基于“富水性指数法”的煤层顶板含水层涌水危险性评价

黄 欢，朱宏军

（1.中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西 西安710077；2.陕西省煤矿水害防治技术重点实验室，陕西 西安 710077）

煤矿开采过程中，由于煤层采动破坏了工作面围岩原始应力状态，围岩发生变形乃至破坏，当导水断裂带发育至上部含水层时，致使含水层水涌入工作面，引发突水事故[1-3]。当前顶板水防治主要是采用超前预疏放的方法对顶板充水含水层进行疏水降压，以达到工作面涌水量“削峰平谷”的目的[4-5]。因此，需分析顶板含水层富水性影响因素，进而对顶板含水层富水性进行分区研究，评价含水层涌水量危险性，以加强疏放顶板含水层水的针对性。

顶板含水层富水性影响因素主要有含水层厚度、岩心采取率、脆塑性岩厚度比、渗透系数等，研究在定性分析杭锦旗塔然高勒矿井3 煤顶板侏罗系中统-中下统含水层富水性影响因素的基础上采用层次分析法赋予权重，利用富水性指数法耦合影响因素及其权重，建立顶板含水层涌水危险性评价模型，指导矿井顶板水防治工程。

1 AHP 型富水性指数法原理

1.1 层次分析法

合理选择评价指标，按照层次分析法（AHP）分级标准，对各个评价指标进行排序，用成对比较法和“9 标度”法构造判断矩阵，计算每一个判断矩阵的最大特征根及对应特征向量，利用一致性指标、随机一致性指标和一致性比率做一致性检验。若检验通过，特征向量（归一化后）即为权向量；否则，需重新构造判断矩阵[6]。

1.2 富水性指数法

为了消除顶板含水层富水性影响因素不同量纲数据对评价结果的影响，首先对数据归一化处理，使数据具有可比性、有统计意义，便于系统分析。运用GIS 处理归一化数据，作出各因素归一化专题图，建立煤层顶板含水层涌水危险性模型，实际上就是建立表明各影响因素作用的数学模型，这个模型所得出的计算值能反映出矿井某区域煤层顶板涌水的危险程度。利用富水性指数法对煤层顶板含水层涌水危险性进行评价，其定义为矿井某区域的某一栅格位置上的各种影响因素对其产生的叠加影响总和。

式中：WI 为富水性指数；Wk为影响因素权重；（x，y）为地理坐标；n 为影响因素数量；fk（x，y）为单因素影响值函数，在煤层顶板含水层涌水危险性评价中为第k 个影响因素归一化后的值。

以此模型计算出富水性指数，对煤层顶板含水层涌水危险性进行分级。

2 研究区水文地质条件

塔然高勒煤矿位于东胜煤田塔然高勒矿区中北部，目前矿井主采3 煤，煤层位于延安组第二岩段（J1-2y2）顶部，全区发育且基本全区可采，煤层自然厚度0.21～6.5 m。3 煤上覆主要有白垩系下统志丹群（K1zh）裂隙孔隙潜水～承压含水层、侏罗系中统直罗组-中下统延安组（J2z～J1-2y）裂隙孔隙承压含水层，3煤层上覆含隔水层空间位置关系如图1。侏罗系中统直罗组-中下统延安组（J2z～J1-2y）（J1-2y）岩性主要为浅灰色、灰白色中粗粒砂岩、灰色、深灰色砂质泥岩，次为细粒砂岩、粉砂岩等。由于白垩系下统志丹群含水层距离3 煤约300 m，且存在侏罗系中统顶部安定组（J2a）隔水层，因而与下伏侏罗系中统直罗组-中下统延安组（J2z～J1-2y）含水层不存在水力联系。3 煤开采主要受上覆侏罗系中统-中下统延安组（J2z～J1-2y）裂隙孔隙承压含水层影响。

