基于多源信息融合底板突水主控因素的定量化评价

张玉军

(1.天地科技股份有限公司 开采设计事业部，北京 100013；2.煤炭科学研究总院 开采研究分院，北京 100013)

基于多源信息融合底板突水主控因素的定量化评价

张玉军1,2

(1.天地科技股份有限公司 开采设计事业部，北京 100013；2.煤炭科学研究总院 开采研究分院，北京 100013)

由于不同矿区地质复杂程度、采矿条件的差异性，从而决定了底板突水主控因素的不同。以蔚州矿区及单侯矿井地质采矿条件为背景，在研究蔚州矿区突水时空特征的前提下，重点分析矿区突水资料与岩溶含水层的分布规律、富水特性的空间位置关系，定性确定蔚州矿区突水的主控因素。并以单侯矿井为例，采用多源信息融合技术定量评价单侯矿井突水主控因素。研究结果表明：蔚州矿区突水的主控因素为岩溶发育程度、隔水层厚度及其岩性组合、含水层的水压及富水性、断层的规模。而对于单侯矿井，在底板突水众多影响因素中，地质构造占主导因素，其次为隔水层厚度、含水层水压和含水层富水性。

多源信息融合；底板突水；主控因素；定量化评价

随着煤矿开采深度和强度的增加，底板奥灰水压和开采扰动越来越大，致使突水水害日趋严重。多年来，国内外煤矿科技工作者对底板突水作了大量的研究工作，提出了多种突水判据和理论，如斯列萨辽夫公式、突水系数法及“下三带”理论等[1-2]。伴随着计算机和非线性理论的发展，众多学者相应提出了突水概率指数法、底板突水泛决策理论、神经网络法、地理信息系统、主控指标体系、脆弱性指数等理论方法[3-14]。这些理论在不同时期不同程度上为防治煤矿底板突水起到积极的指导作用，并在对底板大量突水案例分析研究的基础上，总结得出含水层的富水性、水压力以及底板隔水层阻水能力、地质构造、采动矿山压力是影响底板突水的主要因素。然而由于不同矿区地质、水文地质以及采矿条件的差异，使得上述预测理论考虑的因素不够全面，未能深刻揭示各种影响因素与突水之间的关系。众所周知，底板突水影响因素的权重决定了突水的类型，是底板突水预测与防治水技术措施制定的主要依据。但是突水因素并非同时作用于每一个突水点，尤其对于不同的矿区，由于地质复杂程度、采矿条件的差异性，从而决定了突水主控因素的不同。我国煤矿水文地质条件复杂，矿井底板突水威胁严重。但由于底板突水影响因素多，机理复杂，各因素间关联耦合，导致各影响因素的影响程度不同[15 ]。

本文以蔚州矿区及单侯矿井地质采矿条件为背景，重点分析矿区突水资料与岩溶含水层的分布规律、富水特性的空间位置关系，在研究蔚州矿区突水时空特征的前提下，定性确定蔚州矿区突水的主控因素。并以单侯矿井为例，采用多源信息融合技术定量评价单侯矿井突水主控因素。

1 研究区概况

蔚州矿区位于蔚县盆地中南部，四周被不同时代的大断裂所围割。其中南为壶流河断层，东为松枝口—右所堡断层，北为阳原南山断层，西界为暖泉—大湾断层。

蔚州矿区有生产矿井6对、基建矿井1对、后续矿井2对。蔚州矿区矿井分布如图1所示。地层由老至新依次为古生界寒武系，奥陶系；中生界侏罗系；新生界第三系；第四系。主采煤层自下而上为1，5和6号煤。主要含水层为寒武系石灰岩含水层，奥陶系下统石灰岩含水层，侏罗系砂岩含水层，中侏罗统砂砾岩含水层，第四系压含水层。其中奥灰含水层是下部煤层开采底板充水的直接含水层，水头压力高，富水性中等～强。在1，5，6号煤与基底奥陶系灰岩之间，发育有隔水的鲕状泥岩、粉砂岩，隔水层遍及全井田，该层的厚度随古地形的起伏各异，有效隔水层厚度较薄。其中1号煤距奥灰顶界面平均厚度7m；5号煤距奥灰顶界面平均厚度40m；6号煤距奥灰顶界面平均厚度为65m。

