基于GIS的煤层底板突水脆弱性评价——以山西曹村井田为例

张 隆 ，赵海陆，田 蕾

（1.河北省环境地质勘查院，河北石家庄 0 50000；2.中煤地质工程总公司上海分公司，上海 2 00136）

0 引言

我国是世界上矿井水文地质条件最为复杂的国家，相应的也是矿井水害发生最为频繁、突水量最大、最严重的国家。多年来，我国的水文地质工作者在进行煤层底板突水危险性评价和矿井防治水工作中首选采用突水系数法。经过多年的理论研究和生产实践，底板突水脆弱性评价理论发展日益完善，并形成了固定且可行的突水危险性评价方法；该理论在煤矿下组煤安全开采评价和矿井底板危险性评价中起着重要作用。

1 矿区概况

曹村井田位于山西省霍州矿区，地理位置上位于临汾盆地北部，霍山与吕梁山之间的峡谷地带，属于切割强烈的黄土丘陵地貌。黄河支流汾河水系为矿区的主要水系。

1.1 煤层特征

井田主要开采煤层为山西组2#煤层及太原组9#、10#、11#煤层，目前原井田 2#煤层大部分已采完，9#、10#、11#煤层开采已近尾声，本区含煤地层为石炭系中统本溪组，上统太原组和二迭系下统山西组。含煤地层总厚度均120m，煤层总厚平均为13.0m，含煤系数10.83％，可采和局部可采煤层总厚度平均为11.73m。本区主要可采煤层为2#、9#、10#、、11#煤层，9#、10#煤层相距 0.44m，K2灰岩直接覆盖于9#煤层之上；9#煤层厚度0.9m。煤层稳定，基本可采；10#煤层西部较厚，东北局部变薄，平均厚度2.20m，煤层结构较复杂，全区可采。本井田9#、10#煤层合并开采；11#煤层位于太原组底部10#煤层之下，与10#煤间距9.08m，煤层厚度自西向东变薄，但均在1.1m以上，煤层厚度平均1.71m，煤层结构复杂，含夹石0～3层，煤层稳定，全区可采。

1.2 含水层特征

1.2.1 第四系砂砾岩孔隙含水层

自上而下又分为三个部分：上部主要分布在现代河谷内的河床，中部主要成条带状分布在现代河床，下部主要由细粉砂和砂质粘土组成。

1.2.2 第三系泥灰岩砂砾石裂隙含水层

第三系地层在本区分布广泛，本含水层分为两个含水带，第一含水带岩性以亚砂土、亚粘土、砂砾石层组成，第二含水带岩性为砾石层。

1.2.3 二叠系砂岩裂隙含水层

含水层主要为K7、K8和K9砂岩，平均厚度13.21m，砂岩以中粒为主，成分为石英和长石，K9砂岩为钙质胶结，K8、K9砂岩为泥质胶结。

1.2.4 石炭系石灰岩裂隙含水层

太原组在全区分布广泛，平均厚度81.04m，地表未见出露，含水层主要为K2、K3、K4石灰岩层，这三层灰岩多为致密块状，不同程度地有裂隙发育。

1.2.5 奥陶系石灰岩裂隙岩溶含水层

该含水层岩性和厚度稳定，霍山地区总厚735m，本区揭露133.31m，大面积露头在霍山外围的罗云山以西及北部灵石一带，含水层向NE、SW方向缓坡状倾斜。奥陶系峰峰组可分为两个含水组共三个含水带，含水层富水不均一，在平面上可粗略分为三带：南部富水性中等，中部富水性强，北部富水性极弱。在垂向上奥陶系灰岩含水层亦有明显的分带性。

奥陶系石灰岩地下水的补给、迳流、排泄受区域地质构造条件控制［1］。本井田含水层末出露地表，其补给源主要在区外霍山山前的奥陶系石灰岩露头及断裂破碎带处，大气降雨直接或间接通过第四系松散层补给奥陶系灰岩岩溶水。奥陶系石灰岩的迳流区和分布区一致。

