基于GIS复合分析的煤矿顶板水害预测研究.pdf

第3 4 卷第1 期中国矿业大学学报 V 0 1 ．3 4N o ．1 2 0 0 5 年1 月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 yJ a n ．2 0 0 5 文章编号1 0 0 0 1 9 6 4 2 0 0 5 0 1 0 1 1 2 - 0 5 基于G I S 复合分析的煤矿顶板水害预测研究 张海荣，周荣福，郭达志，杜培军 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 摘要在煤层项板水文地质信息少且顶板突水规律不明的情况下，结合实例分析了影响顶板突 水的主要因素．应用分维理论对影响顶板突水的褶曲、断层构造因素实施量化并用于复合分析． 在A r c G I S 软件中，首先将褶曲、断层的分维值和顶板冒裂带内砂质岩层的厚度栅格化；然后应 用地理信息系统 G I S 的多元信息复合分析方法对实际突水点进行拟合；最后建立了顶板水害 间接预测的数学模型来表达含水层在空间上的变化特点和规律，为顶板水害预测提供了一种新 的方法．结果表明，该方法比传统的定性分析方法更有效． 关键词水害预测；多元信息复合；G I S ；分维 中图分类号T T D7 4文献标识码A I n v e s t i g a t i o no nP r e d i c t i n gR o o fW a t e rG u s hi nC o a l Mi n e sB a s e do nMu l t i F a c t o rA n a l y s i s Z H A N GH a i r o n g ，Z H O UR o n g f u ，G U OD a z h i ，D UP e i j u n S c h o o lo fM i n e r a lR e s o u r c e sa n dE a r t hS c i e n c e ， C 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 ，X u z h o u ，J i a n g s u2 210 0 8 ，C h i n a A b s t r a c t I nc a s et h a tf e wi n f o r m a t i o na b o u th y d r o g e o l o g i cc o n d i t i o no fc o a lr o o fi sa v a i l a b l ea n d a n dt h er e g u l a r i t yo fr o o fw a t e rg u s hi sn o to b v i o u si nc o a lm i n e ，t h ek e yf a c t o r sa f f e c t i n gr o o f w a t e rg u s ha r ea n a l y z e d ．T h ei n f l u e n t i a lf a c t o r si n v o l v i n gf a u l t sa n df o l d sa r eq u a n t i f i e db yu s i n g f r a c t a lt h e o r ya n da r eu s e di nm u l t i f a c t o ra n a l y s i sa sw e l l ．I nt h eA r c G I S ，t h ef r a c t a ld i m e n s i o n v a l u eo ff o l d sa n df a u l t s ，a n dt h et h i c k n e s so fs a n d s t o n ei nt h eb r e a k i n gz o n eo fr o o fa r ef i r s t l y i n t e r p o l a t e di n t or a s t e rr e s p e c t i v e l y ．