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基于多源信息融合的岩溶矿区矿井突水危险性评价

张群利  
【摘要】:作为中国主要煤炭生产基地的华北型煤田大部分分布在岩溶地区,煤层顶底板突水为其主要水害问题。因此,摸清华北型煤田的水害发生条件,对矿区安全开采具有重大的现实意义。但是,由于岩溶矿区水文地质条件的复杂性,岩溶含水介质强烈的空间和时间变异性,使得赋存于其中的岩溶水具有强烈的随机性;带压采煤活动的影响使矿井突水变得更为复杂,岩溶充水性矿床突水预测预报不够准确,从而直接影响岩溶矿区的水害防治。因此,在水文地质条件分析的基础上,综合抽水试验、突水、井下地质观测及物探(瞬变电磁)资料,采用信息融合技术对矿井岩溶突水危险性进行评价,不仅具有重要的理论意义,而且具有重大的现实意义。 本文基于地下水系统理论,首先分析区域地质、水文地质条件,通过研究区域岩溶水系统的富水性、水动力场及水化学场特征,探讨区域岩溶水的赋存、运移及补径排条件对王河煤矿矿井充水的影响;进一步分析王河矿区含水层的富水性及各含水层间的水力联系、矿坑涌水量动态等;最后结合王河矿区实际突水情况归纳影响矿井突水的主要因素,建立 一1煤层矿井突水危险性评价指标体系,采用层次分析法(AHP)与熵权系数法(EWM)相结合确定各指标对总目标的权重,构建一1煤矿井突水危险性评价模型,基于GIS的空间叠加分析技术对突水评价指标专题图件进行图层复合,得出王河井田范围内的突水指数,据此对一1煤层矿井突水危险性进行分区,在此基础上提出王河煤矿今后防治水的重点,为岩溶充水型煤矿水害防治措施的制定提供科学依据。 研究表明:(1)王河煤矿位于荥巩矿区山前奥灰岩溶地下水的强径流带,大气降水是矿井水的主要补给来源,在矿区南部中寒武统张夏组—中奥陶统灰岩出露范围接受降水补给,以侧向径流的方式进入矿区充水含水层,以矿井排水为主要排泄方式,目前采煤排水已形成大规模降落漏斗,漏斗中心位于111采区111070工作面处。岩溶水动态特征:多年来矿区岩溶水位持续下降,表明矿坑排水消耗储存资源,岩溶水系统处于负均衡状态;水化学及同位素分析结果表明:矿区处于岩溶水区域流动系统的排泄区,降水自徐庄组地层以上灰岩出露范围入渗,沿程岩溶水位埋深加大,径流途径加长,水交替缓慢,地下水以侧向和垂直上升运动为主,水化学类型复杂。 (2)威胁一1煤层安全开采的含水层主要是煤层顶板的L1-2灰岩含水层和煤层底板的奥陶系灰岩岩溶裂隙含水层,且两含水层水力联系密切。 (3)影响工河煤矿矿井突水的主要因素有岩溶含水层富水性、奥灰水头压力、隔水底板厚度、构造复杂程度和矿山压力五个方面。故选取含水层富水性、奥灰水头压力、隔水底板厚度、开采深度4个评价指标,用层次分析法和熵权系数法相结合求取各评价指标相应权重。结果表明,对矿井突水危险性影响程度最大的指标为含水层富水性和隔水底板厚度,其次为奥灰水头压力,此外开采深度对矿井突水也有重要影响。 (4)为安全开采工河煤矿一1煤层,采用信息融合技术中的GIS、AHP和EWM进行底板突水综合评价:基于GIS的空间分析功能,将AHP与EWM综合确定的各评价指标权重贡献率赋予各因子专题图层,进行加权融合,形成具有拓扑关系的复合图层,利用底板突水指数模型计算突水指数,进行一1煤层矿井突水危险性评价分区与模型验证,并与传统的突水系数法进行比较,发现多源信息综合评判法准确度较高。评价结果显示:底板突水是多因素共同作用的结果,突水极危险区与突水危险区主要分布在构造裂隙发育的岩溶富水区和隔水底板较薄的深部地段,与含水层富水性、水压、隔水层厚度和开采深度有关。


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