基于GIS技术的煤炭开采水资源影响评价

2015-12-15林平选

地下水 2015年2期

林平选

(陕西省地质调查院，陕西西安 710065)

采煤对地下水影响的关键是采煤形成的导水裂隙带高度与含水层及隔水层的空间关系。导水裂隙带对隔水层的损害越小，则对地下水的影响越小，如果采煤形成的导水裂隙带切穿了隔水层，则必然导致上覆含水层地下水的大量漏失。导水裂隙带发育高度的影响因素较多，利用已有勘探资料进行采煤对地下水影响评价工作存在着严重的不足，一是数字信息和图件信息之间转换工作量很大，二是各单因素图件之间比例尺不尽一致，其缩放转绘工作量较大，三是各单因素图件信息零散、有限，难以从量的角度研究分析处理各因素图件之间的关系。

由中地信息工程有限公司开发研制的MAPGIS可以对空间数据进行采集、存储、检索、分析和可视化输出，从而为多源地学信息的综合分析提供了一个理想平台。因此，本文采用MAPGIS系统，对研究区的勘探数据进行测试研究，结合EXCEL软件，利用模糊综合评判法对研究区内煤炭开采水资源影响进行综合分区评价。目的是通过MAPGIS的应用，探索地质工作中的专业分析方法在多源地学空间信息系统中的实现方法，使专业知识与地理信息系统有机结合，提高地质勘探、资源评价及科研工作精度和工作效率。

1 研究区地质结构及水文地质概况

其中Q3s全区分布，岩性为粉砂、细砂、中砂夹粉土、粉质粘土和泥炭层，是本区最主要的含水层，，渗透系数 K=5.86～31.75 m/d，其富水性主要受厚度控制。

Q2l岩性以粉土、粉质粘土为主夹多层古土壤，具有较好的隔水作用，渗透系数 K=0.04 ～0.13 m/d。

N2b岩性以粘土及粉质粘土为主，隔水性能良好，渗透系数 K=0.001 6 ～0.001 7 m/d。

K1l仅分布于研究区西北部，岩性为中粒石英长石砂岩，结构疏松，具大型交错层理，为具有局部供水意义的含水层，渗透系数 K=0.049 3 ～0.581 m/d。

J2a岩性上部以泥岩、粉砂岩为主，中下部为厚层状粗粒、中粒、细粒石英长石砂岩，渗透系数 K=0.005 6～0.205 m/d。

J2z岩性上部为紫杂色、灰绿色泥岩与砂质泥岩互层，下部为灰白色中粗粒长石石英砂岩，局部地段底部为白色石英砂岩和细砾岩。渗透系数 K=0.024 63～0.055 73 m/d。

J2y是本区的含煤地层，岩性为一套浅灰色中细粒砂岩与砂质泥岩、炭质泥岩互层。节理裂隙不发育，透水性差，渗透系数 K=0.001 962 ～0.013 91 m/d。

煤层:2－2煤为本区最主要可采煤层，位于延安组第四段顶部，厚度 0.20～9.86 m，平均 5.01 m。可采面积为 751 km2，占研究区面积的86%，煤厚大于5 m面积为237 km2。

2 含(隔)水层与煤层空间结构概化

根据研究区地质结构、水文地质条件及主要可采煤层赋存条件，将区内含(隔)水层及煤层的空间结构由上到下概化为5层:第一层为主要含水层，即萨拉乌苏组含水层;第二层为由离石黄土和新近系红土组成的关键隔水层;第三层为次要含水层，即白垩系洛河组含水层，为局部含水层;第四层为侏罗系组合隔水岩组，主要由 J2a、J2z和 J2y中2－2煤层以上部分组成;第五层为2－2煤层。

3 导水裂隙带高度及其与含(隔)水层的空间关系

3.1 数字高程模型的建立

因此建立数字高程模型是GIS系统空间分析的基础，利用数字高程模型的规则网数学计算功能可进行加、减、乘、除、平方、开方、指数等常规运算，也可编写简单的条件语句进行计算。因此首先需要建立2－2煤及上覆各地层底板标高、2－2煤厚度及地面标高等基本数字高程模型，在此采用GRD模型，要求各模型必需具有统一的图幅范围和数据结构。

3.2 导水裂隙带高度及其与含(隔)水层的空间关系

根据《榆神矿区三期规划区煤炭开采对水资源影响评价》研究成果，导水裂隙带发育高度按采高的26.5倍计算，开采条件按一次采全高。因此，利用 MAPGIS建立的煤层厚度GRD模型，直接计算出采煤形成的导水裂隙带高度，生成导水裂隙带高度等值线图和相应的GRD模型。

为了便于将导水裂隙带高度与含隔水层的空间分布进行比较分析，根据“煤层顶板标高+导水裂隙带高度 =导水裂隙带顶面标高”，得到导水裂隙带标高的GRD模型。

为了研究导水裂隙带与各隔水岩组之间的关系及其在平面上的分布特征，利用各地层顶面标高的GRD模型与导水裂隙带标高的GRD模型进行差值运算，可得到导水裂隙带与各地层的关系，差值小于零的区域，表示导水裂隙带切穿了该地层，大于零的区域表示该地层尚未被导水裂隙带破坏的厚度。把各地层被切穿的界线(差值等于零的线)提出，加到同一图上，得到导水裂隙带切穿各地层的范围在平面上的分布。可见在研究区东部局部导水裂隙带切穿了关键隔水层，将引起水资源大量漏失。

为了研究导水裂隙带在垂向上与隔水岩组的关系，利用MAPGIS的高程剖面分析功能，可以按任意剖面线分别切出各要素的剖面，将这些单要素的剖面(比例必须一致)组合在一起，即可形成常规的剖面图，如图1所示。在该剖面上可直观看到导水裂隙带与含(隔)水层的空间关系，其中在东部导水裂隙带切穿了关键隔水层。

