4煤層底板突水危險性的地質(zhì)評價理論與方法

　　4.1引言

　　礦井突水的危險性評價是礦井水害防治的重要基礎(chǔ)和依據(jù)。早在20世紀初，國內(nèi)外學(xué)者注意到礦井突水與地質(zhì)條件的關(guān)系，認識到隔水層巖性和厚度及斷裂分布與突水之間的關(guān)系，目前的礦井突水危險性評價只能達到定性的程度，還不能對礦井突水危險性進行定量評價和預(yù)測，如何定量評價礦井突水危險性，關(guān)鍵是對突水地質(zhì)因素的定量評價與預(yù)測。本課題針對礦井突水地質(zhì)條件，從礦井突水的水源、通道和介質(zhì)條件出發(fā)，提出了隔水介質(zhì)條件的非均質(zhì)性、斷裂構(gòu)造和地下水賦存條件等因素的分類、分級及其表征參數(shù)和量化分析，為礦井突水地質(zhì)條件評價與預(yù)測理論的建立奠定基礎(chǔ)。

　　煤層底板突水危險性評價問題，是一個由多因素影響的具有非確定性的模糊綜合評價問題。關(guān)于這方面，自從美國系統(tǒng)論專家查德教授提出模糊集(Zadeh，1965)概念以來，各國學(xué)者對此產(chǎn)生了極大的興趣。我國于70年代中期在氣象、醫(yī)學(xué)、心理學(xué)等學(xué)科開始了這方面的研究工作。而用于地質(zhì)領(lǐng)域的研究始于80年代初期，首先在找礦、巖石分類等方面取得了成功的經(jīng)驗。應(yīng)用模糊數(shù)學(xué)理論對煤層底板突水危險性評價也取得了良好的效果，且不斷趨于完善。故本次工作選用模糊綜合評判作為煤層底板突水危險性評價的數(shù)學(xué)模型。力求為煤層底板突水危險性評價提供科學(xué)依據(jù)。

　　4.2礦井突水控制因素的分類、分級

　　礦井突水控制因素的分類、分級即反映礦井突水地質(zhì)條件的復(fù)雜性類型。它是針對生產(chǎn)礦井技術(shù)管理的特點和需要，按礦井突水地質(zhì)條件和綜合復(fù)雜程度把井田或采區(qū)內(nèi)每一可采煤層逐次分成若干個塊段，對井田或采區(qū)內(nèi)的塊段所劃分的類別，并認為在同一個塊段內(nèi)部，其礦井突水地質(zhì)條件基本相同，屬于同一個等級。其目的在于從地質(zhì)角度劃分出危險和安全的塊段，促進礦井生產(chǎn)的科學(xué)管理和宏觀調(diào)控。它是生產(chǎn)部門制定采掘規(guī)劃，安排各類采面接替，選擇采掘方法，考核各項技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo)的重要依據(jù);同時也是地質(zhì)部門明確地質(zhì)工作要求，合理配備人員和設(shè)備，評定地質(zhì)工作的數(shù)量和質(zhì)量的重要準(zhǔn)則。

　　4.2.1含水層性質(zhì)及補給條件分類

　　根據(jù)《礦井水文地質(zhì)規(guī)程》，從礦井水文地質(zhì)條件、井巷充水及其相互關(guān)系出發(fā)，根據(jù)含水層性質(zhì)及補給條件，包括受采掘破壞或影響的含水層性質(zhì)、富水性、補給條件，單井年平均涌水量和最大涌水量、開采受水害影響程度和防治水工作難易程度等，把含水層性質(zhì)及補給條件分為四類(如表4-1)。

　　表4-1 含水層性質(zhì)及補給條件分類表

　　4.2.2 斷裂構(gòu)造復(fù)雜程度分類

　　根據(jù)斷裂構(gòu)造發(fā)育程度和工程規(guī)模將隔水層劃分為完整結(jié)構(gòu)、塊裂結(jié)構(gòu)、碎裂結(jié)構(gòu)和松散結(jié)構(gòu)四類(表4-2)。

　　4.2.3 隔水介質(zhì)條件分類

　　在水文地質(zhì)中一般將鉆孔單位涌水量小于0.001L/s.m的巖層視為隔水層。隔水層的阻水性能主要取決于隔水介質(zhì)條件，包括隔水層的巖性和厚度特征。對于煤系沉積巖石，隔水層巖性主要有泥巖、粉砂巖和砂巖。

　　由于受沉積環(huán)境的控制，隔水層巖性在垂向上旋回變化，不同巖性的巖層作有規(guī)律的組合，稱層組巖體(簡稱巖體)，因此隔水層巖體力學(xué)性質(zhì)及其穩(wěn)定性，并不是由一層巖性所能代表的，而是多層巖性的組合。

　　隔水層巖性、厚度及其組合，既能通過礦山壓力分布，又能通過巖體強度來影響突水危險性。從巖性角度，可將隔水層巖性分為泥巖為主型、砂巖為主型和砂泥巖復(fù)合型。在隔水性能方面泥巖為主型表現(xiàn)為塑性，隔水性能好，從泥巖封蓋能力的實驗分析表明，平均滲透率為0.089×10-3,平均孔隙度為1.97%，平均突破壓力為20.6MPa，平均擴散系數(shù)為1.33×10-5，說朋該區(qū)泥巖具有較強的封蓋能力。砂巖為主型表現(xiàn)為脆性，隔水性能較差;而砂泥巖復(fù)合型處于兩者之間。巖性不同則隔水性能不同。

