紫金煤業(yè)煤層底板奧灰突水危險性評價

史彩霞

(山西省第二地質(zhì)工程勘察院，山西侯馬043000)

近年來，隨著我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，煤炭資源的獲取逐步轉(zhuǎn)向深層，使得煤炭開采的水文地質(zhì)條件復(fù)雜化，礦井突水類型增多，成因機(jī)制及其防治也漸趨復(fù)雜。國內(nèi)外學(xué)者對煤層底板突水危險性評價問題進(jìn)行了大量的研究，其中應(yīng)用較為廣泛的是突水系數(shù)法［1-2］。20世紀(jì)70年代，煤炭科學(xué)研究院西安分院借鑒匈牙利經(jīng)驗(yàn)，考慮礦壓對底板破壞作用，對突水系數(shù)進(jìn)行了修正。武強(qiáng)等針對煤層底板突水問題提出了5類新型實(shí)用方法，在不同程度上對該問題進(jìn)行了定量分析［4-8］。孟召平等考慮地質(zhì)條件，建立了隔水層隔水性能的巖性－結(jié)構(gòu)評價方法，對開灤范各莊井田煤層底板突水危險性進(jìn)行了評價［9］。李博等針對影響突水因素的不確定性與模糊性，引入了模糊綜合評價法，建立了煤層頂板涌(突)水危險性總體評價體系［10］。這些新理論和新方法的成功應(yīng)用為本研究提供了重要的參考。本文在分析研究區(qū)地質(zhì)及水文地質(zhì)條件的基礎(chǔ)上，分別采用突水系數(shù)法和基于GIS的AHP型脆弱性指數(shù)法對研究區(qū)的主采煤層底板突水危險性進(jìn)行了評價，并通過評價結(jié)果的對比分析得到最終的奧灰突水危險性分區(qū)，以期指導(dǎo)研究區(qū)的防治水工作。

1 礦區(qū)地質(zhì)及水文地質(zhì)條件

山西汾西紫金煤業(yè)位于霍西煤田靈石礦區(qū)與霍州礦區(qū)的交界處，井田面積29.3 km2，生產(chǎn)規(guī)模90萬t/a。井田處于郭莊泉巖溶水系統(tǒng)徑流區(qū)，縱觀井田地形，總體地勢北高南低、東高西低，海拔標(biāo)高814～1 220.5 m;地貌形態(tài)為典型的構(gòu)造－剝蝕成因的低山丘陵地形。區(qū)內(nèi)河流主要有汾河、仁義河及季節(jié)性左溝河和陶村河等溝谷水系，屬黃河流域汾河水系。

紫金煤業(yè)井田為典型的華北型煤田，主要地層包括(由老至新)：奧陶系中統(tǒng)下馬家溝組、上馬家溝組、峰峰組，石炭系中統(tǒng)本溪組及上統(tǒng)太原組，二疊系下統(tǒng)山西組、下石盒子組，二疊系上統(tǒng)上石盒子組、石千峰組，上第三系上新統(tǒng)、第四系中更新統(tǒng)、上更新統(tǒng)和全新統(tǒng)。主要可采煤層為二疊系下統(tǒng)山西組的2#煤層和石炭系上統(tǒng)太原組的11號煤層。

井田處于靈石隆起以南，霍山斷裂帶之西，受其控制本區(qū)總體構(gòu)造為一走向北東傾向北西的單斜構(gòu)造，在此基礎(chǔ)上又發(fā)育一系列的次一級的北東向褶曲、斷裂構(gòu)造，使本區(qū)地層產(chǎn)狀發(fā)生較大變化，傾角一般10～15°，最大35°。目前，共查明4條大的褶曲(S1、S2、S3、S4)構(gòu)造，8 條落差大于 30 m 的正斷層，9條落差小于30 m的正斷層，4個陷落柱。本區(qū)未發(fā)現(xiàn)巖漿巖活動。

根據(jù)含水層的巖性組合、富水性以及含水特點(diǎn)，井田內(nèi)主要含水層包括：松散巖類孔隙水含水層、碎屑巖類裂隙含水層、碎屑巖夾碳酸鹽巖類巖溶裂隙水含水層和碳酸鹽巖類巖溶裂隙水含水層。其中，奧灰(O2f)含水層巖溶裂隙較為發(fā)育，富水性好，由于構(gòu)造條件對奧灰(O2f)巖溶水含水層的富水性及運(yùn)動條件的控制作用，使得其富水性具有很強(qiáng)的不均一性，是構(gòu)成煤層底板突水的主要威脅，尤其是對下組煤的開采。

