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承压开采煤层底板突水危险性定量评价
2019-02-20
为了提高煤层底板突水危险性预测的准确性,依据周边矿井已有突水资料,分析了影 响煤层底板突水的主控因素,通过AHP 型脆弱性指数法对矿井煤层底板突水危险性进行了分区预 测与评价,将评价结果与传统突水系数法进行对比分析,认为脆弱性指数法考虑因素较为全面,评 价结果更为精细,实用性更强,可作为突水系数法的补充。
Serial No. 597 January. 2019 现ꢀ 代ꢀ 矿ꢀ 业 MODERN MINING 总第 597期 2019 年 1 月第 1 期 · 安全·职业健康· 承压开采煤层底板突水危险性定量评价 1 1 1 2 1 刘凯祥 ꢀ 牛ꢀ 超 ꢀ 彭ꢀ 涛 ꢀ 杜占顺 ꢀ 武忠山 ( 1. 西安科技大学地质与环境学院;2. 冀中能源邢台矿业集团有限责任公司) ꢀ ꢀ 摘ꢀ 要ꢀ 为了提高煤层底板突水危险性预测的准确性,依据周边矿井已有突水资料,分析了影 响煤层底板突水的主控因素,通过 AHP 型脆弱性指数法对矿井煤层底板突水危险性进行了分区预 测与评价,将评价结果与传统突水系数法进行对比分析,认为脆弱性指数法考虑因素较为全面,评 价结果更为精细,实用性更强,可作为突水系数法的补充。 关键词ꢀ 底板突水ꢀ 突水系数法ꢀ 脆弱性指数法ꢀ 构造分维 DOI:10. 3969 / j. issn. 1674-6082. 2019. 01. 046 Quantitative Evaluation on Water Inrush Risk from Floor of Coal Seam Under Pressure Mining 1 1 1 2 1 Liu Kaixiang ꢀ Niu Chao ꢀ Peng Tao ꢀ Du Zhanshun ꢀ Wu Zhongshan 1. College of Geology and Environment,Xi'an University of Science and Technology; . Jizhong Energy Xingtai Mining Group Co. , Ltd. ) ( 2 Abstractꢀ In order to improve the accuracy of water inrush risk prediction of coal seam floor, ac- cording to the existing water inrush data of surrounding mines, the main control factors affecting water in- rush of coal seam floor are analyzed. The water inrush risk of coal seam floor is predicted and evaluated by AHP vulnerability index method. The evaluation results are compared with the traditional water inrush coefficient method. It is considered that the vulnerability index method is more comprehensive in consid- ering factors. The results of the evaluation are more precise and practical, which can be used as a supple- ment to the method of water inrush coefficient. Keywordsꢀ Floor water inrush,Water inrush coefficient method,Vulnerability index method,Struc- tural fractal dimension ꢀ ꢀ 自上世纪七十年代以来,突水系数法以其独到 法,均取得了丰硕的实践成果;相反,AHP 型脆弱性 [ 1] [5-8] 的优势,一直是煤层底板突水评价的主要方法 。 