基于GIS保德煤礦8煤層底板突水危險性評價

周露 劉啟蒙

摘 要：為了準確評價保德煤礦下組煤煤層底板奧灰水突水危險程度，以8煤層開采為例，分析確定了煤層底板突水的各主控因素，通過建立AHP模型計算得出各主控因素權重。并在此基礎上得到基于GIS的脆弱性評價模型，對8煤層底板突水危險性做出評價并分區，然后與傳統的突水系數法進行比較分析。結果表明，相對于傳統的突水系數法只考慮了水壓和隔水層厚度兩個影響因素，基于GIS的脆弱性指數法更能反映不同區域的相對脆弱情況，更加符合實際情況。

關鍵詞：底板突水;層次分析法;GIS;脆弱性指數法

中圖分類號： TD741文獻標志碼：A

文章編號：1672-1098（2021）02-0057-05

收稿日期：2020-08-03

作者簡介：周露（1995-），女，重慶合川人，在讀碩士，研究方向：礦井水害與防治。

Risk Assessment of Floor Water Inrush in NO.8 Coal Seam of Baode Coal Mine Based on GIS

ZHOU Lu， LIU Qimeng

（School of Earth and Environment， Anhui University of Science and Technology， Huainan Anhui 232001， China）

Abstract：In order to accurately evaluate the risk degree of Ordovician limestone water inrush in the lower coal seam floor of Baode coal mine， taking the mining of NO.8 coal seam as an example， the main control factors of water inrush from coal seam floor were analyzed and determined， and the weight of each main control factor was calculated by establishing AHP model. And then， the vulnerability evaluation model based on GIS was obtained， with which， the risk of water inrush from the floor of NO.8 coal seam was evaluated， partitioned and then compared with the traditional water inrush coefficient method. The results show that， compared with the traditional water inrush coefficient method， which only considers the water pressure and the thickness of aquiclude， the vulnerability index method based on GIS can better reflect the relative vulnerability of different regions in line with the actual situation better.

Key words：floor water inrush; AHP; GIS; vulnerability index method

近年來，隨著采掘活動的不斷進行，淺部煤炭資源逐漸枯竭，大多數采掘活動轉向深部。由于開采深度增加，地質條件更復雜，且煤層距離太原組灰巖或奧陶系灰巖的距離減少導致水壓增大，底板突水機率增加，采掘難度增大[1]。以往的突水評價理論已經不能解決這種條件下的底板突水評價問題，因此眾多學者提出了多種底板突水評價理論和方法。文獻[2]為解決底板突水預測預報的難題，提出了脆弱性指數法;又在此基礎上，以開灤東歡坨礦北部采區煤層底板突水為研究對象，應用新提出的基于GIS的AHP型脆弱性指數法，且評價結果與實際擬合很好，效果理想[3]。文獻[4]運用基于GIS和AHP耦合理論的脆弱性評價模型對南裕煤礦8煤層底板突水危險性進行評價，且將脆弱性指數法與傳統突水系數法進行比較，結果表明脆弱性指數法更為真實可靠;文獻[5]針對下組煤開采的底板突水問題，提出了基于AHP-TFN的底板突水危險性預測模型;文獻[6]運用基于GIS的AHP型脆弱性指數法對山西李雅莊礦2煤層底板太灰突水問題進行分析評價;文獻[7]從理論和實際兩方面對比分析了基于GIS的AHP型和ANN型脆弱性指數法在底板突水評價應用中的適用性;文獻[8]為提高煤層底板水害評價精度，對比分析了基于GIS的突水系數法和AHP型脆弱性指數法在實際中的應用，結果表明基于GIS的脆弱性指數法更接近實際情況，對煤炭的安全開采更具指導性。

綜上所述，研究礦井突水危險性評價有著必要性和急迫性。然而，傳統的突水系數法只考慮水壓和隔水層厚度兩個因素，需要引入更加符合實際的多源信息融合評價機制。而AHP模型則能考慮到多方面的影響因素，因此本文通過建立AHP模型計算得出各影響因素權重，然后得到基于GIS的脆弱性指數模型，對保德煤礦的全區突水危險性進行了評價和區劃。研究內容對礦區底板突水預警有著一定的借鑒意義。

1 研究區概況

保德煤礦位于山西省保德縣境內，礦區地處黃河東岸、屬黃土高原的晉西北邊緣，區內屬黃河流域水系，朱家川河為區內唯一的季節性河流，從井田中部穿過并匯入黃河。井田內地形切割嚴重，溝深坡陡，礦區內大面積被新生界地層覆蓋，僅在溝谷中出露基巖，區內地層有奧陶系、石炭系、二疊系、新近系及第四系，含煤地層為下二疊統山西組和上石炭統太原組，礦井地質構造簡單。