a n dt h e nt h em u l t i f a c t o ra n a l y s i so fG I Si su s e dt oi m i t a t e p r a c t i c a lw a t e rg u s ha r e a ；l a s t l y ，af u n c t i o nu s e dt oe x p r e s ss p a t i a lv a r i e t yo f f i s s u r e dw a t e ri s p r o p o s e dt oi n d i r e c t l yp r e d i c tr o o fw a t e rh a z a r d so fu n k n o w na r e a ，w h i c hg i v e san e wm e t h o do f p r e d i c t i n gr o o fw a t e rh a z a r d s ．T h er e s u l ts h o w st h a tt h i sn e wm e t h o di sm o r ee f f e c t i v et h a n t r a d i t i o n a lq u a l i t a t i v em e t h o d s ． K e yw o r d s w a t e rh a z a r dp r e d i c t i o n ；m u l t i f a c t o ro v e r l a ya n a l y s i s ；G I S ；f r a c t a ld i m e n s i o n 过去较长时期中，由于煤矿顶板水害导致煤炭 开采中的重大事故较少，因而对顶板水害预测的研 究不如底板水害预测那样受到重视．但自2 0 世纪 7 0 年代以来，随着煤矿综合机械化的普及，顶板水 害对正常生产的影响日益突出．因此，研究分析煤 矿开采时的充水条件，总结突水规律，预测顶板水 害和超前制订防治措施，对确保矿井安全生产和提 高生产效率具有十分重要的意义． 煤层顶板水害预测研究的关键在于分析顶板 含水层的富水性及其突水机理．含水层的富水性取 决于顶板含水层的多少及其含水裂隙空间的发育 程度．顶板突水量的大小与含水层的富水性和突水 点的汇水条件有关．含水裂隙空间的发育程度及汇 水条件受地质构造影响而在空间上变化．此外，采 收稿日期2 0 0 4 0 6 1 5 作者简介张海荣 1 9 6 8 一 ，男，江苏省海门市人，副教授，工学博士，从事G I S 教学、开发与应用研究 万方数据 第1 期张海荣等基于G I S 复合分析的煤矿顶板水害预测研究 1 1 3 矿活动改变了自然地质环境，给顶板水害预测增加 了新的不确定因素． 传统上，顶板水害预测的方法大体上可分为 条件分析法与模型拟合法2 大类．前者侧重于定性 分析，即根据工作面地质、水文地质条件的分析、对 比，指出有无发生顶板突水的可能性[ 1 ] ；后者具有 一定程度的定量分析[ 2 ] ，如根据“上三带”理论计算 的冒裂带高度来评价煤层顶板含水层水害的影响． 由于影响煤层顶板突水的因素较多且各因素 之间的相互关系较为复杂，因此，若根据水文地质 条件分析，这些因素较为明确且突水规律明显，上 述方法行之有效．但是，在矿区反映这些因素的信 息 如渗透系数K 、单位用水量q 很少的情况下， 直接进行水文地质条件判断比较困难．在有限的水 文地质资料条件下，用传统的技术方法较为准确、 直观地确定这些因素的作用和相互关系，预测煤矿 顶板水害事故困难大、成效小． 近年来，有关G I S 技术应用于煤矿水害的预 测，则是侧重于岩溶或底板突水的分析[ 3 巧] ．特别是 G I S 中复合分析方法的应用，给一些难以用数学方 法建模的地学空间信息的运算、分析、拟合提供了 新的思路．本文旨在研究区没有水文地质参数的情 况下，应用分形理论对影响顶板突水的构造因素作 了量化，应用复合分析方法，建立顶板水害预测的 数学模型． 1影响顶板突水的主要因素 通过对山东省几个煤矿的顶板突水实例分析 表明，造成煤矿开采过程中工作面顶板突水的基本 因素包括 1 ．1冒裂带发育高度 采矿活动导致顶板冒裂，形成突水通道．