1.3 隔水层特征

1.3.1 第四系中下部砂钙质粘土隔水层：

该隔水层由红黄色亚砂土、亚粘土、砂质粘土及钙质结核、古土壤层构成。厚约27m，属全区大面积分布的稳定隔水层。中部多为砂砾石孔隙承压水。其埋藏深度总的趋势是西南浅而东北深。

1.3.2 二叠系泥岩粉砂岩隔水层

上部为紫红色铝质泥岩，紫色泥岩，中部为深绿色粉砂岩、砂泥岩、黑灰色泥岩及铝质泥岩，下部为深灰～黑色泥岩、煤层及粉砂岩。本隔水层上部位于K9之上。中部为2#煤层之顶板隔水层，下部为2#煤底板隔水层，亦为5#、6#煤之顶板隔水层。

1.3.3 石炭系泥灰岩隔水层

岩性主要为灰白色铝质泥岩、灰黑色炭质泥岩、煤层、浅灰色粉砂岩，总厚约为70.1m，分布广泛、稳定。从上到下可细分为四个隔水带。上部为5#、6#煤的底板隔水层，中下部分别为10#煤隔水底板，以及11#煤的隔水底板。

1.3.4 奥陶系泥灰岩石膏隔水层

该隔水层主要为石膏泥灰岩带。分为上下两带。该层岩性均为泥灰岩及石膏层。石膏以条带状、纤维状、网状、脉状穿插在泥灰岩之间。整层致密坚硬、稳定。平均为42.57m，这套隔水层位于奥陶系峰峰组第一、二含水组之间，厚度又大。因此，在没有断层或其它破碎带、陷落柱的情况下，具有较好的隔水性能。

1.4 主要断层构造的富水性特征

本井田位于赤峪断层东侧上升盘，井田构造总体为走向NW，倾向NE的挠折式单斜。井田西部靠近赤峪断层，以近EW向或NNE-NE向次级开阔褶曲为主体，区内走向NNE-NE向为主的正断层十分发育为其主要特征，构造复杂。井田东部，构造简单，为平缓单斜。

曹村井田范围内（含边界）共有5m以上断层32条，其中落差在100m以上的断层仅有一条，即井田西界NNE向的F1断层。断距在20～100m的断层有三条，即F3、F25及F28，均呈NE向展布。其它小型断层的走向主要也是NE—SW向。断距在5～20m的断层共有28条。

本文涉及的11#煤开采底板充水含水层为奥灰岩溶裂隙含水层。

2 理论基础

层次分析法［2］的基本原理是对与预评价体系有关的方案的各要素进行判断、比较、计算，最后求出各要素的权重。一般分为四步：

2.1 建立层次结构模型

根据以往地质及水文资料，总结出曹村井田底板岩溶突水的主控因素，并将得出的因素划分为3个层次：目标层、准则层、决策层（图1）。

图1 层次结构模型Fig.1 Structure model of levels

2.2 构造判断矩阵

通过全面分析曹村井田底板含水层突水危险性因素，运用“专家打分”的方法，征集和咨询现场专家的意见，并根据他们在现场生产实践和科学研究中的亲身经历和亲身体验以及对问题的具体处理方法，对影响奥灰岩溶含水层的众多因素进行打分。根据最后的打分得分情况，进行各因素间的总分比较，形成专家对各影响因素的评判集合，由此构造研究区内奥灰含水层脆弱性AHP（层次分析法）评价的判断矩阵。

2.3 层次排序和一致性检验

这一步主要是解决准则下各个元素排序权重的计算问题，用方根法求出判断矩阵特征根和特征向量并进行一致性检验，特征向量即为同一层次相应要素对上一层次某一要素W相对重要性权值，这一过程称为层次单排序，检验单排序结果是否正确，判断矩阵必须完全满足一致性条件；即如果不满足，则重新建立判断矩阵。

