紫金煤业煤层底板奥灰突水危险性评价

史彩霞

(山西省第二地质工程勘察院，山西侯马043000)

近年来，随着我国经济的发展，煤炭资源的获取逐步转向深层，使得煤炭开采的水文地质条件复杂化，矿井突水类型增多，成因机制及其防治也渐趋复杂。国内外学者对煤层底板突水危险性评价问题进行了大量的研究，其中应用较为广泛的是突水系数法［1-2］。20世纪70年代，煤炭科学研究院西安分院借鉴匈牙利经验，考虑矿压对底板破坏作用，对突水系数进行了修正。武强等针对煤层底板突水问题提出了5类新型实用方法，在不同程度上对该问题进行了定量分析［4-8］。孟召平等考虑地质条件，建立了隔水层隔水性能的岩性－结构评价方法，对开滦范各庄井田煤层底板突水危险性进行了评价［9］。李博等针对影响突水因素的不确定性与模糊性，引入了模糊综合评价法，建立了煤层顶板涌(突)水危险性总体评价体系［10］。这些新理论和新方法的成功应用为本研究提供了重要的参考。本文在分析研究区地质及水文地质条件的基础上，分别采用突水系数法和基于GIS的AHP型脆弱性指数法对研究区的主采煤层底板突水危险性进行了评价，并通过评价结果的对比分析得到最终的奥灰突水危险性分区，以期指导研究区的防治水工作。

1 矿区地质及水文地质条件

山西汾西紫金煤业位于霍西煤田灵石矿区与霍州矿区的交界处，井田面积29.3 km2，生产规模90万t/a。井田处于郭庄泉岩溶水系统径流区，纵观井田地形，总体地势北高南低、东高西低，海拔标高814～1 220.5 m;地貌形态为典型的构造－剥蚀成因的低山丘陵地形。区内河流主要有汾河、仁义河及季节性左沟河和陶村河等沟谷水系，属黄河流域汾河水系。

紫金煤业井田为典型的华北型煤田，主要地层包括(由老至新)：奥陶系中统下马家沟组、上马家沟组、峰峰组，石炭系中统本溪组及上统太原组，二叠系下统山西组、下石盒子组，二叠系上统上石盒子组、石千峰组，上第三系上新统、第四系中更新统、上更新统和全新统。主要可采煤层为二叠系下统山西组的2#煤层和石炭系上统太原组的11号煤层。

井田处于灵石隆起以南，霍山断裂带之西，受其控制本区总体构造为一走向北东倾向北西的单斜构造，在此基础上又发育一系列的次一级的北东向褶曲、断裂构造，使本区地层产状发生较大变化，倾角一般10～15°，最大35°。目前，共查明4条大的褶曲(S1、S2、S3、S4)构造，8 条落差大于 30 m 的正断层，9条落差小于30 m的正断层，4个陷落柱。本区未发现岩浆岩活动。

根据含水层的岩性组合、富水性以及含水特点，井田内主要含水层包括：松散岩类孔隙水含水层、碎屑岩类裂隙含水层、碎屑岩夹碳酸盐岩类岩溶裂隙水含水层和碳酸盐岩类岩溶裂隙水含水层。其中，奥灰(O2f)含水层岩溶裂隙较为发育，富水性好，由于构造条件对奥灰(O2f)岩溶水含水层的富水性及运动条件的控制作用，使得其富水性具有很强的不均一性，是构成煤层底板突水的主要威胁，尤其是对下组煤的开采。

2 煤层底板突水危险性评价

2.1 基于突水系数法矿井突水危险性评价

2.1.1 方法概述

突水系数理论应用较为广泛，其意义为单位隔水层厚度所能承受的水压值。其数学表达式如下：

式中：T为突水系数，MPa/m;p为底板隔水层承受的水压，MPa;H为底板隔水层厚度，m。

2.1．2 评价结果

计算各钻孔点处2号、11号煤层底板奥灰突水系数值(见表1)，并生成研究区煤层底板突水系数等值线图(见图1和图2)。由于研究区构造发育，取临界突水系数为0.06 MPa/m，对研究区2号、11号煤层进行突水危险性评价分区。

表1 2号、11号煤层奥灰突水系数计算结果表

由图2可知，井田内2号煤层底板奥灰突水危险性全部属于安全区。图3表明，井田内11号煤层底板奥灰突水危险区主要分布在ZK2、ZK3、ZK5、ZK6和ZK7孔所在区域内，其它区都属于安全区。

