基于GIS保德煤礦8煤層底板突水危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)

周露 劉啟蒙

摘 要：為了準(zhǔn)確評(píng)價(jià)保德煤礦下組煤煤層底板奧灰水突水危險(xiǎn)程度，以8煤層開(kāi)采為例，分析確定了煤層底板突水的各主控因素，通過(guò)建立AHP模型計(jì)算得出各主控因素權(quán)重。并在此基礎(chǔ)上得到基于GIS的脆弱性評(píng)價(jià)模型，對(duì)8煤層底板突水危險(xiǎn)性做出評(píng)價(jià)并分區(qū)，然后與傳統(tǒng)的突水系數(shù)法進(jìn)行比較分析。結(jié)果表明，相對(duì)于傳統(tǒng)的突水系數(shù)法只考慮了水壓和隔水層厚度兩個(gè)影響因素，基于GIS的脆弱性指數(shù)法更能反映不同區(qū)域的相對(duì)脆弱情況，更加符合實(shí)際情況。

關(guān)鍵詞：底板突水;層次分析法;GIS;脆弱性指數(shù)法

中圖分類號(hào)： TD741文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1672-1098（2021）02-0057-05

收稿日期：2020-08-03

作者簡(jiǎn)介：周露（1995-），女，重慶合川人，在讀碩士，研究方向：礦井水害與防治。

Risk Assessment of Floor Water Inrush in NO.8 Coal Seam of Baode Coal Mine Based on GIS

ZHOU Lu， LIU Qimeng

（School of Earth and Environment， Anhui University of Science and Technology， Huainan Anhui 232001， China）

Abstract：In order to accurately evaluate the risk degree of Ordovician limestone water inrush in the lower coal seam floor of Baode coal mine， taking the mining of NO.8 coal seam as an example， the main control factors of water inrush from coal seam floor were analyzed and determined， and the weight of each main control factor was calculated by establishing AHP model. And then， the vulnerability evaluation model based on GIS was obtained， with which， the risk of water inrush from the floor of NO.8 coal seam was evaluated， partitioned and then compared with the traditional water inrush coefficient method. The results show that， compared with the traditional water inrush coefficient method， which only considers the water pressure and the thickness of aquiclude， the vulnerability index method based on GIS can better reflect the relative vulnerability of different regions in line with the actual situation better.

Key words：floor water inrush; AHP; GIS; vulnerability index method

近年來(lái)，隨著采掘活動(dòng)的不斷進(jìn)行，淺部煤炭資源逐漸枯竭，大多數(shù)采掘活動(dòng)轉(zhuǎn)向深部。由于開(kāi)采深度增加，地質(zhì)條件更復(fù)雜，且煤層距離太原組灰?guī)r或奧陶系灰?guī)r的距離減少導(dǎo)致水壓增大，底板突水機(jī)率增加，采掘難度增大[1]。以往的突水評(píng)價(jià)理論已經(jīng)不能解決這種條件下的底板突水評(píng)價(jià)問(wèn)題，因此眾多學(xué)者提出了多種底板突水評(píng)價(jià)理論和方法。文獻(xiàn)[2]為解決底板突水預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)的難題，提出了脆弱性指數(shù)法;又在此基礎(chǔ)上，以開(kāi)灤東歡坨礦北部采區(qū)煤層底板突水為研究對(duì)象，應(yīng)用新提出的基于GIS的AHP型脆弱性指數(shù)法，且評(píng)價(jià)結(jié)果與實(shí)際擬合很好，效果理想[3]。文獻(xiàn)[4]運(yùn)用基于GIS和AHP耦合理論的脆弱性評(píng)價(jià)模型對(duì)南裕煤礦8煤層底板突水危險(xiǎn)性進(jìn)行評(píng)價(jià)，且將脆弱性指數(shù)法與傳統(tǒng)突水系數(shù)法進(jìn)行比較，結(jié)果表明脆弱性指數(shù)法更為真實(shí)可靠;文獻(xiàn)[5]針對(duì)下組煤開(kāi)采的底板突水問(wèn)題，提出了基于AHP-TFN的底板突水危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)模型;文獻(xiàn)[6]運(yùn)用基于GIS的AHP型脆弱性指數(shù)法對(duì)山西李雅莊礦2煤層底板太灰突水問(wèn)題進(jìn)行分析評(píng)價(jià);文獻(xiàn)[7]從理論和實(shí)際兩方面對(duì)比分析了基于GIS的AHP型和ANN型脆弱性指數(shù)法在底板突水評(píng)價(jià)應(yīng)用中的適用性;文獻(xiàn)[8]為提高煤層底板水害評(píng)價(jià)精度，對(duì)比分析了基于GIS的突水系數(shù)法和AHP型脆弱性指數(shù)法在實(shí)際中的應(yīng)用，結(jié)果表明基于GIS的脆弱性指數(shù)法更接近實(shí)際情況，對(duì)煤炭的安全開(kāi)采更具指導(dǎo)性。

