基于GIS与熵值法的煤层顶板突水危险性评价

为了对丁集矿13-1煤层顶板突水危险性进行合理的评价,探讨岩芯采取率、含水层厚度、脆塑性岩厚度比、隔水层厚度、断层影响带高度、渗透系数、断层分维7个影响顶板含水层富水性的主控因素,采用了GIS建立各主控因素专题图,然后运用熵值法确定各主控因素的权重,并对数据进行归一化处理,叠加各主控因素的归一化数据和权重值,获得富水性指数评价模型并建立富水性分区图,再计算顶板导水裂隙带高度和建立顶板冒裂程度分区图,最后分别对富水性分区和顶板冒裂程度分区重新赋值,对赋值后的两个图进行复合叠加,获得顶板突水危险性分区图。结果表明,评价结果与实际基本一致,准确性较高,可以为矿井顶板水害的防治提供参考依据。     

毛乌素沙漠区广域适应型保水安全厚度计算及开采影响分区评价

毛乌素沙漠区多个近地表含水层支撑着区域生态环境、生产和生活,开展保水采煤研究势在必行。而"保水安全厚度"计算作为保水采煤研究的核心内容,由于各近地含水层的性质以及所处垂向位置的差异,导致了针对毛乌素沙漠区的保水安全厚度计算方法适用范围有限、缺乏统一性。通过分析毛乌素沙漠区内含隔水层在垂向和平面上的展布特征、水文地质性质,结合不同区域内的工程地质条件和开采方法,探讨了保水安全厚度的定义。将煤层之上地层划分为目标保护层、预测导水段(导水裂隙带发育段)和等效保水段(由有效黏土隔水层和基岩层组成的保水段)。利用水均衡法分析了黏土隔水层与基岩层间的保水性能关系,通过"保水比例系数"形成了黏土隔水层与基岩层间统一的等效保水段计算方法。建立了具有能够适用毛乌素沙漠区内"沙-基(岩)型开采区"、"沙-土-基(岩)型开采区"、"沙-土-洛(洛河组含水层)-基型开采区"、"烧变岩型开采区"等主要不同地质条件的保水安全厚度计算模型。根据导水裂隙带的发育高度与黏土隔水层、基岩层间的导通特征以及煤水间距与保水安全厚度的大小关系,制定了煤层开采影响的自然保水区、一般失水区和严重失水区的分区标准。并以榆神矿区小保当煤矿为例,应用建立的统一模型确定了小保当井田内砂-基型和砂-土-基型开采区内的保水安全厚度,并据此评价了煤层开采对潜水含水层的影响。所建立的保水安全开采厚度计算模型以及开采分区评价标准具有良好的适应性,也为保水采煤研究中有关保水安全厚度的计算和煤层开采对上覆含水层的影响评价提供了新思路。     

基岩含水层富水性多元信息预测评价

分析研究含水层的富水性情况是煤矿防治水工作的基础。以陕北金鸡滩煤矿一盘区为研究对象,通过分析影响基岩含水层的主控因素,包括基岩厚度、岩性系数、岩心采取率、渗透系数及单位涌水量,结合层次分析法及ArcGIS软件,对主控因素叠加组合,建立了煤层顶板基岩富水性多元信息数学评价模型,绘制盘区富水性评价分区图,研究区按富水性强弱分为5个区域,由东向西富水性呈现出一种逐渐增强的趋势,富水性总体中等～强。     

基于GIS的煤层顶板突(涌)水危险性分析

顾桥矿13-1煤层主要受二叠系煤系砂岩裂隙水威胁,由于矿区含水层富水性不均一,煤层开采时上覆充水含水层极易被导通。针对13-1煤层的突水问题,运用"三图法"分析了煤层顶板发生突水的相对危险性。根据矿区现有资料,选取渗透系数、单位涌水量、含水层厚度、脆性岩厚度、塑性岩厚度以及脆塑性岩厚度比6个指标作为评价含水层富水性的主控因素。运用层次分析法及GIS的空间分析功能获得三图,将结果与开采部分的突水数据相比较,符合实际情况。     

