鐵新煤礦9#煤層底板突水危險性評價*

孫曉宇

(1.天地科技建井研究院；2.北京中煤礦山工程有限公司)

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·安全·環保·

鐵新煤礦9#煤層底板突水危險性評價*

孫曉宇1,2

(1.天地科技建井研究院；2.北京中煤礦山工程有限公司)

為解決我國煤礦普遍面臨的煤層底板突水評價難題，以鐵新煤礦9#煤層為例，引入了基于GIS的AHP型脆弱性指數評價法。首先確定了影響煤層底板突水的9個主控因素，采用GIS數據分析、圖形可視化等功能對該類主控因素進行量化分析處理，建立各子專題圖層；然后運用AHP法確定各主控因素的權重比例，在此基礎上提出了煤層底板突水脆弱性的分區方案，并根據各區特點提出了相應的防治措施；最后分別采用傳統突水系數法、脆弱性指數法進行了煤層底板突水危險性評價，結果表明：脆弱性指數法得出的評價結果更符合實際，對于指導該煤層安全開采有一定的參考價值。

煤層底板突水主控因素脆弱性指數法突水系數法

我國大部分煤田普遍存在煤層底板突水問題，往往會造成大量的人員傷亡以及無法彌補的經濟損失[1]。為正確指導煤礦安全開采，需精確預測評價煤層底板突水。煤層底板突水是多種影響因素共同誘發的結果，發生過程多表現為非線性動態特征[2]，傳統的理論預測方法無法全面描述多因素影響下的非線性動力現象，而顧及了多種主控因素的脆弱性指數法可真實反映非常復雜突水機理的突水過程，有助于高效預測評價煤層底板突水。

鐵新煤礦位于靈石縣兩渡鎮太西村—閆家山村—新莊一帶，屬于陽泉曲—汾西盆狀復向斜構造帶，井田內地面向斜、背斜、斷層及滑坡構造較發育，在礦井開拓過程中揭露了大量斷距較小的正斷層。鐵新煤礦水文地質勘探鉆孔TX1、TX2、TX3揭露的奧灰峰峰組水位標高均高于9#煤層隔水底板標高，為94～115 m，屬于帶壓開采，可見9#煤層底板隔水層在一定程度上受到奧灰巖溶含水層承壓水的影響，水壓最大值可達2.02 MPa，給煤礦的正常生產帶來了較嚴重的安全隱患。隨著礦井生產的不斷深入，如何解決奧灰巖溶含水層承壓水對9#煤層開采帶來的威脅，保證礦井的安全生產和提高礦井經濟效益，具有一定的現實意義。

1　煤層底板突水危險性評價

脆弱性指數法是一種將可確定影響煤層底板突水的多種主控因素的權重系數信息進行融合并與具有強大空間信息分析處理功能的GIS耦合為一體的煤層底板突水預測方法[3]。本研究采用基于GIS的AHP脆弱性指數法對鐵新煤礦9#煤層底板突水危險性進行預測評價。首先，采用GIS對鐵新煤礦9#煤層底板突水各主控因素的圖形信息進行量化；其次，采用AHP對各主控因素進行定量化處理，分別計算出對煤層底板突水的影響權重；最后，將AHP對影響煤層底板突水的各主控因素權重的計算結果通過GIS的空間復合疊加功能進行煤層底板突水脆弱性評價分析[4]，并以圖形的形式將煤層底板突水分區結果直觀地反應出來。

1.1主控因素確定及專題圖繪制

通過分析鐵新煤礦的水文、地質及生產資料以及突水因素，并結合煤層底板水害主控因素指標體系[5-6]，確定了影響鐵新煤礦9#煤層底板突水的9個主控因素，即奧灰巖溶含水層水壓、含水層富水性、礦壓破壞帶深度、斷層規模指數、斷層褶皺軸的分布、斷層褶皺交點和端點分布、礦壓破壞帶下脆性巖厚度、有效隔水層等效厚度、含水層頂部古風化殼厚度。

主控因素專題圖是指能夠反映該主控因素在評價范圍內分布狀況的圖件，并附有相應的屬性數據。首先，通過對影響鐵新煤礦9#煤層底板突水的9個主控因素的基礎數據進行整理分析；然后利用GIS進行插值計算處理；最后通過GIS的圖形輸出系統輸出各主控因素專題圖(圖1)。

