基于Surfer的煤層底板突水危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)

李延河 劉寶敏

(中國(guó)平煤神馬集團(tuán)平禹一礦，河南省禹州市，450000)

我國(guó)華北石炭—二疊紀(jì)巖溶型煤田普遍存在著底板灰?guī)r承壓水突水災(zāi)害問(wèn)題，隨著開(kāi)采深度的加深和生產(chǎn)規(guī)模的擴(kuò)大，作用在煤層底板上的水壓越來(lái)越高，突水危險(xiǎn)性越來(lái)越大。準(zhǔn)確評(píng)價(jià)和預(yù)測(cè)底板承壓水突水危險(xiǎn)性是做好煤礦防治水工作的重要前提，《煤礦防治水規(guī)定》提出了安全隔水層厚度法和突水系數(shù)法，公式簡(jiǎn)單實(shí)用，已廣泛用于巷道和采煤工作面的底板突水危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)。武強(qiáng)院士將確定底板突水多種主控因素權(quán)重系數(shù)的信息融合方法與具有強(qiáng)大空間信息分析處理功能的GIS耦合于一體，提出了評(píng)價(jià)底板突水危險(xiǎn)的脆弱性指數(shù)法。這種方法綜合考慮了各種因素對(duì)底板承壓水突水的“貢獻(xiàn)”，評(píng)價(jià)結(jié)果比突水系數(shù)法更符合實(shí)際，從而得到廣泛認(rèn)同。但是，GIS軟件在基層煤礦普及程度十分有限，同時(shí)脆弱性指數(shù)缺乏全國(guó)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，從而影響了脆弱性指數(shù)法廣泛應(yīng)用。在地質(zhì)測(cè)量等領(lǐng)域廣泛使用的Surfer軟件具有多元信息復(fù)合疊加功能，最突出優(yōu)勢(shì)是其擁有十幾種數(shù)據(jù)網(wǎng)格化方法，能夠方便快捷地繪制各種等值線圖和分區(qū)圖，而這些正是脆弱性指數(shù)法常選擇GIS平臺(tái)的重要理由所在。目前，以Surfer為平臺(tái)評(píng)價(jià)煤礦底板突水脆弱性的實(shí)例較少，但已有成功的案例。為利于脆弱性指數(shù)法的推廣應(yīng)用，本文以平禹一礦為研究對(duì)象，以Surfer為平臺(tái)，聯(lián)合運(yùn)用脆弱性指數(shù)和突水系數(shù)評(píng)價(jià)礦井深部煤層底板巖溶承壓水的突水危險(xiǎn)性。

1 平禹一礦灰?guī)r水害背景

平禹一礦位于河南省禹州市北部9 km的古城鎮(zhèn)，井田東西長(zhǎng)8 km，南北寬0.35～2.4 km，面積13.5 km2。主采二疊系山西組二1煤層和二3煤層，厚度4～7 m，生產(chǎn)能力達(dá)150萬(wàn)t/a，現(xiàn)開(kāi)采標(biāo)高為-415 m。平禹一礦處在禹州巖溶水系統(tǒng)最下游的承壓自流排泄區(qū)，煤層底板太灰和寒灰?guī)r溶發(fā)育，富水性和導(dǎo)水性強(qiáng)，承壓水補(bǔ)給充沛。自1972年以來(lái)，已經(jīng)發(fā)生49次突水，造成2次淹井和2次淹采區(qū)。尤其是2005年在東大巷發(fā)生了特大型寒灰水突水，最大突水量達(dá)到38056 m3/h。礦井轉(zhuǎn)入到-415 m水平生產(chǎn)后，作用在煤層底板上的水壓超過(guò)3 MPa，煤層底板巖溶承壓水威脅著礦井安全生產(chǎn)，為安全高效生產(chǎn)，需要評(píng)價(jià)底板突水危險(xiǎn)性，并進(jìn)行水害分區(qū)和綜合治理。

2 煤層底板突水影響因素分析

通過(guò)綜合分析平禹一礦水文地質(zhì)條件、充水條件及歷史上底板巖溶水突水事故，確定了影響平禹一礦底板寒灰?guī)r溶承壓水突水的4個(gè)主控因素，包括寒灰水壓、有效隔水層厚度、斷層和灰?guī)r巖溶發(fā)育程度及富水性。

