新集矿区11-2煤层有效开采区块综合评价与等级划分研究

詹 润， 张文永， 孙 贵， 韩 锋， 李宏泽， 陈新宏

(1.安徽省煤田地质局勘查研究院，合肥 230088； 2.中煤新集能源股份有限公司，安徽淮南 232001;3.中国科技大学地球和空间科学学院，合肥 230026)

煤矿地质条件综合评价与煤炭资源有效开采区块划分研究，对煤矿精准、安全、高效生产具有重要的现实指导意义。选取合理、可靠的数学评价方法，并进行煤炭资源开采区块等级划分研究，也是煤田地质勘探与开发领域长期探索的热点问题。地质构造、水害、瓦斯突出灾害是影响华北型煤田生产的三类主体危险源，针对矿井多源地质灾害，前人提出了多种不同原理的数学评价模型与定量预测方法。詹才高等，最早提出基于“等性块段”的矿井地质构造复杂程度分级定量评价方法[1]，为矿井设计选取不同采煤方法提供了基本地质依据。20世纪90年代以后，以分形几何学、模糊数学、GIS空间分析与人工智能为基础的理论与技术方法广泛应用于矿井地质构造复杂程度综合评价中[2-5]，为实现地质条件的合理、快速划分开创了新局面。在矿井水害危险性评价方面，早期学者提出了“强渗通道说”“下三带理论”“底板两带模型”“递进导升理论”“岩水应力关系理论”“KS关键层理论”等重要基础理论[6-10]。目前较为成熟的水害评价方法是基于GIS与多源信息复合叠加的多层次方法[11]，其在华北型煤矿水害预警中取得了良好的应用效果。在瓦斯突出危险性综合评价方面，许多学者提出了“单项指标法”“综合指标法”“钻屑指标法”“瓦斯地质单元法”与基于现代数学理论的区域瓦斯突出预测方法[12-13]。以上评价分析方法，从不同方面对单一灾害因素进行了多指标分析，具有一定合理性。但是，煤矿有效开采区块的识别与划分需要考虑多种地质灾害类型的叠加影响，因此以往研究方法适用范围仍然有限，很难广泛应用于实际生产开发中。因此，如何将矿井各类地质灾害影响因素数据信息快速地融合，并运用先进方法合理、准确地划分开采区块等级，仍需要开展深入的研究。

基于上述分析，本文以新集矿区11-2煤层为研究对象，建立煤厚、地质构造、水害、瓦斯突出灾害指标评价体系，同时基于Arcgis平台将各类地质信息融合，并提出煤矿有效开采区块综合、定量划分方法，为煤矿整体开发布局规划与防灾减灾工作提供科学依据。

1 地质概况

新集矿区地处安徽省淮南市凤台县内，包括新集一矿、新集二矿两个生产矿井，东西长13.51km，南北宽4.5km，总面积60.75km2(图1)。在构造位置上，研究区处于淮南煤田南缘阜凤逆冲推覆构造带的中部，主体构造格架表现为近东西向展布的前展式逆冲推覆构造样式，主采煤层均位于推覆体下原地系统二叠系中[14]。原地系统煤系地层整体向北倾伏，倾角一般5°～30°，其内主要发育近东西向断层与褶曲。矿区南部边界为阜李逆冲推覆断裂，中部发育F10大型张性断裂，两条断裂均横穿矿区，断距高达380m以上，在其旁侧次级断层密集发育，但远离两条主控断裂地区，断层较少，且规模较小，落差一般都小于20m(图1)。

图1 新集矿区11-2煤层构造纲要图Figure 1 Structural outline map of Xinji mine area coal No.11-2

11-2煤层为矿区内主采煤层，位于原地系统二叠系上石盒子组中下部，煤层发育相对稳定。由于矿区开采地质条件复杂，开采过程中各类地质灾害频发，并严重制约着矿区安全、高效生产。11-2煤层顶板砂岩含水层厚12～53m，平均厚35m，以中粒砂岩为主，裂隙发育不均一，单位涌水量0.003 31～0.32 L/s·m，渗透率0.014 7～0.86m/d，属于弱富水性中等渗透性含水层。采掘工作面揭露该煤层顶板出水频繁，且出(突)水量和稳定涌水量较大，储存量和补给量均较丰富。井下实测数据显示，11-2煤层瓦斯含量0～9.1m3/t，瓦斯压力0.56～2.1MPa，在掘进中已发现多次瓦斯动力涌出现象，该煤层也被鉴定为突出煤层。随着矿区开采范围与开采深度不断加大，在构造复杂区域与深部地带，矿井地质灾害发生的频率有进一步增加的可能。

