基于多源地學信息的河南平禹一礦煤層底板突水易發(fā)程度分析

王 超

（中國地質大學（武漢），湖北 武漢 430074）

煤層底板突水的預測預報方法研究一直是礦井水文地質工作者所關心的問題。目前此項研究可以分為兩大類：一類是以采礦礦壓和承壓水水壓為主要影響因素，通過研究底板隔水層巖層在承壓水水壓、礦壓和采動破壞作用下的變形、破壞特征來認識突水規(guī)律；另一類是綜合考慮與突水災害發(fā)生有關的各種因素，通過應用地理信息系統(tǒng)的多源地學信息復合疊加方法，建立多因素致災的GIS突水預測模型。

信息復合技術是一種新興的自動化信息綜合處理技術，是多源地學信息(如地理信息、地質信息、遙感信息等)進行綜合處理的一種新方法。它運用GIS和多源信息復合疊加處理方法進行底板突水災害預測預報研究，在系統(tǒng)分析底板突水機理基礎上，提出控制煤層底板突水災害的主要因素，確定各單因素對突水的影響權重，然后再進行各主要控制因素的配準按照權重復合處理，形成一個復合疊加的新的信息存儲層。在此基礎上，構建底板突水災害GIS數學模型，確定煤層底板突水災害模式，進行突水災害的預測[1][2]。它使煤礦水害預測方法產生了根本變化,其特點是由單因素分析變?yōu)槎嘁蛩胤治?由靜態(tài)分析變化動態(tài)分析,由定性分析變?yōu)槎糠治鯷3]。

一、平禹一礦及其水害概況

二、水文地質背景

礦區(qū)地表大面積被新近系和第四系地層掩蓋。據鉆孔揭露，礦區(qū)地層從老到新主要有古生界寒武系、奧陶系、石炭系、二疊系、新生界新近系、第四系。區(qū)內斷裂發(fā)育，其中落差大于100m的7條，落差100～50m的2條。斷層按走向分為NW、NE、EW三組，其中以NW向為主，并以正斷層為主。礦井主要充水含水層是寒武系灰?guī)r巖溶裂隙含水層、石炭系薄層灰?guī)r（上段和下段）巖溶裂隙含水層。二1煤底板至太原組上段灰?guī)r距離為5～15m，至太灰下段灰?guī)r平均57.1m，最小值44.0m，最大值73.5m，至寒武系灰?guī)r含水層頂板平均87.3m，最小值72.5m，最大值108.8m。平禹一礦位于白沙向斜西北翼，其北部和西部均為寒灰出露的基巖山區(qū)，東部為第四系廣泛出露的潁河沖洪積平原，構成北、西、南三面環(huán)山、東南開闊的“箕形”向斜匯水盆地。平禹一礦處在這一匯水盆地的傾伏端，是白沙向斜北翼巖溶水子系統(tǒng)的集中排泄區(qū)。巖溶水在西部和北部接受大氣降水補給后，沿地層傾向及地形坡降方向向南和東南方向徑流，因白沙向斜軸部寒灰埋深大而巖溶發(fā)育微弱，巖溶水不能向南徑流，沿山前的巖溶發(fā)育帶，向東南徑流至平禹一礦井田，以自流井、泉和礦井排水等形式向外排泄。煤層底板寒武系和太原組灰?guī)r巖溶承壓水是礦井主要充水水源，斷層及巖溶裂隙是巖溶水進入礦井的主要通道。在礦井沒有疏排巖溶水前，巖溶水水位在130-135m之間波動，高出地表標高3-7m，水文孔能夠自流。自2010年5月開始大流量疏放巖溶水，水位降至目前的60—70m左右。

三、底板巖溶水突水因素分析

煤層底板巖溶承壓水突水是含水層富水性、水壓、隔水層厚度、構造、采動礦壓等因素綜合作用的結果。

（一）寒武～石炭系含水層富水性。平禹一礦主采煤層底板寒武系和太原組灰?guī)r富水性不僅決定著突水強度，也是造成突水的主要因素?；?guī)r巖溶發(fā)育及富水程度因受斷層構造控制，突水位置及突水強度又受構造影響。煤層底板巖溶水突水點基本位于富水區(qū)里或其周邊，特大型突水都在富水區(qū)。這表明，灰?guī)r富水性越好，越容易引發(fā)底板突水，突水強度也越大。

（二）二1煤層底板隔水層阻水能力。隔水層阻水能力與厚度、巖性及其組合關系有關。在正常的地質條件下，隔水層厚度越大的地段，突水的可能性越?。环粗?，突水的幾率越大。但由于缺乏隔水層阻水巖土力學相關指標值，通常用隔水層厚度評價隔水層阻水能力。通過對井田鉆孔資料的統(tǒng)計，編制了平禹一礦二1煤層底板隔水層厚度等值線圖。通過對歷次底板突水資料的分析，隔水層厚度對突水雖有一定控制作用，但隔水層厚度相對較大的區(qū)域也出現多次突水，說明底板突水受其他因素影響更大些。

