基于脆弱性指数法的煤层底板突水危险程度评价

董东柱，刘晓磊，雷 鹏,张振山

(1.中煤地质集团有限公司，北京 100040； 2.中晋环境科技有限公司，山西 太原 030006; 3.山西省第二地质工程勘察院有限公司，山西 临汾 043011)

煤层底板突水是由多种因素综合作用的结果，其发生具有复杂性、空间性、动态性的特点，预测结果要求比较符合实际情况[1]。当前的大部分煤矿井生产中，仍然采用突水系数法对煤层底板突水危险性进行评价，实际上这是一种简单的经验指数法。突水系数法的计算方法简单，容易理解，预测结果基本反映了引起煤层底板突水的主要作用因素[2]，但由于其只考虑了水压和有效隔水层厚度2个影响因素，而没有将断层、陷落柱、矿压破坏带深度等因素考虑在内，使得评价结果往往过于极端：要么没有危险区，要么危险区过于集中。而脆弱性指数法对煤层底板突水的影响因素考虑得比较全面，所以评价结果比较贴近实际情况。以推广应用新技术和新方法为指导思想，合理评价奥灰岩溶水对开采煤层的突水危险程度为目的，应用脆弱性指数法这一新型的评价方法，结合井田具体的水文地质条件、煤层开采现状等，对山西汾西紫金煤业一号井井田内 2号、11号煤层底板突水危险性进行评价，并与传统的突水系数法评价结果进行比照，发现1号井田矿井突水的较脆弱区及脆弱区多属于断层、褶皱以及陷落柱等构造发育区域，凸显了脆弱性指数法在对井田区可采煤层底板突水危险程度进行评价分区中的科学性和合理性，从而能更好地指导矿井的生产工作。

1 脆弱性指数法的基本理论

脆弱性指数法是利用多源信息复合技术，通过对几种单因素信息的复合叠加，得到更多有用的新信息，从而更科学准确地对突水事件发生进行预测[3-6]。完成该项工作依赖的主要技术支持是GIS平台，指导工作的基本理论是环套理论，使用的技术方法是层次分析法(AHP,Analytic Hierarchy Process)[7-10]。 环套理论的基本原理：在多源信息的复合工作中，如果将影响煤层底板突水的每一种主控因素用1个圆域来表示，圆域与圆域之间的相对位置关系反映了这些多元信息对煤层底板突水的权重贡献大小以及叠加影响程度。①完全重合(包含)时，表示相关单因素完全包含在底板突水影响主控因素内，且叠加影响权重贡献最大。②部分重合相交时，表示各单主控因素对某区域底板突水危险性的权重贡献大小及叠加影响程度，某区域重叠的圆越多则表示影响该区域底板突水的叠加因素越多。③相离时，说明相关区域只有一个单主控因素对底板突水产生影响。环套群集的水平和垂直关系如图1所示。

2 脆弱性指数法的研究思路

其总体思路：①收集整理井田区地质和水文地质资料，从地质构造、充水水源特征、底板水压力和隔水层岩层组合及强度、开采方式和矿压等方面进行底板突水因素分析，确定影响底板突水的主控因素；采用定性与定量相结合的方式，将采集到的各单因素信息量化结果输入到计算机，对影响底板突水的主要控制因素进行分析，建立突水主控因素专题图[11]；②运用层次分析法(AHP)确定各评价因素的权重，根据各主控因素在可能突水事件中的权重贡献，利用GIS实现各主控因素的融合(各专题图复合叠加)，建立煤层底板突水脆弱性评价模型；③进行底板突水危险性分区评价，为矿井防治水工作提供直观可靠的水文地质依据。

图1 环套群集的水平和垂直关系Fig.1 Horizontal and vertical relationships of nested clusters

3 煤层底板突水主控因素分析

3.1 井田概况

山西汾西紫金煤业一号井井田位于山西省灵石县境内，井田面积约 28.82 km2。①地质条件。该井田内含煤地层为石炭系上统太原组(C3t)和二叠系下统山西组(P1s)。山西组含煤3层，分别为1号、2号、3号煤层。其中1号、3号煤层为不可采煤层，2号煤层为主要可采煤层。太原组共含煤6 层，分别为6号、7号、8号、9号、10号、11号煤层。其中，11号煤层为可采煤层，其他基本为不可采煤层[12-13]。②主要含水层。通过对水文地质调查、钻探、简易水文地质观测、抽水试验和水化学等资料的综合分析，基本确定井田区2号煤层底板含水层是石炭系太原组灰岩，11号煤层底板含水层是奥陶系灰岩含水层，为可能发生的底板突水提供水源[12-13]。中奥陶统灰岩是区域及矿区的主要含水岩系，是影响煤矿开采的主要危险因素。井田内下组煤(11号煤层)的大部分底板位于区域岩溶水位之下，属于带压开采。

