孙疃矿104采区10煤底板突水危险性评价

方翔宇，姚多喜，鲁海峰

（安徽理工大学地球与环境学院， 安徽淮南232001）

孙疃矿104采区10煤底板突水危险性评价

方翔宇，姚多喜，鲁海峰

（安徽理工大学地球与环境学院， 安徽淮南232001）

为评价孙疃煤矿104采区10煤底板的突水危险性，首先分析了研究区的地质概况，选取了影响突水的七个因素，用GIS做出了各影响因素的专题图；接着构建AHP判断矩阵，利用MATLAB计算各影响因素的权重，将各影响因素数据归一化并建立归一化专题图，得出突水危险性评价数学模型；最后利用GIS的空间分析功能将各专题图进行叠加，形成综合评价分区图，得出10煤底板突水危险性的脆弱性分区结果。

突水； 脆弱性指数法； GIS； 空间分析

1 引言

高承压灰岩水上采煤底板突水一直是我国煤炭开采需要预防以及解决的重要安全问题之一。随着开采深度的增加，这一问题也变得越来越严重，尤其是地质构造条件较差地区影响更为突出。目前评价底板突水危险性的主要方法为突水系数法，但该法只考虑了含水层水压以及隔水层厚度两个影响因素，而“脆弱性指数法”综合考虑了影响矿井突水的多个因素，并对每一个影响因素计算出权重，本文利用该法对孙疃矿104采区10煤底板突水危险性进行评价。

2 研究区概况

104采区位于孙疃煤矿北部，采区南部以F5断层为边界与102采区相邻，采区东部至10煤-800 m水平，北部与杨柳煤矿相邻，西至煤层露头。采区为一走向北北东，向南东倾斜的单斜构造，倾角10-20°，主采10煤层，煤层下伏50-70 m为石炭系太原组灰岩含水层，据邻近长观孔水位显示，含水层水位20.78 m，水压较大，当开采10煤层时，存在着突水的危险性。

3 采区10煤底板突水主控因素分析及专题图建立

3.1 脆弱性指数法简介

可确定底板突水多种主控因素权重系数的信息融合与具有强大空间信息分析处理功能的GIS耦合于一体的煤层底板水害评价方法称为脆弱性指数法。地理信息系统（GIS）强大的空间信息处理和分析功能可以处理影响因素多、条件不精确、信息量巨大的空间信息。另外，利用GIS的空间复合叠加功能对输出进行处理，以可视化地图的形式给出煤层底板突水脆弱性的空间分布结果。

3.2 采区各主控因素专题图

根据本采区地质及水文地质条件并结合前人研究成果，本文选取隔水层厚度、隔水层脆塑性岩厚度比、太灰含水层水压、太灰水富水性、断层密度、断层端点与交点密度以及断层规模7个因素作为10煤底板突水的主控因素。

隔水层厚度。10煤底板隔水层可以有效地防止太灰水涌入矿井，统计隔水层等效厚度并建立隔水层等效厚度专题图如图1（a）所示。

隔水层脆塑性岩厚度比。隔水层不同岩性的隔水能力也不同。脆性岩主要指砂岩以及灰岩，隔水性能相对较好，而塑性岩主要是指泥岩以及页岩，隔水性能相对较差。通过统计隔水层段脆性岩总厚度以及塑性岩总厚度，并且计算脆塑性岩厚度比，建立隔水层脆塑性岩厚度比专题图如图1（b）所示。

充水含水层水压。煤层底板突水的本质是充水含水层水压足够高，突破隔水层并对矿井进行充水。所以太原组灰岩水压是10煤底板突水的一个重要影响因素。图1（c）反映了太原组灰岩水压的分布情况，从图可以看出采取内由西北向东南水压逐渐升高。

充水含水层富水性。灰岩水的富水性对10煤底板突水有着重要的控制作用，富水性越好对10煤底板构成的威胁越大。本文选取钻孔单位涌水量作为灰岩含水层富水性指标，并建立单位涌水量专题图如图1（d）所示。

断层密度。构造复杂程度对10煤突水有着重要影响。断层密度越大，隔水层被破坏的程度越大，并且断层还可以作为导水通道，增加了灰岩水突水的可能性。本文以500 m×500 m为大小建立单位网格，统计每个网格内的断层条数，并且以网格中心点为坐标，绘制断层密度专题图如图1（e）所示。

断层交点和端点密度。在断层交点与端点处，应力较为集中，岩层破碎程度较大，裂隙十分发育，成为较好的导水通道。因此建立与断层密度一样的单位网格，统计网格内断层交点与端点的数量，并以每个网格中心点为坐标，建立断层交点和端点密度专题图如图1（f）所示。

断层规模。断层规模越大断距越大，隔水层被切割破坏的程度就越大，阻水性能也就越差。并且较大规模的断层有可能直接切穿隔水层，使10煤底板和灰岩水直接产生水力联系。统计每个单位网格内所有断层的断距和，并且建立断层规模专题图如图1（g）所示。

图1 底板突水主控因素专题图

4 脆弱性指数法评价10煤底板突水危险性

4.1 构建AHP判断矩阵并计算各因素权重

深入分析各个影响因素，将影响因素自上而下分层，上层因素受下层因素的影响，而每一层因素具有相互独立性，由此建立层次分析结构模型如图2所示。结合实际情况，采用“专家打分法”，即征询现场专家意见，各科研院所意见以及生产经验，将每一层下相互独立的因素两两进行比较，采用T·L·SAATY创立的1-9标度方法，在目标层（A）下，构建准则层Bj的判断矩阵以及指标层Cj的判断矩阵。

