基于GIS的煤層底板突水脆弱性評價——以山西曹村井田為例

張 隆 ，趙海陸，田 蕾

（1.河北省環境地質勘查院，河北石家莊 0 50000；2.中煤地質工程總公司上海分公司，上海 2 00136）

0 引言

我國是世界上礦井水文地質條件最為復雜的國家，相應的也是礦井水害發生最為頻繁、突水量最大、最嚴重的國家。多年來，我國的水文地質工作者在進行煤層底板突水危險性評價和礦井防治水工作中首選采用突水系數法。經過多年的理論研究和生產實踐，底板突水脆弱性評價理論發展日益完善，并形成了固定且可行的突水危險性評價方法；該理論在煤礦下組煤安全開采評價和礦井底板危險性評價中起著重要作用。

1 礦區概況

曹村井田位于山西省霍州礦區，地理位置上位于臨汾盆地北部，霍山與呂梁山之間的峽谷地帶，屬于切割強烈的黃土丘陵地貌。黃河支流汾河水系為礦區的主要水系。

1.1 煤層特征

井田主要開采煤層為山西組2#煤層及太原組9#、10#、11#煤層，目前原井田 2#煤層大部分已采完，9#、10#、11#煤層開采已近尾聲，本區含煤地層為石炭系中統本溪組，上統太原組和二迭系下統山西組。含煤地層總厚度均120m，煤層總厚平均為13.0m，含煤系數10.83％，可采和局部可采煤層總厚度平均為11.73m。本區主要可采煤層為2#、9#、10#、、11#煤層，9#、10#煤層相距 0.44m，K2灰巖直接覆蓋于9#煤層之上；9#煤層厚度0.9m。煤層穩定，基本可采；10#煤層西部較厚，東北局部變薄，平均厚度2.20m，煤層結構較復雜，全區可采。本井田9#、10#煤層合并開采；11#煤層位于太原組底部10#煤層之下，與10#煤間距9.08m，煤層厚度自西向東變薄，但均在1.1m以上，煤層厚度平均1.71m，煤層結構復雜，含夾石0～3層，煤層穩定，全區可采。

1.2 含水層特征

1.2.1 第四系砂礫巖孔隙含水層

自上而下又分為三個部分：上部主要分布在現代河谷內的河床，中部主要成條帶狀分布在現代河床，下部主要由細粉砂和砂質粘土組成。

1.2.2 第三系泥灰巖砂礫石裂隙含水層

第三系地層在本區分布廣泛，本含水層分為兩個含水帶，第一含水帶巖性以亞砂土、亞粘土、砂礫石層組成，第二含水帶巖性為礫石層。

1.2.3 二疊系砂巖裂隙含水層

含水層主要為K7、K8和K9砂巖，平均厚度13.21m，砂巖以中粒為主，成分為石英和長石，K9砂巖為鈣質膠結，K8、K9砂巖為泥質膠結。

1.2.4 石炭系石灰巖裂隙含水層

太原組在全區分布廣泛，平均厚度81.04m，地表未見出露，含水層主要為K2、K3、K4石灰巖層，這三層灰巖多為致密塊狀，不同程度地有裂隙發育。

1.2.5 奧陶系石灰巖裂隙巖溶含水層

該含水層巖性和厚度穩定，霍山地區總厚735m，本區揭露133.31m，大面積露頭在霍山外圍的羅云山以西及北部靈石一帶，含水層向NE、SW方向緩坡狀傾斜。奧陶系峰峰組可分為兩個含水組共三個含水帶，含水層富水不均一，在平面上可粗略分為三帶：南部富水性中等，中部富水性強，北部富水性極弱。在垂向上奧陶系灰巖含水層亦有明顯的分帶性。

奧陶系石灰巖地下水的補給、逕流、排泄受區域地質構造條件控制［1］。本井田含水層末出露地表，其補給源主要在區外霍山山前的奧陶系石灰巖露頭及斷裂破碎帶處，大氣降雨直接或間接通過第四系松散層補給奧陶系灰巖巖溶水。奧陶系石灰巖的逕流區和分布區一致。

