基于多源地学信息的河南平禹一矿煤层底板突水易发程度分析

王 超

（中国地质大学（武汉），湖北 武汉 430074）

煤层底板突水的预测预报方法研究一直是矿井水文地质工作者所关心的问题。目前此项研究可以分为两大类：一类是以采矿矿压和承压水水压为主要影响因素，通过研究底板隔水层岩层在承压水水压、矿压和采动破坏作用下的变形、破坏特征来认识突水规律；另一类是综合考虑与突水灾害发生有关的各种因素，通过应用地理信息系统的多源地学信息复合叠加方法，建立多因素致灾的GIS突水预测模型。

信息复合技术是一种新兴的自动化信息综合处理技术，是多源地学信息(如地理信息、地质信息、遥感信息等)进行综合处理的一种新方法。它运用GIS和多源信息复合叠加处理方法进行底板突水灾害预测预报研究，在系统分析底板突水机理基础上，提出控制煤层底板突水灾害的主要因素，确定各单因素对突水的影响权重，然后再进行各主要控制因素的配准按照权重复合处理，形成一个复合叠加的新的信息存储层。在此基础上，构建底板突水灾害GIS数学模型，确定煤层底板突水灾害模式，进行突水灾害的预测[1][2]。它使煤矿水害预测方法产生了根本变化,其特点是由单因素分析变为多因素分析,由静态分析变化动态分析,由定性分析变为定量分析[3]。

一、平禹一矿及其水害概况

二、水文地质背景

矿区地表大面积被新近系和第四系地层掩盖。据钻孔揭露，矿区地层从老到新主要有古生界寒武系、奥陶系、石炭系、二叠系、新生界新近系、第四系。区内断裂发育，其中落差大于100m的7条，落差100～50m的2条。断层按走向分为NW、NE、EW三组，其中以NW向为主，并以正断层为主。矿井主要充水含水层是寒武系灰岩岩溶裂隙含水层、石炭系薄层灰岩（上段和下段）岩溶裂隙含水层。二1煤底板至太原组上段灰岩距离为5～15m，至太灰下段灰岩平均57.1m，最小值44.0m，最大值73.5m，至寒武系灰岩含水层顶板平均87.3m，最小值72.5m，最大值108.8m。平禹一矿位于白沙向斜西北翼，其北部和西部均为寒灰出露的基岩山区，东部为第四系广泛出露的颍河冲洪积平原，构成北、西、南三面环山、东南开阔的“箕形”向斜汇水盆地。平禹一矿处在这一汇水盆地的倾伏端，是白沙向斜北翼岩溶水子系统的集中排泄区。岩溶水在西部和北部接受大气降水补给后，沿地层倾向及地形坡降方向向南和东南方向径流，因白沙向斜轴部寒灰埋深大而岩溶发育微弱，岩溶水不能向南径流，沿山前的岩溶发育带，向东南径流至平禹一矿井田，以自流井、泉和矿井排水等形式向外排泄。煤层底板寒武系和太原组灰岩岩溶承压水是矿井主要充水水源，断层及岩溶裂隙是岩溶水进入矿井的主要通道。在矿井没有疏排岩溶水前，岩溶水水位在130-135m之间波动，高出地表标高3-7m，水文孔能够自流。自2010年5月开始大流量疏放岩溶水，水位降至目前的60—70m左右。

三、底板岩溶水突水因素分析

煤层底板岩溶承压水突水是含水层富水性、水压、隔水层厚度、构造、采动矿压等因素综合作用的结果。

（一）寒武～石炭系含水层富水性。平禹一矿主采煤层底板寒武系和太原组灰岩富水性不仅决定着突水强度，也是造成突水的主要因素。灰岩岩溶发育及富水程度因受断层构造控制，突水位置及突水强度又受构造影响。煤层底板岩溶水突水点基本位于富水区里或其周边，特大型突水都在富水区。这表明，灰岩富水性越好，越容易引发底板突水，突水强度也越大。

（二）二1煤层底板隔水层阻水能力。隔水层阻水能力与厚度、岩性及其组合关系有关。在正常的地质条件下，隔水层厚度越大的地段，突水的可能性越小；反之，突水的几率越大。但由于缺乏隔水层阻水岩土力学相关指标值，通常用隔水层厚度评价隔水层阻水能力。通过对井田钻孔资料的统计，编制了平禹一矿二1煤层底板隔水层厚度等值线图。通过对历次底板突水资料的分析，隔水层厚度对突水虽有一定控制作用，但隔水层厚度相对较大的区域也出现多次突水，说明底板突水受其他因素影响更大些。

