浅析某煤矿充水含水层富水规律与分区评价方法

浅析某煤矿充水含水层富水规律与分区评价方法
摘要：为准确掌握某煤矿3号煤层充水含水层富水分布规律，本文采用层次分
析法（AHP）构建关于含水层砂岩累计厚度、泥岩比例、断层构造发育密度、岩
心采取率及钻孔冲洗液消耗量 5 个影响直接充水含水层富水性结果的评价指标体系，从而基于富水性指数实现对含水层富水性的分区评价，为煤矿回采预测涌水
量和制订水害防治措施的依据。

关键词：富水性;分区评价;AHP;评价指标;富水性指数
含煤地层充水含水层通常会表现出非连续性、各向异性等赋存特征，所以造
成含水层富水性分布不均，从而影响煤矿后续安全施工及水灾预防措施实施[1]。

对煤矿回采煤层含水层富水规律及分区评价分析，对于发挥矿井水害治理效果，
保证安全生产具有重要的意义。

目前，含水层富水性评价方法主要有：现场试验法、地质物探法及多因子分
析评价法[2-3]，在水文钻孔较少的情况下，直接进行富水性评价比较困难，基于GIS 的数据管理和空间分析功能[4]，可为间接评价含水层富水性提供了新的思路。

1 水文概况
根据某煤矿钻孔柱状图显示，可采煤层区域内主要含水层自上而下分别为：
第四系及新近系砂砾层孔隙含水层、上侏罗统砂砾岩裂隙含水层、山西组3煤顶
底板砂岩裂隙含水层、太原组三灰、十下灰及奥陶系灰岩岩溶裂隙含水层。

此外，由于断层等地质构造作用，使得煤系地层的基底—奥灰的埋藏条件差异较大，而
上覆新生界地层，由于其沉积环境不同，富水性也存有差异。

因此，区域内各断
块之间含水层的富水性也不相同。

当前回采3号煤层主要为顶底板砂岩裂隙含水层，受采掘破坏或影响，含水
层补给条件差，补给量较少。

根据资料显示，矿井正常涌水量130m3/h左右，矿
井最大涌水量195m3/h。

区域内老空水水量较少，位置、范围、积水量清楚。

矿
井最大突水量60.5m3/h，矿井偶有突水，采掘工程受水害影响，确定某煤矿的矿
井水文地质类型为中等。

2 充水含水层富水性影响因素
基于地下水赋存状态的不同，可以将含水层分为以下三类：松散孔隙含水层、基岩裂隙含水层和碳酸盐岩岩溶含水层。

其中，基岩裂隙水广泛存在于含煤地层
内的砂岩类岩层中，其富水性差异主要与岩层岩性、裂隙发育程度等有关，并且
受断层等地质构造影响尤为严重。

本文针对3号煤层覆岩结构特点，结合地质构造、水文条件及勘探钻孔等资料，确定影响含水层富水性的主要因素有以下5个：砂岩累计厚度、泥岩比例、断层构造发育密度、岩芯取出率及冲洗液消耗量。

（1）砂岩累计厚度
富水性强弱与砂岩厚度直接相关。

通常情况下，砂岩厚度越大，透水性和孔
隙度也越大，富水性越强，而含水层厚度越小，富水性相对越弱。

因此，砂岩累
计厚度是富水性评价的主要指标。

（2）泥岩比例
泥岩在含水层中的比例是分析富水性强弱的直接评价指标，通常泥岩比越小，富水性越强。

（3）断层构造发育密度
区域构造越发育，往往意味着此处受构造应力影响越集中，附近岩层受破坏
程度也越大，因此裂隙较发育、富水性较强。

（4）岩芯取出率
岩芯取出率是指钻孔取芯长度与岩层厚度的比值，它反映了岩体的完整度，其值越低，说明岩体内裂隙发育越高，富水性也越强。

（5）冲洗液消耗量
根据地质勘探时，钻孔冲洗液的遗漏情况，分析勘探区岩层的孔裂隙发育情况，进而推测该区域含水层的富水性特征。

3评价指标权重
根据层次分析法的分析步骤，通过构建分析模型和判断矩阵，并进行一致性检验[5]，初步确定以上5个因素的权重，然后通过公式（1）的归一化处理，得到权重归一结果如表1所示。

（1）
表1 回采煤层含水层富水性评价指标权重分配
4 含水层富水性指数
含水层富水性指数是各个因素合成的一个富水性量化指标，富水性指数计算公式为：
（2）
式中：Si为富水性指数；wi为归一化后的各因素权重值；fi(x,y)为处于（x,y）坐标下的影响函数。

基于GIS软件对各因素统计结果进行数据分析处理，得到含煤地层含水层富水性指数分布差。

根据《煤矿防治水规定》相关内容，通常将含水层富水性分为4级，富水指数分布规律按1~0.75，0.75~0.55，0.55~0.35，0.35~0.01进行划分，最终将回采煤层含水层富水性分为强富水区、较强富水区、中等富水区、弱富水区。

同时，确定强富水区主要分布于煤层北部，较强富水区分布于中北部及西北部区域，中等富水区分布于中南部，弱富水区广泛分布于煤层中部大部范围。

5 结论
（1）针对3号煤层覆岩结构特点，结合地质构造、水文条件及勘探钻孔等资料，确定影响含水层富水性的主要因素有以下5个：砂岩累计厚度、泥岩比例、断层构造发育密度、岩芯取出率及冲洗液消耗量。

并根据AHP法确定以上5个因素的权重分别为：0.28、0.22、0.27、0.15和0.08。

（2）根据富水指数分布特点，确定强富水区主要分布于煤层北部，较强富水区分布于中北部及西北部区域，中等富水区分布于中南部，弱富水区广泛分布于煤层中部大部范围。

参考文献
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[2] 秦萌,胡发仑等. 基于GIS和层次分析法的煤层顶板含水层富水性评价[J]. 山东煤炭科技,2017(04):141-142+159.
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[4] 王洋,申建军. 基于改进富水性指数法的灰岩含水层富水性评价[J]. 煤炭工程,2016,48(S2):141-144.
[5] 于小鸽,韩进等. 基于三角白化权函数灰色评估模型的含水层富水性评价[J]. 山东煤炭科技,2015(07):118-120+123.
[6] 侯恩科,龙天文,刘庆利,王飞,樊志刚. 基于ArcGIS的洛河组含水层富水性评价[J]. 煤田地质与勘探,2019,47(02):151-156.
作者简介：徐伟栋，1990年7月14日（出生），男，汉族，山西省晋中市介休市人；2018年毕业于山西科技大学，机电一体化专业，助理工程师职称；现在山西介休大佛寺煤业有限公司（单位），从事防治水技术员（职务）工作。