基于GIS 的“三图-双预测法”的应用_李坤.pdf

第43卷第2期 2015年4月 煤田地质与勘探 COAL GEOLOGY 2.中国矿业大学（北京）煤炭资源与安全开采国家重点实验室，北京100083 摘要针对铁法集团大强煤矿l号煤可能存在的顶板涌（突）水危害问题，运用基于地理信息系统 GIS）的层次分析法（AHP）型“三图－双预测法”，通过对含水层厚度、岩，心采取率、单位涌水量、渗 透系数、断层等5个主控因素的综合分析，在建立煤层顶板充水含水层富水性分区图的同时，对 开采煤层的顶板安全性进行评价及分区。在以上研究的基础上运用GIS多源地学信息复合叠加原 理，提出了l号煤顶板涌（突）水条件综合分区的划分方案。根据综合分区结果，运用VisualModflow 软件对即将开禾的2-202工作面和三采区进行了涌水量预测。 关键词三图双预测法；富水性；多源地学信息；涌水量预测 中图分类号TD742文献标识码ADOI 10.3969/j.issn.l001-1986.2015.02.012 The application of “three maps－佣ropredictions” based on GIS LI Kun12, ZENG Yifan2, SHANG Y吨jun1, WU Qiang2, HE Wantong I. Key Laboratory of Shale Gas and Geoengineering, Institute of Geology and Ge叩hysics,Chinese Academy of Sciences, Beijing 100029, China; 2. State Key Laboratory of Coal Resour℃es and Safe Mining, China University of Mining and Technology, Beij切g100083, China Abstract To uate mine roof water inrush in coal seam No. l in Daqiang mine of Tiefa Coal Group, the AHP-type“three maps-two predictions” based on GIS is employed. Through comprehensive analysis of 5 geologic factors such as the thickness of aquifers, total core recovery, volumetric flow rate, permeability coefficient and faults which influence the water abundance of the roof of coal seam No. I in Daqiang mine, the water-richness distribution maps of aquifers in coal roof were obtained, and the research on safety division of the breaking zone was conducted. The final comprehensive division program on water bursting conditions of coal seam No. l in Daqiang mine was presented through overlapping of multiple source geo-inforrnation on the basis of the above studies. Finally, water bursting inflow of mining faces 2-202 and the 3rd mining area was predicted by utilizing advanced professional software Visual Modflow. Key words there maps-hνo predictions; water-richness; multiple source geo-ination; prediction of inflow 随着煤矿开采深度的增加和强度的加大，矿井 水文地质条件也越来越复杂，煤层顶板冒裂沟通上 覆含水层而导致顶板涌（突）水灾害发生或恶化工作 面生产环境的问题日益严重，顶板涌（突）水问题直 接影响矿井的安全高效生产［I-IO］。 目前评价煤层充水危害性的方法很多［3-IO］，但 大多仅采用抽水实验结果、物探结果来评价充水含 水层的富水性，或仅以富水性评价煤层充水危害， 不能综合利用多源地学信息及充分利用勘探资料； 收稿日期2013-10-13 采用大井法或比拟法计算涌水量则是预测整个工作 面或采区的涌水量，不能根据煤层回采的进度进行 实时、动态的预测。