顶板 突水及突水量首先与冒裂带所导通的含水层数量 密切相关．冒裂带高度主要与所采煤层的厚度有 关，但还受矿压及其它地质条件的影响． 1 ．2 冒裂带内岩层的富水性 如果确知冒裂带与含水层发生导通，则工作面 发生突水的可能性及严重性与含水层的富水性 一 般以单位涌水量q 表示 密切相关． 1 ．3 冒裂带内的砂质岩层累计厚度 一般认为砂质岩层，特别是中粗砂岩厚度愈 大，富水性愈好．其实并不完全这样，因为有时胶结 很好的砂砾岩甚至是隔水很好的岩层．但砂质岩层 的厚度毕竟是含水层含水空间赖以存在的基础，当 含水层中存在裂隙含水空间时，显然厚度大的要比 厚度小的含水多、水量大，所以将其视为影响岩层 富水性强弱的因素之一．冒裂带内砂岩层累计厚度 与工作面突水量存在一定的相关性． 1 ．4 构造对裂隙含水空间的影响 对于砂质岩层，其空隙 含水空间 的发育并不 主要决定于碎屑的粒度，因为对于基岩来说，在漫 长的地质历史时期中原生沉积经过固结成岩作用 后，原生的能起含 透 水作用的孔隙已经不复存在 或存在无几．这时构造作用形成的裂隙对碎屑岩的 透水和含水起决定性作用．从理论上分析，褶曲 向 斜或背斜 轴部在地层弯曲时易于受到拉伸或挤 压，裂隙发育，离轴部较远的翼部则裂隙发育较差． 同样断层两盘岩层在断裂形成时因受拉伸、挤压或 牵引，裂隙发育较好，离断层愈远，则裂隙发育愈 差．此外，由于采矿活动，断裂构造可能活化，形成 良好的导水通道，连通更多的含水层． 1 ．5 岩层含水空间的汇水条件 通常，向斜轴部具有良好的汇水条件，也即大 褶曲的存在为含水空间提供了条件． 显然，如果冒裂带内岩层的富水性及冒裂带的 确切高度能够确定，突水的可能性便可以肯定．但 是在上述因素不完全清楚的情况下，只有通过间接 方法来预测． 2 构造因素的分维量化 为了定量描述井田内某一范围断层构造、褶曲 的复杂性，要求相应的评价指标既便于获取又具有 客观性．近年来的研究成果证实，断层、褶曲构造网 络是一种具有分形结构的复杂系统[ 6 - 7 ] ．定量描述 分形结构不规则性的分维数可以作为定量评价断 层、网络复杂程度的一种指标，它比其它指标 如断 层密度 更客观、准确，也更能反映构造网络的复杂 变化‘8 | ． 分形是指由各个部分组成的形态，每个部分以 某种方式与整体相似．目前，在构造研究中广泛应 用的是具有自相似性的分形线性分形．自相似 性是指局部 或部分 与整体在形态、功能和信息方 面具有相似性，或者说局部是整体的缩影．这里采 用了相似维来描述构造网络的复杂程度． 相似维是应用最多的一种分维．若N d 是能 够覆盖住一个点集的直径为d 的小球的最小数目， 对于某一具有自相似性的研究对象，若其可以被分 为Ⅳ个单元，且每一单元按相似比r 与整体相似， 则相似维定义为 D ，一一l g N d ／l g d ． 万方数据 中国矿业大学学报第3 4 卷 在矿区断层网络迹线图、向斜轴线图上，将整侧逐渐变小．说明从向斜轴线到背斜轴线，汇水条 个区域分成若干个子区域，采用网格覆盖法，用边件越来越差． 长为r 的正方形网格覆盖每个子区域 图1 ，记录 含有断层迹线的网格数N ，． ．然后不断缩小网格 尺寸，若为r 。，r 。，⋯，则可得Ⅳ r 。 ，N ，．。 ，⋯．在 l g e l g N r 坐标系中 ￡一1 ／r ，l g ￡与l g N r 的最佳 回归直线的斜率即是每个区域的相似维 图2 ． } I ／ ／ 严 | I ， 。＼ } 6 lI | 卜 I『I ll 、 II 图1 网格覆盖法示意图 F i g ．1 S c h e m a t i cd i a g r a mo fn e t w o r ko v e r l a ym e t h o d 图2回归分析法求相似维 F i g ．2R e g r e s s i o na n a l y s i st oa c q u i r ef r a c t a ld i m e n s i o n 由于含水层的富水性与其裂隙的发育程度密 切相关，因此，研究含水层的裂隙发育规律是研究 水害问题的关键问题之一．根据研究，裂隙与断层 在分布上具有自相似性[ 9 ] ，由此可以通过大小断层 的分布预测裂隙发育程度．显然，断层密集的区域， 分维值大，反之则小．