基于GIS保德煤矿8煤层底板突水危险性评价
2021-05-19刘启蒙
周 露 ，刘启蒙
(安徽理工大学地球与环境学院，安徽 淮南 232001)
近年来，随着采掘活动的不断进行，浅部煤炭资源逐渐枯竭，大多数采掘活动转向深部。由于开采深度增加，地质条件更复杂，且煤层距离太原组灰岩或奥陶系灰岩的距离减少导致水压增大，底板突水机率增加，采掘难度增大。以往的突水评价理论已经不能解决这种条件下的底板突水评价问题，因此众多学者提出了多种底板突水评价理论和方法。文献[2]为解决底板突水预测预报的难题，提出了脆弱性指数法；又在此基础上，以开滦东欢坨矿北部采区煤层底板突水为研究对象，应用新提出的基于GIS的AHP型脆弱性指数法，且评价结果与实际拟合很好，效果理想。文献[4]运用基于GIS和AHP耦合理论的脆弱性评价模型对南裕煤矿8煤层底板突水危险性进行评价，且将脆弱性指数法与传统突水系数法进行比较，结果表明脆弱性指数法更为真实可靠；文献[5]针对下组煤开采的底板突水问题，提出了基于AHP-TFN的底板突水危险性预测模型；文献[6]运用基于GIS的AHP型脆弱性指数法对山西李雅庄矿2煤层底板太灰突水问题进行分析评价；文献[7]从理论和实际两方面对比分析了基于GIS的AHP型和ANN型脆弱性指数法在底板突水评价应用中的适用性；文献[8]为提高煤层底板水害评价精度，对比分析了基于GIS的突水系数法和AHP型脆弱性指数法在实际中的应用，结果表明基于GIS的脆弱性指数法更接近实际情况，对煤炭的安全开采更具指导性。
综上所述，研究矿井突水危险性评价有着必要性和急迫性。然而，传统的突水系数法只考虑水压和隔水层厚度两个因素，需要引入更加符合实际的多源信息融合评价机制。而AHP模型则能考虑到多方面的影响因素，因此本文通过建立AHP模型计算得出各影响因素权重，然后得到基于GIS的脆弱性指数模型，对保德煤矿的全区突水危险性进行了评价和区划。研究内容对矿区底板突水预警有着一定的借鉴意义。
1 研究区概况
保德煤矿位于山西省保德县境内，矿区地处黄河东岸、属黄土高原的晋西北边缘，区内属黄河流域水系，朱家川河为区内唯一的季节性河流，从井田中部穿过并汇入黄河。井田内地形切割严重，沟深坡陡，矿区内大面积被新生界地层覆盖，仅在沟谷中出露基岩，区内地层有奥陶系、石炭系、二叠系、新近系及第四系，含煤地层为下二叠统山西组和上石炭统太原组，矿井地质构造简单。
目前正在开采的煤层为二叠系山西组的8煤层，煤厚2.15～10.50m，平均7.36m，为全区开采稳定煤层。纯煤厚1.85～9.01m，平均6.00m；为厚～特厚煤层，以厚煤层为主，煤层结构复杂。煤层直接顶板多为砂质泥岩与泥岩，局部为粗粒砂岩，底板岩性主要以泥岩、砂质泥岩、粉砂岩、细粒砂岩、中粒砂岩、粗粒砂岩和含砾粗砂岩为主。8煤底板至奥陶系灰岩顶界面间距介于93.13～140.52m之间，平均为112.5m。目前开采81307工作面，工作面煤层底板标高低于奥灰水水头标高839m，最大水头压力为1.75MPa，若遇底板隐伏导水构造，则有奥灰水突水危险。
2 AHP模型建立
层次分析法(AHP)通过建立层次结构模型，构造判断矩阵，计算各因素对总目标层的影响权重。根据对突水机理和主控因素关联性的分析，可将底板隔水层阻隔水性能与各主控因素之间的关系划分为三个层次，如图1所示。A层次即为目标层底板隔水层阻隔水性能评价，B层次为中间层将各主控因素划分为3类，C层次为方案层包括7个主控因素。
