朱庄煤矿Ⅲ633工作面突水水源识别

樊迎军 王来斌 冷傲

摘 要：本文在收集朱庄矿井田及工作面地质及水文地质资料基础上，分析了太灰和奥灰长观测孔水位观测数据及突水点与各含水层水的水质分析数据，并利用灰色关联度理论进行了水质关联度分析。结果表明，Ⅲ633工作面突水水源主要来自Ⅲ632工作面的老空水，其次为Ⅲ631和Ⅲ6213工作面老空水，其补给水源为6煤层顶底板砂岩裂隙水，并非来源于煤层底板的太灰和奥灰的岩溶裂隙水。

关键词：突水水源;Piper三线图;灰色关联

中图分类号：TD745文献标识码：A文章编号：1003-5168（2021）08-0075-04

Identification of Water Inrush Source in Ⅲ633 Working

Face of Zhuzhuang Coal Mine

FAN Yingjun WANG Laibin LENG Ao

（School of Earth and Environment， Anhui University of Science and Technology，Huainan Anhui 232001）

Abstract： On the basis of collecting geological and hydrogeological data of Zhuzhuang mine field and working surface， this paper analyzed the water level observation data of Taihui limestone and Ordovician limestone long observation holed and the water quality analysis data of the sudden water points and aquifer water， and made the correlation analysis of water quality by using the grey correlation theory. The results showed that the water source of water inrush in the III633 working face mainly came from the goaf water in the III632 working face， followed by the goaf water in the III631 and III6213 working face， the recharge water source was 6 coal seam top plate sandstone crack water， not from the coal seam bottom plate of Taiyuan limestone and Ordovician limestone karst fissure water.

Keywords： water inrush source;Piper three-line map;grey correlation

礦井突水威胁着煤矿的安全生产，治理突水的重点在于准确判别突水来源，减少水害事故的发生。判别突水水源常采用水位水温法[1]、水化学分析法和基于数学理论的分析方法。宫凤强等运用距离判别法对突水水源进行识别[2]，胡友彪等使用灰色关联度法[3]，徐星等提出基于遗传BP神经网络模型法等[4]，均取得了较好的效果。本文针对朱庄矿Ⅲ633工作面突水特征，根据突水工作面附近长观孔观测数据和水常规离子，分析了水位动态变化和水化学特征，并采用灰色关联度法对突水水源进行了判别[5]，进一步提高判别的准确性，对矿井防治水方案设计及工作面的安全开采具有重要意义。

1 研究区概况

1.1 工作面地质条件

朱庄煤矿位于淮北市以东约9 km，含煤地层为石炭—二叠系上下石盒子组和山西组，主采煤层6煤位于下二叠统山西组，厚度为2.6～3.2 m，倾角为14°～23°，煤层结构简单。井田呈现为宽缓褶曲构造，褶曲右翼走向北北西—南南东，倾向南西西，岩层倾角为7°～25°，局部发育小断层。

Ⅲ633工作面位于井田东南部的Ⅲ63采区右翼第二个工作面，如图1所示，为单斜构造，南东高北西低，工作面位于向斜轴部，轴向北西，共揭露断层10条，落差为0.4～0.5 m。

1.2 水文地质条件

根据地下水赋存介质特征，含水层可划分为：松散层孔隙含水层、煤系地层砂岩裂隙含水层、灰岩岩溶裂隙含水层。

1.2.1 松散层孔隙含水层。两极厚度为50.45～96.3 m，平均厚度为69.75 m。上部为粉砂，中部以黏土类砾石为主，局部隔水具承压性质，水位埋深为1.5～3.0 m，单位涌水量为1.8 L/（s·m），渗透系数为7.64 m/d，矿化度为0.4 g/L，富水性强。

1.2.2 煤系地层砂岩裂隙含水层。其主要分为三层。

1.2.2.1 上石盒子组底部（K3）砂岩裂隙含水层。砂岩厚度为7.24～83.83 m。岩性以细、中粗粒砂岩为主，裂隙较发育。单位涌水量为0.002 4～0.590 0 L/（s·m），渗透系数为0.008～1.510 m/d，富水性弱～中等。

1.2.2.2 下石盒子组3～5煤层间砂岩裂隙含水层。砂岩厚度为1.4～37.1 m。岩性以中、细粒砂岩为主，局部裂隙较发育。单位涌水量为0.000 87～0.078 00 L/（s·m），渗透系数为0.02～0.21 m/d，矿化度为0.63 g/L，富水性弱。