（三）水壓因素。水壓的主要作用是與礦壓共同造成煤層底板隔水層的破壞，導致部分隔水層失去阻水作用，承壓水在水壓的作用下涌入礦井而形成突水。足夠的水頭壓力是引起突水的重要條件，承壓水壓越高，越容易突水。根據水文孔水位及煤層底板標高，編制了煤層底板水壓等值線，水壓從西北向南東逐漸增大。在水壓大于或等于3.0Mpa時，突水頻次增加，在水壓為3.5Mpa時，出現大型和特大型突水事故。

（四）構造因素。斷層和褶皺軸部是煤層底板突水的薄弱地帶，尤其是斷層常成為煤層底板突水通道。大量統(tǒng)計資料表明，底板突水事故80%以上發(fā)生在斷裂構造附近。平禹一礦突水受構造影響較為明顯，突水點多分布在大斷層附近的影響帶、小斷層帶、大斷層的轉折或轉彎、分支處、地層產狀褶曲變形處及產狀突變帶等。

圖1 底板灰?guī)r含水層富水性分區(qū)和突水點的分布

四、底板突水危險評價

通過多源信息的融合，本文用脆弱性指數法評價平輿一礦的底板突水問題。脆弱性指數法是將可確定底板突水多種主控因素權重系數的信息融合方法與具有強大空間信息分析處理功能的地理信息系統(tǒng)(GIS)耦合于一體的煤層底板突水評價預測方法[4]。

（一）數學模型。多信息經過GIS分析處理，運用多種模型進行運算與反復擬合，最終選用的底板突危險評價模型為[5]：

首先，要確保原材料的質量，對進場的砂石、水泥、粉煤灰、外加劑、摻合料等原材料，必須嚴格依據國家、地方相關標準、規(guī)范要求進行取樣試驗。

式中：n—突水指數；

F—構造復雜程度；

H—水頭壓力(MPa)；

M—底板阻水能力；

a、b—權重系數，分別為0.4和0.6；

K—富水性指數，可根據勘探成果得出，不富水時取0，富水時取l。

（二）突水危險性分區(qū)預測。利用上述突水危險評價模型，結合已有突水資料的驗證，對平禹一礦煤層底板突水危險進行了評價。通過計算，井田范圍內突水指數在0.32～1.31之間，根據突水指數的取值大小及實際突水情況，將全井田為突水極易發(fā)生區(qū)（Ⅰ區(qū)），突水較易發(fā)生區(qū)（Ⅱ區(qū)）、易發(fā)生區(qū)（Ⅲ區(qū)）和一般發(fā)生區(qū)（Ⅳ區(qū)），如圖2所示。

1.突水極易發(fā)生區(qū)（Ⅰ區(qū)）。突水指數n≥1，主要分布在通水性較好的大斷層附近，且由于與富水區(qū)結合良好，該區(qū)極易發(fā)生突水、水量大、危險性高。

2.突水較易發(fā)生區(qū)（Ⅱ區(qū)）。突水指數n=0.85～1，主要發(fā)生在斷層200m緩沖區(qū)內與富水區(qū)結合較好地段。

3.易發(fā)生區(qū)（Ⅲ區(qū)）。突水指數 n=0.7～0.85，主要分布深部區(qū)域，水壓較大和富水性較大。一旦突水，水量大，強度大，危險性高。

4.一般發(fā)生區(qū)（Ⅳ區(qū)）。突水指數n＜0.7，主要在非富水區(qū)、淺部風化帶及中部巖溶發(fā)育一般地區(qū)。

圖2 平禹一礦底板突水危險性預測分區(qū)圖

四、結論

（一）突水系數法是目前評價煤層底板突水危險性的常用方法，由于僅考慮了水壓、隔水層厚度及底板采動破壞對突水的影響，評價結果與實際時常出現不相符的情況?；诙嘣吹貙W信息的煤層底板突水危險性評價法，綜合考慮了影響煤層底板突水的各種因素，不僅包括水壓、隔水層厚度及底板采動破壞因素，還包括含水層富水性、構造發(fā)育程度等因素，使得預測方法更加合理，預測結果更符合實際。

（二）通過對平禹一礦煤層底板突水因素的分析，構建了預測底板突水災害的GIS數學模型，按突水指數將井田劃分為極易發(fā)生區(qū)、較易發(fā)生區(qū)、易發(fā)生區(qū)和一般發(fā)生區(qū)，這為煤礦安全生產和水害防治指明了方向。

[1] 張和生，薛光武，石秀偉等，基于地學信息復合疊置分析對煤層底板突水的預測[J]，煤炭學報，2009,34（8）：1100-1104

[2] 石秀偉，胡耀青，張和生，基于GIS的煤層底板突水預測理論模型[J]，太原理工大學學報，2008，39 卷專輯：244-247

[3] 崔三元，崔若飛，基于GIS的煤礦水害多源信息預測方法研究[J]，地球物理學進展，2006,21（4）：1309-1313

[4] 武 強，劉守強，賈國凱，脆弱性指數法在煤層底板突水評價中的應用[J]，中國煤炭，2010，36（6）：16-22

[5] 尹會永,魏久傳,劉同彬等，基于多源信息復合的煤層底板突水評價[J]，山東科技大學學報（自然科學版），2008，27（2）：6-9