基于Surfer的煤层底板突水评价方法及其应用

张成行，郑洁铭，张玉卓，徐智敏

(中国矿业大学 资源与地球科学学院，江苏 徐州 221116)

我国矿井的水文地质类型较为复杂和多样，长期以来，矿井底板突水严重威胁矿井安全生产[1-3]。目前浅部煤炭资源日渐枯竭，深部资源开采已经成为重点[4-5]。随着井田向深部开采，太原组石灰岩(简称为“太灰”)含水层距离煤层底板越来越近，煤层底板承受的水压也越来越高，导致突水威胁性逐渐增大[6-8]，对底板突水危险性评价的要求更高。

目前,常应用于评价煤层底板突水危险性的理论方法有突水系数法、“下三带”理论、GIS耦合评价法、模糊综合评判法、模糊层次分析法、Fisher判别法，以及多模型融合评价方法等[9-10]。其中突水系数法比较简单、易懂，但仅考虑了隔水层和水压两个因素对底板突水的影响，具有一定的局限性；GIS耦合评价法结果比较符合实际,但缺乏对脆弱性指数的统一标准,且普及程度和实用性有限；模糊综合评判法、Fisher判别法等方法的实现也要满足其适用条件和大量可靠的参数。因此，这些方法难以得到全面的推广和应用。

具有多元信息复合叠加、计算和绘图功能的Surfer软件，能够简单、快捷地绘制出底板突水评价分区图[11-13]。笔者以车集矿29采区为例,应用Surfer软件平台构建评价模型，用其评价研究区煤层底板太灰含水层突水威胁性[14-15]，对煤矿资源安全开采具有重要的指导意义。

1 研究区地质概况

研究区位于河南省永城市车集井田，受呼庄向斜、背斜的影响，煤岩层走向、倾向变化较大，呼庄向斜西翼煤岩层倾角为12°～14°，呼庄向斜的东翼和呼庄背斜的两翼煤岩层倾角为6°～10°。主采的二2煤层的地层柱状图如图1所示。

图1 地层柱状图

煤层厚度为0.67～3.65 m，平均厚度2.89 m。石炭系太灰含水层顶界距二2煤层底板约50 m，水压最高可达3.97 MPa,煤炭开采过程中受其威胁较大。区域内探明断层29条，其中落差10 m以上的断层 7条，受这些断层及呼庄向斜、背斜的影响，区域内伴生及次生小构造比较发育，区域周边有大量的火成岩侵入，如图2 所示。

图2 研究区水文地质示意图

2 构建层次分析法(AHP)模型

2.1 主控因素的确定及分析

综合分析研究区地质、水文地质资料，以及钻孔实际揭露的情况可知，区域内二2煤层底板距太灰含水层较近，承受的水压较大，隔水层厚度较小、构造较为复杂。根据煤层与含水层相对位置及周围的地质特征等因素，判断地质构造因素可作为主控因素中的重点。此次AHP模型将研究对象分为目标层、准则层和评价层3个层次，如图3所示。

图3 脆弱性评价结构图

2.2 确定各主要控制因素的权重

通常采用专家打分法将各个主控因素对底板突水的“贡献程度”，用“1～9”标度法表示，其结果存在差异性不明显等弊端。为减小误差，经分析后采取“10/10～18/2”标度(见表1)[14-16]。这种标度法的好处在于对相同层次、不同因素之间的重要性采用比例的形式进行比较,按层次最终得出决策目标的测度，拟合性更好。从而能够更加合理地构建判断矩阵，并对矩阵进行一致性检验，当一致性比率CR<0.1时矩阵为有效矩阵[17]。

表1 “10/10～18/2”标度

根据“10/10～18/2”标度对主控因素进行分析，构建判断矩阵，检验其一致性，结果见表2～5。

表2 判断矩阵A—Bi(i=1，2，3)

表3 判断矩阵B1—Ci(i=1，2)

表4 判断矩阵B2—Ci(i=3，4，5)

表5 判断矩阵B3—Ci(i=1，6)

表3与表5分别为二阶与一阶矩阵，本身适宜一致性检验。其中，表2的一致性检验结果：CR=0<0.1；表3的一致性检验结果：CR=0.000 055 89<0.1，均符合要求。计算得出影响煤层底板突水各主控因素的权重如表6所示。

