张双楼煤矿太原组四灰(带压开采指示层)富水规律及其突水脆弱性评价研

该项目属于底板带压开采矿井水害防治领域。以带压开采指示层理论为基础，采用数理统计、水文地球化学、现代测试技术和多元地学信息复合技术等手段，多角度综合研究四灰岩溶发育规律和富水性。基于“构造分形-突水系数-含水层富水性”的脆弱性指数法，采用分形分维、层次分析和多元地学信息复合技术等手段，对四灰底板突水危险性进行评价研究，并提出带压开采防治水措施。

项目主要研究内容及成果：

1. 采用薄片鉴定、X射线衍射(XRD)和X射线荧光光谱(XRF)测试方法，对四灰岩性、成分进行了系统分析。结果表明：四灰可溶蚀能力较好，岩溶相对发育，是富水性较好层段。

2. 根据勘探及生产阶段施工的68个钻孔资料统计，冲洗液漏失量平面分布总体趋势是井田浅部四灰冲洗液漏失量高，深部（北部）冲洗液漏失量少，岩溶发育率为72%。

3. 勘探及生产阶段水质分析资料表明，四灰含水层主要阴离子成分为SO₄²⁻，主要阳离子成分为Na⁺、K⁺和Ca²⁺，矿化度大于1g/L。项目研究期间采集8个四灰水样，pH值呈中性-弱碱性，矿化度为2602～3944mg/L，平均值2974mg/L，属于高矿化度水，水质类型为SO₄-Ca-Na型，反映四灰水质演化过程复杂，补径排条件不够顺畅。

4. 项目研究期间采集8个四灰水样，采用三维荧光光谱(3DEEM)对四灰水含有的有机质进行分析。结果表明：四灰水含有富里酸、络氨酸、腐殖质和色氨酸等有机质，上述荧光特征深化了对四灰水质成分的认识，可以作为四灰水水质识别的依据。

5. 四灰岩溶发育程度呈现垂向分带特征。采用最小二乘法与多项式对-700m以上区段岩溶发育程度进行数学建模，结合放水试验和西风井排水试验分析，对井田四灰岩溶发育进行了垂向分带。-350m以上四灰岩溶发育，为强岩溶发育带；-350m～-550m为中等岩溶发育带；-550～-650m为岩溶弱富水带；-700m基本属于岩溶发育的底界。

6. 综合考虑影响四灰含水层富水性的多种因素，将四灰含水层冲洗液漏失量、巷道掘进揭露四灰含水层情况、井下四灰含水层放水孔情况进行复合叠加，兼顾单位涌水量大小，对张双楼井田四灰含水层富水性进行平面分区，划分为中等富水区、弱富水区、极弱富水区。

7. 根据张双楼煤矿地质、构造、水文地质等条件的综合分析，建立了7、9煤底板四灰突水脆弱性评价层次结构模型。底板突水危险性为目标层A；承压含水层、底板隔水层和地质构造作为模型的准则层B；四灰含水层单位涌水量、突水系数及断层分形维数作为模型的决策层C。

8. 基于上述层次结构模型，课题组创新性地提出基于“构造分形-突水系数-含水层富水性”的脆弱性指数法评价底板突水危险性。

9. 根据7、9煤底板突水脆弱性评价结果，将7、9煤底板突水危险性划分为脆弱区、较脆弱区、过渡区和安全区，分区结果与实际突水位置拟合较好，评价结果比较理想。

项目研究成果丰富了底板突水脆弱性评价理论，对于徐州矿区乃至华北类似水文地质条件矿区的矿井水害防治具有重要意义和推广价值。所取得的社会和经济效益显著。

该项目属于底板带压开采矿井水害防治领域，以带压开采指示层理论为基础，采用数理统计、水文地球化学、现代测试技术和多元地学信息复合技术等手段，多角度综合研究四灰岩溶发育规律和富水性。基于“构造分形-突水系数-含水层富水性”的脆弱性指数法，采用分形分维、层次分析和多元地学信息复合技术等手段，对四灰底板突水危险性进行评价研究，并提出带压开采防治水措施。 该项目主要研究内容及成果包括： (1)采用薄片鉴定、X射线衍射(XRD)和X射线荧光光谱(XRF)测试方法，对四灰岩性、成分进行了系统分析，结果表明：四灰可溶蚀能力较好，岩溶相对发育，是富水性较好层段。 (2)根据勘探及生产阶段施工的68个钻孔资料统计，冲洗液漏失量平面分布总体趋势是井田浅部四灰冲洗液漏失量高，深部(北部)冲洗液漏失量少，岩溶发育率为72％。 (3)勘探及生产阶段水质分析资料表明，四灰含水层主要阴离子成分为SO₄^2-，主要阳离子成分为Na⁺、K⁺和Ca²⁺，矿化度大于1g/L。项目研究期间采集8个四灰水样，pH值呈中性-弱碱性，矿化度为2602～3944mg/L，平均值2974mg/L，属于高矿化度水，水质类型为SO4-Ca-Na型，反映四灰水质演化过程复杂，补径排条件不够顺畅。 (4)项目研究期间采集8个四灰水样，采用三维荧光光谱(3 DEEM)对四灰水含有的有机质进行分析，结果表明：四灰水含有富里酸、络氨酸、腐殖质和色氨酸等有机质，上述荧光特征深化了对四灰水质成分的认识，可以作为四灰水水质识别的依据。 (5)四灰岩溶发育程度呈现垂向分带特征，采用最小二乘法与多项式对-700m以上区段岩溶发育程度进行数学建模，结合放水试验和西风井排水试验分析，对井田四灰岩溶发育进行了垂向分带，-350m以上四灰岩溶发育，为强岩溶发育带，-350m～-550m为中等岩溶发育带，-550～-650m为岩溶弱富水带，-700m基本属于岩溶发育的底界。 (6)综合考虑影响四灰含水层富水性的多种因素，将四灰含水层冲洗液漏失量、巷道掘进揭露四灰含水层情况、井下四灰含水层放水孔情况进行复合叠加，兼顾单位涌水量大小，对张双楼井田四灰含水层富水性进行平面分区，划分为中等富水区、弱富水区、极弱富水区。 (7)根据张双楼煤矿地质、构造、水文地质等条件的综合分析，建立了7、9煤底板四灰突水脆弱性评价层次结构模型，底板突水危险性为目标层A；承压含水层、底板隔水层和地质构造作为模型的准则层B；四灰含水层单位涌水量、突水系数及断层分形维数作为模型的决策层C。 (8)基于上述层次结构模型，课题组创新性地提出基于“构造分形-突水系数-含水层富水性”的脆弱性指数法评价底板突水危险性。 (9)根据7、9煤底板突水脆弱性评价结果，将7、9煤底板突水危险性划分为脆弱区、较脆弱区、过渡区和安全区，分区结果与实际突水位置拟合较好，评价结果比较理想。 项目研究成果丰富了底板突水脆弱性评价理论，对于徐州矿区乃至华北类似水文地质条件矿区的矿井水害防治具有重要意义和推广价值。所取得的社会和经济效益显著。