董東柱，劉曉磊，雷 鵬,張振山

(1.中煤地質(zhì)集團(tuán)有限公司，北京 100040； 2.中晉環(huán)境科技有限公司，山西 太原 030006; 3.山西省第二地質(zhì)工程勘察院有限公司，山西 臨汾 043011)

煤層底板突水是由多種因素綜合作用的結(jié)果，其發(fā)生具有復(fù)雜性、空間性、動(dòng)態(tài)性的特點(diǎn)，預(yù)測結(jié)果要求比較符合實(shí)際情況[1]。當(dāng)前的大部分煤礦井生產(chǎn)中，仍然采用突水系數(shù)法對(duì)煤層底板突水危險(xiǎn)性進(jìn)行評(píng)價(jià)，實(shí)際上這是一種簡單的經(jīng)驗(yàn)指數(shù)法。突水系數(shù)法的計(jì)算方法簡單，容易理解，預(yù)測結(jié)果基本反映了引起煤層底板突水的主要作用因素[2]，但由于其只考慮了水壓和有效隔水層厚度2個(gè)影響因素，而沒有將斷層、陷落柱、礦壓破壞帶深度等因素考慮在內(nèi)，使得評(píng)價(jià)結(jié)果往往過于極端：要么沒有危險(xiǎn)區(qū)，要么危險(xiǎn)區(qū)過于集中。而脆弱性指數(shù)法對(duì)煤層底板突水的影響因素考慮得比較全面，所以評(píng)價(jià)結(jié)果比較貼近實(shí)際情況。以推廣應(yīng)用新技術(shù)和新方法為指導(dǎo)思想，合理評(píng)價(jià)奧灰?guī)r溶水對(duì)開采煤層的突水危險(xiǎn)程度為目的，應(yīng)用脆弱性指數(shù)法這一新型的評(píng)價(jià)方法，結(jié)合井田具體的水文地質(zhì)條件、煤層開采現(xiàn)狀等，對(duì)山西汾西紫金煤業(yè)一號(hào)井井田內(nèi) 2號(hào)、11號(hào)煤層底板突水危險(xiǎn)性進(jìn)行評(píng)價(jià)，并與傳統(tǒng)的突水系數(shù)法評(píng)價(jià)結(jié)果進(jìn)行比照，發(fā)現(xiàn)1號(hào)井田礦井突水的較脆弱區(qū)及脆弱區(qū)多屬于斷層、褶皺以及陷落柱等構(gòu)造發(fā)育區(qū)域，凸顯了脆弱性指數(shù)法在對(duì)井田區(qū)可采煤層底板突水危險(xiǎn)程度進(jìn)行評(píng)價(jià)分區(qū)中的科學(xué)性和合理性，從而能更好地指導(dǎo)礦井的生產(chǎn)工作。

1 脆弱性指數(shù)法的基本理論

脆弱性指數(shù)法是利用多源信息復(fù)合技術(shù)，通過對(duì)幾種單因素信息的復(fù)合疊加，得到更多有用的新信息，從而更科學(xué)準(zhǔn)確地對(duì)突水事件發(fā)生進(jìn)行預(yù)測[3-6]。完成該項(xiàng)工作依賴的主要技術(shù)支持是GIS平臺(tái)，指導(dǎo)工作的基本理論是環(huán)套理論，使用的技術(shù)方法是層次分析法(AHP,Analytic Hierarchy Process)[7-10]。 環(huán)套理論的基本原理：在多源信息的復(fù)合工作中，如果將影響煤層底板突水的每一種主控因素用1個(gè)圓域來表示，圓域與圓域之間的相對(duì)位置關(guān)系反映了這些多元信息對(duì)煤層底板突水的權(quán)重貢獻(xiàn)大小以及疊加影響程度。①完全重合(包含)時(shí)，表示相關(guān)單因素完全包含在底板突水影響主控因素內(nèi)，且疊加影響權(quán)重貢獻(xiàn)最大。②部分重合相交時(shí)，表示各單主控因素對(duì)某區(qū)域底板突水危險(xiǎn)性的權(quán)重貢獻(xiàn)大小及疊加影響程度，某區(qū)域重疊的圓越多則表示影響該區(qū)域底板突水的疊加因素越多。③相離時(shí)，說明相關(guān)區(qū)域只有一個(gè)單主控因素對(duì)底板突水產(chǎn)生影響。環(huán)套群集的水平和垂直關(guān)系如圖1所示。

