铁新煤矿9#煤层底板突水危险性评价*

孙晓宇

(1.天地科技建井研究院；2.北京中煤矿山工程有限公司)



·安全·环保·

铁新煤矿9#煤层底板突水危险性评价*

孙晓宇1,2

(1.天地科技建井研究院；2.北京中煤矿山工程有限公司)

为解决我国煤矿普遍面临的煤层底板突水评价难题，以铁新煤矿9#煤层为例，引入了基于GIS的AHP型脆弱性指数评价法。首先确定了影响煤层底板突水的9个主控因素，采用GIS数据分析、图形可视化等功能对该类主控因素进行量化分析处理，建立各子专题图层；然后运用AHP法确定各主控因素的权重比例，在此基础上提出了煤层底板突水脆弱性的分区方案，并根据各区特点提出了相应的防治措施；最后分别采用传统突水系数法、脆弱性指数法进行了煤层底板突水危险性评价，结果表明：脆弱性指数法得出的评价结果更符合实际，对于指导该煤层安全开采有一定的参考价值。

煤层底板突水主控因素脆弱性指数法突水系数法

我国大部分煤田普遍存在煤层底板突水问题，往往会造成大量的人员伤亡以及无法弥补的经济损失[1]。为正确指导煤矿安全开采，需精确预测评价煤层底板突水。煤层底板突水是多种影响因素共同诱发的结果，发生过程多表现为非线性动态特征[2]，传统的理论预测方法无法全面描述多因素影响下的非线性动力现象，而顾及了多种主控因素的脆弱性指数法可真实反映非常复杂突水机理的突水过程，有助于高效预测评价煤层底板突水。

铁新煤矿位于灵石县两渡镇太西村—闫家山村—新庄一带，属于阳泉曲—汾西盆状复向斜构造带，井田内地面向斜、背斜、断层及滑坡构造较发育，在矿井开拓过程中揭露了大量断距较小的正断层。铁新煤矿水文地质勘探钻孔TX1、TX2、TX3揭露的奥灰峰峰组水位标高均高于9#煤层隔水底板标高，为94～115 m，属于带压开采，可见9#煤层底板隔水层在一定程度上受到奥灰岩溶含水层承压水的影响，水压最大值可达2.02 MPa，给煤矿的正常生产带来了较严重的安全隐患。随着矿井生产的不断深入，如何解决奥灰岩溶含水层承压水对9#煤层开采带来的威胁，保证矿井的安全生产和提高矿井经济效益，具有一定的现实意义。

1　煤层底板突水危险性评价

脆弱性指数法是一种将可确定影响煤层底板突水的多种主控因素的权重系数信息进行融合并与具有强大空间信息分析处理功能的GIS耦合为一体的煤层底板突水预测方法[3]。本研究采用基于GIS的AHP脆弱性指数法对铁新煤矿9#煤层底板突水危险性进行预测评价。首先，采用GIS对铁新煤矿9#煤层底板突水各主控因素的图形信息进行量化；其次，采用AHP对各主控因素进行定量化处理，分别计算出对煤层底板突水的影响权重；最后，将AHP对影响煤层底板突水的各主控因素权重的计算结果通过GIS的空间复合叠加功能进行煤层底板突水脆弱性评价分析[4]，并以图形的形式将煤层底板突水分区结果直观地反应出来。

1.1主控因素确定及专题图绘制

通过分析铁新煤矿的水文、地质及生产资料以及突水因素，并结合煤层底板水害主控因素指标体系[5-6]，确定了影响铁新煤矿9#煤层底板突水的9个主控因素，即奥灰岩溶含水层水压、含水层富水性、矿压破坏带深度、断层规模指数、断层褶皱轴的分布、断层褶皱交点和端点分布、矿压破坏带下脆性岩厚度、有效隔水层等效厚度、含水层顶部古风化壳厚度。

主控因素专题图是指能够反映该主控因素在评价范围内分布状况的图件，并附有相应的属性数据。首先，通过对影响铁新煤矿9#煤层底板突水的9个主控因素的基础数据进行整理分析；然后利用GIS进行插值计算处理；最后通过GIS的图形输出系统输出各主控因素专题图(图1)。