而基于地理信息系统（GIS）的 “三图一双预测法”综合利用了多源地学信息评价和 分析煤层顶板涌（突）水条件，能较为合理有效的评 价煤层顶板涌（突）水条件，弥补了使用单一因素评 价含水层富水条件和仅利用含水层富水性评价煤 层顶板涌（突）水危害的不足；应用国际先进的 Mod flow软件对即将回采的工作面进行自然和人 基金项目国家自然科学基金项目（51174289;41102180）；国家自然科学基金面上项目（41372324）；国家科技重大专 项课题。011ZX05060-006 作者简介李坤（1984一），男，河南永城人，博士研究生，从事矿井防治水和地质灾害方面的研究． E-mail likun-2008 引用格式李坤，曾一凡，尚彦军，等基于GIS的“三图一双预测法”的应用［J］.煤田地质与勘探，2015,432 58- 62. ChaoXing 第2期李坤等基于GIS的“三图－双预测法”的应用 59 工改造状态下的动态涌水量预测，相较于传统的大 井法和比拟法可以更有针对性、目的性的制定防治 水对策。 本文根据研究区水文地质条件，采用基于GIS 的（层次分析法）ARP型的“三图－双预测法”，选用多 个地学信息作为充水危险性评价的主控因素，对铁 法集团大强煤矿l号煤顶板充水含水层进行涌（突） 水危险性评价［10-16］，采用VisualModflow专业软件 对即将回采的工作面在自然状态和人工改造状态下 的涌水量进行动态预测。 l 矿区概况 铁法集团大强煤矿位于辽宁省康平县张强镇及 内蒙古通辽市科尔沁左翼后旗交界处。矿区东西长 6.5恤，南北宽5.7km，面积约37.0km2。 全区被第四系地层覆盖，地层由老至新依次是 太古界、中生界、新生界、第四系。含煤地层为自 主系下统三台子组，为一套陆相碎屑沉积岩系。全 区共一层可采煤层，可采煤厚平均3.67m，可采面 积约37.0km2。 大强煤矿l号煤顶板存在4个含水层，从上到 下依次为a.第四系砂、砂砾孔隙含水层（I;b.自 主系孙家湾组风化带孔隙、裂隙承压含水层（II; c.自噩系孙家湾组底部与三台子组上部砂砾岩裂 隙承压含水层（田）；d.白歪系三台子组中部砂泥岩 段在，、砾岩裂隙承压含水层（IV）。 如图l所示，I、II含水层与煤层间距较大，l 号煤和I、II含水层之间存在较厚的弱透水层，断 层以及煤层开采引起的导水裂隙带不能导通到此含 水层，且I、II含水层与田和凹含水层水力联系不 密切。根据已有资料对各含水层赋存条件及补给、 径流及排泄条件的分析，并结合邻近矿井充水因素 进行综合分析，确定田含水层和W含水层中的地下 水为主要充水水源。 2 “三图”的建立及应用 2.1 充水含水层富水性主控因素的确定 在对大强煤矿地质条件和水文地质条件研究的 基础上，结合钻探和抽水试验的结果，选取含水层段 岩心采取率、充水含水层厚度、单位涌水量、渗透系 数、构造等作为评价大强煤矿l号煤顶板充水含水层 富水性的主控因素，建立各主控因素专题图［5-14］。 2.1.1 元水含水层厚度 矿区内控制含水层厚度变化的因素有岩性、地 质构造、沉积环境与构造运动等。W含水层厚度变 化由东向西逐渐增厚，田含水层厚度是由东北向西 厚度’Im距离Im 白 主f.]268.38 约548.36 ID 126.04 系 fl.j 153.94 图1大强煤矿含水层位关系示意图 Fig. I Relationship of water-bearing horizons in Daq1ang mme 南增厚。 2.1.2 岩心采取率 本文中岩心采取率是指根据钻孔资料提供的取 心长度与钻孔进尺长度的比值，用百分数表示。区 内W含水层约1/2区域的岩心取心率大于85，由 西北向东南呈递增趋势；回含水层大部分区域的岩 心取心率大于83.5，采取率相对较小的区域集中 在南部。 2.1.3 单位涌水量 矿区内不同位置充水含水层单位涌水量变化较 大，凹含水层由东南向西北、皿含水层由西南向东 北单位涌水量逐渐增大。 2.1.4 渗透系数 在含水层厚度一定的情况下，渗透系数和单位 涌水量成正比例关系，渗透系数和单位涌水量的变 化趋势基本一致。 2.1.5断层 区内共有大小断层400多条，且多为导水断层， 小断层大多为落差较大断层的分支。本次研究对断 层的规模、断层点的个数和落差较大的断层进行了 统计和计算，以断层点密度、断层规模指数变化趋 势来评价含水层富水性，并将落差大于40m的断层 影响区设为强富水区。 ChaoXing 60 煤田地质与勘探第43卷 2.2 充水含水层富水性评价与分区 采用GIS的信息融合型含水层富水性评价方法一 富水性指数法［10］，应用GIS的空间复合叠加功能对 AHP的计算结果进行处理，输出富水’性分区专题图。 