基于“富水性指數法”的煤層頂板含水層涌水危險性評價

黃 歡，朱宏軍

（1.中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西 西安710077；2.陜西省煤礦水害防治技術重點實驗室，陜西 西安 710077）

煤礦開采過程中，由于煤層采動破壞了工作面圍巖原始應力狀態，圍巖發生變形乃至破壞，當導水斷裂帶發育至上部含水層時，致使含水層水涌入工作面，引發突水事故[1-3]。當前頂板水防治主要是采用超前預疏放的方法對頂板充水含水層進行疏水降壓，以達到工作面涌水量“削峰平谷”的目的[4-5]。因此，需分析頂板含水層富水性影響因素，進而對頂板含水層富水性進行分區研究，評價含水層涌水量危險性，以加強疏放頂板含水層水的針對性。

頂板含水層富水性影響因素主要有含水層厚度、巖心采取率、脆塑性巖厚度比、滲透系數等，研究在定性分析杭錦旗塔然高勒礦井3 煤頂板侏羅系中統-中下統含水層富水性影響因素的基礎上采用層次分析法賦予權重，利用富水性指數法耦合影響因素及其權重，建立頂板含水層涌水危險性評價模型，指導礦井頂板水防治工程。

1 AHP 型富水性指數法原理

1.1 層次分析法

合理選擇評價指標，按照層次分析法（AHP）分級標準，對各個評價指標進行排序，用成對比較法和“9 標度”法構造判斷矩陣，計算每一個判斷矩陣的最大特征根及對應特征向量，利用一致性指標、隨機一致性指標和一致性比率做一致性檢驗。若檢驗通過，特征向量（歸一化后）即為權向量；否則，需重新構造判斷矩陣[6]。

1.2 富水性指數法

為了消除頂板含水層富水性影響因素不同量綱數據對評價結果的影響，首先對數據歸一化處理，使數據具有可比性、有統計意義，便于系統分析。運用GIS 處理歸一化數據，作出各因素歸一化專題圖，建立煤層頂板含水層涌水危險性模型，實際上就是建立表明各影響因素作用的數學模型，這個模型所得出的計算值能反映出礦井某區域煤層頂板涌水的危險程度。利用富水性指數法對煤層頂板含水層涌水危險性進行評價，其定義為礦井某區域的某一柵格位置上的各種影響因素對其產生的疊加影響總和。

式中：WI 為富水性指數；Wk為影響因素權重；（x，y）為地理坐標；n 為影響因素數量；fk（x，y）為單因素影響值函數，在煤層頂板含水層涌水危險性評價中為第k 個影響因素歸一化后的值。

以此模型計算出富水性指數，對煤層頂板含水層涌水危險性進行分級。

2 研究區水文地質條件

塔然高勒煤礦位于東勝煤田塔然高勒礦區中北部，目前礦井主采3 煤，煤層位于延安組第二巖段（J1-2y2）頂部，全區發育且基本全區可采，煤層自然厚度0.21～6.5 m。3 煤上覆主要有白堊系下統志丹群（K1zh）裂隙孔隙潛水～承壓含水層、侏羅系中統直羅組-中下統延安組（J2z～J1-2y）裂隙孔隙承壓含水層，3煤層上覆含隔水層空間位置關系如圖1。侏羅系中統直羅組-中下統延安組（J2z～J1-2y）（J1-2y）巖性主要為淺灰色、灰白色中粗粒砂巖、灰色、深灰色砂質泥巖，次為細粒砂巖、粉砂巖等。由于白堊系下統志丹群含水層距離3 煤約300 m，且存在侏羅系中統頂部安定組（J2a）隔水層，因而與下伏侏羅系中統直羅組-中下統延安組（J2z～J1-2y）含水層不存在水力聯系。3 煤開采主要受上覆侏羅系中統-中下統延安組（J2z～J1-2y）裂隙孔隙承壓含水層影響。