巷道掘进顶板突水危险性预测研究

煤层顶板水害是威胁煤矿安全生产的重大灾害之一,近年来陕北浅埋煤层矿井巷道掘进时顶板突水事故常有发生,其主要原因是侏罗系风化基岩含水层相对松软,富水性较强,在煤层上覆相对隔水层厚度较薄区域,巷道掘进时围岩扰动沟通了风化基岩含水层,或直接揭露风化基岩含水层而引发掘进面突水,甚至突水溃沙(泥)。因此巷道掘进顶板突水危险区的预测十分必要。以红柳林井田4^-2煤开采为例,选择风化基岩含水层厚度、风化程度、岩性组合、砂岩层数及古地形标高等5个主控因素,采用随机森林(RF)算法对风化基岩含水层富水性进行了分区预测,编制了富水性分区预测图。同时分析了巷道围岩岩性特征,并结合松动圈厚度实测数据构建了松动圈厚度的多元线性与指数函数回归预测数学模型,得到了围岩松动圈厚度预测结果,以巷道顶板正常基岩厚度与松动圈厚度的差值为主要指标进行了巷道掘进顶板安全性分区预测,编制了巷道掘进顶板安全性分区预测图。在此基础上,利用GIS软件将风化基岩含水层富水性分区预测结果与巷道掘进顶板安全性分区预测结果进行了空间叠加分析,得到了巷道掘进顶板突水危险性分区预测图。结果表明：4^-2煤层...     

基于GIS的突水系数法与AHP型脆弱指数法在应用中的对比

为提高煤层底板水害评价精度,以四台沟矿区开采煤层底板水害评价为例,在基于GIS技术的基础上将脆弱性指数法和突水系数法进行比较分析,选择较优的评价方法。通过GIS技术,利用脆弱性指数法在承压含水层、地质构造、底板隔水层三个层次下建立了主控因素专题图,运用层次分析法确定各项权重,并进行专题图叠加生成评价分区图,利用突水系数法得出评价分区,经过对比两者的精确度,基于GIS的脆弱性指数法更接近实际情况,对煤炭的安全开采更具有指导性。     

高承压水体上采煤危险性的多因素综合评价研究

基于高承压含水层上采煤产生的水文地质工程地质问题的复杂性,建立了高承压水体上采煤危险性多因素综合评价模型,通过分析永煤公司陈四楼煤矿水文地质、工程地质及开采技术条件可知,影响研究区高承压水体上采煤安全性的因素多且复杂,确定了煤层底板破坏深度、煤层底板抗压强度、煤层底板隔水层厚度、煤层底板水压、煤层底板标高和断层密度6个因素影响该研究区煤层高承压水体上开采的主控因素。以21111工作面高承压水体上采煤为例,应用高承压水体上采煤危险性多因素综合评价模型,获得工作面的开采危险性指数分区等级图,根据评价结果指导矿井的煤层底板注浆改造,通过煤层底板注浆改造,21111工作面回采时,整个工作面的涌水量约为5 m³/h,主要为顶板砂岩水,底板基本无水。     

顶板风化基岩含水层富水性评价

在总结柠条塔煤矿南翼水文地质条件的基础上,优选影响2~(-2)煤层顶板风化基岩、直罗组砂岩含水层富水性的主控因素,采用层次分析法计算各主控因素的权重,运用GIS将影响含水层富水性的各主控因素依据权重复合叠加得出富水性分区综合图。研究表明:柠条塔煤矿南翼2~(-2)煤层顶板风化基岩裂隙含水层南部及西南部富水性较强;直罗组砂岩裂隙含水层的富水性整体上弱-中等,富水性较强区域主要位于研究区的西南部。     

基于层次分析法的含水层富水性特征分析

对含水层的富水性进行评价是确定煤层底板是否突水的重要前提,选取构造裂隙发育程度、含水层厚度、脆性岩与塑性岩厚度比、钻孔涌水量共4个因素进行分析,利用AHP模型确定各因素的权重。利用SURFER的信息融合及数据处理功能,将归一化处理后的各主控因素进行分析,建立良庄井田15煤层富水性评价模型,最终对奥灰含水层进行富水性分区。     

煤层底板突水影响因素的主成分分析

在调查和分析煤矿区水文地质资料的基础上,选取地质构造、含水层水头压力、底板含水层富水性、隔水层厚度和开采条件作为影响煤层底板突水的主要因素,采用主成分分析法(PCA)对影响底板突水5个因素做出定量评价,并对影响因素的影响程度进行排序:隔水层厚度地质构造含水层水头压力开采条件含水层富水性。结果显示:隔水层厚度、地质构造和含水层水头压力3个影响因素占总权重的89.4%,同时也是该矿防治水工作开展的重点防治部位,该评价结果与实际情况相吻合。     

