基于GIS與熵值法的煤層頂板突水危險性評價

李競贏，劉啟蒙，劉 瑜，柴輝嬋

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

我國煤炭資源儲量豐富，現(xiàn)今煤炭資源的開發(fā)利用在我國依然占據(jù)主導(dǎo)地位[1-3]。頂板突水是煤礦開采主要危害之一，近年來，隨著煤層開采逐漸向深部深入以及開采規(guī)模的擴大，煤礦頂板突水問題日益嚴(yán)重[4]，不僅影響煤礦開采的進度和質(zhì)量[5]，還使井下環(huán)境變得復(fù)雜加大了開采難度，嚴(yán)重時，危害到井下作業(yè)人員的人身安全，造成巨大的財產(chǎn)損失。因此，準(zhǔn)確而有效地預(yù)測頂板突水的發(fā)生對于頂板突水水害防治意義重大[6-9]。

針對頂板突水的問題，諸多學(xué)者已進行了較深入地研究，武強[10]提出了系統(tǒng)全面的“三圖-雙預(yù)測法”，解決了煤層頂板涌(突)水危險性評價預(yù)測問題。高延法[11]提出了巖移“四帶”模型與動態(tài)位移反分析，豐富了頂板突水機理。宋振騏[12]又提出了關(guān)于煤礦水害事故的預(yù)測和控制理論[13]。吳立新[14-15]等學(xué)者研究了頂板離層的形成機理和發(fā)育規(guī)律。張海榮[16]等利用GIS對頂板水害復(fù)合分析預(yù)測研究。

在頂板水害防治領(lǐng)域，上述學(xué)者做出了諸多貢獻，并且繼武強提出“三圖-雙預(yù)測”法之后，頂板突水水害預(yù)測模型和理論日臻完善，然而在對各因素影響權(quán)重的求解方面，通常所用的是層次分析法，此方法主觀性較強考慮客觀因素較少，專家打分獲取途徑較困難，且計算過程較復(fù)雜，因此，本文選用一種簡單的客觀賦權(quán)方法——熵值法，作為權(quán)重的求值方法，并且主控因素的選取增加了隔水層厚度和斷層分維兩個影響因素，利用GIS的數(shù)據(jù)處理和空間分析功能，對煤層頂板富水性進行合理分區(qū)，并考慮到煤層頂板導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度因素，最終得出突水危險性評價分區(qū)，以期能為煤礦頂板突水水害防治提供一種較為合理的預(yù)測方法。

1 研究區(qū)概況

丁集礦位于淮南煤田潘謝礦區(qū)的中部，地處淮河流域中游屬典型的沖擊平原，區(qū)內(nèi)地形較平坦，總體地勢呈現(xiàn)西北高、東南低，面積約100.534km2。礦區(qū)屬季風(fēng)帶半濕潤氣候，年平均降雨量926.3mm。丁集礦為全隱蔽井田，煤系上覆新生界地層厚達346.65～563.80m，整體地層走向呈波狀曲線變化，斷層較發(fā)育，共查明斷層459條，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜程度屬中等。礦井充水水源有新生界下部含水層(組)、煤系砂巖裂隙水、斷層水等，新生界含水層覆蓋于煤系之上，通過基巖風(fēng)化帶垂直滲透或井筒補給礦井，是礦井的間接充水水源；礦區(qū)開采的4～13-1煤層均為煤系砂巖裂隙水充水礦床，砂巖裂隙發(fā)育極不均一，富水性差異較大；鉆孔探查斷層水，未發(fā)現(xiàn)嚴(yán)重漏水現(xiàn)象，富水性弱?；谌锼牡刭|(zhì)探查結(jié)果，將丁集礦水文地質(zhì)類型劃分為中等。

本文選取丁集礦13-1煤層為研究對象，此煤層為主要可采煤層，儲量較大，頂板直接充水水源主要為二疊系煤系砂巖裂隙水，含水層巖性以中、細(xì)砂巖為主，局部為粗砂巖和石英砂巖，與可采煤層和泥巖相間分布，巖層厚度變化較大，穩(wěn)定性也較差。