指数法更为实用 。 为进一步完善该方法,经过各 随着矿井采掘活动向深层发展,煤层底板岩溶水突 水威胁的可能性越来越大。 为了进一步提高煤层底 板突水危险性评价的准确性,由武强院士等提出的 脆弱性指数法,因其体现了突水过程中多个主控因 素的非线性关系,同时也具有简便易行的特点,近年 地学者们的不断探索,目前已取得了大量科研成果, [9] 包括基于 GIS 的 AHP 型脆弱性指数法的改进 ,基 [ 10] 于改进的模糊层次分析法(IFAHP) ,利用分形维 [ 4,11-12] 。 数来综合反映构造的空间特征等 根据最新版《煤矿防治水细则》 第七十五条规 [13] 定 ,结合构造分形理论,适当选择主要控制因素, [ 2] 来得到了业界的广泛认可 。 基于 GIS 的脆弱性指 数法,其预测基础是主控指标体系的建设和资料的 有效获取,核心是底板突水各主控因素权重的确 通过对可利用突水资料的分析,建立合理的结构模 型,确定了影响因素的权重,基于脆弱性指数法对下 峪口煤矿煤层底板突水危险性进行了定量评价。 [ 3-4] 定 。 在研究区有大量突水数据时,非线性 ANN 型、证据权重类型和 Logistic 回归类型脆弱性指数 1ꢀ 井田概况 下峪口煤矿隶属于渭北煤田最东段的韩城矿 区,井田总体以单斜构造为主,在单斜构造背景上发 育有褶皱、中小型断裂及层滑构造,构造复杂程度属 ꢀ ꢀ 刘凯祥(1989—),男,工程师,硕士研究生,710054 陕西省西安 市雁塔中路 58 号。 1 85 总第 597 期 现代矿业 2019 年 1 月第 1 期 # 于中等。 矿井主采下二叠统山西组 3 煤层,其基底 为强富水的奥陶系石灰岩,区域水位标高+380 m。 历史上矿区所属的象山矿井、马沟渠煤矿、桑树坪煤 矿曾在建井过程中遇到多次奥灰岩含水层突水淹井 故,通过对周边矿井大量底板奥灰突水事故分析,认 为有 3 个主要因素会影响煤层的突水。 (1)奥灰富水性。 奥陶系灰岩含水层的富水性 是首要控制因素。 富水性越强,突水危险性越大,发 生突水时的水量越大。 依据井田各个地质勘探阶段 及煤矿生产阶段水文地质勘探及补勘资料,对下峪 口煤矿奥灰含水层单位涌水量特征进行了分析;其 次,根据勘探揭露的奥灰含水层富水段的赋存情况、 奥灰含水层埋深情况及顶板赋存特征,绘制了多因 素奥灰富水性分布图(见图 1)。 # 事故。 2011 年,邻近禹昌煤矿的 11 煤采掘活动中 3 出现底板奥灰水突水,最大涌水量达 10 000 m / h, 3 稳定涌水量为 6 580 m / h。 # 目前下峪口煤矿近二水平开采,3 煤层开采标 高+280 ~ +260 m,已处于明显带压开采状态。 煤矿 防治水难易程度提高,有针对性的做好煤层底板奥 灰水的突水危险性精细定量化评价,极为必要。 (2)有效隔水层厚度。 有效隔水层厚度是阻止 底板突水的另一重要因素。 有效隔水层厚度越大, 发生突水的难度增大,反之则易发生突水。煤层在 2 ꢀ 控制底板突水危险性评价的主要因素 下峪口煤矿自建井以来未发生过奥灰突水事 图 1ꢀ 多元因素融合的奥灰富水性 采掘过程中会对底板产生破坏性影响,因而存在一 部分失效的隔水层;同时,由于奥灰强富水含水层水 压致裂、水化学腐蚀的作用,使得上覆岩层遭受到一 定的破坏,因此奥灰导升带的存在也使得底板隔水 层隔水能力进一步降低。 结合这 2 个方面,煤层的 有效防水层的厚度小于实际的层间距离。 (3)构造分形。 根据对韩城矿区以往奥灰突水 情况来看,90% 奥灰突水均因构造引起。 针对华北 型煤田底板突水规律来看,基本 80% 以上是缘于小 型断层、褶皱裂隙。 