2.1 水壓

在平禹一礦49次突水中，以太灰L7～8灰?guī)r巖溶水為水源的突水13次，以太灰L1-4灰?guī)r巖溶水為水源的突水8次，以寒武系灰?guī)r巖溶水為水源的突水6次，這也就意味著煤層底板灰?guī)r突水占總突水次數(shù)的55%。歷史上的4次突水淹井和淹采區(qū)事故其水源均為寒灰?guī)r溶水。在27次底板灰?guī)r突水中，21次突水的水壓超過(guò)3 MPa，最大水壓為4 MPa，5次突水的水壓在1.8～2.6 MPa之間，1次突水水壓為1.1 MPa。由此可見(jiàn)，水壓是誘發(fā)平禹一礦底板灰?guī)r水突水的關(guān)鍵因素，水壓越高，突水危險(xiǎn)性越大。當(dāng)前，平禹一礦寒灰水位為-100 m，-415 m水平承壓3.15 MPa，因此帶壓采煤時(shí)仍然存在寒灰水突水的潛在危險(xiǎn)。

2.2 有效隔水層厚度

通過(guò)對(duì)井田內(nèi)300多個(gè)鉆孔資料的統(tǒng)計(jì)，確定了煤層底板隔水層厚度的空間分布。二1煤層底板至太灰上段灰?guī)r間的隔水層平均厚度為11.3 m，最小厚度為4.3 m，最大厚度為26.2 m。二1煤層底板至太灰下段灰?guī)r間的隔水層平均厚度為57.1 m，最小厚度為44.0 m，最大厚度為73.5 m。二1煤層底板至寒灰含水層間的隔水層平均厚度為87.3 m，最小厚度為72.5 m，最大厚度為108.8 m。煤層底板隔水層起到阻隔其下伏承壓水進(jìn)入礦井的作用，其厚度越大，阻水能力就越強(qiáng)。但受采動(dòng)影響，煤層底板巖層會(huì)產(chǎn)生采動(dòng)破壞裂隙，使得采動(dòng)破壞深度范圍內(nèi)的隔水層喪失原有隔水性，真正起阻水作用的是除底板破壞深度后剩余的有效隔水層。

2.3 斷層

大量資料表明，我國(guó)80%以上的底板突水發(fā)生在斷裂構(gòu)造附近。平禹一礦以斷層為直接突水通道的底板巖溶水突水雖然只有4次，但因斷層溝通了寒武系灰?guī)r和石炭系薄層灰?guī)r的垂直水力聯(lián)系，又是構(gòu)造薄弱帶和富水帶，因此，斷層引起的突水具有突水強(qiáng)度大和危險(xiǎn)性高的特征。突水點(diǎn)位置與構(gòu)造關(guān)系十分密切，斷層及影響帶、小斷層密集帶、地層產(chǎn)狀突變處、斷層轉(zhuǎn)折段或分支處均是易發(fā)生突水的部位。

2.4 灰?guī)r巖溶發(fā)育程度及富水性

在寒武系地層的露頭區(qū)，中統(tǒng)張夏組鮞狀灰?guī)r和上統(tǒng)崮山組白云質(zhì)灰?guī)r巖溶發(fā)育，巖溶形態(tài)主要是巖溶裂隙、溶溝、溶槽和小溶洞。在平禹一礦井田范圍內(nèi)，物探、鉆探和采掘工程揭露證實(shí)，寒灰和太灰?guī)r溶發(fā)育，富水性強(qiáng)，富水異常區(qū)分布廣且面積大，沿?cái)鄬映蕩罘植肌：規(guī)r溶發(fā)育和富水性強(qiáng)的另外一種表現(xiàn)是注漿堵水鉆孔的注漿材料消耗量非常大，如12041工作面的注1孔在L1-3灰?guī)r注漿段共消耗水泥6021.6 t，注2孔在L1-3灰?guī)r注漿段共消耗水泥10701 t，注4孔在寒灰注漿段共消耗水泥14632 t。

3 AHP法確定突水主控因素的權(quán)重

合理確定各主控因素的權(quán)重是運(yùn)用脆弱性指數(shù)法評(píng)價(jià)底板突水危險(xiǎn)性的關(guān)鍵問(wèn)題，常用方法有人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法(ANN)、證據(jù)權(quán)重法、Logistic回歸法和層次分析法(AHP)、熵權(quán)法-模糊層次法等。為使其與突水系數(shù)的評(píng)價(jià)結(jié)果能相互對(duì)比，選擇了影響平禹一礦底板突水的4個(gè)關(guān)鍵因素作為構(gòu)建AHP層次模型和確定權(quán)重的主要依據(jù)，所建立的層次模型結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 底板突水危險(xiǎn)評(píng)價(jià)層次結(jié)構(gòu)模型

