大同煤田(北区)煤层底板独立岩溶水系统突水脆弱性评价研究

李 冲，杨文凯，杨 斌，董远卓，杨 亮

(1.中国煤炭地质总局水文地质局，河北 邯郸 056004；2.中国矿业大学(北京) 机电与信息工程学院，北京 100083；3.中国煤炭地质总局 第三水文地质队，河北 邯郸 056004；4.中国矿业大学(北京) 地球科学与测绘工程学院，北京 100083)

华北型煤田是我国重要产煤区，煤炭资源储量丰富，其煤系地层及基底分布的石炭纪和奥陶纪灰岩岩溶含水层裂隙发育，富水性强，水头高，底板岩溶突水事故时有发生[1-7]。大同煤田位于山西省北部，煤炭资源丰富，为全国八大煤炭生产基地之一。该煤田(北区)开采历史悠久，上部侏罗系煤田已近枯竭，目前各矿井已经逐步由侏罗系煤田向石炭-二叠系煤田延深。该区石炭系煤层以巨厚的寒武-奥陶系碳酸盐岩为基底，寒武-奥陶系岩溶裂隙水水位标高约850～1200m，总体流向由西向东，富水性弱到中等，该区石炭系5号煤层底板标高约605～1100m，8号煤层底板标高约665～1020m，矿井开采石炭纪煤层时均存在不同程度的岩溶水带压开采威胁[8-9]。因此，开展大同煤田(北区)岩溶水系统调查研究工作，并对其煤层底板突水危险性进行评价，以期科学有效地指导煤田的安全生产和建设。

1 研究区概况

研究区位于山西省大同煤田中北部，总面积为515.64km2。该区交通便利，西北地势较高，区内主要河流为十里河、口泉河和鹅毛口河，属大陆性季风气候，多年平均降水量347.1mm。研究区内地层自下而上为寒武系、奥陶系、石炭系、二叠系、侏罗系、白垩系和第四系，其中石炭系主要可采煤层为3号、5号和8号煤层。研究区构造发育受大同向斜和东部北东向大断裂构造控制，两翼边缘断层较轴部发育，多为正断层，皱褶发育规模较小。各井田均发育不同规模的陷落柱，且与邻近断层走向基本一致。

研究区石炭系煤层开采的充水水源主要为石炭-二叠系砂岩裂隙含水层和底板寒武-奥陶系岩溶裂隙含水层。侏罗系煤层开采后将其上部含水层破坏，形成侏罗系煤层采空区积水，逐渐演化为石炭系煤层顶板间接充水水源。以往勘查成果表明：研究区内各矿井开采石炭系煤层时均受不同程度岩溶水带压开采威胁，且随着开采煤层不断向下部延伸，煤层底板岩溶突水问题愈加严重。

2 独立岩溶水系统的划分和圈定

为了准确评价大同煤田(北区)煤层底板岩溶突水危险性，采用遥感、物探、钻探等多种手段对研究区岩溶水系统进行了调查和研究。依据本次综合勘查成果并结合中国煤炭地质总局第三水文地质队确定的“口泉沟南岩溶水水文地质单元”等资料进行分析，发现大同煤田岩溶地下水为具完整补给、径流、排泄条件的水文地质单元，并将其命名为“大同煤田岩溶水系统”。

大同煤田岩溶水系统东部边界为推覆构造口泉大断裂；西部达西石山；北部为青磁窑断层及寒武系灰岩尖灭线；南部边界为洪涛山背斜，面积约3000km2。受地形地貌、地层埋藏条件、岩溶发育程度、地质构造等因素的制约，形成了与周边泉域的各类边界，其中东部、北部和北西部边界为固定性边界，西部、南部和西南部边界为非固定性边界。

3 基于GIS-AHP的脆弱性指数法煤层底板岩溶突水危险性评价

本文主要利用基于GIS的AHP型脆弱性指数法对大同煤田(北区)煤层底板岩溶突水危险性进行评价。GIS空间信息处理和分析功能强大，能够处理影响因素多、条件不精确、信息量巨大的空间信息，其空间复合叠加功能也能够以可视化地图的形式给出煤层底板突水的空间分布结果[10-11]。此外，煤层底板突水问题影响因素多，条件不精确，采用AHP能够综合多种突水控制因素的影响，对煤层底板突水做出科学合理的评价。

3.1 主控因素的确定和专题图的建立

影响煤层底板突水控制因素较多，并且各因素之间往往相互关联。煤层底板突水主控因素的选取，决定了脆弱性指数模型评价结果的准确程度[12-16]。通常，煤层底板下伏承压含水层是底板突水的先决条件；含水层的富水性和水压决定了突水量的大小和持续时间；底板隔水层的等效厚度、关键岩层位置和脆性岩厚度对底板突水起到了抑制作用；断层、褶皱及岩溶陷落柱等地质构造的分布和规模是矿井突水的诱导因素和直接原因。在充分研究分析研究区地质和水文地质条件的基础上，并结合研究区生产经验资料，最终确定了研究区煤层底板突水主控因素：①寒武-奥陶系含水层水压；②寒武-奥陶系含水层富水性；③有效隔水层等效厚度；④矿压破坏带下隔水层脆性岩厚度；⑤陷落柱分布；⑥断层与褶皱分布；⑦断层规模指数；⑧构造交点和端点分布。