图1 2号煤层底板奥灰突水危险性分区图(突水系数法)

2.2 基于脆弱性指数法的矿井突水危险性评价

图2 11号煤层底板奥灰突水危险性分区图(突水系数法)

2.2.1 方法概述

基于GIS的AHP型脆弱性指数法是是现代综合评价技术发展的结果，其基本思路如下：

1)利用GIS采集、编辑、数据转换、概化及计算等基本功能对空间信息进行处理，建立GIS的空间数据库和属性数据库;

2)建立层次结构模型，应用AHP法构造判断矩阵，计算各因素对最终目标的权重;

3)最终结果用GIS图形表达并存储。

2.2．2 主控因素的确定及其AHP模型设计

根据紫金煤业井田地质、构造、岩性以及水文情况的综合分析，确定了影响2号、11号煤层底板奥灰突水的主要控制因素，并将研究对象划分为3个层次：目标层(A层次)、准则层(B层次)和决策层(C层次)。根据以上的层次划分，建立2号和11号煤层底板奥灰突水脆弱性评价模型，见图3。

图3 奥灰突水危险性评价层次结构模型

2.2.3 权重的确定

采用“专家评分”与附近煤矿开采实际相结合的方法，确定各主控因素对矿井奥灰突水的影响程度，构建矿井奥灰突水层次分析的判断矩阵。通过层次单排序、层次总排序及一致性检验，最终确定影响紫金煤业矿井奥灰突水各主控因素的权重(表2)，其具体计算方法参见文献［11］。

表2 影响煤层底板奥灰突水各主控因素的权重

2.2.4 各主控因素专题图的绘制

首先，根据已收集到的钻孔及水位点资料，将影响2号、11号煤层底板突水的主控因素量化，生成各主控因素属性数据库;然后，对以上数据文件进行插值计算处理，生成连续的栅格文件，建立各主控因素专题图;最后，对数据归一化处理，建立单因素属性数据库，并绘制各主控因素归一化专题图。属性数据库的建立，便于各主控因素专题图复合叠加、数据统计和查询。

2.2.4 脆弱性评价

1)基本公式。脆弱性指数VI(Vulnerability Index)反映某一地区某一地段的某一栅格位置上煤层底板突水的可能性。模型公式为：

式中：EVI为脆弱性指数;Wk为各主控因素权重;fk(x，y)为某一主控因素影响值与地理位置有关的函数，为第k个主控因素量化值归一化后的值;(x，y)为地理坐标;n为主控因素的个数。

紫金煤业影响2号、11号煤层底板奥灰突水各主控因素权重值见表2，由此，得出2号、11号煤层底板奥灰突水脆弱性评价模型为：

2)阈值确定。运用自然分级法对底板脆弱性指数进行统计分析，绘制底板突水脆弱性指数频数统计图，见图4。为了使每级组间差异最大，组内差异最小，最终得到最佳五级分级结果及各级阈值。脆弱性指数越大，煤层底板突水的可能性越大。

3)评价结果。根据分级阈值将研究区2号、11号煤层底板奥灰突水脆弱性划分为5个区域。

根据上面的分析结果，得出紫金煤矿2号、11号煤层底板奥灰突水脆弱性评价成果，见图5～6。

图4 底板脆弱性指数频数统计图

图5 2号煤层底板奥灰突水脆弱性评价分区图

图6 11号煤层底板奥灰突水脆弱性评价分区图

2号煤层底板奥灰突水脆弱性评价结果如图5所示。总体上，2号煤层底板突水危险性一般。首先，隔水层承受的奥灰水压从井田东南向西北有增大趋势，奥灰富水性由西北向东南先减小后增大;其次，由于2号煤层距奥灰含水层较远(平均122.27 m)，中间有较厚的隔水层起保护作用。区域内较脆弱区和脆弱区主要分布在断层、褶皱以及陷落柱等构造发育地带，由物探各测线断面的低阻异常特征分析可知，3条断层使得奥灰和太灰含水层水力联系密切;断层次生构造发育，影响范围较大。