　　表4-2 隔水層結(jié)構(gòu)分類依據(jù)及其力學(xué)特征

　　巖體結(jié)構(gòu)類型 斷裂

　　發(fā)育程度 結(jié)構(gòu)體特 征 斷裂面

　　特征 地質(zhì)構(gòu)造

　　特征 巖體變形

　　破壞特征 力學(xué)模型 隔水性能

　　完整結(jié)構(gòu) 結(jié)構(gòu)面不發(fā)育，1～2組，規(guī)則，結(jié)構(gòu)面間距2m，RQD為75%～100%，或值為0.75～1.0

　　巨塊狀，結(jié)構(gòu)體尺寸大于或相當(dāng)于工程尺寸 無或偶見III、IV級和V級結(jié)構(gòu)面，結(jié)構(gòu)面閉合，粗糙無充填 地質(zhì)構(gòu)造變動小(輕微)，節(jié)理不發(fā)育，斷裂構(gòu)造復(fù)雜程度為Ⅰ類 脆性破壞和剪切破壞，少量沿沉積結(jié)構(gòu)面分離 連續(xù)介質(zhì) 隔水性能好

　　塊裂結(jié)構(gòu) 結(jié)構(gòu)面較發(fā)育，2～3組，呈X型，較規(guī)則，結(jié)構(gòu)面間距1～2m，RQD為50%～75%，或值為 0.50～0.75 大塊狀，結(jié)構(gòu)體尺寸小于工程尺寸，但屬于同一量級 II、III級結(jié)構(gòu)面為主，IV、V級不太發(fā)育，至少有一組軟弱結(jié)構(gòu)面，張開，粗糙，有充填 地質(zhì)構(gòu)造變動較大(較重)，位于斷層或褶曲軸的鄰近地段，可有小斷層，節(jié)理較發(fā)育，斷裂構(gòu)造復(fù)雜程度為II類 壓縮變形量大，沿弱面剪切破壞 非連續(xù)介質(zhì) 隔水性能取決于斷裂結(jié)構(gòu)面封閉性

　　碎裂結(jié)構(gòu) 結(jié)構(gòu)面發(fā)育，3～5組，不規(guī)則，呈X型或米字型，結(jié)構(gòu)面間距0.1～1m，RQD為25%～50%，或 值為 0.25～0.50 碎塊狀，結(jié)構(gòu)體尺寸遠小于工程尺寸，屬于次一量級 II、III、IV、V級結(jié)構(gòu)面都存在，且IV、V級發(fā)育，結(jié)構(gòu)面張開或閉合，光滑不一 地質(zhì)構(gòu)造變動強烈(嚴重)，位于褶曲軸部或斷層影響帶內(nèi)，軟巖多見扭曲拖拉現(xiàn)象，小斷層，節(jié)理發(fā)育，斷裂構(gòu)造復(fù)雜程度為III類 壓縮變形量大，整體強度低，巖體塑性變形強，時間效應(yīng)明顯，沿弱面剪切破壞和塑性破壞 似連續(xù)介質(zhì) 地下水作用較強烈，隔水性能較差

　　松散結(jié)構(gòu) 結(jié)構(gòu)面很發(fā)育，5組以上，雜亂，結(jié)構(gòu)面間距 0.1m,RQD為0～25%，或值為0～0.25 碎屑狀和顆粒狀 斷層破碎帶內(nèi)巖體或采動冒落帶巖體，裂隙密集，無序塊狀夾泥，呈松散狀 地質(zhì)構(gòu)造變動很強烈，位于斷層破壞帶內(nèi)，巖體破碎呈塊狀，碎石角粒狀，有的甚至粉末泥土狀，節(jié)理很發(fā)育，斷裂構(gòu)造復(fù)雜程度為IV類 壓縮變形量大，時間效應(yīng)明顯，似土狀，結(jié)構(gòu)體張破壞和滾動，主要表現(xiàn)為塑性破壞 松散連續(xù)介質(zhì) 地下水作用更為強烈，隔水性能極差

　　注： RQD—巖石質(zhì)量指標(biāo)。是根據(jù)鉆孔巖芯完整程度判斷巖石質(zhì)量和巖體完整性的指標(biāo)，用下式表示：RQD=()×100%，為10cm以上巖芯的累積長度，L為鉆孔全長。

　　Kv—巖體完整性系數(shù)。Kv=(為巖體聲波速度，為巖石聲波速度)。

　　對于隔水層組采用泥巖百分比含量(K)來表示隔水巖層巖性特征：

　　K= (4-1)

　　式中 為開采煤層與主要充水含水層之間各泥巖層厚度之和(單位為m);

　　為開采煤層與主要充水含水層之間總厚度。

　　根據(jù)K值的大小將隔水巖層巖性分為三類，為泥巖為主型、砂巖為主型和砂泥巖復(fù)合型(如表4-3)。

　　表4-3 隔水巖層巖性類型

　　頂板巖體巖性類型 K值(%) 主要巖性 主要巖相

　　泥巖為主型 65 砂泥巖、粉砂質(zhì)泥巖和煤層 主要為泛濫平原、沼澤相和泥炭沼澤相、瀉湖海灣相沉積等

　　砂泥巖復(fù)合型 35～65 粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖和泥巖 主要為分流間灣、泛濫平原和天然堤相沉積等