2 煤層底板突水危險性評價

2.1 基于突水系數(shù)法礦井突水危險性評價

2.1.1 方法概述

突水系數(shù)理論應(yīng)用較為廣泛，其意義為單位隔水層厚度所能承受的水壓值。其數(shù)學(xué)表達(dá)式如下：

式中：T為突水系數(shù)，MPa/m;p為底板隔水層承受的水壓，MPa;H為底板隔水層厚度，m。

2.1．2 評價結(jié)果

計(jì)算各鉆孔點(diǎn)處2號、11號煤層底板奧灰突水系數(shù)值(見表1)，并生成研究區(qū)煤層底板突水系數(shù)等值線圖(見圖1和圖2)。由于研究區(qū)構(gòu)造發(fā)育，取臨界突水系數(shù)為0.06 MPa/m，對研究區(qū)2號、11號煤層進(jìn)行突水危險性評價分區(qū)。

表1 2號、11號煤層奧灰突水系數(shù)計(jì)算結(jié)果表

由圖2可知，井田內(nèi)2號煤層底板奧灰突水危險性全部屬于安全區(qū)。圖3表明，井田內(nèi)11號煤層底板奧灰突水危險區(qū)主要分布在ZK2、ZK3、ZK5、ZK6和ZK7孔所在區(qū)域內(nèi)，其它區(qū)都屬于安全區(qū)。

圖1 2號煤層底板奧灰突水危險性分區(qū)圖(突水系數(shù)法)

2.2 基于脆弱性指數(shù)法的礦井突水危險性評價

圖2 11號煤層底板奧灰突水危險性分區(qū)圖(突水系數(shù)法)

2.2.1 方法概述

基于GIS的AHP型脆弱性指數(shù)法是是現(xiàn)代綜合評價技術(shù)發(fā)展的結(jié)果，其基本思路如下：

1)利用GIS采集、編輯、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、概化及計(jì)算等基本功能對空間信息進(jìn)行處理，建立GIS的空間數(shù)據(jù)庫和屬性數(shù)據(jù)庫;

2)建立層次結(jié)構(gòu)模型，應(yīng)用AHP法構(gòu)造判斷矩陣，計(jì)算各因素對最終目標(biāo)的權(quán)重;

3)最終結(jié)果用GIS圖形表達(dá)并存儲。

2.2．2 主控因素的確定及其AHP模型設(shè)計(jì)

根據(jù)紫金煤業(yè)井田地質(zhì)、構(gòu)造、巖性以及水文情況的綜合分析，確定了影響2號、11號煤層底板奧灰突水的主要控制因素，并將研究對象劃分為3個層次：目標(biāo)層(A層次)、準(zhǔn)則層(B層次)和決策層(C層次)。根據(jù)以上的層次劃分，建立2號和11號煤層底板奧灰突水脆弱性評價模型，見圖3。

圖3 奧灰突水危險性評價層次結(jié)構(gòu)模型

2.2.3 權(quán)重的確定

采用“專家評分”與附近煤礦開采實(shí)際相結(jié)合的方法，確定各主控因素對礦井奧灰突水的影響程度，構(gòu)建礦井奧灰突水層次分析的判斷矩陣。通過層次單排序、層次總排序及一致性檢驗(yàn)，最終確定影響紫金煤業(yè)礦井奧灰突水各主控因素的權(quán)重(表2)，其具體計(jì)算方法參見文獻(xiàn)［11］。

表2 影響煤層底板奧灰突水各主控因素的權(quán)重

2.2.4 各主控因素專題圖的繪制

首先，根據(jù)已收集到的鉆孔及水位點(diǎn)資料，將影響2號、11號煤層底板突水的主控因素量化，生成各主控因素屬性數(shù)據(jù)庫;然后，對以上數(shù)據(jù)文件進(jìn)行插值計(jì)算處理，生成連續(xù)的柵格文件，建立各主控因素專題圖;最后，對數(shù)據(jù)歸一化處理，建立單因素屬性數(shù)據(jù)庫，并繪制各主控因素歸一化專題圖。屬性數(shù)據(jù)庫的建立，便于各主控因素專題圖復(fù)合疊加、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和查詢。