2.4 计算各层因素权重

目的是为了得到指标层各指标P经过C层对目标层A的权重结果。

3 基于GIS的AHP模型原理

脆弱性指数法［3］是以层次分析法和GIS相结合的评价方法，在评价下组煤突水危险性中极为方便。建立目标含水层脆弱性模型，这个模型所得出的计算值能反映出某一位置含水层受各主要因素影响的程度。初始模型的建立采用以含水层水质和含水层水量为基础。

采用脆弱性指数的初始模型来对目标含水层脆弱性进行评价［4］。脆弱性指数定义为某一地区某一地段的某一栅格位置上的各种影响因素对其产生的叠加影响总和。可用以下模型公式表示：

式中：Vi——脆弱性指数；

Wk——影响因素权重；

fk（x，y）——单因素影响值函数；

x，y——地理坐标；

n——影响因素的个数。

4 脆弱性指数法在煤层底板突水危险性评价中的应用

4.1 建立层次分析模型

根据对曹村井田的地质、构造、水文等条件的分析，确定出井田底板突水的主要影响因素及层次结构模型。本次评价拟采用以下9个因素为该井田脆弱性主控因素。目标含水层的水压、目标含水层富水性、构造复杂程度、陷落柱分布密度、有效隔水层厚度、刚性岩厚度、目标含水层弱透水层厚度、奥灰古风化壳等效厚度、断层规模指数。

4.2 构造判断矩阵

在底板突水脆弱性评价的两两比较判断矩阵下，通过matlab程序可以方便的对层次分析判断矩阵进行计算，最后求出层次排序及一致性检验。

表1 判断矩阵A－Ci（i=1－2）Table 1 Judgment matrix A－Ci（i=1－2）

表2 判断矩阵C1－Pi（i=1－4）Table 2 Judgment matrix C1－Pi（i=1－4）

表3 判断矩阵C2－Pi（i=5－9）Table 3 Judgment matrix C2－Pi（i=5－9）

表4 指标Pi对A的权重Table 4 The weight of index Pi for A

4.3 底板突水主控因素数据采集及专题图的建立

为了降低乃至消除主控因素因不同数量级的数据对最后评价结果所产生的影响，需要对现有的数据进行均一化处理，均一化的目的是相对的，方便处理后的数据进行统计和比较，有利于系统分析。

经过均一化处理后的单因素数据，录入到数据库中即可得到各单因素属性数据库。运用MapGIS软件对均一化数据进行处理，建立均一化后的单因素图，图2、3为部分影响因素归一化专题图。

4.4 单因素均一化图的复合叠加

单因素均一化图的复合叠加即把消除量纲差别后的各单因素均一化图叠加合成一个新的图形，对新生成的图形进行重建拓扑分区并赋予新的拓扑关系属性所形成的图形。

4.5 煤层底板突水脆弱性分区

脆弱性指数越大，说明目标含水层对煤层底板的影响程度也就越大，即越容易造成底板突水。通过对煤层底板脆弱性程度指数进行统计分析，做出11#煤底板脆弱性指数累计统计图，从而确定出分区的临界值分别为0.32、0.39、0.46、0.58，如表5、图4所示。

图2 水压归一化图（平面图）Fig.2 Hydraulic Pressnormalized grah

图3 构造归一化图（平面图）Fig.3 Normalized differeace chart

表5 脆弱性指数统计表Table 5 Vulnerability index Statistics

图4 脆弱性指数统计图Fig.4 Vulnerability index

4.6 评价结果

根据上述统计结果得出的临界值域，将拓扑分析结果图的每个区域赋予新的属性，并对区域含水层脆弱性评价图赋予新的区颜色（图5）。

图5 脆弱性分区图（平面图）Fig.5 Vulnerability zoning map

5 结语

本文以底板突水脆弱性理论为基础，采用MapGIS与AHP相结合的方法对曹村井田11#煤层底板突水危险性进行评价。应用该方法对曹村井田下组煤底板脆弱性评价结果，通过井下施工验证得到了理想的效果，对煤矿开采在底板突水方面起到引导作用。

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