　　砂巖為主型 35 砂巖、粉砂巖和石灰?guī)r 主要為分流河道、河口沙壩和決口扇及小型水道相或淺海相沉積等

　　4.2.4突水地質(zhì)條件危險性評價分類

　　根據(jù)突水地質(zhì)條件，即含水層性質(zhì)條件、斷裂構(gòu)造條件和隔水介質(zhì)條件條件復(fù)合后方能確定突水地質(zhì)條件危險性的等級。

　　將隔水介質(zhì)條件和斷裂構(gòu)造條件復(fù)合，也就是根據(jù)隔水層的巖性和結(jié)構(gòu)特征，將隔水層的隔水性能分為四類(表4-5)。

　　(1)隔水性能好(I)：包括泥巖為主型完整結(jié)構(gòu)、砂泥巖復(fù)合型完整結(jié)構(gòu)和泥巖為主型塊裂結(jié)構(gòu)。

　　(2)隔水性能中等(II)：包括泥巖為主型完整結(jié)構(gòu)、砂泥巖復(fù)合型塊裂結(jié)構(gòu)和砂巖為主型碎裂結(jié)構(gòu)。

　　(3)隔水性能差(III)：包括泥巖為主型塊裂結(jié)構(gòu)、砂泥巖復(fù)合型碎裂結(jié)構(gòu)和泥巖為主型碎裂結(jié)構(gòu)。

　　(4)隔水性能極差(IV)：包括砂巖為主型松散結(jié)構(gòu)、砂泥巖復(fù)合型松散結(jié)構(gòu)和泥巖為主型松散結(jié)構(gòu)。

　　表4-5隔水介質(zhì)條件和斷裂構(gòu)造條件復(fù)合表

　　隔水介質(zhì)條件

　　斷裂構(gòu)造條件 泥巖為主型 砂泥巖復(fù)合型 砂巖為主型

　　完整結(jié)構(gòu) Ⅰ Ⅰ II

　　塊裂結(jié)構(gòu) Ⅰ II III

　　碎裂結(jié)構(gòu) II III III

　　松散結(jié)構(gòu) Ⅳ Ⅳ Ⅳ

　　然后再與含水層條件復(fù)合，復(fù)合后構(gòu)成突水地質(zhì)條件危險性的等級，并劃分為安全(Ⅰ)、中等安全(II)、安全差(III)和安全極差(Ⅳ)四類，如表4-6所示。

　　安全(Ⅰ)：采掘工程一般不受水害影響;防治水工作簡單。

　　中等安全(II)：采掘工程受水害影響，但不威脅礦井安全生產(chǎn);防治水工作簡單或易于進行。

　　安全性差(III)：采掘工程、礦井安全受水害威脅;防治水工程量較大，難度較高，防治水的經(jīng)濟技術(shù)效果較差。

　　安全性極差(Ⅳ)：礦井突水頻繁，來勢兇猛，含泥砂率高，采掘工程、礦井安全受水害嚴重威脅;防治水工程量大，難度高，往往難以治本，或防治水的經(jīng)濟技術(shù)效果極差

　　表4-6 突水地質(zhì)條件危險性評價分類表

　　隔水性能

　　含水層條件

　　隔水性能好(Ⅰ) 隔水性能中等(II) 隔水性能差(III) 隔水性能極差(Ⅳ)

　　簡單 Ⅰ Ⅰ Ⅰ II

　　中等 Ⅰ II III III

　　復(fù)雜 II III Ⅳ Ⅳ

　　極復(fù)雜 II III Ⅳ Ⅳ

　　4.3 煤層底板突水危險性評價因素

　　由于影響煤層底板突水的地質(zhì)因素很多，應(yīng)通過分析突水地質(zhì)條件，如含水層性質(zhì)及補給條件、斷裂構(gòu)造條件、隔水介質(zhì)條件及其它開采地質(zhì)條件的各個子因素，組成評價指標(biāo)系統(tǒng)。由于評價工作是立足于采前的地質(zhì)勘探資料和煤炭開采過程中的開采資料，因此確定子因素是要考慮其具有：(1)可行性，能從勘探資料確定;(2)代表性，能憑幾個子因素反映實際突水地質(zhì)條件;(3)獨立性，各子因素基本不會重復(fù)影響。

　　根據(jù)開灤礦區(qū)典型煤層底板突水地質(zhì)條件，我們提出煤層底板突水因素的表征參數(shù)(如表4-7)。

　　表4-7 　礦井突水因素的表征參數(shù)

　　第一層次 第二層次 第三層次

　　因素 權(quán)重

　　煤層底板突水因素的表征參數(shù)(u) 含水層條件(u1) 1/3 直接補給條件(u11)

　　含水層厚度(u12)

　　含水層的導(dǎo)水性(u13)

　　鉆孔單位涌水量(u14)

　　疏水效果(u15)

　　礦井涌水量(u16)

　　斷裂構(gòu)造條件(u2) 1/3 斷裂的組數(shù)(u21)

　　斷裂密度 (u22)

　　最大主曲率(u23)

　　斷裂強度系數(shù) (u24)

　　斷裂結(jié)構(gòu)面形態(tài)(u25)

　　斷裂結(jié)構(gòu)面的張開度(u26)

　　結(jié)構(gòu)面充填膠結(jié)情況 (u27)

　　巖溶陷落柱(u28)

　　隔水介質(zhì)條件(u3) 1/3 隔水層厚度(u31)

　　隔水層的分層系數(shù)(u32)

　　泥巖百分比含量(u33)