图1　煤层底板突水主控因素专题图

1.2各主控因素影响权重确定1.2.1层次结构模型构建

将影响铁新煤矿9#煤层底板突水的9个主控因素划分为3个层次[6](图2)，其中，煤层底板突水脆弱性评价为A层次，作为煤层底板突水评价模型的目标层；B层次作为煤层底板突水可能性的准则层；C层次作为煤层底板突水的决策层。

1.2.2主控因素影响权重

本研究采用AHP法计算了铁新煤矿9#煤层底板各主控因素对突水脆弱性的贡献权重，结果表1。

1.3煤层底板突水脆弱性评价分区1.3.1专题图数据归一化

为有效消除影响铁新煤矿9#煤层底板突水的9个主控因素各自数据之间的不同量纲，需对该9个主控因素的数据进行归一化处理，使不同量纲的数据相对化，便于进行统计分析[7]，归一化公式为

图2　奥灰突水脆弱性评价层次分析结构模型

(1)

式中，Ai为归一化后数据；Xi为归一化前数据，min(xi)、max(xi)分别为各主控因素量化值的最小值和最大值。

在影响铁新煤矿9#煤层底板突水的9个主控因素中，有效隔水层等效厚度、隔水层脆性岩厚度及古风化壳厚度3个主控因素为正相关因素，对于该3个正相关主控因素可直接进行归一化处理；而对于其他6个负相关主控因素，本研究采用(1-Ai)的方式进行归一化，求出负向相关因素的归一化值。

表1　影响煤层底板突水各主控因素权重

1.3.2主控因素归一化专题图绘制

铁新煤矿9#煤层底板突水的9个主控因素的原始数据经统一归一化处理后，便可建立该9个主控因素的归一化属性数据库。归一化属性数据库经GIS处理后，便可绘制出该9个主控因素的归一化专题图。

1.3.3专题图复合叠加

首先，将铁新煤矿9#煤层底板突水的9个主控因素归一化专题图消除量纲；然后，通过GIS配准合成一个新的图形，并附有新的拓扑关系属性表；最后，将9个主控因素归一化专题图通过GIS的叠加功能进行叠加处理，生成一个包含所有相关因素信息的叠加图。

1.3.4脆弱性指数法模型构建

根据脆弱性指数法的脆弱性模型可得出铁新煤矿9#煤层底板突水的脆弱性模型为[8]

Ⅵ=0.196 92 f1+0.098 46 f2+0.223 58 f3+0.074 53 f4+

0.074 53 f5+0.155 71 f6+0.047 15 f7+0.042 86 f8+0.086 26 f9，

(2)

式中，f1,f2,…,f9为各主控因素影响值函数。

1.3.5煤层底板突水脆弱性分区评价

根据所求的脆弱性指数进行铁新煤矿9#煤层底板突水脆弱性分区，首先对脆弱性指数进行统计分析；然后绘制出铁新煤矿9#煤层底板突水脆弱性指数Ⅵ累计统计直方图[9](图3)；最后在该图中找出拐点值作为分区阈值，确定相应的脆弱性分区。

图3　底板突水脆弱性指数频数Ⅵ累计统计直方图

根据分级阈值将研究区域划分为5个区域，Ⅵ∈(0.6，0.79)为脆弱区，属于Ⅰ区；Ⅵ∈(0.48，0.6)为较脆弱区，属于Ⅱ区；Ⅵ∈(0.36，0.48)为过渡区，属于Ⅲ区；Ⅵ∈(0.24，0.36)为较安全区，属于Ⅳ区；Ⅵ∈(0.09，0.24)为相对安全区，属于Ⅴ区。通过对确定阈值和划分区域，得到了铁新煤矿9#煤层底板突水脆弱性评价分区图(图4)。

图4　9#煤层底板突水脆弱性评价分区

1.3.6评价结果

(1)矿区范围内9#煤层底板奥灰突水可能性总体较低，呈EW向过渡态势，矿区西部为相对安全区，矿区东部为较安全区，根据各主控因素的分析，奥灰突水的可能性不大。

(2)T10、T2钻孔附近区域属于过渡区域，在掘进过程中应严格执行“有掘必探，先探后掘”的探放水原则，根据水量和水压的变化情况采取疏水降压和注浆改造的防治水措施。

