王 超

（中國地質(zhì)大學(xué)（武漢），湖北 武漢 430074）

煤層底板突水的預(yù)測預(yù)報(bào)方法研究一直是礦井水文地質(zhì)工作者所關(guān)心的問題。目前此項(xiàng)研究可以分為兩大類：一類是以采礦礦壓和承壓水水壓為主要影響因素，通過研究底板隔水層巖層在承壓水水壓、礦壓和采動(dòng)破壞作用下的變形、破壞特征來認(rèn)識(shí)突水規(guī)律；另一類是綜合考慮與突水災(zāi)害發(fā)生有關(guān)的各種因素，通過應(yīng)用地理信息系統(tǒng)的多源地學(xué)信息復(fù)合疊加方法，建立多因素致災(zāi)的GIS突水預(yù)測模型。

信息復(fù)合技術(shù)是一種新興的自動(dòng)化信息綜合處理技術(shù)，是多源地學(xué)信息(如地理信息、地質(zhì)信息、遙感信息等)進(jìn)行綜合處理的一種新方法。它運(yùn)用GIS和多源信息復(fù)合疊加處理方法進(jìn)行底板突水災(zāi)害預(yù)測預(yù)報(bào)研究，在系統(tǒng)分析底板突水機(jī)理基礎(chǔ)上，提出控制煤層底板突水災(zāi)害的主要因素，確定各單因素對(duì)突水的影響權(quán)重，然后再進(jìn)行各主要控制因素的配準(zhǔn)按照權(quán)重復(fù)合處理，形成一個(gè)復(fù)合疊加的新的信息存儲(chǔ)層。在此基礎(chǔ)上，構(gòu)建底板突水災(zāi)害GIS數(shù)學(xué)模型，確定煤層底板突水災(zāi)害模式，進(jìn)行突水災(zāi)害的預(yù)測[1][2]。它使煤礦水害預(yù)測方法產(chǎn)生了根本變化,其特點(diǎn)是由單因素分析變?yōu)槎嘁蛩胤治?由靜態(tài)分析變化動(dòng)態(tài)分析,由定性分析變?yōu)槎糠治鯷3]。

一、平禹一礦及其水害概況

二、水文地質(zhì)背景

礦區(qū)地表大面積被新近系和第四系地層掩蓋。據(jù)鉆孔揭露，礦區(qū)地層從老到新主要有古生界寒武系、奧陶系、石炭系、二疊系、新生界新近系、第四系。區(qū)內(nèi)斷裂發(fā)育，其中落差大于100m的7條，落差100～50m的2條。斷層按走向分為NW、NE、EW三組，其中以NW向?yàn)橹?，并以正斷層為主。礦井主要充水含水層是寒武系灰?guī)r巖溶裂隙含水層、石炭系薄層灰?guī)r（上段和下段）巖溶裂隙含水層。二1煤底板至太原組上段灰?guī)r距離為5～15m，至太灰下段灰?guī)r平均57.1m，最小值44.0m，最大值73.5m，至寒武系灰?guī)r含水層頂板平均87.3m，最小值72.5m，最大值108.8m。平禹一礦位于白沙向斜西北翼，其北部和西部均為寒灰出露的基巖山區(qū)，東部為第四系廣泛出露的潁河沖洪積平原，構(gòu)成北、西、南三面環(huán)山、東南開闊的“箕形”向斜匯水盆地。平禹一礦處在這一匯水盆地的傾伏端，是白沙向斜北翼巖溶水子系統(tǒng)的集中排泄區(qū)。巖溶水在西部和北部接受大氣降水補(bǔ)給后，沿地層傾向及地形坡降方向向南和東南方向徑流，因白沙向斜軸部寒灰埋深大而巖溶發(fā)育微弱，巖溶水不能向南徑流，沿山前的巖溶發(fā)育帶，向東南徑流至平禹一礦井田，以自流井、泉和礦井排水等形式向外排泄。煤層底板寒武系和太原組灰?guī)r巖溶承壓水是礦井主要充水水源，斷層及巖溶裂隙是巖溶水進(jìn)入礦井的主要通道。在礦井沒有疏排巖溶水前，巖溶水水位在130-135m之間波動(dòng)，高出地表標(biāo)高3-7m，水文孔能夠自流。自2010年5月開始大流量疏放巖溶水，水位降至目前的60—70m左右。