3.2 主控因素的确定

依据含水层的岩性组合、富水性以及含水特征，综合考虑隔水层的岩性、厚度、岩石力学特征及构造发育情况等[14]，合理选择影响煤层底板突水的主控因素，对脆弱性指数法评价模型的建立和评价结果的可靠程度起决定作用[15]。

(1)煤层底板承压含水层。煤层底板下的承压含水层的存在是底板突水的先决条件，底板是否发生突水和突水量的大小则取决于含水层的富水性和水头压力等，而含水层的富水程度又与其埋藏条件、所处岩溶水系统位置以及构造部位等密切相关。所以，选择承压含水层的富水性及作用于隔水层底板的水头压力作为煤层底板突水脆弱性评价的主控因素。

(2)煤层底板隔水层。有效隔水层的岩性、厚度、力学性质及地层组合结构等特点决定了隔水层的隔水性能。2号煤层底板隔水层主要为二叠系下统(P1s)中的泥岩、砂质泥岩及粉砂岩；11号煤层底板隔水层主要为石炭系太原组一段(C3t1)下部泥岩、炭质泥岩、砂质泥岩及粉砂岩、本溪组泥岩及铝土质泥岩。隔水层的岩性组合不同，其防突水能力则不同。如在矿山压力的作用下脆性岩石易产生裂隙，而塑性岩石受力后常发生塑性变形。因此，将煤层底板隔水岩段的岩性组合特征、厚度等作为底板突水脆弱性评价的主控因素。

(3)地质构造。紫金井田内总体构造为开阔的背、向斜相间分布，轴向呈近 NE,在此基础上发育了次一级的褶曲构造。该区内断层较发育，走向NE-NNE向，多为高角度正断层，断层构造裂隙是承压水从煤层底板涌出的主要通道。所以，在选取区内褶皱和断裂分布特征因素的基础上，断层规模指数是影响煤层底板突水脆弱性评价的又一主要指标[16]。

(4)矿压破坏带深度。地下煤层被开采后，破坏了周围地层原有的应力平衡，继而引起了地下应力的重新分布，这一影响范围一直延续到相关岩体内达到新的平衡为止。因此，将矿压破坏带深度及矿压破坏带下脆性岩厚度也作为煤层底板突水脆弱性评价的主控因素。2号、11号煤层底板突水脆弱性评价的主控因素：①2号煤层底板太灰突水控制因素。隔水层厚度、太原组含水层水压、太原组含水层富水性、断层和褶皱的分布特征、断层规模指数、矿压破坏带深度。②2号煤层底板奥灰突水控制因素。隔水层厚度、奥灰岩组含水层水压、奥灰岩组含水层富水性、断层和褶皱的分布特征、断层规模指数、矿压破坏带深度。③11号煤层底板奥灰突水控制因素。隔水层厚度、奥灰岩组含水层水压、奥灰岩组含水层富水性、断层和褶皱的分布特征、断层规模指数、矿压破坏带深度。

3.3 主控因素属性数据库的建立

(1)做好底板突水因素数据采集。系统采集井区的勘查成果及有关地质构造，水文地质条件和煤矿开采、突水情况的相关资料，包括它们的空间分布状况和所具有的属性数据。

(2)利用地理信息系统(GIS)的数据采集功能将收集到的相关资料(属性数据)进行量化和数字存储，生成属性数据库，并建立图形与属性数据库之间的关系。

4 脆弱性指数法评价方法

脆弱性指数表示某一地段的某一栅格位置上的各种影响因素对总目标产生叠加影响的总和[17]。

4.1 数据归一化

由于各主控因素的量纲是不同的，所以在对采集到的属性数据进行量化时，首先要对数据进行归一化处理，使不同属性的数据具有可比性和统计意义[18]。

4.2 单因素归一化专题图

运用GIS平台处理归一化数据，根据量化结果绘制成各单因素等值线图，建立拓扑关系后，以专题图的形式存储。具体包括有效隔水层厚度、其中的脆性岩厚度、含水层富水性、含水层水压、影响隔水层的断层分布密度、断层规模指数、陷落柱分布密度等各单因素归一化专题图(图2)。