2 脆弱性指數(shù)法的研究思路

其總體思路：①收集整理井田區(qū)地質(zhì)和水文地質(zhì)資料，從地質(zhì)構(gòu)造、充水水源特征、底板水壓力和隔水層巖層組合及強(qiáng)度、開采方式和礦壓等方面進(jìn)行底板突水因素分析，確定影響底板突水的主控因素；采用定性與定量相結(jié)合的方式，將采集到的各單因素信息量化結(jié)果輸入到計(jì)算機(jī)，對(duì)影響底板突水的主要控制因素進(jìn)行分析，建立突水主控因素專題圖[11]；②運(yùn)用層次分析法(AHP)確定各評(píng)價(jià)因素的權(quán)重，根據(jù)各主控因素在可能突水事件中的權(quán)重貢獻(xiàn)，利用GIS實(shí)現(xiàn)各主控因素的融合(各專題圖復(fù)合疊加)，建立煤層底板突水脆弱性評(píng)價(jià)模型；③進(jìn)行底板突水危險(xiǎn)性分區(qū)評(píng)價(jià)，為礦井防治水工作提供直觀可靠的水文地質(zhì)依據(jù)。

圖1 環(huán)套群集的水平和垂直關(guān)系Fig.1 Horizontal and vertical relationships of nested clusters

3 煤層底板突水主控因素分析

3.1 井田概況

山西汾西紫金煤業(yè)一號(hào)井井田位于山西省靈石縣境內(nèi)，井田面積約 28.82 km2。①地質(zhì)條件。該井田內(nèi)含煤地層為石炭系上統(tǒng)太原組(C3t)和二疊系下統(tǒng)山西組(P1s)。山西組含煤3層，分別為1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)煤層。其中1號(hào)、3號(hào)煤層為不可采煤層，2號(hào)煤層為主要可采煤層。太原組共含煤6 層，分別為6號(hào)、7號(hào)、8號(hào)、9號(hào)、10號(hào)、11號(hào)煤層。其中，11號(hào)煤層為可采煤層，其他基本為不可采煤層[12-13]。②主要含水層。通過對(duì)水文地質(zhì)調(diào)查、鉆探、簡易水文地質(zhì)觀測、抽水試驗(yàn)和水化學(xué)等資料的綜合分析，基本確定井田區(qū)2號(hào)煤層底板含水層是石炭系太原組灰?guī)r，11號(hào)煤層底板含水層是奧陶系灰?guī)r含水層，為可能發(fā)生的底板突水提供水源[12-13]。中奧陶統(tǒng)灰?guī)r是區(qū)域及礦區(qū)的主要含水巖系，是影響煤礦開采的主要危險(xiǎn)因素。井田內(nèi)下組煤(11號(hào)煤層)的大部分底板位于區(qū)域巖溶水位之下，屬于帶壓開采。

3.2 主控因素的確定

依據(jù)含水層的巖性組合、富水性以及含水特征，綜合考慮隔水層的巖性、厚度、巖石力學(xué)特征及構(gòu)造發(fā)育情況等[14]，合理選擇影響煤層底板突水的主控因素，對(duì)脆弱性指數(shù)法評(píng)價(jià)模型的建立和評(píng)價(jià)結(jié)果的可靠程度起決定作用[15]。

(1)煤層底板承壓含水層。煤層底板下的承壓含水層的存在是底板突水的先決條件，底板是否發(fā)生突水和突水量的大小則取決于含水層的富水性和水頭壓力等，而含水層的富水程度又與其埋藏條件、所處巖溶水系統(tǒng)位置以及構(gòu)造部位等密切相關(guān)。所以，選擇承壓含水層的富水性及作用于隔水層底板的水頭壓力作為煤層底板突水脆弱性評(píng)價(jià)的主控因素。