目前正在開采的煤層為二疊系山西組的8煤層，煤厚2.15～10.50m，平均7.36m，為全區開采穩定煤層。純煤厚1.85～9.01m，平均6.00m;為厚～特厚煤層，以厚煤層為主，煤層結構復雜。煤層直接頂板多為砂質泥巖與泥巖，局部為粗粒砂巖，底板巖性主要以泥巖、砂質泥巖、粉砂巖、細粒砂巖、中粒砂巖、粗粒砂巖和含礫粗砂巖為主。8煤底板至奧陶系灰巖頂界面間距介于93.13～140.52m之間，平均為112.5m。目前開采81307工作面，工作面煤層底板標高低于奧灰水水頭標高839m，最大水頭壓力為1.75MPa，若遇底板隱伏導水構造，則有奧灰水突水危險。

2 AHP模型建立

層次分析法（AHP）通過建立層次結構模型，構造判斷矩陣，計算各因素對總目標層的影響權重[9-10]。根據對突水機理和主控因素關聯性的分析，可將底板隔水層阻隔水性能與各主控因素之間的關系劃分為三個層次，如圖1所示。A層次即為目標層底板隔水層阻隔水性能評價，B層次為中間層將各主控因素劃分為3類，C層次為方案層包括7個主控因素。

收集了研究區18組鉆孔數據，分別涵蓋了上述各項因子的實測與計算數據，如表1所示。

通過兩兩比較主控因素其相對重要性，對照T.L.Saaty創立的1～9標度法進行打分，構建出相鄰兩層次間的判斷矩陣。經過MATLAB編程計算，對判斷矩陣進行調整和修改，使其都通過一致性檢驗，確定出各主控因素的權重（見表2）。

其中Bi（i=1，2，3）表示各中間層相對于總目標A的權重;Ci（i=1～9）表示各主控因素相對于中間層B的權重;WA/Ci表示各主控因素相對于總目標A的權重。

3 GIS空間疊加

地理信息系統（GIS）是利用計算機對空間信息進行處理，將地理環境的各種要素進行數字存儲并建立地理數據管理系統[11]。根據AHP模型得出的各主控因素的權重，將其進行歸一化處理，用GIS處理歸一化數據，得到各主控因素歸一化專題圖，最后進行復合疊加處理配準合成一個新的圖形，并重建拓撲形成新的拓撲關系屬性表[12]。

建立煤層底板突水脆弱性指數法評價模型如式（1）[13-14]所示。

V1=∑7k=1Wk×fk（x，y）=0.047 2f1（x，y）+0.094 4f2（x，y）+0.166 9f3（x，y）+0.166 9f4（x，y）+0.103 7f5（x，y）+0.257 3f6（x，y）+0.163 6f7（x，y）（1）

式中： VI為脆弱性指數， Wk為各主控因素權重，fk（x， y）表示各主控因素函數，x， y表示地理坐標。

利用表1的數據，使用ArcGIS進行克里金插值，分別繪制出隔水層厚度、8煤底板深度、8煤厚、奧灰水壓、涌水量、沙泥比和C共七組因子圖，如圖2所示。為了便于計算，對其均進行了標準化處理。

根據脆弱性指數頻率直方圖，運用自然分級法確定分區閾值，對煤層底板突水脆弱性進行分區，得到煤層底板突水脆弱性評價分區圖，如圖3左圖。

4 突水系數計算

根據表1中的奧灰水壓和隔水層厚度數據，采用《煤礦防治水細則》中的突水系數計算公式[15]，計算出研究區18個鉆孔的突水系數，并利用GIS對該數據進行插值，并繪制突水系數等值線如圖3右圖。

從圖3中可以看出，突水系數在礦井的北部，西南部偏高，而在東南部偏低，與突水脆弱性評價的分區較相似。但在礦井的中東部地區，即脆弱性分區的相對安全區，突水系數卻偏高，這可能是由于該地區僅有一個鉆孔，使得插值不夠精確所導致的。

由于傳統的突水系數法只考慮到水壓和隔水層厚度兩個影響因素，計算得出的突水系數往往與實際不符，而AHP則能考慮到影響底板突水的多方面因素。通過建立AHP模型計算得出各影響因素的權重，然后在此基礎上得到的基于GIS的脆弱性評價分區圖取得了較好的效果，較符合實際情況。

5 結論

（1）確定了7個影響保德煤礦8煤層底板突水的主控因素，通過建立AHP模型計算得出各主控因素權重，其中隔水層厚度、砂泥巖比、水壓、單位涌水量所占權重較大，對8煤層底板突水有重要影響。

（2）利用7組因素，基于ArcGIS進行了克里金插值，繪制了七組因素的等值線圖，將AHP法的權重與之相結合并進行空間疊加，繪制了煤層底板的突水危險性評價分區。礦井突水系數總體上都小于臨界突水系數（0.06MPa/m），但可能存在垂向構造導致突水。

（3）將脆弱性評價分區圖與突水系數圖進行對比，結果表明，傳統的突水系數法的計算結果往往與實際不符，而脆弱性分區較為合理，更符合實際情況，對礦井安全生產具有一定意義。

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（責任編輯：李 麗）