基于层次分析法的7煤顶板含水层富水性评价

基于层次分析法的7煤顶板含水层富水性评价

随着煤矿开采和开采技术的完善，煤矿灾害得到了极大的缓解。然而，随着近年来煤炭开采深度的增加和采水水条件的恶化，采井区突然出现洪水的威胁仍然很突出，严重限制了矿山的高效、安全生产。新疆哈密大南湖矿区七号煤矿资源量丰富,勘探资料较丰富,但地质资料的系统分析不够,无法保证后期开采等工作的顺利进行。尤其是水文地质情况的研究不足,对矿井富水区的分布尚不够清楚,未开展顶板突水危险性的系统评价工作,这将成为后续煤炭开采的安全隐患,因此,开展大南湖七号煤矿富水区预测及顶板突水危险性评价具有重要的现实意义。在调研国内外水害防治工作的研究基础上1地层及构造大南湖矿区七号煤矿位于新疆吐哈煤田大南湖矿区,井田内地表为大范围的第四系、新近系覆盖区,已施工完井的钻孔揭露出了该矿区的地层有:第四系、新近系上新统葡萄沟组、侏罗系中统头屯河组、侏罗系中统西山窑组,上石炭统梧桐窝子组,构造发育相对简单。主要含煤地层为中侏罗统西山窑组,共含29层煤,其中可采煤层为18层,7煤层为主采煤层之一,煤层厚0.51～19.63m,平均厚10.37m,煤层结构较简单,分布稳定,全区可采。2富水性分区在煤中的弱含水层大南湖七号煤矿位于大南湖坳陷贫水区西部,区内气候干燥,蒸发远强于降水。区域内可划分1个透水层和3个含水层(段),包括第四系透水层、新近系上新统葡萄沟组裂隙孔隙弱含水层、侏罗系中统头屯河组裂隙孔隙弱含水层和侏罗系中统西山窑组裂隙孔隙弱含水层。针对大南湖七号煤矿7煤顶板富水性分区,需对西山窑组中段3煤～7煤间裂隙孔隙弱含水层分析,该地区构造简单,对富水性影响较大的断层等构造较少。影响该地区含水层富水性的因素主要有含水层的厚度、渗透系数、单位涌水量、脆塑性比值等。2.1含水层厚度等值线钻孔数据统计得到研究区3煤～7煤间含水层厚度介于0～79.58m之间,平均厚度20.66m,7煤顶板含水层厚度等值线如图1。由厚度等值线图可见,3煤～7煤间含水层厚度整体上表现出自北向南厚度逐渐减小的趋势,在煤层可采边界范围内的北部区域存在厚度高值区,含水层厚度可超过60m,在南部局部区域存在含水层厚度低值区,厚度可至5m以下。仅就含水层厚度这一单因素而言,矿区北部富水性相对较强,南部区域相对较弱。2.2单位涌水量分区根据7煤顶板孔隙裂隙含水层抽水试验数据结果,将各钻孔单位涌水量换算成统一孔径为91mm、抽水降深为10m时的单位涌水量,单位涌水量为0.0006～0.0316L/(s·m),并绘制出单位涌水量分区图(图2)。结果表明,北部区域单位涌水量相对较低,西南部涌水量较高。而涌水量的大小一定程度上反映了富水程度的大小,一般成正相关关系。2.3矿井充水含水层渗透系数根据7煤顶板含水层抽水试验得到充水含水层钻孔渗透系数的数据,渗透系数0.0033～0.1027m/d,7煤顶板充水含水层渗透系数等值线图如图3。从图中可以看出矿区东南部渗透系数较大,并向西北方向逐渐减小。含水层渗透系数对含水层的富水性也具有一定影响,一般而言,含水层渗透系数越大,其富水性越强。2.4孔隙水土性纤维井田内地层岩性主要由粉砂岩、泥岩、细砂岩、中粗砂岩和砾岩组成,泥岩、粉砂岩属于塑性岩石,砂岩则属于脆性岩石,脆性岩石易形成裂隙和孔隙而含水。地层的含水性与煤层顶板的岩性特征关系密切,一般来说,在地层中脆性岩占的比例较大,则富水性越强,根据矿井对各钻孔岩性脆塑性比值的计算,并绘制7煤顶板脆塑性比值等值线图(图4)。从图4可以看出,矿区东南部脆性岩石含量多,西北方向脆性岩石含量少。在不考虑其他因素的情况下,开采后东南部导通含水层的可能性较大,导致东南部富水性较强。3富水区的综合评价3.1富水区模型3.1.1影响确定的因素7煤顶板充水含水层富水性评价层次分析结构模型如图5。基于该矿区影响7煤顶板富水区的因素进行分析,将其划分为3个层次,其中A层为最终目的层,是层次分析模型建立所要达到的要求。B层为中间控制层,为影响最终结果的主控因素,分别为渗流场、含水层场及岩性场。