基于脆弱性指數(shù)法的煤層底板突水危險程度評價

董東柱，劉曉磊，雷 鵬,張振山

(1.中煤地質集團有限公司，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果，其發(fā)生具有復雜性、空間性、動態(tài)性的特點，預測結果要求比較符合實際情況[1]。當前的大部分煤礦井生產中，仍然采用突水系數(shù)法對煤層底板突水危險性進行評價，實際上這是一種簡單的經驗指數(shù)法。突水系數(shù)法的計算方法簡單，容易理解，預測結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，使得評價結果往往過于極端：要么沒有危險區(qū)，要么危險區(qū)過于集中。而脆弱性指數(shù)法對煤層底板突水的影響因素考慮得比較全面，所以評價結果比較貼近實際情況。以推廣應用新技術和新方法為指導思想，合理評價奧灰?guī)r溶水對開采煤層的突水危險程度為目的，應用脆弱性指數(shù)法這一新型的評價方法，結合井田具體的水文地質條件、煤層開采現(xiàn)狀等，對山西汾西紫金煤業(yè)一號井井田內 2號、11號煤層底板突水危險性進行評價，并與傳統(tǒng)的突水系數(shù)法評價結果進行比照，發(fā)現(xiàn)1號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造發(fā)育區(qū)域，凸顯了脆弱性指數(shù)法在對井田區(qū)可采煤層底板突水危險程度進行評價分區(qū)中的科學性和合理性，從而能更好地指導礦井的生產工作。

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合技術，通過對幾種單因素信息的復合疊加，得到更多有用的新信息，從而更科學準確地對突水事件發(fā)生進行預測[3-6]。完成該項工作依賴的主要技術支持是GIS平臺，指導工作的基本理論是環(huán)套理論，使用的技術方法是層次分析法(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個圓域來表示，圓域與圓域之間的相對位置關系反映了這些多元信息對煤層底板突水的權重貢獻大小以及疊加影響程度。①完全重合(包含)時，表示相關單因素完全包含在底板突水影響主控因素內，且疊加影響權重貢獻最大。②部分重合相交時，表示各單主控因素對某區(qū)域底板突水危險性的權重貢獻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，說明相關區(qū)域只有一個單主控因素對底板突水產生影響。環(huán)套群集的水平和垂直關系如圖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)地質和水文地質資料，從地質構造、充水水源特征、底板水壓力和隔水層巖層組合及強度、開采方式和礦壓等方面進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合的方式，將采集到的各單因素信息量化結果輸入到計算機，對影響底板突水的主要控制因素進行分析，建立突水主控因素專題圖[11]；②運用層次分析法(AHP)確定各評價因素的權重，根據(jù)各主控因素在可能突水事件中的權重貢獻，利用GIS實現(xiàn)各主控因素的融合(各專題圖復合疊加)，建立煤層底板突水脆弱性評價模型；③進行底板突水危險性分區(qū)評價，為礦井防治水工作提供直觀可靠的水文地質依據(jù)。

圖1 環(huán)套群集的水平和垂直關系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)一號井井田位于山西省靈石縣境內，井田面積約 28.82 km2。①地質條件。該井田內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、2號、3號煤層。其中1號、3號煤層為不可采煤層，2號煤層為主要可采煤層。太原組共含煤6 層，分別為6號、7號、8號、9號、10號、11號煤層。其中，11號煤層為可采煤層，其他基本為不可采煤層[12-13]。②主要含水層。通過對水文地質調查、鉆探、簡易水文地質觀測、抽水試驗和水化學等資料的綜合分析，基本確定井田區(qū)2號煤層底板含水層是石炭系太原組灰?guī)r，11號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因素。井田內下組煤(11號煤層)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、巖石力學特征及構造發(fā)育情況等[14]，合理選擇影響煤層底板突水的主控因素，對脆弱性指數(shù)法評價模型的建立和評價結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)位置以及構造部位等密切相關。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價的主控因素。

(2)煤層底板隔水層。有效隔水層的巖性、厚度、力學性質及地層組合結構等特點決定了隔水層的隔水性能。2號煤層底板隔水層主要為二疊系下統(tǒng)(P1s)中的泥巖、砂質泥巖及粉砂巖；11號煤層底板隔水層主要為石炭系太原組一段(C3t1)下部泥巖、炭質泥巖、砂質泥巖及粉砂巖、本溪組泥巖及鋁土質泥巖。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價的主控因素。

