武 強(qiáng),賈 秀,曹丁濤,梁永平

(1．中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)煤炭資源與安全開采國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100083;2．兗州煤業(yè)股份有限公司,山東鄒城 273500;3．中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院巖溶地質(zhì)研究所,廣西桂林 541004)

華北型煤田中奧陶統(tǒng)碳酸鹽巖古風(fēng)化殼天然隔水性能評(píng)價(jià)方法與應(yīng)用

武 強(qiáng)1,賈 秀1,曹丁濤2,梁永平3

(1．中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)煤炭資源與安全開采國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100083;2．兗州煤業(yè)股份有限公司,山東鄒城 273500;3．中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院巖溶地質(zhì)研究所,廣西桂林 541004)

隨著開采深度逐漸加大和下組煤逐步回采,華北型煤田的中奧陶統(tǒng)碳酸鹽巖(局部寒武系)底板突水問(wèn)題和淺部上組煤大批關(guān)閉煤礦老空水對(duì)下伏巖溶水的越流(串層)污染問(wèn)題日趨嚴(yán)重。通過(guò)對(duì)山東兗州煤田中部礦區(qū)大量地質(zhì)勘探資料的系統(tǒng)整理、統(tǒng)計(jì)與分析,從中奧陶統(tǒng)灰?guī)r頂部古風(fēng)化殼厚度、巖性特征、鉆孔巖芯采取率、沖洗液消耗量、裂隙發(fā)育情況和充填壓實(shí)程度、構(gòu)造發(fā)育等多方面開展了其隔水性能的綜合研究,建立了刻畫其隔水性能的指標(biāo)體系,運(yùn)用GIS強(qiáng)大的數(shù)據(jù)管理與空間分析功能和信息融合技術(shù),創(chuàng)建了面向GIS的信息融合型隔水性能評(píng)價(jià)方法——隔水性指數(shù)法,提出了古風(fēng)化殼隔水性能評(píng)價(jià)的技術(shù)路線和具體工作程序,并進(jìn)行了示范工程的實(shí)際應(yīng)用。

華北型煤田;中奧陶統(tǒng)碳酸鹽;古風(fēng)化殼;隔水性能;隔水性指數(shù)法

Key words：North China coalfield;carbonatite in Middle Ordovician;ancient weathering crust;impermeability;aquifuge index method

隨著煤炭資源開發(fā)強(qiáng)度進(jìn)一步加大,華北型煤田淺部和上組煤煤炭資源漸趨匱乏,深部和下組煤煤炭資源開發(fā)已成必然趨勢(shì)。影響并控制這種趨勢(shì)發(fā)展的水害問(wèn)題除了淺部和上組煤積水采空區(qū)的透水災(zāi)害外,煤層底板突水災(zāi)害和閉坑礦山老空水對(duì)下伏巖溶水的串層污染是首要的難題。由于下組煤距底板中奧陶統(tǒng)灰?guī)r(局部為寒武系)距離近,奧灰含水層水壓高且富水性強(qiáng),按照《煤礦防治水規(guī)定》要求,大部分下組煤和深部煤炭資源的底板突水系數(shù)均超臨界值,無(wú)法實(shí)施安全回采[1-3]。為了解決這個(gè)難題,目前常采用的思路就是采用人工工程干預(yù)方法,比如井下單工作面或地面區(qū)域人工注漿工程措施(加固底板隔水層強(qiáng)度,改造底板含水層富水性,封堵斷裂和裂隙密集帶等構(gòu)造通道,人工帷幕堵截地下水集中補(bǔ)給帶等);或?qū)Ψ忾]、半封閉巖溶地下水系統(tǒng)采取有效的人工疏降工程措施(降低奧灰?guī)r溶含水層地下水壓已滿足帶壓開采要求);或二者結(jié)合的人工工程措施。未能充分分析并開發(fā)利用奧灰頂部古風(fēng)化殼所存在的天然隔水性能。事實(shí)上,在加里東構(gòu)造運(yùn)動(dòng)后的奧灰頂界面在歷經(jīng)近億年的地表風(fēng)化剝蝕與侵蝕作用,雖然在頂部形成了一些溶蝕孔洞和風(fēng)化巖溶裂隙等巖溶空間,但幸運(yùn)的是,受古地形、古地貌、古氣候和古水文等因素影響,這些風(fēng)化巖溶空間大部分被后期的黏土和亞黏土等透水性極弱物質(zhì)所充填,并在上覆地層重力荷載作用下壓密填實(shí),形成了具有天然隔水性能的古風(fēng)化殼[4]。古風(fēng)化殼所存在的這種天然隔水性能,圓滿解釋了煤層底板突水評(píng)價(jià)中許多遠(yuǎn)大于臨界值的突水點(diǎn)卻在開采實(shí)踐中從未發(fā)生突水的現(xiàn)象。因此,研究華北型煤田中奧陶統(tǒng)(局部寒武系)灰?guī)r古風(fēng)化殼天然存在的隔水性能、隔水性刻畫指標(biāo)體系、隔水性分布規(guī)律、評(píng)價(jià)方法和工程應(yīng)用等,對(duì)解決我國(guó)華北型煤田目前面臨的深部和下組煤煤炭資源開發(fā)的底板突水和老空水的串層污染難題,具有極其重要的意義[5-6]。

