大同煤田(北區(qū))煤層底板獨立巖溶水系統(tǒng)突水脆弱性評價研究

李 沖，楊文凱，楊 斌，董遠卓，楊 亮

(1.中國煤炭地質(zhì)總局水文地質(zhì)局，河北 邯鄲 056004；2.中國礦業(yè)大學(xué)(北京) 機電與信息工程學(xué)院，北京 100083；3.中國煤炭地質(zhì)總局 第三水文地質(zhì)隊，河北 邯鄲 056004；4.中國礦業(yè)大學(xué)(北京) 地球科學(xué)與測繪工程學(xué)院，北京 100083)

華北型煤田是我國重要產(chǎn)煤區(qū)，煤炭資源儲量豐富，其煤系地層及基底分布的石炭紀和奧陶紀灰?guī)r巖溶含水層裂隙發(fā)育，富水性強，水頭高，底板巖溶突水事故時有發(fā)生[1-7]。大同煤田位于山西省北部，煤炭資源豐富，為全國八大煤炭生產(chǎn)基地之一。該煤田(北區(qū))開采歷史悠久，上部侏羅系煤田已近枯竭，目前各礦井已經(jīng)逐步由侏羅系煤田向石炭-二疊系煤田延深。該區(qū)石炭系煤層以巨厚的寒武-奧陶系碳酸鹽巖為基底，寒武-奧陶系巖溶裂隙水水位標高約850～1200m，總體流向由西向東，富水性弱到中等，該區(qū)石炭系5號煤層底板標高約605～1100m，8號煤層底板標高約665～1020m，礦井開采石炭紀煤層時均存在不同程度的巖溶水帶壓開采威脅[8-9]。因此，開展大同煤田(北區(qū))巖溶水系統(tǒng)調(diào)查研究工作，并對其煤層底板突水危險性進行評價，以期科學(xué)有效地指導(dǎo)煤田的安全生產(chǎn)和建設(shè)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于山西省大同煤田中北部，總面積為515.64km2。該區(qū)交通便利，西北地勢較高，區(qū)內(nèi)主要河流為十里河、口泉河和鵝毛口河，屬大陸性季風(fēng)氣候，多年平均降水量347.1mm。研究區(qū)內(nèi)地層自下而上為寒武系、奧陶系、石炭系、二疊系、侏羅系、白堊系和第四系，其中石炭系主要可采煤層為3號、5號和8號煤層。研究區(qū)構(gòu)造發(fā)育受大同向斜和東部北東向大斷裂構(gòu)造控制，兩翼邊緣斷層較軸部發(fā)育，多為正斷層，皺褶發(fā)育規(guī)模較小。各井田均發(fā)育不同規(guī)模的陷落柱，且與鄰近斷層走向基本一致。

研究區(qū)石炭系煤層開采的充水水源主要為石炭-二疊系砂巖裂隙含水層和底板寒武-奧陶系巖溶裂隙含水層。侏羅系煤層開采后將其上部含水層破壞，形成侏羅系煤層采空區(qū)積水，逐漸演化為石炭系煤層頂板間接充水水源。以往勘查成果表明：研究區(qū)內(nèi)各礦井開采石炭系煤層時均受不同程度巖溶水帶壓開采威脅，且隨著開采煤層不斷向下部延伸，煤層底板巖溶突水問題愈加嚴重。

2 獨立巖溶水系統(tǒng)的劃分和圈定

為了準確評價大同煤田(北區(qū))煤層底板巖溶突水危險性，采用遙感、物探、鉆探等多種手段對研究區(qū)巖溶水系統(tǒng)進行了調(diào)查和研究。依據(jù)本次綜合勘查成果并結(jié)合中國煤炭地質(zhì)總局第三水文地質(zhì)隊確定的“口泉溝南巖溶水水文地質(zhì)單元”等資料進行分析，發(fā)現(xiàn)大同煤田巖溶地下水為具完整補給、徑流、排泄條件的水文地質(zhì)單元，并將其命名為“大同煤田巖溶水系統(tǒng)”。

大同煤田巖溶水系統(tǒng)東部邊界為推覆構(gòu)造口泉大斷裂；西部達西石山；北部為青磁窯斷層及寒武系灰?guī)r尖滅線；南部邊界為洪濤山背斜，面積約3000km2。受地形地貌、地層埋藏條件、巖溶發(fā)育程度、地質(zhì)構(gòu)造等因素的制約，形成了與周邊泉域的各類邊界，其中東部、北部和北西部邊界為固定性邊界，西部、南部和西南部邊界為非固定性邊界。