2 综合评价指标体系

煤矿有效开采区块指的是在矿井范围内可供开发的不同优劣等级的煤炭资源开采区块。煤矿有效开采区块的综合评价与划分，是煤矿安全、高效生产的前提。《煤矿地质工作规定》(2014)中将地质构造类型简单且基本无水害、瓦斯灾害影响的地区，判定为安全、简单煤矿开采类型，而煤厚直接决定着煤矿能否实现综放综采与高效生产。因此，本次将煤厚、地质构造、煤层顶板水害、瓦斯突出灾害作为评价研究区有效开采区块的主要一级指标。

2.1 煤厚

煤厚是煤矿资源储量、产量的最主要评价指标之一，煤厚大小决定着煤矿开采方法与采煤技术的选取。煤厚越大，越有利于综放综采，并实现煤矿高效、高产。由于全国各地区煤矿地质条件差异较大，目前对适用于不同采煤方式的煤厚尚没有统一的标准。根据矿区采煤技术工艺对煤层厚度的要求，结合11-2煤层赋存特点，将煤厚划分为3个等级，即煤厚小于1.3m的基本不可采，1.3～3m有利于实现综采，煤厚>3m有利于实现综放综采(图1)。

2.2 地质构造相对复杂程度

模糊综合评判法是模糊数学最为重要的研究方法之一，对于具有模糊特征的煤矿地质构造评价与预测具有良好的应用效果。该方法运用隶属函数模型，计算不同地质因子量化数值对构造复杂程度等级的隶属度，可表征评价因素对构造复杂程度的影响作用。同时，地质构造复杂程度是多种地质因子共同作用结果，且各因子间存在非线性的联系，而灰色关联分析在处理复杂的非线性和不确定性的问题上具有明显的优势。

基于上述原理，首先利用Arcgis软件按照500m×500m规则网格将矿区划分为220个评价单元。根据矿区构造发育特征，确定了断层分维、褶皱分维、断层强度、煤层倾角变异系数4个因素作为地质构造复杂程度的定量评价指标，并在GIS里生成各指标等值线栅格图像。再利用GIS的Isodata迁移聚类功能对各因素指标值进行迭代运算，可将各类指标值聚类、收敛并划分为简单、中等、复杂3个等级，同时得到相应的指标阈值(表1)。然后，结合灰色关联法计算出各指标权重值与关联程度(表2)。通过对各指标值分布检验，确定多数指标符合正态分布的隶属函数。依据所确定的隶属函数与指标权重值，将各个指标栅格图计算所得到的空间矩阵在GIS里进行层叠集合，可得到各评价单元模糊评判等级结果与构造相对复杂程度分区图(图2)。

图2 11-2煤层厚度等级划分Figure 2 Coal No.11-2 thickness grading

表1 11-2煤层构造复杂程度各评价指标对应等级分界值

表2 11-2煤层构造复杂程度评价指标权重值与关联度

2.3 突水灾害

11-2煤层水害主要来源于其上覆的砂岩含水层，针对顶板突水复杂、变化、量多的指标控制体系，本次选取断层线密度、断层交叉点与尖灭点、单位涌水量、含水层厚度、隔水层厚度、顶板冒裂带内主关键层厚度与砂泥比8个因素作为突水主控因素，其中关键层、隔水层因素与顶板突水呈负相关关系。

图3 11-2煤层地质构造复杂程度评价分区Figure 3 Coal No.11-2 structural complexity assessment zoning

结合专家打分、 AHP层级分析原理，经多次一致性检验，通过构建判断矩阵确定因素权重(表3)，并结合GIS脆弱性指数评价方法，建立了11-2煤顶板突水脆弱性指数综合判识模型，其模型公式：