　　水壓與隔水層厚度比(u34)

　　4.3.1含水層性質(zhì)及補給條件(u1)

　　(1)直接補給條件(u11)

　　直接補給條件是指對井田或斷塊內(nèi)主要充水含水層的直接補給情況。它影響著礦井涌水量的大小及穩(wěn)定性，要在詳盡的構(gòu)造、巖性和人為因素分析的基礎(chǔ)上劃分為：阻水邊界、弱補給邊界、中等補給邊界和強補給邊界。

　　表4-8 直接補給條件分級表

　　參數(shù) 分級依據(jù) 分級

　　直接補給條件 阻水邊界，斷層稀少 簡單

　　弱補給邊界，斷層較少 中等

　　中等補給邊界，斷層較多 復(fù)雜

　　強補給邊界，導(dǎo)水裂隙發(fā)育 極復(fù)雜

　　(2)含水層厚度(u12)

　　含水層厚度是反映含水層賦存形態(tài)和幾何特征指標(biāo)，含水層富水性與含水層厚度、巖性、斷裂密度及性質(zhì)等密切相關(guān)，一般情況下含水層富水性與含水層厚度呈正相關(guān)性。

　　表4-9含水層厚度分級表

　　參數(shù) 分級依據(jù)/m 分級

　　第四系沖積層含水層 <100 較小

　　100~200 中等

　　200~300 較大

　　≥300 大

　　砂巖裂隙承壓含水層 <20 較小

　　20~40 中等

　　40~60 較大

　　≥60 大

　　灰?guī)r巖溶含水層 <10 較小

　　10~20 中等

　　20~30 較大

　　≥30 大

　　(3)含水層的導(dǎo)水性(u13)

　　含水層的導(dǎo)水性也是反映含水層富水性的一個指標(biāo)，可用導(dǎo)水系數(shù)(T)表示：，

　　(4-5)

　　式中;K為滲透系數(shù),m/d;M為含水層厚度，m

　　表4-10含水層的導(dǎo)水性分級表

　　參數(shù) 分級依據(jù) 分級

　　含水層的導(dǎo)水性T (m2/d) <30 富水性差

　　30-60 富水性中等

　　60-120 富水性好

　　≥120 富水性極好

　　(4)鉆孔單位涌水量(u14)

　　鉆孔單位涌水量是是評價含水層富水性的指標(biāo)，以口徑91mm，抽水水位降深10m為準(zhǔn)。根據(jù)鉆孔單位涌水量的大小劃分含水層的富水性。

　　表4-11 鉆孔單位涌水量分級表

　　參數(shù) 分級依據(jù) 分級

　　鉆孔單位涌水量q (L/s.m) <0.1 簡單

　　0.1-2.0 中等

　　2.0-10 復(fù)雜

　　≥10 極復(fù)雜

　　(5)疏水效果(u15)

　　疏水效果指主要向礦井充水含水層的單位壓力的涌水量q(涌水量Q與水壓P的比值);或單位涌水量的水位降低值h(水位降低值S與涌水量Q的比值).

　　表4-12 含水層疏水效果分級表

　　參數(shù) 分級依據(jù) 分級

　　q:(m3/min.MPa) h:(m/m3.min)

　　疏水效果 <6.8 15 簡單

　　6.8-10.2 10-15 中等

　　10.2-30.6 3.3-10 復(fù)雜

　　≥30.6 <3.3 極復(fù)雜

　　(6)礦井涌水量(u16)

　　礦井涌水量是指礦井開采過程中，必須疏放的水量，即正常涌水量。

　　表4-13礦井涌水量分級表

　　參數(shù) 分級依據(jù) 分級

　　礦井涌水量(m3/min) <10 簡單

　　10-30 中等

　　30-60 復(fù)雜

　　≥60 極復(fù)雜

　　4.3.2斷裂構(gòu)造條件(u2)

　　(1)斷裂的組數(shù)(u21)

　　斷裂的組數(shù)是指一定面積內(nèi)(統(tǒng)計單元內(nèi))的斷裂組數(shù)，反映了斷裂的發(fā)育密集程度，斷裂組數(shù)越多，斷裂構(gòu)造越復(fù)雜，反之越簡單。

　　表4-14斷裂的組數(shù)分級表

　　參數(shù) 分級依據(jù) 分級

　　斷裂的組數(shù)(組) <2 簡單

　　2-3 中等

　　3-6 復(fù)雜

　　≥6 極復(fù)雜

　　(2)斷裂密度 (u22)

　　斷裂密度u23是指單位面積內(nèi)斷裂條數(shù)，直觀地反映斷裂發(fā)育程度，統(tǒng)計時可以按斷裂性質(zhì)、規(guī)模分別計算。表達式為：

　　(4-6)

　　式中：N-斷裂條數(shù)，條;

　　S-統(tǒng)計面積，km2

　　表4-15斷裂密度分級表

　　參數(shù) 分級依據(jù) 分級

　　斷裂密度(條/ km2) <2 簡單

　　2-8 中等

　　8-12 復(fù)雜

　　≥12 極復(fù)雜

　　(3)最大主曲率(u23)

　　曲率是反映線或面彎曲程度的特征量，一般來講，地層在構(gòu)造應(yīng)力作用下發(fā)生彎曲變形，變形越大，彎曲程度越高，曲率也越大，破裂作用相應(yīng)增大，因此地層曲率在一定程度上控制了地層斷裂發(fā)育程度。根據(jù)該原理，通過求取地層主曲率，進而實現(xiàn)評價地層斷裂發(fā)育程度及其滲透性的目的。

