基于Surfer的煤层底板突水危险性评价

李延河 刘宝敏

(中国平煤神马集团平禹一矿，河南省禹州市，450000)

我国华北石炭—二叠纪岩溶型煤田普遍存在着底板灰岩承压水突水灾害问题，随着开采深度的加深和生产规模的扩大，作用在煤层底板上的水压越来越高，突水危险性越来越大。准确评价和预测底板承压水突水危险性是做好煤矿防治水工作的重要前提，《煤矿防治水规定》提出了安全隔水层厚度法和突水系数法，公式简单实用，已广泛用于巷道和采煤工作面的底板突水危险性评价。武强院士将确定底板突水多种主控因素权重系数的信息融合方法与具有强大空间信息分析处理功能的GIS耦合于一体，提出了评价底板突水危险的脆弱性指数法。这种方法综合考虑了各种因素对底板承压水突水的“贡献”，评价结果比突水系数法更符合实际，从而得到广泛认同。但是，GIS软件在基层煤矿普及程度十分有限，同时脆弱性指数缺乏全国统一的标准，从而影响了脆弱性指数法广泛应用。在地质测量等领域广泛使用的Surfer软件具有多元信息复合叠加功能，最突出优势是其拥有十几种数据网格化方法，能够方便快捷地绘制各种等值线图和分区图，而这些正是脆弱性指数法常选择GIS平台的重要理由所在。目前，以Surfer为平台评价煤矿底板突水脆弱性的实例较少，但已有成功的案例。为利于脆弱性指数法的推广应用，本文以平禹一矿为研究对象，以Surfer为平台，联合运用脆弱性指数和突水系数评价矿井深部煤层底板岩溶承压水的突水危险性。

1 平禹一矿灰岩水害背景

平禹一矿位于河南省禹州市北部9 km的古城镇，井田东西长8 km，南北宽0.35～2.4 km，面积13.5 km2。主采二叠系山西组二1煤层和二3煤层，厚度4～7 m，生产能力达150万t/a，现开采标高为-415 m。平禹一矿处在禹州岩溶水系统最下游的承压自流排泄区，煤层底板太灰和寒灰岩溶发育，富水性和导水性强，承压水补给充沛。自1972年以来，已经发生49次突水，造成2次淹井和2次淹采区。尤其是2005年在东大巷发生了特大型寒灰水突水，最大突水量达到38056 m3/h。矿井转入到-415 m水平生产后，作用在煤层底板上的水压超过3 MPa，煤层底板岩溶承压水威胁着矿井安全生产，为安全高效生产，需要评价底板突水危险性，并进行水害分区和综合治理。

2 煤层底板突水影响因素分析

通过综合分析平禹一矿水文地质条件、充水条件及历史上底板岩溶水突水事故，确定了影响平禹一矿底板寒灰岩溶承压水突水的4个主控因素，包括寒灰水压、有效隔水层厚度、断层和灰岩岩溶发育程度及富水性。

2.1 水压

在平禹一矿49次突水中，以太灰L7～8灰岩岩溶水为水源的突水13次，以太灰L1-4灰岩岩溶水为水源的突水8次，以寒武系灰岩岩溶水为水源的突水6次，这也就意味着煤层底板灰岩突水占总突水次数的55%。历史上的4次突水淹井和淹采区事故其水源均为寒灰岩溶水。在27次底板灰岩突水中，21次突水的水压超过3 MPa，最大水压为4 MPa，5次突水的水压在1.8～2.6 MPa之间，1次突水水压为1.1 MPa。由此可见，水压是诱发平禹一矿底板灰岩水突水的关键因素，水压越高，突水危险性越大。当前，平禹一矿寒灰水位为-100 m，-415 m水平承压3.15 MPa，因此带压采煤时仍然存在寒灰水突水的潜在危险。

