周全超，張洪清，焦揚(yáng)，于斌, 郭潔

(1.華能煤炭技術(shù)研究有限公司，北京 100070；2.扎賚諾爾煤業(yè)有限責(zé)任公司，滿洲里 012406)

在中國煤礦領(lǐng)域，水害在重特大事故中發(fā)生的次數(shù)是第二位的，僅低于瓦斯，但隨著國家煤炭資源開發(fā)戰(zhàn)略的西移，開采強(qiáng)度的不斷增大，頂板水害逐漸成為制約中國煤礦資源開發(fā)的進(jìn)程主要因素之一[1]。水體下采煤逐漸成為中國煤礦領(lǐng)域面臨的主要問題，為此，水體下煤炭資源的安全回采是中國煤炭工業(yè)未來亟待解決的安全和技術(shù)難題[2]。長期以來，國內(nèi)外學(xué)者對(duì)此開展了大量的技術(shù)研究和工程實(shí)踐。劉清寶等[3]提出了“八位一體”閉環(huán)式煤礦頂板水害管控模式；曾一凡等[4]對(duì)“三圖雙預(yù)測(cè)”進(jìn)行改進(jìn)，并對(duì)煤層頂板進(jìn)行突水評(píng)價(jià)和涌水量預(yù)測(cè)；靳德武等[5]根據(jù)多年的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，針對(duì)榆神礦區(qū)淺埋煤層提出了減水開采中預(yù)疏放水標(biāo)準(zhǔn)的確定方法；在頂板疏放水方面，趙寶峰等[6]對(duì)砂巖含水層的可疏性進(jìn)行研究；在導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育規(guī)律方面，宋立兵等[7]對(duì)軟弱風(fēng)化薄基巖地區(qū)受采動(dòng)影響的覆巖破壞規(guī)律進(jìn)行了研究。目前，單一賦權(quán)法影響了煤層頂板突水危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)的精度，加上“三軟地層”加劇了礦井涌水、潰砂的風(fēng)險(xiǎn)，使得煤礦防治水任務(wù)更加艱巨。

根據(jù)礦井水文地質(zhì)資料，靈東煤礦煤系地層屬典型的“三軟地層”，煤層頂板的砂巖含水層在水壓作用下具有一定的流動(dòng)性，開采一旦波及容易造成井下涌水、潰砂，而且Ⅱ3煤層屬于靈東煤礦首次開采的下層煤層，水文地質(zhì)條件不清，礦井富水性區(qū)域展布特征不甚明確。為實(shí)現(xiàn)Ⅱ3煤層首采工作面的安全順利回采，因此需要對(duì)礦井的水文地質(zhì)特征、富水區(qū)分布特征、導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度等進(jìn)行深入研究。為此現(xiàn)以靈東煤礦Ⅱ3煤層頂板砂巖含水層為研究對(duì)象，充分挖掘礦井已有勘探資料，運(yùn)用組合賦權(quán)法和多源信息融合技術(shù)對(duì)頂板砂巖含水層進(jìn)行突水危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)，對(duì)今后煤層頂板水害防治具有極大的指導(dǎo)意義。

1 研究區(qū)概況

靈東煤礦位于內(nèi)蒙古自治區(qū)滿洲里市扎賚諾爾礦區(qū)，井田南北長7.24 km，東西長3.84 km，面積27.8 km2，分為西、東兩個(gè)采區(qū)，由于東采區(qū)暫無采掘計(jì)劃，故本次研究范圍為西采區(qū)。井田內(nèi)地形平坦，呈南高、北低之勢(shì)，地層由老至新依次為白堊系下統(tǒng)大磨拐河組(K1d)、伊敏組(K1y)，第四系(Q)。含煤地層為白堊系下統(tǒng)伊敏組(K1y)，主采煤層為 Ⅱ2-1、Ⅱ3煤層。Ⅱ3煤層厚度為8.64～26.08 m，平均厚度15.92 m，由東北部向西南部逐漸變薄，厚度比較穩(wěn)定，變化不大。

自地表至Ⅱ3煤層，由上而下劃分為第四系砂礫含水層、Ⅰ1上煤頂板中、粗砂巖含水層、Ⅰ煤層間砂巖含水層、Ⅱ2-1煤層頂板砂巖含水層、Ⅱ3煤層頂板砂巖含水層。上述前4個(gè)含水層由于距離Ⅱ3煤層較遠(yuǎn)，對(duì)Ⅱ3煤層安全開采基本無威脅；而Ⅱ3煤層頂板砂巖含水層由于距離Ⅱ3煤層較近，部分區(qū)域直接賦存于Ⅱ3煤層頂部，缺乏有效隔水層，對(duì)Ⅱ3煤層安全開采產(chǎn)生較大威脅。本次研究對(duì)象為Ⅱ3煤層頂板砂巖含水層，在研究區(qū)內(nèi)普遍發(fā)育，巖性以中、粗砂巖為主，泥質(zhì)膠結(jié)，厚度變化較大，裂隙發(fā)育且極不均一。