圖1　煤層底板突水主控因素專題圖

1.2各主控因素影響權重確定1.2.1層次結構模型構建

將影響鐵新煤礦9#煤層底板突水的9個主控因素劃分為3個層次[6](圖2)，其中，煤層底板突水脆弱性評價為A層次，作為煤層底板突水評價模型的目標層；B層次作為煤層底板突水可能性的準則層；C層次作為煤層底板突水的決策層。

1.2.2主控因素影響權重

本研究采用AHP法計算了鐵新煤礦9#煤層底板各主控因素對突水脆弱性的貢獻權重，結果表1。

1.3煤層底板突水脆弱性評價分區1.3.1專題圖數據歸一化

為有效消除影響鐵新煤礦9#煤層底板突水的9個主控因素各自數據之間的不同量綱，需對該9個主控因素的數據進行歸一化處理，使不同量綱的數據相對化，便于進行統計分析[7]，歸一化公式為

圖2　奧灰突水脆弱性評價層次分析結構模型

(1)

式中，Ai為歸一化后數據；Xi為歸一化前數據，min(xi)、max(xi)分別為各主控因素量化值的最小值和最大值。

在影響鐵新煤礦9#煤層底板突水的9個主控因素中，有效隔水層等效厚度、隔水層脆性巖厚度及古風化殼厚度3個主控因素為正相關因素，對于該3個正相關主控因素可直接進行歸一化處理；而對于其他6個負相關主控因素，本研究采用(1-Ai)的方式進行歸一化，求出負向相關因素的歸一化值。

表1　影響煤層底板突水各主控因素權重

1.3.2主控因素歸一化專題圖繪制

鐵新煤礦9#煤層底板突水的9個主控因素的原始數據經統一歸一化處理后，便可建立該9個主控因素的歸一化屬性數據庫。歸一化屬性數據庫經GIS處理后，便可繪制出該9個主控因素的歸一化專題圖。

1.3.3專題圖復合疊加

首先，將鐵新煤礦9#煤層底板突水的9個主控因素歸一化專題圖消除量綱；然后，通過GIS配準合成一個新的圖形，并附有新的拓撲關系屬性表；最后，將9個主控因素歸一化專題圖通過GIS的疊加功能進行疊加處理，生成一個包含所有相關因素信息的疊加圖。

1.3.4脆弱性指數法模型構建

根據脆弱性指數法的脆弱性模型可得出鐵新煤礦9#煤層底板突水的脆弱性模型為[8]

Ⅵ=0.196 92 f1+0.098 46 f2+0.223 58 f3+0.074 53 f4+

0.074 53 f5+0.155 71 f6+0.047 15 f7+0.042 86 f8+0.086 26 f9，

(2)

式中，f1,f2,…,f9為各主控因素影響值函數。

1.3.5煤層底板突水脆弱性分區評價

根據所求的脆弱性指數進行鐵新煤礦9#煤層底板突水脆弱性分區，首先對脆弱性指數進行統計分析；然后繪制出鐵新煤礦9#煤層底板突水脆弱性指數Ⅵ累計統計直方圖[9](圖3)；最后在該圖中找出拐點值作為分區閾值，確定相應的脆弱性分區。

圖3　底板突水脆弱性指數頻數Ⅵ累計統計直方圖

根據分級閾值將研究區域劃分為5個區域，Ⅵ∈(0.6，0.79)為脆弱區，屬于Ⅰ區；Ⅵ∈(0.48，0.6)為較脆弱區，屬于Ⅱ區；Ⅵ∈(0.36，0.48)為過渡區，屬于Ⅲ區；Ⅵ∈(0.24，0.36)為較安全區，屬于Ⅳ區；Ⅵ∈(0.09，0.24)為相對安全區，屬于Ⅴ區。通過對確定閾值和劃分區域，得到了鐵新煤礦9#煤層底板突水脆弱性評價分區圖(圖4)。

圖4　9#煤層底板突水脆弱性評價分區

1.3.6評價結果

(1)礦區范圍內9#煤層底板奧灰突水可能性總體較低，呈EW向過渡態勢，礦區西部為相對安全區，礦區東部為較安全區，根據各主控因素的分析，奧灰突水的可能性不大。

(2)T10、T2鉆孔附近區域屬于過渡區域，在掘進過程中應嚴格執行“有掘必探，先探后掘”的探放水原則，根據水量和水壓的變化情況采取疏水降壓和注漿改造的防治水措施。

