华北型煤田中奥陶统碳酸盐岩古风化壳天然隔水性能评价方法与应用

武 强,贾 秀,曹丁涛,梁永平

(1．中国矿业大学(北京)煤炭资源与安全开采国家重点实验室,北京 100083;2．兖州煤业股份有限公司,山东邹城 273500;3．中国地质科学院岩溶地质研究所,广西桂林 541004)

华北型煤田中奥陶统碳酸盐岩古风化壳天然隔水性能评价方法与应用

武 强1,贾 秀1,曹丁涛2,梁永平3

(1．中国矿业大学(北京)煤炭资源与安全开采国家重点实验室,北京 100083;2．兖州煤业股份有限公司,山东邹城 273500;3．中国地质科学院岩溶地质研究所,广西桂林 541004)

随着开采深度逐渐加大和下组煤逐步回采,华北型煤田的中奥陶统碳酸盐岩(局部寒武系)底板突水问题和浅部上组煤大批关闭煤矿老空水对下伏岩溶水的越流(串层)污染问题日趋严重。通过对山东兖州煤田中部矿区大量地质勘探资料的系统整理、统计与分析,从中奥陶统灰岩顶部古风化壳厚度、岩性特征、钻孔岩芯采取率、冲洗液消耗量、裂隙发育情况和充填压实程度、构造发育等多方面开展了其隔水性能的综合研究,建立了刻画其隔水性能的指标体系,运用GIS强大的数据管理与空间分析功能和信息融合技术,创建了面向GIS的信息融合型隔水性能评价方法——隔水性指数法,提出了古风化壳隔水性能评价的技术路线和具体工作程序,并进行了示范工程的实际应用。

华北型煤田;中奥陶统碳酸盐;古风化壳;隔水性能;隔水性指数法

Key words：North China coalfield;carbonatite in Middle Ordovician;ancient weathering crust;impermeability;aquifuge index method

随着煤炭资源开发强度进一步加大,华北型煤田浅部和上组煤煤炭资源渐趋匮乏,深部和下组煤煤炭资源开发已成必然趋势。影响并控制这种趋势发展的水害问题除了浅部和上组煤积水采空区的透水灾害外,煤层底板突水灾害和闭坑矿山老空水对下伏岩溶水的串层污染是首要的难题。由于下组煤距底板中奥陶统灰岩(局部为寒武系)距离近,奥灰含水层水压高且富水性强,按照《煤矿防治水规定》要求,大部分下组煤和深部煤炭资源的底板突水系数均超临界值,无法实施安全回采[1-3]。为了解决这个难题,目前常采用的思路就是采用人工工程干预方法,比如井下单工作面或地面区域人工注浆工程措施(加固底板隔水层强度,改造底板含水层富水性,封堵断裂和裂隙密集带等构造通道,人工帷幕堵截地下水集中补给带等);或对封闭、半封闭岩溶地下水系统采取有效的人工疏降工程措施(降低奥灰岩溶含水层地下水压已满足带压开采要求);或二者结合的人工工程措施。未能充分分析并开发利用奥灰顶部古风化壳所存在的天然隔水性能。事实上,在加里东构造运动后的奥灰顶界面在历经近亿年的地表风化剥蚀与侵蚀作用,虽然在顶部形成了一些溶蚀孔洞和风化岩溶裂隙等岩溶空间,但幸运的是,受古地形、古地貌、古气候和古水文等因素影响,这些风化岩溶空间大部分被后期的黏土和亚黏土等透水性极弱物质所充填,并在上覆地层重力荷载作用下压密填实,形成了具有天然隔水性能的古风化壳[4]。古风化壳所存在的这种天然隔水性能,圆满解释了煤层底板突水评价中许多远大于临界值的突水点却在开采实践中从未发生突水的现象。因此,研究华北型煤田中奥陶统(局部寒武系)灰岩古风化壳天然存在的隔水性能、隔水性刻画指标体系、隔水性分布规律、评价方法和工程应用等,对解决我国华北型煤田目前面临的深部和下组煤煤炭资源开发的底板突水和老空水的串层污染难题,具有极其重要的意义[5-6]。