1 刻畫古風(fēng)化殼隔水性能的指標(biāo)體系

奧灰頂部古風(fēng)化殼隔水性是指晚古生代煤系地層與中奧陶統(tǒng)假整合接觸界面以下在承壓狀態(tài)到初次出水位置這一厚度范圍內(nèi)的碳酸鹽巖層所具有的阻水性能[7]。奧灰頂部古風(fēng)化殼發(fā)育特征和殼厚展布規(guī)律受控于原始碳酸鹽巖巖性與結(jié)構(gòu)、地質(zhì)構(gòu)造、古地形、古地貌、古氣候和古水文等多種因素,其隔水性在空間分布上呈明顯的非均勻和各向異性特點(diǎn)[8]。因此,奧灰頂部古風(fēng)化殼隔水性能應(yīng)從立體空間角度開展研究。

“塊段理論”是從平面和剖面兩個(gè)視角開展古風(fēng)化殼隔水性能研究的一種有效方法,依據(jù)各個(gè)指標(biāo)在鉆孔剖面上的平均值進(jìn)行加權(quán)平均得到綜合值,在平面上以此綜合值得到的分區(qū)稱為“塊”;對(duì)應(yīng)“塊”的研究,把對(duì)剖面上不同標(biāo)高層位各指標(biāo)的加權(quán)平均值值的分區(qū)稱為“段”,結(jié)合“塊”與“段”的分區(qū)分析,即可解決古風(fēng)化殼隔水性能的立體研究。

根據(jù)煤礦區(qū)大量奧灰勘探鉆孔柱狀圖、碳酸鹽巖巖性(組合)與結(jié)構(gòu)、地質(zhì)構(gòu)造、煤層底板奧灰突水案例等的綜合分析和總結(jié),提出了刻畫華北型煤田奧灰古風(fēng)化殼隔水性能的主要指標(biāo),建立了由碳酸鹽巖巖性與巖性組合、地質(zhì)構(gòu)造、鉆孔巖芯采取率、鉆孔沖洗液消耗量、巖溶裂隙發(fā)育情況與充填壓實(shí)程度和隔水厚度等六大指標(biāo)組成的刻畫古風(fēng)化殼隔水性能指標(biāo)體系(圖1)。

圖1 刻畫古風(fēng)化殼隔水性能的指標(biāo)體系Fig．1 Weathering crust impermeablity portraying indicator system

根據(jù)1976年峰峰地層會(huì)議,中奧陶統(tǒng)是一套可劃分為3組8段的碳酸鹽巖地層,在其頂部的原始地層巖性與結(jié)構(gòu)不同,其風(fēng)化程度不同,巖溶發(fā)育有別,故其滲透性也不同,隔水能力就存在差別。不同巖性地層的巖溶發(fā)育程度為：灰?guī)r＞白云質(zhì)灰?guī)r＞白云巖＞不純灰?guī)r＞不純白云巖[9]。

地質(zhì)構(gòu)造影響控制古風(fēng)化殼的隔水性能,在斷裂構(gòu)造、巖溶裂隙密集帶和褶皺軸部,古風(fēng)化殼隔水性能下降,特別在這些構(gòu)造線的斷點(diǎn)和交叉點(diǎn)處,地應(yīng)力相對(duì)集中,其隔水性能下降明顯[10-11]。

