基于ArcGIS的洛河组含水层富水性评价_侯恩科.pdf

第 47 卷 第 2 期 煤田地质与勘探 Vol. 47 No.2 2019 年 4 月 COAL GEOLOGY 2. Shaanxi Binchang Wenjiapo Mining Limited Company, Binzhou 713504, China Abstract Aquifer water abundance uation is the prerequisite for coalmine water inflow prediction and water disaster prevention. Luohe aquifer is the roof of No.4 coal seam on panel 41 in Wenjiapo mine. Six main controlling factors of Luohe aquifer chosen to assess coal water abundance are aquifer thickness, porosity, moisture content, washing liquid consumption and apparent resistivity of upper and lower Luohe ation. Analytic hierarchy processAHP has been used to determine the weight of each control factor. Based on ArcGIS numerical visualization plat, the vector maps of factors are normalized and superimposed, and then water abundance uation model of aquifer based on multifactor has been built and applied in panel 41. Comparing the prediction results to unit discharge of water in the borehole and discharge data, it shows that the prediction results by model application match the field data. The model could provide a powerful basis to water abundance assessment of Luohe ation aquifer in Binchang coalfield. Keywords Luohe aquifer; analytic hierarchy process; water abundance assessment; water rich uation model; Wenjiapo mine 随着西北地区煤炭资源开发力度的加大，某些 矿区出现了严重的顶板涌水，给矿井安全生产造成 威胁。充水含水层的富水性分区是准确评价煤层顶 板涌突水条件的一个重要因素，有利于指导防治 水工程布置， 对煤层安全回采具有重要的参考价值[1]。 煤层回采形成的裂隙带发育高度达到充水含水层底 界，是顶板发生涌突水事故的一个必要条件，而 不是充要条件。只有当煤层顶板裂隙带范围内的充 ChaoXing 152 煤田地质与勘探 第 47 卷 水含水层富水性较强，且导水裂隙带导通该含水层 时，才具备发生顶板涌突水事故的充分必要条件， 才会发生顶板水害事故[2-5]。反之，若顶板破坏范围 内的充水含水层富水性较弱，即使裂隙带发育至充 水含水层内，顶板会发生涌水现象，但水量也较少， 不会对矿井安全生产构成威胁。因此，准确进行充 水含水层富水性评价及分区对于含水层涌突水预 测具有重要意义。 1 研究区概况 文家坡煤矿位于鄂尔多斯盆地黄陇煤田彬长矿 区东部，井田划分为 12 个盘区，其中 4 煤划分为 5 个盘区，41 盘区为该煤矿首采区图 1，主采侏罗 系延安组 4 号煤层。41 盘区东西宽约 4.0 km，南北 长约 3.0 km，盘区面积 12.8 km2。4 号煤层埋深 704828 m底板高程350470 m，平均可采厚度 11.71 m，地层结构为简单、较简单的近水平煤层。 延安组煤系裂隙含水层及直罗组含水层， 为 4 号煤开 采的直接充水水源，但由于其富水性总体微弱， 静储 量有限且补给径流条件差，对矿井威胁不大[6-7]。白 垩系宜君组含水层厚度 23.374.9 m，与 4 号煤层距 离为 108.57196.36 m，富水性弱，在部分区域会被 导水裂隙带沟通而成为矿井直接充水水源，但其涌 水量整体较小，也不会对矿井安全造成较大影响。 白垩系洛河组含水层位于宜君组之上，与宜君组含 水层之间不存在明显隔水层，富水性弱中等，厚 度 231.1357.69 m，距离 4 号煤层顶板 131.83 271.26 m，依据洛河组砂岩含水层的岩性及抽水试 验数据，将其划分为上、下两段。