一种基于多变量的太原组灰岩含水层突水风险分类判别方法与流程

本发明涉及煤矿技术领域，尤其是涉及一种基于多变量的太原组灰岩含水层突水风险分类判别方法。

背景技术：

目前，我国北方主要产煤的华北型矿区，东起徐州、淄博、肥城、兖州，西至陕西渭北，北起辽宁南部，南至淮南、平顶山一带几乎都受石炭二叠纪煤系底部的太原组灰岩含水层及奥陶纪灰岩强含水层影响。太原组灰岩含水层为华北型煤田的下组煤开采直接充水含水层，下组煤层开采时，顶底板太原组含水层突水事故时有发生。从全国太原组灰岩含水层分布情况看，主要表现为以下特点：一是太原组灰岩含水层一般位于煤层的顶板或底板；二是太原组灰岩含水层厚度与奥陶纪灰含水层对比，一般厚度偏薄；三是太原组灰岩含水层一般呈多层分布，由几层到十几层组成；四是太原组灰岩含水层富水性变化较大，有的富水性弱，有的富水性强。一般情况下，太原组灰岩含水层的隐患可通过疏干的方法解决，但是，当其与奥陶纪灰岩强含水层、地表水体发生水力联系或被地质构造切割，造成垂向或横向的导水通路对接并发生水力联系时，这些含水层的富水性便大大增强。因此，在具有强水源补给或接近导水通道的部位，常会发生较大的灾害性突水事故。

公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在加深对本发明的总体背景技术的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域技术人员所公知的现有技术。

因此，应筛选太原组灰岩含水层突水风险分类判别变量，对其进行分类研究，并制定针对性的防治措施，以防止太原组灰岩含水层单一型突水，或与奥陶系灰岩含水层联系的复合型突水事故的发生。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种基于多变量的太原组灰岩含水层突水风险分类判别方法，以解决现有技术中存在的技术问题。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

本发明提供一种基于多变量的太原组灰岩含水层突水风险分类判别方法，其包括：

s1、筛选太原组灰岩突水风险分类判别变量；

s2、根据变量划分太原组灰岩突水风险分类，所述太原组灰岩突水风险分类包括：

s21、安全型，包括：顶板安全型、底板安全型；

s22、顶板太原组灰岩含水层突水危险型，包括：顶板突水危险型-无补给、顶板突水危险型-有补给；

s23、底板太原组灰岩含水层突水危险型，包括：底板太灰单一突水危险型-无补给和底板太灰单一突水危险型-有补给；

s24、底板太原组与奥陶系灰岩含水层关联突水危险型；

s25、陷落柱与断层贯通突水危险型。

作为一种进一步的技术方案，所述筛选太原组灰岩突水风险分类判别变量包括：

s11、突水系数，即：

式中,t为突水系数，单位mpa/m；

p为底板隔水层承受的实际水头值，单位mpa；水压应当从含水层顶界面起算，水位值取近三年含水层观测水位最高值；

m为底板隔水层厚度，单位m；

s12、太原组灰岩含水层富水性及补给条件，

其中，按照钻孔单位涌水量q值大小，将含水层富水性分为四级：

弱富水性：q≤0.1l/(s·m)；

中等富水性：0.1l/(s·m)＜q≤1.0l/(s·m)；

强富水性：1.0l/(s·m)＜q≤5.0l/(s·m)；

极强富水性：q＞5.0l/(s·m)；

s13、断裂构造是否导通煤层与含水层；

s14、煤层与太原组灰岩含水层层位关系。

作为一种进一步的技术方案，所述顶板安全型的判别依据于如下变量：太原组灰岩含水层处于煤层的顶板，富水性弱，无含水层补给，太灰与奥灰无水系联系，断裂构造和煤层与含水层之间不导通。

作为一种进一步的技术方案，所述底板安全型的判别依据于如下变量：太原组灰岩含水层处于煤层的底板，突水系数大于0.06mpa/m，富水性弱，无含水层补给，太灰与奥灰无水系联系，断裂构造和煤层与含水层之间不导通。

