基于“富水性指數(shù)法”的煤層頂板含水層涌水危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)

黃 歡，朱宏軍

（1.中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西 西安710077；2.陜西省煤礦水害防治技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710077）

煤礦開采過程中，由于煤層采動(dòng)破壞了工作面圍巖原始應(yīng)力狀態(tài)，圍巖發(fā)生變形乃至破壞，當(dāng)導(dǎo)水?dāng)嗔褞Оl(fā)育至上部含水層時(shí)，致使含水層水涌入工作面，引發(fā)突水事故[1-3]。當(dāng)前頂板水防治主要是采用超前預(yù)疏放的方法對(duì)頂板充水含水層進(jìn)行疏水降壓，以達(dá)到工作面涌水量“削峰平谷”的目的[4-5]。因此，需分析頂板含水層富水性影響因素，進(jìn)而對(duì)頂板含水層富水性進(jìn)行分區(qū)研究，評(píng)價(jià)含水層涌水量危險(xiǎn)性，以加強(qiáng)疏放頂板含水層水的針對(duì)性。

頂板含水層富水性影響因素主要有含水層厚度、巖心采取率、脆塑性巖厚度比、滲透系數(shù)等，研究在定性分析杭錦旗塔然高勒礦井3 煤頂板侏羅系中統(tǒng)-中下統(tǒng)含水層富水性影響因素的基礎(chǔ)上采用層次分析法賦予權(quán)重，利用富水性指數(shù)法耦合影響因素及其權(quán)重，建立頂板含水層涌水危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)模型，指導(dǎo)礦井頂板水防治工程。

1 AHP 型富水性指數(shù)法原理

1.1 層次分析法

合理選擇評(píng)價(jià)指標(biāo)，按照層次分析法（AHP）分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)各個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行排序，用成對(duì)比較法和“9 標(biāo)度”法構(gòu)造判斷矩陣，計(jì)算每一個(gè)判斷矩陣的最大特征根及對(duì)應(yīng)特征向量，利用一致性指標(biāo)、隨機(jī)一致性指標(biāo)和一致性比率做一致性檢驗(yàn)。若檢驗(yàn)通過，特征向量（歸一化后）即為權(quán)向量；否則，需重新構(gòu)造判斷矩陣[6]。

1.2 富水性指數(shù)法

為了消除頂板含水層富水性影響因素不同量綱數(shù)據(jù)對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果的影響，首先對(duì)數(shù)據(jù)歸一化處理，使數(shù)據(jù)具有可比性、有統(tǒng)計(jì)意義，便于系統(tǒng)分析。運(yùn)用GIS 處理歸一化數(shù)據(jù)，作出各因素歸一化專題圖，建立煤層頂板含水層涌水危險(xiǎn)性模型，實(shí)際上就是建立表明各影響因素作用的數(shù)學(xué)模型，這個(gè)模型所得出的計(jì)算值能反映出礦井某區(qū)域煤層頂板涌水的危險(xiǎn)程度。利用富水性指數(shù)法對(duì)煤層頂板含水層涌水危險(xiǎn)性進(jìn)行評(píng)價(jià)，其定義為礦井某區(qū)域的某一柵格位置上的各種影響因素對(duì)其產(chǎn)生的疊加影響總和。

式中：WI 為富水性指數(shù)；Wk為影響因素權(quán)重；（x，y）為地理坐標(biāo)；n 為影響因素?cái)?shù)量；fk（x，y）為單因素影響值函數(shù)，在煤層頂板含水層涌水危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)中為第k 個(gè)影響因素歸一化后的值。

