脆弱性指數(shù)法在1煤層底板巖溶突水評價中應用
——以新集二礦為例

廉法憲，周學年，李 磊，張繼兵，許光泉，楊婷婷，張海濤

(1.中煤新集能源股份有限公司，安徽 淮南 232001；2.淮南礦業(yè)(集團)責任有限公司，安徽 淮南 232001；3.安徽理工大學地球與環(huán)境學院，安徽 淮南 232001)

華北煤田煤系地層為石炭-二疊紀地層，其下伏為石炭紀太原組和奧陶紀灰?guī)r，灰?guī)r含水層具有巖溶-裂隙發(fā)育，水量大，水壓高等特點。近年來，隨著煤礦開采強度與深度不斷增加，煤層底板灰?guī)r巖溶突水問題日益嚴重，逐漸成為煤礦防治水工作的重點。為揭示煤層底板突水機理，評價底板突水脆弱性，國內(nèi)外專家和學者，提出了諸如突水系數(shù)法、下三帶理論、關鍵層理論等多種理論和方法，對底板水害分析評價和防治起到了積極的作用[1-4]。

但煤層底板突水是一種受控于多種因素影響，且具有非常復雜的非線性動力特征，上述的理論和方法均存在一定的局限性。而脆弱性指數(shù)法[5-6]，可以考慮到影響煤層底板突水的多種主控因素之間相互復雜的作用關系和對突水控制因素的相對“權重”比例，能夠真實反映受控于多因素影響且具有非常復雜機理和演變過程的煤層底板突水，并在多對礦井底板灰?guī)r突水預測預報過程中取得了良好效果[7]。因此，本文將利用脆弱性指數(shù)法，對新集二礦1煤層底板巖溶突水問題進行分析、評價和檢驗，為礦井底板巖溶水害防治方案的制定提供指導依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

新集二礦位于安徽省淮南市鳳臺縣境內(nèi)，井田東西走向長6.0km，南北傾向?qū)?.0km，井田面積約30km2。它位于淮南復向斜的謝橋向斜南翼，穎鳳區(qū)阜鳳推覆構(gòu)造的中段，構(gòu)造線方向近東西。井田內(nèi)阜鳳逆沖斷層將外來系統(tǒng)自南向北推覆于原地系統(tǒng)(含煤地層)之上。由于受由南向北強大的壓應力作用，形成了以阜鳳逆沖斷層為主體的上疊式推覆構(gòu)造(見圖1)。

圖1 新集二礦井田構(gòu)造示意圖

除缺失上奧陶統(tǒng)、中、下石炭統(tǒng)及中、上三疊統(tǒng)和中、下侏羅統(tǒng)外，從下元古界到第四系均有不同程度的發(fā)育。地層由老到新分別為下元古界、寒武系、奧陶系、石炭系、二疊系、三疊系、第三系和第四系。其中二疊系的山西組為主要含煤地層。

含煤地層為近東西走向的單斜構(gòu)造，傾向北，其下伏地層為太原組，含灰?guī)r12～13層，基底為奧陶系灰?guī)r。由于阜鳳逆沖斷層的作用，將寒武系以及奧陶系和部分石炭、二疊系夾片地層，直接推覆煤系地層之上，推覆體近東西向展布，其掩蓋區(qū)域為井田南部和中部。

太原組石灰?guī)r巖溶裂隙承壓含水組： 本組灰?guī)r厚約140m， 由10～13層石灰?guī)r與泥巖、 砂巖和薄煤相間組成。 富水性不均一， 單位涌水量為0.021 2～4.36L/(s·m)；在各層灰?guī)r中，以C33(C33上，C33下)及C312層灰?guī)r富水性較強。該區(qū)以隔水層厚度大小將太原組劃分為三個含水組： C31-4(含C33上，C33下)層灰?guī)r、C35-10層灰?guī)r、C311-12層灰?guī)r。據(jù)抽放水試驗資料：C31-4灰?guī)r單位涌水量為0.015 7～1.38L/(s·m)，C35-10單位涌水量為0.124～0.881 81L/(s·m)；C311-12單位涌水量為1.82L/(s·m)。

