張 隆 ，趙海陸，田 蕾

（1.河北省環(huán)境地質(zhì)勘查院，河北石家莊 0 50000；2.中煤地質(zhì)工程總公司上海分公司，上海 2 00136）

0 引言

我國是世界上礦井水文地質(zhì)條件最為復(fù)雜的國家，相應(yīng)的也是礦井水害發(fā)生最為頻繁、突水量最大、最嚴重的國家。多年來，我國的水文地質(zhì)工作者在進行煤層底板突水危險性評價和礦井防治水工作中首選采用突水系數(shù)法。經(jīng)過多年的理論研究和生產(chǎn)實踐，底板突水脆弱性評價理論發(fā)展日益完善，并形成了固定且可行的突水危險性評價方法；該理論在煤礦下組煤安全開采評價和礦井底板危險性評價中起著重要作用。

1 礦區(qū)概況

曹村井田位于山西省霍州礦區(qū)，地理位置上位于臨汾盆地北部，霍山與呂梁山之間的峽谷地帶，屬于切割強烈的黃土丘陵地貌。黃河支流汾河水系為礦區(qū)的主要水系。

1.1 煤層特征

井田主要開采煤層為山西組2#煤層及太原組9#、10#、11#煤層，目前原井田 2#煤層大部分已采完，9#、10#、11#煤層開采已近尾聲，本區(qū)含煤地層為石炭系中統(tǒng)本溪組，上統(tǒng)太原組和二迭系下統(tǒng)山西組。含煤地層總厚度均120m，煤層總厚平均為13.0m，含煤系數(shù)10.83％，可采和局部可采煤層總厚度平均為11.73m。本區(qū)主要可采煤層為2#、9#、10#、、11#煤層，9#、10#煤層相距 0.44m，K2灰?guī)r直接覆蓋于9#煤層之上；9#煤層厚度0.9m。煤層穩(wěn)定，基本可采；10#煤層西部較厚，東北局部變薄，平均厚度2.20m，煤層結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，全區(qū)可采。本井田9#、10#煤層合并開采；11#煤層位于太原組底部10#煤層之下，與10#煤間距9.08m，煤層厚度自西向東變薄，但均在1.1m以上，煤層厚度平均1.71m，煤層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，含夾石0～3層，煤層穩(wěn)定，全區(qū)可采。

1.2 含水層特征

1.2.1 第四系砂礫巖孔隙含水層

自上而下又分為三個部分：上部主要分布在現(xiàn)代河谷內(nèi)的河床，中部主要成條帶狀分布在現(xiàn)代河床，下部主要由細粉砂和砂質(zhì)粘土組成。

1.2.2 第三系泥灰?guī)r砂礫石裂隙含水層

第三系地層在本區(qū)分布廣泛，本含水層分為兩個含水帶，第一含水帶巖性以亞砂土、亞粘土、砂礫石層組成，第二含水帶巖性為礫石層。

1.2.3 二疊系砂巖裂隙含水層

含水層主要為K7、K8和K9砂巖，平均厚度13.21m，砂巖以中粒為主，成分為石英和長石，K9砂巖為鈣質(zhì)膠結(jié)，K8、K9砂巖為泥質(zhì)膠結(jié)。

1.2.4 石炭系石灰?guī)r裂隙含水層

太原組在全區(qū)分布廣泛，平均厚度81.04m，地表未見出露，含水層主要為K2、K3、K4石灰?guī)r層，這三層灰?guī)r多為致密塊狀，不同程度地有裂隙發(fā)育。

1.2.5 奧陶系石灰?guī)r裂隙巖溶含水層

該含水層巖性和厚度穩(wěn)定，霍山地區(qū)總厚735m，本區(qū)揭露133.31m，大面積露頭在霍山外圍的羅云山以西及北部靈石一帶，含水層向NE、SW方向緩坡狀傾斜。奧陶系峰峰組可分為兩個含水組共三個含水帶，含水層富水不均一，在平面上可粗略分為三帶：南部富水性中等，中部富水性強，北部富水性極弱。在垂向上奧陶系灰?guī)r含水層亦有明顯的分帶性。

奧陶系石灰?guī)r地下水的補給、逕流、排泄受區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造條件控制［1］。本井田含水層末出露地表，其補給源主要在區(qū)外霍山山前的奧陶系石灰?guī)r露頭及斷裂破碎帶處，大氣降雨直接或間接通過第四系松散層補給奧陶系灰?guī)r巖溶水。奧陶系石灰?guī)r的逕流區(qū)和分布區(qū)一致。

1.3 隔水層特征

1.3.1 第四系中下部砂鈣質(zhì)粘土隔水層：

該隔水層由紅黃色亞砂土、亞粘土、砂質(zhì)粘土及鈣質(zhì)結(jié)核、古土壤層構(gòu)成。厚約27m，屬全區(qū)大面積分布的穩(wěn)定隔水層。中部多為砂礫石孔隙承壓水。其埋藏深度總的趨勢是西南淺而東北深。