单侯煤矿位于蔚县矿区的中部南段，矿区的南、东、西三面都有断层隔水，北部寒武系地层的泥岩、泥灰岩为自然隔水边界。隶属于开滦(集团)蔚州矿业有限责任公司，矿井地质储量312.83Mt，可采储量148.05Mt，设计生产能力1.5Mt/a。矿井采用立井单水平开拓，开采水平为+650m，主采煤层自上而下依次为6煤、5煤、1煤，综合机械化采煤方法。

图1 蔚州矿区及单侯矿井分布

2 蔚州矿区底板突水主控因素定性分析

2.1 蔚州矿区突水时空特征

蔚州矿区自建井以来，先后多次发生突水灾害，玉峰山井曾发生11次突水灾害，最大涌水量600m3/h，最小涌水量为30m3/h，造成矿井2次淹井；南留庄井1995年至2009年12月先后共发生10次突水，最大突水量300m3/h，最小仅为4.5m3/h。崔家寨矿井在矿井东翼轨道大巷揭露奥陶系下统灰岩含水层356m时，最大出水量60m3/h；在E11612工作面南部靠近F106断层附近顶底板裂隙出水，经分析为奥陶系下统灰岩水，出水量达到100m3/h以上。单侯矿井2006年6月1日西翼胶带巷施工过程中遇小断层裂缝带底板灰岩出水，达194m3/h，2007年3月3日东轨道巷突水，水量最大达到1600m3/h。统计结果如表1所示。

通过对蔚州矿区各矿井多次奥灰突水的位置、水源、突水量之间的关系研究，得到蔚州矿区底板突水时空特征：

(1)在空间位置上突水灾害位置主要与断裂构造的展布有关。

(2)突水点位置处底板隔水层厚度均小于10m，突水系数均大于0.15MPa/m(个别遇小断层突水除外)。

(3)突水地段含水层水压力与突水水量成正比。

(4)突水地段与底板的奥陶系下统灰岩岩溶发育程度密切相关，突水点在平面上的分布与岩溶发育规律相一致。

表1 蔚州矿区底板奥灰突水分析

2.2 蔚州矿区底板突水主控因素定性分析

通过对蔚州矿区突水规律和突水时空特征分析，研究得出岩溶发育程度、隔水层厚度及其岩性组合、含水层的水压及富水性、断层的规模与密度是该矿区底板突水的主控因素。

2.2.1 断裂构造对底板突水的控制

(1)断层提供了底板突水的通道。矿区内多为张性正断层，虽然胶结和充填情况较好，但大多断层具有一定导水性，在高水头压力以及采动活化影响下，断层就有可能成为导水通道。

(2)断层的存在使得煤层与含水层之间的岩层厚度减少，甚至造成煤层与含水层直接对接，从而增加了底板突水的风险。

(3)断层破碎带降低了底板隔水层的强度。

2.2.2 岩溶发育程度对底板突水的控制

奥灰岩含水层的富水性受其岩溶发育程度的控制，突水点在平面上的分布与岩溶发育规律相一致，岩溶发育程度是煤层底板突水量大小的物质基础，一般情况下奥灰含水层厚度大，岩溶发育，富水性强，但其富水性无论是在剖面上还是平面上都是不均一的，不同地带的岩溶发育程度不同，造成突水水量差异也较大。