1.2.2.3 山西组6煤层顶底板砂岩裂隙含水层。砂岩厚度为2.29～50.22m。岩性以中、细粒砂岩为主，局部砂岩裂隙较发育。单位涌水量为0.007 4～0.038 0 L/（s·m），渗透系数为0.038～0.045 m/d，矿化度为0.44～0.58 g/L，富水性弱。

1.2.3 灰岩岩溶裂隙含水层。其主要分为两层。

1.2.3.1 石炭系太原组石灰岩岩溶裂隙含水层。平均厚度为158 m，含水层含灰岩14层，其中，对矿井突水影响较大的1～4灰累计平均厚度为24.98 m，第3、4灰厚度较大，单位涌水量为0.016～2.34 L/（s·m），渗透系数为0.13～97.16 m/d，矿化度为0.35～0.40 g/L，富水性弱～强。

1.2.3.2 奥陶系石灰岩岩溶裂隙含水层。该层总厚度大于500 m，主要为厚层状石灰岩。单位涌水量为0.000 98～1.950 00 L/（s·m），渗透系数为0.002 3～18.330 0 m/d，矿化度为0.34 g/L，富水性弱～强。

2 工作面突水特征及含水层水位变化

2.1 工作面突水特征

2018年7月1日早班，Ⅲ633风巷至54.7 m处停止掘进，探放Ⅲ631机巷出现老空水;4日17：00，钻孔开始出水，水量逐渐增大，水量至80 m3/h时撤出所有人员;6日09：20左右，水量突然增大，达240 m3/h，持续2 min左右，造成Ⅲ63采区水仓被淹;6日22：00，出水量衰减至30 m3/h;9日10：00，减至24 m3/h。突水特征表明：老空区集聚了一定的水量，但老空区水补给条件较差。

2.2 含水层水位动态变化

工作面周边布置有1个太灰（90太灰观1）、3个奥灰观测孔（90奥灰观3、2013奥灰观1、2014奥灰观1），位置如图1所示。选取7月6日突水发生前后一周的观测孔水位数据，绘制水位变化曲线，如图2所示。

从图2可知，Ⅲ633工作面发生突水后，3个奥灰观测孔水位变化不大，变幅仅在0.6 m以内;太灰观测孔水位出现上升现象，从7月5日至7日上升了2.5 m，之后水位下降到-6 m，并恢复到稳定状态。推测太原组灰岩含水层是接受了大气降水或其他水源补给[6]，导致含水层水位出现了短暂上升。因此，可以排除突水水源为太灰水及奥灰水的可能。

3 水化学特征

在分析水文地质资料的基础上，收集整理了矿井16个不同含水层及突水点的水质资料，选取8个水质指标进行突水水源识别，如表1所示。然后采用AqQA軟件绘制Piper三线图，如图3所示。

从图3可以看出，突水点水样与编号7～12水样的水质较为接近，均为HCO3-Na型水，而与地表水及水泥凝结水水样的水质差别大。这表明突水水源主要来自6煤顶底板和3～5煤层间砂岩裂隙水。但是，这2个含水层弱富水性的水文地质条件，使得短时间内汇聚大量水的可能性较小。Ⅲ5422工作面内7号水样距突水点约2.5 km;Ⅲ631工作面内8、9号水样距突水点约220 m;Ⅲ6213工作面内10号水样距突水点约790 m;Ⅲ632工作面内11号与12号水样距突水点约800 m。发生突水的Ⅲ633工作面开采标高为-540～-445 m，其采掘标高均低于上述已采工作面，所以可初步判定突水的补给水源可能为6煤层顶底板砂岩裂隙含水层水。

4 灰色关联分析

灰色关联分析是将研究对象及影响因素的因子值视为一条线上的点，与待识别对象及影响因素的因子值所绘制的曲线进行比较，通过比较各关联度的大小来判断待识别对象与研究对象的影响程度[7]。

4.1 计算

定义水样，[X0]为母序列，即出水点的水化学数据列，[Xj]为子序列，代表其他含水层水样的水化学数据列。对所有水化学数据进行均值化处理，计算公式为：

[x'jk=xjk/18k=18xjk]                           （1）

式中：[x'jk][为]标准化后的数值;[k]为比较因子;[j]为子序列个数;[xjk]为第[j]列的第[k]个数据，[j=1，2…，N]，[N] =15，[k=1，2，…，n]，[n]为水质指标数量，[n]=8。