以此模型計(jì)算出富水性指數(shù)，對(duì)煤層頂板含水層涌水危險(xiǎn)性進(jìn)行分級(jí)。

2 研究區(qū)水文地質(zhì)條件

塔然高勒煤礦位于東勝煤田塔然高勒礦區(qū)中北部，目前礦井主采3 煤，煤層位于延安組第二巖段（J1-2y2）頂部，全區(qū)發(fā)育且基本全區(qū)可采，煤層自然厚度0.21～6.5 m。3 煤上覆主要有白堊系下統(tǒng)志丹群（K1zh）裂隙孔隙潛水～承壓含水層、侏羅系中統(tǒng)直羅組-中下統(tǒng)延安組（J2z～J1-2y）裂隙孔隙承壓含水層，3煤層上覆含隔水層空間位置關(guān)系如圖1。侏羅系中統(tǒng)直羅組-中下統(tǒng)延安組（J2z～J1-2y）（J1-2y）巖性主要為淺灰色、灰白色中粗粒砂巖、灰色、深灰色砂質(zhì)泥巖，次為細(xì)粒砂巖、粉砂巖等。由于白堊系下統(tǒng)志丹群含水層距離3 煤約300 m，且存在侏羅系中統(tǒng)頂部安定組（J2a）隔水層，因而與下伏侏羅系中統(tǒng)直羅組-中下統(tǒng)延安組（J2z～J1-2y）含水層不存在水力聯(lián)系。3 煤開采主要受上覆侏羅系中統(tǒng)-中下統(tǒng)延安組（J2z～J1-2y）裂隙孔隙承壓含水層影響。

圖1 3 煤上覆含隔水層空間位置關(guān)系示意圖Fig.1 Schematic diagram of the spatial relation of aquifer or impermeable strata overlying 3# coal seam

井田內(nèi)共有23 個(gè)鉆孔針對(duì)侏羅系中統(tǒng)-中下統(tǒng)含水層進(jìn)行了抽水試驗(yàn)，單位涌水量0.005 8～0.232 0 L/(s·m)，富水性弱到中等，向井田西北部及東南部單位涌水量逐漸變小。滲透系數(shù)約0.010 7～0.232 m/d，滲透性弱到中等。含水層的厚度為64.8～259.2 mm，厚度較大，分布較為穩(wěn)定。該含水層地下水位埋深為151.28～231.61 m，水位標(biāo)高為+1 282.00～+1 322.00 m，水化學(xué)類型主要為 Cl·SO4-Na 型水。

3 頂板含水層富水性分區(qū)評(píng)價(jià)

由于侏羅系中統(tǒng)安定組隔水層的存在，使得3煤開采導(dǎo)水?dāng)嗔褍H溝通上覆侏羅系中統(tǒng)-中下統(tǒng)延安組裂隙孔隙承壓含水層，3 煤開采頂板含水層涌水危險(xiǎn)性僅考慮侏羅系中統(tǒng)-中下統(tǒng)延安組裂隙孔隙承壓含水層。

3.1 含水層富水性影響因素

根據(jù)對(duì)礦井地質(zhì)、水文地質(zhì)條件分析，井田范圍三維地震勘探及井下實(shí)際揭露顯示該區(qū)域構(gòu)造基本不發(fā)育，故此處不考慮構(gòu)造影響因素。含水層富水性主要影響因素有含水層厚度、巖心采取率、脆塑性巖厚度比、滲透系數(shù)，各因素不同程度的影響著含水層富水性，富水性越好，含水層涌水危險(xiǎn)性越大[7]。

1）含水層厚度。含水層富水性與其厚度成正相關(guān)，含水層厚度越大，富水性越好。以中砂巖、粗砂巖、粗礫巖、砂礫巖、礫巖的厚度作為含水層厚度。

2）巖心采取率。開啟性裂隙是與地表或含水體相連通的裂隙或是不同裂隙組合交切形成的斷裂帶。一般以巖心采取率來反映巖體完整的指標(biāo)和巖體裂隙交切程度的指標(biāo)，巖心采取率指含水層巖心長度與含水層厚度比值。

3）脆塑性巖厚度比。巖層中灰?guī)r類、砂巖類、礫巖類常被劃分為脆性巖，其他泥巖類、頁巖類被劃分為塑性巖。脆性巖受力后以剪破壞和張破壞為主要破裂形式釋放應(yīng)力，使得巖層內(nèi)裂隙、節(jié)理較為發(fā)育，滲透能力增強(qiáng)；塑性巖在受力后以塑性變形形式釋放應(yīng)力，巖層滲透性能變化不大。因此，用脆塑性巖厚度比作為判斷含水層滲透性能的指標(biāo)。一般情況下，脆性巖占比越大，滲透性能越好。