1.3 隔水層特征

1.3.1 第四系中下部砂鈣質粘土隔水層：

該隔水層由紅黃色亞砂土、亞粘土、砂質粘土及鈣質結核、古土壤層構成。厚約27m，屬全區大面積分布的穩定隔水層。中部多為砂礫石孔隙承壓水。其埋藏深度總的趨勢是西南淺而東北深。

1.3.2 二疊系泥巖粉砂巖隔水層

上部為紫紅色鋁質泥巖，紫色泥巖，中部為深綠色粉砂巖、砂泥巖、黑灰色泥巖及鋁質泥巖，下部為深灰～黑色泥巖、煤層及粉砂巖。本隔水層上部位于K9之上。中部為2#煤層之頂板隔水層，下部為2#煤底板隔水層，亦為5#、6#煤之頂板隔水層。

1.3.3 石炭系泥灰巖隔水層

巖性主要為灰白色鋁質泥巖、灰黑色炭質泥巖、煤層、淺灰色粉砂巖，總厚約為70.1m，分布廣泛、穩定。從上到下可細分為四個隔水帶。上部為5#、6#煤的底板隔水層，中下部分別為10#煤隔水底板，以及11#煤的隔水底板。

1.3.4 奧陶系泥灰巖石膏隔水層

該隔水層主要為石膏泥灰巖帶。分為上下兩帶。該層巖性均為泥灰巖及石膏層。石膏以條帶狀、纖維狀、網狀、脈狀穿插在泥灰巖之間。整層致密堅硬、穩定。平均為42.57m，這套隔水層位于奧陶系峰峰組第一、二含水組之間，厚度又大。因此，在沒有斷層或其它破碎帶、陷落柱的情況下，具有較好的隔水性能。

1.4 主要斷層構造的富水性特征

本井田位于赤峪斷層東側上升盤，井田構造總體為走向NW，傾向NE的撓折式單斜。井田西部靠近赤峪斷層，以近EW向或NNE-NE向次級開闊褶曲為主體，區內走向NNE-NE向為主的正斷層十分發育為其主要特征，構造復雜。井田東部，構造簡單，為平緩單斜。

曹村井田范圍內（含邊界）共有5m以上斷層32條，其中落差在100m以上的斷層僅有一條，即井田西界NNE向的F1斷層。斷距在20～100m的斷層有三條，即F3、F25及F28，均呈NE向展布。其它小型斷層的走向主要也是NE—SW向。斷距在5～20m的斷層共有28條。

本文涉及的11#煤開采底板充水含水層為奧灰巖溶裂隙含水層。

2 理論基礎

層次分析法［2］的基本原理是對與預評價體系有關的方案的各要素進行判斷、比較、計算，最后求出各要素的權重。一般分為四步：

2.1 建立層次結構模型

根據以往地質及水文資料，總結出曹村井田底板巖溶突水的主控因素，并將得出的因素劃分為3個層次：目標層、準則層、決策層（圖1）。

圖1 層次結構模型Fig.1 Structure model of levels

2.2 構造判斷矩陣

通過全面分析曹村井田底板含水層突水危險性因素，運用“專家打分”的方法，征集和咨詢現場專家的意見，并根據他們在現場生產實踐和科學研究中的親身經歷和親身體驗以及對問題的具體處理方法，對影響奧灰巖溶含水層的眾多因素進行打分。根據最后的打分得分情況，進行各因素間的總分比較，形成專家對各影響因素的評判集合，由此構造研究區內奧灰含水層脆弱性AHP（層次分析法）評價的判斷矩陣。

2.3 層次排序和一致性檢驗

這一步主要是解決準則下各個元素排序權重的計算問題，用方根法求出判斷矩陣特征根和特征向量并進行一致性檢驗，特征向量即為同一層次相應要素對上一層次某一要素W相對重要性權值，這一過程稱為層次單排序，檢驗單排序結果是否正確，判斷矩陣必須完全滿足一致性條件；即如果不滿足，則重新建立判斷矩陣。