求取数列的绝差数列，并确定数列两级差，计算公式为：

[Δ0jkmin=minjminkx0k-xjkΔ0jkmax=maxjmaxkx0k-xjkΔ0jk=x0k-xjk]         （2）

式中：[Δ0jk]为绝差数列，表示第[j]列子序列与母序列第[k]个数据的绝对差值;[Δ0jkmin]为两级最小差，找出[x0]序列与[xj]序列对应各点的列最小差，形成按[j=1，2，…，N]排列的最小差列，在此基础上找出序列中的最小差;[Δ0jkmax]为两级最大差。

计算参考数列与被比较数列的关联系数，计算公式为：

[ξ0j=Δ0j（k）min+ρΔ0j（k）maxx0（k）-xj（k）+ρΔ0j（k）max]                          （3）

式中：[ξ0j]为第[j]个子序列[xj]与母序列[x0]第[k]个元素的关联系数;[ρ]为分辨系数，一般取0.5。

计算参考数列与比较数列的灰色关联度，计算公式为：

[r0j=1kk=18ξ0j（k）]                               （4）

式中：[r0j]未灰色关联度，其大小反映了母序列与子序列之间的关联程度。

4.2 结果与讨论

按照如上步骤对水样数据进行计算处理，具体结果如表2所示。

通过分析，Ⅲ5422和Ⅲ632工作面水样关联度最高，其次是Ⅲ6213和Ⅲ631工作面。这表明这些工作面老空水均有可能为突水水源，它们的补给水源为6煤顶底板和3～5煤层间的砂岩裂隙水。

根据位置关系，Ⅲ5422工作面距突水点最远，且工作面之间没有较大的断裂构造，不具备良好的導水通道，可以排除突水水源为Ⅲ5422老空水。Ⅲ631工作面与Ⅲ633工作面较近，但只有距突水点近的8号水样关联度较高，而较9号水样相对较低，表明突水水源只与突水点近的老空水有关。Ⅲ632工作面与突水点近，且与水样关联度高，共揭露25条小断层，具备良好的导水通道，表明该工作面老空水是突水的主要水源。Ⅲ6213工作面揭露小断层8条，与Ⅲ632工作面通过巷道相连通，其内老空水为次要突水水源。

综上可知，Ⅲ633工作面突水水源主要为Ⅲ632老空水，其次为Ⅲ631和Ⅲ6213工作面老空水，老空水的补给水源为6煤顶底板砂岩裂隙水。

5 结论

朱庄矿Ⅲ633工作面突水量急剧增大，快速衰减，表明突水水源为采空区老空水;从突水点附近观测孔水位变化和突水水样与其他各含水层水质分析资料可知，突水的补给水源为6煤顶底板砂岩裂隙水，并不是来自煤层底板灰岩岩溶裂隙水;通过突水水源的灰色关联分析，并结合水文地质条件可知，突水水源主要为Ⅲ632工作面老空水，其次为Ⅲ631和Ⅲ6213工作面老空水。

参考文献：

[1]王来斌，朱传峰，王大设.孙疃煤矿1028工作面底板突水特征与水源识别[J].安徽理工大学学报（自然科学版），2009（4）：13-16.

[2]宫凤强，鲁金涛.基于主成分分析与距离判别分析法的突水水源识别方法[J].采矿与安全工程学报，2014（2）：236-242.

[3]胡友彪，郑世书.灰色关联度法在新河煤矿矿井水源判别中的应用[J].中国煤田地质，1996（4）：50-51.

[4]徐星，田坤云，郑吉玉.基于遗传BP神经网络模型的矿井突水水源判别[J].工业安全与环保，2017（11）：21-24.

[5]张淑莹，胡友彪，琚棋定.基于水化学特征分析判别朱集矿矿井突水水源[J].矿业安全与环保，2018（6）：53-56.

[6]翟加文.朝川矿一井21070工作面突水原因分析[J].矿业安全与环保，2011（2）：57-59.

[7]郝彬彬，李冲，王春红.灰色关联度在矿井突水水源判别中的应用[J].中国煤炭，2010（6）：20-22.