基于多因素巖性結(jié)構(gòu)指數(shù)法的富水性預(yù)測及分區(qū)

邢婧文 杜夢迪 魏久傳

礦井水害一直威脅著礦井生產(chǎn)的安全，是制約煤炭安全開采的主要因素之一，而含水層富水性直接影響到水害威脅程度。近年來眾多礦井水文地質(zhì)工作者應(yīng)用多種方法對含水層富水性進(jìn)行分析研究，研究成果對礦井水害防治工作起到了重要作用。由于含水層富水性的影響因素較多，若僅考慮單一變量與實(shí)際會(huì)有很大差距，因此需要多因素耦合對富水性進(jìn)行預(yù)測[1-2]。在含水層富水性預(yù)測中，各影響因素權(quán)重的確定也采用了多種方法，如層次分析法，GIS技術(shù)的信息融合法，BP 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法等。本文以鄂爾多斯礦區(qū)營盤壕煤礦21 采區(qū)2- 2 煤為例，根據(jù)研究區(qū)地質(zhì)特征，綜合考慮頂板砂巖厚度、砂泥巖組合及砂巖含量等因素建立了巖性結(jié)構(gòu)指數(shù)模型，對砂巖類含水層富水性進(jìn)行分析，并進(jìn)行分級分區(qū)預(yù)測。

1 研究區(qū)概況

營盤壕煤礦位于鄂爾多斯臺(tái)向斜中部，構(gòu)造復(fù)雜程度較為簡單，未發(fā)現(xiàn)斷層和明顯的褶皺構(gòu)造。區(qū)內(nèi)地層由新至老依次為：第四系（Q）、白堊系下統(tǒng)志丹群（K1zh）、侏羅系中統(tǒng)安定組（J2a）、直羅組（J2z）、侏羅系中下統(tǒng)延安組（J1-2y）、三疊系上統(tǒng)延長組（T3y），主要含煤地層為侏羅系延安組（J1-2y）[3]。

2 含水層富水性評價(jià)模型

2.1 巖性結(jié)構(gòu)指數(shù)

由于研究區(qū)構(gòu)造簡單，構(gòu)造因素影響較小，暫不考慮構(gòu)造的影響。砂巖含水層富水性的影響因素有砂巖的粒度、厚度和巖性結(jié)構(gòu)等。

通過分析2- 2 煤層頂板的巖性及結(jié)構(gòu)特征，構(gòu)建了巖性結(jié)構(gòu)指數(shù)[4-6]。求取方法為：將含水層厚度，包括中砂巖、細(xì)砂巖的厚度值分別乘以一個(gè)等效系數(shù)，從而折算成粗砂巖的厚度，將計(jì)算層段（導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度）內(nèi)砂巖含量百分比、砂泥組合層數(shù)等因素作為結(jié)構(gòu)指數(shù)，將得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的處理，得到巖性結(jié)構(gòu)指數(shù)。

砂- 泥巖互層組合越多，含導(dǎo)水性能就越弱，阻水性能越明顯，故其他條件不變的情況下砂泥互層層數(shù)與LII 負(fù)相關(guān)，基于以上分析，巖性結(jié)構(gòu)指數(shù)表達(dá)式構(gòu)建如下：

表1 2-2 煤頂板導(dǎo)水裂縫帶內(nèi)部分巖性統(tǒng)計(jì)表

表2 2-2 煤頂板導(dǎo)水裂縫帶內(nèi)部分巖性結(jié)構(gòu)指數(shù)LII 統(tǒng)計(jì)表

式中：M 粗—粗砂巖厚度；M 中—中砂巖厚度；M 細(xì)—細(xì)砂巖厚度；a—中砂巖厚度等效系數(shù)，為0.8；b—細(xì)砂巖厚度等效系數(shù)，為0.6；n—砂巖層數(shù)；LII—巖性結(jié)構(gòu)指數(shù)；