2.2 有效隔水层厚度

通过对井田内300多个钻孔资料的统计，确定了煤层底板隔水层厚度的空间分布。二1煤层底板至太灰上段灰岩间的隔水层平均厚度为11.3 m，最小厚度为4.3 m，最大厚度为26.2 m。二1煤层底板至太灰下段灰岩间的隔水层平均厚度为57.1 m，最小厚度为44.0 m，最大厚度为73.5 m。二1煤层底板至寒灰含水层间的隔水层平均厚度为87.3 m，最小厚度为72.5 m，最大厚度为108.8 m。煤层底板隔水层起到阻隔其下伏承压水进入矿井的作用，其厚度越大，阻水能力就越强。但受采动影响，煤层底板岩层会产生采动破坏裂隙，使得采动破坏深度范围内的隔水层丧失原有隔水性，真正起阻水作用的是除底板破坏深度后剩余的有效隔水层。

2.3 断层

大量资料表明，我国80%以上的底板突水发生在断裂构造附近。平禹一矿以断层为直接突水通道的底板岩溶水突水虽然只有4次，但因断层沟通了寒武系灰岩和石炭系薄层灰岩的垂直水力联系，又是构造薄弱带和富水带，因此，断层引起的突水具有突水强度大和危险性高的特征。突水点位置与构造关系十分密切，断层及影响带、小断层密集带、地层产状突变处、断层转折段或分支处均是易发生突水的部位。

2.4 灰岩岩溶发育程度及富水性

在寒武系地层的露头区，中统张夏组鲕状灰岩和上统崮山组白云质灰岩岩溶发育，岩溶形态主要是岩溶裂隙、溶沟、溶槽和小溶洞。在平禹一矿井田范围内，物探、钻探和采掘工程揭露证实，寒灰和太灰岩溶发育，富水性强，富水异常区分布广且面积大，沿断层呈带状分布。寒灰岩溶发育和富水性强的另外一种表现是注浆堵水钻孔的注浆材料消耗量非常大，如12041工作面的注1孔在L1-3灰岩注浆段共消耗水泥6021.6 t，注2孔在L1-3灰岩注浆段共消耗水泥10701 t，注4孔在寒灰注浆段共消耗水泥14632 t。

3 AHP法确定突水主控因素的权重

合理确定各主控因素的权重是运用脆弱性指数法评价底板突水危险性的关键问题，常用方法有人工神经网络法(ANN)、证据权重法、Logistic回归法和层次分析法(AHP)、熵权法-模糊层次法等。为使其与突水系数的评价结果能相互对比，选择了影响平禹一矿底板突水的4个关键因素作为构建AHP层次模型和确定权重的主要依据，所建立的层次模型结构如图1所示。

图1 底板突水危险评价层次结构模型

运用专家评分法对影响突水的因素进行评分，构造判断矩阵并计算出各主控因素对突水的贡献(权重)。水压、富水性、有效隔水层厚度和断层影响指数共四项主控因素所对应的权重值依次是0.3678、0.1134、0.3571和0.1617。据此建立了评价平禹一矿煤层底板突水脆弱性的数学模型：

式中：VI——脆弱性指数；

fk(x,y)——单因素影响值函数；

x,y——地理坐标。

4 基于Surfer的突水危险性评价

4.1 脆弱性指数的计算

GIS具有强大的空间信息分析和叠加功能，所以常用GIS软件实现煤层底板突水脆弱性的评价。Surfer也具有空间信息叠加功能，而且其插值方法丰富，绘制等值线图和分区图的功能远比GIS强，而这些都是脆弱性指数法评价底板突水危险的重要环节。为此，本文基于Surfer软件评价平禹一矿底板突水危险性。实现步骤如下：对评价因子的数据进行归一化处理，然后按网格进行剖分量化，绘制各主控因素的专题层图；按照各因素权重贡献值对专题图进行复合叠加，形成煤层底板突水脆弱性指数分布图；结合突水系数法及脆弱性法对平禹一矿深部采区的底板突水危险性进行分区。以下简要说明绘制水压专题图的方法：

(1)对平禹一矿二1煤层底板等高线数据进行栅格化，创建等高线.GRD〗文件，简称A。

(2)对平禹一矿井田寒灰水位数据进行栅格化，创建水位.GRD〗文件，简称B。栅格化时要修改水位数据的坐标范围和栅格数量，使栅格化后的坐标范围和栅格数量与煤层等高线相同，以便于进行相关的运算。

