大同煤田(北區)煤層底板獨立巖溶水系統突水脆弱性評價研究

李 沖，楊文凱，楊 斌，董遠卓，楊 亮

(1.中國煤炭地質總局水文地質局，河北 邯鄲 056004；2.中國礦業大學(北京) 機電與信息工程學院，北京 100083；3.中國煤炭地質總局 第三水文地質隊，河北 邯鄲 056004；4.中國礦業大學(北京) 地球科學與測繪工程學院，北京 100083)

華北型煤田是我國重要產煤區，煤炭資源儲量豐富，其煤系地層及基底分布的石炭紀和奧陶紀灰巖巖溶含水層裂隙發育，富水性強，水頭高，底板巖溶突水事故時有發生[1-7]。大同煤田位于山西省北部，煤炭資源豐富，為全國八大煤炭生產基地之一。該煤田(北區)開采歷史悠久，上部侏羅系煤田已近枯竭，目前各礦井已經逐步由侏羅系煤田向石炭-二疊系煤田延深。該區石炭系煤層以巨厚的寒武-奧陶系碳酸鹽巖為基底，寒武-奧陶系巖溶裂隙水水位標高約850～1200m，總體流向由西向東，富水性弱到中等，該區石炭系5號煤層底板標高約605～1100m，8號煤層底板標高約665～1020m，礦井開采石炭紀煤層時均存在不同程度的巖溶水帶壓開采威脅[8-9]。因此，開展大同煤田(北區)巖溶水系統調查研究工作，并對其煤層底板突水危險性進行評價，以期科學有效地指導煤田的安全生產和建設。

1 研究區概況

研究區位于山西省大同煤田中北部，總面積為515.64km2。該區交通便利，西北地勢較高，區內主要河流為十里河、口泉河和鵝毛口河，屬大陸性季風氣候，多年平均降水量347.1mm。研究區內地層自下而上為寒武系、奧陶系、石炭系、二疊系、侏羅系、白堊系和第四系，其中石炭系主要可采煤層為3號、5號和8號煤層。研究區構造發育受大同向斜和東部北東向大斷裂構造控制，兩翼邊緣斷層較軸部發育，多為正斷層，皺褶發育規模較小。各井田均發育不同規模的陷落柱，且與鄰近斷層走向基本一致。

研究區石炭系煤層開采的充水水源主要為石炭-二疊系砂巖裂隙含水層和底板寒武-奧陶系巖溶裂隙含水層。侏羅系煤層開采后將其上部含水層破壞，形成侏羅系煤層采空區積水，逐漸演化為石炭系煤層頂板間接充水水源。以往勘查成果表明：研究區內各礦井開采石炭系煤層時均受不同程度巖溶水帶壓開采威脅，且隨著開采煤層不斷向下部延伸，煤層底板巖溶突水問題愈加嚴重。

2 獨立巖溶水系統的劃分和圈定

為了準確評價大同煤田(北區)煤層底板巖溶突水危險性，采用遙感、物探、鉆探等多種手段對研究區巖溶水系統進行了調查和研究。依據本次綜合勘查成果并結合中國煤炭地質總局第三水文地質隊確定的“口泉溝南巖溶水水文地質單元”等資料進行分析，發現大同煤田巖溶地下水為具完整補給、徑流、排泄條件的水文地質單元，并將其命名為“大同煤田巖溶水系統”。

大同煤田巖溶水系統東部邊界為推覆構造口泉大斷裂；西部達西石山；北部為青磁窯斷層及寒武系灰巖尖滅線；南部邊界為洪濤山背斜，面積約3000km2。受地形地貌、地層埋藏條件、巖溶發育程度、地質構造等因素的制約，形成了與周邊泉域的各類邊界，其中東部、北部和北西部邊界為固定性邊界，西部、南部和西南部邊界為非固定性邊界。

3 基于GIS-AHP的脆弱性指數法煤層底板巖溶突水危險性評價

本文主要利用基于GIS的AHP型脆弱性指數法對大同煤田(北區)煤層底板巖溶突水危險性進行評價。GIS空間信息處理和分析功能強大，能夠處理影響因素多、條件不精確、信息量巨大的空間信息，其空間復合疊加功能也能夠以可視化地圖的形式給出煤層底板突水的空間分布結果[10-11]。此外，煤層底板突水問題影響因素多，條件不精確，采用AHP能夠綜合多種突水控制因素的影響，對煤層底板突水做出科學合理的評價。

3.1 主控因素的確定和專題圖的建立

影響煤層底板突水控制因素較多，并且各因素之間往往相互關聯。煤層底板突水主控因素的選取，決定了脆弱性指數模型評價結果的準確程度[12-16]。通常，煤層底板下伏承壓含水層是底板突水的先決條件；含水層的富水性和水壓決定了突水量的大小和持續時間；底板隔水層的等效厚度、關鍵巖層位置和脆性巖厚度對底板突水起到了抑制作用；斷層、褶皺及巖溶陷落柱等地質構造的分布和規模是礦井突水的誘導因素和直接原因。在充分研究分析研究區地質和水文地質條件的基礎上，并結合研究區生產經驗資料，最終確定了研究區煤層底板突水主控因素：①寒武-奧陶系含水層水壓；②寒武-奧陶系含水層富水性；③有效隔水層等效厚度；④礦壓破壞帶下隔水層脆性巖厚度；⑤陷落柱分布；⑥斷層與褶皺分布；⑦斷層規模指數；⑧構造交點和端點分布。