通过前述方法求得各个子区 域的相似维，应用样条函数插值并栅格化，可以推 演出裂隙发育的大体空间变化规律，或者是断层影 响裂隙发育程度的变化规律．笔者研究发现，这种 方法推求出的结果比使用缓冲区来确定断层的影 响范围更客观、准确[ 5 ] ，因为缓冲区内外是二值 非 此即彼 关系，而经过插值的分维值是连续的，能够 反映断层影响因素在空间上的变化．因此，分维方 法对断层进行量化更科学、合理、准确． 从向斜轴线分维值栅格化 使用样条函数插 值 的结果来看，围绕向斜轴线形成类似缓冲区的 形状 图3 ，分维值呈连续变化，由向斜轴线向两 图3向斜轴线分维值栅格化结果 局部 F i g ．3 T h eg r i dr e s u l to ff o l da x i a lt r a c ef r a c t a l d i m e n s i o n p a r t so fa na r e a 3G 1 8 复合分析技术 G I S 是一种管理和研究空间数据的先进技术 系统，能够方便地对地学中的空间数据按地理坐标 或空间位置进行存储、分析和处理，研究各种空间 实体特性及其相互关系．通过G I S 的数据管理，用 于分析研究的属性数据比较完整，量化程度高．分 析过程人为因素少，比较客观．G I S 空间分析通常 能够把空间位置数据和属性数据密切结合起来，采 用复杂的模型进行属性数据分析，数据更新、模型 调试和重复方便，且可视化程度高，从而使模型分 析过程和分析结果更符合地学实际． 多源信息复合通常指同一区域内遥感信息之 间及与相关的非遥感信息的集成、匹配．它包括空 间配准和内容复合2 个方面，从而在统一地理坐标 系统下，构成一组新的空问信息、一种新的合成图 像．信息复合的目的是突出有用的专题信息，消除 或抑制无关的或次要的信息，以改善目标识别的图 像环境． 矿山地质数据的信息来源多种多样[ 10 | ，描述 地质体的各种信息从不同的侧面反映了地质体和 地质现象的某些特征，单一的信息源所提供的信息 往往带有片面性，需要对这些复杂多样而又相互关 联的信息内容进行综合分析，对各种数据进行比 较、综合、演绎，定量或半定量地描述各种信息的地 质意义、相互关系或因果联系，揭示地质体的变化 规律．在这些领域的研究中，G I S 和图像分析技术 是强有力的手段． 多元信息复合往往是通过栅格数据来实现的． 各种矿山地质资料一般是文字信息或图形图像资 料．对于数值数据可以在G I S 软件中将这些数据 通过插值方法来栅格化；对于图形，最常用的方法 是进行数字化，并给空问实体赋予相应的属性值， 再经矢量一栅格转换形成数字图象．如果利用视频 摄像机或光栅扫描仪输入，则可直接得到栅格数据 万方数据 第1 期 张海荣等基于G I S 复合分析的煤矿顶板水害预测研究 1 1 5 文件，这种方法的设备较昂贵，且后期处理和交互 式编辑的工作量较大． 4 实例及其模型 我们收集了山东某一煤矿的相关资料 图4 ， 对该矿的顶板砂岩突水问题进行了研究．该矿自生 产至今的十多年中，共发生顶板突水1 5 次，其中最 大突水量达5 7 0m 3 ／h ．基本步骤如下 1 计算冒裂带高度，确定冒裂带内砂质岩层 的厚度； 2 分别对断层、向斜进行分维量化； 3 利用A r c G I S 对断层的分维值、向斜分维值 及顶板砂岩厚度栅格化； 4 应用多种预定模型，根据已知的涌水区域 的复合值划分富水性区域，反复进行多元信息复合 分析，修正模型，使所划分的富水性区域包含所有 的已知涌水区域，但不包含已知的未涌水区域，并 用一个突水点进行验证，寻找最佳拟合效果； 5 确定模型，根据包含已知突水点所在位置 的最小复合值划分出富水性区域，并把该最小复合 值减去1 ／3 作为较富水性区域的划分界限值，为防 治水提供参考． 图4顶板砂岩厚度等值线及构造迹线图 F i g ．4 T h et h i c k n e s sc o n t o u ro fc o a lr o o f s a n d s t o n ea n df a u l tt r a c e 根据上述步骤，经过多次拟合和修正，获得的 最佳数学模型为 R e s u l t W ，W I T ， 式中R e s u l t 为拟合值，表示研究区冒裂带内砂质 岩层的相对富水性；彤，为向斜轴线分维值；W ，为 断层分维值；丁为顶板砂岩厚度． 