脆弱性指數法在東歡坨礦-950水平南一底板突水評價的應用

郭世達 ，劉 莉 ，翟俊杰

（華北理工大學礦業工程學院，河北 唐山 063210）

東歡坨礦-950水平南一采區屬煤礦深部采區。依據東歡坨礦開采經驗與水文地質條件分析，煤12-1的開采受12-2~14-1煤層強含水層影響。目前全礦尚未對以上煤層進行開發，利用以GIS為基礎的AHP型脆弱性指數法對12-1煤層底板突水進行預報預測，為日后煤礦開采提供指導依據。

1 以GIS為基礎的AHP型脆弱性指數法

層次分析法是T. L. Saaty創立的一種簡便靈活的能夠解決一些復雜問題的決策方法。煤層底板突水問題是多種因素相互作用導致的復雜問題，運用層次分析法能使其簡單化。將問題分為目標層、準則層、方案層等若干個層組并對各層組中的因素進行評價打分，給出每個因素的量化值，形成判斷矩陣。通過計算判斷矩陣的最大特征值以及相對應的正交化特征向量，得到該因素對該準則的比重，然后逐級綜合，最終得到該因素的權重。建立合理的層次結構模型和準確合理的判斷矩陣是解決問題的關鍵[1]。

地理信息系統（GIS）可以處理影響因素多、條件不精確、信息量巨大的空間信息。此外，利用GIS的空間復合疊加功能對數據輸出進行處理，以可視化地圖的形式給出煤層底板突水脆弱性的空間分布結果。層次分析法對于存在不確定因素及一些主觀信息的問題有很強的優勢。煤層底板突水問題具有控制因素多、條件不精確的特點，運用AHP能夠對控制突水的因素全面分析，然后綜合各種因素的影響，對煤層底板突水問題作出合理評價[2]。

2 研究區概況

東歡坨礦井區域所屬的開灤礦區位于唐山市境內，井田是呈北東向狹長的區域[3]，東南翼走向13.5 km，傾向寬3 km；西北翼走向長8 km，傾向寬0.5 km，井田面積40.5 km2。研究區范圍為東歡坨礦-950水平，西北以向斜軸為界，東南以SF35斷層為界，淺部以各煤層-690 m底板等高線為界，深部以各煤層-950水平底板標高線為界。包括中央、南一、南二及南三四個采區。南一采區自15剖面以東至17剖面以西。

煤12-1為-950水平南一采區主要開采煤層，煤層厚度0~4.3 m，平均2.2 m，為較穩定-穩定中厚煤層，可采指數較大。

井田內共沉積含水層7層，影響煤12-1開采的底板充水含水層主要為12-2~14-1煤層強含水層。近年來，與-950水平相鄰的-690水平多次出現涌水，涌水水源皆來源于該含水層，表明含水層富水。本段含水層在東歡坨礦厚約40 m，巖性以細砂巖為主，其次粉砂巖含量較多，中間夾帶中細粒砂巖。

-950水平屬于深部采區，研究區觀測孔稀少，煤層底板含水層水壓值無法確定。

3 脆弱性指數法評價模型的建立和應用

3.1 主控因素與專題圖層

結合煤層底板突水的主控指標體系與東歡坨礦實際水文、地質情況確定影響12-1煤層底板突水的影響指標[4]：1）煤層傾角；2）煤層層厚；3）斷層規模指數；4）斷層端點；5）斷層和褶皺分布；6）含水層富水性；7）隔水層厚度。

根據現有的研究區資料，依據原有數據可直接量化的主控因素有煤層傾角、煤層層厚和斷層規模指數，利用GIS插值計算處理，生成主控因素專題圖。斷層端點、褶皺分布不能直接量化，可根據其分布、特征等以及其對突水的影響，按照一定規則進行量化，利用ArcGIS出圖，最終得到各主控因素的專題圖。