2.2.4 脆弱性評價

1)基本公式。脆弱性指數(shù)VI(Vulnerability Index)反映某一地區(qū)某一地段的某一柵格位置上煤層底板突水的可能性。模型公式為：

式中：EVI為脆弱性指數(shù);Wk為各主控因素權(quán)重;fk(x，y)為某一主控因素影響值與地理位置有關(guān)的函數(shù)，為第k個主控因素量化值歸一化后的值;(x，y)為地理坐標(biāo);n為主控因素的個數(shù)。

紫金煤業(yè)影響2號、11號煤層底板奧灰突水各主控因素權(quán)重值見表2，由此，得出2號、11號煤層底板奧灰突水脆弱性評價模型為：

2)閾值確定。運(yùn)用自然分級法對底板脆弱性指數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，繪制底板突水脆弱性指數(shù)頻數(shù)統(tǒng)計(jì)圖，見圖4。為了使每級組間差異最大，組內(nèi)差異最小，最終得到最佳五級分級結(jié)果及各級閾值。脆弱性指數(shù)越大，煤層底板突水的可能性越大。

3)評價結(jié)果。根據(jù)分級閾值將研究區(qū)2號、11號煤層底板奧灰突水脆弱性劃分為5個區(qū)域。

根據(jù)上面的分析結(jié)果，得出紫金煤礦2號、11號煤層底板奧灰突水脆弱性評價成果，見圖5～6。

圖4 底板脆弱性指數(shù)頻數(shù)統(tǒng)計(jì)圖

圖5 2號煤層底板奧灰突水脆弱性評價分區(qū)圖

圖6 11號煤層底板奧灰突水脆弱性評價分區(qū)圖

2號煤層底板奧灰突水脆弱性評價結(jié)果如圖5所示。總體上，2號煤層底板突水危險性一般。首先，隔水層承受的奧灰水壓從井田東南向西北有增大趨勢，奧灰富水性由西北向東南先減小后增大;其次，由于2號煤層距奧灰含水層較遠(yuǎn)(平均122.27 m)，中間有較厚的隔水層起保護(hù)作用。區(qū)域內(nèi)較脆弱區(qū)和脆弱區(qū)主要分布在斷層、褶皺以及陷落柱等構(gòu)造發(fā)育地帶，由物探各測線斷面的低阻異常特征分析可知，3條斷層使得奧灰和太灰含水層水力聯(lián)系密切;斷層次生構(gòu)造發(fā)育，影響范圍較大。

11號煤層底板奧灰突水脆弱性評價結(jié)果如圖6所示。從圖可以看出，總體上在井田范圍內(nèi)11號煤層缺失較多，缺失區(qū)面積為13.29 km2，底板奧灰突水危險性較大，呈中部向東西部減弱的趨勢，井田中部為脆弱區(qū)，東西部為較脆弱區(qū)、過渡區(qū)。原因在于11號煤層距底板奧陶系峰峰組灰?guī)r較近(平均26.23 m)，隔水層厚度較小(23.66～33 m)，在隔水層承受相同的奧灰水壓以及富水性等條件不變的情況下，11號煤層底板奧灰突水的可能性較2#煤層大。11號煤層底板的隔水層厚度較小，斷層、褶皺以及陷落柱等構(gòu)造會破壞隔水層的連續(xù)性，且奧灰水壓大，一旦生產(chǎn)中遇到這些構(gòu)造，它們可能會作為導(dǎo)水通道將奧灰水引入工作面，造成突水事故。這些構(gòu)造分布的區(qū)域被標(biāo)記為黃色過渡區(qū)，部分甚至被標(biāo)記為紅色的脆弱區(qū)，在實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)足夠重視。

利用GIS的面積統(tǒng)計(jì)功能，得到2號、11號煤層奧灰突水脆弱性分區(qū)成果見表3。

表3 紫金公司一號井田2號、11號底板突水脆弱性評價分區(qū)面積表

2.3 評價結(jié)果的對比分析

對比兩種方法計(jì)算的2號、11號煤層底板奧灰突水的脆弱性評價分區(qū)圖可以看出：傳統(tǒng)的突水系數(shù)法將礦區(qū)分為界限分明的區(qū)塊，在邊界處安全狀況發(fā)生了突變，顯然與實(shí)際情況不符，且該方法沒有將斷層、陷落柱、褶皺等構(gòu)造因素考慮在內(nèi);而脆弱性指數(shù)法則在綜合考慮各個影響因素的前提下，將礦區(qū)分為相對安全區(qū)、較安全區(qū)、過渡區(qū)、較脆弱區(qū)和脆弱區(qū)，可以幫助工作人員對實(shí)際狀況有一個度的把握。過度區(qū)域是從較安全區(qū)域到較脆弱區(qū)域的一個過渡，突水可能性不大，但瀕臨較脆弱區(qū)，實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)得到足夠重視。