图2 部分单因素归一化专题图Fig.2 Some single-factor normalized thematic maps

4.3 层次分析法确定权重

通过对井田区2号、11号煤层底板突水影响因素的综合分析，将本次评价对象划分为3个层次：2个主采煤层底板突水脆弱性评价分区是最终目的，作为模型的目标层(A层次)；承压含水层、有效隔水层、地质构造、矿压破坏带决定突水的可能性大小，属于实现目标的中间环节，即模型的准则层(B层次)；各个主控因素的具体指标构成了模型的决策层(C层次)。按照这一思路，建立2号煤层底板太灰水脆弱性评价模型、2号煤层奥灰水脆弱性评价模型和下组煤(11号)底板奥灰水脆弱性评价模型(图3)。

图3 AHP层次模型Fig.3 AHP hierarchy model

层次结构反映各因素之间的关系，但准则层中的各准则在目标衡量中所占的比例并不相同。因此，采取对所有因素进行两两比较建立成对比较矩阵的方法，对同一层次相应因素对于上一层次某个因素相对重要性进行排序，即排序权重值。综合全部比较结果并对判断矩阵的一致性进行检验，进而计算出同一层次所有因素对于最高层(总目标)相对重要性的排序权值(层次总排序)，最终确定出各主控因素对底板突水脆弱性的相对影响权重[19]。

4.4 建立脆弱性评价模型

通过层次分析法确定出各个主控因素的权重后，用脆弱性指数评价模型来对煤层底板突水脆弱性进行评价[6]。其模型公式：

(1)

式中，VI为脆弱性指数；Wk为影响因素权重；fk(x，y) 为单因素影响值函数，为第k个主控因素量化值归一化后的值；(x,y)为地理坐标；n为影响因素的个数。

如一号井井田2号煤层底板太灰突水脆弱性评价中各影响因素权重值为：W1=0.372 7、W2=0.194 4、W3=0.097 2、W4=0.196 2、W5=0.049 0、W6=0.090 5。由此得出该井田2号煤层底板太原组含水层突水脆弱性评价模型为：

(2)

同理可得紫金煤业一号井井田2号煤层底板奥灰突水脆弱性评价模型和紫金煤业一号井井田11号煤层底板奥陶系灰岩突水脆弱性评价模型。

5 煤层底板突水脆弱性评价结果

5.1 脆弱性指数法评价情况

为了使2号煤层底板太原组突水和2号、11号煤层底板奥灰突水评价具有统一性、可比性，对2部分叠加结果进行统一分析。运用自然分级法对底板脆弱性指数进行处理，使得每级组间差异最大，组内差异最小，最终得到最佳的5级分级结果。脆弱性指数越大，发生突水的可能性就越大[20]。2号煤层底板太灰和2号、11号煤层底板奥灰突水脆弱性分区见表1。

表1 2号煤层底板太灰和2号、11号煤层底板奥灰突水脆弱性分区Tab.1 Vulnerability zoning of water inrush water inrush from the floor of the No.2 coal seam and the No.2 and No.11 coal seam floors

5.2 脆弱性指数法与突水系数法评价结果对比

2号、11号煤层底板突水评价分区比较如图4所示。从图4可以看出，按照传统的突水系数法，紫金煤矿2号煤、11号煤层在矿区范围内的危险区以及安全区评价结果过于极端：要么没有危险区，要么危险区过于集中。脆弱性指数法评价结果更科学、更全面：相对安全区，突水的可能性较小；较安全区，表明隔水层承受的水压偏小，地质构造不发育等，突水可能性不大；较脆弱区，一般位于地质构造发育带附近，在一定条件下有发生突水事故的可能；标记为红色的脆弱区一般表示隔水层厚度有所降低、矿压破坏带厚度有所增大，或者构造的存在破坏了隔水地层的连续性等，突水危险性最大，在生产中应高度重视[21]。

图4 2号、11号煤层底板突水评价分区Fig.4 Zoning for water inrush assessment of No.2 and No.11 coal seam floors

6 结论

突水系数法所考虑的突水控制因素为煤层底板含水层水压和有效隔水层厚度，而煤层底板突水的实际情况是受控于多因素影响且非常复杂的动态现象，突水系数法无法确定多个控制因素的影响权重比例系数，更不能反映底板突水的非线性动力过程。脆弱性指数法有着一套完整的主控指标体系，通过定量计算，对井田区发生突水的可能性进行相对性评价，它考虑了多种影响因素的综合作用，在结合突水系数法的基础上，能较全面地反映不同区段的相对脆弱关系。在用脆弱性指数法评价煤层底板突水危险程度的过程中，虽然影响因子的采集和计算过程比较复杂，但从确保矿井的安全生产角度考虑，利用脆弱性指数法评价结果制定矿井防治水措施会更加贴合实际情况，更具有针对性，从而能够科学指导矿井在带压情况下的安全生产，应大力推广使用这一新技术、新方法。