　　表4-16最大主曲率分級表

　　參數(shù) 分級依據(jù) 分級

　　最大主曲率K (10-4/m) <0.5 簡單

　　0.5-1.5 中等

　　1.5-2.5 復(fù)雜

　　≥2.5 極復(fù)雜

　　(4)斷裂強度系數(shù) (u24)

　　斷裂強度指數(shù)是單位面積內(nèi)所有斷層的落差與長度乘積之和，其綜合反映斷層規(guī)模和發(fā)育程度。其表達式為：

　　(4-7)

　　式中：Li-斷層水平延展長度，m; Hi-斷層落差，m。

　　如果斷層落差不清的情況下，可采用斷層長度指標(biāo)，它是指一定面積內(nèi)(統(tǒng)計單元內(nèi))的斷層長度之和，反映了斷層的發(fā)育密集程度，斷層越多越長，斷層構(gòu)造越復(fù)雜，反之越簡單。在工程平面圖、煤層底板等高線圖上，斷層長度易于測量。

　　(4-8)

　　式中： L------長度之和，km

　　N---------區(qū)內(nèi)的斷層條數(shù)，條

　　l----------區(qū)內(nèi)各條斷層的長度，km

　　表4-17 斷裂強度系數(shù)分級表

　　參數(shù) 分級依據(jù) 分級

　　斷裂強度系數(shù) <3 簡單

　　3-7 中等

　　7-13 復(fù)雜

　　≥13 極復(fù)雜

　　(5)斷裂結(jié)構(gòu)面形態(tài)(u25)

　　結(jié)構(gòu)面的形態(tài)可以用側(cè)壁的起伏形態(tài)及粗糙度來反映。結(jié)構(gòu)面?zhèn)缺诘钠鸱螒B(tài)分為：平直的、波狀的、鋸齒狀的、臺階狀的和不規(guī)則狀的。

　　側(cè)壁的起伏程度可用起伏角(i)表示。

　　(4-9)

　　式中：h為結(jié)構(gòu)面起伏的高度(m);L為結(jié)構(gòu)面起伏的波長(m)。

　　結(jié)構(gòu)面的粗糙度用粗糙度系JRC(joint roughness coefficient)表示。隨粗糙度的增大，結(jié)構(gòu)面的摩擦角也增大。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)粗糙度剖面將結(jié)構(gòu)面的粗糙度系數(shù)劃分為10級。

　　(6)斷裂結(jié)構(gòu)面的張開度(u26)

　　結(jié)構(gòu)面的張開度是指結(jié)構(gòu)面兩壁面間的垂直距離。結(jié)構(gòu)面兩壁面一般不是緊密接觸，使結(jié)構(gòu)面實際接觸面積減少，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)面粘聚力降低和滲透性增大。

　　表4-18斷裂結(jié)構(gòu)面的張開度分級表

　　參數(shù) 分級依據(jù) 分級

　　描述 結(jié)構(gòu)面張開度(mm)

　　斷裂結(jié)構(gòu)面的張開度 很緊密 <0.1 閉合的

　　緊密 0.1-0.25

　　部分張開 0.25-0.5 裂開的

　　裂開 0.5-2.5

　　較開的 2.5-5.0

　　中等寬的 5.0-10 張開的

　　寬的 10-50

　　很寬的 50-100

　　極寬的 100-1000 似洞穴的

　　似洞穴的 ≥1000

　　(7)結(jié)構(gòu)面充填膠結(jié)情況 (u27)

　　結(jié)構(gòu)面膠結(jié)后力學(xué)性質(zhì)有所增強，F(xiàn)e質(zhì)膠結(jié)的強度最高，泥質(zhì)與易溶鹽類膠結(jié)的結(jié)構(gòu)面強度最低，且抗水性差。未膠結(jié)的結(jié)構(gòu)面，力學(xué)性質(zhì)取決于其充填情況，可分為：薄膜充填、斷續(xù)充填、連續(xù)充填及厚層充填4類：1)薄膜充填是結(jié)構(gòu)面兩壁附著一層極薄的礦物膜，厚度多小于1mm，多明顯降低結(jié)構(gòu)面的強度。2)斷續(xù)充填結(jié)構(gòu)面的力學(xué)性質(zhì)與充填物性質(zhì)、壁巖性質(zhì)及結(jié)構(gòu)面的形態(tài)有關(guān)。3)連續(xù)充填結(jié)構(gòu)面的力學(xué)性質(zhì)主要取決于充填物性質(zhì)。4)厚層充填結(jié)構(gòu)面的力學(xué)性質(zhì)很差，主要取決于充填物性質(zhì)，巖體往往易于沿這種結(jié)構(gòu)面滑移而失穩(wěn)。

　　(8) 巖溶陷落柱(u28)

　　巖溶陷落柱是開采煤層與含水層之間的特殊導(dǎo)水通道，也是最難防治的充水因素。巖溶陷落柱溝通各含水層造成極復(fù)雜的水文地質(zhì)條件，并能直接將奧灰水導(dǎo)入煤系地層給礦井安全造成極大的威脅。

