方翔宇，姚多喜，魯海峰

（安徽理工大學(xué)地球與環(huán)境學(xué)院， 安徽淮南232001）

孫疃礦104采區(qū)10煤底板突水危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)

方翔宇，姚多喜，魯海峰

（安徽理工大學(xué)地球與環(huán)境學(xué)院， 安徽淮南232001）

為評(píng)價(jià)孫疃煤礦104采區(qū)10煤底板的突水危險(xiǎn)性，首先分析了研究區(qū)的地質(zhì)概況，選取了影響突水的七個(gè)因素，用GIS做出了各影響因素的專題圖；接著構(gòu)建AHP判斷矩陣，利用MATLAB計(jì)算各影響因素的權(quán)重，將各影響因素?cái)?shù)據(jù)歸一化并建立歸一化專題圖，得出突水危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)數(shù)學(xué)模型；最后利用GIS的空間分析功能將各專題圖進(jìn)行疊加，形成綜合評(píng)價(jià)分區(qū)圖，得出10煤底板突水危險(xiǎn)性的脆弱性分區(qū)結(jié)果。

突水； 脆弱性指數(shù)法； GIS； 空間分析

1 引言

高承壓灰?guī)r水上采煤底板突水一直是我國(guó)煤炭開采需要預(yù)防以及解決的重要安全問題之一。隨著開采深度的增加，這一問題也變得越來越嚴(yán)重，尤其是地質(zhì)構(gòu)造條件較差地區(qū)影響更為突出。目前評(píng)價(jià)底板突水危險(xiǎn)性的主要方法為突水系數(shù)法，但該法只考慮了含水層水壓以及隔水層厚度兩個(gè)影響因素，而“脆弱性指數(shù)法”綜合考慮了影響礦井突水的多個(gè)因素，并對(duì)每一個(gè)影響因素計(jì)算出權(quán)重，本文利用該法對(duì)孫疃礦104采區(qū)10煤底板突水危險(xiǎn)性進(jìn)行評(píng)價(jià)。

2 研究區(qū)概況

104采區(qū)位于孫疃煤礦北部，采區(qū)南部以F5斷層為邊界與102采區(qū)相鄰，采區(qū)東部至10煤-800 m水平，北部與楊柳煤礦相鄰，西至煤層露頭。采區(qū)為一走向北北東，向南東傾斜的單斜構(gòu)造，傾角10-20°，主采10煤層，煤層下伏50-70 m為石炭系太原組灰?guī)r含水層，據(jù)鄰近長(zhǎng)觀孔水位顯示，含水層水位20.78 m，水壓較大，當(dāng)開采10煤層時(shí)，存在著突水的危險(xiǎn)性。

3 采區(qū)10煤底板突水主控因素分析及專題圖建立

3.1 脆弱性指數(shù)法簡(jiǎn)介

可確定底板突水多種主控因素權(quán)重系數(shù)的信息融合與具有強(qiáng)大空間信息分析處理功能的GIS耦合于一體的煤層底板水害評(píng)價(jià)方法稱為脆弱性指數(shù)法。地理信息系統(tǒng)（GIS）強(qiáng)大的空間信息處理和分析功能可以處理影響因素多、條件不精確、信息量巨大的空間信息。另外，利用GIS的空間復(fù)合疊加功能對(duì)輸出進(jìn)行處理，以可視化地圖的形式給出煤層底板突水脆弱性的空間分布結(jié)果。

3.2 采區(qū)各主控因素專題圖

根據(jù)本采區(qū)地質(zhì)及水文地質(zhì)條件并結(jié)合前人研究成果，本文選取隔水層厚度、隔水層脆塑性巖厚度比、太灰含水層水壓、太灰水富水性、斷層密度、斷層端點(diǎn)與交點(diǎn)密度以及斷層規(guī)模7個(gè)因素作為10煤底板突水的主控因素。

隔水層厚度。10煤底板隔水層可以有效地防止太灰水涌入礦井，統(tǒng)計(jì)隔水層等效厚度并建立隔水層等效厚度專題圖如圖1（a）所示。

隔水層脆塑性巖厚度比。隔水層不同巖性的隔水能力也不同。脆性巖主要指砂巖以及灰?guī)r，隔水性能相對(duì)較好，而塑性巖主要是指泥巖以及頁(yè)巖，隔水性能相對(duì)較差。通過統(tǒng)計(jì)隔水層段脆性巖總厚度以及塑性巖總厚度，并且計(jì)算脆塑性巖厚度比，建立隔水層脆塑性巖厚度比專題圖如圖1（b）所示。