2 確定含水層富水性的評(píng)價(jià)指標(biāo)

借鑒以往含水層富水性評(píng)價(jià)選取指標(biāo)的經(jīng)驗(yàn)[8-9]，并結(jié)合靈東煤礦現(xiàn)有地質(zhì)、水文地質(zhì)資料的基礎(chǔ)上，從含水層巖性和水力聯(lián)系特征兩個(gè)方面綜合考慮，選取了巖芯采取率、滲透系數(shù)、含水層厚度、脆塑性巖厚度比、砂泥巖互層特征5個(gè)指標(biāo)作為評(píng)價(jià)Ⅱ3煤層頂板砂巖含水層富水性的評(píng)價(jià)指標(biāo)。

(1)巖性采取率。巖性采取率能直觀地反映巖層裂隙的發(fā)育程度。一般來說，它作為巖石質(zhì)量指標(biāo)可以用來表示巖體的完整性，巖石越破碎，取芯率越低，富水性越好。巖石越破碎，表明巖層越具有良好的儲(chǔ)水空間，巖層才能具有豐富的水源。

(2)滲透系數(shù)。對(duì)于巖層而言，滲透系數(shù)是表明流體在其內(nèi)部通過的難易程度，與巖石、流體的性質(zhì)有關(guān)，能在一定程度上反映巖層的富水性。

(3)含水層厚度。含水層中砂巖的厚度是富水性強(qiáng)弱的一個(gè)直接指標(biāo)，厚度越大富水性越強(qiáng)[10]。尤其是砂巖中的粒度越大，厚度越大，富水性越強(qiáng)。

(4)脆塑性巖厚度比。由于脆性巖層和塑性巖層的巖石性質(zhì)不同，在受力后表現(xiàn)出不同的破裂特征，塑性巖以塑性變形為主，產(chǎn)生的裂隙較少；而脆性巖以張破壞和剪破壞為主，形成大量的節(jié)理和裂隙，提高了巖層的富水性。

(5)砂泥巖互層特征。一般來說，砂巖和泥巖的互層數(shù)越多，水流在含水層內(nèi)部流動(dòng)越困難，其滲透性能越差，富水性越弱。

通過對(duì)靈東煤礦西采區(qū)現(xiàn)有鉆孔資料進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、分析，再將數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理，運(yùn)用ArcGIS軟件生成各個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)歸一化專題圖，如圖1所示。

圖1 評(píng)價(jià)指標(biāo)歸一化圖

3 組合賦權(quán)的計(jì)算方法

3.1 熵權(quán)法

它能在賦權(quán)過程中避免人為因素的干擾，是常用的一種客觀賦權(quán)的權(quán)重方法之一[11]。熵值的大小能反映出評(píng)價(jià)指標(biāo)的離散程度，信息熵值越大，指標(biāo)的離散程度就越小，表明指標(biāo)的權(quán)重就越?。环粗?，指標(biāo)的權(quán)重就越大。以n個(gè)指標(biāo)、m個(gè)評(píng)價(jià)對(duì)象為例，其計(jì)算步驟如下。

步驟1建立原始數(shù)據(jù)矩陣。

(1)

步驟2對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理，得到標(biāo)準(zhǔn)化矩陣。

由于評(píng)價(jià)指標(biāo)又分為正向指標(biāo)和負(fù)向指標(biāo)，歸一化處理時(shí)采用不同的公式。

對(duì)正向指標(biāo)，計(jì)算公式為

(2)

對(duì)負(fù)向指標(biāo)，計(jì)算公式為

(3)

得到標(biāo)準(zhǔn)化矩陣為

(4)

步驟3利用式(5)和式(6)計(jì)算熵值。

(5)

(6)

步驟4根據(jù)式(7)計(jì)算各評(píng)價(jià)指標(biāo)的客觀權(quán)重。

(7)

將影響Ⅱ3號(hào)煤層頂板砂巖含水層富水性評(píng)價(jià)各評(píng)價(jià)指標(biāo)，按照式(1)～式(7)進(jìn)行計(jì)算，得到其客觀權(quán)重。