　　以開灤范各莊井田揭露的14個陷落柱情況看，陷落柱內(nèi)部的充水和導(dǎo)水情況不同，大致可分為三種類型：

　　(1) 全充水型：陷落柱內(nèi)充填物未被壓實，水力聯(lián)系好，溝通了幾個含水層，奧灰水直接導(dǎo)通到陷落柱上部，采掘工程一旦揭露就會發(fā)生突水，水量大而穩(wěn)定，長疏不衰。如一水平北翼運輸大巷所揭露的2#陷落柱，開始揭露涌水量達7.2米3/分鐘，水壓1.76MPa，連續(xù)五年涌水量保持在3.0米3/分鐘以上;2171綜采工作面揭露的9#陷落柱，1984年6月2日發(fā)生特大突水，高峰期11小時平均突水量高達2053米3/分鐘，穩(wěn)定水量300米3/分鐘左右;在208原皮帶巷施工的平7號探水孔于1990年6月25日鉆進到43.12米時揭露10#陷落柱突然涌水，高峰期涌水量為26.68米3/分鐘，至今平7孔涌水量仍穩(wěn)定在17米3/分鐘左右。2#、9#、10#陷落柱為全充水類型。

　　(2) 邊緣充水型：陷落柱內(nèi)充填物壓實緊密，風(fēng)化程度強，柱內(nèi)水力聯(lián)系不好，只是陷落柱邊緣發(fā)育的次生裂隙充水。采掘工程揭露時一般以滴、淋水或涌水為充水形式，涌水量不大，主要疏降煤系含水層水，經(jīng)過一段時間的疏放，涌水量大幅度減少或疏干。1#、3#、5#、6#、8#、12#陷落柱為邊緣充水類型。

　　(3) 疏干型：陷落柱內(nèi)充填物壓實緊密，風(fēng)化程度極強，邊緣裂隙水已被疏干，揭露時有少量滴水、小淋水或無水，采掘工程可以由柱內(nèi)通過。如2104開拓掌通過4#陷落柱時，柱內(nèi)充填物壓實緊密，柱內(nèi)及邊緣裂隙已疏干無水;2172板層綜采工作面回采時遇7#陷落柱，柱內(nèi)無水，采面直接采過陷落柱。4#、7#、11#陷落柱為疏干類型。

　　總之，巖溶陷落柱溝通各含水層造成極復(fù)雜的水文地質(zhì)條件，并能直接將奧灰水導(dǎo)入煤系地層給礦井安全造成極大的威脅。從已揭露的陷落柱的情況看，陷落柱的導(dǎo)水程度是不同的。以全充水型陷落柱導(dǎo)水最強，對礦井安全威脅最大。搞清巖溶陷落柱的分布及其導(dǎo)水性是防治水工作的重要任務(wù)。

　　4.3.3隔水介質(zhì)條件(u3)

　　(1)隔水層厚度(u31)

　　在水文地質(zhì)中一般將鉆孔單位涌水量小于0.001L/s.m的巖層視為隔水層。隔水層的阻水性能不但與巖性有關(guān)，還與其厚度相關(guān)，隨著隔水層厚度的增加隔水性能增強。

　　(2)隔水層的分層系數(shù)(u32)

　　巖層面本身屬于一種軟弱面，在煤炭開采過程中，沿層面易發(fā)生破壞，巖層層數(shù)越多，其隔水層的整體性就越差，因而易發(fā)生剪切破壞。隔水層的分層系數(shù)是根據(jù)隔水層的分層層數(shù)與其厚度的比值，將隔水層的分層層數(shù)劃分為單一泥巖層型、單一粉砂巖層(或砂巖層)型、砂泥巖組合型，不同類型具有不同的隔水性能。

　　表4-19隔水層的分層系數(shù)分級表

　　參數(shù) 分級依據(jù) 分級

　　隔水層的分層系數(shù)(層/m) 砂泥巖組合≥4 好

　　砂泥巖組合1-3 中等

　　單一泥巖層 較差

　　單一粉砂巖層(或砂巖層) 差

　　(3)泥巖百分比含量(u33)

　　如上所述，對于隔水層組采用泥巖百分比含量(K)來表示隔水巖層巖性特征。

　　表4-20泥巖百分比含量分級表

　　參數(shù) 分級依據(jù) 分級

　　泥巖百分比含量(%) 65 好

　　35-65 中等

　　35-10 較差

　　10 差

　　(4)水壓與隔水層厚度比(u34)

　　開采煤層承受的水壓與煤層到主要含水層間相對隔水層厚度之比。當(dāng)水壓與隔水層厚度比值小于突水系數(shù)時，可以安全回采，否則應(yīng)采取防治水措施保證安全生產(chǎn)。

　　我國學(xué)者早在1964年就開始了底板突水規(guī)律的研究，并在焦作水文會戰(zhàn)中，以煤科總院西安分院為代表，提出了采用突水系數(shù)作為預(yù)測預(yù)報底板突水與否的標(biāo)準(zhǔn)。突水系數(shù)就是單位隔水層所能承受的極限水壓值，即：

　　(4-10)

　　式中： Ts—突水系數(shù);P—含水層水壓，MPa;h—隔水層厚度，m。

　　表4-21水壓與隔水層厚度比分級表

　　參數(shù) 分級依據(jù) 分級

　　水壓與隔水層厚度比(MPa/m) <0.025 安全性好

　　0.025-0.05 安全中等

　　0.05-0.15 有危險

　　≥0.15 極有危險

　　突水系數(shù)在數(shù)值上相當(dāng)于“相對隔水層厚度”的倒數(shù)。由于最先提出的突水系數(shù)法沒有考慮礦壓和巖性組合對底板破壞的影響，70~80年代，煤科院西安分院水文所曾先后兩次對突水系數(shù)的表達式進行了修改。在考慮礦壓破壞因素時，從隔水層厚度中減去了礦壓對底板的破壞深度;在考慮巖性組合時，引用了匈牙利學(xué)者的“等值隔水層厚度”的概念對公式進行了修正，即：