表3 顶板突水各主控因素权重

(1)

式中：Vi为危险性指数；Wk为各主控因素权重；fk(x，y)为主控因素影响函数；x，y为钻孔地理坐标；n为主控因素个数。

根据所建立的突水脆弱性指数模型，利用GIS软件空间数据处理与自然分级功能，可将矿区11-2煤顶板突水危险性程度划分为相对安全区、较危险区、危险区三个等级(图4)。

图4 11-2煤层顶板突水危险性评价分区Figure 4 Coal No.11-2 roof water bursting hazardous assessment zoning

2.4 瓦斯突出灾害

受矿井不同煤层赋存地质条件、岩性、煤体结构等因素影响，矿井瓦斯突出机理十分复杂，有时采用不同指标判断瓦斯突出危险程度会得到完全不同的结论，“低指标瓦斯突出现象经常出现”[15]。本次采用基于变权信息熵的TOPSIS法对瓦斯突出危险性进行评价，该方法结合变权思想，在尊重数据客观性的基础上能够对单指标突变现象做进一步修正，通过建立逼近理想的TOPSIS预测模型，可准确、客观地评价瓦斯突出危险性程度。其基本原理与方法如下：

1)利用熵权法计算各指标权重。

首先建立样本数m，评价指标数n的判断矩阵：X=(xij)m×n(i=1,2,……，m;j=1,2,…,n)，然后将该矩阵进行归一化、同趋势化处理，得到归一化矩阵B=(bij)m×n(i=1,2,……，m;j=1,2,…,n)式中bij为第i个评价对象的第j个指标值。

根据信息熵定义，计算熵权公式：

(2)

(i=1,2,……，m;j=1,2,…,n)

由公式2得到信息熵计算向量：

2)确定变权重与决策矩阵。

首先确定上界权重woj=wj/(minwj+maxwj)(j=1,2,……,n)，然后确定引入函数

(4)

(i=1,2,……，m;j=1,2,…,n)

计算变权后的指标权重，得到变权矩阵

T=[tij]m×n

(5)

根据归一化化矩阵与变权矩阵可得到最终决策矩阵B′=B·TT。

3)TOPSIS法优选排序。

根据最终决策矩阵B′中对应数据，计算评价对象的理想解和负理想解：

依据接近度大小，可以对各评价指标进行优劣排序。

根据新集矿区瓦斯赋存与突出特征，利用11-2煤层91个钻孔与井下瓦斯数据，选取瓦斯含量、构造分维、构造煤厚度、顶板30m内砂泥岩比、埋深、煤厚变异系数6个主控因素，采用变权信息熵可得到每个钻孔各主控因素权重值，结合TOPSIS法对矿区11-2煤层瓦斯突出危险性进行优选排序，并在GIS中运用反距离权重与自然分级功能将研究区划分为相对安全区、较危险区和危险区3个等级(图5)。

图5 11-2煤层瓦斯突出危险性评价分区Figure 5 Coal No.11-2 gas bursting hazardous assessment zoning

3 基于GIS的有效开采区块等级划分原理与方法

3.1 原理与方法

基于上述在GIS中建立的煤厚、构造、突水、瓦斯突出指标评价数据库与分区模型，采用GIS图形加权叠加分析法对有效开采区块进行等级划分。具体方法是将四个一级评价指标划分出的等级区块依次叠加，同时突出主要指标的影响作用和权重系数，以实现开采区块的合理划分。根据研究区实际开采地质条件与地质灾害影响程度，本次确定了煤厚(A1)>地质构造(A2)>顶板水害(A3)>瓦斯灾害(A4)的指标权重评价体系，并将煤矿开采区域划分为有利开采区、较有利开采区、可改造区、威胁区与不利开采区5个等级区块，其中煤厚与地质构造具有“一票否决权”，即在煤厚较薄或构造复杂处，可直接判定为不利开采区块。具体评价方法与划分原则如下。

1)首先根据煤厚划分出的等级，将矿区划分如下：煤厚>3m为有利于综放综采区块，1.3～3m为有利于综采区块，煤厚<1.3m为不利开采区块。在煤厚<1.3m的不利开采区块内，不管其他指标如何变化，均认为不能实现高效开采。