3 基于GIS-AHP的脆弱性指數(shù)法煤層底板巖溶突水危險性評價

本文主要利用基于GIS的AHP型脆弱性指數(shù)法對大同煤田(北區(qū))煤層底板巖溶突水危險性進行評價。GIS空間信息處理和分析功能強大，能夠處理影響因素多、條件不精確、信息量巨大的空間信息，其空間復(fù)合疊加功能也能夠以可視化地圖的形式給出煤層底板突水的空間分布結(jié)果[10-11]。此外，煤層底板突水問題影響因素多，條件不精確，采用AHP能夠綜合多種突水控制因素的影響，對煤層底板突水做出科學(xué)合理的評價。

3.1 主控因素的確定和專題圖的建立

影響煤層底板突水控制因素較多，并且各因素之間往往相互關(guān)聯(lián)。煤層底板突水主控因素的選取，決定了脆弱性指數(shù)模型評價結(jié)果的準確程度[12-16]。通常，煤層底板下伏承壓含水層是底板突水的先決條件；含水層的富水性和水壓決定了突水量的大小和持續(xù)時間；底板隔水層的等效厚度、關(guān)鍵巖層位置和脆性巖厚度對底板突水起到了抑制作用；斷層、褶皺及巖溶陷落柱等地質(zhì)構(gòu)造的分布和規(guī)模是礦井突水的誘導(dǎo)因素和直接原因。在充分研究分析研究區(qū)地質(zhì)和水文地質(zhì)條件的基礎(chǔ)上，并結(jié)合研究區(qū)生產(chǎn)經(jīng)驗資料，最終確定了研究區(qū)煤層底板突水主控因素：①寒武-奧陶系含水層水壓；②寒武-奧陶系含水層富水性；③有效隔水層等效厚度；④礦壓破壞帶下隔水層脆性巖厚度；⑤陷落柱分布；⑥斷層與褶皺分布；⑦斷層規(guī)模指數(shù)；⑧構(gòu)造交點和端點分布。

借助Surfer和GIS的插值及耦合功能，根據(jù)收集的鉆孔數(shù)據(jù)等資料，分別繪制各主控因素專題圖。

3.2 主控因素權(quán)重的確定

在對影響研究區(qū)煤層底板突水主控因素分析的基礎(chǔ)上，建立AHP層次分析結(jié)構(gòu)模型，如圖1所示。采用“專家評分”的方法，對各主控因素進行評分，形成專家對影響因素的評判集，并構(gòu)建研究區(qū)目標層A-準則層Bi(i=1，2，3)以及準則層Bi(i=1，2，3)-決策層Cj(j=1，2，3，4)煤層底板突水AHP評價判斷矩陣，分別計算一級評價指標和二級評價指標的權(quán)重值，并計算二級評價指標權(quán)重總序，層次單排序和層次總排序及其一致性檢驗結(jié)果見表1—表5。其中，λmax為判斷矩陣最大特征根，CI為一致性指標，RI為隨機一致性指標，CR為隨機一致性比例，W為權(quán)重矩陣，最終矩陣計算出的CR均小于0.1，通過一致性檢驗。

圖1 AHP層次分析結(jié)構(gòu)模型

表1 判斷矩陣A-Bi及一致性檢驗

表2 判斷矩陣B1-Cj及一致性檢驗

表3 判斷矩陣B2-Cj及一致性檢驗

表4 判斷矩陣B3-Cj及一致性檢驗

表5 煤層底板巖溶突水危險性評價指標權(quán)重分配

3.3 煤層底板突水脆弱性評價分區(qū)

3.3.1 數(shù)據(jù)歸一化處理

為消除各主控因素不同量綱數(shù)據(jù)對評價結(jié)果的影響，對數(shù)據(jù)進行歸一化處理，便于統(tǒng)計分析。

式中，Di為歸一化處理后的數(shù)據(jù)；a和b為歸一化范圍的上下限，分別取0和1；xi為處理前的原始數(shù)據(jù)；max(xi)和min(xi)分別為各主控因素量化最大值和最小值。

