厚松散层下近风化带保水采煤的GIS研究.pdf

第3 3 卷第2 期 2 0 0 4 年3 月 中国矿业大学学报 J o u r n a lo fC h i n aU n i v e r s i t yo fM i n i n g ＆T e c h n o l o g y V 0 1 ．3 3N o ．2 M a r ．2 0 0 4 文章编号1 0 0 0 1 9 6 4 2 0 0 4 0 2 0 1 9 0 0 3 厚松散层下近风化带保水采煤的G I S 研究 董青红1 ，满海英1 ，郭典伟z 1 ．中国矿业大学资源与地球科学学院，江苏徐州2 2 1 0 0 8 2 ．兖州市太统矿业有限公司．山东充州2 7 2 0 0 0 摘要煤炭和水都是人类生存和发展的宝贵资源．兖州矿区厚松散层下近风化带的煤炭开采一 方面受到第四系下组水的威胁，同时还涉厦到第四系下组水资源的合理保护问题．本文以兖州市 杨庄矿为例，建立了G I S 数据库和图形库，通过G I S 多因素拟合建立了近风化带覆岩采动破坏 “两带”高度的预计模型，提出了考虑保护层的开采上限G I S 决策模式，用于保水条件下的安全 煤柱留设设计． 关键词G I S ；保水采煤；开采上限；决策模型 中图分类号P6 4 1 ．5 4 文献标识码A R e s e a r c ho nW a t e r K e e p i n gM i n i n gU n d e rT h i c kU n c o n s o l i d a t e d S t r a t aA d j a c e n tt oW e a t h e r e dZ o n ew i t hG I S I X N GQ i n g h o n 9 1 ，M A NH a l y i n 9 1 ，G U ID i a n w e i 2 1 ．S c h o o lo tR e s o u r c e s ＆G e o s c i e n c e ．C U M T ，X u z h o u ．J i a n g s u2 2 1 0 0 8 ，C h i n a i 2 ．D a t o n gM i n eC o ．L T D ，Y a n z h o u ．S h a n d o n g2 7 2 0 0 0 ．C h i n a A b s t r a c t C o a la n dw a t e ra r eb o t hp r i c e l e s sr e s o u r c e sf o rh u m a n i t y ．B u ti t i saf l o o dt h a tt h ew a t e r i nt h eb o t t o mo fQ 4c o m ei n t ow o r k f a c ea n di t ’sa d i f f i c u l t yt op r e s e r v es u c hw a t e rr e s o u r c e sd u r i n g m i n i n gu n d e rt h i c ku n c o n s o h d a t e dw a t e r b e a r i n gs t r a t aa d j a c e n tt ot h ew e a t h e r e dz o n e ．F i r s t l ya g r a p ha n dd a t a b a s ew a ss e tu pa c c o r d i n gt ot h em a t e r i a lo fY a n g z h u a n gC o a lM i n e ．T h e ns e v e r a l m a j o rf a c t o r so fg e o l o g ya n dm i n i n gw e r es e l e c t e da n daG I Sp r e d i c t i o nm o d e lw a se s t a b l i s h e df o r o v e r b u r d e nf a i l u r e ．T h ep r o t e c t i v el a y e ro fw a t e ri n s u l a t i o na n dt h eu p p e rm i n i n g1 e v e lw e r e d i s c u s s e da n dj u d g e db yu s i n gG I Sd e c i s i o nm o d e l ．T h e r e f o r e ，s a f e t yp i U a r sc a nb ed e s i g n e d ． K e yw o r d s G I S ；w a t e r k e e p i n gm i n i n g ；u p p e rm i n i n g1 e v e l ；d e c i s i o nm o d e l 1 厚松散层下近风化带保水与安全开采的 研究意义 兖州矿区3 层煤开采过程中，第四系下组水构 成了开采的主要间接充水含水层，在局部提高开采 上限的采区和工作面，则可能成为直接充水含水 层，这是兖州矿区厚松散层下近风化带煤炭资源开 采必须关注的一个问题．