为便于在生产中利用，根据富水性指数大小将 全区分为富水程度不同的5个区（图2），由大到小依 次为强富水区、较强富水区、中等富水区、较弱富 水区、弱富水区。含水层富水性的整体变化趋势和 含水层厚度、单位涌水量、渗透系数以及断层密度、 规模大小的变化趋势基本一致，而与岩心取心率的 大小变化趋势基本相反，这一结果与各因素对含水 层富水性的影响是相一致的。 2.3 煤层开采的顶板冒裂安全性评价与分区 煤层开采后自煤层顶板由下而上大致形成3个 不同的破坏影响带，即冒落带、裂隙带和弯曲下 沉带，其中冒落带和裂隙带构成冒裂带（导水裂隙 带）。因大强煤矿1号煤暂未开采，无法获得实测上 三带发育高度，根据煤矿防治水规定和三下 采煤新技术应用与煤柱留设及压煤开采规程实用手 册中计算公式［1-2,17），并参考附近具有相似地质条件 和相同成煤环境的煤矿的冒裂带实测数据进行计算。 Hli20占百＋101 式中H1；为冒裂带高度，m;M为煤层开采厚度，m。 根据式（1）计算，大强煤矿1号煤开采形成导水裂隙 带高度范围在十几米至一百余米不等。 冒裂安全性分区图是依据导水裂隙带和煤层顶 板覆岩的厚度差进行分区，若覆岩厚度大于冒裂高 度，则说明冒裂带触及不到充水含水层，设为相对 安全区；若覆岩厚度小于冒裂高度，则说明冒裂带 能触及到含水层，设为冒裂区。 根据上述分区原理，以及断层、陷落柱等构造 分布，对大强煤矿1号煤开采进行顶板冒裂安全性 评价并建立冒裂安全性分区图（图3）。 据冒裂安全分区图W含水层约3/5面积处于 冒裂区，其中三采区、四采区、六采区4/5的面积 处于冒裂区，说明大强煤矿开采1号煤层过程中形 成的导水裂隙带将在大面积区域触及W含水层；回 含水层除构造发育地带处于冒裂区外，其余位于相 弱富水区 较弱富水区 中等窟水区 A 较强富水区0 2000m 强富水区知I工作面」一」J 图2充水含水层富水性分区图 Fig.2 Water-richness zoning map of water-filled aquifers CJ相对安全区 ．．冒裂区 知工作面 图3煤层顶板充水含水层冒裂安全性分区图 A Fig.3 Roof-falling zoning map of water-filled aquifers in the roof of coal seam ChaoXing 第2期李坤等基于GIS的“三图一双预测法”的应用 61 对安全区。由钻探资料分析得到因构造导致区内 中部有效隔水层厚度较小。而由此图得出的结论与 钻探分析结果较为一致。 2.4 煤层顶板涌（突）水条件综合分区固 应用ArcGIS软件将1号煤顶板充水含水层富水 性分区图和冒裂安全性分区进行复合叠加，进行煤 层顶板充水含水层危险性评价及综合分区。 为了便于在生产中应用，此次将冒裂带未能触 及的区域设为相对安全区，将冒裂带触及到的区域 根据其富水性指数大小进行分区，由强至弱分别为 危险区、较危险区、过渡区和较安全区（图4）。 据煤层顶板充水含水层涌（突）水条件综合分区 图，一采区、五采区、九采区（首采区）、十采区4 个采区除构造比较发育的小部分区域外，其余部分 位于相对安全区和较安全区。二采区2-202工作整体位 于较危险区和过渡区，三采区3-01工作面推进600m 左右时进入危险区域，3-02工作面往前推进500m左 右时进入危险区域。Ill和IV含水层存在厚度不均一的 弱透水层，有一定水力联系，因此在构造较为发育的 地带回含水层同样应引起一定的注意。 A D相对安全区 川CJ较安全区 ．．过渡区 ．．较危险区0 2000m ．．危险区妇l工作面」一」」 图4充水含水层涌突水条件综合分区图 Fig.4 Water bursting condition zoning map of water-filled aquifers 3 自然状态和人工改造状态下的涌水量预测 长期高频的水位及水量观测资料对于模型的拟 合矫正至关重要，本次在大强煤矿所收集的资料中可 用于检验矫正模型的资料有抽水试验所得的资料，虽 然不满足资料长期高频观测的要求，但只要对模型各 水文参数的检验、调节作用达到一定的程度，即可认 为所建模型可信。 在建好的VisualModflow模型中，确定边界条件， 对各充水含水层水文地质参数分区赋值，运用Visual Mod flow中ZoneBudget模块对含水层涌水量进行预 测。根据煤层顶板充水含水层涌（突）水条件危险性综 合分区图，九采区（首采区）和一采区内规划的工作面 属相对安全区和较安全区域，因此对处于较危险区和 危险区的二采区2-02工作面、整个三采区和九采区（首 采区）的首采工作面做了顶板涌（突）水量预测。 本文中人工改造状态是指假设对回采工作面顶 板含水层进行注浆改造后，充水含水层渗透系数减至 为原来的1/5后的状态。 