　　(4-11)

　　式中： hi—隔水層第i分層厚度，m;

　　ai—隔水層第i等效厚度的換算系數(shù);

　　hp—礦壓對底板的破壞深度，m。

　　我國部分礦區(qū)根據(jù)歷次突水實例的分析得出的臨界突水系數(shù)值如表4-22所示。在上述突水系數(shù)概念指導(dǎo)下，淄博、肥城、井陘、邯鄲、峰峰、焦作等礦區(qū)采用帶壓開采方法采出了大量的煤炭。

　　表4-22 部分礦壓臨界突水系數(shù)的經(jīng)驗值

　　礦區(qū) 臨界突水系數(shù)值 MPa/.m

　　峰峰 0.066~0.076

　　邯鄲 0.066~0.100

　　焦作 0.060~0.100

　　淄博 0.060~0.140

　　井陘 0.060~0.150

　　由于突水系數(shù)物理概念比較確定，公式簡單實用，在煤礦生產(chǎn)實踐中預(yù)測煤層底板突水和在一定水壓條件下進行帶壓開采，解放受承壓水威脅的煤炭資源起了積極作用，所以一直沿用至今。但是，由于突水系數(shù)僅僅考慮了采動破壞、水壓、巖性等因素的影響，而對作為層狀巖體的煤層底板結(jié)構(gòu)特征、開采面積、邊界條件等均未作分析。而且臨界突水系數(shù)值是已知突水資料的經(jīng)驗統(tǒng)計值，它主要反映的是近地表的斷層、構(gòu)造薄弱地帶的突水條件，用它來預(yù)測正常塊段和深部開采時的底板突水常常偏于保守。隨著礦井向深部發(fā)展，其預(yù)測的準(zhǔn)確性也越來越低。因而承壓水體上煤炭資源安全開采的預(yù)測方法，還有待于進一步發(fā)展完善。

　　4.4 煤層底板突水危險性的模糊綜合評價

　　4.4.1模糊綜合評判理論與方法

　　模糊綜合評判的實質(zhì)是一個模糊變換。假設(shè)有兩個論域分別為：因素集，共n個因素;設(shè)評語集合(代表等級、分類的集合)為，共m個等級，設(shè)第個因素的單因子評判為：，它可以看作是U 上的一個模糊子集。其中，表示第個因素的評判對于第k個等級的隸屬度。n個因素的總的評判矩陣為

　　R= (4-12)

　　在進行綜合評判時，必須要考慮各個因素對評判等級所起作用的大小，這種評判作用就形成了因素集合上的模糊子集A， A=()，其中為對A 的隸屬度，它就是單獨考慮因素對評判等級所起作用大小的度量，代表了根據(jù)單因素評判等級的能力，其數(shù)值只有根據(jù)經(jīng)驗判斷給出。

　　給定A、 R 后即可進行綜合評判，這種運算一般寫為如下形式

　　B=AR (4-13)

　　即

　　(4-14)

　　因為我們所討論的問題，基因素和層次的評語和總評語都是一致的，所以不需作任何說明，可以類似的推導(dǎo)出多級模糊綜合評判模型。多級模糊綜合評判的合成過程可用框圖5-1來表示。

　　在模糊合成過程中，采用不同的合成型式，會得出不同的評判結(jié)果。因此要注意選擇恰當(dāng)?shù)暮铣赡Ｐ?。根?jù)煤層氣賦存地質(zhì)條件既要考慮主要因素又要綜合考慮各種因素的要求，我們選用了主因素突出型算子模型和加權(quán)平均型算子模型，即：

　　(1)　M(· ，)型，表達式為

　　(j=1,2, …,m) (4-15)

　　M(· ，)型，表達式為

　　(j=1,2, …,m) (4-16)

　　式中　——因素重要程度系數(shù);

　　——因素對評語集的隸屬度;

　　——取大運算符號;

　　——環(huán)和，取值方法為

　　min{1，} (4-17)

　　圖5-1多級模糊綜合評判合成過程

　　綜合評判的結(jié)果得到一個等級模糊子集 B=b1/u1+ b2/u2+ … + bm/um，式中bj為等級uj對B 的隸屬度(j=1，2，…，m)，有幾種利用這個子集的方法。這里采用的是最大隸屬度判別準(zhǔn)則。

　　最大隸屬度判別準(zhǔn)則，即取bj(j=1，2，…，m)中最大者，其所對應(yīng)的級別(構(gòu)造類別或煤層型別)為最終確定的類型。

　　應(yīng)用模糊數(shù)學(xué)的原理和方法，解決煤層氣勘探開發(fā)有利區(qū)評價問題。其評判方法步驟簡要歸納如下(圖5-2)：

　　(1)確定評價指標(biāo)，建立因素集，即。因素集是由影響評價煤層氣賦存地質(zhì)條件的各種因素所組成的一個普通集合，即是說因素本身可以是模糊，也可以非模糊，但它們對因素集的所屬關(guān)系則是清楚的。