1.3.2 二疊系泥巖粉砂巖隔水層

上部為紫紅色鋁質(zhì)泥巖，紫色泥巖，中部為深綠色粉砂巖、砂泥巖、黑灰色泥巖及鋁質(zhì)泥巖，下部為深灰～黑色泥巖、煤層及粉砂巖。本隔水層上部位于K9之上。中部為2#煤層之頂板隔水層，下部為2#煤底板隔水層，亦為5#、6#煤之頂板隔水層。

1.3.3 石炭系泥灰?guī)r隔水層

巖性主要為灰白色鋁質(zhì)泥巖、灰黑色炭質(zhì)泥巖、煤層、淺灰色粉砂巖，總厚約為70.1m，分布廣泛、穩(wěn)定。從上到下可細分為四個隔水帶。上部為5#、6#煤的底板隔水層，中下部分別為10#煤隔水底板，以及11#煤的隔水底板。

1.3.4 奧陶系泥灰?guī)r石膏隔水層

該隔水層主要為石膏泥灰?guī)r帶。分為上下兩帶。該層巖性均為泥灰?guī)r及石膏層。石膏以條帶狀、纖維狀、網(wǎng)狀、脈狀穿插在泥灰?guī)r之間。整層致密堅硬、穩(wěn)定。平均為42.57m，這套隔水層位于奧陶系峰峰組第一、二含水組之間，厚度又大。因此，在沒有斷層或其它破碎帶、陷落柱的情況下，具有較好的隔水性能。

1.4 主要斷層構(gòu)造的富水性特征

本井田位于赤峪斷層?xùn)|側(cè)上升盤，井田構(gòu)造總體為走向NW，傾向NE的撓折式單斜。井田西部靠近赤峪斷層，以近EW向或NNE-NE向次級開闊褶曲為主體，區(qū)內(nèi)走向NNE-NE向為主的正斷層十分發(fā)育為其主要特征，構(gòu)造復(fù)雜。井田東部，構(gòu)造簡單，為平緩單斜。

曹村井田范圍內(nèi)（含邊界）共有5m以上斷層32條，其中落差在100m以上的斷層僅有一條，即井田西界NNE向的F1斷層。斷距在20～100m的斷層有三條，即F3、F25及F28，均呈NE向展布。其它小型斷層的走向主要也是NE—SW向。斷距在5～20m的斷層共有28條。

本文涉及的11#煤開采底板充水含水層為奧灰?guī)r溶裂隙含水層。

2 理論基礎(chǔ)

層次分析法［2］的基本原理是對與預(yù)評價體系有關(guān)的方案的各要素進行判斷、比較、計算，最后求出各要素的權(quán)重。一般分為四步：

2.1 建立層次結(jié)構(gòu)模型

根據(jù)以往地質(zhì)及水文資料，總結(jié)出曹村井田底板巖溶突水的主控因素，并將得出的因素劃分為3個層次：目標(biāo)層、準則層、決策層（圖1）。

圖1 層次結(jié)構(gòu)模型Fig.1 Structure model of levels

2.2 構(gòu)造判斷矩陣

通過全面分析曹村井田底板含水層突水危險性因素，運用“專家打分”的方法，征集和咨詢現(xiàn)場專家的意見，并根據(jù)他們在現(xiàn)場生產(chǎn)實踐和科學(xué)研究中的親身經(jīng)歷和親身體驗以及對問題的具體處理方法，對影響奧灰?guī)r溶含水層的眾多因素進行打分。根據(jù)最后的打分得分情況，進行各因素間的總分比較，形成專家對各影響因素的評判集合，由此構(gòu)造研究區(qū)內(nèi)奧灰含水層脆弱性AHP（層次分析法）評價的判斷矩陣。

2.3 層次排序和一致性檢驗

這一步主要是解決準則下各個元素排序權(quán)重的計算問題，用方根法求出判斷矩陣特征根和特征向量并進行一致性檢驗，特征向量即為同一層次相應(yīng)要素對上一層次某一要素W相對重要性權(quán)值，這一過程稱為層次單排序，檢驗單排序結(jié)果是否正確，判斷矩陣必須完全滿足一致性條件；即如果不滿足，則重新建立判斷矩陣。

2.4 計算各層因素權(quán)重

目的是為了得到指標(biāo)層各指標(biāo)P經(jīng)過C層對目標(biāo)層A的權(quán)重結(jié)果。

3 基于GIS的AHP模型原理

脆弱性指數(shù)法［3］是以層次分析法和GIS相結(jié)合的評價方法，在評價下組煤突水危險性中極為方便。建立目標(biāo)含水層脆弱性模型，這個模型所得出的計算值能反映出某一位置含水層受各主要因素影響的程度。初始模型的建立采用以含水層水質(zhì)和含水層水量為基礎(chǔ)。