鉆進(jìn)中奧陶統(tǒng)碳酸鹽巖古風(fēng)化殼的鉆孔,其鉆孔在不同深度的巖芯采取率和沖洗液消耗量反映了巖體完整性和巖溶裂隙發(fā)育程度。巖芯采取率愈低,沖洗液消耗量愈大,說(shuō)明古風(fēng)化殼巖體愈破碎,巖溶裂隙愈發(fā)育,充填壓實(shí)程度愈差,滲透性能愈強(qiáng),其隔水性能愈差,中奧陶統(tǒng)碳酸鹽巖地下水突入礦坑的危險(xiǎn)性就愈大;反之亦然。

古風(fēng)化殼的巖溶裂隙發(fā)育好壞和充填壓實(shí)程度,也是刻畫其隔水性能的一個(gè)重要指標(biāo)。巖溶裂隙發(fā)育、弱發(fā)育、不發(fā)育和全部充填壓實(shí)、部分充填壓實(shí)、無(wú)充填壓實(shí),直接影響古風(fēng)化殼的隔水性能。根據(jù)二者的關(guān)系,表1提出了評(píng)價(jià)古風(fēng)化殼巖溶裂隙發(fā)育情況及充填壓實(shí)程度的綜合指數(shù)值。

表1 巖溶裂隙發(fā)育情況及充填壓實(shí)程度的綜合指數(shù)Table 1 Composite index of karst fissures conditions and the degree of filling and compaction

古風(fēng)化殼隔水厚度大小直接影響控制其隔水性能,隔水厚度愈大,古風(fēng)化殼隔水能力愈強(qiáng),對(duì)煤層底板突水的控制作用就愈大,反之亦然。

2 古風(fēng)化殼隔水性能評(píng)價(jià)方法——“隔水性指數(shù)法”

根據(jù)刻畫古風(fēng)化殼隔水性能的指標(biāo)體系可看出,古風(fēng)化殼隔水性能評(píng)價(jià)需要考慮多個(gè)不同作用機(jī)理的空間指標(biāo)因素的綜合影響。由于各指標(biāo)因素?cái)?shù)據(jù)具有隨空間坐標(biāo)變化的特征,而地理信息系統(tǒng)(GIS)具有強(qiáng)大的統(tǒng)計(jì)、分析和處理這種具有空間屬性特征的數(shù)據(jù)功能,因而可方便實(shí)現(xiàn)對(duì)空間數(shù)據(jù)的采集、統(tǒng)計(jì)、分析、計(jì)算、顯示及制圖等綜合處理;雖然刻畫古風(fēng)化殼隔水性能的指標(biāo)因素有多個(gè),但他們對(duì)其隔水性能的影響程度是不同的,現(xiàn)代信息融合技術(shù)可方便地處理并定量確定不同的指標(biāo)因素對(duì)古風(fēng)化殼隔水性能的控制“權(quán)重”。因此,基于GIS的信息融合型隔水性指數(shù)法,充分利用了GIS與信息融合技術(shù)的各自優(yōu)勢(shì),成功地解決了這種具有多源影響因素但其影響程度不同的古風(fēng)化殼隔水性能的評(píng)價(jià)預(yù)測(cè)難題。

GIS是一門科學(xué)管理和綜合分析處理具有空間內(nèi)涵地理數(shù)據(jù)的計(jì)算機(jī)空間信息系統(tǒng),他具有強(qiáng)大的地理數(shù)據(jù)輸入、存儲(chǔ)、檢索、分析、輸出、顯示和制圖等功能。它可建立GIS的空間數(shù)據(jù)庫(kù)、屬性數(shù)據(jù)庫(kù)、各因素指標(biāo)專題圖和歸一化專題圖等,也可對(duì)多因素指標(biāo)專題圖實(shí)施多源信息的復(fù)合疊加處理,并完成制圖、顯示和輸出及存儲(chǔ)等操作。

信息融合技術(shù)就是數(shù)據(jù)融合技術(shù),是一個(gè)對(duì)從單個(gè)和多個(gè)信息源獲取的數(shù)據(jù)和信息進(jìn)行關(guān)聯(lián)與綜合、以獲得精確的位置和身份估計(jì)以及重要程度的信息處理過(guò)程,該過(guò)程是對(duì)信息處理過(guò)程不斷自我修正的一個(gè)過(guò)程,以獲得結(jié)果的改善[12-13]。