这里，W ，T 反映了含水层裂隙含水空间的 相对大小，间接说明了含水层的富水性；Ⅳ，可表示 汇水面积大小的一个指标，因为w ，越大，表明离 向斜轴部越近，汇水面积越大．复合分析结果如图 5 所示． i ／／ ／露 ／7F ] ＼誓 ＼占蕊二域 图5顶板水害复合分析预测结果 F i g ．4 T h ep r e d i c t i o nr e s u l to fr o o fs a n d s t o n e w a t e rh a z a r d sb ym u l t i f a c t o ro v e r l a ya n a l y s i s 复合分析结果中包含了已发生的突水点．此 外，根据划分出的富水性区域中的钻孔资料，相关 钻孔在钻探时冲洗液漏失严重，也问接说明预测结 果较为合理、准确． 结合已有突水点的资料和本次研究的预测分 析结果，较大涌水量的突水主要发生在向斜轴部附 近或断裂构造相对发育且冒裂带内砂质岩层较厚 的部位．因此，在防治水时要重点注意这些汇水条 件好、富水性强的部位． 5 结论 在不能确定煤矿顶板突水因素的情况下，间接 万方数据 1 1 6中国矿业大学学报 第3 4 卷 预测煤矿顶板水害问题时，首先要分析影响煤矿顶 板突水的关键因素．其中，对构造因素 断层、褶曲 应用分维理论量化既便于数据获取，也能更合理地 反映其影响程度．单一的信息源所提供的信息往往 是片面的，需要对这些复杂多样而又相互关联的内 容进行综合分析，G I S 空间信息复合技术可以有效 地综合分析顶板水害的各种信息，所提出的复合分 析模型能较客观地反映出裂隙含水层的富水性在 空间上的变化特点和规律．所给出的方法和模型为 在水文地质条件的信息很少且顶板突水规律不明 显的情况下进行水害预测提供了一种新途径．对于 在水文地质参数较多的情况下，应用本方法定量研 究顶板含水层的富水性规律也有一定的借鉴意义． 还应该指出，矿井突水还受其它一些不确定因 素的影响，比如采区矿压集中会导致冒裂带高度增 加等．此外，上述预测方法还受原始数据的精度影 响，需要根据新揭示的地质资料来修正预测模型及 参数． 参考文献 [ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] 刘福胜，阎泉峰．采煤工作面顶板涌水的防治口] ．煤 炭科学技术，1 9 9 7 ，2 5 2 3 6 3 8 ． L i uFS ，Y a nQF ．P r e v e n t i o na n dc u r eo fr o o fw a t e r g u s hi nm i n i n gf a c e [ J ] ．J o u r n a lo fC o a lS c i e n c ea n d T e c h n o l o g y ．1 9 9 7 ，2 5 2 3 6 3 8 ． 武强，黄晓玲，董东林，等．评价煤层顶板涌 突 水 条件的“三图一双预测法”[ J ] ．煤炭学报，2 0 0 0 ，2 5 1 6 0 “ 6 5 ． W uQ ，H u a n gXL 。D o n gDL ，e ta 1 ．“T h r e em a p s t w op r e d i c t i o n s ”m e t h o dt Oe v a l u a t ew a t e rb u r s t i n g c o n d i t i o n so nr o o fc o a l [ J ] ．J o u r n a lo fC h i n aC o a l S o c i e t y ，2 0 0 0 ，2 5 1 6 0 6 5 ． 郭达志，盛业华，金学林，等．矿区岩溶陷落柱探测中 遥感与地理信息系统技术的应用研究[ J ] ．测绘学报， 1 9 9 4 ，2 3 2 1 1 3 1 1 9 ． G u oDZ ．S h e n gYH ，J i nXL ，e ta 1 ．