C层为各主控因素的具体因素,在定量分析中起决定性的作用3.1.2评价各控制因素的影响根据对控制含水层富水性的各主控因素的分析,依照T.L.SAATY创立的1～9标度方法,对各主控因素所起作用的大小进行相对重要性评价各组矩阵计算出的最大特征值λ引入富水性指数CI的初始模型来对充水含水层富水性进行评价式中:CI为含水层富水性指数;W将分析后的影响含水层富水性的各主控因素权重代入该式,可以得出大南湖七号煤矿7煤煤层顶板充水含水层富水性评价模型为:3.2充水含水层富水性分区图在建立的富水性评价模型的基础上,计算出各钻孔处的富水性指数值的大小,并将计算出的富水性指数做归一化处理。富水性指数值的大小标识了充水含水层富含水的程度,富水性指数的值在0～1之间,值越大说明该区富水性越好。并根据富水性指数值绘制7煤顶板充水含水层富水性分区图(图6),并根据专家经验将7煤煤顶板充水含水层按照富水性指数的大小以0.11、0.15、0.25、0.29为界限值,划分为5个富水程度不同的区域,将其富水性由弱到强依次划分为富水性相对弱区、富水性相对较弱区、富水性相对中等区、富水性相对较好区和富水性相对好区综合各富水性因素划分出的7煤顶板含水层富水性分区图与各单因素的展布特点存在较为明显的区别,图中显示7煤顶板西部和西北部属富水性相对好和相对较好区,中部地带富水性相对中等,均可视为相对较危险的区域,开采时应注重对该区域的重点防治;东部及东南部富水性相对弱和相对较弱,这些区域危险性相对性相对较小,但其中也存在一些富水性相对中等的区域,也应引起必要的重视。4煤层顶底板类型基于大南湖七号煤矿7煤顶板含水层的富水性分区,结合7煤顶板隔水层厚度及其展布特征、7煤顶板导水断裂带发育高度展布特征,利用三图法对大南湖七号煤矿7煤顶板突水危险性进行预测根据7煤钻孔岩性资料统计得到,7煤顶板隔水层厚度介于0～103.38m,平均为37.08m。绘制7煤顶板隔水层厚度展布图(图7)显示,井田中部地区7煤直接顶隔水层厚度较大,部分地区隔水层厚度超过60m,井田西北部与东南部局部区域直接顶隔水层厚度小于20m。7煤煤层顶板岩性主要以泥岩、粉砂岩、细砂岩为主,仅在在局部零星区域为中砂岩、粗砂岩及砾岩,总体而言,煤层顶底板属于软弱类型。7煤煤层厚度为0.51～16.93m,平均厚度为10.10m,由于7煤厚度相对较大,预计矿井生产采用综采放顶煤开采工艺,因此按照煤层累计采厚的15倍系数进行7煤顶板导水断裂带发育高度计算基于大南湖七号煤矿7煤导水断裂带发育高度计算成果和前述相关章节关于3煤～7煤之间含水层富水性的研究,结合7煤顶板隔水层发育厚度特征,根据综合信息叠加评价的思路,借助ArcGIS等计算机软件辅助,绘制出7煤顶板突水危险性分区图(图9)。依据本次危险性评价分区标准划分的相对安全区仅在矿井零星钻孔周围分布,由于7煤预计采用综采放顶煤开采工艺,回采对上覆岩层扰动较大,发育导水断裂带过高,仅在个别小区域内7煤开采导水断裂带未完全破坏其直接顶板砂泥岩隔水层,因此,7煤顶板大部分区域均会具有一定的顶板突水危险性,对7煤进行开采时需要引起格外重视。其中安全区为导水断裂带未破坏7煤直接顶板隔水层,未导通上部含水层的区域;I类危险区分布于矿井东部大部分区域,表示为该区域内7煤直接顶板隔水层被其开采所形成的导水断裂带完全破坏,导通,但由于充水含水层富水性相对较弱,故认为该区域突水危险性较小;II类危险区在研究区中部大范围分布,表明在该区域7煤顶板隔水层被完全破坏,导通了7煤顶板裂隙孔隙含水层富水性相对中等的区域;III类危险区分布于研究区北部。由于其导通区域为充水含水层的相对富水区域,故其突水危险性相对较大,将其划分为III类危险区。显然,7煤开采顶板突水危险性评价分区与顶板充水含水层富水性分区图的整体趋势几乎完全一致,可以认为该区域的顶板突水危险性主要受到富水区的影响。5发展区域化开采1)基于多元地学信息的复合叠加的方法对充水含水层富水性分区的结果与实际的测井数据较为吻合,具有很强的参考价值,显示:7煤顶板北部和西北部属富水性相对较强,中部过