4）滲透系數(shù)。滲透系數(shù)是表征巖層透水性的參數(shù)，其值取決于巖石與流體的性質(zhì)。

3.2 含水層富水性影響因素專題圖

根據(jù)礦井地質(zhì)、水文地質(zhì)資料的分析，利用區(qū)內(nèi)鉆孔資料統(tǒng)計(jì)侏羅系中統(tǒng)～中下統(tǒng)含水層厚度、巖心采取率、脆塑巖厚度比、滲透系數(shù)等數(shù)據(jù)（表1）。礦井侏羅系中統(tǒng)～中下統(tǒng)延安組裂隙孔隙承壓含水層厚度為 64.8～259.2 m，滲透系數(shù) K=0.010 7～0.232 m/d，巖心采取率整體較高。對(duì)含水層涌水影響因素?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理，建立各單因素屬性數(shù)據(jù)庫。運(yùn)用GIS 處理歸一化數(shù)據(jù)，作出各單因素歸一化專題圖，含水層厚度歸一化專題圖如圖2。

表1 3 煤頂板侏羅系中統(tǒng)～中下統(tǒng)含水層相關(guān)參數(shù)統(tǒng)計(jì)表Table 1 The statistical table of middle-lower Jurassic aquifer

3.3 AHP 確定影響因素權(quán)重

根據(jù)對(duì)反映含水層富水性各多源地學(xué)信息的分析，將其劃分為3 個(gè)層次。侏羅系中統(tǒng)～中下統(tǒng)含水層富水性評(píng)價(jià)作為AHP 模型的目標(biāo)層（A 層次）；含水層、巖性場和水力場等反映了含水層富水性，即模型的準(zhǔn)則層（B 層次）；準(zhǔn)則層下各個(gè)具體子因素構(gòu)成AHP 模型的決策層（C 層次）。含水層富水性評(píng)價(jià)層次分析結(jié)構(gòu)模型如圖3。

圖2 含水層厚度歸一化專題圖Fig.2 The normalized thematic map of aquifer thickness

圖3 含水層富水性評(píng)價(jià)層次分析結(jié)構(gòu)模型示意圖Fig.3 The AHP structure model of water yield property

根據(jù)對(duì)反映含水層富水性的多元信息的分析，在咨詢專家意見的基礎(chǔ)上依照9 標(biāo)度法，對(duì)每個(gè)因素影響程度進(jìn)行相對(duì)重要性評(píng)價(jià)，給出每個(gè)信息的量化分值，構(gòu)建3 煤頂板充水含水層富水性AHP 評(píng)價(jià)判斷矩陣，根據(jù)判斷矩陣計(jì)算出各層單排序權(quán)重，最終得出影響因素總排序權(quán)重[8-10]（表2）。

表2 含水層富水性影響因素權(quán)重統(tǒng)計(jì)表Table 2 The statistical table of weights of influence factors

3.4 構(gòu)建含水層富水性評(píng)價(jià)模型

應(yīng)用GIS 空間信息處理和分析功能，將影響含水層富水性的各因素及其權(quán)重耦合。引入富水性指數(shù)建立 3 煤頂板侏羅系中統(tǒng)～中下統(tǒng)含水層富水性評(píng)價(jià)模型[11-14]：

借助GIS 強(qiáng)大的空間數(shù)據(jù)分析功能計(jì)算各信息專題圖疊加后各單元富水性指數(shù)值的大小，各單元富水性指數(shù)值的大小標(biāo)識(shí)了該單元內(nèi)充水含水層富水程度，富水性指數(shù)值在0～1 之間，值越大說明富水性越好。將富水性指數(shù)相同或其值在某一區(qū)間的單元?dú)w并即可劃出充水含水層富水程度不同的區(qū)域。根據(jù)對(duì)富水性指數(shù)的研究，采用GIS 軟件自然間斷點(diǎn)分級(jí)法對(duì)單元格富水性指數(shù)頻數(shù)分布折線圖進(jìn)行研究，確定 3 煤頂板侏羅系中統(tǒng)～中下統(tǒng)含水層富水性評(píng)價(jià)分區(qū)閾值為 0.29、0.37、0.44、0.52，得到的含水層富水性分區(qū)圖如圖4。

