Surfer在煤層頂板富水性預測方面的應用

吳 蘇 張志亭 呂玉廣

（內蒙古上海廟礦業有限責任公司，內蒙古 鄂爾多斯 016299）

鷹駿三號井田位于內蒙古鄂爾多斯市鄂托克前旗上海廟鎮，探礦權屬山東能源臨礦集團，下步礦井準備開工建設。主要可采煤層為侏羅系延安組煤系地層，井田構造復雜程度簡單，尚未開展專門的水文地質勘探工作，水文地質資料缺乏。

脆弱性指數法[1]是一種僅通過收集巖性和計算不同巖性巖層厚度比值就可以給出巖層相對富水性的方法。Surfer具有繪制等值線圖的功能。本文以脆弱性指數法獲得的富水性指數數據為基礎，通過Surfer繪制鷹駿三號2煤層頂板富水性等值線圖，為巷道開拓掘進及2煤層開采過程中的探疏放水工作提供依據[2]。

1 概況

井田內揭露的地層從上到下依次有第四系、第三系、白堊系、侏羅系直羅組、侏羅系延安組、三疊系延長組，如圖1所示。

圖1 鷹駿三號井田地層柱狀示意圖

前期準備開采侏羅系延安組2煤層，2煤平均厚度6.33m，屬于厚煤層。2煤層距離上部侏羅系直羅組底部七里鎮砂巖7.76～39.54m，平均22.02m。侏羅系延安組砂巖孔隙裂隙含水層為2煤層開采時頂板直接充水含水層，侏羅系直羅組砂巖孔隙裂隙含水層為2煤層開采時的直接和間接充水含水層。

根據鷹駿三號井田勘探地質報告，以及鄰區具有相似地質條件的榆樹井煤礦和新上海一號煤礦水文地質勘探結果、開采情況，上述含水層富水性均為弱等，一般來說對采掘活動影響不大。但是由于上海廟礦區侏羅系煤田特殊的軟巖地質條件，弱含水層也可能出大水，甚至造成工作面突水潰沙事故[3]。因此，對2煤層的頂板冒落裂隙帶范圍內的含水層富水性進行準確的評價預測對于礦井安全開采是十分必要的。

2 采用脆弱性指數法獲得基礎數據

應用Surfer繪制等值線圖的基礎是要有一組含有x、y、z數值的數據，對應到地質勘探鉆孔中分別為鉆孔x、y坐標和通過脆弱性指數法計算得到的富水性指數[1]。

2.1 匯總基礎數據

第一步將鷹俊三號井田已施工各類47個鉆孔揭露的地層巖性數據匯總到一張Excel表格當中，各鉆孔在標志層處巖性對齊，既美觀也方便后期數據采集和數據處理[4]。如表1所示。

表1 鷹駿三號鉆孔數據基礎資料表（局部）

2.2 計算導水裂隙帶高度

第二步是根據2煤層回采高度確定需要應用脆弱性指數法進行計算的2煤層頂板導水裂隙帶高度。上海廟礦區地層為軟巖地質條件，選用軟巖導水裂縫帶適用公式：

其中：

Hd-導水裂隙帶高度，m；

ΣM-累計采厚，m。

為保證安全，上式取+4.0。

根據鉆孔揭露數據來看，2煤層厚度變化較大，為1.5～9.2m，但大部分鉆孔揭露2煤層厚度在6m左右，平均6.33m，這里取6.3m作為2煤采高。根據以上公式，可以計算出2煤層頂板導水裂隙帶高度為68.0m。

2.3 計算富水性指數

第三步從表1中找出2煤層頂板導水裂隙帶高度范圍內的脆性巖石累加厚度，根據公式（2）可以計算出2煤層頂板富水性指數[1]。

式中：

Fzhi-富水性指數；

Mc-脆性巖石累加厚度；

Hd-導水裂隙帶高度。

如果計算出的導水裂隙帶高度范圍內的巖石直接與脆性巖石接觸，則計算富水性指數時分子分母都要增加相應的厚度，即變為公式：

式中：

Z-導水裂隙帶高度之上直接接觸的脆性巖石。

其他字母含義同上。

最后計算結果如表2所示。

表2 2煤層頂板富水性指數計算表（局部）

3 使用Surfer繪制2煤層頂板富水性等值線圖

使用Surfer繪制富水性等值線圖的一般步驟是：數據網格化、白化邊界、填充顏色、添加鉆孔信息、圖形疊加等。

3.1 繪制底圖

取表2中的B、C和L三列的數值作為作圖的基礎數據，其中B、C列為鉆孔坐標，L列為對應點富水性指數。

打開Surfer，選擇Grid-data命令以及Grid-Filter命令，分別對原始數據進行網格化和平滑處理，得到一個.grd的網格化文件。

通過Map-Coutour Layer命令，選擇上述.grd網格化文件，可以預覽等值線圖的效果（圖2-a）。

3.2 根據煤層露頭及斷層等信息縮小作圖范圍

由于煤層開采都在礦井邊界及煤層露頭范圍內，而且以大斷層分界的礦井邊界及煤層露頭兩側水文地質條件一般會有一定的差異，因此需要縮小圖形的范圍。

首先通過AutoCAD采集井田邊界及煤層露頭的坐標信息，形成.bln邊界文件。其次通過Surfer菜單欄中的Grid-Blank命令，將3.1中得到的.grd網格化文件邊界外區域白化，即得到一個白化后的.grd網格化文件，該文件是繪制2煤層頂板富水性等值線圖的基礎。通過Map-Coutour Layer作圖，如圖2-b所示。

3.3 對圖形進行優化處理

這一步主要是對等值線圖填充顏色，在對象管理器中依次點擊層次-等值線即可填充顏色。由于系統預設的顏色往往不符合我們的需要，因此要對色度條進行修改，形成符合專業習慣的色調。

填充后的效果如圖2-c所示。另外還可以通過修改等值線的間距，標注大小等，使圖形更加美觀。

圖2 2煤頂板富水性等值線圖

3.4 添加鉆孔信息

通過Surfer中的Map-New-Postmap命令，繪制鉆孔散點圖。在屬性管理器中，將常規-工作表-數據列中的X坐標和Y坐標改成表2中的B列和C列，再修改鉆孔符號，即得圖2-d。再通過Map-Overlay Maps命令，將圖2-c與2-d疊加，就把鉆孔信息添加到了等值線圖上，如圖2-e所示。

3.5 疊加等值線圖與井田開拓布置圖

最后通過.dxf格式中轉文件或者直接以圖形的方式將AutoCAD中保留了相關內容的開拓設計底圖與Surfer中繪制富水性等值線圖進行疊加，即得到最終需要的圖形（圖2-f）。

從圖2-f上可以很直觀地看出井田各部分2煤層頂板富水性情況。其中東南部和西南角富水性較強，是采掘活動重點探疏放水區域。

該圖完成后，一方面可以直接用于指導礦井采掘過程中探疏放水工作，另一方面后期可以與水文地質補勘資料相結合用于煤層開采前工作面涌水量預測。

4 結論

（1）Surfer軟件具有繪圖功能，在取得不同鉆孔處的2煤層導水裂隙帶范圍內巖層富水性指數后，通過Surfer軟件可輕易繪制出富水性等值線圖。

（2）從圖中可以直觀地看出鷹駿三號井田2煤層頂板研究層段內富水性分布情況，其中井田東南部和西南角富水性較強。

（3）該圖可用于指導采掘工作面的探疏放水工作。