(3)利用math模块，对上述两个栅格数据文件进行计算，令C1=(B-A)/100，其结果C1表示岩溶水作用在煤层底板上的水压，得到的水压等值线图就作为水压专题图。

采用同样的方法，可绘制等效隔水层厚度的专题图C3。由于含水层富水性和断层是属性数据，要先将二者量化后，才能绘制各自的专题图，分别用C2和C4表示。

(4)同样利用math模块，将4个主控因素的栅格化数据分步合并运算，即可得到煤层底板突水脆弱性指数等值线图，即：VI=0.3678×C1+0.1134×C2+0.3571×C3+0.1617×C4。

4.2 突水系数的计算

用脆弱性指数来评价和划分煤层底板突水危险，由于尚未建立全国性或地区性的脆弱性指数限制，其评价结果是相对的。而突水系数是水压和隔水层厚度的比值，有全国统一的突水临界值，即受构造破坏块段临界突水系数为0.06 MPa/m，正常构造块段临界突水系数为0.1 MPa/m。在2009年颁布实施的《煤矿防治水规定》中，将突水系数法作为评价采煤工作面底板突水危险的首选方法。鉴于此，本文以Surfer软件为平台，再用突水系数法评价平禹一矿深部采区的底板突水危险性。对前面计算得到的岩溶水作用在煤层底板上的水压栅格数据再进行以下计算：

(1)将作用在煤层底板上的水压C1与隔水层厚度M进行相加，求得岩溶水作用在隔水层底板上的水压P(单位为MPa)，即：

P=C1+M×0.01

(2)

(2)将水压P和隔水层厚度M再进行除法运算，就得到突水系数T的栅格化数据，并绘制等值线图。

(3)

4.3 底板突水危险性的综合评价

综合脆弱性指数和突水系数的两种评价结果，并参照平煤神马集团关于采煤工作面底板灰岩承压水突水危险性的划分方法，将平禹一矿井田划分为安全区、突水威胁区和突水危险区3个区域，如图2所示。

图2 平禹一矿底板突水危险性分区图

结果显示，平禹一矿二1煤层底板标高大于-60 m区域，处在灰岩承压水位以上，煤层底板不承受水压，不受底板灰岩水的影响，属于安全区,如图2中绿色区域。标高-60～-400 m且不受断层影响的区域属于突水威胁区，如图2中橙色区域，处在灰岩含水层水位以下，但突水系数小于0.06 MPa/m，正常地段没有底板突水危险，但断层或隔水层薄弱地段存在突水的可能。标高-400 m以深和标高-60～-400 m的断层影响区域属于突水危险区,如图2中红色区域，作用在煤层底板的水压大，或突水系数超过0.06 MPa/m，或存在断层垂向导水通道，开采过程中存在突水危险。

4.4 底板灰岩水害的综合治理

平禹一矿为保障深部的安全生产，对灰岩水害进行了综合探查和防治，相继实施了水文地质条件的综合探查、岩溶水补给通道的帷幕注浆截流、大流量疏放寒灰水、工作面煤层底板地层预注浆改造加固、排水系统改造等一系列的防治水措施，治理效果显著，使平禹一矿在极其复杂的水文地质背景下，实现了连续10年的安全生产，矿井产能也由原来的60万t/a提高到150万t/a。

5 结语

(1)Surfer软件具有GIS软件的空间信息叠加功能，由于其普及性更强，使用方便，用于煤矿底板突水脆弱性评价也十分方便。

(2)以Surfer软件为平台，建立了评价平禹一矿底板突水脆弱性的层次模型，综合脆弱性指数和突水系数的评价结果，将平禹一矿划分为安全区、突水威胁区和突水危险区。

(3)平禹一矿对-200 m大巷以下采区灰岩水害采取了综合探查和防治措施，自2008年13091工作面突水淹采区以来，没有再次发生底板突水，原本极其严重的底板水害实现了可防、可控和可治的目标。