運(yùn)用專(zhuān)家評(píng)分法對(duì)影響突水的因素進(jìn)行評(píng)分，構(gòu)造判斷矩陣并計(jì)算出各主控因素對(duì)突水的貢獻(xiàn)(權(quán)重)。水壓、富水性、有效隔水層厚度和斷層影響指數(shù)共四項(xiàng)主控因素所對(duì)應(yīng)的權(quán)重值依次是0.3678、0.1134、0.3571和0.1617。據(jù)此建立了評(píng)價(jià)平禹一礦煤層底板突水脆弱性的數(shù)學(xué)模型：

式中：VI——脆弱性指數(shù)；

fk(x,y)——單因素影響值函數(shù)；

x,y——地理坐標(biāo)。

4 基于Surfer的突水危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)

4.1 脆弱性指數(shù)的計(jì)算

GIS具有強(qiáng)大的空間信息分析和疊加功能，所以常用GIS軟件實(shí)現(xiàn)煤層底板突水脆弱性的評(píng)價(jià)。Surfer也具有空間信息疊加功能，而且其插值方法豐富，繪制等值線圖和分區(qū)圖的功能遠(yuǎn)比GIS強(qiáng)，而這些都是脆弱性指數(shù)法評(píng)價(jià)底板突水危險(xiǎn)的重要環(huán)節(jié)。為此，本文基于Surfer軟件評(píng)價(jià)平禹一礦底板突水危險(xiǎn)性。實(shí)現(xiàn)步驟如下：對(duì)評(píng)價(jià)因子的數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理，然后按網(wǎng)格進(jìn)行剖分量化，繪制各主控因素的專(zhuān)題層圖；按照各因素權(quán)重貢獻(xiàn)值對(duì)專(zhuān)題圖進(jìn)行復(fù)合疊加，形成煤層底板突水脆弱性指數(shù)分布圖；結(jié)合突水系數(shù)法及脆弱性法對(duì)平禹一礦深部采區(qū)的底板突水危險(xiǎn)性進(jìn)行分區(qū)。以下簡(jiǎn)要說(shuō)明繪制水壓專(zhuān)題圖的方法：

(1)對(duì)平禹一礦二1煤層底板等高線數(shù)據(jù)進(jìn)行柵格化，創(chuàng)建等高線.GRD〗文件，簡(jiǎn)稱(chēng)A。

(2)對(duì)平禹一礦井田寒灰水位數(shù)據(jù)進(jìn)行柵格化，創(chuàng)建水位.GRD〗文件，簡(jiǎn)稱(chēng)B。柵格化時(shí)要修改水位數(shù)據(jù)的坐標(biāo)范圍和柵格數(shù)量，使柵格化后的坐標(biāo)范圍和柵格數(shù)量與煤層等高線相同，以便于進(jìn)行相關(guān)的運(yùn)算。

(3)利用math模塊，對(duì)上述兩個(gè)柵格數(shù)據(jù)文件進(jìn)行計(jì)算，令C1=(B-A)/100，其結(jié)果C1表示巖溶水作用在煤層底板上的水壓，得到的水壓等值線圖就作為水壓專(zhuān)題圖。

采用同樣的方法，可繪制等效隔水層厚度的專(zhuān)題圖C3。由于含水層富水性和斷層是屬性數(shù)據(jù)，要先將二者量化后，才能繪制各自的專(zhuān)題圖，分別用C2和C4表示。

(4)同樣利用math模塊，將4個(gè)主控因素的柵格化數(shù)據(jù)分步合并運(yùn)算，即可得到煤層底板突水脆弱性指數(shù)等值線圖，即：VI=0.3678×C1+0.1134×C2+0.3571×C3+0.1617×C4。