2.2.3 奥灰含水层水头压力对底板突水的控制

奥灰含水层水压力是底板突水的动力条件。主要表现为静水压力和动水压力作用。静水压力作用主要表现在对底板隔水层的降强、劈裂、导升、溶蚀等方面，突水量与静水压力成正比。静水压力与矿山压力共同作用，使得煤层底板岩层变形、底鼓和破坏，原生裂隙扩大或产生新的破坏裂隙，承压水延裂隙向上导升。由于蔚州矿区内岩溶为古岩溶，群孔抽水试验表明，本区地下水径流缓慢，煤层开采时，底板奥陶系下统灰岩水突入矿井以静水压力为主，动水压力为辅。

2.2.4 底板隔水层厚度对底板突水的控制

在带压开采情况下，底板隔水层起着阻隔奥灰承压水的作用，而岩性及其组合形式的不同使其阻水能力是不同的。已有成果表明，软硬软组合岩层的阻水效果较好。隔水层厚度是控制本区发生底板突水的主要因素之一。根据矿区内玉峰山井、南留庄井采煤经验，正常情况下黏土岩隔水层每米可抵抗0.134MPa 静水压力，在导水断层破碎带处，突水量与隔水层厚度成负相关，即隔水层厚度越大，突水量相对减少。

3 底板突水主控因素的定量化评价

所谓多源信息融合，就是把多个相关因素的信息层复合成一个信息层，然后通过建立数学模型，对各个因素的有关数据进行运算和分析。但是，由于各个影响因素之间的单位和量级的差异，无法进行直接评价。为了比较的一致性，必须对采集的数据进行无量纲化处理[16]。在上述研究确定蔚州矿区底板突水主控因素的基础上，基于单侯矿井5号煤层开采水文地质资料及底板突水影响因素，采用多源信息融合和无量纲处理方法，对各影响因素的程度进行定量化评价，从而为正确评价底板突水危险性提供有力依据[17-18 ]。

3.1 数据的标准化处理

3.1.1 数据标准化处理方法

数据标准化方法目前主要有直线型方法(如极值法、标准差法)、折线型方法(如三折线法)、曲线型方法(如半正态性分布)[18]。本次采用极差标准化法，即将各数据统一在[0,1]之间。极差标准化公式为:

(1)

3.1.2 单侯矿井底板突水影响因素标准化处理

根据上述确定的蔚州矿区底板突水的主控因素，在这里主要考虑奥灰含水层水压力、隔水层厚度、奥灰含水层的富水性和断层构造4个影响因素。利用公式(1)分别对奥灰水水头压力、隔水层厚度和奥灰含水层富水性各影响因素数据进行标准化处理，然后分别作出各因素等值线图。如图2所示是隔水层厚度标准化处理后等值线图。奥灰水水头压力和奥灰含水层富水性标准化处理方法与隔水层厚度相同。而对于断层的定量评价，构造指数法将构造评价从定性引向定量[19-20]，主要是采用等性单元为单位，借用数学方法统计计算各单元的评价指标，最终对矿井构造复杂程度进行量化分级评价。由于断裂构造具有尺度不变性和自相似特点,而分形理论能够反映地质构造中的非线性规律，因此用分形中的分维值表征构造复杂性具有其他指标不能替代的优势[21]。在断层分维值的确定方法中网格覆盖法可以测定断层系的分维值。因此,在这里采用网格覆盖法求出断层网络的分维值作为断层网络复杂程度的指标。

图2 隔水层厚度标准化后等值线

具体步骤为：首先将单侯矿区按经纬网格划分为400mm×400mm(即400m×400m)的块段,共9个。在每个块段内,对矿区内落差H>10m 的断层进行统计,得到r=400mm，200mm，100mm时的N(r)值,将其投放到lgN(r)-lgr坐标系中,得一拟合直线。用最小二乘法解算拟合直线的斜率,其绝对值(式2)即为所求块段的相似维，计算过程如图3所示。把块段的分维值赋给该块段的中心点，然后再对数据按照公式(1)进行标准化处理,便得出断层标准化后的等值线图。

(2)