11号煤层底板奥灰突水脆弱性评价结果如图6所示。从图可以看出，总体上在井田范围内11号煤层缺失较多，缺失区面积为13.29 km2，底板奥灰突水危险性较大，呈中部向东西部减弱的趋势，井田中部为脆弱区，东西部为较脆弱区、过渡区。原因在于11号煤层距底板奥陶系峰峰组灰岩较近(平均26.23 m)，隔水层厚度较小(23.66～33 m)，在隔水层承受相同的奥灰水压以及富水性等条件不变的情况下，11号煤层底板奥灰突水的可能性较2#煤层大。11号煤层底板的隔水层厚度较小，断层、褶皱以及陷落柱等构造会破坏隔水层的连续性，且奥灰水压大，一旦生产中遇到这些构造，它们可能会作为导水通道将奥灰水引入工作面，造成突水事故。这些构造分布的区域被标记为黄色过渡区，部分甚至被标记为红色的脆弱区，在实际生产中应足够重视。

利用GIS的面积统计功能，得到2号、11号煤层奥灰突水脆弱性分区成果见表3。

表3 紫金公司一号井田2号、11号底板突水脆弱性评价分区面积表

2.3 评价结果的对比分析

对比两种方法计算的2号、11号煤层底板奥灰突水的脆弱性评价分区图可以看出：传统的突水系数法将矿区分为界限分明的区块，在边界处安全状况发生了突变，显然与实际情况不符，且该方法没有将断层、陷落柱、褶皱等构造因素考虑在内;而脆弱性指数法则在综合考虑各个影响因素的前提下，将矿区分为相对安全区、较安全区、过渡区、较脆弱区和脆弱区，可以帮助工作人员对实际状况有一个度的把握。过度区域是从较安全区域到较脆弱区域的一个过渡，突水可能性不大，但濒临较脆弱区，实际生产中应得到足够重视。

采用传统突水系数法得出的2号煤层底板奥灰突水危险性评价结果为：整个矿区范围内全部属于安全区，因此，2号煤层底板奥灰突水危险性评价结果最终采用脆弱性评价结果;从图2看出，矿区内西部及中部三分之一的区域属于11号煤层缺失区，根据传统的突水系数法，结合脆弱性评价结果，11号煤层底板奥灰突水危险性评价最终结果也采用脆弱性评价结果。

3 结束语

基于GIS的AHP型脆弱性指数法作为一种对全区脆弱性进行相对评价的方法，它综合考虑多种因素，结合传统的突水系数法，考虑了各主控因素对突水影响“权重”，能较为全面客观地反映不同区域的相对脆弱性关系，并将评价结果分为相对安全区、较安全区、过渡区、较脆弱区和脆弱区。脆弱性指数法相对于传统的突水系数法考虑的更为全面。通过以上两种方法对研究区2号、11号煤层底板奥灰突水的危险性进行评价，全面分析评价各区域的突水危险性，有针对性地制定防治水对策措施与建议，对煤矿的安全生产更具有指导意义。

［1］ 国家煤矿安全监察局．煤矿防治水规定释义［M］．江苏徐州：中国矿业大学出版社，2009．

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［3］ 武强，金玉洁．华北型煤田矿井防治水决策系统［M］．北京：煤炭工业出版社，1995．

［4］ 武强，张志龙，马积福．煤层底板突水评价的新型实用方法Ⅰ—主控指标体系的建设［J］．煤炭学报，2007，32(1)：42-47．

［5］ 武强，张志龙，张生元等．煤层底板突水评价的新型实用方法Ⅱ—脆弱性指数法［J］．煤炭学报，2007，32(11)：1121-1126．

［6］ 武强，谢淑寒等．煤层底板突水评价的新型实用方法Ⅲ—基于GIS的ANN型脆弱性指数法应用［J］．煤炭学报，2007，32(12)：1301-1306．

［7］ 武强，王金华等．煤层底板突水评价的新型实用方法Ⅳ—基于GIS的AHP型脆弱性指数法应用［J］．煤炭学报，2009，34(2)：233-238．

［8］ 武强，张波等．煤层底板突水评价的新型实用方法Ⅴ—基于GIS的ANN型、证据权型、Logistic回归型脆弱性指数法的比较［J］．煤炭学报，2013，38(1)：21-26．

［9］ 孟召平，王睿，汪元有，刘建等．开滦范各庄井田12煤层底板突水危险性的地质评价［J］．采矿与安全工程学报，2010，27(3)：310-315．

［10］ 李博，郭俊，李恒凯等．基于模糊综合判别的岩溶地区煤层顶板涌(突)水危险性总体评价［J］．中国煤炭，2012，38(8)：51-55．

［11］ 罗成．GIS的AHP型脆弱性指数法在李雅庄矿底板突水评价中的应用［J］．煤田地质与勘探，2012，40(5)：47-50．