綜上所述，研究礦井突水危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)有著必要性和急迫性。然而，傳統(tǒng)的突水系數(shù)法只考慮水壓和隔水層厚度兩個(gè)因素，需要引入更加符合實(shí)際的多源信息融合評(píng)價(jià)機(jī)制。而AHP模型則能考慮到多方面的影響因素，因此本文通過(guò)建立AHP模型計(jì)算得出各影響因素權(quán)重，然后得到基于GIS的脆弱性指數(shù)模型，對(duì)保德煤礦的全區(qū)突水危險(xiǎn)性進(jìn)行了評(píng)價(jià)和區(qū)劃。研究?jī)?nèi)容對(duì)礦區(qū)底板突水預(yù)警有著一定的借鑒意義。

1 研究區(qū)概況

保德煤礦位于山西省保德縣境內(nèi)，礦區(qū)地處黃河?xùn)|岸、屬黃土高原的晉西北邊緣，區(qū)內(nèi)屬黃河流域水系，朱家川河為區(qū)內(nèi)唯一的季節(jié)性河流，從井田中部穿過(guò)并匯入黃河。井田內(nèi)地形切割嚴(yán)重，溝深坡陡，礦區(qū)內(nèi)大面積被新生界地層覆蓋，僅在溝谷中出露基巖，區(qū)內(nèi)地層有奧陶系、石炭系、二疊系、新近系及第四系，含煤地層為下二疊統(tǒng)山西組和上石炭統(tǒng)太原組，礦井地質(zhì)構(gòu)造簡(jiǎn)單。

目前正在開(kāi)采的煤層為二疊系山西組的8煤層，煤厚2.15～10.50m，平均7.36m，為全區(qū)開(kāi)采穩(wěn)定煤層。純煤厚1.85～9.01m，平均6.00m;為厚～特厚煤層，以厚煤層為主，煤層結(jié)構(gòu)復(fù)雜。煤層直接頂板多為砂質(zhì)泥巖與泥巖，局部為粗粒砂巖，底板巖性主要以泥巖、砂質(zhì)泥巖、粉砂巖、細(xì)粒砂巖、中粒砂巖、粗粒砂巖和含礫粗砂巖為主。8煤底板至奧陶系灰?guī)r頂界面間距介于93.13～140.52m之間，平均為112.5m。目前開(kāi)采81307工作面，工作面煤層底板標(biāo)高低于奧灰水水頭標(biāo)高839m，最大水頭壓力為1.75MPa，若遇底板隱伏導(dǎo)水構(gòu)造，則有奧灰水突水危險(xiǎn)。

2 AHP模型建立

層次分析法（AHP）通過(guò)建立層次結(jié)構(gòu)模型，構(gòu)造判斷矩陣，計(jì)算各因素對(duì)總目標(biāo)層的影響權(quán)重[9-10]。根據(jù)對(duì)突水機(jī)理和主控因素關(guān)聯(lián)性的分析，可將底板隔水層阻隔水性能與各主控因素之間的關(guān)系劃分為三個(gè)層次，如圖1所示。A層次即為目標(biāo)層底板隔水層阻隔水性能評(píng)價(jià)，B層次為中間層將各主控因素劃分為3類，C層次為方案層包括7個(gè)主控因素。

收集了研究區(qū)18組鉆孔數(shù)據(jù)，分別涵蓋了上述各項(xiàng)因子的實(shí)測(cè)與計(jì)算數(shù)據(jù)，如表1所示。

通過(guò)兩兩比較主控因素其相對(duì)重要性，對(duì)照T.L.Saaty創(chuàng)立的1～9標(biāo)度法進(jìn)行打分，構(gòu)建出相鄰兩層次間的判斷矩陣。經(jīng)過(guò)MATLAB編程計(jì)算，對(duì)判斷矩陣進(jìn)行調(diào)整和修改，使其都通過(guò)一致性檢驗(yàn)，確定出各主控因素的權(quán)重（見(jiàn)表2）。