2 方法原理

2.1 熵值法

熵值法是一種客觀賦值方法。熵可以反映數(shù)據(jù)的離散程度，并衡量指標(biāo)的有序程度和效用性，因此熵值法是根據(jù)各個指標(biāo)數(shù)據(jù)之間的差異程度來為指標(biāo)賦權(quán)的。根據(jù)指標(biāo)數(shù)據(jù)自身的特點進行賦權(quán)，能夠客觀、全面地對系統(tǒng)做出評價。

2.2 富水性指數(shù)法原理

影響含水層富水性的因素較多，控制機理較復(fù)雜，且組合類型多樣，很難定量地描述主控因素與含水層富水性之間的相互關(guān)系，因此選用定性與定量思維相結(jié)合的富水性指數(shù)法對含水層富水性進行評價。針對每個主控因素對富水性規(guī)律影響不同的特點，選擇具有強大空間信息處理功能的GIS，對主控因素空間域數(shù)據(jù)進行分析處理，接著采用信息融合方法，對已知樣本數(shù)據(jù)進行量化處理，來確定各個主控因素對含水層富水性影響所占的權(quán)重值，然后將兩種方法耦合，得出含水層富水性指數(shù)評價模型，最后確定分區(qū)閾值做出含水層富水性量化分區(qū)圖。

2.3 頂板突水危險性評價模型原理

頂板突水的發(fā)生是含水層富水性強度以及導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度綜合作用的結(jié)果，充水含水層富水性較強且導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育較高，則突水危險性較高，反之亦然。所以頂板突水危險性評價與分區(qū)要疊加這兩種因素的影響，即將含水層富水性分區(qū)圖與頂板冒裂程度分區(qū)圖通過GIS進行疊加，建立頂板突水危險性評價分區(qū)圖。

3 研究區(qū)分析

3.1 頂板含水層富水性主控因素選取與專題圖的建立

含水層富水性主控因素的選取對于評價分區(qū)的建立至關(guān)重要，它直接決定最終評價結(jié)果的準(zhǔn)確性，而其本身組合類型多樣，機理復(fù)雜，需結(jié)合不同礦區(qū)自身特點來選取主控因素。丁集礦區(qū)水文地質(zhì)條件復(fù)雜，影響頂板含水層富水性的因素較多，根據(jù)已有的報告資料整理分析，并考慮13-1煤層頂板巖性特征、構(gòu)造分布、煤層開采現(xiàn)狀等方面因素，筆者最終選取巖芯采取率、含水層厚度、脆塑性巖厚度比、隔水層厚度、斷層影響帶高度、滲透系數(shù)、斷層分維7個地質(zhì)因素作為頂板含水層富水性的主控因素。建立專題圖如圖1所示。

1)巖芯采取率：巖芯采取率與RQD不是同一概念，巖芯采取率與地層巖體結(jié)構(gòu)破碎程度有關(guān)卻不能表征巖體的完整性，只能反映鉆探的質(zhì)量，實質(zhì)上只有RQD能表征巖體的破碎程度[17]，但在保證高質(zhì)量的鉆孔取芯時，巖芯采取率準(zhǔn)確性越高RQD越能反應(yīng)巖體的完整性和破碎程度，而在實際應(yīng)用中RQD有很大的局限性，且?guī)r芯采取率易獲取較直觀，因此選用巖芯采取率間接地表征巖體的完整性，采取率越低說明巖體越破碎，連通性越好，導(dǎo)水能力越強。

2)含水層厚度：煤層頂板砂巖含水層是主要的儲水空間，在其他因素一致的情況下，含水層厚度越大，儲水能力越強，富水性越強。

3)脆塑性巖厚度比：脆性巖和塑性巖的巖石性質(zhì)完全不同，在受到應(yīng)力破壞時，脆性巖產(chǎn)生大量的裂隙使巖石破碎程度增大，導(dǎo)通性增強，而塑性巖石通過塑性變形來釋放應(yīng)力，透水性能沒有太大變化。所以，可用脆塑巖厚度比來定性判斷巖層導(dǎo)水性能，比值越大，巖體越破碎，透水性越好。

