胡正義，趙德星，王福龍，牛步航

(1.山西蘭花同寶煤業(yè)有限公司，山西 高平 048407；2.太原理工大學(xué) 水利科學(xué)與工程學(xué)院，山西 太原 030024；3.太原理工大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，山西 太原 030024)

煤層在開采過程中，圍巖會發(fā)生破壞，頂?shù)装逡仔纬刹蓜恿严?，?dāng)采動裂隙影響范圍內(nèi)存在富水性比較強(qiáng)的含水層時，就會引起突水，威脅生產(chǎn)安全[1-3]。因此，含水層的富水性是決定煤礦是否存在突水危險的重要基礎(chǔ)，含水層富水性的評價也成了防治水工作的基礎(chǔ)和礦井設(shè)計的重要依據(jù)[4-8]，對保障煤礦安全生產(chǎn)具有重要意義。

目前，針對含水層富水性的評價方法主要包括：抽水試驗法、物探法、富水性指數(shù)法等方法[3-24]。最常用的抽水試驗法，主要是依據(jù)抽水試驗得到的單位涌水量數(shù)據(jù)對含水層富水性進(jìn)行評價[4，13-20]，該實(shí)測方法精度高；但由于含水層大都存在很強(qiáng)的非均質(zhì)性，易產(chǎn)生“一孔之見”的現(xiàn)象[5,15-24]，因此僅利用一個水文孔的數(shù)據(jù)不足以反映整個含水層的富水性。物探法覆蓋面積廣，且成本較低，但是由于物探容易受到多重因素的干擾，以及物探數(shù)據(jù)解譯存在多解性，因此其精度并不高[16-18]。針對此問題，邱梅等[17]融合了灰色理論和模糊數(shù)學(xué)的現(xiàn)代數(shù)學(xué)方法提出了一種新的富水性評價方法，并且結(jié)合物探手段對山東良莊煤礦的含水層富水性進(jìn)行了評價，該方法具有現(xiàn)代數(shù)學(xué)與物探的多種優(yōu)點(diǎn)，克服了單一手段評價富水性的不足。富水性指數(shù)法是武強(qiáng)等[18]提出的一種基于GIS的多因素綜合評價方法，該方法首先通過詳細(xì)挖掘含水層的所有地質(zhì)信息，確定影響含水層富水性的因素，分析各因素的分布規(guī)律，并利用GIS強(qiáng)大的空間分析能力對各因素進(jìn)行融合疊加，然后利用層次分析法等方法計算各因素在含水層富水性中所占的權(quán)重，最終建立含水層富水性的GIS 評價模型，得到富水性的評價分區(qū)結(jié)果。該方法很好地克服了僅僅依靠單一單位涌水量數(shù)據(jù)計算整個含水層富水性的不足，充分挖掘了包括含水層、構(gòu)造、隔水層等多方面的地質(zhì)信息，并在實(shí)際應(yīng)用中取得了很好的效果。

本文利用富水性指數(shù)法對同寶煤礦15號煤層頂板含水層的富水性進(jìn)行了評價。根據(jù)經(jīng)驗公式計算可知，15號煤層導(dǎo)水裂隙帶最大高度為70.82 m，可以溝通15號煤層頂板之上石炭系上統(tǒng)太原組巖溶裂隙含水層，若該含水層富水性較強(qiáng)，則會引起相應(yīng)的突水安全問題，尤其是若存在未查明的小斷層、裂隙發(fā)育帶或陷落柱時，將導(dǎo)致太原組灰?guī)r巖溶裂隙含水層發(fā)生突水情況。因此，有必要對該含水層進(jìn)行富水性評價。在此，首先分析了影響頂板含水層富水性的因素，然后運(yùn)用層次分析法(APH)對各影響因素的權(quán)重進(jìn)行計算，最后對含水層富水性進(jìn)行了評價。

1 研究區(qū)概況

山西蘭花同寶煤業(yè)有限公司位于山西省高平市西南方向，井田批采煤層為3號—15號煤層，其中3號和15號煤層為井田可采煤層，9號煤層為井田大部可采煤層，其余均為不可采煤層。依據(jù)井田內(nèi)或附近已有的地質(zhì)勘探孔、水文地質(zhì)勘探孔和以往資料可知，井田內(nèi)主要含水層有松散層孔隙含水層、基巖風(fēng)化帶裂隙含水層、二疊系上統(tǒng)上石盒子組砂巖裂隙含水層、二疊系下統(tǒng)下石盒子組及山西組砂巖裂隙含水層、石炭系上統(tǒng)太原組巖溶裂隙含水層、奧陶系中統(tǒng)石灰?guī)r巖溶裂隙含水層。其中，石炭系上統(tǒng)太原組巖溶裂隙含水層由K2、K3、K4、K5共4層石灰?guī)r組成，單層厚度為0.30～9.24 m，平均總厚度為15.75 m。根據(jù)鉆孔揭露情況，K2、K5灰?guī)r局部巖溶裂隙較為發(fā)育。從簡易水文試驗發(fā)現(xiàn)，多數(shù)鉆孔沖洗液均有少量漏失，鉆孔水位變化較小。