3 “隔水性指數(shù)法”評(píng)價(jià)思路與工作程序

3.1 刻畫隔水性能的指標(biāo)確定及專題圖的建立

根據(jù)刻畫奧灰頂部古風(fēng)化殼隔水性指標(biāo)體系的分析,從巖性(組合)與結(jié)構(gòu)、巖芯采取率、沖洗液消耗量、裂隙發(fā)育情況及充填壓實(shí)程度、隔水段厚度和構(gòu)造量化值進(jìn)行深入探究。

利用研究區(qū)搜集到的資料,將刻畫隔水性能的各指標(biāo)坐標(biāo)及量化值輸入GIS生成相應(yīng)的數(shù)據(jù)文件,進(jìn)行網(wǎng)格剖分、插值等處理,建立各指標(biāo)專題圖,如巖性(組合)與結(jié)構(gòu)、巖芯采取率、沖洗液消耗量、裂隙發(fā)育情況及充填壓實(shí)程度、隔水厚度、構(gòu)造量化專題圖。

為了消除各指標(biāo)不同量綱數(shù)據(jù)對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果的影響,使數(shù)據(jù)具有可比性及統(tǒng)計(jì)意義,便于系統(tǒng)分析。經(jīng)過(guò)歸一化處理后,分別建立各指標(biāo)屬性數(shù)據(jù)庫(kù),繪制歸一化專題圖。

3.2 基于信息融合技術(shù)的各指標(biāo)權(quán)重系數(shù)的確定

根據(jù)刻畫奧灰頂部古風(fēng)化殼隔水性指標(biāo)體系的分析,采用信息融合技術(shù)確定各指標(biāo)的影響權(quán)重。信息融合的常用方法基本上可概括為隨機(jī)和人工智能兩大類,隨機(jī)類算法主要包括加權(quán)平均法、卡爾曼濾波法、多貝葉斯估計(jì)法和證據(jù)推理等;人工智能類則主要包括神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊邏輯理論、粗集理論和層次分析法等。由于一般研究區(qū)對(duì)埋藏較深的奧灰?guī)r溶裂隙含水層的地質(zhì)勘探程度偏低,獲取的古風(fēng)化殼隔水性能的刻畫指標(biāo)有關(guān)信息和數(shù)據(jù)有限,因此,基于定性與定量相結(jié)合地處理各種不確定決策因素相對(duì)比較靈活簡(jiǎn)潔的層次分析法(AHP),在確定古風(fēng)化殼各指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)方面,顯示出諸多優(yōu)勢(shì)。

層次分析法將古風(fēng)化殼隔水性能刻畫指標(biāo)體系劃分為3個(gè)層次,即目標(biāo)層(A層次)、準(zhǔn)則層(B層次)和決策層(C層次)。采用專家評(píng)分方法,對(duì)刻畫隔水性能的眾多指標(biāo)進(jìn)行打分,根據(jù)最后累計(jì)得分情況,進(jìn)行各指標(biāo)間的總分比較,形成專家對(duì)各指標(biāo)的評(píng)判集,由此構(gòu)建AHP評(píng)價(jià)的判斷矩陣。根據(jù)判斷矩陣計(jì)算出各指標(biāo)對(duì)古風(fēng)化殼隔水性能的最終影響權(quán)重值[14-15]。

3.3 專題圖的疊加和隔水性評(píng)價(jià)模型的建立

在進(jìn)行多指標(biāo)擬和分析之前,須進(jìn)行復(fù)合疊加處理,將各有關(guān)指標(biāo)的信息存儲(chǔ)層復(fù)合成一個(gè)信息存儲(chǔ)層,使所生成的信息存儲(chǔ)層中包含所有相關(guān)指標(biāo)的信息,實(shí)際上就是把各單指標(biāo)消除量綱后的歸一化專題圖配準(zhǔn)合成一個(gè)新的圖形并重建拓?fù)湫纬尚碌耐負(fù)潢P(guān)系屬性表。根據(jù)刻畫古風(fēng)化殼隔水性能各指標(biāo)的歸一化專題圖和各指標(biāo)對(duì)隔水性能的影響權(quán)重分析與定量計(jì)算,表明各指標(biāo)作用的隔水性能評(píng)價(jià)數(shù)學(xué)模型可表示為