圖4 侏羅系中統(tǒng)～中下統(tǒng)含水層富水性分區(qū)圖Fig.4 The water enrichment divisions of middle-lower Jurassic aquifer

3.5 含水層富水性分區(qū)校正

以上含水層富水性分區(qū)是根據(jù)層次分析計(jì)算的權(quán)重綜合得出的，為使分區(qū)更加精確以抽水試驗(yàn)單位涌水量為標(biāo)準(zhǔn)對(duì)結(jié)果進(jìn)行檢驗(yàn)，如結(jié)果不夠理想，則修改各影響因素權(quán)重，直至分區(qū)結(jié)果與實(shí)際情況相符程度滿足生產(chǎn)要求為止。

經(jīng)過校正后的含水層富水性分區(qū)圖如圖5。由圖5 可以看出，侏羅系中統(tǒng)～中下統(tǒng)含水層在東南部及北部富水性較強(qiáng)，北部首采工作面北部及西南部局部富水較弱，其余地區(qū)為富水性中等區(qū)。

4 頂板含水層涌水危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)

由于開采3 煤形成的導(dǎo)水?dāng)嗔褞繉?dǎo)通了侏羅系中統(tǒng)～中下統(tǒng)含水層，因此，侏羅系中統(tǒng)～中下統(tǒng)含水層涌水危險(xiǎn)性完全取決于其富水性的分布情況。根據(jù)前述“富水性指數(shù)法”獲得礦井3 煤頂板含水層涌水危險(xiǎn)性分區(qū)。校正之后的富水性分區(qū)評(píng)價(jià)結(jié)果，確定突水危險(xiǎn)性分區(qū)閾值為0.29、0.37、0.45、0.53，以此將礦井3 煤頂板侏羅系中統(tǒng)～中下統(tǒng)含水層涌水危險(xiǎn)性劃分為5 個(gè)等級(jí)。3 煤頂板含水層涌水危險(xiǎn)性分區(qū)圖如圖6。

圖5 侏羅系中統(tǒng)～中下統(tǒng)含水層富水性分區(qū)校正圖Fig.5 The correction of water enrichment divisions of middle-lower Jurassic aquifer

圖6 3 煤頂板含水層涌水危險(xiǎn)性分區(qū)圖Fig.6 The risk zoning of roof water inrush

從圖6 可知，總體上礦井侏羅系中統(tǒng)～中下統(tǒng)含水層涌水危險(xiǎn)性由東南向西北逐漸降低，東南部涌水危險(xiǎn)性較高，西南部及北部局部地區(qū)涌水危險(xiǎn)性較低。首采工作面頂板侏羅系中統(tǒng)～中下統(tǒng)含水層涌水危險(xiǎn)性具有分區(qū)性，北部整體涌水危險(xiǎn)性較弱，南部危險(xiǎn)性有增強(qiáng)的趨勢。

5 結(jié) 論

1）利用單位涌水量數(shù)據(jù)修正含水層富水性分區(qū)，克服了專家打分基礎(chǔ)上依照9 標(biāo)度法賦予權(quán)重的人為誤差，使得含水層富水性分區(qū)更加貼近實(shí)際。

2）基于層次分析基礎(chǔ)上的富水性指數(shù)法，將礦井3 煤頂板侏羅系中統(tǒng)～中下統(tǒng)含水層涌水危險(xiǎn)性分為5 個(gè)等級(jí)。礦井3 煤頂板含水層涌水危險(xiǎn)性由東南向西北逐漸降低，其中首采工作面含水層涌水危險(xiǎn)性具有分區(qū)性，北部整體涌水危險(xiǎn)性較弱，南部危險(xiǎn)性有增強(qiáng)的趨勢。