7.2.2 分层充填开采空间决策准则构建及预处理方法
在煤矿工程地质、水文地质特征的系统分析基础上，构建煤矿近松散煤层提高开采上限的评价指标体系，包括覆岩厚度、基岩起伏程度、第四系底部黏土厚度，覆岩破坏高度、松散层底部含水层富水性5个主控因素。利用ArcGIS的三维分析模块3D Analyst对各个主控因素进行数据采集及三维空间量化分析，建立各个主控因素三维信息专题图，真实地刻画近松散含水层提高开采上限受控于多因素且具有非常复杂的空间分布特征。
1）新近系松散含水层富水性研究
含水层富水性是含水层储藏地下水能力的定性描述，其影响因素众多，机制复杂，很难建立统一的富水性评估模型。《煤矿防治水细则》中仅简单地以钻孔单位涌水量为依据，将含水层富水性分为四个级别。本书选取了地质勘探报告中常见、易于获取且能够定量刻画的多种主要影响因素对含水层的富水性进行分析。含水层厚度是表征含水层富水性的最直观因素。它直接影响含水层含水量的多少。在相同条件下，含水层厚度越大，富水性越强。含水层单孔抽水试验资料中的单位涌水量，是表征含水层出水能力的重要指标。野外勘探工作中，钻孔涌水量是能够连续获得的第一手资料，是进行富水性评价的直观依据。渗透系数是表征岩石渗透性能的参数，渗透系数越大，岩石的透水性能越强，裂隙连通性越好，富水性越高。
六采区南部区域第四系下组为浅灰色、灰绿色黏土、黏土质砂及中、粗砂砾层组成，砂层与黏土层交互沉积，单位涌水量为0.0152～0.198L/（s·m），富水性分布不均。研究区第四系松散层厚度为133～194m，根据岩性和富水性可以划分为下、中、上段地层，其平均厚度为158.95m。六南03工作面的地质剖面图如图7-6所示，说明了松散层和工作面之间的关系。第四系松散层中部主要由砂质黏土和低渗透黏土层组成，可称为隔水层。该区域第四系下组含水层富水性为中等偏弱，第四系下组含水层水头在基岩面以上64.3～74.3m（基岩面有起伏），平均为69.3m。按照《煤矿防治水细则》附录二，第四系下组属中等富水性含水层，但总体中等偏弱，威胁着3号煤层的安全开采，因此，应考虑采取降水或设置隔煤岩柱等安全措施，见表7-1。
图7-6 六南03工作面工程地质剖面图
表7-1 含水层富水性影响因素
续表
应用熵值决策模型首先对研究区第四系底部含水层进行富水性分析，具体计算如下，根据表7-1中数据，富水性各个控制因素的权重系数见表7-2，最后应用GIS空间分析功能，应用含水层厚度作为高程值，获得松散层底部含水层因素的专题图，如图7-7（a）、图7-7（b）、图7-7（c）所示，以及富水性分区图如图7-7（d）所示。
表7-2 富水性影响因素权重
2）覆岩破坏高度预测(https://www.daowen.com)
六采区南部工作面煤层厚度为2.10～9.97m，在覆岩厚度相对较大区域，煤层平均厚度在8m以上。六采区南3煤层一分层的开采布置的4个工作面地层情况基本相似，至2015年9月，南01、南02、南03、南04工作面一分层及01、02、04工作面二分层都已安全回采完毕。3煤层一分层回采过程中除南03工作面在上顺回采至45m、下顺回采至48m时，工作面涌水量由15～40m3/h增加至90m3/h，90m3/h涌水量持续时间约48小时，其后逐渐减少并稳定在20m3/h左右，实现了安全开采。其余工作面在回采过程中，顶板垮落正常，工作面顶板仅有少量淋水，工作面涌水量均小于10m3/h。
图7-7 第四系底部含水层富水性专题图
为分析充填开采覆岩破坏，可使用“等效采厚”的概念，即将膏体充填开采后采空区的剩余空间等价为一个等厚的薄煤层开采后形成的采空区，这样就可以应用常规的长壁垮落法覆岩破坏和地表沉陷有关经验公式进行充填开采的覆岩破坏高度预测。为控制六南03工作面底分层开采引起导水裂缝带发育，对六南03工作面底分层采用膏体充填开采方式，以减少导水裂缝延伸高度，防止第四系底部含水层进入开采工作面。而对于煤层膏体充填开采引起的覆岩破坏规律，《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》中没有直接适合膏体充填开采条件下导水裂缝带高度的计算公式（单层厚度1～3m），根据等效开采厚度法对六南03工作面底分层煤层开采覆岩破坏规律进行计算。2015年6月，六南02工作面三分层膏体充填开采过程中对上覆充填体的厚度进行了探测，充填体厚度统计见表7-3。
表7-3 六南02工作面膏体充填厚度探测值
根据六南02工作面三分层膏体充填开采过程中对上覆充填体厚度的探测结果，六南02工作面三分层膏体充填开采采厚为2.2m时，经过长时间固结后膏体的有效厚度为1.75～2m，平均为1.86m，由此应用差值法绘制六南采区在膏体充填后经过长时间固结的有效厚度预测等值线图，如图7-8所示，然后预测03工作面底分层全区膏体充填后的厚度分布情况。由于六南03工作面一分层的开采扰动，底分层叠加区开采时覆岩岩性考虑为软弱；底分层扩大区靠近风化带，覆岩岩性偏弱，为安全起见，底分层扩大区开采时覆岩岩性考虑为中硬，应用不同的采厚计算覆岩破坏高度。为保证安全开采，并根据充填开采等效采厚的概念，六南03工作面底分层覆岩破坏高度选用预测结果中的最大值，即覆岩破坏高度选择规程中厚煤层分层开采的导水裂缝带高度计算公式，如式（7-1）的计算结果。六采区南03工作面底分层充填开采不同采厚导水裂缝带高度即覆岩破坏高度预测见表7-4。最后，应用GIS空间分析功能，获得覆岩破坏主控因素的专题图，如图7-9所示。
图7-8 底层膏体充填厚度分布预测结果
表7-4 六南03工作面充填开采覆岩破坏高度预测
续表