收集了研究区18组钻孔数据，分别涵盖了上述各项因子的实测与计算数据，如表1所示。
图1 层次结构模型
表1 保德煤矿各钻孔的层次模型指标
通过两两比较主控因素其相对重要性，对照T.L.Saaty创立的1～9标度法进行打分，构建出相邻两层次间的判断矩阵。经过MATLAB编程计算，对判断矩阵进行调整和修改，使其都通过一致性检验，确定出各主控因素的权重(见表2)。
表2 各主控因素对总目标的权重
其中B
(i
=1，2，3)表示各中间层相对于总目标A
的权重；C
(i
=1～9)表示各主控因素相对于中间层B
的权重；W
/表示各主控因素相对于总目标A
的权重。3 GIS空间叠加
地理信息系统(GIS)是利用计算机对空间信息进行处理，将地理环境的各种要素进行数字存储并建立地理数据管理系统。根据AHP模型得出的各主控因素的权重，将其进行归一化处理，用GIS处理归一化数据，得到各主控因素归一化专题图，最后进行复合叠加处理配准合成一个新的图形，并重建拓扑形成新的拓扑关系属性表。
建立煤层底板突水脆弱性指数法评价模型如式(1)所示。
f
(x
,y
)+0.166 9f
(x
,y
)+0.166 9f
(x
,y
)+0.103 7f
(x
,y
)+0.257 3f
(x
,y
)+0.163 6f
(x
,y
)(1)
式中：V
为脆弱性指数，W
为各主控因素权重，f
(x
,y
)表示各主控因素函数，x
,y
表示地理坐标。利用表1的数据，使用ArcGIS进行克里金插值，分别绘制出隔水层厚度、8煤底板深度、8煤厚、奥灰水压、涌水量、沙泥比和C共七组因子图，如图2所示。为了便于计算，对其均进行了标准化处理。
图2 研究区突水危险性评价因子图
根据脆弱性指数频率直方图，运用自然分级法确定分区阈值，对煤层底板突水脆弱性进行分区，得到煤层底板突水脆弱性评价分区图，如图3左图。
4 突水系数计算
根据表1中的奥灰水压和隔水层厚度数据，采用《煤矿防治水细则》中的突水系数计算公式，计算出研究区18个钻孔的突水系数，并利用GIS对该数据进行插值，并绘制突水系数等值线如图3右图。
图3 煤层底板突水脆弱性评价分区及突水系数图
从图3中可以看出，突水系数在矿井的北部，西南部偏高，而在东南部偏低，与突水脆弱性评价的分区较相似。但在矿井的中东部地区，即脆弱性分区的相对安全区，突水系数却偏高，这可能是由于该地区仅有一个钻孔，使得插值不够精确所导致的。
由于传统的突水系数法只考虑到水压和隔水层厚度两个影响因素，计算得出的突水系数往往与实际不符，而AHP则能考虑到影响底板突水的多方面因素。通过建立AHP模型计算得出各影响因素的权重，然后在此基础上得到的基于GIS的脆弱性评价分区图取得了较好的效果，较符合实际情况。
5 结论
(1)确定了7个影响保德煤矿8煤层底板突水的主控因素，通过建立AHP模型计算得出各主控因素权重，其中隔水层厚度、砂泥岩比、水压、单位涌水量所占权重较大，对8煤层底板突水有重要影响。
(2)利用7组因素，基于ArcGIS进行了克里金插值，绘制了七组因素的等值线图，将AHP法的权重与之相结合并进行空间叠加，绘制了煤层底板的突水危险性评价分区。矿井突水系数总体上都小于临界突水系数(0.06MPa/m)，但可能存在垂向构造导致突水。
(3)将脆弱性评价分区图与突水系数图进行对比，结果表明，传统的突水系数法的计算结果往往与实际不符，而脆弱性分区较为合理，更符合实际情况，对矿井安全生产具有一定意义。