煤層傾角在一定程度上能夠體現出煤層在形成過程中所經歷的構造運動，傾角越大表明其所經歷的構造運動越劇烈，對底板的破壞程度越大。煤層厚度直接影響煤層開采厚度，開采厚度越大，對原始圍巖的影響越大，導致圍巖應力重新分布，作用于煤層底板的壓力越顯著，同時提高底板突水的危險性。研究區中部煤層傾角偏大，向南向北傾角逐漸變小，在北部傾角最小；煤層厚度由北向南呈遞減趨勢，逐漸減小。如圖1所示。

圖1 煤層傾角專題圖與煤層層厚專題圖

巖層在構造作用下受力發生彎曲，形成褶皺。斷層和褶皺周圍裂隙發育，形成良好的導水通道，增加底板突水概率。在研究區內主要存在小榮各莊北向斜，依據現有的CAD資料，根據圖層中等高線的彎曲變化可確定其影響范圍。斷層主要分布于研究區中南部，北部斷層發育少，方向性強，多以北東向斷層為主；褶皺發育于研究區的中部，軸線呈北西—北東向。如圖2所示。

圖2 斷層和褶皺分布專題圖

斷層構造使得斷裂附近的巖石破碎、移動，使地層失去完整性。一般情況下，斷層規模越大，斷層破裂位置及其周圍影響范圍內巖石的破碎程度越高，對底板突水的影響也越大。因此，可用“斷層規模指數”來反映斷層規模的大小，即建立25×25的單元網格，統計落在各單元網格中斷層的走向長度和落差，根據公式計算斷層規模指數。其中F為斷層規模指數；Hi為第i條斷層的落差，m；Li為第i條斷層落在單元內的走向長度，m；n為落在單元內的斷層條數；S為單元面積，m2。斷層會降低巖層的強度。斷層端點是應力集中的部位，對煤層底板的突水有較強的控制性，在ArcGIS中獲取斷層與褶皺端點坐標進行作圖分析。如圖3所示。

圖3 斷層規模指數與斷層端點專題圖

斷層主要分布在中南部。因此，斷層端點在中南部比較密集，在北部稀疏，斷層規模指數在研究區東南方向偏大，而在中北部偏小。

煤層底板存在含水層，為底板突水事故提供了先決條件，而煤層的富水性大小決定了突水量的大小。水壓為含水層中的水涌入工作面提供動力。煤12-1未開采，研究區觀測孔稀少，煤層底板含水層水壓值無法確定，因此，在此次研究中含水層水壓不作為評價指標。富水性表征含水層的出水能力，能整理現有的鉆孔柱狀圖數據，以巖性為分層依據，對南一采區進行地層對比劃分，共分為26層，12-2~14-1煤層強含水層為10~20層，含水層中粉砂巖占比最大，其次為粗粒砂巖和中粒砂巖，砂巖中裂隙發育，夾有少量石灰巖、黏土巖和煤，發育連續性差。含水層中的含水段為10層與16~20層，10含水層位于煤12-1、煤12-2底板，平均厚度大，16石灰巖含水層至20石灰巖含水層段之中含水層厚度不大。根據分層后的結果，可以得到含水層含水段的厚度，以此作為判斷含水層是否富水的依據。如圖4所示，含水層厚度南厚北薄，即研究區南部富水性強，北部富水性弱。

圖4 含水層厚度專題圖

煤層底板的隔水層可以阻止煤層底板含水層的水涌入工作面。隔水層能否有效阻止底板含水層中的水涌入工作面與隔水層厚度以及隔水層的巖性等有關系。根據巖性劃分結果，即以泥巖、黏土巖為主，粉砂巖次之，粗中細砂巖更少。依據鉆孔資料，可以準確得到隔水層厚度。如圖5所示，隔水層厚度呈現中部薄、兩頭厚的特點。

圖5 隔水層厚度專題圖

3.2 各主控因素的權重（AHP法）

根據對12-1煤層底板突水危險性影響因素的分析，將研究對象分為3個層次[5]，底板脆弱性指數作為目標層，12-1煤層、南一采區地質構造、含水層厚度以及隔水層厚度作為中間層，影響指標作為決策層，由此建成層次結構模型，如圖6所示。