根據(jù)井田內(nèi)5號孔對15號煤頂板含水層進(jìn)行的抽水試驗可知，該含水層單位涌水量為0.004 9 L/(s·m)，滲透系數(shù)為0.029 1 m/d，水位標(biāo)高為811.44 m，水化學(xué)類型為SO4·HCO3-Ca·Mg型水。另據(jù)井田北邊界外約1.3 km處Y-32號孔抽水試驗資料顯示，單位涌水量為3.73 L/(s·m)，水位標(biāo)高為824.39 m，水化學(xué)類型為HCO3·SO4-Ca·Mg型。礦井正常涌水量為19.6 m3/h，最大涌水量為25 m3/h，且礦井涌水量與降水量存在一定正相關(guān)關(guān)系，礦井水文地質(zhì)類型為中等。

2 含水層富水性影響因素確定

在全面分析礦井水文地質(zhì)條件及現(xiàn)有勘探資料的基礎(chǔ)上，確定了影響15號煤層頂板含水層富水性的主要因素包括：灰?guī)r厚度、巖芯采取率、脆塑巖厚度比、沖洗液消耗量，并分別繪制了各個影響因素的專題圖。

2.1 灰?guī)r厚度

灰?guī)r厚度是影響含水層富水性最直接和最重要的因素，灰?guī)r厚度越大，含水層富水性越強(qiáng)。通過統(tǒng)計K2、K3、K4、K5共4層石灰?guī)r的總厚度，繪制了灰?guī)r厚度專題圖，如圖1所示。由圖可知，15號煤層頂板灰?guī)r含水層的厚度為14.69～19.38 m，其中灰?guī)r厚度最大的區(qū)域在礦井中部，灰?guī)r平均厚度為18.5 m左右，然后灰?guī)r厚度向四周逐漸減小。

圖1 15號煤層上覆灰?guī)r厚度專題圖

2.2 巖芯采取率

巖芯采取率反映了巖層的完整程度，巖芯采取率的數(shù)值越大說明巖層越完整;數(shù)值越小說明巖石越破碎，裂隙越發(fā)育，則富水性就會越好[12]。巖芯采取率專題圖如圖2所示。從圖中可以看出，15號煤層頂板巖芯采取率在80%～86%范圍內(nèi)，說明15號煤層頂板巖層具有較好的完整性，且?guī)r層分布非均質(zhì)性比較小，故取值較為集中；巖芯采取率最大的區(qū)域在礦井中部，巖芯采取率平均值為84%，說明礦井中部巖層完整性相對較好。

圖2 15號煤層上覆灰?guī)r巖芯采取率專題圖

2.3 脆塑巖厚度比

脆塑巖厚度比是指頂板含水層中脆性巖和塑性巖的厚度比例。脆性巖是指砂巖、灰?guī)r等硬巖，其裂隙通常較發(fā)育；塑性巖是指泥巖、頁巖等軟巖，通常不易發(fā)育裂隙。而裂隙率直接反映含水層富水性的強(qiáng)弱，脆塑巖厚度比數(shù)值越大說明含水層富水性越強(qiáng)。15號煤層頂板含水層脆塑巖厚度比專題圖如圖3所示。由圖可知，頂板灰?guī)r脆塑巖厚度比為0.51～1.70，大部分區(qū)域脆塑巖厚度比集中在0.87以內(nèi)，只有礦區(qū)中部灰?guī)r脆塑巖厚度比達(dá)到1.59以上，說明15號煤層頂板大部分區(qū)域脆性巖厚度小于塑性巖，相對而言隔水性能比較好，只有局部脆塑巖厚度比達(dá)到1.5以上，這些區(qū)域相應(yīng)的含水層富水性較強(qiáng)。

圖3 15號煤層上覆巖層脆塑巖厚度比專題圖

2.4 沖洗液消耗量

沖洗液消耗量是指勘探階段，打鉆過程中鉆孔沖洗液的消耗損失，損失量越大，說明裂隙和巖溶發(fā)育越強(qiáng)，富水性也就越強(qiáng)[14]。沖洗液消耗量專題圖如圖4所示。由圖可知，礦井整體沖洗液消耗量較小，均集中在3.23 m3/h以內(nèi)，只有在礦區(qū)的西部邊界處局部區(qū)域的沖洗液消耗量比較高，達(dá)到30 m3/h以上，說明頂板灰?guī)r的整體裂隙相對不發(fā)育，以塑性巖為主。