奧陶系石灰?guī)r巖溶裂隙承壓含水組：奧灰厚度為8.76～135.6m，據(jù)7個鉆孔揭露，漏水孔率14.3%。靜水位為-31.51～-29.57m，單位涌水量為0.017 4～0.061 0L/(s·m)，滲透系數(shù)為0.061 8～0.696 m/d，水化學類型為Cl--Na+型。

2 脆弱性指數(shù)法

2.1 脆弱性指數(shù)法

脆弱性指數(shù)法[8-9]是將可確定底板突水多種主控因素權重系數(shù)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。依據(jù)信息融合數(shù)學思想，將脆弱性指數(shù)法分為線性與非線性兩大類。線性脆弱性指數(shù)法主要為基于GIS的層次分析法型脆弱性指數(shù)法，非線性脆弱性指數(shù)法主要為基于GIS的人工神經(jīng)網(wǎng)絡法型、基于GIS的證據(jù)權重法型和基于GIS的貝葉斯法型三種。

2.2 層次分析法(AHP)

層次分析法(AHP)是上世紀80年代美國學者Saaty教授提出的一種處理多目標的選擇方法，該方法的優(yōu)點在于可以很好的將定量與定性結(jié)合起來，將所需處理的多目標問題分層次化與數(shù)量化。層次分析法是在應對多因素共同影響同一目標問題時，按照各因素之間的相互聯(lián)系將其分層次，對應建立影響因素的結(jié)構(gòu)模型，并結(jié)合專家評分的方法，構(gòu)建判斷矩陣并計算出權重值。

2.3 基于GIS的AHP型脆弱性指數(shù)法

該方法是以GIS強大的空間信息處理能力為基礎，對空間信息、圖形進行矢量化處理，生成底板突水各主控因素專題圖層；利用各主控因素所建立的模型，用AHP中“征集專家評分”的方法計算出各主控因素的權重系數(shù)，在此基礎上，用GIS對其進行復合疊加，建立煤層底板突水脆弱性預測預報評價模型。根據(jù)突水脆弱性指數(shù)，確定研究區(qū)突水脆弱性分區(qū)閥值，確定最終的煤層底板突水脆弱性分區(qū)方案并利用已出水點進行檢驗。

本文將利用線性的基于GIS的層次分析法(AHP)型脆弱性指數(shù)法來對新集二礦底板灰?guī)r突水進行預測評價研究。

3 主控因素及其權重確定

3.1 主控因素分析及確定

根據(jù)現(xiàn)有地質(zhì)及水文地質(zhì)資料分析可知，煤層底板隔水層的等效厚度與脆塑性巖厚度比對煤層底板突水有抑制作用，斷層和褶皺分布、構(gòu)造交點和端點分布、斷層規(guī)模指數(shù)等是礦井突水的重要誘導因素，含水層的水壓、含水層的富水性大小直接影響底板突水的突水量與突水持續(xù)時間，由此可以確定控制1煤層底板突水主控因素主要有7個，分別為：① 隔水層的等效厚度；② 隔水層的脆塑性巖厚度比；③ 斷層和褶皺分布；④ 構(gòu)造交點和端點分布；⑤ 斷層規(guī)模指數(shù)；⑥ 含水層的水壓；⑦ 含水層的富水性。

3.2 主控因素權重確定

1)層次結(jié)構(gòu)模型建立

根據(jù)對影響底板突水主要控制因素的分析，將研究對象劃分為3個層次(見圖2)，即1煤底板灰?guī)r含水層脆弱性評價為模型的目標層(A層次)；地質(zhì)構(gòu)造、承壓含水層、底板隔水層作為模型的準則層(B層次)；隔水層的等效厚度、隔水層的脆塑性巖厚度比等七大主控因素作為模型的決策層(C層次)，通過對C層次主控因素的決策，就能完成所需求解的目標(A層次)。