图1 3 煤上覆含隔水层空间位置关系示意图Fig.1 Schematic diagram of the spatial relation of aquifer or impermeable strata overlying 3# coal seam

井田内共有23 个钻孔针对侏罗系中统-中下统含水层进行了抽水试验，单位涌水量0.005 8～0.232 0 L/(s·m)，富水性弱到中等，向井田西北部及东南部单位涌水量逐渐变小。渗透系数约0.010 7～0.232 m/d，渗透性弱到中等。含水层的厚度为64.8～259.2 mm，厚度较大，分布较为稳定。该含水层地下水位埋深为151.28～231.61 m，水位标高为+1 282.00～+1 322.00 m，水化学类型主要为 Cl·SO4-Na 型水。

3 顶板含水层富水性分区评价

由于侏罗系中统安定组隔水层的存在，使得3煤开采导水断裂仅沟通上覆侏罗系中统-中下统延安组裂隙孔隙承压含水层，3 煤开采顶板含水层涌水危险性仅考虑侏罗系中统-中下统延安组裂隙孔隙承压含水层。

3.1 含水层富水性影响因素

根据对矿井地质、水文地质条件分析，井田范围三维地震勘探及井下实际揭露显示该区域构造基本不发育，故此处不考虑构造影响因素。含水层富水性主要影响因素有含水层厚度、岩心采取率、脆塑性岩厚度比、渗透系数，各因素不同程度的影响着含水层富水性，富水性越好，含水层涌水危险性越大[7]。

1）含水层厚度。含水层富水性与其厚度成正相关，含水层厚度越大，富水性越好。以中砂岩、粗砂岩、粗砾岩、砂砾岩、砾岩的厚度作为含水层厚度。

2）岩心采取率。开启性裂隙是与地表或含水体相连通的裂隙或是不同裂隙组合交切形成的断裂带。一般以岩心采取率来反映岩体完整的指标和岩体裂隙交切程度的指标，岩心采取率指含水层岩心长度与含水层厚度比值。

3）脆塑性岩厚度比。岩层中灰岩类、砂岩类、砾岩类常被划分为脆性岩，其他泥岩类、页岩类被划分为塑性岩。脆性岩受力后以剪破坏和张破坏为主要破裂形式释放应力，使得岩层内裂隙、节理较为发育，渗透能力增强；塑性岩在受力后以塑性变形形式释放应力，岩层渗透性能变化不大。因此，用脆塑性岩厚度比作为判断含水层渗透性能的指标。一般情况下，脆性岩占比越大，渗透性能越好。

4）渗透系数。渗透系数是表征岩层透水性的参数，其值取决于岩石与流体的性质。

3.2 含水层富水性影响因素专题图

根据矿井地质、水文地质资料的分析，利用区内钻孔资料统计侏罗系中统～中下统含水层厚度、岩心采取率、脆塑岩厚度比、渗透系数等数据（表1）。矿井侏罗系中统～中下统延安组裂隙孔隙承压含水层厚度为 64.8～259.2 m，渗透系数 K=0.010 7～0.232 m/d，岩心采取率整体较高。对含水层涌水影响因素数据进行归一化处理，建立各单因素属性数据库。运用GIS 处理归一化数据，作出各单因素归一化专题图，含水层厚度归一化专题图如图2。

表1 3 煤顶板侏罗系中统～中下统含水层相关参数统计表Table 1 The statistical table of middle-lower Jurassic aquifer

3.3 AHP 确定影响因素权重

根据对反映含水层富水性各多源地学信息的分析，将其划分为3 个层次。侏罗系中统～中下统含水层富水性评价作为AHP 模型的目标层（A 层次）；含水层、岩性场和水力场等反映了含水层富水性，即模型的准则层（B 层次）；准则层下各个具体子因素构成AHP 模型的决策层（C 层次）。含水层富水性评价层次分析结构模型如图3。