圖1 3 煤上覆含隔水層空間位置關系示意圖Fig.1 Schematic diagram of the spatial relation of aquifer or impermeable strata overlying 3# coal seam

井田內共有23 個鉆孔針對侏羅系中統-中下統含水層進行了抽水試驗，單位涌水量0.005 8～0.232 0 L/(s·m)，富水性弱到中等，向井田西北部及東南部單位涌水量逐漸變小。滲透系數約0.010 7～0.232 m/d，滲透性弱到中等。含水層的厚度為64.8～259.2 mm，厚度較大，分布較為穩定。該含水層地下水位埋深為151.28～231.61 m，水位標高為+1 282.00～+1 322.00 m，水化學類型主要為 Cl·SO4-Na 型水。

3 頂板含水層富水性分區評價

由于侏羅系中統安定組隔水層的存在，使得3煤開采導水斷裂僅溝通上覆侏羅系中統-中下統延安組裂隙孔隙承壓含水層，3 煤開采頂板含水層涌水危險性僅考慮侏羅系中統-中下統延安組裂隙孔隙承壓含水層。

3.1 含水層富水性影響因素

根據對礦井地質、水文地質條件分析，井田范圍三維地震勘探及井下實際揭露顯示該區域構造基本不發育，故此處不考慮構造影響因素。含水層富水性主要影響因素有含水層厚度、巖心采取率、脆塑性巖厚度比、滲透系數，各因素不同程度的影響著含水層富水性，富水性越好，含水層涌水危險性越大[7]。

1）含水層厚度。含水層富水性與其厚度成正相關，含水層厚度越大，富水性越好。以中砂巖、粗砂巖、粗礫巖、砂礫巖、礫巖的厚度作為含水層厚度。

2）巖心采取率。開啟性裂隙是與地表或含水體相連通的裂隙或是不同裂隙組合交切形成的斷裂帶。一般以巖心采取率來反映巖體完整的指標和巖體裂隙交切程度的指標，巖心采取率指含水層巖心長度與含水層厚度比值。

3）脆塑性巖厚度比。巖層中灰巖類、砂巖類、礫巖類常被劃分為脆性巖，其他泥巖類、頁巖類被劃分為塑性巖。脆性巖受力后以剪破壞和張破壞為主要破裂形式釋放應力，使得巖層內裂隙、節理較為發育，滲透能力增強；塑性巖在受力后以塑性變形形式釋放應力，巖層滲透性能變化不大。因此，用脆塑性巖厚度比作為判斷含水層滲透性能的指標。一般情況下，脆性巖占比越大，滲透性能越好。

4）滲透系數。滲透系數是表征巖層透水性的參數，其值取決于巖石與流體的性質。

3.2 含水層富水性影響因素專題圖

根據礦井地質、水文地質資料的分析，利用區內鉆孔資料統計侏羅系中統～中下統含水層厚度、巖心采取率、脆塑巖厚度比、滲透系數等數據（表1）。礦井侏羅系中統～中下統延安組裂隙孔隙承壓含水層厚度為 64.8～259.2 m，滲透系數 K=0.010 7～0.232 m/d，巖心采取率整體較高。對含水層涌水影響因素數據進行歸一化處理，建立各單因素屬性數據庫。運用GIS 處理歸一化數據，作出各單因素歸一化專題圖，含水層厚度歸一化專題圖如圖2。

表1 3 煤頂板侏羅系中統～中下統含水層相關參數統計表Table 1 The statistical table of middle-lower Jurassic aquifer

3.3 AHP 確定影響因素權重

根據對反映含水層富水性各多源地學信息的分析，將其劃分為3 個層次。侏羅系中統～中下統含水層富水性評價作為AHP 模型的目標層（A 層次）；含水層、巖性場和水力場等反映了含水層富水性，即模型的準則層（B 層次）；準則層下各個具體子因素構成AHP 模型的決策層（C 層次）。含水層富水性評價層次分析結構模型如圖3。