圖2 1煤底板灰?guī)r突水脆弱性評價層次分析結(jié)構(gòu)模型

2) AHP判斷矩陣的構(gòu)建及權重值確定

根據(jù)對影響新集二礦1煤底板灰?guī)r突水主控因素的分析，利用“征集專家評分”的方法，評出各個因素的量化比值，最終形成專家對各影響因素的評判集[10-12]。依據(jù)T. L. SAATY創(chuàng)立的1～9標度方法，具體做法是把擬定的影響突水的因素羅列成表，請領域?qū)＜腋鶕?jù)眾多的突水事故中各個因素所起作用的大小，以及他們在生產(chǎn)實踐和科學研究中的親身體驗，依據(jù)自己的認識和觀點，對每個因素所起作用的大小進行相對重要性評價，給出每個因素的量化分值，根據(jù)最后的累計得分情況，進行各因素間的總分比較，形成專家對各影響因素的專家評分系統(tǒng)的方法，構(gòu)建出研究區(qū)1煤層底板突水層次分析評價的判斷矩陣(見表1～表4)，其中λmax為判斷矩陣的最大特征值，CIi為判斷矩陣一致性指標，CRi為判斷矩陣平均隨機一致性指標，Wi為權重。

表1 判斷矩陣A～Bi(i=1～3)

λmax=3.06，CI1=0.026 81，CR1=0.046 23<0.1，CI1為判斷矩陣A-Bi(i=1～3)一致性指標，CR1為判斷矩陣A-Bi(i=1～3)平均隨機一致性指標。

表2 判斷矩陣B1～Ci(i=1～2)

λmax=2，CI21=0，CR21不存在，CI21為判斷矩陣B1～Ci(i=1～2)一致性指標，CR21為判斷矩陣B1～Ci(i=1～2)平均隨機一致性指標。

表3 判斷矩陣B2～Ci(i=3～5)

λmax=3.11，CI22=0.053 92，CR22=0.092 97<0.1，CI22為判斷矩陣B2-Ci(i=3～5)一致性指標，CR22為判斷矩陣B2-Ci(i=3～5)平均隨機一致性指標。

表4 判斷矩陣B3～Ci(i=6～7)

λmax=2，CI23=0，CR23不存在，CI23為判斷矩陣B3-Ci(i=6～7)的一致性指標，CR23為判斷矩陣B3-Ci(i=6～7)平均隨機一致性指標。

通過表1～表4計算出λmax、CIi、CRi值，其中CR值均小于0.1，根據(jù)文獻[13]當CRi<0.1時，即認為判斷矩陣具有滿意的一致性，否則需要調(diào)整判斷矩陣，使之具有滿意的一致性。

將判斷矩陣的各行向量進行幾何平均，然后歸一化，得到的行向量就是權重向量，由此算出影響1煤組底板灰?guī)r突水的7個主控因素的權重值如表5所示。

表5 7大主控因素的權重值

4 煤層底板突水脆弱性評價分區(qū)

4.1 專題圖建立

1)數(shù)據(jù)歸一化處理

由于主控因素的量綱不同，其對評價結(jié)果的影響也將不同，因此將數(shù)據(jù)帶入公式(1)中進行歸一化處理，以便于統(tǒng)計分析。

(1)

式中：Ai為歸一化處理后的數(shù)據(jù)；a、b分別為歸一化范圍的上限和下限；a、b分別取0和1；xi為歸一化處理前的原始數(shù)據(jù)；minxi和maxxi分別為各主控因素量化值的最小值和最大值。

2)單因素歸一化專題圖建立

各單因素屬性數(shù)據(jù)庫是由單一因素數(shù)據(jù)經(jīng)過歸一化處理后創(chuàng)立的。利用GIS處理歸一化數(shù)據(jù)，建立隔水層等效厚度、隔水層的脆塑性巖厚度比、斷層和褶皺分布、構(gòu)造交點和端點分布、斷層規(guī)模指數(shù)、含水層的水壓、含水層的富水性歸一化專題圖。