　　(2)計算每個指標(biāo)在評價過程中相應(yīng)的權(quán)重系數(shù)，構(gòu)成因素集U上的權(quán)重向量

　　為第i個因素在評價中權(quán)重

　　權(quán)重集A的確定可以通過⑴專家評估法;⑵相關(guān)系數(shù)法;⑶灰色關(guān)聯(lián)法等多種方法相互補充、相互驗證確定的。確定的權(quán)系數(shù)還要用它進行運算，得到評價結(jié)果后，于實際開采技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo)進行驗證。如果驗證不滿意，應(yīng)返回重新選定各項指標(biāo)權(quán)系數(shù)。權(quán)系數(shù)在對不同地區(qū)或同一地區(qū)不同煤層的評價中，要及時加以調(diào)整。

　　(3) 評判對象的選擇和評語集的確定。根據(jù)前面地質(zhì)等性塊段的劃分，確定評價單元，即對象集　為第j個評價單元，對煤層氣地質(zhì)條件進行量化。在此基礎(chǔ)上確定每個指標(biāo)的評語論域，形成評語集，即。評語集是由評判者對煤層氣賦存地質(zhì)條件作出的各種總的評判結(jié)果所組成的集合。綜合評判某一塊段煤層氣賦存地質(zhì)條件優(yōu)劣的目的，就是在綜合考慮所有影響因素的基礎(chǔ)上，從評語集中選出一最佳的評判結(jié)果，實現(xiàn)煤層氣勘探開發(fā)選區(qū)評價目的。

　　(4)按確定的評語論域，對每個評價指標(biāo)相對于每個評語等級作出的評價，構(gòu)成模糊關(guān)系矩陣R=(rij)m×n

　　(5)選擇恰當(dāng)?shù)哪：铣伤阕樱⒕C合評判的數(shù)學(xué)模型，求出評價的基本結(jié)果;再按最大隸屬度原則和調(diào)整原則，得出最終評判結(jié)果，確定出每個評價單元或塊段對應(yīng)的開采地質(zhì)條件復(fù)雜程度。

　　(6)驗證評價結(jié)果，若驗證結(jié)果不令人滿意，返回步驟，改變權(quán)系數(shù)和算子類型，重新執(zhí)行，直至計算結(jié)果(指驗證結(jié)果)滿意為止(圖5-1)。這樣就可將整個評價過程編成系統(tǒng)軟件，用計算機執(zhí)行。

　　4.4.2模糊綜合評判分類

　　根據(jù)系統(tǒng)分析的方法，要使煤層底板突水危險性評價系統(tǒng)能夠得到一個總體的定量化結(jié)果，必須制定相應(yīng)的評價標(biāo)準(zhǔn)。因此對煤層底板突水因素表征參數(shù)的評語集(V)無論是總評語集，還是復(fù)合節(jié)點評語子集和基因素評語子集均采用多評語, 根據(jù)煤層底板突水地質(zhì)條件危險性程度劃分為安全、中等安全、安全性差(危險)和安全性極差(極危險)四種類別，即：

　　(4-8)

　　其中： v1—安全;

　　v2—中等安全;

　　v3—安全性差(危險);

　　v4—安全性極差(極危險)。

　　根據(jù)各煤層底板突水因素的表征參數(shù)隸屬度U(ui)值大小劃分出V1 ，V2 ，V3 ， V4，它們的關(guān)系是當(dāng)U(ui)< 0.25時的點歸屬于V4，當(dāng)0.5>U(ui)≥0.25 時的點歸屬于V3，當(dāng)0.75>U(ui)≥0.50 時的點歸屬于V2，當(dāng)U(ui)≥0.75時的點歸屬于V1 。然后，在此基礎(chǔ)上構(gòu)造出評價對象的評價矩陣R 。即 ：

　　R = r i j =U R ( u I , v j ) (4-19)

　　U R ( u i , v j ) = f N ( v j ) =N vj / N (4-20)

　　式中： N——第i 個因素，第j 個評價對象觀測點總數(shù)或評價單元的總面積;

　　N vj——歸屬于vj 的觀測點個數(shù)或評價單元內(nèi)歸屬于vj的面積;

　　UR (ui ,vj ) — ui 歸屬于vj 的隸屬度，表明第ui 個評價因素歸屬于vj的頻率。

　　根據(jù)各評價單元所取得的bj值，按其隸屬度的大小，將各評價單元礦井突水地質(zhì)條件危險性分為四種類型。劃分標(biāo)準(zhǔn)如下：

　　a. I類區(qū)，即煤層底板突水地質(zhì)條件危險性程度為安全型，應(yīng)滿足二個條件，即：

　　0.75 ≤b1 1

　　b4 0.25

　　b. II類區(qū)，即煤層底板突水地質(zhì)條件危險性程度為中等安全型，應(yīng)滿足二個條件，即：

　　0.5≤b1 0.75

　　b4 0.25

　　當(dāng)b1滿足要求，但b4 ≥0.25時，則下降一類算作III類算。

　　III 類區(qū), 即煤層底板突水地質(zhì)條件危險性程度為安全性差(危險)，應(yīng)滿足

　　0.25 ≤b1 0.50

　　但當(dāng)b2 ≥0.50時，則按II 類計算。

　　IV 類區(qū), 即煤層底板突水地質(zhì)條件危險性程度為安全性極差(極危險)，應(yīng)滿足

　　b1 0.25

　　但當(dāng)b2≥ 0.50時，則按III類計算

　　在同類中，按本類中的b1值大小排列出本類中的名次。