1 刻画古风化壳隔水性能的指标体系

奥灰顶部古风化壳隔水性是指晚古生代煤系地层与中奥陶统假整合接触界面以下在承压状态到初次出水位置这一厚度范围内的碳酸盐岩层所具有的阻水性能[7]。奥灰顶部古风化壳发育特征和壳厚展布规律受控于原始碳酸盐岩岩性与结构、地质构造、古地形、古地貌、古气候和古水文等多种因素,其隔水性在空间分布上呈明显的非均匀和各向异性特点[8]。因此,奥灰顶部古风化壳隔水性能应从立体空间角度开展研究。

“块段理论”是从平面和剖面两个视角开展古风化壳隔水性能研究的一种有效方法,依据各个指标在钻孔剖面上的平均值进行加权平均得到综合值,在平面上以此综合值得到的分区称为“块”;对应“块”的研究,把对剖面上不同标高层位各指标的加权平均值值的分区称为“段”,结合“块”与“段”的分区分析,即可解决古风化壳隔水性能的立体研究。

根据煤矿区大量奥灰勘探钻孔柱状图、碳酸盐岩岩性(组合)与结构、地质构造、煤层底板奥灰突水案例等的综合分析和总结,提出了刻画华北型煤田奥灰古风化壳隔水性能的主要指标,建立了由碳酸盐岩岩性与岩性组合、地质构造、钻孔岩芯采取率、钻孔冲洗液消耗量、岩溶裂隙发育情况与充填压实程度和隔水厚度等六大指标组成的刻画古风化壳隔水性能指标体系(图1)。

图1 刻画古风化壳隔水性能的指标体系Fig．1 Weathering crust impermeablity portraying indicator system

根据1976年峰峰地层会议,中奥陶统是一套可划分为3组8段的碳酸盐岩地层,在其顶部的原始地层岩性与结构不同,其风化程度不同,岩溶发育有别,故其渗透性也不同,隔水能力就存在差别。不同岩性地层的岩溶发育程度为：灰岩＞白云质灰岩＞白云岩＞不纯灰岩＞不纯白云岩[9]。

地质构造影响控制古风化壳的隔水性能,在断裂构造、岩溶裂隙密集带和褶皱轴部,古风化壳隔水性能下降,特别在这些构造线的断点和交叉点处,地应力相对集中,其隔水性能下降明显[10-11]。

钻进中奥陶统碳酸盐岩古风化壳的钻孔,其钻孔在不同深度的岩芯采取率和冲洗液消耗量反映了岩体完整性和岩溶裂隙发育程度。岩芯采取率愈低,冲洗液消耗量愈大,说明古风化壳岩体愈破碎,岩溶裂隙愈发育,充填压实程度愈差,渗透性能愈强,其隔水性能愈差,中奥陶统碳酸盐岩地下水突入矿坑的危险性就愈大;反之亦然。

古风化壳的岩溶裂隙发育好坏和充填压实程度,也是刻画其隔水性能的一个重要指标。岩溶裂隙发育、弱发育、不发育和全部充填压实、部分充填压实、无充填压实,直接影响古风化壳的隔水性能。根据二者的关系,表1提出了评价古风化壳岩溶裂隙发育情况及充填压实程度的综合指数值。

表1 岩溶裂隙发育情况及充填压实程度的综合指数Table 1 Composite index of karst fissures conditions and the degree of filling and compaction

古风化壳隔水厚度大小直接影响控制其隔水性能,隔水厚度愈大,古风化壳隔水能力愈强,对煤层底板突水的控制作用就愈大,反之亦然。

2 古风化壳隔水性能评价方法——“隔水性指数法”

根据刻画古风化壳隔水性能的指标体系可看出,古风化壳隔水性能评价需要考虑多个不同作用机理的空间指标因素的综合影响。由于各指标因素数据具有随空间坐标变化的特征,而地理信息系统(GIS)具有强大的统计、分析和处理这种具有空间属性特征的数据功能,因而可方便实现对空间数据的采集、统计、分析、计算、显示及制图等综合处理;虽然刻画古风化壳隔水性能的指标因素有多个,但他们对其隔水性能的影响程度是不同的,现代信息融合技术可方便地处理并定量确定不同的指标因素对古风化壳隔水性能的控制“权重”。因此,基于GIS的信息融合型隔水性指数法,充分利用了GIS与信息融合技术的各自优势,成功地解决了这种具有多源影响因素但其影响程度不同的古风化壳隔水性能的评价预测难题。