(3)礦區范圍內斷層和褶皺分布的區域大部分屬于過渡區，有小部分屬于較脆弱區，由于該類構造的存在破壞了隔水地層的連續性，當生產中遇到該類構造時，可能會作為導水通道直接或間接地將奧灰水引入工作面造成嚴重后果。因此，在生產過程中，須確切查明斷裂帶的走向、傾向、傾角和斷距及其沿走向的變化，正確合理地留設防隔水煤(巖)柱。個別巷道須穿越斷裂時，則須超前探查和注漿加固，并注意可能發生的“延遲滯后型突水”問題。

2　脆弱性指數評價法與突水系數評價法比較

突水系數計算公式為

(3)

式中，T為突水系數，MPa/m；M為底板隔水層厚度，m；P為底板隔水層承受的水壓，MPa。

通過對研究區相關水文地質資料的統計分析，可知9#煤層底板隔水層厚24～37.8 m，水壓為0.42～2.02 MPa。根據突水系數評價方法進行計算分析可知，研究區內的突水系數為0.013～0.053 MPa/m。

根據《煤礦防治水規定》，在構造發育地段的臨界突水系數值為0.06 MPa/m，在正常地段的臨界突水系數值為0.1 MPa/m。由于研究區構造較發育，為安全考慮，取臨界突水系數0.06 MPa/m，對研究區9#煤層進行了突水危險性評價分區，結果見圖5。由圖5可知：研究區9#煤層底板奧灰突水系數值都在0.06 MPa/m以下，全區處于安全區內。

圖5　9#煤層底板突水危險性評價分區

圖4、圖5對比分析結果表明：①突水系數法評價結果僅有安全區，無相應的過渡區，顯然與鐵新煤礦實際地質情況不符；而脆弱性指數法評價結果較精細，從相對安全區到脆弱區大致分為5個區，與鐵新煤礦實際地質情況的擬合性較好；②突水系數法僅考慮了煤層底板隔水層厚度及煤層底板隔水層承受的水壓，未考慮斷層、褶皺等構造的影響，因此突水系數法的評價結果與脆弱性指數法相比較粗略；③脆弱性指數法顧及了奧灰水壓、富水性、煤層底板有效隔水層等效厚度等多種煤層底板突水影響因素，而非僅考慮煤層底板承受的奧灰含水層水壓與隔水層厚度，因而評價結果較準確。

3　結　語

以鐵新煤礦9#煤層為例，分析了其底板突水的9個主控因素及相應的權重，該類因素共同影響9#煤層底板突水的演變過程。通過構建鐵新煤礦9#煤層底板突水脆弱性指數法評價模型，得出了該礦9#煤層底板突水脆弱性評價分區圖，并根據各區的特點提出了相應的對策與建議。傳統突水系數法、脆弱性指數法的煤層底板突水危險性評價結果表明，后者評價結果更符合該礦實際情況，對于確保該煤層的安全開采有一定的借鑒價值。

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9#Coal Seam Floor Water Bursting Vulnerability Evaluation in Tiexin Coal Mine

Sun Xiaoyu1,2

(1.Institute of Mine Construction, Tiandi Science & Technology Co., Ltd;2. Beijing China Coal Mine Engineering Co., Ltd)

In order to solve the difficult evaluation problems of the coal seam floor water bursting in China,taking the 9#coal seam in Tiexin coal mine as the research example,the vulnerability index evaluation method based on GIS (Geological information system) and AHP (Analytic hierarchy process) method is proposed.Firstly,the nine main controlling factors that affect the coal seam floor water bursting are analyzed,the nine main controlling factors are taken quantitative processing by adopting the data analysis and graph visualization function of GIS to establish the thematic layers;then,the weighted percentage of each main controlling factor is determined by adopting AHP method,the coal seam floor water bursting vulnerability zoning scheme is proposed,the corresponding prevention measures are taken based on the characteristics of each zone;Finally,the coal seam floor water vulnerability evaluation is conducted by adopting the traditional water bursting coefficient method and the vulnerability index method,the results show that the evaluation results of vulnerability index method is more truthful,it has practical significance to safety production of 9#coal seam of Tiexin coal mine.

Coal seam floor water bursting,Main controlling factor,Vulnerability index method,Water bursting coefficient method

2016-05-30)

*天地科技技術創新基金項目(編號：KJ-2014-BJZM-03)

孫曉宇(1985—)，男，助理研究員，碩士，100013 北京市朝陽區和平里青年溝東路5號。