3.2 層次分析法

層次分析法[12]的核心思想是先將復(fù)雜問題進(jìn)行分解，建立層次結(jié)構(gòu)模型；其次通過構(gòu)造判斷矩陣，來分析各個(gè)因素的重要性，即通過專家自身的經(jīng)驗(yàn)對(duì)指標(biāo)的重要性進(jìn)行打分，形成判斷矩陣；然后計(jì)算判斷矩陣的最大特征值及與其對(duì)應(yīng)的特征向量；最后對(duì)層次排序及其一致性進(jìn)行檢驗(yàn)。根據(jù)影響Ⅱ3煤層頂板砂巖含水層富水性的評(píng)價(jià)指標(biāo)建立層次結(jié)構(gòu)模型如圖2所示，結(jié)合專家意見對(duì)各評(píng)價(jià)指標(biāo)的重要性進(jìn)行打分，構(gòu)造判斷矩陣，對(duì)判斷矩陣進(jìn)行計(jì)算，并滿足其一致性檢驗(yàn)，最后得到各評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重，如表1所示。

圖2 層次結(jié)構(gòu)模型

表1 評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重值

3.3 組合賦權(quán)法

由于層次分析法是一種主觀賦權(quán)法，受人為因素干擾較大；而熵權(quán)法作為一種客觀賦權(quán)法，本身缺在一定的局限，將兩者耦合形成組合賦權(quán)法來確定各評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重，組合賦權(quán)的具體計(jì)算過程采用最小信息熵原理和拉格朗日乘子法[13]，具體計(jì)算公式為

(8)

根據(jù)拉格朗日乘子法求解上述優(yōu)化問題，計(jì)算公式為

(9)

根據(jù)熵權(quán)法和層次分析法得到的權(quán)重值，利用式(8)、式(9)，得到各評(píng)價(jià)指標(biāo)的組合權(quán)重，見表1。

4 基于組合賦權(quán)法的Ⅱ3煤層頂板砂巖含水層富水性評(píng)價(jià)

引用武強(qiáng)等[9]提出的富水性指數(shù)法建立靈東煤礦Ⅱ3煤層頂板砂巖含水層富水性評(píng)價(jià)模型[式(10)]。最后運(yùn)用ArcGIS得到Ⅱ3煤層頂板砂巖含水層富水性分區(qū)圖，如圖3所示。

圖3 富水性分區(qū)圖

=0.154 9f1(x,y)+0.230 2f2(x,y)+

0.320 9f3(x,y)+0.125 4f4(x,y)+

0.168 6f5(x,y)

(10)

式(10)中：WR為富水性指數(shù)；λk為評(píng)價(jià)指標(biāo)組合權(quán)重；(x,y)為地理坐標(biāo)；fk(x,y)為評(píng)價(jià)指標(biāo)；n為評(píng)價(jià)指標(biāo)的個(gè)數(shù)。

5 導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度預(yù)計(jì)

靈東礦Ⅱ3煤層頂板基巖柱厚度218.00～357.55 m，平均厚度301.77 m，其中泥巖類巖層厚度平均占比70.58%，砂巖類巖層厚度平均占比29.42%，巖石膠結(jié)較松散，抗壓強(qiáng)度低，屬軟巖～極軟巖。靈東礦Ⅱ3煤層西采區(qū)煤層平均厚度22.72 m，擬分為頂、底兩層進(jìn)行開采，頂分層采用綜放采煤工藝，采高12.0 m，目前規(guī)范中的“兩帶”公式已不適用，且礦區(qū)缺乏實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。為此，采用類比法、相似材料模擬試驗(yàn)對(duì)頂分層開采后的覆巖破壞高度進(jìn)行預(yù)計(jì)，從而得出合理的覆巖破壞高度預(yù)計(jì)結(jié)果。

5.1 類比法

由于靈東礦緊鄰的靈泉礦、鐵北礦和靈露礦已具有多年的開采實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)其導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度來指導(dǎo)靈東礦Ⅱ3煤層安全開采具有重要意義，因此，對(duì)靈泉礦、鐵北礦、靈露礦以及靈東煤礦Ⅱ2-1煤層的兩帶發(fā)育高度進(jìn)行總結(jié)，得到采厚與導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度關(guān)系圖，見圖4?？梢钥闯觯`東煤礦Ⅱ3煤層頂分層在最大采厚12 m時(shí)，其導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度預(yù)計(jì)為73 m。

圖4 導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度趨勢(shì)圖

5.2 相似材料模擬試驗(yàn)

為進(jìn)一步驗(yàn)證類比方法預(yù)計(jì)結(jié)果的可靠性，采用相似材料模擬試驗(yàn)手段對(duì)Ⅱ3煤層與Ⅱ2-1煤層重復(fù)開采的覆巖破壞規(guī)律進(jìn)行研究。實(shí)驗(yàn)采用CM400/25型二維平面應(yīng)變?cè)囼?yàn)臺(tái)，該平臺(tái)的尺寸為4.0 m×0.25 m×1.4 m(長×寬×高)，確定容重相似比為1∶1.3，強(qiáng)度相似比為325，時(shí)間相似比為10。最終，模型鋪設(shè)長度400 cm，模型兩側(cè)各留設(shè)40 cm煤柱，設(shè)計(jì)煤層開挖長度320 cm，換算后對(duì)應(yīng)工作面走向?qū)嶋H推進(jìn)距離為800 m。模型鋪設(shè)高度1.1 m，相當(dāng)于鋪設(shè)275 m的巖層厚度，上覆未模擬的巖層以載荷形式施加于模型頂部，該載荷按埋深計(jì)算實(shí)際約為3 MPa，經(jīng)換算后該載荷通過杠桿和鐵塊加載于模型頂部。