GIS是一门科学管理和综合分析处理具有空间内涵地理数据的计算机空间信息系统,他具有强大的地理数据输入、存储、检索、分析、输出、显示和制图等功能。它可建立GIS的空间数据库、属性数据库、各因素指标专题图和归一化专题图等,也可对多因素指标专题图实施多源信息的复合叠加处理,并完成制图、显示和输出及存储等操作。

信息融合技术就是数据融合技术,是一个对从单个和多个信息源获取的数据和信息进行关联与综合、以获得精确的位置和身份估计以及重要程度的信息处理过程,该过程是对信息处理过程不断自我修正的一个过程,以获得结果的改善[12-13]。

3 “隔水性指数法”评价思路与工作程序

3.1 刻画隔水性能的指标确定及专题图的建立

根据刻画奥灰顶部古风化壳隔水性指标体系的分析,从岩性(组合)与结构、岩芯采取率、冲洗液消耗量、裂隙发育情况及充填压实程度、隔水段厚度和构造量化值进行深入探究。

利用研究区搜集到的资料,将刻画隔水性能的各指标坐标及量化值输入GIS生成相应的数据文件,进行网格剖分、插值等处理,建立各指标专题图,如岩性(组合)与结构、岩芯采取率、冲洗液消耗量、裂隙发育情况及充填压实程度、隔水厚度、构造量化专题图。

为了消除各指标不同量纲数据对评价结果的影响,使数据具有可比性及统计意义,便于系统分析。经过归一化处理后,分别建立各指标属性数据库,绘制归一化专题图。

3.2 基于信息融合技术的各指标权重系数的确定

根据刻画奥灰顶部古风化壳隔水性指标体系的分析,采用信息融合技术确定各指标的影响权重。信息融合的常用方法基本上可概括为随机和人工智能两大类,随机类算法主要包括加权平均法、卡尔曼滤波法、多贝叶斯估计法和证据推理等;人工智能类则主要包括神经网络、模糊逻辑理论、粗集理论和层次分析法等。由于一般研究区对埋藏较深的奥灰岩溶裂隙含水层的地质勘探程度偏低,获取的古风化壳隔水性能的刻画指标有关信息和数据有限,因此,基于定性与定量相结合地处理各种不确定决策因素相对比较灵活简洁的层次分析法(AHP),在确定古风化壳各指标的权重系数方面,显示出诸多优势。

层次分析法将古风化壳隔水性能刻画指标体系划分为3个层次,即目标层(A层次)、准则层(B层次)和决策层(C层次)。采用专家评分方法,对刻画隔水性能的众多指标进行打分,根据最后累计得分情况,进行各指标间的总分比较,形成专家对各指标的评判集,由此构建AHP评价的判断矩阵。根据判断矩阵计算出各指标对古风化壳隔水性能的最终影响权重值[14-15]。

3.3 专题图的叠加和隔水性评价模型的建立

在进行多指标拟和分析之前,须进行复合叠加处理,将各有关指标的信息存储层复合成一个信息存储层,使所生成的信息存储层中包含所有相关指标的信息,实际上就是把各单指标消除量纲后的归一化专题图配准合成一个新的图形并重建拓扑形成新的拓扑关系属性表。根据刻画古风化壳隔水性能各指标的归一化专题图和各指标对隔水性能的影响权重分析与定量计算,表明各指标作用的隔水性能评价数学模型可表示为

式中,IA为隔水性能指数;Wi为各指标影响权重;fi(x,y)为各指标经归一化后的量化值,即为研究区任一栅格位置上的各指标对隔水性能产生的叠加影响总和;x,y为地理坐标;n为刻画指标的个数。

3.4 隔水性能区划与评价

根据评价模型中计算的各个栅格的隔水性指数,运用分级地图上常用的自然分级法,对其进行频数统计,结合研究区生产实践,可确定各分级阈值和对应的分级结果,最终即可对研究区奥灰古风化壳的隔水性能做出合理的多级分区。显然,隔水性能指数越大,隔水性越好,奥灰对下组煤开采的影响就越小,反之亦然[16-21]。