圖4 15號煤層上覆巖層沖洗液消耗量專題圖

3 基于層次分析法的權(quán)重計算

各主控因素對頂板含水層富水性影響的權(quán)重大小不同，在此利用層次分析法對各因素的權(quán)重進(jìn)行分析計算。層次分析法是一種將定性與定量分析相結(jié)合的方法，能夠有效解決復(fù)雜問題中的決策準(zhǔn)則及內(nèi)在關(guān)聯(lián)，因此被廣泛應(yīng)用于權(quán)重計算。運(yùn)用層次分析法進(jìn)行決策時，層次結(jié)構(gòu)計算流程如圖5所示。各因素的權(quán)重計算主要包含3個步驟:一是建立層次結(jié)構(gòu)分析模型，二是構(gòu)造判斷矩陣，三是進(jìn)行層次排序及一致性檢驗，在此基礎(chǔ)上計算各影響因素的權(quán)重[20]。

圖5 層次結(jié)構(gòu)計算流程圖

3.1 建立層次結(jié)構(gòu)分析模型

根據(jù)對影響含水層富水性因素的分析，確定了灰?guī)r厚度、巖芯采取率、脆塑巖厚度比、沖洗液消耗量4個影響因素，將影響因素劃分為目標(biāo)層、準(zhǔn)則層和決策層 3 個層次，建立層次結(jié)構(gòu)模型的過程中必須保證3個層次之間具有關(guān)聯(lián)性，但是同一個層次的幾個因素之間需相互獨(dú)立。依據(jù)此原則,最終確定15號煤層頂板灰?guī)r含水層富水性評價作為模型的目標(biāo)層(A層次)；模型的準(zhǔn)則層(B層次)包括滲流場、含水層和巖性場，這三者均間接影響含水層的富水性；灰?guī)r厚度、巖芯采取率、脆塑巖厚度比、沖洗液消耗量4個子因素作為模型的決策層(C層次)，最后用層次分析法對含水層富水性進(jìn)行決策，得到15號煤層頂板含水層的富水性評價結(jié)果。層次結(jié)構(gòu)分析模型如圖6所示。

圖6 層次結(jié)構(gòu)分析模型

3.2 構(gòu)造判斷矩陣

上述建立的層次分析結(jié)構(gòu)模型反映的是煤層頂板突水各因素之間的相互關(guān)系，但是并沒有體現(xiàn)出各因素所占的比重大小。因此，需要通過構(gòu)造判斷矩陣來反映各主控因素的重要性。根據(jù)對反映15號煤層頂板含水層富水性的多種影響因素進(jìn)行分析，運(yùn)用專家打分法，依照 T.L.SAATY提出的1-9標(biāo)度法[15]，對每個影響因素所起的作用兩兩進(jìn)行重要性對比打分，從而得到其相對重要性，同時對其進(jìn)行量化，最終構(gòu)造出影響15號煤層頂板含水層富水性的判斷矩陣。

3.3 層次排序及一致性檢驗

首先要求解上述判斷矩陣的最大特征值λmax及對應(yīng)的特征向量W，然后對其進(jìn)行歸一化處理，即可得到每個層次中的某一影響因素相對于其上一個層次中某個影響因素的重要性權(quán)值，這個過程稱之為層次排序。具體步驟如下：

1)上述構(gòu)造的判斷矩陣記為A，計算得到判斷矩陣A的最大特征值λmax；

2)計算λmax對應(yīng)的特征向量W，具體計算公式如下：

AW=λmax·W;

(1)

3)將得到的特征向量W進(jìn)行歸一化處理，進(jìn)而求得每個層次中某一影響因素相對于其上一個層次中某個影響因素的重要性權(quán)重值。

另外，通過以上步驟建立的判斷矩陣得到了兩兩因素之間的重要性排序，但是有時會存在一定的非一致性，因此需要對其進(jìn)行一致性檢驗。首先，計算一致性指標(biāo)IC，具體公式如下：

(2)

表1 平均一致性指標(biāo)IR

(3)

計算一致性比例RC:

(4)