(2)煤層底板隔水層。有效隔水層的巖性、厚度、力學(xué)性質(zhì)及地層組合結(jié)構(gòu)等特點(diǎn)決定了隔水層的隔水性能。2號(hào)煤層底板隔水層主要為二疊系下統(tǒng)(P1s)中的泥巖、砂質(zhì)泥巖及粉砂巖；11號(hào)煤層底板隔水層主要為石炭系太原組一段(C3t1)下部泥巖、炭質(zhì)泥巖、砂質(zhì)泥巖及粉砂巖、本溪組泥巖及鋁土質(zhì)泥巖。隔水層的巖性組合不同，其防突水能力則不同。如在礦山壓力的作用下脆性巖石易產(chǎn)生裂隙，而塑性巖石受力后常發(fā)生塑性變形。因此，將煤層底板隔水巖段的巖性組合特征、厚度等作為底板突水脆弱性評(píng)價(jià)的主控因素。

(3)地質(zhì)構(gòu)造。紫金井田內(nèi)總體構(gòu)造為開闊的背、向斜相間分布，軸向呈近 NE,在此基礎(chǔ)上發(fā)育了次一級(jí)的褶曲構(gòu)造。該區(qū)內(nèi)斷層較發(fā)育，走向NE-NNE向，多為高角度正斷層，斷層構(gòu)造裂隙是承壓水從煤層底板涌出的主要通道。所以，在選取區(qū)內(nèi)褶皺和斷裂分布特征因素的基礎(chǔ)上，斷層規(guī)模指數(shù)是影響煤層底板突水脆弱性評(píng)價(jià)的又一主要指標(biāo)[16]。

(4)礦壓破壞帶深度。地下煤層被開采后，破壞了周圍地層原有的應(yīng)力平衡，繼而引起了地下應(yīng)力的重新分布，這一影響范圍一直延續(xù)到相關(guān)巖體內(nèi)達(dá)到新的平衡為止。因此，將礦壓破壞帶深度及礦壓破壞帶下脆性巖厚度也作為煤層底板突水脆弱性評(píng)價(jià)的主控因素。2號(hào)、11號(hào)煤層底板突水脆弱性評(píng)價(jià)的主控因素：①2號(hào)煤層底板太灰突水控制因素。隔水層厚度、太原組含水層水壓、太原組含水層富水性、斷層和褶皺的分布特征、斷層規(guī)模指數(shù)、礦壓破壞帶深度。②2號(hào)煤層底板奧灰突水控制因素。隔水層厚度、奧灰?guī)r組含水層水壓、奧灰?guī)r組含水層富水性、斷層和褶皺的分布特征、斷層規(guī)模指數(shù)、礦壓破壞帶深度。③11號(hào)煤層底板奧灰突水控制因素。隔水層厚度、奧灰?guī)r組含水層水壓、奧灰?guī)r組含水層富水性、斷層和褶皺的分布特征、斷層規(guī)模指數(shù)、礦壓破壞帶深度。

3.3 主控因素屬性數(shù)據(jù)庫的建立

(1)做好底板突水因素?cái)?shù)據(jù)采集。系統(tǒng)采集井區(qū)的勘查成果及有關(guān)地質(zhì)構(gòu)造，水文地質(zhì)條件和煤礦開采、突水情況的相關(guān)資料，包括它們的空間分布狀況和所具有的屬性數(shù)據(jù)。

(2)利用地理信息系統(tǒng)(GIS)的數(shù)據(jù)采集功能將收集到的相關(guān)資料(屬性數(shù)據(jù))進(jìn)行量化和數(shù)字存儲(chǔ)，生成屬性數(shù)據(jù)庫，并建立圖形與屬性數(shù)據(jù)庫之間的關(guān)系。

4 脆弱性指數(shù)法評(píng)價(jià)方法

脆弱性指數(shù)表示某一地段的某一柵格位置上的各種影響因素對(duì)總目標(biāo)產(chǎn)生疊加影響的總和[17]。

4.1 數(shù)據(jù)歸一化

由于各主控因素的量綱是不同的，所以在對(duì)采集到的屬性數(shù)據(jù)進(jìn)行量化時(shí)，首先要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理，使不同屬性的數(shù)據(jù)具有可比性和統(tǒng)計(jì)意義[18]。

