under the conditions of water-bearing aquifer, but there is no quantitative criterion for pre-mining safety evaluation after drainage. In practice,the water inrush conditions of the roof are very different. At present, a set of technical evaluation system suitable for various geological conditions is used to predict the water inrush from the roof. For this reason, the ‘multi-type four-double’evaluation and prediction technology is proposed, which is referred to as the MTFD working method. Firstly, according to spatial combination relationship between the coal seam and the upper aquifers and water-bearing characteristic, the water inrush from the roof can be divided into evaluation types of A, B, C and D , and each type has specific applicable conditions and evaluation criteria, and it forms an integrated evaluation technical route. Secondly, basic data table and worksheet (Double Tables) can be established based on the borehole histogram information, and data sources for evaluation and prediction also can be obtained, which is used to complete the calculation tasks required for the evaluation. Thirdly, the water abundant index and danger index of water inrush(Double Indexes)are introduced and calculated in worksheet through calculation formula. In the meanwhile, contour map of water abundant and of water inrush danger (Double Diagrams) can be obtained correspondingly. Water abundant index is used to show the aquifer of water-bearing, including two kinds of extensive and dependable geoscience information which are the thickness of sandstone and the ratio between the thickness of sand and mud, eliminating the need for complex multi-source information normalization.The water inrush risk index is used to measure the possibility of water diversion from indirect aquifer into stope. Because the range of the two-pole interval is small, it is conducive to improve the accuracy and sensitivity of the evaluation, and at the same time overcome the deficiency of the empirical formula. Finally, the double predictions, namely the prediction of the dewatering volume or the prediction of the water inflow, the amount of the dewatered water predicted by the water-rich index as the main controlling factor, can be used as the quantitative criterion for the pre-harvest safe mining evaluation. The new estimation method of water inflow quantity based on water abundant index can be seen as a useful supplement of traditional evaluation method. In recent years, the MTFD work method has been widely used in Shanghaimiao Mining Area in Inner Mongolia, the Ningxia Wuhu Mining Area, and the Jining Mining Area in Shandong. It has guided the design and construction in 60 drilling holes in coal mining face. The application results show that MTFD method predicted by water abundant index is positively correlated with the measured water discharge, and the deviation rate of water inflow is about 4%. Furthermore, some typical mechanisms of water-sand inrush have been revealed by contour map of water abundant and of water inrush danger.

Key words: water abundant index; danger index of water inrush; estimation of drainage water yield; estimation of water inflow quantity

收稿日期:2019-06-22;责任编辑:曾康生

基金项目:国家自然科学基金资助项目(51574250)

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吕玉广,李宏杰,夏宇君,等.基于多类型四双法的煤层顶板突水预测评价研究[J].煤炭科学技术,2019,47(9):219-228.doi:10.13199/j.cnki.cst.2019.09.028

LYU Yuguang,LI Hongjie,XIA Yujun,et al.Prediction and evaluation study on coal seam roof water inrush based on multi-type four-double method [J].Coal Science and Technology,2019,47(9):219-228.doi:10.13199/j.cnki.cst.2019.09.028

作者简介:吕玉广(1969—),男, 江苏宿迁人, 研究员, 硕士。Tel:0477-7879760,E-mail:lvyg691208@126.com

中图分类号:TD745.2

文献标志码:A

文章编号:0253-2336(2019)09-0219-10