图2 含水层厚度归一化专题图Fig.2 The normalized thematic map of aquifer thickness

图3 含水层富水性评价层次分析结构模型示意图Fig.3 The AHP structure model of water yield property

根据对反映含水层富水性的多元信息的分析，在咨询专家意见的基础上依照9 标度法，对每个因素影响程度进行相对重要性评价，给出每个信息的量化分值，构建3 煤顶板充水含水层富水性AHP 评价判断矩阵，根据判断矩阵计算出各层单排序权重，最终得出影响因素总排序权重[8-10]（表2）。

表2 含水层富水性影响因素权重统计表Table 2 The statistical table of weights of influence factors

3.4 构建含水层富水性评价模型

应用GIS 空间信息处理和分析功能，将影响含水层富水性的各因素及其权重耦合。引入富水性指数建立 3 煤顶板侏罗系中统～中下统含水层富水性评价模型[11-14]：

借助GIS 强大的空间数据分析功能计算各信息专题图叠加后各单元富水性指数值的大小，各单元富水性指数值的大小标识了该单元内充水含水层富水程度，富水性指数值在0～1 之间，值越大说明富水性越好。将富水性指数相同或其值在某一区间的单元归并即可划出充水含水层富水程度不同的区域。根据对富水性指数的研究，采用GIS 软件自然间断点分级法对单元格富水性指数频数分布折线图进行研究，确定 3 煤顶板侏罗系中统～中下统含水层富水性评价分区阈值为 0.29、0.37、0.44、0.52，得到的含水层富水性分区图如图4。

图4 侏罗系中统～中下统含水层富水性分区图Fig.4 The water enrichment divisions of middle-lower Jurassic aquifer

3.5 含水层富水性分区校正

以上含水层富水性分区是根据层次分析计算的权重综合得出的，为使分区更加精确以抽水试验单位涌水量为标准对结果进行检验，如结果不够理想，则修改各影响因素权重，直至分区结果与实际情况相符程度满足生产要求为止。

经过校正后的含水层富水性分区图如图5。由图5 可以看出，侏罗系中统～中下统含水层在东南部及北部富水性较强，北部首采工作面北部及西南部局部富水较弱，其余地区为富水性中等区。

4 顶板含水层涌水危险性评价

由于开采3 煤形成的导水断裂带全部导通了侏罗系中统～中下统含水层，因此，侏罗系中统～中下统含水层涌水危险性完全取决于其富水性的分布情况。根据前述“富水性指数法”获得矿井3 煤顶板含水层涌水危险性分区。校正之后的富水性分区评价结果，确定突水危险性分区阈值为0.29、0.37、0.45、0.53，以此将矿井3 煤顶板侏罗系中统～中下统含水层涌水危险性划分为5 个等级。3 煤顶板含水层涌水危险性分区图如图6。

图5 侏罗系中统～中下统含水层富水性分区校正图Fig.5 The correction of water enrichment divisions of middle-lower Jurassic aquifer

图6 3 煤顶板含水层涌水危险性分区图Fig.6 The risk zoning of roof water inrush

从图6 可知，总体上矿井侏罗系中统～中下统含水层涌水危险性由东南向西北逐渐降低，东南部涌水危险性较高，西南部及北部局部地区涌水危险性较低。首采工作面顶板侏罗系中统～中下统含水层涌水危险性具有分区性，北部整体涌水危险性较弱，南部危险性有增强的趋势。

5 结 论

1）利用单位涌水量数据修正含水层富水性分区，克服了专家打分基础上依照9 标度法赋予权重的人为误差，使得含水层富水性分区更加贴近实际。

2）基于层次分析基础上的富水性指数法，将矿井3 煤顶板侏罗系中统～中下统含水层涌水危险性分为5 个等级。矿井3 煤顶板含水层涌水危险性由东南向西北逐渐降低，其中首采工作面含水层涌水危险性具有分区性，北部整体涌水危险性较弱，南部危险性有增强的趋势。