兴隆庄、杨村、太平、杨庄 等矿已经在部分采区和工作面通过提高开采上限 成功实现了厚松散层下近风化带煤炭资源的开发， 但仍有大量的近风化带3 层煤还处于松散层底部 水体之下．而随着近风化带煤炭资源的开采，第四 系下组水水位也出现大面积下降，以杨村矿为例， 矿井第四系下组水水位已经由建井初期的 4 0 余 米下降到一3 ．3 9 8 ～一1 1 ．6 8 8m ，已经对当地的环 境和工、农业生产产生了一些的影响．因此，厚松散 层下近风化带煤炭资源还必须注意保护有限的第 四系下组水资源． 近年来，我们采用工程地质的原理和方法o ] ， 收稿日期l2 0 0 3 1 0 1 0 基金珥目t 国家自然科学基金嘎目 4 0 3 7 2 1 2 3 作者简介t 董青红 1 9 7 3 一 ，男．河北省迁安市人，中国矿业大学讲师 博士研究生 ，从事岩土力学、工程地质与水文地质方面的研究． 万方数据 第2 期 董青红等厚松散层下近风化带保水采煤的G I S 研究 1 9 1 通过建立工程地质模型[ ”在充州矿区开展厚松散 含水层下提高开采上限的实践[ ⋯，在解放压煤和保 水方面取得了成功．本文在此基础上结合杨庄矿 9 3 1 8 工作面的具体条件，建立G I S 工程地质决策 模型；对厚松散层近风化带条件下采动破坏高度与 地质、采矿条件间表现出的规律性，保护层在保 水、防水开采中的决策意义以及G I S 决策进行阐 述． 2G I S 多因素采动破坏高度拟合分析 煤层覆岩采动破坏与一系列地质、采矿因素有 关，并形成了一系列量化公式“。5 ] ．对于近风化带薄 基岩条件下的采动破坏高度 记为 我们仍认为 是多个地质、采矿因素 记为z 。，z ，z 3 ．” 的函数， 即 h f x l ，z 2 ，z 3 ，⋯ ． 1 在此基础上，可应用G I S 建立多因素模型拟 合采动破坏高度与地质、采矿条件间的量化关 系． 2 ．1G 1 S 的基本特点 G I S 是采集、存储、管理、分析和描述空问数据 的空间信息系统．G I S 软件一般都具有对图形和数 据的管理功能，很多还具有强大的空间分析和操作 功能，并已经出现了一些运用G I S 技术进行了煤 矿水害预测[ 6 3 及其它有关安全开采研究的先例．本 文应用A r c v i e w 分别建立了研究所需的图形库和 属性数据库．其中根据研究要素绘制的图形输入计 算机后，综合起来即构成G I S 图形库} 每一个图形 在G I S 中表达一个专题内容，被称为一个图层；每 个图层上的专题信息对应建立属性数据库文件，并 以不同的颜色和灰度在图层上表达取值或属性的 变化． 2 ．2G I S 数据库和图形库的建立 G I S 数据库和图形库是在因素相关性分析的 基础上进行的．在可收集利用的大量资料中，通过 相关分析得到杨庄矿九采区采厚、覆岩厚度、岩性 条件、泥岩含量、第四系厚度为控制采动破坏的主 要因素，第四系底部粘土分布和第四系下组含水层 的富水性构成参与决策的重要条件．根据这一结果 绘制了各因素沿工作面分布的色谱图并形成G I S 图层和属性数据文件．以泥岩在覆岩中的含量为 例，按含量百分比分区如图1 ．而对应的属性数据 即可用于采动破坏的拟合研究． 图1 泥岩含量等值线 F i g ．1 T h ed i s t r i b u t i o no fm u ds t o r l er a t i o 2 ．3 采动破坏高度G I S 拟合研究 在图形库和属性数据库的基础上，依托G I S 平台，取岩性量化值Y ，累计采厚 M ，，第四系 厚度 。，覆岩厚度h ，，泥岩层在覆岩中所占比例 ‰，共5 个因素，通过拟合得到垮落带破坏高度预 计表达式 2 和导水裂缝带高度预计表达式 3 ． 4r 二j 一 ，／ o ．1 7 6 y 。一0 ．0 5 ∑M 3 。o 碹” o9 93 ““一～ 2 ．0 砖8 ⋯7 。。／ 5 ．2 1 ．9 8 y e “2 0 5 ∑”船7 。的⋯ “2 一吖4 ．7 5 硪7 7 ’”7 式中的岩性量化指标Y 为煤层上覆岩层岩性的厚 度加权和．依据式 2 对研究区一分层1 ．8 ，2 ．0 ， 2 ．2 ，2 ．5 ，3 ．0 ，3 ．5r l l 不同采厚条件下的覆岩破坏 高度进行计算并形成G I S 图层．图2 为计算得到的 图层之一，图上不同图例表示采厚3 ．0m 时不同 平面位置覆岩的垮落高度，在工作面内表现出中间 高而两边低的总体趋势．该图层与覆岩厚度图层进 行比较即可进行保护层厚度和开采上限决策分析． 凰2 采厚3 ．0 I T I 垮落高度分布 F i g ．2 T h ed i s t r i b u t i o no ff r a c t u r e dz o n e m i m n gt h e3 ．0mt h i c kb o t t o ms l i c e 3 开采上限的G I S 决策分析 按照建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设 与压煤开采规程[ 7 3 的规定，在该工作面上覆松散 层底部为弱富水性、中硬覆岩岩性条件下，可留设 防砂煤柱；同时，该区第四系底部普遍分布的粘土 层也可起到特定的阻水作用，在拉应变小于0 ．