4)隔水層厚度：頂板的隔水能力也是影響礦井充水的主要因素之一，一般情況下，隔水層厚且穩(wěn)定，垮落帶高度無法導(dǎo)通含水層，礦井涌水量小，突水危險性低，反之隔水層較薄或缺失，頂板的富水性較強，礦井發(fā)生突水的可能性就較高。

5)斷層影響帶：是由構(gòu)造斷裂而產(chǎn)生的裂隙發(fā)育帶，分布于斷層周圍構(gòu)成構(gòu)造巖帶，由于構(gòu)造應(yīng)力的作用不僅使斷層兩盤發(fā)生相對位移，而且在兩盤巖體之中產(chǎn)生大量的張裂隙、扭裂隙及次級斷層，形成斷層影響帶?？拷鼣鄬拥膸r體越破碎，裂隙越發(fā)育，導(dǎo)水性越強，遠(yuǎn)離斷層的裂隙發(fā)育程度逐漸降低。斷層影響帶的存在為斷層水提供了良好的通道，構(gòu)成富水帶。

6)滲透系數(shù)：滲透系數(shù)即水力傳導(dǎo)系數(shù)，表征流體穿過孔隙介質(zhì)的難易程度，與巖性致密相關(guān)，用來表征巖石的滲透性能力，滲透系數(shù)越大，巖石透水性越強。

7)斷層分維：斷層分維可以直觀地表現(xiàn)構(gòu)造斷裂的復(fù)雜程度，它是通過相似維的求解將斷層的定性指標(biāo)量化得到分維值，分維值較大，斷層較發(fā)育，巖體較破碎，導(dǎo)水性較強。

圖1 各主控因素專題圖

3.2 頂板含水層富水性評價分區(qū)

3.2.1 權(quán)重的確定

運用熵值法來求解各個主控因素的權(quán)重值，首先要對原始數(shù)據(jù)進行標(biāo)準(zhǔn)化處理，為了消除量綱的影響，假設(shè)第j個鉆孔第i項主控因素的數(shù)值為xij，鉆孔個數(shù)為n，主控因素的個數(shù)為m，則初始矩陣為X={xij}m×n，可求得正向指標(biāo)式(1)和逆向指標(biāo)式(2)。

式中，yij為各主控因素標(biāo)準(zhǔn)值；Aij為第j個鉆孔點數(shù)值占第i項主控因素的比重。

第i項指標(biāo)的信息熵Ei為：

式中，Ei為信息熵；n為鉆孔個數(shù)。

再計算信息的效用值，Ei可以反映信息的無序程度，而Di反映第i項主控因素下各個數(shù)值貢獻度的一致性程度，Di越小一致性越好，取決于數(shù)據(jù)的離散程度。

Di=1-Ei

(5)

式中，Di為每個數(shù)值的效用值。

則第i項主控因素的權(quán)重為：

式中，Wi為第i項主控因素的權(quán)重值。運用熵值法計算的主控因素的權(quán)重見表1。

表1 含水層富水性各主控因素權(quán)重

3.2.2 富水性指數(shù)計算與評價分區(qū)

富水性指數(shù)的計算需要對數(shù)據(jù)值進行歸一化處理，然后才能確定富水性分區(qū)指標(biāo)，再根據(jù)指標(biāo)來進行富水性分區(qū)。

1)數(shù)據(jù)歸一化。歸一化的目的是為了消除數(shù)據(jù)不同量綱的影響，使數(shù)據(jù)具有可比性和統(tǒng)計意義，便于進行系統(tǒng)分析。

式中，Xij為歸一化處理后的數(shù)據(jù)，maxxij和minxij分別是各主控因素量化值的最大值和最小值。

2)富水性指數(shù)的確定。根據(jù)上文求得的權(quán)重及歸一化數(shù)值，并利用GIS疊加分析7個主控因素確定富水性綜合量化指標(biāo)，即富水性指數(shù)W，見式(8)，據(jù)此進行含水層富水性分區(qū)(圖2)。