由于小型断层在煤田勘探阶段 难以发现,防治措施相对较少,当回采过程中遇到断 层时,容易发生底板突水;褶皱的轴部、两翼转折端 等部位由于张裂隙较为发育,底板完整性同样遭到 破坏。 # 依据韩城矿区实测资料,桑树坪煤矿 11 煤层 的底 板 破 坏 深 度 约 为 14. 75 m、 马 沟 梁 煤 矿 约 为 13 m。 针对华北型煤田,在一般采深小于 500 m 时,煤层底板的最大破坏深度一般小于 15 m;而针 对奥灰顶板导升带未进行深入研究,一般认为其值 约为 10 m 左右。 本研究结合分形理论对井田内构造的复杂程度 进行了定量化评价,采用箱覆盖法(见图 2、图 3)。 由分形结果图可知,在构造较为发育的区域,分形等 值线较为密集,数值较大。 1 86 ꢀ ꢀ 刘凯祥ꢀ 牛ꢀ 超等:承压开采煤层底板突水危险性定量评价ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ 2019 年 1 月第 1 期 图 2ꢀ 断层分形等值线 图 3ꢀ 褶皱分形等值线 3 ꢀ 脆弱性指数法评价 3. 2ꢀ 主控因素权重的确定 3 . 1ꢀ 脆弱性指数法模型 充分征 求 专 家 意 见, 建 立 基 于 层 次 分 析 法 (AHP)的判断矩阵,最后确定这 3 个主要控制因子 的权重如表 1 所示。 通过对矿区地质、水文地质条件的分析,将奥灰 含水层富水性、底板隔水层有效厚度和构造分布定 为主控因素,最终确定层次结构模型如图所示(见 图 4)。 包括在标准层(B)的每个因子中的决策层(C) 的数量是相同的并且是一个,因此,只要由B级构 1 87 总第 597 期 现代矿业 2019 年 1 月第 1 期 表 1ꢀ 主控因素权重 含水层 富水性 B1 底板岩性 构造作用 因素 权重 B2 B3 含水层富水性 B1 底板岩性 B2 构造作用 B3 1 1 1 1 1 2 1 1 0. 411 1 0. 327 8 0. 261 1 1 / 2 ꢀ ꢀ 注:λmax =3. 053 6;CI=0. 026 8;CR=0. 051 6<0. 1。 3 . 3ꢀ 底板突水危险性评价 利用 GIS 对各影响因素的评价指标进行融合, # 阈值划分采用自然分级方法(见图 5),获得了 3 煤 层底板突水危险性的阈值:①综合评价值<0. 23,一 般区;②0. 23<综合评价值<0. 34,相对中等危险区; 图 4ꢀ 脆弱性指数法模型 建到目标层(A) 的矩阵可满足 CR<0. 1 即可,且所 得权重值即为 C 层次各主控因素权重值。 ③0. 34<综合评价值,相对危险区。 图 5ꢀ 阈值自然分析划分 # ꢀ ꢀ 利用脆弱性指数法对 3 煤层底板突水危险性 胁区域,其余区域均为一般区和相对中等危险区 (见图 6)。 # 的定量评价结果表明,3 煤层在带压开采过程中,主 要受到底板小型构造的影响,在构造发育区均为威 图 6ꢀ 突水危险性定量评价结果 4 ꢀ 2 种评价方法的比较 我国《煤矿防治水细则》中的规定:底板隔水层 在构造影响区域突水系数 T ≤0. 06 MPa / m,在不受 S 影响区域内按 TS ≤0. 1 MPa / m 计算 。 根据下峪 [ 13] 1 88 ꢀ ꢀ 刘凯祥ꢀ 牛ꢀ 超等:承压开采煤层底板突水危险性定量评价ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ 2019 年 1 月第 1 期 口煤矿矿井地质和水文地质条件,井田内大的断裂 构造发育较少,按隔水层正常块段进行评价。 突水 ꢀ ꢀ (2)综合对比评价可知,突水系数法反映的是 煤层底板总体的突水危险特征,脆弱性指数法考虑 因素较为全面,能精细刻画突水可能的危险区域,实 用性更强,可做为突水系数法的补充。 # 系数法的评价结果如图 7 所示,3 煤层均处在底板 突水威胁安全区,即在无异常地质区域内,无突水威 胁。 在遇到断层、隐伏陷落柱或其他不良地质构造 时,减少了底板整体的有效隔水层厚度,才受底板水 突水威胁。 参ꢀ 考ꢀ 文ꢀ 献 [ [ [ [ [ 1]ꢀ 代革联. 