作为一种进一步的技术方案，所述顶板突水危险型-无补给的判别依据于如下变量：太原组灰岩含水层处于煤层的顶板，富水性中等及以上，无含水层补给，太灰与奥灰无水系联系，断裂构造和煤层与含水层之间不导通。

作为一种进一步的技术方案，所述顶板突水危险型-有补给的判别依据于如下变量：太原组灰岩含水层处于煤层的顶板，富水性中等及以上，有含水层补给，太灰与奥灰无水系联系，断裂构造和煤层与含水层之间不导通。

作为一种进一步的技术方案，所述底板太灰单一突水危险型-无补给的判别依据于如下变量：太原组灰岩含水层处于煤层的底板，突水系数大于0.06mpa/m，富水性中等及以上，无含水层补给，太灰与奥灰无水系联系，断裂构造和煤层与含水层之间不导通。

作为一种进一步的技术方案，所述底板太灰单一突水危险型-有补给的判别依据于如下变量：太原组灰岩含水层处于煤层的底板，突水系数大于0.06mpa/m，富水性中等及以上，有含水层补给，太灰与奥灰无水系联系，断裂构造和煤层与含水层之间不导通。

作为一种进一步的技术方案，所述底板太原组与奥陶系灰岩含水层关联突水危险型的判别依据于如下变量：太原组灰岩含水层处于煤层的底板，突水系数大于0.06mpa/m，富水性中等及以上，无含水层补给，太灰与奥灰有水系联系，断裂构造和煤层与含水层之间不导通。

作为一种进一步的技术方案，所述陷落柱与断层贯通突水危险型：太原组灰岩含水层处于煤层的底板，突水系数大于0.06mpa/m，富水性中等及以上，无含水层补给，太灰与奥灰有水系联系，断裂构造和煤层与含水层之间导通。

采用上述技术方案，本发明具有如下有益效果：

本发明通过筛选太原组灰岩含水层突水风险分类判别变量，对其进行分类研究，从而利于制定针对性的防治措施，以防止太原组灰岩含水层单一型突水，或与奥陶系灰岩含水层联系的复合型突水事故的发生。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的顶板安全型的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的底板安全型的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的顶板突水危险型-无补给的结构示意图；

图4为本发明实施例提供的顶板突水危险型-无补给的防治路线示意图；

图5为本发明实施例提供的顶板突水危险型-有补给的结构示意图；

图6为本发明实施例提供的顶板突水危险型-有补给的防治路线示意图；

图7为本发明实施例提供的底板太灰单一突水危险型-无补给的结构示意图；

图8为本发明实施例提供的底板太灰单一突水危险型-无补给的防治路线示意图；

图9为本发明实施例提供的底板太灰单一突水危险型-有补给的结构示意图；

图10为本发明实施例提供的底板太灰单一突水危险型-有补给的防治路线示意图；

图11为本发明实施例提供的底板太灰与奥灰关联突水危险型的结构示意图；

图12为本发明实施例提供的底板太灰与奥灰关联突水危险型的防治技术路线示意图；

图13为本发明实施例提供的断层贯通突水危险型的结构示意图；

图14为本发明实施例提供的陷落柱贯通突水危险型的结构示意图；

图15为本发明实施例提供的断层陷落柱贯通突水危险型的防治技术路线示意图。

图标：1-煤层；2-太原组灰含水层；3-第四系松散含水层；4-奥灰含水层；5-断裂裂隙；6-陷落柱；7-断层。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

以下结合附图1至14对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。煤层1、太原组灰含水层2、第四系松散含水层3、奥灰含水层4、断裂裂隙5、陷落柱6、断层7

本实施例提供一种基于多变量的太原组灰岩含水层突水风险分类判别方法，其包括：

s1、筛选太原组灰岩突水风险分类判别变量。

s11、突水系数

突水系数法再次被写入国家煤矿安全监察局局颁发的《煤矿防治水细则》(煤安监调查〔2018〕14号)。从目前的研究水平和开采实践来看，突水系数法仍是评价承压水上开采安全性最简单有效的方法。突水系数包含了底板隔水层承受的实际水头值和隔水层厚度两个重要变量，突水系数就是作用于底板隔水层的水压与底板隔水层厚度之比值。即：