计算以上各矩阵控制因素的权重，并得出各指标Cj对总目标A的权重：隔水层厚度为0.247 5，隔水层脆塑性岩厚度比为0.082 5，灰岩含水层水压为0.274 7，灰岩层单位涌水量为0.135 3，断层密度为0.085 8，断层交点和端点密度为0.067 5，断层规模为0.106 6，以上计算均通过一致性检验。

图2 层次分析结构模型

4.2 数据归一化与影响因素专题图建立

由于不同影响因素的数据量纲不同，因此有必要对每个影响因素的数据进行归一化处理，归一化处理的方法公式为Ai=（Xi-min（Xi）/（max（Xi）-min（Xi））。其中Ai为归一化处理后的数据，Xi为归一化处理前的数据，max（Xi）与min（Xi）分别为归一化处理前每个主控因素的最大值与最小值。在归一化处理过程中还需要考虑各个影响因素与主目标之间的相关性，本文中只有隔水层等效厚度与隔水层脆塑性岩厚度比与底板突水呈负相关，即主控因素的量化值越大，越不容易突水，其余五个主控因素与底板突水均呈正相关。处理负相关的方法为将（1-Ai）后的数据作为该影响因素归一化后的值。数据经过归一化处理后利用GIS进行各因素归一化后专题图的建立。

4.3 脆弱性指数法模型建立与危险性评价分区

利用AHP层次分析法得出各个影响因素的权重，并且建立了各影响因素专题图，利用GIS强大的空间处理功能将各影响因素专题图进行叠加，得出脆弱性指数法评价模型，即 ，其中I为脆弱性指数，Wk为各影响因素相对于总目标的权重，fk（x，y）为各影响因素归一化后的数值，（x，y）为地理坐标，将公式展开即为I=0.247 5f1（x，y）+0.082 5f2（x，y）+0.274 7f3（x，y）+0.135 3f4（x，y）+0.085 8f5（x，y）+0.067 5f6（x，y）+0.106 6f7（x，y）。根据以上模型计算得出每一区域脆弱性指数后，再利用频率分布直方图统计脆弱性指数的分布特征，从而将10煤底板突水脆弱性分为5个区，如图3所示，即I≥0.55为底板突水危险区，0.51≤I<0.55为底板突水较危险区，0.41≤I<0.51为底板突水过渡区，0.31≤I<0.41为底板突水较安全区，I<0.31为底板突水安全区。由图中不难看出煤层底板突水安全区与较安全区主要分布在采区西南部，而煤层底板突水较危险区以及危险区主要分布在采区的东部，主要原因是采区东部太原组灰岩水压较大，而10煤底板与太原组灰岩之间隔水层主要由塑性岩组成，隔水性能较差，并且在104采区东部断层较为发育，断裂构造较为复杂，采区东部为10煤底板突水较危险区与危险区。

5 结论

选取隔水层厚度、隔水层脆塑性岩厚度比、太灰含水层水压、太灰水富水性、断层密度、断层端点与交点密度以及断层规模7个因素作为10煤底板突水危险性评价指标。并对各个主控因素进行了数据归一化的处理，应用层次分析法以及成功构建判断矩阵，得出各个影响因素对目标层的影响权重。

图3 煤层底板突水脆弱性分区

利用GIS强大的数据处理以及空间分析功能将各个专题图进行叠加，得出了10煤底板突水脆弱性综合评价分区图，依据不同的阀值将10煤底板突水划分为5个区。

依据脆弱性指数法判别结果，煤层底板突水安全区与较安全区主要分布在采区西南部，而煤层底板突水较危险区以及危险区主要分布在采区的东部，主要原因是采区东部太原组灰岩水压较大，而10煤底板与太原组灰岩之间隔水层主要由塑性岩组成，隔水性能较差，并且在104采区东部断层较为发育，断裂构造较为复杂，采区东部为10煤底板突水较危险区与危险区。

[1] 傅贵,杨春.煤矿水灾事故责任者研究[J].煤炭技术,2015,34（8）:324-326.

[2] 武强,张志龙,张生元,等.煤层底板突水评价的新型实用方法II—脆弱性指数法[J].煤炭学报,2007,32（11）:1121-1126.

[3] 武强,杨柳,朱文武,等.脆弱性指数法在赵各庄矿底板突水评价中的应用[J].中国煤炭地质,2009,21（6）:40-45.

[4] 徐星,孙文标.层次分析法在煤矿突水评价风险评价中的应用[J].煤炭技术,2016,35（06）:143-144.

[5] 陈智,朱文武,李本召,等.脆弱性指数法在百色煤矿突水危险性评价中的应用[J].山东国土资源,2012,28（11）21-26.

[6] 罗成.GIS的AHP型脆弱性指数法在李雅庄矿底板突水评价中的应用[J].煤田地质与勘探,2012,40（5）:47-50.

2016-11-22

国家自然科学基金项目（项目编号：51474008）； 安徽省自然科学基金项目（项目编号：1508085QE89）

方翔宇（1992-），安徽芜湖人，在读硕士，研究方向为水文地质及工程地质。

TD745

B

1671-4733（2017）01-0004-03

10.3969/j.issn.1671-4733.2017.01.002