3)專題圖疊加過程

將歸一化處理后的各個因素控制的單因素專題圖疊加成一個新的包含所有控制因素的復合圖，使得生成的疊加圖涵蓋所有的控制因素信息，用GIS對各個單因素歸一化專題圖進行疊加覆蓋[14]。

4.2 脆弱性評價模型建立

根據(jù)上文求出各主控因素的權重， 結(jié)合脆弱性指數(shù)的初始模型，即可對煤層底板突水進行脆弱性評價。脆弱性指數(shù)是指某地區(qū)的某一地段的某一柵格位置上的多種控制因子對其產(chǎn)生的疊加影響的總和[15]。脆弱性指數(shù)可用以下模型公式(2)表示

(2)

式中：VI為脆弱性指數(shù)；Wk為主控因素權重；fk(x，y)為單因素影響值函數(shù)；x，y為地理坐標；n為影響因素的個數(shù)。

fk(x，y)在模型中是指第k個主控因素量化值歸一化后的數(shù)值。在新集二礦1煤組底板灰?guī)r(太灰和奧灰)突水脆弱性評價中各影響因素權重值分別為W1=0.262 0、W2=0.065 5、W3=0.163 8、W4=0.039 4、W5=0.056 7、W6=0.309 4、W7=0.103 2。因此，可計算得出新集二礦1煤組底板太灰、奧灰含水層突水脆弱性評價模型如式(3)所示

0.065 5f2(x，y)+0.163 8f3(x，y)+

0.039 4f4(x，y)+0.056 7f5(x，y)+

0.309 4f6(x，y)+0.103 2f7(x，y)

(3)

4.3 底板灰?guī)r突水脆弱性評價分區(qū)

對于上述計算的每個柵格的脆弱性指數(shù)，做出其頻數(shù)統(tǒng)計圖，如圖3所示。利用分級地圖上的自然分級法對其進行分級。自然分級法是指將需要分級的脆弱性指數(shù)的出現(xiàn)頻數(shù)作為研究對象，依據(jù)這些數(shù)據(jù)的統(tǒng)計學意義來進行分級，即根據(jù)數(shù)據(jù)內(nèi)部的內(nèi)在聯(lián)系進行自然分組的一種方法[16]。該種方法的最大優(yōu)點在于尋求一種最佳分級方式，使得各組內(nèi)部差異最小，組與組間差距最大，由此得到以下最佳的五級分級結(jié)果，各級閾值分別為0.34、0.38、0.45、0.53。依據(jù)分級閾值將研究區(qū)域劃分為以下五個區(qū)域，分別用Ⅰ區(qū)、Ⅱ區(qū)、Ⅲ區(qū)、Ⅳ區(qū)和Ⅴ區(qū)表示，如表6所示。

表6 煤層底板灰?guī)r突水分區(qū)表

圖3 煤層底板脆弱性指數(shù)頻數(shù)直方圖

圖4 C31～3灰?guī)r突水脆弱性評價分區(qū)

圖5 C34～13灰?guī)r突水脆弱性評價分區(qū)

圖6 奧陶系灰?guī)r突水脆弱性評價分區(qū)

C31～3灰?guī)r脆弱性主要分布在圖4Ⅴ區(qū)和Ⅳ區(qū)，區(qū)內(nèi)等效厚度相對較厚(14.51～20.5m)，底板隔水層脆塑巖厚度比較大(2.26～7.75m)，太灰的富水性偏小(0.001 1～0.001 7L/(s·m))，且斷層規(guī)模指數(shù)較小。但在構(gòu)造分布的Ⅰ區(qū)和Ⅱ區(qū)內(nèi)，由于受構(gòu)造及相對隔水層厚度相對減小等影響，底板發(fā)生突水的可能性有所增大。