2)在煤厚>1.3m的区域内，叠加构造评价分区图，将构造复杂区划分为不利开采区块，即在构造复杂区内，不管水害、瓦斯突出灾害危险性程度多大，均认为不能实现安全开采。

3)根据步骤2划分出的其他区块内，叠加突水危险性评价分区图，将突水危险且瓦斯突出危险区作为威胁区块，将突水安全且瓦斯安全区作为有利区块。其他区域内，将突水较危险区作为可改造区块，突水安全区作为较有利区块。

4)根据步骤3划分出的威胁与可改造区块内，叠加瓦斯突出危险性分区图，将瓦斯突出危险与较危险区作为可改造区块，将瓦斯相对安全区作为较有利区块。

3.2 指标量化

为了在GIS中将不同类型地质灾害信息指标融合，并快速、精准地划分出不同等级的开采区块，需要运用GIS重分类功能，对各评价分区结果再进行栅格量化处理，其量化结果表4和表5。

表4 有效开采区块指标体系量化栅格数值

表5 有效开采区块综合划分结果与GIS重分类栅格数值对照

4 有效开采区块划分结果分析

4.1 划分结果

根据上述确定的有效开采区块等级划分原理、方法与指标量化标准，利用GIS栅格计算器对各个评价分区图层进行叠加运算，最终得到了11-2煤层有效开采区块等级划分结果(图6)。新集矿区11-2煤层不利开采区块主要分布在矿区中部F10断裂带沿线及其附近地带，在南侧阜李断裂旁侧也有零星分布，该区域也是地质构造最为复杂地区(图1)，其内水害与瓦斯灾害也较为严重。威胁区块仅发育在新集一矿西南角，占矿区总面积仅1%，其内煤炭资源虽然可采，但突水与瓦斯突出危险性共存，发生灾害事故的可能性较大。可改造区块主要分布在新集二矿F10断裂带南北两侧及阜李断裂沿线，该区域构造发育中等，突水或瓦斯突出危险性较高，但可通过一些防治水与瓦斯治理工程将其改造为较有利或有利开采区块。较有利区块主要分布在新集一矿F10断裂带南北两侧及新集二矿中东部地区，该区域构造较简单，突水危险性程度低，但局部存在瓦斯突出的危险。有利开采区块分布在新集一矿F10断裂与阜李断裂之间及阜李断裂基岩露头线以南地区，该区域煤层埋深较浅、赋存稳定，断裂发育稀少(图1)，基本无水害和瓦斯突出影响(图4、图5)，是矿区最有利开采区。

图6 有效开采区块等级划分Figure 6 Available extraction block grading

4.2 与实际情况对比验证

新集矿区11-2煤层开采过程中已发生过4次瓦斯突出现象，突出点均位于新集一矿F10断裂以北的中央采区西翼工作面内，该区域也是本次评价的构造复杂区与瓦斯突出较危险区(图5)。根据历年突水调查台账，将11-2煤层突水点信息投影至评价结果分区图上可见，所有突水点均位于构造复杂区或突水危险区内，同时也是本次综合评价的不利开采区块与可改造区块(图6)。通过与实际灾害发生点信息对比分析，验证了本次构建的有效开采区块分析模型合理且精度较高。

5 结论

1)为准确、合理地评价煤矿开采区块等级，以新集矿区11-2煤层为例，选取煤厚、地质构造、水害、瓦斯突出灾害作为本次评价的一级指标，并基于GIS平台分别建立了构造复杂程度模糊评判分区模型、顶板突水脆弱性指数分区模型、瓦斯突出熵变权TOPSIS分区模型及其相应的数据库。

2)根据研究区实际开采地质条件，通过对评价指标栅格量化处理，运用GIS图形加权叠加分析功能，将矿区划分为不利、威胁、可改造、较有利与有利5个等级的开采区块，该划分方案可为矿区煤炭资源整体开发与规划布局提供科学依据。

3)利用实际灾害发生点信息对本次评价结果进行对比分析可知，已发生的事故点均位于综合评价的构造复杂区或突水、瓦斯突出危险区域内，属于不利开采区块与可改造区块，说明本次构建的分区模型合理且评价方法可行。