矿井水害防治 [ M]. 北京:中国矿业大学出版社, 016. 2 2]ꢀ 武ꢀ 强,张志龙,张生元,等. 煤层底板突水评价的新型实用方 法Ⅱ:脆弱性指数法[J]. 煤炭学报,2007(11):1121-1126. 3]ꢀ 武ꢀ 强,张志龙,马积福. 煤层底板突水评价的新型实用方法 Ⅰ :主控指标体系的建设[J]. 煤炭学报,2007(1):42-47. 4]ꢀ 李建林,张洪云,王心义,等. 脆弱性指数法在煤层底板突水预 测中的应用与建议[J]. 煤炭学报,2014,39(4):725-730. 5]ꢀ 武ꢀ 强,解淑寒,裴振江,等. 煤层底板突水评价的新型实用方 法Ⅲ:基于 GIS 的 ANN 型脆弱性指数法应用[ J]. 煤炭学报, 2007(12):1301-1306. [ [ 6]ꢀ 武ꢀ 强,王金华,刘东海,等. 煤层底板突水评价的新型实用方 法Ⅳ:基于 GIS 的 AHP 型脆弱性指数法应用[ J]. 煤炭学报, 2009,34(2):233-238. 7]ꢀ 武ꢀ 强,张ꢀ 波,赵文德,等. 煤层底板突水评价的新型实用方 法Ⅴ:基于 GIS 的 ANN 型、证据权型、Logistic 回归型脆弱性指 数法的比较[J]. 煤炭学报,2013,38(1):21-26. 图 7ꢀ 突水系数等高线 ꢀ ꢀ 突水系数法考虑了奥灰水压和隔水层厚度 2 个 [ [ [ [ 8]ꢀ 武ꢀ 强,刘守强,贾国凯. 脆弱性指数法在煤层底板突水评价 中的应用[J]. 中国煤炭,2010,36(6):15-19. 因素,并在大量突水案例的基础上分析总结出临界 突水系数,具有很强的保障性;脆弱性指数法体现了 隔水岩层的岩性、空间位置,奥灰的水压、富水性,地 质构造等因素影响,同时能够反映出各因素之间的 相互作用,考虑了各因素对突水影响的相对程度,使 得评价结果更实用。 9]ꢀ 刘守强,武ꢀ 强,曾一凡,等. 基于 GIS 的改进 AHP 型脆弱性指 数法[J]. 地球科学,2017,42(4):625-633. 10]ꢀ 潘国营,秦永泰,马亚芬. 基于改进模糊层次分析法的煤层底 板突水危险性评价[J]. 煤矿安全,2016,47(9):194-197. 11]ꢀ 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,2011,22(4):69-73. 5 ꢀ 结ꢀ 论 [12]ꢀ 代革联,薛小渊,许ꢀ 珂,等. 基于脆弱性指数法的韩城矿区 11 号煤层底板突水危险性评价[J]. 煤田地质与勘探,2017,45 # ( 1)利用脆弱指数法对 3 煤层底板突水危险性 # ( 4):112-117. 评价结果表明,3 煤层在带压开采过程中,主要受到 底板小型构造的影响,在构造发育区均为威胁区域, 其余区域均为一般区和相对中等危险区。 [ 13]ꢀ 杜运夯,孙小林,陈小国. 煤矿防治水细则专家解读[ M]. 徐 州:中国矿业大学出版社,2018. ( 收稿日期 2018-07-02ꢀ 责任编辑ꢀ 徐志宏) ■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■ · 记者在线· 2018 年废钢替代铁矿石消费约 6 000 万 t ꢀ ꢀ 据媒体消息,2018 年 1 月—11 月份,我国累计 助推钢铁高质量发展”为主题的 2018(第七届)中国 钢铁原材料市场高端论坛在北京举行。 从论坛上获 悉,我国钢铁生产主要原材料构成正发生可喜变化, 废钢使用量持续攀升,替代铁矿石消费、促进钢铁业 绿色发展的作用日益显现。 粗钢产量同比增长 6. 7% ;规模以上企业累计生铁 产量同比增长 2. 4% ,低于粗钢产量增幅 4. 3 个百 分点。 由于废钢使用量增加,替代了铁矿石消费约 6 000 万 t。 据悉,12 月 22 日,以“打造绿色供应链 1 89
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