基于三维地震勘探技术对煤层底板高承压水突水危险性的研究

韩 磊,陈彦昭,王 礼,刘晓攀,陈江峰

(1.河南理工大学 资源环境学院,河南 焦作 454003;2.河南神火煤电股份公司, 河南 永城 476600)

突水系数法和脆弱性指数法是煤层底板突水常用的研究方法,突水系数指的是一定厚度的隔水层所承受的水压值,脆弱性指数法则是通过对矿井水文地质资料与矿井地质资料进行收集整理,借助数学模型对信息进行融合分析来判别研究区域煤层底板抵抗含水层能力大小的一种方法[1-4]。

实践证明,两种方法在预判煤层底板突水危险性评价方面具有较为可靠的价值,但两种方法对研究区域内的地质、水文地质以及其它矿井现实资料具有很强的依赖性,但深部资料的缺乏使得评价结果精度大大降低。本文在收集梁北矿32采区三维地震勘探资料的基础上,结合已有的少量深部钻孔资料进行标定,利用三维地震资料反演获取的寒灰顶界面等高线并耦合煤层底板等高线,获得了煤层底板隔水层的准确厚度及其分布规律,进而对该研究区煤层底板突水危险性进行精准评价。

1 研究区背景

1.1 矿井概况

1.2 矿井水文地质

矿井在区域上属岩溶-裂隙径流区的弱径流亚区中部,中部的虎头山正断层(F1)自西向东贯穿全矿井,向西延伸至寒武系灰岩露头区,该断层为矿井地下水径流的主要通道之一。煤层底板灰岩含水层包括寒武系白云质灰岩、太原组下段灰岩和太原组上段灰岩。其中寒武系灰岩含水层为矿井主要充水水源;太原组下段灰岩含水层富水程度不一,且部分区域水量被疏干;太原组上段灰岩岩溶裂隙不发育、富水性较弱[5-6]。

1.3 采区地质概况

本文研究区为梁北矿32采区,采区内地层整体为一倾向南南西、倾角7°～20°的单斜构造,产状变化不大,次级褶皱不甚发育,区内断层较发育。全区地震勘探资料共解释断层45条,其中正断层44条,逆断层1条,其中贯穿二1煤层并延伸至寒武系地层的有22条,区内无陷落柱及岩浆岩侵入。

2 突水系数法

2.1 煤层底板隔水层厚度

太原组下段灰岩含水层和太原组上段灰岩含水层富水性较弱,且存在被疏干的情况,可视为隔水层。煤层底板隔水层的计算采用三维地震勘探得到的寒武系灰岩顶板等高线图与二1煤层底板等高线图进行叠加,统计两图等值线之间的高差,即寒灰与二1煤层底板之间的隔水层厚度,以及交点坐标。煤层底板含水层位置关系见图1.考虑到受采动影响,底板最大扰动破坏深度为32.80 m,将叠加后的隔水层厚度减去32.80 m作为32采区内的有效隔水层厚度,通过Surfer软件的插值功能将统计的资料生成有效隔水层厚度等值线图(图2)。由图2可知,32采区隔水层厚度主要表现为缓变形态,整体厚度在50 m以上,呈现出东西厚中部薄的特点。

图2 煤层底板隔水层厚度等值线图

2.2 含水层水压

采区内寒武系灰岩溶裂隙水位标高在-200～-350 m,水位标高自西向东不断降低,最西部水位标高为-200 m,东南部标高下降至-350 m.通过对32采区岩溶裂隙水位和灰岩顶界面标高联合分析得到寒武系岩溶裂隙水压等值线图(图3),区内寒灰水压在0～4.6 MPa,总体上西高东低,高水压区主要集中在西南部,紧邻虎头山正断层,最小水压处于采区的东南角。

图3 寒灰水压等值线图

2.3 断层带附近隔水层厚度

32采区落差大于100 m的断层有3条,其中虎头山正断层(F1)最大落差达到335 m;落差在51～100 m的断层4条,落差在30～50 m的断层有2条。根据《煤炭矿井防治水设计规范》(GB 51070-2014)附录B.2.2中的相关规定,断层带附近的采动导水破坏带深度为底板采动导水破坏带深度计算结果的1.5～2.0倍。本文将虎头山正断层附近的采动导水破坏带深度乘以2.0的系数处理,落差在30～150 m的断层带附近的采动导水破坏带深度乘以1.5的系数进行计算。通过Surfer软件绘制出断层带附近的隔水层厚度等值线图(图4)。

图4 断层带附近隔水层厚度等值线图

2.4 突水危险性分析

突水系数法表征了隔水层所承受的水压值[3-4]。其计算公式为:

T=p/M

(1)

式中:T为突水系数,MPa/m;p为底板隔水层承受的水压,MPa;M为底板有效隔水层厚度,m.