4.2 單因素歸一化專題圖

運(yùn)用GIS平臺(tái)處理歸一化數(shù)據(jù)，根據(jù)量化結(jié)果繪制成各單因素等值線圖，建立拓?fù)潢P(guān)系后，以專題圖的形式存儲(chǔ)。具體包括有效隔水層厚度、其中的脆性巖厚度、含水層富水性、含水層水壓、影響隔水層的斷層分布密度、斷層規(guī)模指數(shù)、陷落柱分布密度等各單因素歸一化專題圖(圖2)。

圖2 部分單因素歸一化專題圖Fig.2 Some single-factor normalized thematic maps

4.3 層次分析法確定權(quán)重

通過對(duì)井田區(qū)2號(hào)、11號(hào)煤層底板突水影響因素的綜合分析，將本次評(píng)價(jià)對(duì)象劃分為3個(gè)層次：2個(gè)主采煤層底板突水脆弱性評(píng)價(jià)分區(qū)是最終目的，作為模型的目標(biāo)層(A層次)；承壓含水層、有效隔水層、地質(zhì)構(gòu)造、礦壓破壞帶決定突水的可能性大小，屬于實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的中間環(huán)節(jié)，即模型的準(zhǔn)則層(B層次)；各個(gè)主控因素的具體指標(biāo)構(gòu)成了模型的決策層(C層次)。按照這一思路，建立2號(hào)煤層底板太灰水脆弱性評(píng)價(jià)模型、2號(hào)煤層奧灰水脆弱性評(píng)價(jià)模型和下組煤(11號(hào))底板奧灰水脆弱性評(píng)價(jià)模型(圖3)。

圖3 AHP層次模型Fig.3 AHP hierarchy model

層次結(jié)構(gòu)反映各因素之間的關(guān)系，但準(zhǔn)則層中的各準(zhǔn)則在目標(biāo)衡量中所占的比例并不相同。因此，采取對(duì)所有因素進(jìn)行兩兩比較建立成對(duì)比較矩陣的方法，對(duì)同一層次相應(yīng)因素對(duì)于上一層次某個(gè)因素相對(duì)重要性進(jìn)行排序，即排序權(quán)重值。綜合全部比較結(jié)果并對(duì)判斷矩陣的一致性進(jìn)行檢驗(yàn)，進(jìn)而計(jì)算出同一層次所有因素對(duì)于最高層(總目標(biāo))相對(duì)重要性的排序權(quán)值(層次總排序)，最終確定出各主控因素對(duì)底板突水脆弱性的相對(duì)影響權(quán)重[19]。

4.4 建立脆弱性評(píng)價(jià)模型

通過層次分析法確定出各個(gè)主控因素的權(quán)重后，用脆弱性指數(shù)評(píng)價(jià)模型來對(duì)煤層底板突水脆弱性進(jìn)行評(píng)價(jià)[6]。其模型公式：

(1)

式中，VI為脆弱性指數(shù)；Wk為影響因素權(quán)重；fk(x，y) 為單因素影響值函數(shù)，為第k個(gè)主控因素量化值歸一化后的值；(x,y)為地理坐標(biāo)；n為影響因素的個(gè)數(shù)。

如一號(hào)井井田2號(hào)煤層底板太灰突水脆弱性評(píng)價(jià)中各影響因素權(quán)重值為：W1=0.372 7、W2=0.194 4、W3=0.097 2、W4=0.196 2、W5=0.049 0、W6=0.090 5。由此得出該井田2號(hào)煤層底板太原組含水層突水脆弱性評(píng)價(jià)模型為：

(2)

同理可得紫金煤業(yè)一號(hào)井井田2號(hào)煤層底板奧灰突水脆弱性評(píng)價(jià)模型和紫金煤業(yè)一號(hào)井井田11號(hào)煤層底板奧陶系灰?guī)r突水脆弱性評(píng)價(jià)模型。