上段岩性主要为 含砾中、粗粒砂岩，下段以泥岩、砂质泥岩、细砂 岩等为主；上段单位涌水量为 0.008 14 L/sm，下 段为 0.010 13 L/sm，且下段抽水对上段水位无明 显影响。 根据 4101 工作面两带观测孔实测数据显示， 其 裂隙带发育高度达 181 m，裂采比达 48 倍，洛河组 含水层在 41 盘区部分区域会被导水裂隙带沟通而 成为矿井直接充水水源，其涌水量大，是矿井主要 充水水源，对矿井安全生产构成了巨大威胁。因此， 本文重点分析洛河组含水层的富水性。 2 洛河组含水层富水性评价指标因素分析 2.1 含水层厚度 在水力条件相同的情况下，含水层厚度直接影 响着含水层的储水量，一般与含水层的富水强度成 正比关系。41 盘区洛河组含水层全区分布，其最 图 1 文家坡煤矿盘区划分图 Fig.1 The map of panel division in Wenjiapo mine 小厚度 228.54 m，最大厚度 357.69 m，平均厚度 283.18 m， 厚度总体上表现为南部薄， 北部厚图 2a。 2.2 孔隙度 孔隙、裂隙的发育情况是决定岩土体富水性的 主要因素之一，在一定条件下，它还控制着岩土体 滞留、释放和传输水的能力[8]，因而可利用孔隙度 来间接反映岩层的富水程度。文家坡煤矿地质勘探 钻孔数据显示，41 盘区洛河组含水层孔隙度最大值 为 15.242，出现在 3-2 号钻孔，最小值为 3.5， 出现在 3-5 号钻孔，平均为 9.718。41 盘区洛河组 孔隙度总体上表现为南部大， 北部小的特点图 2b。 2.3 钻孔冲洗液消耗量 钻孔冲洗液消耗量可以反映岩层岩溶或裂隙的 发育程度，进一步反映岩层的岩性和透水性。冲洗 液消耗量越大，说明该岩层段的岩溶或裂隙发育较 好，渗透性能较强，导水和储水性能相对较好[9]。 因此把钻孔冲洗液消耗量作为综合反映充水含水层 富水性分区的多元地学信息之一。根据地质勘探钻 孔资料， 绘制 41 盘区洛河组钻孔冲洗液消耗量等值 线图图 2c，该图显示 41 盘区东北部、中西部和中 南部钻孔冲洗液消耗量相对较大。 2.4 含水率 在地质勘探工作中，钻孔岩心的含水率通过试 验资料能够真实、可靠的获取，可以对含水层的富 水性进行直观评价，是反映含水层富水性的关键参 数。含水率值越大，表明含水层的富水性越强。根 据钻孔资料得到洛河组含水层的含水率，编制文家 坡煤矿首采区含水率等值线图图 2d，该图显示 41 ChaoXing 第 2 期 侯恩科等 基于 ArcGIS 的洛河组含水层富水性评价 153 盘区东南部洛河组含水率相对较高。 2.5 洛河组上段及下段视电阻率 不同岩性的地层具有不同的导电性[10]。对于煤 系地层，纵向电阻率的变化规律基本一致，横向上， 由于煤系地层层状分布特点，其导电性相对均一。 当含水断层或裂隙切割煤系地层时，由于含水体具 有良好的导电性，它与围岩产生明显的电性差异。 应用高分辨直流电法技术采集岩石的视电阻率值， 通过对所采集数据进行定性和定量处理就可以发现 异常部位。根据高分辨直流电法勘探成果，绘制洛 河组上段、下段视电阻率等值线图图 2e、图 2f。 该图显示 41 盘区西北部、 西南部和中东部洛河组上 段视电阻率值偏高，西南部和中东部洛河组下段视 电阻率偏高。 图 2 洛河组含水层富水性各主控因素等值线专题图 Fig.2 Contours of main controlling factors of water abundance in Luohe aquifer 3 基于层次分析法富水性评价指标权重的确定 层次分析法Analytic Hierarchy Process，简称 AHP的基本原理是对评价系统有关方案的各种要 素分解成若干层次，以上一层要求为准则，对同一 层次的要素进行两两的判断比较和计算，求出各要 素的权重[11]，根据综合权重按最大权重原则确定最 优方案。层次分析法一般分为 4 个步骤a. 建立层 次结构模型；b. 构建比较判断矩阵；c. 求取矩阵的 最大特征根及与其对应的特征向量；d. 层次排序和 其一致性检验。 3.1 建立层次结构模型 根据对影响洛河组砂岩含水层富水性各个主控 因素的分析，可将该系统分为 3 个层次。以洛河组 富水性特征评价为模型的目标层A 层次；水力特 征、地球物理特征作为解决问题的中间环节，为准 则层B 层次； 各具体的主控因素 Cii1,,6指标构 成了模型的决策层C 层， 这样就把研究对象作为一 个系统，用层次分析法进行决策，即可达到最终求 解的目的图 3。 图 3 洛河组富水性评价层次结构模型 Fig.3 The hierarchy structure model of water abundance uation of Luohe aquifer ChaoXing 154 煤田地质与勘探 第 47 卷 3.2 构建 AHP 判断矩阵计算权重 依据对反映洛河组含水层主控因素的重要程 度，并根据 T. L. SAATY[12]创立的 19 标度方法进 行打分，根据每个子因素对洛河组充水含水层富水 性特征的影响大小，给予相对重要性排序。