4.2 突水系數(shù)的計(jì)算

用脆弱性指數(shù)來(lái)評(píng)價(jià)和劃分煤層底板突水危險(xiǎn)，由于尚未建立全國(guó)性或地區(qū)性的脆弱性指數(shù)限制，其評(píng)價(jià)結(jié)果是相對(duì)的。而突水系數(shù)是水壓和隔水層厚度的比值，有全國(guó)統(tǒng)一的突水臨界值，即受構(gòu)造破壞塊段臨界突水系數(shù)為0.06 MPa/m，正常構(gòu)造塊段臨界突水系數(shù)為0.1 MPa/m。在2009年頒布實(shí)施的《煤礦防治水規(guī)定》中，將突水系數(shù)法作為評(píng)價(jià)采煤工作面底板突水危險(xiǎn)的首選方法。鑒于此，本文以Surfer軟件為平臺(tái)，再用突水系數(shù)法評(píng)價(jià)平禹一礦深部采區(qū)的底板突水危險(xiǎn)性。對(duì)前面計(jì)算得到的巖溶水作用在煤層底板上的水壓柵格數(shù)據(jù)再進(jìn)行以下計(jì)算：

(1)將作用在煤層底板上的水壓C1與隔水層厚度M進(jìn)行相加，求得巖溶水作用在隔水層底板上的水壓P(單位為MPa)，即：

P=C1+M×0.01

(2)

(2)將水壓P和隔水層厚度M再進(jìn)行除法運(yùn)算，就得到突水系數(shù)T的柵格化數(shù)據(jù)，并繪制等值線圖。

(3)

4.3 底板突水危險(xiǎn)性的綜合評(píng)價(jià)

綜合脆弱性指數(shù)和突水系數(shù)的兩種評(píng)價(jià)結(jié)果，并參照平煤神馬集團(tuán)關(guān)于采煤工作面底板灰?guī)r承壓水突水危險(xiǎn)性的劃分方法，將平禹一礦井田劃分為安全區(qū)、突水威脅區(qū)和突水危險(xiǎn)區(qū)3個(gè)區(qū)域，如圖2所示。

圖2 平禹一礦底板突水危險(xiǎn)性分區(qū)圖

結(jié)果顯示，平禹一礦二1煤層底板標(biāo)高大于-60 m區(qū)域，處在灰?guī)r承壓水位以上，煤層底板不承受水壓，不受底板灰?guī)r水的影響，屬于安全區(qū),如圖2中綠色區(qū)域。標(biāo)高-60～-400 m且不受斷層影響的區(qū)域?qū)儆谕凰{區(qū)，如圖2中橙色區(qū)域，處在灰?guī)r含水層水位以下，但突水系數(shù)小于0.06 MPa/m，正常地段沒(méi)有底板突水危險(xiǎn)，但斷層或隔水層薄弱地段存在突水的可能。標(biāo)高-400 m以深和標(biāo)高-60～-400 m的斷層影響區(qū)域?qū)儆谕凰ｋU(xiǎn)區(qū),如圖2中紅色區(qū)域，作用在煤層底板的水壓大，或突水系數(shù)超過(guò)0.06 MPa/m，或存在斷層垂向?qū)ǖ溃_(kāi)采過(guò)程中存在突水危險(xiǎn)。

4.4 底板灰?guī)r水害的綜合治理

平禹一礦為保障深部的安全生產(chǎn)，對(duì)灰?guī)r水害進(jìn)行了綜合探查和防治，相繼實(shí)施了水文地質(zhì)條件的綜合探查、巖溶水補(bǔ)給通道的帷幕注漿截流、大流量疏放寒灰水、工作面煤層底板地層預(yù)注漿改造加固、排水系統(tǒng)改造等一系列的防治水措施，治理效果顯著，使平禹一礦在極其復(fù)雜的水文地質(zhì)背景下，實(shí)現(xiàn)了連續(xù)10年的安全生產(chǎn)，礦井產(chǎn)能也由原來(lái)的60萬(wàn)t/a提高到150萬(wàn)t/a。

5 結(jié)語(yǔ)

(1)Surfer軟件具有GIS軟件的空間信息疊加功能，由于其普及性更強(qiáng)，使用方便，用于煤礦底板突水脆弱性評(píng)價(jià)也十分方便。

(2)以Surfer軟件為平臺(tái)，建立了評(píng)價(jià)平禹一礦底板突水脆弱性的層次模型，綜合脆弱性指數(shù)和突水系數(shù)的評(píng)價(jià)結(jié)果，將平禹一礦劃分為安全區(qū)、突水威脅區(qū)和突水危險(xiǎn)區(qū)。

(3)平禹一礦對(duì)-200 m大巷以下采區(qū)灰?guī)r水害采取了綜合探查和防治措施，自2008年13091工作面突水淹采區(qū)以來(lái)，沒(méi)有再次發(fā)生底板突水，原本極其嚴(yán)重的底板水害實(shí)現(xiàn)了可防、可控和可治的目標(biāo)。