三、底板巖溶水突水因素分析

煤層底板巖溶承壓水突水是含水層富水性、水壓、隔水層厚度、構(gòu)造、采動(dòng)礦壓等因素綜合作用的結(jié)果。

（一）寒武～石炭系含水層富水性。平禹一礦主采煤層底板寒武系和太原組灰?guī)r富水性不僅決定著突水強(qiáng)度，也是造成突水的主要因素?；?guī)r巖溶發(fā)育及富水程度因受斷層構(gòu)造控制，突水位置及突水強(qiáng)度又受構(gòu)造影響。煤層底板巖溶水突水點(diǎn)基本位于富水區(qū)里或其周邊，特大型突水都在富水區(qū)。這表明，灰?guī)r富水性越好，越容易引發(fā)底板突水，突水強(qiáng)度也越大。

（二）二1煤層底板隔水層阻水能力。隔水層阻水能力與厚度、巖性及其組合關(guān)系有關(guān)。在正常的地質(zhì)條件下，隔水層厚度越大的地段，突水的可能性越??；反之，突水的幾率越大。但由于缺乏隔水層阻水巖土力學(xué)相關(guān)指標(biāo)值，通常用隔水層厚度評(píng)價(jià)隔水層阻水能力。通過對(duì)井田鉆孔資料的統(tǒng)計(jì)，編制了平禹一礦二1煤層底板隔水層厚度等值線圖。通過對(duì)歷次底板突水資料的分析，隔水層厚度對(duì)突水雖有一定控制作用，但隔水層厚度相對(duì)較大的區(qū)域也出現(xiàn)多次突水，說明底板突水受其他因素影響更大些。

（三）水壓因素。水壓的主要作用是與礦壓共同造成煤層底板隔水層的破壞，導(dǎo)致部分隔水層失去阻水作用，承壓水在水壓的作用下涌入礦井而形成突水。足夠的水頭壓力是引起突水的重要條件，承壓水壓越高，越容易突水。根據(jù)水文孔水位及煤層底板標(biāo)高，編制了煤層底板水壓等值線，水壓從西北向南東逐漸增大。在水壓大于或等于3.0Mpa時(shí)，突水頻次增加，在水壓為3.5Mpa時(shí)，出現(xiàn)大型和特大型突水事故。

（四）構(gòu)造因素。斷層和褶皺軸部是煤層底板突水的薄弱地帶，尤其是斷層常成為煤層底板突水通道。大量統(tǒng)計(jì)資料表明，底板突水事故80%以上發(fā)生在斷裂構(gòu)造附近。平禹一礦突水受構(gòu)造影響較為明顯，突水點(diǎn)多分布在大斷層附近的影響帶、小斷層帶、大斷層的轉(zhuǎn)折或轉(zhuǎn)彎、分支處、地層產(chǎn)狀褶曲變形處及產(chǎn)狀突變帶等。

圖1 底板灰?guī)r含水層富水性分區(qū)和突水點(diǎn)的分布

四、底板突水危險(xiǎn)評(píng)價(jià)

通過多源信息的融合，本文用脆弱性指數(shù)法評(píng)價(jià)平輿一礦的底板突水問題。脆弱性指數(shù)法是將可確定底板突水多種主控因素權(quán)重系數(shù)的信息融合方法與具有強(qiáng)大空間信息分析處理功能的地理信息系統(tǒng)(GIS)耦合于一體的煤層底板突水評(píng)價(jià)預(yù)測方法[4]。

（一）數(shù)學(xué)模型。多信息經(jīng)過GIS分析處理，運(yùn)用多種模型進(jìn)行運(yùn)算與反復(fù)擬合，最終選用的底板突危險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型為[5]：

首先，要確保原材料的質(zhì)量，對(duì)進(jìn)場的砂石、水泥、粉煤灰、外加劑、摻合料等原材料，必須嚴(yán)格依據(jù)國家、地方相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范要求進(jìn)行取樣試驗(yàn)。