图1 导水裂隙带高度与含(隔)水层关系剖面示意图(A－A'剖面)

4 基于GIS技术的煤炭开采水资源影响综合评价

煤炭开采对地下水影响综合评判方法是通过系统确定煤炭开采对地下水影响的定量评价指标，把研究区按一定原则划分为不同的单元，统计出不同单元内各指标的对应值，综合评价出不同单元所属类型。

4.1 煤炭开采水资源影响程度分级

煤炭开采水资源的影响程度可分为三级，其中Ⅰ级为轻微影响区，Ⅱ级为明显影响区，Ⅲ级为严重影响区，即评价结果集 V={v1，v2，v3}={轻微影响区，明显影响区，严重影响区}，各分级特征归纳如表1所示。

4.2 评价因素的选择

煤炭开采水资源影响主要是煤炭开采形成的导水裂隙带破坏隔水层，使上覆含水层通过导水裂隙带进入矿井，造成水资源损失，同时也给矿井正常生产造成影响。因此，煤炭开采对地下水的影响因素主要有两个方面，一是煤炭开采形成导水裂隙带高度及其与含、隔水层的空间关系，二是含水层的富水性。影响导水裂隙带发育高度的主要因素有开采厚度、开采深度、岩石的力学性质等。本区主要含水层的富水性取决于含水层厚度，即砂层厚度工，为便于数字化，以砂层厚度代替含水层厚度，根据前述导水裂隙带计算时已考虑了开采厚度，因此，本次选取的评价因素见图2。

图2 煤炭开采水资源影响综合评判层次结构模型

表1 煤炭开采对水资源影响程度分级表

4.3 计算单元划分

为了较为直观地建立各影响因素之间的关系，获得研究对象和描述对象的一致性，将完整的地质因素作为研究对象，对地质学的大部分数据以自然地质因素为对象进行描述。本次研究把自然地质体(如岩体、地层等)边界形成的不规则图形作为地质信息的提取单元。利用MAPGIS的空间分析功能，将各影响因素进行叠加分析，自动生成剖分单元，共剖分出446个单元。

4.4 评价指标隶属函数及隶属度的确定

4.4.1 隶属函数的确定

采用“梯形公式”来定义隶属函数，如剩余隔水层厚度，其值越大，对保水采煤越有利，其隶属函数示意图见图3。其表达式为:

式中:x为确定的影响因素的特征值，a0、a1、a2、a3为该影响因素的分区区间值。对于煤层埋深和含水层富水性(砂层厚度)，其值越小，对保水采煤越有利，由于篇幅所限，其隶属函数表达式及示意图在此省略。

图3 隶属函数示意图

4.4.2 隶属度的确定

1)构建单因素的GRD模型

开采深度、导水裂隙带高度与含(隔)水层空间关系、砂层厚度等利用基本数字高程模型中相应的GRD模型数据通过规则网数学运算获得对应的GRD模型数据。对覆岩的力学性质，根据本区及附近钻孔岩芯物理力学性质测试结果，采用厚度加权平均值直接建立覆岩力学性质(抗剪强度)GRD模型。

2)隶属度的确定

利用各单因素GRD模型自动生成相应的各单因素平面分布图，再通过空间相交分析，获得具有各因素属性数据的综合图，即单元划分图。通过MAPGIS的属性管理模块，将属性数据输出，根据前述隶属函数，利用 excel计算获得各单因素隶属度(也可以在GRD模型中直接计算，但过程较长)。

3)建立单因素评判矩阵(R)

根据隶属度对各因素进行单因素评判，得到模糊评判矩阵:

4.5 综合评判及结果分析

综合评判结果向量(B)可用下式计算:

B=A。R

式中:A为权重向量，各因素权重见表2;“。”为某种合成运算，计算中”采用“·－ +”运算。该运算方式比较适用于要求整体指标的情形，能对所有评价指标依权重大小均衡兼顾，结果中包含了所有指标的共同作用，这种运算方式中要求，其数学模型为(j=1，2，…，m);B 是评价结果集V的模糊子集。

表2 煤炭开采水资源影响评价因素权重一览表

根据最大隶属原则(一个给定的单元对应于某个级别X的隶属度最大，该单元的综合评价等级就是X)即可得到评判单元的综合评价等级。采用excel计算各单元的综合评判结果，利用MAPGIS下的属性库管理子系统，将各单元评价结果作为属性，输入单元剖分图，并根据属性给各单元赋参数，自动生成综合分区评价图(见图4)。

图4 煤炭开采对水资源影响综合分区

依据评价结果，将本区煤炭开采水资源影响程度分为严重影响区、明显影响区和轻微影响区。其中严重影响区位于隆德井田东南部，面积7.20 km2，占规划区面积的0.83%，该区煤层厚度大，埋藏浅，导水裂隙带将切穿关键隔水层，可能造成水资源大量漏失，地下水位大幅下降，严重影响地表植被生长和居民生活生产用水，同时对矿井安全构成威胁;明显影响区分布于郭家滩井田和隆德井田，面积32.63 km2，占规划区面积的3.76%，该区煤层厚度大，导水裂隙带切穿了组合隔水岩组，可能造成水资源漏失量较大，浅层地下水位下降明显，对地表植被生长和居民生活生产用水有一定影响;其它区域属轻微影响区，面积828.38 km2，占规划区面积的95.41%，该区煤层厚度较小，煤层埋深大，导水裂隙带未切穿组合隔水岩组，可能造成水资源少量漏失，浅层地下水位小幅下降，对地表植被生长和居民生活生产用水影响不大。