4 实例研究

4.1 指标的确定及专题图的建立

本次研究范围为兖州煤田中部的南屯、鲍店、东滩、兴隆庄及杨村5个矿区。奥灰顶部古风化壳岩性主要以石灰岩为主,致密坚硬,局部发育少量岩溶裂隙,溶蚀孔洞裂隙大部分被填充,充填物以碳酸盐风化产物、方解石脉、泥岩等为主。因此奥灰顶部古风化壳富水性弱,透水性小。

由于研究区地质勘探程度和其他条件等的限制,本次确定的刻画奥灰古风化壳隔水性能的指标主要包括岩芯采取率、裂隙发育情况及充填压实程度、隔水段厚度和地质构造。应用GIS的空间数据分析、处理和制图功能,建立各指标空间属性数据库,研究区的岩芯采取率、裂隙发育情况及充填压实程度、隔水厚度和地质构造指标的归一化专题图,如图2所示。

图2 各隔水性指标归一化专题Fig．2 Normalization thematic maps of each impermeable indicator

4.2 各指标权重的确定及专题图叠加

根据古风化壳隔水性能的刻画指标,确立层次分析模型,划分为3个层次。隔水性评价为层次A,岩性(B1)、厚度(B2)、构造(B3)构建B层次,岩芯采取率(C1)、裂隙发育情况及充填压实程度(C2)、隔水厚度(C3)、地质构造分布(C4)构成C层次。采用专家评分方法,构建隔水性能的层次分析评价判断矩阵,求解矩阵即可确定各隔水性指标的权重系数为：W1= 0．061,W2=0．061,W3=0．229 7,W4=0．648 3。

对各指标归一化专题图进行叠加形成新的专题图,根据各指标权重的确定重建拓扑形成新的拓扑关系属性表。

4.3 模型的建立及分区评价

根据前述分析与计算,研究区古风化壳隔水性评价模型为

式中,f1(x,y),f2(x,y),f3(x,y),f4(x,y)分别为岩芯采取率、裂隙发育情况及充填压实程度、隔水厚度和地质构造分布。

根据评价模型中计算的各个栅格的隔水性指数,采用自然分级法对隔水性指数进行统计处理,由频数统计可看出(图3),各级分区的阈值分别为0．66, 0．71,0．78,0．87。因此,研究区奥灰古风化壳隔水性能的5级合理分区如图4所示,其中IA≤0．66为隔水性弱区,0．66＜IA≤0．71为隔水性较弱区,0．71＜IA≤0．78为隔水性过渡区,0．78＜IA≤0．87为隔水性较强区,IA＞0．87为隔水性强区。

图3 隔水性指数频数统计Fig．3 Statistical graph of the aquifuge index

由图4可知,隔水性强和较强区集中在兖州向斜等规模较大褶皱附近、兴隆庄北部和东部小部分区域,该区域没有大的断层影响,各指标属性值也较大;隔水性过渡区为隔水性强区向弱区的过渡区域,东部边界构造密集,构造规模整体相对较小,对隔水性能影响相对小些,岩芯采取率和裂隙发育情况及充填程度情况对隔水性较有利,隔水厚度适中;隔水性较弱和弱区主要在地质构造较发育区,东南、西部隔水厚度较小,中部区域岩石完整性与裂隙发育及充填程度差,对其隔水性不利,在井下采掘过程中应高度重视。

图4 古风化壳隔水性评价分区Fig．4 Impermeability evaluation zoning of weathering crust

4.4 隔水性评价模型的检验

根据研究区奥灰钻孔剖面柱状图(图5(a))和古风化壳隔水性平面分区(图4)可看出,鲍9相对于鲍11、鲍8和南7而言,古风化壳厚度较大,岩芯采取率较高,故其位于隔水性强区。而鲍11、鲍8和南7由于地处断裂和褶皱构造带附近,受其影响,岩层较为破碎,岩芯采取率较低,古风化壳厚度较小,隔水性位于较强区;兴4b相对鲍9而言,由于其古风化壳厚度较小,岩芯采取率也略低,故其隔水性位于过渡区。

图5 奥灰钻孔古风化壳隔水性剖面统计分析Fig．5 Ancient weathering crust impermeable profile of Ordovician limestone drillings statistics diagram

由图5(b)和图4对比分析可看出,2DX1和DX5相对DX10而言,古风化壳厚度相对较大,岩芯采取率较高,故位于隔水性较强区,而DX10因地质构造影响,古风化壳厚度较小,岩芯采取率相对较低,位于隔水性过度区。