4.5 出院指导 在患者出院前，仔细讲解出院后随访的重要性，并建立随访档案，积极监督、督促患者定期完成随访，放疗结束后1个月复查1次，以后3个月1次，1年后每半年复查1次。口腔要保持清洁，3年内不能拔牙，避免诱发颌骨骨髓炎，坚持张口锻炼，防止咀嚼肌及周围组织纤维化，以防止张口困难。

将采区内寒灰水压等值线图与有效隔水层厚度等值线图进行叠加后得出采区内突水危险性等值线图(图5)。

图5 突水危险性评价成果图

根据《煤矿防治水细则》,构造复杂区突水系数>0.06 MPa/m的区域为突水危险区。采区内具有突水危险性的区域主要集中在断层带附近,其中虎头山正断层(F1)和F2-2断层带存在突水危险区。虎头山正断层带的西部存在两处突水危险区,突水系数最大值为0.16 MPa/m,F2-2断层西部发育带端点处存在一处突水危险点。其余断层带的突水系数都小于0.06 MPa/m,表示这些断层带突水可能性相对较小。

3 脆弱性指数法

脆弱性指数法由武强院士提出,将影响煤层底板突水的多种主控因素通过赋权的方式综合分析,以判别矿井各个区域在多种因素影响下可能发生煤层底板突水的情况[1-2]。本文以采区三维地震勘探资料为基础,采用层次分析法(AHP)-脆弱性指数法,通过信息叠加融合对采区寒灰水进行脆弱性评价。

3.1 主控因素的选取

根据32采区水文地质条件,本文选取了4个影响二1煤层底板突水的主控因素:①寒灰含水层水压;②寒灰含水层富水性;③采区内有效隔水层厚度;④采区内断层规模指数。

3.2 各主控因素的量化及专题图的建立

1) 寒灰含水层富水性。将寒灰含水层抽水试验资料中的数据统一换算为钻孔直径为91 mm的标准单位涌水量,用Surfer软件的插值功能获取32采区寒灰含水层的富水性。寒灰水含水层钻孔抽水试验见表1.

表1 寒灰水含水层钻孔抽水试验

2) 断层规模指数。断层规模指数以二1煤层底板等值线图为基础进行统计,按照500 m×500 m的间距在图上建立单元网格,统计单元网格内各断层的落差与对应走向长度,计算其断层规模指数,通过提取各单元格的中心点坐标,最后将所得数据进行整理制图。各主控因素专题图如图6所示。

图6 各主控因素归一化专题图

3.3 结构模型的建立

根据对影响突水各主控因素的分析,将结构模型建立3个层次,二1煤层底板突水脆弱性评价作为模型的目标层(A层次),将承压含水层、底板隔水层和地质构造作为模型的准则层(B层次),各个主控因素则为本模型的决策层(C层次)。二1煤层底板突水脆弱性评价模型见图7.

图7 二1煤层底板突水脆弱性评价模型

3.4 判断矩阵的构建及权重计算

通过分析各主控因素对煤层底板突水的影响,结合专家意见对各主控因素进行两两比较并评分,建立判断矩阵并计算决策层变量(Ci)对目标层的权重(见表2～表4)。

表2 判断矩阵A～Bi(i=1～3)

表3 判断矩阵B1～Ci(i=1～2)

表4 影响二1煤层底板寒灰水突水各主控因素权重

3.5 数据归一化及脆弱性评价

3.5.1 数据归一化

为消除各个主控因素不同量纲对评价结果产生的影响,需要对各主控因素的量化值进行归一化处理。本文采用的归一化处理公式为:

(2)

式中:Yi为归一化后的数据;Ss、Sx为归一化范围的上限、下限(本文上下限分别采用1和0);min(Xi)、max(Xi)分别为各主控因素量化值的最小值、最大值。

按照以上归一化方法对各主控因素数据进行归一化处理,建立相应的主控因素归一化专题图(图6)。

3.5.2 评价模型的建立

根据前文得到的各主控因素建立脆弱性评价模型,利用Surfer软件的数据处理以及数据叠加耦合分析功能对采区二1煤层底板突水脆弱性进行评价分区。32采区脆弱性评价模型如下:

(3)

式中:VI为脆弱性指数;Wk为各影响因素权重;fk(x,y)为单因素影响值函数;x,y为坐标值;n为影响因素个数。

3.5.3 煤层底板突水脆弱性评价分区

根据脆弱性评价模型(表5),统计评价结果相关数据并绘制采区内脆弱性指数频率分布直方图(图7),采用自然分级法确定分区阈值0.11、0.16、0.21、0.35,根据所得阈值将采区划分为5个区域(图8,图9):

表5 脆弱性指数分区

图8 脆弱性指数频率分布直方图

图9 二1煤层底板寒灰含水层突水脆弱性分区图

根据评价结果分区图可以看出,脆弱区集中在采区内虎头山正断层的西部,与突水系数评价结果所处区域基本一致。

4 结 语

1) 通过对以钻探为主获得的二1煤层底板等高线图与三维地震勘探为主获得的寒灰顶界面等高线图进行叠加分析,能够精细刻画底板隔水层厚度及其分布规律,进而为二1煤底板突水危险性评价提供更为可靠的数据源。

2) 断层带由于受两盘相对运动的影响,使得有效隔水层厚度发生变化,因此考虑断层带与底板破坏深度的综合影响因素,可以更精细地评价断层带附近有效隔水层厚度和发育规律,进一步提高了突水系数和脆弱性指数评价结果的精度。

3) 采用突水系数法和脆弱性指数法对煤层底板寒灰高承压水突水危险性的对比,基于三维地震资料对深部高承压含水层的突水危险性评价结果具有较强的可靠性,其评价结果与采区内寒灰水压、有效隔水层厚度以及断层发育情况表现出较高的契合度。