3.3.2 各主控因素歸一化專題圖建立和專題圖疊加

運用GIS處理歸一化后的數(shù)據(jù)，建立含水層水壓、含水層富水性、有效隔水層等效厚度、礦壓破壞帶下脆性巖厚度、陷落柱分布、斷層與褶皺分布、斷層規(guī)模指數(shù)、斷層交點和端點分布八個因素的歸一化專題圖，并對各歸一化專題圖疊加覆蓋形成新的包含所有相關(guān)信息的復(fù)合圖。

3.3.3 脆弱性評價模型建立

脆弱性模型表達式為：

式中，Z為脆弱性指數(shù)；n為影響因素數(shù)量；Gk為主控因素權(quán)重；Jk(x，y)為第k個主控因素歸一化后的數(shù)值；x，y為地理坐標。

由此可得出大同煤田(北區(qū))煤層底板突水脆弱性指數(shù)模型：

CI=0.2751J1(x，y)+0.1375J2(x，y)+

0.1949J3(x，y)+0.0650J4(x，y)+

0.1471J5(x，y)+0.1042J6(x，y)+

0.0508J7(x，y)+0.0254J8(x，y)

3.3.4 煤層底板巖溶突水脆弱性評價分區(qū)

根據(jù)建立的脆弱性評價模型，計算出了研究區(qū)3號、5號及8號煤層底板巖溶突水脆弱性指數(shù)，并利用ArcGis的自然間斷點分級法確定分區(qū)閾值，見表6。

表6 煤層底板巖溶突水評價分區(qū)結(jié)果

根據(jù)上述評價模型，最終繪制得到3號、5號、8號煤層底板突水危險性評價分區(qū)圖，如圖2所示。分析圖2可知，研究區(qū)3號煤層賦存范圍內(nèi)大部分為安全區(qū)，僅在塔山井田西北和馬脊梁井田西部局部為過渡區(qū)，底板巖溶突水可能性不大。5號煤層底板巖溶突水可能性較3號煤層有所增加，為中等水平，區(qū)內(nèi)大部分為安全區(qū)和過渡區(qū)。危險區(qū)主要集中在中西部多數(shù)構(gòu)造區(qū)域與燕子山井田東部、東周窯井田中東部、同忻井田西北部和馬脊梁井田北中部。整體上研究區(qū)西北和東南部及東部危險性較低，研究區(qū)中部北東向狹長區(qū)域為主要危險區(qū)。

產(chǎn)生這種結(jié)果的原因主要有兩個：一是5號煤層底部隔水層厚度普遍南部厚，中部有變薄趨勢，在研究區(qū)西北部隔水層增厚，相對水頭壓力自西南向東部和東北方向水壓降低，研究區(qū)中部的有效隔水層不足以抵抗水壓所致；二是研究區(qū)中部構(gòu)造相對發(fā)育，且規(guī)模較大。研究區(qū)范圍內(nèi)8號煤層底板突水可能性較5號煤層明顯增高，安全區(qū)域僅在研究區(qū)北部、東北部和東南部存在，過渡區(qū)和危險區(qū)面積明顯增加，主要分布在東周窯井田、燕子山井田、馬脊梁井田西南部和塔山井田西南部。由于8號煤層距底板巖溶頂面較近，有效隔水層等效厚度大幅度減小，在隔水層承受巖溶水壓、富水性、構(gòu)造等條件不變的情況下，致使8號煤層底板突水的危險性增加。

4 結(jié) 論

1)經(jīng)調(diào)查研究，發(fā)現(xiàn)了大同煤田巖溶地下水為具完整補給、徑流、排泄條件的水文地質(zhì)單元，并將其命名為“大同煤田巖溶水系統(tǒng)”。

2)圈定了“大同煤田巖溶水系統(tǒng)”的邊界，其東部邊界為推覆構(gòu)造口泉大斷裂，西部達西石山，北部為青磁窯斷層及寒武系灰?guī)r尖滅線，南部邊界為洪濤山背斜，面積約3000km2。

3)采用基于GIS-AHP的脆弱性指數(shù)法對大同煤田(北區(qū))3號、5號和8號煤層底板巖溶突水危險性進行了評價，但同發(fā)東周窯井田西部煤層深埋區(qū)及燕子山井田西南部鉆孔控制不足，后續(xù)開采時應(yīng)重點加強該區(qū)域探查工作。