根据上述分析,奥灰古风化壳隔水性平面分区结论与钻孔剖面柱状图统计分析结果比较吻合,隔水性评价的平面分区得到剖面统计资料的佐证,准确度较高,评价结果比较理想。

5 结 论

(1)详细分析了矿区的地质、水文地质资料和奥灰含水层的含、隔水条件,认为区域内奥灰顶部存在古风化壳隔水层,且壳厚在区域上存在差异,对其壳厚发育规律和隔水性能进行了深入研究。

(2)鉴于矿区奥灰古风化壳隔水性能不均一性和各向异性,提出了从平面和剖面不同视角立体研究古风化壳隔水性能的“块段理论”。

(3)提出了刻画古风化壳隔水性能的指标体系,包括岩性(组合)与结构、地质构造、钻孔岩芯采取率、冲洗液消耗量、岩溶裂隙发育情况与充填压实程度和隔水厚度等指标,其中岩溶裂隙发育情况与充填压实程度再细划分为7个数量等级,即裂隙不发育、弱发育充填、弱发育部分充填、弱发育无充填、发育充填、发育部分充填、发育无充填。

(4)创建了基于GIS的信息融合型隔水性指数评价模型,并提出了评价预测的技术路线和具体工作程序。根据矿区勘探资料,确定隔水性指标,收集并处理数据,绘制各指标专题图;应用信息融合技术,确定各指标影响权重值;数据归一化处理并对各指标归一化专题图叠加;运用自然分级法,结合矿井生产实践,确定分级阈值;建立反映某一栅格位置上的各种指标因素对其产生的叠加影响总和的隔水性评价模型。

(5)针对兖州中部矿区煤层底板突水和老空水的串层污染问题日益严重的现状,应用基于GIS的AHP型隔水性指数评价模型,预测评价了研究区奥灰古风化壳隔水性能,提出了隔水性能的5级分区。

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Impermeability evaluation method and its application on the ancient weathering crust of carbonatite in Middle Ordovician system in North China coalfield

WU Qiang1,JIA Xiu1,CAO Ding-tao2,LIANG Yong-ping3

(1.State Key Laboratory of Coal Resources and Safe Mining,China University of Mining&Technology(Beijing),Beijing 100083 China;2.Yanzhou Coal Mining Co.,Ltd.,Zoucheng 273500,China;3.Institute of Karst Geology,Chinese Academy of Geological Sciences,Guilin 541004,China)

With the gradual increase in mining depth and the lower coal seam group mining in North China coalfield, the problems of water inrush into coal mine from the Ordovician carbonatite aquifer underlying the coal seam group and the goaf water flow pollution to the Ordovician carbonatite aquifer are growing seriously．According to systematic statistics and analysis of a large number of geological exploration data in the central coalfield of Yanzhou Shandong Province,author carried out a comprehensive study of the ancient weathering crust impermeability from the weathering crust thickness,drilling core recovery rate,drilling fluid consumption,weathering fracture development and filling degree,geological tectonic development and other aspects of the Middle Ordovician limestone,and established the indicator system to characterize its impermeability,and applied the powerful data management and spatial analysis functions of GIS and information fusion technology to create a GIS-oriented information fusion impermeability evaluation method—aquifuge index method,and put forward technology roadmap and specific work procedures of the aquifuge index method, and has applied the method to a real project．

TD745

A

0253-9993(2014)08-1735-07

2014-03-26 责任编辑：韩晋平

国家自然科学基金资助项目(51174289,41102180);中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(2010YD02)

武 强(1959—),男,内蒙古呼和浩特人,教授,博士生导师。E-mail：wuq@cumtb．edu．cn

武 强,贾 秀,曹丁涛,等．华北型煤田中奥陶统碳酸盐岩古风化壳天然隔水性能评价方法与应用[J]．煤炭学报,2014,39(8)： 1735-1741．

10．13225/j．cnki．jccs．2014．9002

Wu Qiang,Jia Xiu,Cao Dingtao,et al．Impermeability evaluation method and its application on the ancient weathering crust of carbonatite in Middle Ordovician system in North China coalfield[J]．Journal of China Coal Society,2014,39(8)：1735-1741．doi：10．13225/j．cnki．jccs．2014．9002