圖6 底板脆弱性評價層次結構模型

通過對各主控因素的分析，結合實際情況和專家對每個主控因素的評分，將各主控因素進行對比，構建評判矩陣：A—Bi（i=1，2，3，4）、B1—Ci（i=1，2）、B2—Ci（i=3，4，5）、B3—Ci（i=6）、B4—Ci（i=7），求出其最大特征值λmax所對應的特征向量，并對其進行歸一化處理，即為各主控因素的權重值。隨后使用公式CR=CI/RI進行一致性檢驗，式中CR為評判矩陣的隨機一致性比率，CI為一致性指標，可依據CI=(λmax-n)/(n-1)求出。計算可得：A—Bi矩陣CR=0.026 6，其余矩陣CR皆為0。根據相關規定，當評判矩陣中CR<0.1或CI=0時，則該評判矩陣成立，反之則不成立。因此，各評判矩陣通過一致性檢驗，預測結果可接受。

通過以上分析計算，可以得出7個影響因素的權重，見表1中WA/Ci一列。

表1 層次總排序表

3.3 數據歸一化

數據量綱不同會對評價結果產生影響，而數據歸一化能將不同來源的數據統一到一個參考系下，使數據具有統計意義。有的指標與評價結果成正相關，如含水層厚度，厚度越大，富水性越強，煤層底板突水的危險性越大；有的指標與評價結果呈負相關，如隔水層厚度，厚度越大，底板突水危險性越小。研究使用最小-最大歸一方法。正、負相關歸一化處理公式如下：

按照如上歸一化方法處理，建立影響東歡坨礦-950水平南一采區12-1煤層底板突水的專題圖層。

3.4 脆弱性評價模型

以ArcGIS具有強大的數據處理能力為基礎，根據層次分析法計算得到影響煤層底板突水的各個因素權重，并將它們作為系數，構建煤層底板突水脆弱性評價模型。模型公式如下：

式中：VI為脆弱性指數；Wk為主控因素權重；fk(x,y)為單因素影響值函數；x、y為地理坐標；n為影響因素的個數。

4 煤層底板突水脆弱性評價

運用ArcGIS中自然間斷點分級法對圖中每個柵格的脆弱性數值進行統計分析，如圖7所示，根據分析結果得到分區閾值0.289 2、0.406 6、0.516 8、0.617 4，再根據分區閾值將研究區劃為5個分區：安全區Ⅵ∈（0.191,0.289 2）；較安全區Ⅵ∈（0.289 2,0.406 6）；過渡區Ⅵ∈（0.406 6,0.516 8）；較危險區Ⅵ∈（0.516 8, 0.617 4）；危險區Ⅵ∈（0.617 4,0.801 9）。

圖7 自然間斷點分級法

根據脆弱性評價模型，利用ArcGIS融合各主控因素歸一化專題圖，得到脆弱性評價分區圖如圖8所示。

圖8 脆弱性評價分區圖

由評價分區圖可以看出，危險區主要分布在研究區西南部，隔水層厚度較大，但由于局部斷層發育，構造裂隙發育形成良好的導水通道，加之富水性強，因此容易引發突水；較危險區呈環形分布于危險區外側，斷層較為發育，富水性中等，較容易發生底板突水；過渡區位于研究區南部及東部，富水性較好，斷層較為發育，可能發生底板突水；較安全區與安全區位于研究區北部及中部，斷層發育較差，富水性差，發生底板突水的概率低。

5 結論

利用ArcGIS將各專題圖疊加分析，得到煤12-1底板水害危險性分區圖。通過自然間斷分級法，得到判斷危險性評價分區閾值，由閾值將研究區分為危險區、較危險區、過渡區、較安全區和安全區。綜合評價后發現危險區、較危險區和過渡區主要分布于研究區南部，安全區以及較安全區位于研究區中北部。影響因素主要為南部含水層厚，煤層底板含水層富水性強，斷層相較于北部發育多，因此，由構造運動所造成的裂隙發育較多，為底板水涌入工作面提供了良好通道，對工作面造成的影響較大。