（三）水压因素。水压的主要作用是与矿压共同造成煤层底板隔水层的破坏，导致部分隔水层失去阻水作用，承压水在水压的作用下涌入矿井而形成突水。足够的水头压力是引起突水的重要条件，承压水压越高，越容易突水。根据水文孔水位及煤层底板标高，编制了煤层底板水压等值线，水压从西北向南东逐渐增大。在水压大于或等于3.0Mpa时，突水频次增加，在水压为3.5Mpa时，出现大型和特大型突水事故。

（四）构造因素。断层和褶皱轴部是煤层底板突水的薄弱地带，尤其是断层常成为煤层底板突水通道。大量统计资料表明，底板突水事故80%以上发生在断裂构造附近。平禹一矿突水受构造影响较为明显，突水点多分布在大断层附近的影响带、小断层带、大断层的转折或转弯、分支处、地层产状褶曲变形处及产状突变带等。

图1 底板灰岩含水层富水性分区和突水点的分布

四、底板突水危险评价

通过多源信息的融合，本文用脆弱性指数法评价平舆一矿的底板突水问题。脆弱性指数法是将可确定底板突水多种主控因素权重系数的信息融合方法与具有强大空间信息分析处理功能的地理信息系统(GIS)耦合于一体的煤层底板突水评价预测方法[4]。

（一）数学模型。多信息经过GIS分析处理，运用多种模型进行运算与反复拟合，最终选用的底板突危险评价模型为[5]：

首先，要确保原材料的质量，对进场的砂石、水泥、粉煤灰、外加剂、掺合料等原材料，必须严格依据国家、地方相关标准、规范要求进行取样试验。

式中：n—突水指数；

F—构造复杂程度；

H—水头压力(MPa)；

M—底板阻水能力；

a、b—权重系数，分别为0.4和0.6；

K—富水性指数，可根据勘探成果得出，不富水时取0，富水时取l。

（二）突水危险性分区预测。利用上述突水危险评价模型，结合已有突水资料的验证，对平禹一矿煤层底板突水危险进行了评价。通过计算，井田范围内突水指数在0.32～1.31之间，根据突水指数的取值大小及实际突水情况，将全井田为突水极易发生区（Ⅰ区），突水较易发生区（Ⅱ区）、易发生区（Ⅲ区）和一般发生区（Ⅳ区），如图2所示。

1.突水极易发生区（Ⅰ区）。突水指数n≥1，主要分布在通水性较好的大断层附近，且由于与富水区结合良好，该区极易发生突水、水量大、危险性高。

2.突水较易发生区（Ⅱ区）。突水指数n=0.85～1，主要发生在断层200m缓冲区内与富水区结合较好地段。

3.易发生区（Ⅲ区）。突水指数 n=0.7～0.85，主要分布深部区域，水压较大和富水性较大。一旦突水，水量大，强度大，危险性高。

4.一般发生区（Ⅳ区）。突水指数n＜0.7，主要在非富水区、浅部风化带及中部岩溶发育一般地区。

图2 平禹一矿底板突水危险性预测分区图

四、结论

（一）突水系数法是目前评价煤层底板突水危险性的常用方法，由于仅考虑了水压、隔水层厚度及底板采动破坏对突水的影响，评价结果与实际时常出现不相符的情况。基于多源地学信息的煤层底板突水危险性评价法，综合考虑了影响煤层底板突水的各种因素，不仅包括水压、隔水层厚度及底板采动破坏因素，还包括含水层富水性、构造发育程度等因素，使得预测方法更加合理，预测结果更符合实际。

（二）通过对平禹一矿煤层底板突水因素的分析，构建了预测底板突水灾害的GIS数学模型，按突水指数将井田划分为极易发生区、较易发生区、易发生区和一般发生区，这为煤矿安全生产和水害防治指明了方向。

[1] 张和生，薛光武，石秀伟等，基于地学信息复合叠置分析对煤层底板突水的预测[J]，煤炭学报，2009,34（8）：1100-1104

[2] 石秀伟，胡耀青，张和生，基于GIS的煤层底板突水预测理论模型[J]，太原理工大学学报，2008，39 卷专辑：244-247

[3] 崔三元，崔若飞，基于GIS的煤矿水害多源信息预测方法研究[J]，地球物理学进展，2006,21（4）：1309-1313

[4] 武 强，刘守强，贾国凯，脆弱性指数法在煤层底板突水评价中的应用[J]，中国煤炭，2010，36（6）：16-22

[5] 尹会永,魏久传,刘同彬等，基于多源信息复合的煤层底板突水评价[J]，山东科技大学学报（自然科学版），2008，27（2）：6-9