(3)地質構造。紫金井田內總體構造為開闊的背、向斜相間分布，軸向呈近 NE,在此基礎上發(fā)育了次一級的褶曲構造。該區(qū)內斷層較發(fā)育，走向NE-NNE向，多為高角度正斷層，斷層構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)內褶皺和斷裂分布特征因素的基礎上，斷層規(guī)模指數(shù)是影響煤層底板突水脆弱性評價的又一主要指標[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力平衡，繼而引起了地下應力的重新分布，這一影響范圍一直延續(xù)到相關巖體內達到新的平衡為止。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價的主控因素。2號、11號煤層底板突水脆弱性評價的主控因素：①2號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)做好底板突水因素數(shù)據(jù)采集。系統(tǒng)采集井區(qū)的勘查成果及有關地質構造，水文地質條件和煤礦開采、突水情況的相關資料，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資料(屬性數(shù)據(jù))進行量化和數(shù)字存儲，生成屬性數(shù)據(jù)庫，并建立圖形與屬性數(shù)據(jù)庫之間的關系。

4 脆弱性指數(shù)法評價方法

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總目標產生疊加影響的總和[17]。

4.1 數(shù)據(jù)歸一化

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

4.2 單因素歸一化專題圖

運用GIS平臺處理歸一化數(shù)據(jù)，根據(jù)量化結果繪制成各單因素等值線圖，建立拓撲關系后，以專題圖的形式存儲。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 層次分析法確定權重

通過對井田區(qū)2號、11號煤層底板突水影響因素的綜合分析，將本次評價對象劃分為3個層次：2個主采煤層底板突水脆弱性評價分區(qū)是最終目的，作為模型的目標層(A層次)；承壓含水層、有效隔水層、地質構造、礦壓破壞帶決定突水的可能性大小，屬于實現(xiàn)目標的中間環(huán)節(jié)，即模型的準則層(B層次)；各個主控因素的具體指標構成了模型的決策層(C層次)。按照這一思路，建立2號煤層底板太灰水脆弱性評價模型、2號煤層奧灰水脆弱性評價模型和下組煤(11號)底板奧灰水脆弱性評價模型(圖3)。

圖3 AHP層次模型Fig.3 AHP hierarchy model

層次結構反映各因素之間的關系，但準則層中的各準則在目標衡量中所占的比例并不相同。因此，采取對所有因素進行兩兩比較建立成對比較矩陣的方法，對同一層次相應因素對于上一層次某個因素相對重要性進行排序，即排序權重值。綜合全部比較結果并對判斷矩陣的一致性進行檢驗，進而計算出同一層次所有因素對于最高層(總目標)相對重要性的排序權值(層次總排序)，最終確定出各主控因素對底板突水脆弱性的相對影響權重[19]。

4.4 建立脆弱性評價模型

通過層次分析法確定出各個主控因素的權重后，用脆弱性指數(shù)評價模型來對煤層底板突水脆弱性進行評價[6]。其模型公式：

(1)

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

如一號井井田2號煤層底板太灰突水脆弱性評價中各影響因素權重值為：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號煤層底板太原組含水層突水脆弱性評價模型為：

(2)

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

5 煤層底板突水脆弱性評價結果

5.1 脆弱性指數(shù)法評價情況

為了使2號煤層底板太原組突水和2號、11號煤層底板奧灰突水評價具有統(tǒng)一性、可比性，對2部分疊加結果進行統(tǒng)一分析。運用自然分級法對底板脆弱性指數(shù)進行處理，使得每級組間差異最大，組內差異最小，最終得到最佳的5級分級結果。脆弱性指數(shù)越大，發(fā)生突水的可能性就越大[20]。2號煤層底板太灰和2號、11號煤層底板奧灰突水脆弱性分區(qū)見表1。

表1 2號煤層底板太灰和2號、11號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)法評價結果對比

2號、11號煤層底板突水評價分區(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號煤、11號煤層在礦區(qū)范圍內的危險區(qū)以及安全區(qū)評價結果過于極端：要么沒有危險區(qū)，要么危險區(qū)過于集中。脆弱性指數(shù)法評價結果更科學、更全面：相對安全區(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，地質構造不發(fā)育等，突水可能性不大；較脆弱區(qū)，一般位于地質構造發(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，或者構造的存在破壞了隔水地層的連續(xù)性等，突水危險性最大，在生產中應高度重視[21]。

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

6 結論

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際情況是受控于多因素影響且非常復雜的動態(tài)現(xiàn)象，突水系數(shù)法無法確定多個控制因素的影響權重比例系數(shù)，更不能反映底板突水的非線性動力過程。脆弱性指數(shù)法有著一套完整的主控指標體系，通過定量計算，對井田區(qū)發(fā)生突水的可能性進行相對性評價，它考慮了多種影響因素的綜合作用，在結合突水系數(shù)法的基礎上，能較全面地反映不同區(qū)段的相對脆弱關系。在用脆弱性指數(shù)法評價煤層底板突水危險程度的過程中，雖然影響因子的采集和計算過程比較復雜，但從確保礦井的安全生產角度考慮，利用脆弱性指數(shù)法評價結果制定礦井防治水措施會更加貼合實際情況，更具有針對性，從而能夠科學指導礦井在帶壓情況下的安全生產，應大力推廣使用這一新技術、新方法。