基于改进灰关联分析和熵权法的开采区域划定

为划定厚松散含水层薄基岩下煤层安全开采区域,降低煤层开采的安全风险,通过分析国内外大量薄基岩厚松散含水层下煤层开采的工程案例,选取导水断裂带高度、厚松散层底部含水层单位涌水量、采高、厚松散层底部黏土层厚度、以及覆岩厚度5个指标作为煤层安全开采区域划定的基础指标,并以导水断裂带高度与采高平方根之比、底部含水层单位涌水量、底部黏土层层厚与采高之比以及覆岩厚度与采高平方根之比作为评价因子,将厚松散含水层薄基岩下采煤的综合安全性划分为5个等级。通过将熵权理论引入改进的灰关联分析法中,建立综合评价模型,对某矿厚松散含水层薄基岩下煤层安全开采区域进行了划定。结果表明,应用该模型划定的煤层安全开采等级与实际等级完全吻合。     

基于标准差修正主观权重的洛河组含水层富水性评价

侏罗系煤田顶板复合含水层具有厚度大、富水性不均一的特点,煤层开采驱动下导水裂隙带发育至不同含水层构成的水害威胁程度不同。彬长矿区位于鄂尔多斯盆地侏罗系煤田南缘,顶板白垩系洛河组砂岩含水层富水性差异较大,对其富水性进行精确评价成为矿区防治水工作开展的重要前提。以矿区内某矿井为例,选取对含水层富水性影响较大的含水层厚度、冲洗液消耗量、岩心采取率、砂泥岩层比率、含水层埋深、矿化度6个主控因素作为评价指标,采用模糊层次分析法确定各主控因素的主观权重,利用标准差对主观权重进行修正,建立含水层富水性评价指数模型,对研究区洛河组砂岩含水层富水性进行评价,并通过勘探钻孔抽水试验成果对富水性评价结果进行验证。结果表明,研究区内洛河组强富水区集中在西北侧,中等富水区分布在研究区中部,弱富水区分布在东南侧,富水性自西北向东南逐步递减,基于标准差修正主观权重的洛河组含水层富水性评价方法提高了预测结果的可靠性和准确性,分区结果可为该区洛河组含水层防治水工作提供指导。     

基于钻探-物探数据融合的矿井涌水量预测及效果评估

以大海则煤矿作为典型研究对象,基于238个地质及水文地质钻孔和50个物探断面勘测等数据,分析影响矿井涌水量的主要因素,认识确定开采地层的充水因素,构建矿区井田三维地质实体模型;采用数值模拟法、大井法和集水廊道法预测计算矿井涌水量,并综合对比多种方法和成果。结果表明:物探数据可以弥补地质钻孔对于区域控制的不足,融合利用钻探-物探数据精细刻画矿区地质地层结构,可以构建包含第四系含水层、第四系-白垩系隔水层、白垩系含水层、白垩系-安定组隔水层、安定组含水层、安定组-直罗组隔水层、直罗组含水层、2煤层隔水层和2-3煤含水层的矿区井田三维地质实体模型;通过矿区地下水数值模拟、大井法和集水廊道法预测涌水量的结果对比,实现了不同方法计算涌水量的相互验证;大井法和集水廊道法对涌水量只能做出静态预测,而数值模拟法可以基于钻探和物探数据对含水层系统结构进行精细剖分,准确描述开采过程中矿区地下水的运动规律,并考虑煤矿开采的工作进度,实现涌水量的动态预测,提高煤矿矿井涌水量的计算精度。     

陕北榆神矿区煤层开采顶板涌水规律分析

榆神矿区是我国陕北煤炭基地的重要组成部分,针对榆神矿区煤层开采顶板覆岩含水层涌水规律研究不足等问题,通过系统分析地质与水文地质结构特征,将矿区开采煤层覆岩划分为松散孔隙、基岩与风化裂隙、烧变岩孔洞裂隙4个含水层组,以及主、亚2个隔水保护层组;根据煤层采动导水裂隙与覆岩含(隔)水层组不同组合关系下的含水层涌水特征,提出了浅埋煤层侧向直接涌水、中深煤层侧向与垂向复合涌水,以及深埋煤层侧向涌水与垂向弱涌水3种含水层涌水模式;并采用数值分析方法,以榆神矿区典型矿井为研究对象,构建了采煤工作面尺度上煤层开采3种模式涌水分析模型,模拟结果显示,浅埋煤层侧向直接涌水型(凉水井井田),主采煤层为4^-2煤层,采动导水裂隙直接发育至松散含水层,工作面顶部含水层被疏干,总涌水量为47 m³/h,地下水流场受采动影响大;深埋煤层侧向涌水与垂向微涌水型(小壕兔1号井田),主采煤层为1^-2煤层,采动导水裂隙发育至基岩含水层,总涌水量为21.87 m³/h,以侧向涌水为主,由于主、亚隔水层复合保护,垂向涌水微弱;中深煤层侧向与垂向复合涌水型(曹家滩井田),主采煤层为2^-2煤层(均厚约为11 m),在分层开采条件下导水裂隙发育至基岩含水层内部,其侧向涌水量为23.17 m³/h,垂向涌水量为12.67 m³/h,地表松散含水层地下水流场变化较小,在一次采全高条件下导水裂隙突破亚隔水层,发育至风化基岩含水层底部,总涌水量增至131 m³/h,对松散含水层影响较大。此外,当导水裂隙带高度小于180 m、不能沟通风化基岩含水层时,随导水裂隙带高度增加涌水量增加幅度不大,当导水裂隙带高度大于180 m、导水裂隙揭露富水性较好的风化基岩含水层时,涌水量增加幅度较大,由此可见,抑制导水裂隙发育高度与覆岩强含水层的接触关系,是控制煤层覆岩涌水的一项重要措施。     