圖2 含水層厚度歸一化專題圖Fig.2 The normalized thematic map of aquifer thickness

圖3 含水層富水性評價層次分析結構模型示意圖Fig.3 The AHP structure model of water yield property

根據對反映含水層富水性的多元信息的分析，在咨詢專家意見的基礎上依照9 標度法，對每個因素影響程度進行相對重要性評價，給出每個信息的量化分值，構建3 煤頂板充水含水層富水性AHP 評價判斷矩陣，根據判斷矩陣計算出各層單排序權重，最終得出影響因素總排序權重[8-10]（表2）。

表2 含水層富水性影響因素權重統計表Table 2 The statistical table of weights of influence factors

3.4 構建含水層富水性評價模型

應用GIS 空間信息處理和分析功能，將影響含水層富水性的各因素及其權重耦合。引入富水性指數建立 3 煤頂板侏羅系中統～中下統含水層富水性評價模型[11-14]：

借助GIS 強大的空間數據分析功能計算各信息專題圖疊加后各單元富水性指數值的大小，各單元富水性指數值的大小標識了該單元內充水含水層富水程度，富水性指數值在0～1 之間，值越大說明富水性越好。將富水性指數相同或其值在某一區間的單元歸并即可劃出充水含水層富水程度不同的區域。根據對富水性指數的研究，采用GIS 軟件自然間斷點分級法對單元格富水性指數頻數分布折線圖進行研究，確定 3 煤頂板侏羅系中統～中下統含水層富水性評價分區閾值為 0.29、0.37、0.44、0.52，得到的含水層富水性分區圖如圖4。

圖4 侏羅系中統～中下統含水層富水性分區圖Fig.4 The water enrichment divisions of middle-lower Jurassic aquifer

3.5 含水層富水性分區校正

以上含水層富水性分區是根據層次分析計算的權重綜合得出的，為使分區更加精確以抽水試驗單位涌水量為標準對結果進行檢驗，如結果不夠理想，則修改各影響因素權重，直至分區結果與實際情況相符程度滿足生產要求為止。

經過校正后的含水層富水性分區圖如圖5。由圖5 可以看出，侏羅系中統～中下統含水層在東南部及北部富水性較強，北部首采工作面北部及西南部局部富水較弱，其余地區為富水性中等區。

4 頂板含水層涌水危險性評價

由于開采3 煤形成的導水斷裂帶全部導通了侏羅系中統～中下統含水層，因此，侏羅系中統～中下統含水層涌水危險性完全取決于其富水性的分布情況。根據前述“富水性指數法”獲得礦井3 煤頂板含水層涌水危險性分區。校正之后的富水性分區評價結果，確定突水危險性分區閾值為0.29、0.37、0.45、0.53，以此將礦井3 煤頂板侏羅系中統～中下統含水層涌水危險性劃分為5 個等級。3 煤頂板含水層涌水危險性分區圖如圖6。

圖5 侏羅系中統～中下統含水層富水性分區校正圖Fig.5 The correction of water enrichment divisions of middle-lower Jurassic aquifer

圖6 3 煤頂板含水層涌水危險性分區圖Fig.6 The risk zoning of roof water inrush

從圖6 可知，總體上礦井侏羅系中統～中下統含水層涌水危險性由東南向西北逐漸降低，東南部涌水危險性較高，西南部及北部局部地區涌水危險性較低。首采工作面頂板侏羅系中統～中下統含水層涌水危險性具有分區性，北部整體涌水危險性較弱，南部危險性有增強的趨勢。

5 結 論

1）利用單位涌水量數據修正含水層富水性分區，克服了專家打分基礎上依照9 標度法賦予權重的人為誤差，使得含水層富水性分區更加貼近實際。

2）基于層次分析基礎上的富水性指數法，將礦井3 煤頂板侏羅系中統～中下統含水層涌水危險性分為5 個等級。礦井3 煤頂板含水層涌水危險性由東南向西北逐漸降低，其中首采工作面含水層涌水危險性具有分區性，北部整體涌水危險性較弱，南部危險性有增強的趨勢。