其中Bi（i=1，2，3）表示各中間層相對(duì)于總目標(biāo)A的權(quán)重;Ci（i=1～9）表示各主控因素相對(duì)于中間層B的權(quán)重;WA/Ci表示各主控因素相對(duì)于總目標(biāo)A的權(quán)重。

3 GIS空間疊加

地理信息系統(tǒng)（GIS）是利用計(jì)算機(jī)對(duì)空間信息進(jìn)行處理，將地理環(huán)境的各種要素進(jìn)行數(shù)字存儲(chǔ)并建立地理數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)[11]。根據(jù)AHP模型得出的各主控因素的權(quán)重，將其進(jìn)行歸一化處理，用GIS處理歸一化數(shù)據(jù)，得到各主控因素歸一化專題圖，最后進(jìn)行復(fù)合疊加處理配準(zhǔn)合成一個(gè)新的圖形，并重建拓?fù)湫纬尚碌耐負(fù)潢P(guān)系屬性表[12]。

建立煤層底板突水脆弱性指數(shù)法評(píng)價(jià)模型如式（1）[13-14]所示。

V1=∑7k=1Wk×fk（x，y）=0.047 2f1（x，y）+0.094 4f2（x，y）+0.166 9f3（x，y）+0.166 9f4（x，y）+0.103 7f5（x，y）+0.257 3f6（x，y）+0.163 6f7（x，y）（1）

式中： VI為脆弱性指數(shù)， Wk為各主控因素權(quán)重，fk（x， y）表示各主控因素函數(shù)，x， y表示地理坐標(biāo)。

利用表1的數(shù)據(jù)，使用ArcGIS進(jìn)行克里金插值，分別繪制出隔水層厚度、8煤底板深度、8煤厚、奧灰水壓、涌水量、沙泥比和C共七組因子圖，如圖2所示。為了便于計(jì)算，對(duì)其均進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化處理。

根據(jù)脆弱性指數(shù)頻率直方圖，運(yùn)用自然分級(jí)法確定分區(qū)閾值，對(duì)煤層底板突水脆弱性進(jìn)行分區(qū)，得到煤層底板突水脆弱性評(píng)價(jià)分區(qū)圖，如圖3左圖。

4 突水系數(shù)計(jì)算

根據(jù)表1中的奧灰水壓和隔水層厚度數(shù)據(jù)，采用《煤礦防治水細(xì)則》中的突水系數(shù)計(jì)算公式[15]，計(jì)算出研究區(qū)18個(gè)鉆孔的突水系數(shù)，并利用GIS對(duì)該數(shù)據(jù)進(jìn)行插值，并繪制突水系數(shù)等值線如圖3右圖。

從圖3中可以看出，突水系數(shù)在礦井的北部，西南部偏高，而在東南部偏低，與突水脆弱性評(píng)價(jià)的分區(qū)較相似。但在礦井的中東部地區(qū)，即脆弱性分區(qū)的相對(duì)安全區(qū)，突水系數(shù)卻偏高，這可能是由于該地區(qū)僅有一個(gè)鉆孔，使得插值不夠精確所導(dǎo)致的。

由于傳統(tǒng)的突水系數(shù)法只考慮到水壓和隔水層厚度兩個(gè)影響因素，計(jì)算得出的突水系數(shù)往往與實(shí)際不符，而AHP則能考慮到影響底板突水的多方面因素。通過(guò)建立AHP模型計(jì)算得出各影響因素的權(quán)重，然后在此基礎(chǔ)上得到的基于GIS的脆弱性評(píng)價(jià)分區(qū)圖取得了較好的效果，較符合實(shí)際情況。

5 結(jié)論

（1）確定了7個(gè)影響保德煤礦8煤層底板突水的主控因素，通過(guò)建立AHP模型計(jì)算得出各主控因素權(quán)重，其中隔水層厚度、砂泥巖比、水壓、單位涌水量所占權(quán)重較大，對(duì)8煤層底板突水有重要影響。

（2）利用7組因素，基于ArcGIS進(jìn)行了克里金插值，繪制了七組因素的等值線圖，將AHP法的權(quán)重與之相結(jié)合并進(jìn)行空間疊加，繪制了煤層底板的突水危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)分區(qū)。礦井突水系數(shù)總體上都小于臨界突水系數(shù)（0.06MPa/m），但可能存在垂向構(gòu)造導(dǎo)致突水。