0 1 5 万方数据 中国矿业大学学报第3 3 卷 的条件下，垂直受压粘土可保持整体延展性[ ⋯，当 底粘土厚度大于累计采厚的区域保护层厚度取 “3 M ”，底粘土厚度小于累计采厚的区域保护层厚 度取“4 M ”．根据上述关系建立保护层厚度评价模 型为 h ，一P M 肚曲r “J ’瓦翥可， “’ 式中M 为采厚，m ； 。为底粘土层厚度，m ；R 为保 护层厚度评价指标，m ．对于R 建立G I S 分区如下 f 尺≤一4 M保护层4 M ， 、。，J 一4 M R ≤一3 M 不可采， 一l 一3 M R 3 M不可采， [ 3 M ≤R保护层3 M ． 图3 为对采厚3 ．0 m 条件下保护层厚度评价 指标进行分析的结果．从图3 可见，工作面分为四 个区域；其中，区域3 的保护层厚度R 一一9 ．o ～ 9 ．0 m ，低于规程要求值不可采；区域2 ，尺 一1 2 ～ 一9 ．0m ，因底粘土厚度低于分层采厚，保护层厚 度介于“3 M ”～“4 M ”之间，仍不可采；而区域1 ，R 一一1 5 ．2 4 ～一1 2m ，可留设保护层“4 M ”；区域4 ， R 一9 ．o ～1 4 ．7 4m ，可留设保护层“3 M ”．区域z ，3 则必须降低采厚以实现安全开采．根据以上分析， 在采厚3 ．01 “ i 2 的条件下，应留设的煤柱尺寸是保 护层厚度与破坏高度之和．应用上述分析方法可分 别对不同采厚条件下的保护层进行评价并设计煤 柱尺寸． 图3 采厚3 ．0 I n 保护层厚度评价 F i g ．3 E v a l u a t i o no fp r o t e c t i v el a y e r m i n i n gt h e3 ．0mt h i c kb o t t o ms l i c e 该工作面回采时间从2 0 0 2 年1 2 月开始，实测 顶板初次垮落高度7 ．1 ～7 ．6m ，正常推进垮落高 度6 ．5 ～7 ．2m ，最大涌水量3m 3 ／h ，初步证实了决 策模型的可靠性．而G I S 作为平台，通过建立工程 地质决策模型，在图形库和数据库支持下，可以为 生产矿井安全开采和第四系下组水资源保护提供 快速决策依据． 4 结论 厚松散层下近风化带保水安全开采的研究工 作是通过实测、类比、数值模拟和G I S 拟和决策等 多种研究方法综合实现的，但G I S 工程地质决策 模型可以实现保水和安全开采的快速决策过程．得 到结论如下 1 1 运用G I S 建立了以覆岩破坏与地质、采矿 条件间的量化关系模型和考虑保护层的G I S 开采 上限决策模型为核心的工程地质决策模型，为保水 采煤研究提供了新的途径． 2 形成的基于G I S 的保护层评价模式可以得 到沿工作面分布的分区分布图，为留设煤柱提供直 观的图形依据； 3 杨庄矿9 3 1 8 工作面实现了保水、防砂安全 开采，最大涌水量3m 3 ／h ，决策模型得到了试采验 证． 参考文献 [ I J 狄乾生，隋旺华。黄山民．开采岩层移动工程地质研究 [ M ] ．北京中国建筑工业出版社，1 9 9 2 ．1 1 9 1 4 1 ． [ 2 3 隋旺华．董青红，狄乾生，等．工程地质模型在防水煤 岩柱研究中的应用[ J ] ．中国矿业大学学报，1 9 9 9 ，2 8 5 4 1 7 4 2 0 ． [ 3 ] S u i WH ，Y a n gS G ，D i QS ．S t u d yo n t h es a f e t y p i l l a r s u n d e rw a t e r b e a r i n gs t r a t a u s i n gf u l l y m e c h a n i z e ds u b l e v e lc a v i n gm e t h o di nT a i p i n gC o a l M i n e ，S h a n d o n gp r o v i n c e ，C h i n a [ A ] ．L i nYM ， T a n gCA ．F e n gXT ．P r o c ．o f2 n dI n tS y m pO n N D R M ．S h e n y a n g ．C h i n a [ C ] ．P r i n c e t o n ，N e w J e r s e y ，U S A { R i n t o nP r e s s ．2 0 0 2 ．4 8 7 4 9 0 ． [ 4 ] 胡宽镕．单元采空区围岩破坏计算的几个理论问题的 探讨口] ．水文地质工程地质。1 9 7 6 3 4 8 6 8 ． [ 5 ] 杨成田．专门水文地质学[ M ] ．北京；地质出版社， 1 9 8 1 ．3 5 3 3 6 3 ． [ 6 3 张大顺。郑世书．孙皿军，等．地理信息系统技术及其 在煤矿水害预测中的应用[ M ] ．徐州中国矿业大学 出版杜，1 9 9 4 ．1 6 3 1 7 0 ． [ 7 ] 国家煤炭工业局．建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱 留设与压煤开采规程[ s ] ．北京煤炭工业出版社， 2 0 0 0 ．2 2 5 2 3 1 ． [ 8 3 蔡荣．近风化带开采覆岩破坏与保护层作用研究及 其应用[ D ] ．徐州中国矿业大学资源与科学学院， 2 0 0 3 ．1 0 2 1 0 3 ． 责任编辑陈其泰 万方数据