式中，t—突水系数，mpa/m；

p—底板隔水层承受的实际水头值，mpa；水压应当从含水层顶界面起算，水位值取近3年含水层观测水位最高值；

m—底板隔水层厚度，m。

式(1)适用于采煤工作面，就全国实际资料看，底板受构造破坏的地段突水系数一般不得大于0.06mpa/m，隔水层完整无断裂构造破坏的地段不得大于0.1mpa/m。突水系数可以作为太原组灰岩含水层突水风险判别的重要变量。

s12、太原组灰岩含水层富水性及补给条件

太原组灰岩含水层的富水性是其突水的物质基础，其富水程度和补给条件决定了顶底板突水水量大小和突水点能否持久涌水。太原组灰岩含水层所含静水储量是一定的，但是由于出露地表或直接被第四系覆盖，接受降水、地表水或第四系松散含水体的补给可能接受动水补给。另外，太原组灰岩含水层岩溶发育不均一，其富水性无论在水平方向上或垂直方向上均具有较大的差异。如果岩溶发育、含水丰富，受其影响的采掘工作面突水频率及突水量均较大，反之则影响较小。

根据《煤矿防治水细则》，按照钻孔单位涌水量q值大小，将含水层富水性分为4级：①弱富水性：q≤0.1l/(s·m)，②中等富水性：0.1l/(s·m)＜q≤1.0l/(s·m)，③强富水性：1.0l/(s·m)＜q≤5.0l/(s·m)、④极强富水性：q＞5.0l/(s·m)。该含水层富水性分类方法同样适用于太原组灰岩含水层。太原组灰岩含水层富水性大小及补给条件，是影响含水层突水水量大小的基础变量。

s13、断裂构造是否导通煤层与含水层

断裂构造尤其是断层、陷落柱等，是造成太原组灰岩含水层突水的主要原因之一，大多数突水事故都与断裂构造相关，从某种意义上也可称其为突水的控制因素。断裂构造对突水的影响主要考虑两个方面，一是断裂构造造成煤层与太原组灰岩含水层的导通，导致太原组灰岩含水层突水；二是断裂构造造成太原组灰岩含水层与奥灰含水层的导通，导致太原组灰岩含水层与奥灰含水层复合型突水。断裂构造在突水中的作用表现在以下几个方面：①断裂带是岩体内的隔水薄弱带，易形成突水通道，尤其是导水断层、陷落柱，本身就是突水通道；②断裂构造是强度薄弱带，使之更易于受到矿压和水压的破坏；③断层缩短了煤层和含水层的距离，甚至造成含水层与煤层的对接，工作面靠近断层时易发生突水。因此，断裂裂隙、断层及陷落柱是否导通煤层与含水层，可以视为突水风险判别的控制变量。

s14、煤层与太原组灰岩含水层层位关系。

太原组灰岩含水层常常含有数层灰岩，且夹杂在几个可采煤层之间，或夹杂在煤层与奥灰含水层之间，且与煤层距离较近。太原组灰岩含水层有可能赋存在开采煤层的顶板，也有可能赋存在可采煤层的底板。如果太原组灰岩含水层赋存在煤层的顶板，一般通过断裂构造或煤层开采产生的导水裂隙带与开采空间形成贯通。如果赋存在煤层的底板，一般通过断裂构造、煤层开采产生的底板破坏带以及承压水导生带与开采空间形成贯通。一般赋存在煤层顶板的太原组灰岩含水层将会成为直接充含水层，随着煤层开采，含水层将直接与开采空间形成贯通，其富水性强弱以及是否接受其他含水层的补给，对防治水方针的制定影响较大。对于赋存在煤层底板的太原组灰岩含水层，则可以通过突水系数法、是否有断裂裂隙导通等因素进行其突水风险性评判，并制定针对性的防治技术方法。因此，太原组灰岩含水层与煤层的层位关系是影响突水风险评判及防治方法制定的一个影响变量。

s2、根据变量划分太原组灰岩突水风险分类，其中各个类别的具体结构如图所示，即，煤层1、太原组灰含水层2、第四系松散含水层3、奥灰含水层4、断裂裂隙5、陷落柱6、断层7之间的位置关系可由附图表示。所述太原组灰岩突水风险分类包括：

s21、安全型

(1)顶板安全型

特点：太原组灰岩含水层处于煤层的顶板，煤层导水裂隙带可以波及含水层，但是富水性弱，与其他含水层及地表水体无水力联系(图1、表1)。防治方法：回采前对顶板太原组灰岩含水层富水性进一步查明，确定富水性弱，可以正常回采。