2.4 計算各層因素權重

目的是為了得到指標層各指標P經過C層對目標層A的權重結果。

3 基于GIS的AHP模型原理

脆弱性指數法［3］是以層次分析法和GIS相結合的評價方法，在評價下組煤突水危險性中極為方便。建立目標含水層脆弱性模型，這個模型所得出的計算值能反映出某一位置含水層受各主要因素影響的程度。初始模型的建立采用以含水層水質和含水層水量為基礎。

采用脆弱性指數的初始模型來對目標含水層脆弱性進行評價［4］。脆弱性指數定義為某一地區某一地段的某一柵格位置上的各種影響因素對其產生的疊加影響總和。可用以下模型公式表示：

式中：Vi——脆弱性指數；

Wk——影響因素權重；

fk（x，y）——單因素影響值函數；

x，y——地理坐標；

n——影響因素的個數。

4 脆弱性指數法在煤層底板突水危險性評價中的應用

4.1 建立層次分析模型

根據對曹村井田的地質、構造、水文等條件的分析，確定出井田底板突水的主要影響因素及層次結構模型。本次評價擬采用以下9個因素為該井田脆弱性主控因素。目標含水層的水壓、目標含水層富水性、構造復雜程度、陷落柱分布密度、有效隔水層厚度、剛性巖厚度、目標含水層弱透水層厚度、奧灰古風化殼等效厚度、斷層規模指數。

4.2 構造判斷矩陣

在底板突水脆弱性評價的兩兩比較判斷矩陣下，通過matlab程序可以方便的對層次分析判斷矩陣進行計算，最后求出層次排序及一致性檢驗。

表1 判斷矩陣A－Ci（i=1－2）Table 1 Judgment matrix A－Ci（i=1－2）

表2 判斷矩陣C1－Pi（i=1－4）Table 2 Judgment matrix C1－Pi（i=1－4）

表3 判斷矩陣C2－Pi（i=5－9）Table 3 Judgment matrix C2－Pi（i=5－9）

表4 指標Pi對A的權重Table 4 The weight of index Pi for A

4.3 底板突水主控因素數據采集及專題圖的建立

為了降低乃至消除主控因素因不同數量級的數據對最后評價結果所產生的影響，需要對現有的數據進行均一化處理，均一化的目的是相對的，方便處理后的數據進行統計和比較，有利于系統分析。

經過均一化處理后的單因素數據，錄入到數據庫中即可得到各單因素屬性數據庫。運用MapGIS軟件對均一化數據進行處理，建立均一化后的單因素圖，圖2、3為部分影響因素歸一化專題圖。

4.4 單因素均一化圖的復合疊加

單因素均一化圖的復合疊加即把消除量綱差別后的各單因素均一化圖疊加合成一個新的圖形，對新生成的圖形進行重建拓撲分區并賦予新的拓撲關系屬性所形成的圖形。

4.5 煤層底板突水脆弱性分區

脆弱性指數越大，說明目標含水層對煤層底板的影響程度也就越大，即越容易造成底板突水。通過對煤層底板脆弱性程度指數進行統計分析，做出11#煤底板脆弱性指數累計統計圖，從而確定出分區的臨界值分別為0.32、0.39、0.46、0.58，如表5、圖4所示。

圖2 水壓歸一化圖（平面圖）Fig.2 Hydraulic Pressnormalized grah

圖3 構造歸一化圖（平面圖）Fig.3 Normalized differeace chart

表5 脆弱性指數統計表Table 5 Vulnerability index Statistics

圖4 脆弱性指數統計圖Fig.4 Vulnerability index

4.6 評價結果

根據上述統計結果得出的臨界值域，將拓撲分析結果圖的每個區域賦予新的屬性，并對區域含水層脆弱性評價圖賦予新的區顏色（圖5）。

圖5 脆弱性分區圖（平面圖）Fig.5 Vulnerability zoning map

5 結語

本文以底板突水脆弱性理論為基礎，采用MapGIS與AHP相結合的方法對曹村井田11#煤層底板突水危險性進行評價。應用該方法對曹村井田下組煤底板脆弱性評價結果，通過井下施工驗證得到了理想的效果，對煤礦開采在底板突水方面起到引導作用。

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