借助Surfer和GIS的插值及耦合功能，根據收集的鉆孔數據等資料，分別繪制各主控因素專題圖。

3.2 主控因素權重的確定

在對影響研究區煤層底板突水主控因素分析的基礎上，建立AHP層次分析結構模型，如圖1所示。采用“專家評分”的方法，對各主控因素進行評分，形成專家對影響因素的評判集，并構建研究區目標層A-準則層Bi(i=1，2，3)以及準則層Bi(i=1，2，3)-決策層Cj(j=1，2，3，4)煤層底板突水AHP評價判斷矩陣，分別計算一級評價指標和二級評價指標的權重值，并計算二級評價指標權重總序，層次單排序和層次總排序及其一致性檢驗結果見表1—表5。其中，λmax為判斷矩陣最大特征根，CI為一致性指標，RI為隨機一致性指標，CR為隨機一致性比例，W為權重矩陣，最終矩陣計算出的CR均小于0.1，通過一致性檢驗。

圖1 AHP層次分析結構模型

表1 判斷矩陣A-Bi及一致性檢驗

表2 判斷矩陣B1-Cj及一致性檢驗

表3 判斷矩陣B2-Cj及一致性檢驗

表4 判斷矩陣B3-Cj及一致性檢驗

表5 煤層底板巖溶突水危險性評價指標權重分配

3.3 煤層底板突水脆弱性評價分區

3.3.1 數據歸一化處理

為消除各主控因素不同量綱數據對評價結果的影響，對數據進行歸一化處理，便于統計分析。

式中，Di為歸一化處理后的數據；a和b為歸一化范圍的上下限，分別取0和1；xi為處理前的原始數據；max(xi)和min(xi)分別為各主控因素量化最大值和最小值。

3.3.2 各主控因素歸一化專題圖建立和專題圖疊加

運用GIS處理歸一化后的數據，建立含水層水壓、含水層富水性、有效隔水層等效厚度、礦壓破壞帶下脆性巖厚度、陷落柱分布、斷層與褶皺分布、斷層規模指數、斷層交點和端點分布八個因素的歸一化專題圖，并對各歸一化專題圖疊加覆蓋形成新的包含所有相關信息的復合圖。

3.3.3 脆弱性評價模型建立

脆弱性模型表達式為：

式中，Z為脆弱性指數；n為影響因素數量；Gk為主控因素權重；Jk(x，y)為第k個主控因素歸一化后的數值；x，y為地理坐標。

由此可得出大同煤田(北區)煤層底板突水脆弱性指數模型：

CI=0.2751J1(x，y)+0.1375J2(x，y)+

0.1949J3(x，y)+0.0650J4(x，y)+

0.1471J5(x，y)+0.1042J6(x，y)+

0.0508J7(x，y)+0.0254J8(x，y)

3.3.4 煤層底板巖溶突水脆弱性評價分區

根據建立的脆弱性評價模型，計算出了研究區3號、5號及8號煤層底板巖溶突水脆弱性指數，并利用ArcGis的自然間斷點分級法確定分區閾值，見表6。

表6 煤層底板巖溶突水評價分區結果

根據上述評價模型，最終繪制得到3號、5號、8號煤層底板突水危險性評價分區圖，如圖2所示。分析圖2可知，研究區3號煤層賦存范圍內大部分為安全區，僅在塔山井田西北和馬脊梁井田西部局部為過渡區，底板巖溶突水可能性不大。5號煤層底板巖溶突水可能性較3號煤層有所增加，為中等水平，區內大部分為安全區和過渡區。危險區主要集中在中西部多數構造區域與燕子山井田東部、東周窯井田中東部、同忻井田西北部和馬脊梁井田北中部。整體上研究區西北和東南部及東部危險性較低，研究區中部北東向狹長區域為主要危險區。

產生這種結果的原因主要有兩個：一是5號煤層底部隔水層厚度普遍南部厚，中部有變薄趨勢，在研究區西北部隔水層增厚，相對水頭壓力自西南向東部和東北方向水壓降低，研究區中部的有效隔水層不足以抵抗水壓所致；二是研究區中部構造相對發育，且規模較大。研究區范圍內8號煤層底板突水可能性較5號煤層明顯增高，安全區域僅在研究區北部、東北部和東南部存在，過渡區和危險區面積明顯增加，主要分布在東周窯井田、燕子山井田、馬脊梁井田西南部和塔山井田西南部。由于8號煤層距底板巖溶頂面較近，有效隔水層等效厚度大幅度減小，在隔水層承受巖溶水壓、富水性、構造等條件不變的情況下，致使8號煤層底板突水的危險性增加。

4 結 論

1)經調查研究，發現了大同煤田巖溶地下水為具完整補給、徑流、排泄條件的水文地質單元，并將其命名為“大同煤田巖溶水系統”。

2)圈定了“大同煤田巖溶水系統”的邊界，其東部邊界為推覆構造口泉大斷裂，西部達西石山，北部為青磁窯斷層及寒武系灰巖尖滅線，南部邊界為洪濤山背斜，面積約3000km2。

3)采用基于GIS-AHP的脆弱性指數法對大同煤田(北區)3號、5號和8號煤層底板巖溶突水危險性進行了評價，但同發東周窯井田西部煤層深埋區及燕子山井田西南部鉆孔控制不足，后續開采時應重點加強該區域探查工作。