(2)底板安全型

特点：太原组灰岩含水层处于煤层的底板，且距离较远，突水系数小于0.06mpa/m(图2、表1)。防治方法：可以正常回采。

s22、顶板太原组灰岩含水层突水危险型，包括：顶板突水危险型-无补给、顶板突水危险型-有补给；

(1)顶板突水危险型(无补给)

特点：太原组灰岩含水层处于煤层的顶板，煤层导水裂隙带可以波及含水层，富水性中等及以上，与其他含水层及地表水体无水力联系(图3、表1)。防治方法：提前勘探、查明富水区、安全评估；采前提前疏放、加强排水系统建设、分区隔离；在线水文监测、专业组织机构、专业探放水队伍(图4)。

(2)顶板突水危险型(有补给)

特点：太原组灰岩含水层处于煤层的顶板，煤层导水裂隙带可以波及含水层，富水性中等及以上，与第四系松散含水层或地表水体有水力联系(图5、表1)。防治方法：提前勘探、查明富水区、查明补给通道、安全评估；采前提前疏放、帷幕截流、加强排水系统建设、分区隔离；在线水文监测、专业组织机构、专业探放水队伍(图6)。

s23、底板太原组灰岩含水层突水危险型，包括：底板太灰单一突水危险型-无补给和底板太灰单一突水危险型-有补给；

(1)底板太灰单一突水危险型(无补给)

特点：太原组灰岩含水层处于煤层的底板，突水系数大于0.06mpa/m，富水性中等及以上，与其他含水层及地表水体无水力联系(图7、表1)。防治方法：提前勘探、查明富水区、查明构造发育情况、安全评估；采前疏水降压、限压开采、加强排水系统建设、分区隔离；在线水文监测、专业组织机构、专业探放水队伍(图8)。

(2)底板太灰单一突水危险型(有补给)

特点：太原组灰岩含水层处于煤层的底板，突水系数大于0.06mpa/m，富水性中等及以上，且与松散含水层或地表水体有水力联系(图9、表1)。防治方法：提前勘探、查明富水区、查明构造发育情况、查明补给通道、安全评估；采前疏水降压、限压开采、帷幕截流、加强排水系统建设、分区隔离；在线水文监测、专业组织机构、专业探放水队伍(图10)。

s24、底板太原组与奥陶系灰岩含水层关联突水危险型

特点：太原组灰岩含水层处于煤层的底板，突水系数大于0.06mpa/m，富水性中等及以上，且与奥陶纪灰岩含水层有水力联系(图11、表1)。防治方法：提前勘探、查明富水区、查明构造发育情况、安全评估；采前注浆改造、底板注浆阻截奥灰与太灰的水力联系、加强排水系统建设、分区隔离；在线水文监测、专业组织机构、专业探放水队伍(图12)。

s25、陷落柱与断层贯通突水危险型。

特点：一是断裂构造造成煤层与太原组灰岩含水层的导通，存在导致太原组灰岩含水层突水的较大风险；二是断裂构造造成太原组灰岩含水层与奥灰含水层的导通，存在导致太原组灰岩含水层与奥灰含水层复合型突水较大风险(图13、图14、表1)。防治方法：陷落柱及断层的特性及赋存条件分析，陷落柱及断层钻探、物探井上下综合探查，陷落柱及断层成因及导富水性分析，陷落柱及断层突水风险性评价，合理留设保护煤柱或采取安全技术措施直接推过(图15)。

表1太原组灰岩含水层多变量突水风险分类判别

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。