采用傳統(tǒng)突水系數(shù)法得出的2號煤層底板奧灰突水危險性評價結(jié)果為：整個礦區(qū)范圍內(nèi)全部屬于安全區(qū)，因此，2號煤層底板奧灰突水危險性評價結(jié)果最終采用脆弱性評價結(jié)果;從圖2看出，礦區(qū)內(nèi)西部及中部三分之一的區(qū)域?qū)儆?1號煤層缺失區(qū)，根據(jù)傳統(tǒng)的突水系數(shù)法，結(jié)合脆弱性評價結(jié)果，11號煤層底板奧灰突水危險性評價最終結(jié)果也采用脆弱性評價結(jié)果。

3 結(jié)束語

基于GIS的AHP型脆弱性指數(shù)法作為一種對全區(qū)脆弱性進(jìn)行相對評價的方法，它綜合考慮多種因素，結(jié)合傳統(tǒng)的突水系數(shù)法，考慮了各主控因素對突水影響“權(quán)重”，能較為全面客觀地反映不同區(qū)域的相對脆弱性關(guān)系，并將評價結(jié)果分為相對安全區(qū)、較安全區(qū)、過渡區(qū)、較脆弱區(qū)和脆弱區(qū)。脆弱性指數(shù)法相對于傳統(tǒng)的突水系數(shù)法考慮的更為全面。通過以上兩種方法對研究區(qū)2號、11號煤層底板奧灰突水的危險性進(jìn)行評價，全面分析評價各區(qū)域的突水危險性，有針對性地制定防治水對策措施與建議，對煤礦的安全生產(chǎn)更具有指導(dǎo)意義。

［1］ 國家煤礦安全監(jiān)察局．煤礦防治水規(guī)定釋義［M］．江蘇徐州：中國礦業(yè)大學(xué)出版社，2009．

［2］ 張樂中，許田柱．煤層底板帶壓開采危險性評價方法探討［J］．人民長江，2012，43(13)：39-42．

［3］ 武強(qiáng)，金玉潔．華北型煤田礦井防治水決策系統(tǒng)［M］．北京：煤炭工業(yè)出版社，1995．

［4］ 武強(qiáng)，張志龍，馬積福．煤層底板突水評價的新型實(shí)用方法Ⅰ—主控指標(biāo)體系的建設(shè)［J］．煤炭學(xué)報，2007，32(1)：42-47．

［5］ 武強(qiáng)，張志龍，張生元等．煤層底板突水評價的新型實(shí)用方法Ⅱ—脆弱性指數(shù)法［J］．煤炭學(xué)報，2007，32(11)：1121-1126．

［6］ 武強(qiáng)，謝淑寒等．煤層底板突水評價的新型實(shí)用方法Ⅲ—基于GIS的ANN型脆弱性指數(shù)法應(yīng)用［J］．煤炭學(xué)報，2007，32(12)：1301-1306．

［7］ 武強(qiáng)，王金華等．煤層底板突水評價的新型實(shí)用方法Ⅳ—基于GIS的AHP型脆弱性指數(shù)法應(yīng)用［J］．煤炭學(xué)報，2009，34(2)：233-238．

［8］ 武強(qiáng)，張波等．煤層底板突水評價的新型實(shí)用方法Ⅴ—基于GIS的ANN型、證據(jù)權(quán)型、Logistic回歸型脆弱性指數(shù)法的比較［J］．煤炭學(xué)報，2013，38(1)：21-26．

［9］ 孟召平，王睿，汪元有，劉建等．開灤范各莊井田12煤層底板突水危險性的地質(zhì)評價［J］．采礦與安全工程學(xué)報，2010，27(3)：310-315．

［10］ 李博，郭俊，李恒凱等．基于模糊綜合判別的巖溶地區(qū)煤層頂板涌(突)水危險性總體評價［J］．中國煤炭，2012，38(8)：51-55．

［11］ 羅成．GIS的AHP型脆弱性指數(shù)法在李雅莊礦底板突水評價中的應(yīng)用［J］．煤田地質(zhì)與勘探，2012，40(5)：47-50．