式中：n—突水指數(shù)；

F—構(gòu)造復(fù)雜程度；

H—水頭壓力(MPa)；

M—底板阻水能力；

a、b—權(quán)重系數(shù)，分別為0.4和0.6；

K—富水性指數(shù)，可根據(jù)勘探成果得出，不富水時(shí)取0，富水時(shí)取l。

（二）突水危險(xiǎn)性分區(qū)預(yù)測。利用上述突水危險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型，結(jié)合已有突水資料的驗(yàn)證，對(duì)平禹一礦煤層底板突水危險(xiǎn)進(jìn)行了評(píng)價(jià)。通過計(jì)算，井田范圍內(nèi)突水指數(shù)在0.32～1.31之間，根據(jù)突水指數(shù)的取值大小及實(shí)際突水情況，將全井田為突水極易發(fā)生區(qū)（Ⅰ區(qū)），突水較易發(fā)生區(qū)（Ⅱ區(qū)）、易發(fā)生區(qū)（Ⅲ區(qū)）和一般發(fā)生區(qū)（Ⅳ區(qū)），如圖2所示。

1.突水極易發(fā)生區(qū)（Ⅰ區(qū)）。突水指數(shù)n≥1，主要分布在通水性較好的大斷層附近，且由于與富水區(qū)結(jié)合良好，該區(qū)極易發(fā)生突水、水量大、危險(xiǎn)性高。

2.突水較易發(fā)生區(qū)（Ⅱ區(qū)）。突水指數(shù)n=0.85～1，主要發(fā)生在斷層200m緩沖區(qū)內(nèi)與富水區(qū)結(jié)合較好地段。

3.易發(fā)生區(qū)（Ⅲ區(qū)）。突水指數(shù) n=0.7～0.85，主要分布深部區(qū)域，水壓較大和富水性較大。一旦突水，水量大，強(qiáng)度大，危險(xiǎn)性高。

4.一般發(fā)生區(qū)（Ⅳ區(qū)）。突水指數(shù)n＜0.7，主要在非富水區(qū)、淺部風(fēng)化帶及中部巖溶發(fā)育一般地區(qū)。

圖2 平禹一礦底板突水危險(xiǎn)性預(yù)測分區(qū)圖

四、結(jié)論

（一）突水系數(shù)法是目前評(píng)價(jià)煤層底板突水危險(xiǎn)性的常用方法，由于僅考慮了水壓、隔水層厚度及底板采動(dòng)破壞對(duì)突水的影響，評(píng)價(jià)結(jié)果與實(shí)際時(shí)常出現(xiàn)不相符的情況。基于多源地學(xué)信息的煤層底板突水危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)法，綜合考慮了影響煤層底板突水的各種因素，不僅包括水壓、隔水層厚度及底板采動(dòng)破壞因素，還包括含水層富水性、構(gòu)造發(fā)育程度等因素，使得預(yù)測方法更加合理，預(yù)測結(jié)果更符合實(shí)際。

（二）通過對(duì)平禹一礦煤層底板突水因素的分析，構(gòu)建了預(yù)測底板突水災(zāi)害的GIS數(shù)學(xué)模型，按突水指數(shù)將井田劃分為極易發(fā)生區(qū)、較易發(fā)生區(qū)、易發(fā)生區(qū)和一般發(fā)生區(qū)，這為煤礦安全生產(chǎn)和水害防治指明了方向。

[1] 張和生，薛光武，石秀偉等，基于地學(xué)信息復(fù)合疊置分析對(duì)煤層底板突水的預(yù)測[J]，煤炭學(xué)報(bào)，2009,34（8）：1100-1104

[2] 石秀偉，胡耀青，張和生，基于GIS的煤層底板突水預(yù)測理論模型[J]，太原理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，39 卷專輯：244-247

[3] 崔三元，崔若飛，基于GIS的煤礦水害多源信息預(yù)測方法研究[J]，地球物理學(xué)進(jìn)展，2006,21（4）：1309-1313

[4] 武 強(qiáng)，劉守強(qiáng)，賈國凱，脆弱性指數(shù)法在煤層底板突水評(píng)價(jià)中的應(yīng)用[J]，中國煤炭，2010，36（6）：16-22

[5] 尹會(huì)永,魏久傳,劉同彬等，基于多源信息復(fù)合的煤層底板突水評(píng)價(jià)[J]，山東科技大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2008，27（2）：6-9