A na p p l i c a t i o n o fr e m o t es e n s i n gi m a g ea n dG I St Oe x p l o r a t i o no f k a r s tc o l l a p s ep i l l a r si nac o a lm i n ea r e a [ J ] ．A C T A G e o d a e t i c aa n dC a r t o g r a p h i cS i n i c a ，1 9 9 4 ，2 3 2 1 1 3 1 1 9 ． [ 4 3 张大顺，郑世书，孙亚军，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 出版社，1 9 9 4 ，1 4 3 1 5 4 ． [ 5 ] 江东，王建华，陈佩佩，等．G I S 软件支持下的煤矿 水害预测研究[ J ] ．地质灾害与环境保护，1 9 9 9 ，1 0 1 6 7 7 1 。 J i a n gD ，W a n gJH ，C h e nP P ，e ta 1 ．E s t a b l i s h m e n t a n da p p l i c a t i o no ft h ep r e d i c t i o no fw a t e ri n r u s hi n c o a lm i n e sb a s e do nG I S [ J ] ．J o u r n a lo fG e o l o g i c a l H a z a r d sa n dE n v i r o n m e n tP r e s e r v a t i o n ，1 9 9 9 ，1 0 1 6 7 7 1 ． [ 6 - 1 X i eH e p i n g ．F r a c t a lr o c km e c h a n i c s [ M ] ．N e t h e r l a n d s A ．A B a l k e m a ，1 9 9 2 ．1 4 1 5 3 ． [ 7 3晁吉祥，徐志斌．断裂构造分形模型和反转构造研究 新发展[ M ] ．徐州中国矿业大学出版社，1 9 9 5 ． [ 8 ] 徐志斌，王继尧，张大顺，等．煤矿断层网络复杂程度 的分维描述[ J ] ．煤炭学报，1 9 9 6 ，2 1 4 3 5 8 3 6 3 ． X uZB ，W a n gJY ，Z h a n gDS ，e ta 1 ．F r a c t a l d i m e n s i o nd e s c r i p t i o no fc o m p l e x i t yo ff a u l tn e t w o r k i nc o a lm i n e s [ J ] ．J o u r n a lo fC h i n aC o a lS o c i e t y ， 1 9 9 6 ，2 1 4 3 5 8 3 6 3 ． [ 9 ]汪富泉断层分维与裂缝系统的分形渗流研究口] ．四 川师范学院学报，1 9 9 4 ，1 5 4 3 0 8 3 0 9 ． W a n gFQ ．T h ef a u l tf r a c t a ld i m e n s i o n sa n dt h e f r a c t a lp e r c o l a t i o no ft h er i f ts y s t e m [ J ] ．J o u r n a lo f S i c h u a nT e a c h e r sC o l l e g e ，1 9 9 4 ，1 5 4 3 0 8 3 0 9 ． [ 1 0 3 张海荣，许友志，毛善君，等．煤矿地测综合管理信息 系统研究[ J ] ．中国矿业大学学报，1 9 9 9 ，2 8 5 4 2 9 4 3 2 ． Z h a n gHR ，X uYH ，M a oSJ ，e ta 1 ．R e s e a r c ho n c o m p r e h e n s i v em a n a g e m e n to fG I Sf o rc o a lm i n e s [ J ] ．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 ，1 9 9 9 ，2 8 5 4 2 9 4 3 2 ． 责任编辑李成俊 万方数据