采用脆弱性指數(shù)的初始模型來對目標(biāo)含水層脆弱性進行評價［4］。脆弱性指數(shù)定義為某一地區(qū)某一地段的某一柵格位置上的各種影響因素對其產(chǎn)生的疊加影響總和?？捎靡韵履Ｐ凸奖硎荆?/p>

式中：Vi——脆弱性指數(shù)；

Wk——影響因素權(quán)重；

fk（x，y）——單因素影響值函數(shù)；

x，y——地理坐標(biāo)；

n——影響因素的個數(shù)。

4 脆弱性指數(shù)法在煤層底板突水危險性評價中的應(yīng)用

4.1 建立層次分析模型

根據(jù)對曹村井田的地質(zhì)、構(gòu)造、水文等條件的分析，確定出井田底板突水的主要影響因素及層次結(jié)構(gòu)模型。本次評價擬采用以下9個因素為該井田脆弱性主控因素。目標(biāo)含水層的水壓、目標(biāo)含水層富水性、構(gòu)造復(fù)雜程度、陷落柱分布密度、有效隔水層厚度、剛性巖厚度、目標(biāo)含水層弱透水層厚度、奧灰古風(fēng)化殼等效厚度、斷層規(guī)模指數(shù)。

4.2 構(gòu)造判斷矩陣

在底板突水脆弱性評價的兩兩比較判斷矩陣下，通過matlab程序可以方便的對層次分析判斷矩陣進行計算，最后求出層次排序及一致性檢驗。

表1 判斷矩陣A－Ci（i=1－2）Table 1 Judgment matrix A－Ci（i=1－2）

表2 判斷矩陣C1－Pi（i=1－4）Table 2 Judgment matrix C1－Pi（i=1－4）

表3 判斷矩陣C2－Pi（i=5－9）Table 3 Judgment matrix C2－Pi（i=5－9）

表4 指標(biāo)Pi對A的權(quán)重Table 4 The weight of index Pi for A

4.3 底板突水主控因素數(shù)據(jù)采集及專題圖的建立

為了降低乃至消除主控因素因不同數(shù)量級的數(shù)據(jù)對最后評價結(jié)果所產(chǎn)生的影響，需要對現(xiàn)有的數(shù)據(jù)進行均一化處理，均一化的目的是相對的，方便處理后的數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計和比較，有利于系統(tǒng)分析。

經(jīng)過均一化處理后的單因素數(shù)據(jù)，錄入到數(shù)據(jù)庫中即可得到各單因素屬性數(shù)據(jù)庫。運用MapGIS軟件對均一化數(shù)據(jù)進行處理，建立均一化后的單因素圖，圖2、3為部分影響因素歸一化專題圖。

4.4 單因素均一化圖的復(fù)合疊加

單因素均一化圖的復(fù)合疊加即把消除量綱差別后的各單因素均一化圖疊加合成一個新的圖形，對新生成的圖形進行重建拓撲分區(qū)并賦予新的拓撲關(guān)系屬性所形成的圖形。

4.5 煤層底板突水脆弱性分區(qū)

脆弱性指數(shù)越大，說明目標(biāo)含水層對煤層底板的影響程度也就越大，即越容易造成底板突水。通過對煤層底板脆弱性程度指數(shù)進行統(tǒng)計分析，做出11#煤底板脆弱性指數(shù)累計統(tǒng)計圖，從而確定出分區(qū)的臨界值分別為0.32、0.39、0.46、0.58，如表5、圖4所示。

圖2 水壓歸一化圖（平面圖）Fig.2 Hydraulic Pressnormalized grah

圖3 構(gòu)造歸一化圖（平面圖）Fig.3 Normalized differeace chart

表5 脆弱性指數(shù)統(tǒng)計表Table 5 Vulnerability index Statistics

圖4 脆弱性指數(shù)統(tǒng)計圖Fig.4 Vulnerability index

4.6 評價結(jié)果

根據(jù)上述統(tǒng)計結(jié)果得出的臨界值域，將拓撲分析結(jié)果圖的每個區(qū)域賦予新的屬性，并對區(qū)域含水層脆弱性評價圖賦予新的區(qū)顏色（圖5）。

圖5 脆弱性分區(qū)圖（平面圖）Fig.5 Vulnerability zoning map

5 結(jié)語

本文以底板突水脆弱性理論為基礎(chǔ)，采用MapGIS與AHP相結(jié)合的方法對曹村井田11#煤層底板突水危險性進行評價。應(yīng)用該方法對曹村井田下組煤底板脆弱性評價結(jié)果，通過井下施工驗證得到了理想的效果，對煤礦開采在底板突水方面起到引導(dǎo)作用。

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