(3)矿区范围内断层和褶皱分布的区域大部分属于过渡区，有小部分属于较脆弱区，由于该类构造的存在破坏了隔水地层的连续性，当生产中遇到该类构造时，可能会作为导水通道直接或间接地将奥灰水引入工作面造成严重后果。因此，在生产过程中，须确切查明断裂带的走向、倾向、倾角和断距及其沿走向的变化，正确合理地留设防隔水煤(岩)柱。个别巷道须穿越断裂时，则须超前探查和注浆加固，并注意可能发生的“延迟滞后型突水”问题。

2　脆弱性指数评价法与突水系数评价法比较

突水系数计算公式为

(3)

式中，T为突水系数，MPa/m；M为底板隔水层厚度，m；P为底板隔水层承受的水压，MPa。

通过对研究区相关水文地质资料的统计分析，可知9#煤层底板隔水层厚24～37.8 m，水压为0.42～2.02 MPa。根据突水系数评价方法进行计算分析可知，研究区内的突水系数为0.013～0.053 MPa/m。

根据《煤矿防治水规定》，在构造发育地段的临界突水系数值为0.06 MPa/m，在正常地段的临界突水系数值为0.1 MPa/m。由于研究区构造较发育，为安全考虑，取临界突水系数0.06 MPa/m，对研究区9#煤层进行了突水危险性评价分区，结果见图5。由图5可知：研究区9#煤层底板奥灰突水系数值都在0.06 MPa/m以下，全区处于安全区内。

图5　9#煤层底板突水危险性评价分区

图4、图5对比分析结果表明：①突水系数法评价结果仅有安全区，无相应的过渡区，显然与铁新煤矿实际地质情况不符；而脆弱性指数法评价结果较精细，从相对安全区到脆弱区大致分为5个区，与铁新煤矿实际地质情况的拟合性较好；②突水系数法仅考虑了煤层底板隔水层厚度及煤层底板隔水层承受的水压，未考虑断层、褶皱等构造的影响，因此突水系数法的评价结果与脆弱性指数法相比较粗略；③脆弱性指数法顾及了奥灰水压、富水性、煤层底板有效隔水层等效厚度等多种煤层底板突水影响因素，而非仅考虑煤层底板承受的奥灰含水层水压与隔水层厚度，因而评价结果较准确。

3　结　语

以铁新煤矿9#煤层为例，分析了其底板突水的9个主控因素及相应的权重，该类因素共同影响9#煤层底板突水的演变过程。通过构建铁新煤矿9#煤层底板突水脆弱性指数法评价模型，得出了该矿9#煤层底板突水脆弱性评价分区图，并根据各区的特点提出了相应的对策与建议。传统突水系数法、脆弱性指数法的煤层底板突水危险性评价结果表明，后者评价结果更符合该矿实际情况，对于确保该煤层的安全开采有一定的借鉴价值。

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9#Coal Seam Floor Water Bursting Vulnerability Evaluation in Tiexin Coal Mine

Sun Xiaoyu1,2

(1.Institute of Mine Construction, Tiandi Science & Technology Co., Ltd;2. Beijing China Coal Mine Engineering Co., Ltd)

In order to solve the difficult evaluation problems of the coal seam floor water bursting in China,taking the 9#coal seam in Tiexin coal mine as the research example,the vulnerability index evaluation method based on GIS (Geological information system) and AHP (Analytic hierarchy process) method is proposed.Firstly,the nine main controlling factors that affect the coal seam floor water bursting are analyzed,the nine main controlling factors are taken quantitative processing by adopting the data analysis and graph visualization function of GIS to establish the thematic layers;then,the weighted percentage of each main controlling factor is determined by adopting AHP method,the coal seam floor water bursting vulnerability zoning scheme is proposed,the corresponding prevention measures are taken based on the characteristics of each zone;Finally,the coal seam floor water vulnerability evaluation is conducted by adopting the traditional water bursting coefficient method and the vulnerability index method,the results show that the evaluation results of vulnerability index method is more truthful,it has practical significance to safety production of 9#coal seam of Tiexin coal mine.

Coal seam floor water bursting,Main controlling factor,Vulnerability index method,Water bursting coefficient method

2016-05-30)

*天地科技技术创新基金项目(编号：KJ-2014-BJZM-03)

孙晓宇(1985—)，男，助理研究员，硕士，100013 北京市朝阳区和平里青年沟东路5号。