借助Surfer和GIS的插值及耦合功能，根据收集的钻孔数据等资料，分别绘制各主控因素专题图。

3.2 主控因素权重的确定

在对影响研究区煤层底板突水主控因素分析的基础上，建立AHP层次分析结构模型，如图1所示。采用“专家评分”的方法，对各主控因素进行评分，形成专家对影响因素的评判集，并构建研究区目标层A-准则层Bi(i=1，2，3)以及准则层Bi(i=1，2，3)-决策层Cj(j=1，2，3，4)煤层底板突水AHP评价判断矩阵，分别计算一级评价指标和二级评价指标的权重值，并计算二级评价指标权重总序，层次单排序和层次总排序及其一致性检验结果见表1—表5。其中，λmax为判断矩阵最大特征根，CI为一致性指标，RI为随机一致性指标，CR为随机一致性比例，W为权重矩阵，最终矩阵计算出的CR均小于0.1，通过一致性检验。

图1 AHP层次分析结构模型

表1 判断矩阵A-Bi及一致性检验

表2 判断矩阵B1-Cj及一致性检验

表3 判断矩阵B2-Cj及一致性检验

表4 判断矩阵B3-Cj及一致性检验

表5 煤层底板岩溶突水危险性评价指标权重分配

3.3 煤层底板突水脆弱性评价分区

3.3.1 数据归一化处理

为消除各主控因素不同量纲数据对评价结果的影响，对数据进行归一化处理，便于统计分析。

式中，Di为归一化处理后的数据；a和b为归一化范围的上下限，分别取0和1；xi为处理前的原始数据；max(xi)和min(xi)分别为各主控因素量化最大值和最小值。

3.3.2 各主控因素归一化专题图建立和专题图叠加

运用GIS处理归一化后的数据，建立含水层水压、含水层富水性、有效隔水层等效厚度、矿压破坏带下脆性岩厚度、陷落柱分布、断层与褶皱分布、断层规模指数、断层交点和端点分布八个因素的归一化专题图，并对各归一化专题图叠加覆盖形成新的包含所有相关信息的复合图。

3.3.3 脆弱性评价模型建立

脆弱性模型表达式为：

式中，Z为脆弱性指数；n为影响因素数量；Gk为主控因素权重；Jk(x，y)为第k个主控因素归一化后的数值；x，y为地理坐标。

由此可得出大同煤田(北区)煤层底板突水脆弱性指数模型：

CI=0.2751J1(x，y)+0.1375J2(x，y)+

0.1949J3(x，y)+0.0650J4(x，y)+

0.1471J5(x，y)+0.1042J6(x，y)+

0.0508J7(x，y)+0.0254J8(x，y)

3.3.4 煤层底板岩溶突水脆弱性评价分区

根据建立的脆弱性评价模型，计算出了研究区3号、5号及8号煤层底板岩溶突水脆弱性指数，并利用ArcGis的自然间断点分级法确定分区阈值，见表6。

表6 煤层底板岩溶突水评价分区结果

根据上述评价模型，最终绘制得到3号、5号、8号煤层底板突水危险性评价分区图，如图2所示。分析图2可知，研究区3号煤层赋存范围内大部分为安全区，仅在塔山井田西北和马脊梁井田西部局部为过渡区，底板岩溶突水可能性不大。5号煤层底板岩溶突水可能性较3号煤层有所增加，为中等水平，区内大部分为安全区和过渡区。危险区主要集中在中西部多数构造区域与燕子山井田东部、东周窑井田中东部、同忻井田西北部和马脊梁井田北中部。整体上研究区西北和东南部及东部危险性较低，研究区中部北东向狭长区域为主要危险区。

产生这种结果的原因主要有两个：一是5号煤层底部隔水层厚度普遍南部厚，中部有变薄趋势，在研究区西北部隔水层增厚，相对水头压力自西南向东部和东北方向水压降低，研究区中部的有效隔水层不足以抵抗水压所致；二是研究区中部构造相对发育，且规模较大。研究区范围内8号煤层底板突水可能性较5号煤层明显增高，安全区域仅在研究区北部、东北部和东南部存在，过渡区和危险区面积明显增加，主要分布在东周窑井田、燕子山井田、马脊梁井田西南部和塔山井田西南部。由于8号煤层距底板岩溶顶面较近，有效隔水层等效厚度大幅度减小，在隔水层承受岩溶水压、富水性、构造等条件不变的情况下，致使8号煤层底板突水的危险性增加。

4 结 论

1)经调查研究，发现了大同煤田岩溶地下水为具完整补给、径流、排泄条件的水文地质单元，并将其命名为“大同煤田岩溶水系统”。

2)圈定了“大同煤田岩溶水系统”的边界，其东部边界为推覆构造口泉大断裂，西部达西石山，北部为青磁窑断层及寒武系灰岩尖灭线，南部边界为洪涛山背斜，面积约3000km2。

3)采用基于GIS-AHP的脆弱性指数法对大同煤田(北区)3号、5号和8号煤层底板岩溶突水危险性进行了评价，但同发东周窑井田西部煤层深埋区及燕子山井田西南部钻孔控制不足，后续开采时应重点加强该区域探查工作。