2.2 數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化

巖性結(jié)構(gòu)指數(shù)是由多項(xiàng)指標(biāo)構(gòu)建而成的綜合指標(biāo)，但由于各指標(biāo)的性質(zhì)不同，其量綱和數(shù)量級也有所不同，若直接對指標(biāo)值進(jìn)行富水性分析會(huì)對結(jié)果造成較大誤差，因此為了更加可靠的對含水層進(jìn)行富水性分級分區(qū)，須將巖性結(jié)構(gòu)指數(shù)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化處理。

本文采用極差標(biāo)準(zhǔn)化公式將原始數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化[7]：

式中xik為某指標(biāo)的原始數(shù)據(jù)，max ｛xik｝（或min ｛xik｝）為這一指標(biāo)原始數(shù)據(jù)中的最值。

2.3 含水層富水性分區(qū)

巖性結(jié)構(gòu)指數(shù)與砂巖含水層厚度成正比，與砂泥巖互層組合層數(shù)成反比，砂巖含水層厚度越大富水性越強(qiáng)，砂泥巖互層組合層數(shù)越多富水性越弱，綜上巖性結(jié)構(gòu)指數(shù)越大，含水層富水性越強(qiáng)。

對所得的巖性結(jié)構(gòu)指數(shù)LII 的標(biāo)準(zhǔn)化值插值并繪制直方圖進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，從統(tǒng)計(jì)圖的拐點(diǎn)上可得到分區(qū)閾值，再依據(jù)閾值將采區(qū)按富水性強(qiáng)弱分區(qū)。

3 煤層頂板砂巖含水層富水性預(yù)測

統(tǒng)計(jì)21 采區(qū)及附近鉆孔2- 2 煤導(dǎo)水裂縫帶范圍內(nèi)砂巖厚度、層數(shù)、粒度等數(shù)據(jù)（表1）做無量綱化計(jì)算并將得到的數(shù)據(jù)代入表達(dá)式（2），進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，得出各孔2- 2 煤頂板導(dǎo)水裂縫帶內(nèi)巖性結(jié)構(gòu)指數(shù)LII 值（表2），通過對研究區(qū)巖性結(jié)構(gòu)指數(shù)LII 值進(jìn)行插值計(jì)算得到直方圖統(tǒng)計(jì)分析圖（圖1）。

結(jié)合21 采區(qū)及附近鉆孔對砂巖含水層的抽水實(shí)驗(yàn)成果，將巖性結(jié)構(gòu)指數(shù)LII 等于0.2 和0.3 時(shí)，定為分區(qū)閾值。LII＜0.2 的區(qū)域?yàn)槿醺凰畢^(qū)，0.2＜LII＜0.3 的區(qū)域?yàn)橹械雀凰畢^(qū)，LII＞0.3 的區(qū)域?yàn)閺?qiáng)富水區(qū)。以分區(qū)閾值作為界限，得到含水層的富水性分區(qū)（圖2）。

4 結(jié)論

（1）根據(jù)研究區(qū)含水巖層富水性影響因素分析，選取影響因子并進(jìn)行了量化，構(gòu)建了巖性結(jié)構(gòu)指數(shù)LII。用極差標(biāo)準(zhǔn)化方法將原始數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化后進(jìn)行插值并繪制直方圖，依據(jù)拐點(diǎn)確定出富水性強(qiáng)弱的分區(qū)閾值，進(jìn)行富水性分區(qū)。

（2）依據(jù)該方法對營盤壕煤礦21 采區(qū)2- 2 煤層頂板砂巖含水層富水性進(jìn)行了分區(qū)預(yù)測。結(jié)果表明，煤層頂板砂巖含水層在采區(qū)中部及邊緣為弱富水區(qū)，在中東部和中西部為中等富水區(qū)或強(qiáng)富水區(qū)。

圖1 2-2 煤頂板導(dǎo)水裂縫帶內(nèi)巖性結(jié)構(gòu)指數(shù)LII 統(tǒng)計(jì)直方圖

圖2 2-2 煤頂板導(dǎo)水裂縫帶內(nèi)砂巖含水層富水性分區(qū)圖