Ⅱ3煤層頂分層開采工作面推進(jìn)過程中裂隙帶發(fā)育高度變化見圖5。在工作面推進(jìn)87.5～215 m期間，導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育速度最快；在工作面推進(jìn)至 215～350 m時(shí)，裂隙帶發(fā)育緩慢，Ⅱ3煤層與 Ⅱ2-1煤層層間巖層同步協(xié)調(diào)彎曲下沉；在工作面推進(jìn)至400 m時(shí)，導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度達(dá)到最大75 m。

圖5 工作面推進(jìn)距離與導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度關(guān)系圖

5.3 “兩帶”高度選取

通過類比與相似材料模擬相結(jié)合的方法對(duì)Ⅱ3煤層近距離開采的覆巖破壞高度進(jìn)行了預(yù)計(jì)，兩種方法預(yù)計(jì)結(jié)果較為接近，為了安全起見并結(jié)合以往類似條件開采實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，采用相似材料模擬“兩帶”發(fā)育高度75 m作為最終結(jié)果。

6 頂板突水危險(xiǎn)性分區(qū)

由于Ⅱ3煤層距離頂板砂巖含水層為0～37.75 m，根據(jù)確定的導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度75 m分析，導(dǎo)水裂隙帶已經(jīng)全部發(fā)育到砂巖含水層中，根據(jù)鉆孔數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育到含水層中的距離已達(dá)到含水層厚度的50%以上，頂板突水危險(xiǎn)性完全取決于含水層富水性程度，為此，在充分征求專家意見并結(jié)合靈東礦區(qū)水文地質(zhì)特征的基礎(chǔ)上提出了頂板突水危險(xiǎn)性劃分標(biāo)準(zhǔn)，見表2。

最后，依據(jù)表2的劃分標(biāo)準(zhǔn)并運(yùn)用ArcGIS得到Ⅱ3煤層頂板突水危險(xiǎn)性分區(qū)圖，見圖6。

表2 危險(xiǎn)性等級(jí)劃分表

由圖6可以看出，研究區(qū)大部分地區(qū)都是危險(xiǎn)區(qū)，這是由于導(dǎo)水裂隙帶溝通了較強(qiáng)-強(qiáng)富水性的含水層，且導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育到含水層中的距離占含水層厚度的50%以上；研究區(qū)的東南部頂板突水危險(xiǎn)性較小，主要是該區(qū)域的富水性較小，涌水量小。

圖6 煤層頂板突水危險(xiǎn)性分區(qū)圖

為此，結(jié)合礦區(qū)實(shí)際情況，提出“疏危、監(jiān)過、采安”的總體控水原則，即在頂板突水危險(xiǎn)區(qū)對(duì)頂板砂巖含水層采用先疏后采的措施，要求在采前予以疏干或疏降至潰沙安全水位；對(duì)頂板突水過渡區(qū)先監(jiān)測(cè)其含水層水位及涌水量，必要時(shí)可采用邊疏邊采的措施；對(duì)頂板突水安全區(qū)采取頂水開采的措施，但要時(shí)刻關(guān)注回采工作面涌水量和含水層水位變化，如有異常及時(shí)上報(bào)。

7 結(jié)論

(1)在利用層次分析法與熵權(quán)法計(jì)算評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重的基礎(chǔ)上，并引入組合賦權(quán)的思想，運(yùn)用拉格朗日乘子法對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重進(jìn)行優(yōu)化組合，避免了單一賦權(quán)法的局限，兼顧了主-客觀賦權(quán)的優(yōu)勢(shì)，極大地提高了權(quán)重的可靠性和準(zhǔn)確性。

(2)采用類比法、相似材料模擬試驗(yàn)的方法對(duì)Ⅱ3煤層的覆巖破壞高度進(jìn)行了預(yù)計(jì)，最后得到在采厚12 m的情況下，導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度為75 m。

(3)應(yīng)用ArcGIS平臺(tái)繪制了靈東煤礦Ⅱ3煤層頂板突水危險(xiǎn)性分區(qū)圖，并將研究區(qū)劃分為危險(xiǎn)區(qū)、過渡區(qū)和安全區(qū)，結(jié)合礦區(qū)實(shí)際情況，提出“疏危、監(jiān)過、采安”的總體控水原則，為今后礦井的疏放水設(shè)計(jì)和安全生產(chǎn)工作提供了依據(jù)。