C34～13灰?guī)r脆弱性評價區(qū)內(nèi)Ⅲ區(qū)、Ⅱ區(qū)和Ⅰ區(qū)所占比例相對增加，但Ⅴ區(qū)和Ⅳ區(qū)仍占較大部分，如圖5所示。Ⅲ區(qū)過渡區(qū)主要分布在研究區(qū)的西部，該區(qū)域水壓較大(5.49～5.93MPa)，隔水層等效厚度較小，隔水層脆塑性巖厚度比較小，隔水層抵抗水壓的能力相對較差，區(qū)域突水的危險性增大。Ⅰ區(qū)和Ⅱ區(qū)主要在斷層分布區(qū)域，由于這些斷層的存在破壞了隔水地層的連續(xù)性，成為導水通道，在生產(chǎn)實際中易將太灰水引入工作面，形成工作面突水。

從圖6可以看出，奧陶系灰?guī)r含水層突水脆弱性進一步增強，研究區(qū)內(nèi)大部分處在Ⅲ區(qū)。在Ⅲ區(qū)域奧灰整體含水層水壓相對較大(6.49～7.13MPa)，隔水層等效厚度總體較小(114.5～122.50m)，且隔水層脆塑性巖厚度比相對較小(1.1～3.5 m)，削弱了隔水層抵抗水壓的能力。圖7中南部區(qū)域由于隔水層等效厚度大(132.51～137.5m)，底板隔水層脆塑巖厚度比大(3.51～4.3m)，奧灰水壓相對較小(6.13～6.28MPa)，故表現(xiàn)出Ⅴ區(qū)。圖6中Ⅰ區(qū)和Ⅱ區(qū)主要沿斷層分布，由于這些斷層的存在，使得隔水地層的連續(xù)性遭到破壞，成為導水通道，斷層分布區(qū)域其斷層規(guī)模指數(shù)較大，突水的可能性也增大。

4.4 模型的識別與檢驗

依據(jù)最大幾率原則，脆弱系數(shù)較大的部位其底板灰?guī)r突水事故也較易發(fā)生，從而可以利用已知突水點的位置疊加來識別脆弱性模型，得出突水點的脆弱系數(shù)概率相對較大的位置，當其百分率超過90%，即可認為所取得的模型較為滿意。

模型識別需要引入脆弱擬合率概念[17]，其表達式為

(4)

式中：VFP為脆弱擬合率；DF為研究區(qū)內(nèi)評價結(jié)果與實際情況相吻合的點個數(shù)；DS為研究區(qū)內(nèi)選取擬合點的總數(shù)。

圖7 C31-3灰?guī)r突水脆弱性評價分區(qū)擬合圖

圖8 C34-13灰?guī)r突水脆弱性評價分區(qū)擬合圖

圖9 奧陶系灰?guī)r突水脆弱性評價分區(qū)擬圖

按照上述原則，對新集二礦1煤層選取3個擬危險點和2個擬安全點進行驗證擬合，生成了擬危險點、擬安全點與底板突水脆弱性評價分區(qū)的擬合圖(見圖7～圖9)，擬合率達到100%。由此表明，依據(jù)現(xiàn)有的地質(zhì)及水文地質(zhì)等資料建立的1煤層底板灰?guī)r突水脆弱性評價分區(qū)圖與實際情況完全相符。

5 結(jié)論

通過對新集二礦1煤底板灰?guī)r突水條件分析，確定了地質(zhì)構(gòu)造、承壓含水層、底板隔水層等三個方面七個主控因素為影響1煤底板突水的主要因素。利用脆弱指數(shù)方法評價1煤底板不同灰?guī)r含水層突水危險性，為礦井巖溶水害防治提供重要參考依據(jù)，其中斷層是突水危險帶關注對象，它是溝通奧陶系巖溶水的導水通道，因此在工作面回采過程中要引起高度重視。