3.1 自然状态下的涌水量预测 九采区（首采区）首采工作面在富水性分区图中 位于弱富水区，在冒裂安全性分区图中约有1/2区域 位于相对安全区，在综合分区图中全部位于相对安全 区和较安全区，因此对工作面做了自然状态下总体涌 水量预测，预测的工作面涌水量值为100m3/d。 截至投稿，大强煤矿暂未进行开采，无法测得初 次来压和周期来压，因此参考附近大平矿和小康矿的 周期来压数据，在本研究中将沿工作面每推进30m 左右划分一个阶段，预测2-02工作面的动态涌水量 及变化规律。利用识别后的数值模型，运用Modflow 中的ZoneBudget模块，将2-02整个工作面分为20 个阶段预测（图5）。 300 r→－自然状态下工作而涌水量－－－－－－人工改造后工作而涌水量 I -“ {“ 240 -0 1 180 要120 ll 60 O 60 120 180 240 300 360 420 480 540 600 推进距离Im 图52-202工作面涌水量动态变化 Fig.5 Dynamic variation of water inflow at working surface 2-202 of Daqiang coal mine 在相同富水条件区域，随着采煤工作面的推进，形 成上三带，煤层顶板覆岩弯曲下沉出现裂隙，含水层渗 ChaoXing 62 煤田地质与勘探第43卷 透系数增大，预测涌水量增大；煤层顶板覆岩冒落过后， 原裂隙压实闭合，渗透系数减小，涌水量呈下降趋势； 继续向前推进，涌水量的动态变化趋势随着采煤工作面 的推进距离（周期来压）呈一定的曲线变化。 三采区面积约4.5km2，在富水性分区图中位于 强富水区，在综合分区图中位于危险区，本文中对整 个采区也进行了涌水量预测自然状态下将整个三采 区充水含水层的水位疏降到底板标高以下所需疏放 的水量即为自然状态下三采区涌水量，模拟结果值为 10 550 m3/d。 3.2 人工改造状态下涌水量预测 a. 2-202工作面分段涌水量预测人工改造状态 下，对2-202工作面动态涌水量大小及变化规律进行 了预测（图5）。人工改造后的涌水量明显降低，而其 随着采煤工作面推进的动态变化和自然状态下的动 态曲线呈相似关系。 b.三采区涌水量预测人工改造状态下，将三 采区充水含水层水位疏降到底板标高以下，所疏放的 水量即为人为状态下全区涌水量，模拟的结果为 2 950 m坷，较之自然状态下的涌水量大大减小。 4结论 a.根据“富水性指数法”原理，结合本区地质条 件和现有资料，以含水层厚度、单位涌水量、渗透系 数、岩心采取率、断层为主控因素，采用AHP层次 分析法对各因素进行评价分析并计算各自权重，利用 GIS复合叠加功能对大强煤矿l号煤顶板充水含水层 进行了富水性评价并建立富水性分区图，较为直观的 显现出全区不同区段富水性的变化。 b.根据煤矿防治水规定和三下采煤新技 术应用与煤柱留设及压煤开采规程实用于册，参考 附近和大强煤矿具有相似地质条件和相同成煤环境 矿区的实测导水裂隙带发育高度，建立大强煤矿l号 煤顶板充水含水层冒裂安全性分区图，直观给出煤层 回采过程中形成的冒裂带将对生产带来的影响。 c.运用GIS将富水性分区图和冒裂安全性分区 进行复合叠加，建立了评价大强煤矿1号煤顶板充水 含水层涌（突）水条件综合分区图。较好的结合了充水 含水层富水性和因煤层回采形成冒裂带对生产的影 响，直观且有针对性的给出应重点防范的区域，对采 煤工作安全、有效的进行提供了重要帮助。 d.应用先进的VisualModtlow地下水流模拟软 件模拟计算了自然状态下和预设人工改造状态下 2-202工作面随掘进周期推进的工程动态涌水量，同 时对富水性强、危险区域面积大的三采区进行了涌水 量预测。 e.根据目前铁法集团大强煤矿反馈证明根据 “三图一双预测法”结果在大强煤矿应用的效果非常明 显，较好的指导了铁法集团大强煤矿的生产。 t本文使用“三图一双预测法”过程中，首次在富水 性分区图和冒裂安全性分区图中同时考虑构造对两图 的影响，对煤层涌（突）水危害的评价更加全面具体。 参考文献 [I］武强．煤矿防治水规定释义［M］.徐州、｜中国矿业大学出版社， 2009. 2］国家安全生产监督管理总局，国家煤矿安全监察局煤矿防治 水规定（S］.北京煤炭工业出版社，2009. 3］武强，黄晓玲，董东林，等，评价煤层顶板涌（突）水条件的“三 图－双预测法”［几煤炭学报，2000,251 60--65 4］武强，江中云，孙冬云，等．东欢挖矿顶板涌水条件与工作面 水量动态预测［月．煤田地质与勘探，2000,286 32-35. 5］张海荣，周荣福，郭达志，等．基于GIS复合分析的煤矿顶板 水害预测研究［乃中国矿业大学学报，2005,311 112-116. 6］杨振威，李贤庆，凌标灿，等．瞬变电磁法在探测工作面顶板 富水性中的应用J］.中国煤炭地质，2010,221 62- 66. 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