式中,IA為隔水性能指數(shù);Wi為各指標(biāo)影響權(quán)重;fi(x,y)為各指標(biāo)經(jīng)歸一化后的量化值,即為研究區(qū)任一柵格位置上的各指標(biāo)對(duì)隔水性能產(chǎn)生的疊加影響總和;x,y為地理坐標(biāo);n為刻畫指標(biāo)的個(gè)數(shù)。

3.4 隔水性能區(qū)劃與評(píng)價(jià)

根據(jù)評(píng)價(jià)模型中計(jì)算的各個(gè)柵格的隔水性指數(shù),運(yùn)用分級(jí)地圖上常用的自然分級(jí)法,對(duì)其進(jìn)行頻數(shù)統(tǒng)計(jì),結(jié)合研究區(qū)生產(chǎn)實(shí)踐,可確定各分級(jí)閾值和對(duì)應(yīng)的分級(jí)結(jié)果,最終即可對(duì)研究區(qū)奧灰古風(fēng)化殼的隔水性能做出合理的多級(jí)分區(qū)。顯然,隔水性能指數(shù)越大,隔水性越好,奧灰對(duì)下組煤開采的影響就越小,反之亦然[16-21]。

4 實(shí)例研究

4.1 指標(biāo)的確定及專題圖的建立

本次研究范圍為兗州煤田中部的南屯、鮑店、東灘、興隆莊及楊村5個(gè)礦區(qū)。奧灰頂部古風(fēng)化殼巖性主要以石灰?guī)r為主,致密堅(jiān)硬,局部發(fā)育少量巖溶裂隙,溶蝕孔洞裂隙大部分被填充,充填物以碳酸鹽風(fēng)化產(chǎn)物、方解石脈、泥巖等為主。因此奧灰頂部古風(fēng)化殼富水性弱,透水性小。

由于研究區(qū)地質(zhì)勘探程度和其他條件等的限制,本次確定的刻畫奧灰古風(fēng)化殼隔水性能的指標(biāo)主要包括巖芯采取率、裂隙發(fā)育情況及充填壓實(shí)程度、隔水段厚度和地質(zhì)構(gòu)造。應(yīng)用GIS的空間數(shù)據(jù)分析、處理和制圖功能,建立各指標(biāo)空間屬性數(shù)據(jù)庫(kù),研究區(qū)的巖芯采取率、裂隙發(fā)育情況及充填壓實(shí)程度、隔水厚度和地質(zhì)構(gòu)造指標(biāo)的歸一化專題圖,如圖2所示。

圖2 各隔水性指標(biāo)歸一化專題Fig．2 Normalization thematic maps of each impermeable indicator

4.2 各指標(biāo)權(quán)重的確定及專題圖疊加

根據(jù)古風(fēng)化殼隔水性能的刻畫指標(biāo),確立層次分析模型,劃分為3個(gè)層次。隔水性評(píng)價(jià)為層次A,巖性(B1)、厚度(B2)、構(gòu)造(B3)構(gòu)建B層次,巖芯采取率(C1)、裂隙發(fā)育情況及充填壓實(shí)程度(C2)、隔水厚度(C3)、地質(zhì)構(gòu)造分布(C4)構(gòu)成C層次。采用專家評(píng)分方法,構(gòu)建隔水性能的層次分析評(píng)價(jià)判斷矩陣,求解矩陣即可確定各隔水性指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)為：W1= 0．061,W2=0．061,W3=0．229 7,W4=0．648 3。

對(duì)各指標(biāo)歸一化專題圖進(jìn)行疊加形成新的專題圖,根據(jù)各指標(biāo)權(quán)重的確定重建拓?fù)湫纬尚碌耐負(fù)潢P(guān)系屬性表。

4.3 模型的建立及分區(qū)評(píng)價(jià)

根據(jù)前述分析與計(jì)算,研究區(qū)古風(fēng)化殼隔水性評(píng)價(jià)模型為

式中,f1(x,y),f2(x,y),f3(x,y),f4(x,y)分別為巖芯采取率、裂隙發(fā)育情況及充填壓實(shí)程度、隔水厚度和地質(zhì)構(gòu)造分布。