据每个 子因素的量化分值， 进行各子因素之间的总分比较， 形成专家对各影响因素的评判集，由此构建文家坡 煤矿首采区白垩系洛河组含水层富水性 AHP 评价 的判断矩阵表 1表 3， 根据判断矩阵， 利用 Excel 强大的数据处理能力，计算出各层单排序的权值， 表中 W 为各影响因素的权重。其中 λmax为判断矩阵 的最大特征值； CI为判断矩阵逻辑一致性检验指标； CR 为判断矩阵平均随机一致性指标。 表 1 判断矩阵 A1Bii1,2 Table 1 Judgment matrix A1Bii1,2 A1 B1 B2 WA1/Bi B1 1 1/3 0.75 B2 3 1 0.25 注λmax3.56，CI0，CR0.1。 表 2 判断矩阵 B1Cii1,∙∙∙,4 Table 2 Judgment matrix B1Cii1,∙∙∙,4 B1 C1 C2 C3 C4 WB1/Ci C1 1 1/2 3 1/3 0.21 C2 2 1 3 1/2 0.32 C3 1/3 1/3 1 1/2 0.13 C4 3 1/2 2 1 0.33 注λmax4，CI0，CR0.1。 表 3 判断矩阵 B2Cii5,6 Table 3 Judgment matrix B2Cii5,6 B2 C5 C6 WB2/Ci C5 1 1/2 0.67 C6 2 1 0.33 注λmax3.5，CI0，CR0.50； ② 中等富水区0.38I≤0.50； ③ 相对较弱富水区0.20I≤0.38； ④ 相对弱富水区I≤0.20。 4.3 富水性特征评价结果分析 若在 41 盘区的东北与西南角连接一条对角线， 以此将该区域划分为东南、西北 2 部分。从图 4 分 析可以得出，较弱富水区、弱富水区基本分布在研 究区的西北部，中等富水区、强富水区分布在研究 ChaoXing 第 2 期 侯恩科等 基于 ArcGIS 的洛河组含水层富水性评价 155 图 4 41 盘区洛河组富水性分区图 Fig.4 Zoning of water abundance of Luohe ation in panel 41 区的东南部。 为验证 ArcGIS 权重叠加方法预测结果 的准确性，可将分区预测结果与工作面实际涌水量 和钻孔抽水试验实测单位涌水量进行对比[15]。 根据文家坡矿井涌水量与各因素动态曲线关系 图及涌水量台账数据，4101 工作面底板为近水平地 层， 高程变化起伏不大， 回采过程中没有针对洛河组 含水层进行疏放水工作。该工作面从切眼至距切眼 1 038 m 处，富水性预测结果为中等，实际涌水量为 1182 m3/h。距切眼 1 0381 620 m 处富水性预测结 果为强富水，工作面实际涌水量为 82256 m3/h。距 切眼 1 620 m 至停采线 2 100 m 处， 富水性预测结果 为中等，工作面实际涌水量为 170260 m3/h，且在 回采越过预测的强富水区进入中等富水区后，涌水 量也缓慢减小图 5。由此可以看出，涌水量随推采 进度的变化趋势图 5与 41 盘区洛河组富水性分区 预测结果图 4基本符合。 从钻孔抽水试验数据看，41 盘区 3 个洛河组抽 水试验钻孔中，8-4 钻孔洛河组单位涌水量最大 0.379 1 L/sm，W1 钻孔洛河组单位涌水量居中 0.263 1 L/sm，3-5 钻孔洛河组单位涌水量最小 0.106 2 L/sm。这 3 个钻孔分别位于洛河组富水 性预测分区图图 4中的强富水区、 较弱富水区和弱 富水区，钻孔涌水量的大小与洛河组富水性评价结 果相符合。 因此，用以上 6 个评价指标按适合该矿区条件 的权重进行叠加所得富水性分区符合该矿区洛河组 图 5 4101 工作面涌水量变化曲线图 Fig.5 Curve of water inflow in working face 4101 含水层富水性的实际情况，基本反映了该区域洛河 组的富水性特点，评价结果准确性较高。 5 结 论 a. 彬长矿区洛河组砂岩含水层富水性可以用 含水层厚度、孔隙度、冲洗液消耗量、含水率、上 段视电阻率、下段视电阻率共 6 个指标进行评价， 其合理的权重值分别为 0.16、 0.24、 0.10、 0.25、 0.17、 0.08。 b. 层次分析法可以将建立的栅格图层进行权重 叠加分析，从而得到研究区富水性的预测结果。 ArcGIS 软件空间分析工具可以方便快捷的实现定量 分析，且预测结果具有可靠性高、适用性强的特点。 c. 文家坡煤矿 41 盘区富水性具有西北部弱， 东南部强的特点，在煤层回采的过程中对富水性较 强区域的水害防治应给予高度重视。 参考文献 [1] 侯恩科，童仁剑，冯洁，等. 烧变岩富水特征与采动水量损失 预计[J]. 煤炭学报，2017，421175–182. 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