3.2 单侯矿井底板突水影响因素定量评价

(1)采用突水系数对单侯矿进行突水危险性分区，绘制出矿区5煤开采奥灰突水系数等值线图,并进行危险性分区评价，如图4所示。评价标准为: 安全区:Ts<0.06MPa；较危险区:0.06MPa0.1MPa。

(2)将Ts>0.1MPa的危险区面积与各影响因素等值线图进行信息融合处理，分别得到危险区与各影响因素信息融合图,这里主要以危险区与隔水层厚度和水压力信息融合图为例，如图5和图6所示。

(3)利用公式(3)计算各比重图影响因子:

(3)

图3 分维值计算

图4 单侯矿5煤开采危险性分区

图5 危险区与含水层水压信息融合

图6 危险区与隔水层厚度信息融合

式中，F为影响因子；Ki为等值线权值；Si为等值线分面积。

F隔水层厚度=0.1×1773025+0.2×1403618+0.3×257565+0.4×59806=55925.1

同理，可以得到

F含水层水压=520472

F含水层富水性=369737.1

F断层=607605.2

从以上评价结果来看，F断层>F隔水层厚度>F含水层水压>F含水层富水性。由此可以得到，在蔚州矿区单侯矿井底板突水众多影响因素中，地质构造占主导因素，其次为隔水层厚度、含水层水压和含水层富水性。表2所示为影响因子面积计算结果。

4 结 语

主要结论有以下几个方面：

表2 影响因子面积计算

(1)研究得出蔚州矿区突水的时空特征：在空间位置上突水灾害位置主要与断裂构造的展布有关；突水点处隔水层厚度均小于10m，突水系数均大于0.15；突水地段含水层压力与突水量成正比；突水点位置与奥灰岩溶发育程度密切相关，突水点在平面上的分布与岩溶发育规律相一致。

(2)定性评价了蔚州矿区突水的主控因素，即岩溶发育程度、隔水层厚度及其岩性组合、含水层的水压及富水性、断层的规模。

(3)采用多源信息融合法对蔚州矿区单侯矿井突水影响因素进行了定量化评价，研究结果表明在底板突水众多影响因素中，地质构造占主导因素，其次为隔水层厚度、含水层水压和含水层富水性。

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[责任编辑：邹正立]

Quantitative Evaluation of Main Control Factors of Floor Water Inrush Based on Multi-information Fusion

ZHANG Yu-jun1，2

(1.Coal Mining & Designing Department，Tiandi Science & Technology Co.，Ltd.，Beijing 100013，China;2.Mining Institute，China Coal Research Institute，Beijing 100013，China)

Different main control factors of floor water inrush were depended by different geological situation and different mining situation of different mining area.The paper takes geological mining situation of Yuzhou mining area and Danhou mine as background，the space position relationship between mining area water inrush material，karst aquifer distribution and water abundance properties was analyzed based on temporal and spatial characteristics of water inrush of Yuzhou mining area，then the main control factors of water inrush of Yuzhou mining area were determined by qualitative.It takes Danhou mine as an example，the main control factors of water inrush of Danhou mine were evaluated quantitative by multiply information fusion technology.The results showed that the main control factors of water inrush of Yuzhou mining area were karst development degree，aquiclude thickness，rock properties，water pressure of aquifer，water yield property，fault and so on.To many influence factors of floor water inrush of Danhou mine，geological structure was the main factors，the others were aquiclude thickness，water pressure of aquifer and water yield property.

multiply information fusion，floor water inrush，main control factors，quantitative evaluation

2016-08-26

10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2017.02.022

国家科技重大专项大型油气田开发项目(2016ZX05045007-003)；中国煤炭科工集团科技创新基金面上项目(2016MS011)

张玉军(1978-)，男，河北张家口人，博士，副研究员，主要从事水体下采煤及矿井水害防治技术。

张玉军.基于多源信息融合底板突水主控因素的定量化评价[J].煤矿开采，2017，22(2)：87-92.

TD745

A

1006-6225(2017)02-0087-06