充水含水層水壓。煤層底板突水的本質(zhì)是充水含水層水壓足夠高，突破隔水層并對(duì)礦井進(jìn)行充水。所以太原組灰?guī)r水壓是10煤底板突水的一個(gè)重要影響因素。圖1（c）反映了太原組灰?guī)r水壓的分布情況，從圖可以看出采取內(nèi)由西北向東南水壓逐漸升高。

充水含水層富水性。灰?guī)r水的富水性對(duì)10煤底板突水有著重要的控制作用，富水性越好對(duì)10煤底板構(gòu)成的威脅越大。本文選取鉆孔單位涌水量作為灰?guī)r含水層富水性指標(biāo)，并建立單位涌水量專題圖如圖1（d）所示。

斷層密度。構(gòu)造復(fù)雜程度對(duì)10煤突水有著重要影響。斷層密度越大，隔水層被破壞的程度越大，并且斷層還可以作為導(dǎo)水通道，增加了灰?guī)r水突水的可能性。本文以500 m×500 m為大小建立單位網(wǎng)格，統(tǒng)計(jì)每個(gè)網(wǎng)格內(nèi)的斷層條數(shù)，并且以網(wǎng)格中心點(diǎn)為坐標(biāo)，繪制斷層密度專題圖如圖1（e）所示。

斷層交點(diǎn)和端點(diǎn)密度。在斷層交點(diǎn)與端點(diǎn)處，應(yīng)力較為集中，巖層破碎程度較大，裂隙十分發(fā)育，成為較好的導(dǎo)水通道。因此建立與斷層密度一樣的單位網(wǎng)格，統(tǒng)計(jì)網(wǎng)格內(nèi)斷層交點(diǎn)與端點(diǎn)的數(shù)量，并以每個(gè)網(wǎng)格中心點(diǎn)為坐標(biāo)，建立斷層交點(diǎn)和端點(diǎn)密度專題圖如圖1（f）所示。

斷層規(guī)模。斷層規(guī)模越大斷距越大，隔水層被切割破壞的程度就越大，阻水性能也就越差。并且較大規(guī)模的斷層有可能直接切穿隔水層，使10煤底板和灰?guī)r水直接產(chǎn)生水力聯(lián)系。統(tǒng)計(jì)每個(gè)單位網(wǎng)格內(nèi)所有斷層的斷距和，并且建立斷層規(guī)模專題圖如圖1（g）所示。

圖1 底板突水主控因素專題圖

4 脆弱性指數(shù)法評(píng)價(jià)10煤底板突水危險(xiǎn)性

4.1 構(gòu)建AHP判斷矩陣并計(jì)算各因素權(quán)重

深入分析各個(gè)影響因素，將影響因素自上而下分層，上層因素受下層因素的影響，而每一層因素具有相互獨(dú)立性，由此建立層次分析結(jié)構(gòu)模型如圖2所示。結(jié)合實(shí)際情況，采用“專家打分法”，即征詢現(xiàn)場(chǎng)專家意見，各科研院所意見以及生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，將每一層下相互獨(dú)立的因素兩兩進(jìn)行比較，采用T·L·SAATY創(chuàng)立的1-9標(biāo)度方法，在目標(biāo)層（A）下，構(gòu)建準(zhǔn)則層Bj的判斷矩陣以及指標(biāo)層Cj的判斷矩陣。

計(jì)算以上各矩陣控制因素的權(quán)重，并得出各指標(biāo)Cj對(duì)總目標(biāo)A的權(quán)重：隔水層厚度為0.247 5，隔水層脆塑性巖厚度比為0.082 5，灰?guī)r含水層水壓為0.274 7，灰?guī)r層單位涌水量為0.135 3，斷層密度為0.085 8，斷層交點(diǎn)和端點(diǎn)密度為0.067 5，斷層規(guī)模為0.106 6，以上計(jì)算均通過一致性檢驗(yàn)。

圖2 層次分析結(jié)構(gòu)模型

4.2 數(shù)據(jù)歸一化與影響因素專題圖建立

由于不同影響因素的數(shù)據(jù)量綱不同，因此有必要對(duì)每個(gè)影響因素的數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理，歸一化處理的方法公式為Ai=（Xi-min（Xi）/（max（Xi）-min（Xi））。其中Ai為歸一化處理后的數(shù)據(jù)，Xi為歸一化處理前的數(shù)據(jù)，max（Xi）與min（Xi）分別為歸一化處理前每個(gè)主控因素的最大值與最小值。在歸一化處理過程中還需要考慮各個(gè)影響因素與主目標(biāo)之間的相關(guān)性，本文中只有隔水層等效厚度與隔水層脆塑性巖厚度比與底板突水呈負(fù)相關(guān)，即主控因素的量化值越大，越不容易突水，其余五個(gè)主控因素與底板突水均呈正相關(guān)。處理負(fù)相關(guān)的方法為將（1-Ai）后的數(shù)據(jù)作為該影響因素歸一化后的值。數(shù)據(jù)經(jīng)過歸一化處理后利用GIS進(jìn)行各因素歸一化后專題圖的建立。