根據(jù)評(píng)價(jià)模型中計(jì)算的各個(gè)柵格的隔水性指數(shù),采用自然分級(jí)法對(duì)隔水性指數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)處理,由頻數(shù)統(tǒng)計(jì)可看出(圖3),各級(jí)分區(qū)的閾值分別為0．66, 0．71,0．78,0．87。因此,研究區(qū)奧灰古風(fēng)化殼隔水性能的5級(jí)合理分區(qū)如圖4所示,其中IA≤0．66為隔水性弱區(qū),0．66＜IA≤0．71為隔水性較弱區(qū),0．71＜IA≤0．78為隔水性過(guò)渡區(qū),0．78＜IA≤0．87為隔水性較強(qiáng)區(qū),IA＞0．87為隔水性強(qiáng)區(qū)。

圖3 隔水性指數(shù)頻數(shù)統(tǒng)計(jì)Fig．3 Statistical graph of the aquifuge index

由圖4可知,隔水性強(qiáng)和較強(qiáng)區(qū)集中在兗州向斜等規(guī)模較大褶皺附近、興隆莊北部和東部小部分區(qū)域,該區(qū)域沒有大的斷層影響,各指標(biāo)屬性值也較大;隔水性過(guò)渡區(qū)為隔水性強(qiáng)區(qū)向弱區(qū)的過(guò)渡區(qū)域,東部邊界構(gòu)造密集,構(gòu)造規(guī)模整體相對(duì)較小,對(duì)隔水性能影響相對(duì)小些,巖芯采取率和裂隙發(fā)育情況及充填程度情況對(duì)隔水性較有利,隔水厚度適中;隔水性較弱和弱區(qū)主要在地質(zhì)構(gòu)造較發(fā)育區(qū),東南、西部隔水厚度較小,中部區(qū)域巖石完整性與裂隙發(fā)育及充填程度差,對(duì)其隔水性不利,在井下采掘過(guò)程中應(yīng)高度重視。

圖4 古風(fēng)化殼隔水性評(píng)價(jià)分區(qū)Fig．4 Impermeability evaluation zoning of weathering crust

4.4 隔水性評(píng)價(jià)模型的檢驗(yàn)

根據(jù)研究區(qū)奧灰鉆孔剖面柱狀圖(圖5(a))和古風(fēng)化殼隔水性平面分區(qū)(圖4)可看出,鮑9相對(duì)于鮑11、鮑8和南7而言,古風(fēng)化殼厚度較大,巖芯采取率較高,故其位于隔水性強(qiáng)區(qū)。而鮑11、鮑8和南7由于地處斷裂和褶皺構(gòu)造帶附近,受其影響,巖層較為破碎,巖芯采取率較低,古風(fēng)化殼厚度較小,隔水性位于較強(qiáng)區(qū);興4b相對(duì)鮑9而言,由于其古風(fēng)化殼厚度較小,巖芯采取率也略低,故其隔水性位于過(guò)渡區(qū)。

圖5 奧灰鉆孔古風(fēng)化殼隔水性剖面統(tǒng)計(jì)分析Fig．5 Ancient weathering crust impermeable profile of Ordovician limestone drillings statistics diagram

由圖5(b)和圖4對(duì)比分析可看出,2DX1和DX5相對(duì)DX10而言,古風(fēng)化殼厚度相對(duì)較大,巖芯采取率較高,故位于隔水性較強(qiáng)區(qū),而DX10因地質(zhì)構(gòu)造影響,古風(fēng)化殼厚度較小,巖芯采取率相對(duì)較低,位于隔水性過(guò)度區(qū)。

根據(jù)上述分析,奧灰古風(fēng)化殼隔水性平面分區(qū)結(jié)論與鉆孔剖面柱狀圖統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果比較吻合,隔水性評(píng)價(jià)的平面分區(qū)得到剖面統(tǒng)計(jì)資料的佐證,準(zhǔn)確度較高,評(píng)價(jià)結(jié)果比較理想。

5 結(jié) 論

(1)詳細(xì)分析了礦區(qū)的地質(zhì)、水文地質(zhì)資料和奧灰含水層的含、隔水條件,認(rèn)為區(qū)域內(nèi)奧灰頂部存在古風(fēng)化殼隔水層,且殼厚在區(qū)域上存在差異,對(duì)其殼厚發(fā)育規(guī)律和隔水性能進(jìn)行了深入研究。

