基于Surfer的煤層底板突水評價方法及其應(yīng)用

張成行，鄭潔銘，張玉卓，徐智敏

(中國礦業(yè)大學(xué) 資源與地球科學(xué)學(xué)院，江蘇 徐州 221116)

我國礦井的水文地質(zhì)類型較為復(fù)雜和多樣，長期以來，礦井底板突水嚴(yán)重威脅礦井安全生產(chǎn)[1-3]。目前淺部煤炭資源日漸枯竭，深部資源開采已經(jīng)成為重點(diǎn)[4-5]。隨著井田向深部開采，太原組石灰?guī)r(簡稱為“太灰”)含水層距離煤層底板越來越近，煤層底板承受的水壓也越來越高，導(dǎo)致突水威脅性逐漸增大[6-8]，對底板突水危險性評價的要求更高。

目前,常應(yīng)用于評價煤層底板突水危險性的理論方法有突水系數(shù)法、“下三帶”理論、GIS耦合評價法、模糊綜合評判法、模糊層次分析法、Fisher判別法，以及多模型融合評價方法等[9-10]。其中突水系數(shù)法比較簡單、易懂，但僅考慮了隔水層和水壓兩個因素對底板突水的影響，具有一定的局限性；GIS耦合評價法結(jié)果比較符合實際,但缺乏對脆弱性指數(shù)的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn),且普及程度和實用性有限；模糊綜合評判法、Fisher判別法等方法的實現(xiàn)也要滿足其適用條件和大量可靠的參數(shù)。因此，這些方法難以得到全面的推廣和應(yīng)用。

具有多元信息復(fù)合疊加、計算和繪圖功能的Surfer軟件，能夠簡單、快捷地繪制出底板突水評價分區(qū)圖[11-13]。筆者以車集礦29采區(qū)為例,應(yīng)用Surfer軟件平臺構(gòu)建評價模型，用其評價研究區(qū)煤層底板太灰含水層突水威脅性[14-15]，對煤礦資源安全開采具有重要的指導(dǎo)意義。

1 研究區(qū)地質(zhì)概況

研究區(qū)位于河南省永城市車集井田，受呼莊向斜、背斜的影響，煤巖層走向、傾向變化較大，呼莊向斜西翼煤巖層傾角為12°～14°，呼莊向斜的東翼和呼莊背斜的兩翼煤巖層傾角為6°～10°。主采的二2煤層的地層柱狀圖如圖1所示。

圖1 地層柱狀圖

煤層厚度為0.67～3.65 m，平均厚度2.89 m。石炭系太灰含水層頂界距二2煤層底板約50 m，水壓最高可達(dá)3.97 MPa,煤炭開采過程中受其威脅較大。區(qū)域內(nèi)探明斷層29條，其中落差10 m以上的斷層 7條，受這些斷層及呼莊向斜、背斜的影響，區(qū)域內(nèi)伴生及次生小構(gòu)造比較發(fā)育，區(qū)域周邊有大量的火成巖侵入，如圖2 所示。

圖2 研究區(qū)水文地質(zhì)示意圖

2 構(gòu)建層次分析法(AHP)模型

2.1 主控因素的確定及分析

綜合分析研究區(qū)地質(zhì)、水文地質(zhì)資料，以及鉆孔實際揭露的情況可知，區(qū)域內(nèi)二2煤層底板距太灰含水層較近，承受的水壓較大，隔水層厚度較小、構(gòu)造較為復(fù)雜。根據(jù)煤層與含水層相對位置及周圍的地質(zhì)特征等因素，判斷地質(zhì)構(gòu)造因素可作為主控因素中的重點(diǎn)。此次AHP模型將研究對象分為目標(biāo)層、準(zhǔn)則層和評價層3個層次，如圖3所示。

圖3 脆弱性評價結(jié)構(gòu)圖

2.2 確定各主要控制因素的權(quán)重

通常采用專家打分法將各個主控因素對底板突水的“貢獻(xiàn)程度”，用“1～9”標(biāo)度法表示，其結(jié)果存在差異性不明顯等弊端。為減小誤差，經(jīng)分析后采取“10/10～18/2”標(biāo)度(見表1)[14-16]。這種標(biāo)度法的好處在于對相同層次、不同因素之間的重要性采用比例的形式進(jìn)行比較,按層次最終得出決策目標(biāo)的測度，擬合性更好。從而能夠更加合理地構(gòu)建判斷矩陣，并對矩陣進(jìn)行一致性檢驗，當(dāng)一致性比率CR<0.1時矩陣為有效矩陣[17]。

表1 “10/10～18/2”標(biāo)度

根據(jù)“10/10～18/2”標(biāo)度對主控因素進(jìn)行分析，構(gòu)建判斷矩陣，檢驗其一致性，結(jié)果見表2～5。

表2 判斷矩陣A—Bi(i=1，2，3)

表3 判斷矩陣B1—Ci(i=1，2)

表4 判斷矩陣B2—Ci(i=3，4，5)

表5 判斷矩陣B3—Ci(i=1，6)

表3與表5分別為二階與一階矩陣，本身適宜一致性檢驗。其中，表2的一致性檢驗結(jié)果：CR=0<0.1；表3的一致性檢驗結(jié)果：CR=0.000 055 89<0.1，均符合要求。計算得出影響煤層底板突水各主控因素的權(quán)重如表6所示。

表6 各指標(biāo)對總目標(biāo)的權(quán)重(i=1～3， j=1～6)

3 主控因素的量化與模型的建立

3.1 主控因素的量化

由于各個主控因素之間的單位量綱都不相同，因此，為保證評價因素的一致性，對主控因素進(jìn)行歸一化處理。處理方法采用min-max標(biāo)準(zhǔn)化處理，歸一化后的數(shù)據(jù)表示為：