4.3 脆弱性指數(shù)法模型建立與危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)分區(qū)

利用AHP層次分析法得出各個(gè)影響因素的權(quán)重，并且建立了各影響因素專題圖，利用GIS強(qiáng)大的空間處理功能將各影響因素專題圖進(jìn)行疊加，得出脆弱性指數(shù)法評(píng)價(jià)模型，即 ，其中I為脆弱性指數(shù)，Wk為各影響因素相對(duì)于總目標(biāo)的權(quán)重，fk（x，y）為各影響因素歸一化后的數(shù)值，（x，y）為地理坐標(biāo)，將公式展開即為I=0.247 5f1（x，y）+0.082 5f2（x，y）+0.274 7f3（x，y）+0.135 3f4（x，y）+0.085 8f5（x，y）+0.067 5f6（x，y）+0.106 6f7（x，y）。根據(jù)以上模型計(jì)算得出每一區(qū)域脆弱性指數(shù)后，再利用頻率分布直方圖統(tǒng)計(jì)脆弱性指數(shù)的分布特征，從而將10煤底板突水脆弱性分為5個(gè)區(qū)，如圖3所示，即I≥0.55為底板突水危險(xiǎn)區(qū)，0.51≤I<0.55為底板突水較危險(xiǎn)區(qū)，0.41≤I<0.51為底板突水過渡區(qū)，0.31≤I<0.41為底板突水較安全區(qū)，I<0.31為底板突水安全區(qū)。由圖中不難看出煤層底板突水安全區(qū)與較安全區(qū)主要分布在采區(qū)西南部，而煤層底板突水較危險(xiǎn)區(qū)以及危險(xiǎn)區(qū)主要分布在采區(qū)的東部，主要原因是采區(qū)東部太原組灰?guī)r水壓較大，而10煤底板與太原組灰?guī)r之間隔水層主要由塑性巖組成，隔水性能較差，并且在104采區(qū)東部斷層較為發(fā)育，斷裂構(gòu)造較為復(fù)雜，采區(qū)東部為10煤底板突水較危險(xiǎn)區(qū)與危險(xiǎn)區(qū)。

5 結(jié)論

選取隔水層厚度、隔水層脆塑性巖厚度比、太灰含水層水壓、太灰水富水性、斷層密度、斷層端點(diǎn)與交點(diǎn)密度以及斷層規(guī)模7個(gè)因素作為10煤底板突水危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)指標(biāo)。并對(duì)各個(gè)主控因素進(jìn)行了數(shù)據(jù)歸一化的處理，應(yīng)用層次分析法以及成功構(gòu)建判斷矩陣，得出各個(gè)影響因素對(duì)目標(biāo)層的影響權(quán)重。

圖3 煤層底板突水脆弱性分區(qū)

利用GIS強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理以及空間分析功能將各個(gè)專題圖進(jìn)行疊加，得出了10煤底板突水脆弱性綜合評(píng)價(jià)分區(qū)圖，依據(jù)不同的閥值將10煤底板突水劃分為5個(gè)區(qū)。

依據(jù)脆弱性指數(shù)法判別結(jié)果，煤層底板突水安全區(qū)與較安全區(qū)主要分布在采區(qū)西南部，而煤層底板突水較危險(xiǎn)區(qū)以及危險(xiǎn)區(qū)主要分布在采區(qū)的東部，主要原因是采區(qū)東部太原組灰?guī)r水壓較大，而10煤底板與太原組灰?guī)r之間隔水層主要由塑性巖組成，隔水性能較差，并且在104采區(qū)東部斷層較為發(fā)育，斷裂構(gòu)造較為復(fù)雜，采區(qū)東部為10煤底板突水較危險(xiǎn)區(qū)與危險(xiǎn)區(qū)。

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2016-11-22

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：51474008）； 安徽省自然科學(xué)基金項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：1508085QE89）

方翔宇（1992-），安徽蕪湖人，在讀碩士，研究方向?yàn)樗牡刭|(zhì)及工程地質(zhì)。

TD745

B

1671-4733（2017）01-0004-03

10.3969/j.issn.1671-4733.2017.01.002