(2)鑒于礦區(qū)奧灰古風(fēng)化殼隔水性能不均一性和各向異性,提出了從平面和剖面不同視角立體研究古風(fēng)化殼隔水性能的“塊段理論”。

(3)提出了刻畫古風(fēng)化殼隔水性能的指標(biāo)體系,包括巖性(組合)與結(jié)構(gòu)、地質(zhì)構(gòu)造、鉆孔巖芯采取率、沖洗液消耗量、巖溶裂隙發(fā)育情況與充填壓實(shí)程度和隔水厚度等指標(biāo),其中巖溶裂隙發(fā)育情況與充填壓實(shí)程度再細(xì)劃分為7個(gè)數(shù)量等級(jí),即裂隙不發(fā)育、弱發(fā)育充填、弱發(fā)育部分充填、弱發(fā)育無(wú)充填、發(fā)育充填、發(fā)育部分充填、發(fā)育無(wú)充填。

(4)創(chuàng)建了基于GIS的信息融合型隔水性指數(shù)評(píng)價(jià)模型,并提出了評(píng)價(jià)預(yù)測(cè)的技術(shù)路線和具體工作程序。根據(jù)礦區(qū)勘探資料,確定隔水性指標(biāo),收集并處理數(shù)據(jù),繪制各指標(biāo)專題圖;應(yīng)用信息融合技術(shù),確定各指標(biāo)影響權(quán)重值;數(shù)據(jù)歸一化處理并對(duì)各指標(biāo)歸一化專題圖疊加;運(yùn)用自然分級(jí)法,結(jié)合礦井生產(chǎn)實(shí)踐,確定分級(jí)閾值;建立反映某一柵格位置上的各種指標(biāo)因素對(duì)其產(chǎn)生的疊加影響總和的隔水性評(píng)價(jià)模型。

(5)針對(duì)兗州中部礦區(qū)煤層底板突水和老空水的串層污染問(wèn)題日益嚴(yán)重的現(xiàn)狀,應(yīng)用基于GIS的AHP型隔水性指數(shù)評(píng)價(jià)模型,預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)了研究區(qū)奧灰古風(fēng)化殼隔水性能,提出了隔水性能的5級(jí)分區(qū)。

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Impermeability evaluation method and its application on the ancient weathering crust of carbonatite in Middle Ordovician system in North China coalfield

WU Qiang1,JIA Xiu1,CAO Ding-tao2,LIANG Yong-ping3

(1.State Key Laboratory of Coal Resources and Safe Mining,China University of Mining&Technology(Beijing),Beijing 100083 China;2.Yanzhou Coal Mining Co.,Ltd.,Zoucheng 273500,China;3.Institute of Karst Geology,Chinese Academy of Geological Sciences,Guilin 541004,China)

With the gradual increase in mining depth and the lower coal seam group mining in North China coalfield, the problems of water inrush into coal mine from the Ordovician carbonatite aquifer underlying the coal seam group and the goaf water flow pollution to the Ordovician carbonatite aquifer are growing seriously．According to systematic statistics and analysis of a large number of geological exploration data in the central coalfield of Yanzhou Shandong Province,author carried out a comprehensive study of the ancient weathering crust impermeability from the weathering crust thickness,drilling core recovery rate,drilling fluid consumption,weathering fracture development and filling degree,geological tectonic development and other aspects of the Middle Ordovician limestone,and established the indicator system to characterize its impermeability,and applied the powerful data management and spatial analysis functions of GIS and information fusion technology to create a GIS-oriented information fusion impermeability evaluation method—aquifuge index method,and put forward technology roadmap and specific work procedures of the aquifuge index method, and has applied the method to a real project．

TD745

A

0253-9993(2014)08-1735-07

2014-03-26 責(zé)任編輯：韓晉平

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51174289,41102180);中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助項(xiàng)目(2010YD02)

武 強(qiáng)(1959—),男,內(nèi)蒙古呼和浩特人,教授,博士生導(dǎo)師。E-mail：wuq@cumtb．edu．cn

武 強(qiáng),賈 秀,曹丁濤,等．華北型煤田中奧陶統(tǒng)碳酸鹽巖古風(fēng)化殼天然隔水性能評(píng)價(jià)方法與應(yīng)用[J]．煤炭學(xué)報(bào),2014,39(8)： 1735-1741．

10．13225/j．cnki．jccs．2014．9002

Wu Qiang,Jia Xiu,Cao Dingtao,et al．Impermeability evaluation method and its application on the ancient weathering crust of carbonatite in Middle Ordovician system in North China coalfield[J]．Journal of China Coal Society,2014,39(8)：1735-1741．doi：10．13225/j．cnki．jccs．2014．9002