5 煤層底板突水脆弱性評(píng)價(jià)結(jié)果

5.1 脆弱性指數(shù)法評(píng)價(jià)情況

為了使2號(hào)煤層底板太原組突水和2號(hào)、11號(hào)煤層底板奧灰突水評(píng)價(jià)具有統(tǒng)一性、可比性，對(duì)2部分疊加結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)一分析。運(yùn)用自然分級(jí)法對(duì)底板脆弱性指數(shù)進(jìn)行處理，使得每級(jí)組間差異最大，組內(nèi)差異最小，最終得到最佳的5級(jí)分級(jí)結(jié)果。脆弱性指數(shù)越大，發(fā)生突水的可能性就越大[20]。2號(hào)煤層底板太灰和2號(hào)、11號(hào)煤層底板奧灰突水脆弱性分區(qū)見表1。

表1 2號(hào)煤層底板太灰和2號(hào)、11號(hào)煤層底板奧灰突水脆弱性分區(qū)Tab.1 Vulnerability zoning of water inrush water inrush from the floor of the No.2 coal seam and the No.2 and No.11 coal seam floors

5.2 脆弱性指數(shù)法與突水系數(shù)法評(píng)價(jià)結(jié)果對(duì)比

2號(hào)、11號(hào)煤層底板突水評(píng)價(jià)分區(qū)比較如圖4所示。從圖4可以看出，按照傳統(tǒng)的突水系數(shù)法，紫金煤礦2號(hào)煤、11號(hào)煤層在礦區(qū)范圍內(nèi)的危險(xiǎn)區(qū)以及安全區(qū)評(píng)價(jià)結(jié)果過于極端：要么沒有危險(xiǎn)區(qū)，要么危險(xiǎn)區(qū)過于集中。脆弱性指數(shù)法評(píng)價(jià)結(jié)果更科學(xué)、更全面：相對(duì)安全區(qū)，突水的可能性較??；較安全區(qū)，表明隔水層承受的水壓偏小，地質(zhì)構(gòu)造不發(fā)育等，突水可能性不大；較脆弱區(qū)，一般位于地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育帶附近，在一定條件下有發(fā)生突水事故的可能；標(biāo)記為紅色的脆弱區(qū)一般表示隔水層厚度有所降低、礦壓破壞帶厚度有所增大，或者構(gòu)造的存在破壞了隔水地層的連續(xù)性等，突水危險(xiǎn)性最大，在生產(chǎn)中應(yīng)高度重視[21]。

圖4 2號(hào)、11號(hào)煤層底板突水評(píng)價(jià)分區(qū)Fig.4 Zoning for water inrush assessment of No.2 and No.11 coal seam floors

6 結(jié)論

突水系數(shù)法所考慮的突水控制因素為煤層底板含水層水壓和有效隔水層厚度，而煤層底板突水的實(shí)際情況是受控于多因素影響且非常復(fù)雜的動(dòng)態(tài)現(xiàn)象，突水系數(shù)法無法確定多個(gè)控制因素的影響權(quán)重比例系數(shù)，更不能反映底板突水的非線性動(dòng)力過程。脆弱性指數(shù)法有著一套完整的主控指標(biāo)體系，通過定量計(jì)算，對(duì)井田區(qū)發(fā)生突水的可能性進(jìn)行相對(duì)性評(píng)價(jià)，它考慮了多種影響因素的綜合作用，在結(jié)合突水系數(shù)法的基礎(chǔ)上，能較全面地反映不同區(qū)段的相對(duì)脆弱關(guān)系。在用脆弱性指數(shù)法評(píng)價(jià)煤層底板突水危險(xiǎn)程度的過程中，雖然影響因子的采集和計(jì)算過程比較復(fù)雜，但從確保礦井的安全生產(chǎn)角度考慮，利用脆弱性指數(shù)法評(píng)價(jià)結(jié)果制定礦井防治水措施會(huì)更加貼合實(shí)際情況，更具有針對(duì)性，從而能夠科學(xué)指導(dǎo)礦井在帶壓情況下的安全生產(chǎn)，應(yīng)大力推廣使用這一新技術(shù)、新方法。