表6 各指标对总目标的权重(i=1～3， j=1～6)

3 主控因素的量化与模型的建立

3.1 主控因素的量化

由于各个主控因素之间的单位量纲都不相同，因此，为保证评价因素的一致性，对主控因素进行归一化处理。处理方法采用min-max标准化处理，归一化后的数据表示为：

(1)

(2)

式中：x*为主控因素量化值；xi为主控因素样本数据;xmin为样本数据的最小值；xmax为样本数据的最大值。

3.2 脆弱性评价模型的建立

根据层次分析法得出的各主控因素的权重系数，建立属性数据库,构建研究区二2煤层底板脆弱性评价模型，其表达式为：

(3)

式中：I为脆弱性指数；Wk为影响因素权重；n为影响因素个数；(x、y)为地理坐标；fk(x,y)为单因素影响值函数。

将层次分析法得到的各主控因素权重值代入式(3)，得到最终的二2煤层底板脆弱性评价模型：

0.208 7f2(x,y)+0.124 9f3(x,y)+0.083 4f4(x,y)+0.102 0f5(x,y)+0.313 0f6(x,y)

由于因素C6为有效隔水层厚度,其与I呈负相关关系，将其量化为负值，C6绝对值越小脆弱性指数越大，越容易引发突水危险；其他5个主控因素与目标层呈正相关关系，其值越大脆弱性指数越大，越易引发突水危险。

4 底板脆弱性分区评价及与传统突水系数法评价结果对比

4.1 底板脆弱性分区评价

根据脆弱性评价模型量化处理后的各主控因素，利用Surfer网格数据模块绘制各主要控制因素的等值线图。根据表6中各指标的权重，结合上述评价模型，将权重分配到各个相应的等值线图，并应用Surfer网格数学输入进行加权叠加，结果如图4 所示。

图4 煤层底板太灰突水脆弱性评价分区图

应用自然断点分级法，得到脆弱性评价分区的阈值分别为：0.24、0.31、0.37、0.45。根据评价分区阈值划分研究区底板太灰脆弱性区域，结果见表7。

表7 研究区底板太灰脆弱性区域划分

由表7可知，脆弱性指数越大，煤层底板太灰含水层突水的可能性也就越大。由图4可知，研究区底板太灰突水脆弱性自西南向北部逐渐增加。研究区中的构造发育区段，其太灰突水脆弱性一般在突水的过渡区和较脆弱区范围之间，在构造控制点的位置尤为明显。

4.2 与传统底板突水系数法对比

运用突水系数法对研究区进行分析，绘制底板太灰突水等值线图，如图5 所示。研究区内构造发育，根据《煤矿防治水细则》第73条规定[18]，突水系数应小于0.06 MPa/m，大于0.06 MPa/m的区域为危险区。

图5 煤层底板突水系数等值线图

由图5可知，研究区突水系数基本在0.10 MPa/m附近及以上，均大于0.06 MPa/m，突水危险性较大。突水系数法仅在考虑水压和隔水层厚度综合作用条件下，对底板危险区进行划分。而在实际回采工作中，工作面西南部水压、水量基本均小于北部，情况与图4分区结果接近。因此，传统的突水系数评价结果过于保守，且具有一定的局限性。而改进的AHP型脆弱性指数法具有融合多元信息因素、分区评价准确等优点，对研究区的脆弱性分区评价更加有效、准确。

5 结语

1)改进优化后的AHP型脆弱性指数法采用拟合性较好的“10/10～18/2”标度法，避免出现传统“1～9”标度分析结果差异性不明显，造成结果出现较大偏差的问题。通过对主控因素的重要性进行比较，使决策目标的评价结果更加合理。

2)根据AHP型脆弱性指数法的原理，结合研究区水文地质资料和数据，运用Surfer软件进行绘图和插值运算，结果能够有效直观地反映研究区的基本地质及水文地质特征。

3)改进AHP型脆弱性指数法将研究区从相对安全区至脆弱区分为5级，评价结果与矿井实际生产情况相比较为准确。为革新车集煤矿底板突水危险性评价奠定了基础，对保证工作面安全开采具有重要的指导意义。