式中，W為富水性指數(shù)；m為主控因素的個數(shù)；Wi為第i項主控因素權(quán)重；Xij為歸一化數(shù)據(jù)。

由圖2可看出丁集礦13-1煤層頂板富水性整體較弱，大部分區(qū)域?qū)儆谳^弱富水區(qū)和中等富水區(qū)，富水性較強的區(qū)域位于礦區(qū)西部。添加實際的鉆孔單位涌水量數(shù)據(jù)來驗證分區(qū)的合理性，發(fā)現(xiàn)單位涌水量大于1.2L/(m·s)的鉆孔大部分位于較強富水區(qū)，單位涌水量小于0.4L/(m·s)的鉆孔大部分位于較弱富水區(qū)，其余鉆孔大體上都分布在中等富水區(qū)。說明通過7個主控因素計算權(quán)重疊加得出的富水性分區(qū)圖符合丁集礦區(qū)13-1煤層富水性的實際情況，評價結(jié)果準(zhǔn)確性較高。

圖2 13-1煤層頂板富水性分區(qū)

3.3 頂板冒裂程度評價分區(qū)

丁集礦13-1煤層厚度0.50～10.68m，平均厚度3.7m，根據(jù)174個鉆孔資料統(tǒng)計顯示，13-1煤層頂板巖性以砂巖和泥巖為主，屬于中硬巖性，單向抗壓強度介于20～40MPa之間，因此，根據(jù)《煤礦防治水手冊》中綜放開采條件下的導(dǎo)水裂隙帶高度計算公式如下。

式中，Hli為頂板冒裂帶高度，m；M為煤層采厚，m。

由公式計算后的導(dǎo)水裂隙帶高度建立頂板冒裂程度分區(qū)圖(圖3)，由圖中可看出礦區(qū)東部及西南部導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度較高，發(fā)育較低區(qū)域大部分位于中部，少數(shù)區(qū)域發(fā)育高度介于兩者之間。

圖3 頂板冒裂程度分區(qū)

3.4 頂板突水危險性評價分區(qū)

首先，要先確定頂板突水危險性的劃分標(biāo)準(zhǔn)，依據(jù)丁集礦實際的地質(zhì)特點，選擇等間距劃分危險區(qū)；然后選擇空間分析工具進行數(shù)據(jù)重分類，即對含水層富水性分區(qū)圖和頂板冒裂程度分區(qū)圖的不同等級進行賦值，等級較高的區(qū)域賦較大的值，等級較低的區(qū)域賦較小的值，如將較弱富水區(qū)和導(dǎo)水裂隙帶高度介于19.630～41.335m之間的賦值為1，依次將更高一級的賦值為2和3；最后利用GIS柵格計算器工具將賦值后的的兩個分區(qū)圖進行疊加，最終得到13-1煤層頂板突水危險性分區(qū)如圖4所示。

圖4 13-1煤層頂板突水危險性分區(qū)

由圖4可以看出礦區(qū)13-1煤層頂板突水危險性總體較低。相對危險區(qū)只有很小范圍分布，該區(qū)的富水性較高、導(dǎo)水裂隙帶高度發(fā)育也較高；較危險區(qū)位于于礦區(qū)西三和東六、東七采區(qū)，該區(qū)導(dǎo)水裂隙帶高度發(fā)育較高，富水性中等；礦區(qū)中部基本為較安全或相對安全區(qū)；危險性中等的區(qū)域相間分布于以上四個區(qū)域之中。

4 結(jié) 論

1)根據(jù)丁集礦水文地質(zhì)資料，選取的7個地質(zhì)因素作為13-1煤層頂板富水性分析的主控因素，能夠較好的反映頂板含水層富水性特征。

2)利用熵值法所求的各個主控因素權(quán)重值較合理，基于GIS與熵值法建立的富水性指數(shù)模型及富水性分區(qū)圖基本符合丁集礦13-1煤層頂板實際富水性情況，熵值法可以應(yīng)用于本研究區(qū)的頂板突水危險性評價。

3)利用GIS耦合疊加富水性分區(qū)圖和頂板冒裂程度分區(qū)圖，得到13-1煤層頂板突水危險性評價分區(qū)圖，結(jié)果顯示丁集礦13-1煤層頂板煤系水多為靜儲量、涌水量較小，整體突水可能性較低，而對于較危險的西三和東六、東七采區(qū)應(yīng)做好監(jiān)察預(yù)報工作。評價效果較好，可以為礦井水害的防治提供一定的理論依據(jù)。