當(dāng)RC<0.1時，則判斷矩陣通過了一致性檢驗，否則需要重新調(diào)整判斷矩陣，繼續(xù)計算一致性比例值，直至其小于0.1為止。

根據(jù)上述公式可得到15號煤層頂板含水層富水性評價判斷矩陣及一致性比例RC，具體計算過程如表2-表4所示。

表2 判斷矩陣A-B1,2

表3 判斷矩陣B1-C1,2

表4 判斷矩陣B2-C3,4

根據(jù)表2判斷矩陣可得：λmax=2，IC1=0，RC1=0<0.1。因此，此判斷矩陣，通過了一致性檢驗。

根據(jù)表3判斷矩陣可得：λmax=2，IC2=0，RC2=0<0.1。因此，此判斷矩陣，通過了一致性檢驗。

根據(jù)表4判斷矩陣可得：λmax=2，IC3=0，RC3=0<0.1。因此，此判斷矩陣，通過了一致性檢驗。

3.4 各主控因素權(quán)重計算

根據(jù)上述判斷矩陣及一致性檢驗結(jié)果可知，判斷矩陣均通過了一致性檢驗，最終確定了4個影響因素的權(quán)重，如表5所示。其中，沖洗液消耗量和灰?guī)r厚度的權(quán)重均為0.33，說明這2個因素對15號煤層含水層的富水性起決定性作用。

表5 富水性主控因素的權(quán)重分析

4 富水性評價模型建立

由于不同影響因素的量綱和數(shù)量級不同，為了消除各因素對評價結(jié)果的影響，需要先對各影響因素進(jìn)行歸一化處理，具體方法如下：

(5)

式中：Ai為所有影響因素經(jīng)過歸一化處理后得到的數(shù)據(jù)；a、b為歸一化界限值；min(Xi)，max(Xi)為每個影響因素的最小值和最大值。

基于上述數(shù)據(jù)的處理結(jié)果，建立富水性評價模型：

(6)

式中：Wk為每個影響因素在富水性中所占的權(quán)重；fk(x,y)為各影響因素在空間某一點(diǎn)處的狀態(tài)值；n為影響因素數(shù)量，本文取值為4。

因此，可得出15號煤層頂板含水層富水性評價模型為：

F= 0.29f1(x，y)+ 0.24f2(x，y)+

0.35f3(x，y)+ 0.12f4(x，y).

(7)

根據(jù)上述建立的富水性評價模型，利用ArcGIS的空間處理能力，對頂板灰?guī)r含水層各主控因素專題圖進(jìn)行疊加，計算礦區(qū)各點(diǎn)的富水性指數(shù)值，最終得到富水性評價結(jié)果，如圖7所示。

從圖7可以看出，15號煤層頂板富水性最強(qiáng)的區(qū)域集中在礦區(qū)中西部，東部局部區(qū)域富水性較強(qiáng)，與這2個區(qū)域灰?guī)r厚度和巖芯采取率較高有關(guān);而且灰?guī)r厚度和巖芯采取率在4個影響因素中所占權(quán)重較高，最終導(dǎo)致這2個區(qū)域富水性較強(qiáng)，其他區(qū)域富水性相對較弱。

5 工程驗證

單位涌水量是表征含水層富水性的唯一指標(biāo)。依據(jù)井田及周邊水文孔抽水試驗資料，該含水層單位涌水量為0.004 9～3.730 0 L/(s·m)，屬弱-中等富水性含水層。從上述富水性分區(qū)結(jié)果圖可以看出，含水層富水性大部分區(qū)域為弱富水區(qū)，表明評價結(jié)果比較合理。同時，根據(jù)井田西北部15號煤層首采區(qū)內(nèi)進(jìn)行的地面物探工程結(jié)果可知，15號煤層頂板含水層富水性區(qū)域有8處(圖8)，異常區(qū)呈條帶狀分布，富水性不均一。其中6號與7號富水區(qū)與本文富水性評價結(jié)果比較吻合，均為強(qiáng)富水區(qū)，證明了本文提出方法的有效性。針對物探結(jié)果探測出的4號區(qū)域為明顯的強(qiáng)富水區(qū)，而通過本文富水性評價為弱富水區(qū)，這是由于本文是利用地面瞬變電磁物探來驗證的，由于物探本身存在多解性，且容易受到多種因素的干擾，使其探測精度存在一定的誤差，因此該區(qū)域需要進(jìn)一步的鉆探驗證。

圖8 15號煤層頂板物探富水異常區(qū)

6 結(jié)論

1)影響同寶煤礦15號煤層頂板含水層富水性的因素包括：灰?guī)r厚度、巖芯采取率、脆塑巖厚度比、沖洗液消耗量。利用層次分析法，計算了各因素的權(quán)重。

2)利用富水性指數(shù)法對15號煤層頂板進(jìn)行了評價，根據(jù)富水性評價結(jié)果可知，15號煤層頂板富水性最強(qiáng)的區(qū)域集中在礦區(qū)中西部，東部局部區(qū)域富水性較強(qiáng)，其他區(qū)域富水性相對較弱。

3)本研究所獲得的評價分析結(jié)果與井田西北部15號煤層首采區(qū)內(nèi)的地面物探工程成果局部區(qū)域比較吻合，計算精度較高，驗證了所提出方法的可行性，對指導(dǎo)煤礦安全生產(chǎn)具有一定的參考價值。