（3）將脆弱性評(píng)價(jià)分區(qū)圖與突水系數(shù)圖進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果表明，傳統(tǒng)的突水系數(shù)法的計(jì)算結(jié)果往往與實(shí)際不符，而脆弱性分區(qū)較為合理，更符合實(shí)際情況，對(duì)礦井安全生產(chǎn)具有一定意義。

參考文獻(xiàn)：

[1] 劉守強(qiáng)，武強(qiáng)，曾一凡，等.基于GIS的突水系數(shù)法評(píng)價(jià)新技術(shù)及其應(yīng)用[J].煤炭工程，2016，48（S2）：43-46.

[2] 武強(qiáng)，張志龍，張生元，等.煤層底板突水評(píng)價(jià)的新型實(shí)用方法Ⅱ：脆弱性指數(shù)法[J].煤炭學(xué)報(bào)，2007（11）：1 121-1 126.

[3] 武強(qiáng)，王金華，劉東海，等.煤層底板突水評(píng)價(jià)的新型實(shí)用方法Ⅳ：基于GIS的AHP型脆弱性指數(shù)法應(yīng)用[J].煤炭學(xué)報(bào)，2009，34（2）：233-238.

[4] 翟維茂，趙志懷.基于GIS的南峪煤礦8～#煤層底板突水危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)[J].煤炭技術(shù)，2016，35（5）：213-215.

[5] 劉晨雨， 魏久傳， 王杰， 等. 基于AHP-TFN模型的底板突水危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)[J].中國(guó)礦業(yè)， 2019，28（8）：124-129.

[6] 羅成. GIS的AHP型脆弱性指數(shù)法在李雅莊礦底板突水評(píng)價(jià)中的應(yīng)用[J].煤田地質(zhì)與勘探， 2012，40（5）：47-50.

[7] 李哲，牛鵬堃，宮厚健，等.基于GIS的AHP型和ANN型脆弱性指數(shù)法在底板突水評(píng)價(jià)應(yīng)用中的適用性分析[J].煤礦開(kāi)采，2018，23（1）：8-12.

[8] 牛鵬堃，曾一凡，李哲，等.基于GIS的突水系數(shù)法與AHP型脆弱指數(shù)法在應(yīng)用中的對(duì)比[J].煤炭工程，2018，50（7）：97-100.

[9] 王心義，姚孟杰，張建國(guó)，等.基于改進(jìn)AHP法與模糊可變集理論的煤層底板突水危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)[J].采礦與安全工程學(xué)報(bào)，2019，36（3）：558-565.

[10] 武強(qiáng)，李慎舉，劉守強(qiáng)，等.AHP法確定煤層底板突水主控因素權(quán)重及系統(tǒng)研發(fā)[J].煤炭科學(xué)技術(shù)，2017，45（1）：154-159.

[11] 劉守強(qiáng)，武強(qiáng)，曾一凡，等.基于GIS的突水系數(shù)法評(píng)價(jià)新技術(shù)及其應(yīng)用[J].煤炭工程，2016，48（S2）：43-46.

[12] 武強(qiáng)，李博，劉守強(qiáng)，等.基于分區(qū)變權(quán)模型的煤層底板突水脆弱性評(píng)價(jià)——以開(kāi)灤蔚州典型礦區(qū)為例[J].煤炭學(xué)報(bào)，2013，38（9）：1 516-1 521.

[13] 武強(qiáng)，劉守強(qiáng)，賈國(guó)凱.脆弱性指數(shù)法在煤層底板突水評(píng)價(jià)中的應(yīng)用[J].中國(guó)煤炭，2010，36（6）：15-19.

[14] 武強(qiáng)，解淑寒，裴振江，等.煤層底板突水評(píng)價(jià)的新型實(shí)用方法Ⅲ：基于GIS的ANN型脆弱性指數(shù)法應(yīng)用[J].煤炭學(xué)報(bào)，2007（12）：1 301-1 306.

[15] 劉凱祥，牛超，彭濤，等.承壓開(kāi)采煤層底板突水危險(xiǎn)性定量評(píng)價(jià)[J].現(xiàn)代礦業(yè)，2019，35（1）：180-184.

（責(zé)任編輯：李 麗）