(1)

(2)

式中：x*為主控因素量化值；xi為主控因素樣本數(shù)據(jù);xmin為樣本數(shù)據(jù)的最小值；xmax為樣本數(shù)據(jù)的最大值。

3.2 脆弱性評價模型的建立

根據(jù)層次分析法得出的各主控因素的權(quán)重系數(shù)，建立屬性數(shù)據(jù)庫,構(gòu)建研究區(qū)二2煤層底板脆弱性評價模型，其表達(dá)式為：

(3)

式中：I為脆弱性指數(shù)；Wk為影響因素權(quán)重；n為影響因素個數(shù)；(x、y)為地理坐標(biāo)；fk(x,y)為單因素影響值函數(shù)。

將層次分析法得到的各主控因素權(quán)重值代入式(3)，得到最終的二2煤層底板脆弱性評價模型：

0.208 7f2(x,y)+0.124 9f3(x,y)+0.083 4f4(x,y)+0.102 0f5(x,y)+0.313 0f6(x,y)

由于因素C6為有效隔水層厚度,其與I呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，將其量化為負(fù)值，C6絕對值越小脆弱性指數(shù)越大，越容易引發(fā)突水危險；其他5個主控因素與目標(biāo)層呈正相關(guān)關(guān)系，其值越大脆弱性指數(shù)越大，越易引發(fā)突水危險。

4 底板脆弱性分區(qū)評價及與傳統(tǒng)突水系數(shù)法評價結(jié)果對比

4.1 底板脆弱性分區(qū)評價

根據(jù)脆弱性評價模型量化處理后的各主控因素，利用Surfer網(wǎng)格數(shù)據(jù)模塊繪制各主要控制因素的等值線圖。根據(jù)表6中各指標(biāo)的權(quán)重，結(jié)合上述評價模型，將權(quán)重分配到各個相應(yīng)的等值線圖，并應(yīng)用Surfer網(wǎng)格數(shù)學(xué)輸入進(jìn)行加權(quán)疊加，結(jié)果如圖4 所示。

圖4 煤層底板太灰突水脆弱性評價分區(qū)圖

應(yīng)用自然斷點(diǎn)分級法，得到脆弱性評價分區(qū)的閾值分別為：0.24、0.31、0.37、0.45。根據(jù)評價分區(qū)閾值劃分研究區(qū)底板太灰脆弱性區(qū)域，結(jié)果見表7。

表7 研究區(qū)底板太灰脆弱性區(qū)域劃分

由表7可知，脆弱性指數(shù)越大，煤層底板太灰含水層突水的可能性也就越大。由圖4可知，研究區(qū)底板太灰突水脆弱性自西南向北部逐漸增加。研究區(qū)中的構(gòu)造發(fā)育區(qū)段，其太灰突水脆弱性一般在突水的過渡區(qū)和較脆弱區(qū)范圍之間，在構(gòu)造控制點(diǎn)的位置尤為明顯。

4.2 與傳統(tǒng)底板突水系數(shù)法對比

運(yùn)用突水系數(shù)法對研究區(qū)進(jìn)行分析，繪制底板太灰突水等值線圖，如圖5 所示。研究區(qū)內(nèi)構(gòu)造發(fā)育，根據(jù)《煤礦防治水細(xì)則》第73條規(guī)定[18]，突水系數(shù)應(yīng)小于0.06 MPa/m，大于0.06 MPa/m的區(qū)域為危險區(qū)。

圖5 煤層底板突水系數(shù)等值線圖

由圖5可知，研究區(qū)突水系數(shù)基本在0.10 MPa/m附近及以上，均大于0.06 MPa/m，突水危險性較大。突水系數(shù)法僅在考慮水壓和隔水層厚度綜合作用條件下，對底板危險區(qū)進(jìn)行劃分。而在實際回采工作中，工作面西南部水壓、水量基本均小于北部，情況與圖4分區(qū)結(jié)果接近。因此，傳統(tǒng)的突水系數(shù)評價結(jié)果過于保守，且具有一定的局限性。而改進(jìn)的AHP型脆弱性指數(shù)法具有融合多元信息因素、分區(qū)評價準(zhǔn)確等優(yōu)點(diǎn)，對研究區(qū)的脆弱性分區(qū)評價更加有效、準(zhǔn)確。

5 結(jié)語

1)改進(jìn)優(yōu)化后的AHP型脆弱性指數(shù)法采用擬合性較好的“10/10～18/2”標(biāo)度法，避免出現(xiàn)傳統(tǒng)“1～9”標(biāo)度分析結(jié)果差異性不明顯，造成結(jié)果出現(xiàn)較大偏差的問題。通過對主控因素的重要性進(jìn)行比較，使決策目標(biāo)的評價結(jié)果更加合理。

2)根據(jù)AHP型脆弱性指數(shù)法的原理，結(jié)合研究區(qū)水文地質(zhì)資料和數(shù)據(jù)，運(yùn)用Surfer軟件進(jìn)行繪圖和插值運(yùn)算，結(jié)果能夠有效直觀地反映研究區(qū)的基本地質(zhì)及水文地質(zhì)特征。

3)改進(jìn)AHP型脆弱性指數(shù)法將研究區(qū)從相對安全區(qū)至脆弱區(qū)分為5級，評價結(jié)果與礦井實際生產(chǎn)情況相比較為準(zhǔn)確。為革新車集煤礦底板突水危險性評價奠定了基礎(chǔ)，對保證工作面安全開采具有重要的指導(dǎo)意義。