基于分形理论的富水性指数法在含水层富水性评价中的应用

为了提高富水性指数法在复杂构造、低勘探程度矿区含水层富水性评价的可靠性,提出了基于分形理论的富水性指数法评价含水层富水性,给出了评价流程。首先确定影响含水层富水性的主控因素,其中构造因素可以用分形维数代替,利用层次分析法确定各主控因素的权重,借助Arcgis软件,对各主控因素进行叠加获得含水层富水性分区图,并利用实测单位涌水量进行校正。选取准格尔煤田不连沟煤矿为研究对象,开展了砂岩含水层富水性评价应用,研究结果表明:相比传统含水层富水性评价方法,该方法使构造描述要素数量减少2～3项,同时解决了在水文地质勘查程度较低情况下含水层富水性合理准确评价与分区难题。     

榆神矿区浅埋煤层减水开采中预疏放标准确定方法

榆神矿区地处干旱半干旱地区,生态环境十分脆弱。疏放水是榆神矿区顶板水害防治的主要手段,但过度疏放不仅增加矿井排水负担,而且不利于保护浅层地下水资源。因此,在确保防治水安全的前提下,计算预疏放残余水头、确定预疏放阶段和回采阶段第四系松散含水层漏失量,从而实现总漏失量最小是煤炭减水开采中的重点研究问题之一。以榆神矿区锦界煤矿为例,在分析井田含、隔水层赋存特征的基础上,建立了煤层开采的2种充水模式,并对顶板含水层进行了富水性分区;以矿井涌水量实测数据为基础,分析了涌水量变化规律及其构成比例;采用Drain边界刻画多工作面连续回采内边界,建立了锦界煤矿采掘扰动条件下地下水流数值模型,研究了两种充水模式下预疏放残余水头在不同工况下的第四系松散含水层总漏失量变化规律,确定了工作面预疏放结束标准。结果表明:锦界煤矿煤层顶板为典型的沙(层)-土(层)-基(岩)型结构,主要充水水源为风化基岩水,主要充水模式为土层未缺失风化基岩充水型及土层缺失风化基岩和松散层混合充水型。采用GIS多元信息融合技术划分的井田富水性分区结果显示,相对强富水区位于井田二盘区局部地段、三盘区和四盘区大部分地段,与现场实际基本一致。矿井疏放水量与工作面回采残余涌水量曲线变化趋势基本一致,各占矿井涌水量的50%左右。通过数值模型计算得出两种充水模式下工作面预疏放结束标准为将充水含水层疏放至煤层底板以上15~20 m,保留一定的残余水头可进行回采,无需继续疏放。此时,第四系松散含水层水资源总漏失量最小,可起到减水采煤的作用。研究成果为榆神矿区浅埋煤层提供了“减水开采”的新思路。     

基于AHP与GIS的煤层顶板突水危险性评价

为准确评价赵家寨矿12采区东翼二₁煤层顶板突水问题,选取导水裂隙带高度、导水裂隙带高度范围内的含水层厚度、新近系含水层的富水性、剩余黏土层厚度、断层分维值5个因素作为煤层顶板突水的主控因素,运用层次分析法确定各主控因素对总目标的影响权重,并通过自然分级法确定研究区的分区阈值,最终获得了研究区二₁煤层顶板突水危险性评价模型。评价结果与后期工作面开采的疏水结果相一致,实际疏放水量与预测静水储量吻合度达96.7%,实现了二₁煤层的安全回采。     

多源地学信息融合的煤层顶板含水层富水性评价

为查明煤层顶板充水含水层的富水性及其分区规律,在综合分析矿区地质和水文地质资料的基础上,采集影响含水层富水性的多源地学信息,确定了影响含水层富水性的主控因素,利用地理信息系统(GIS)软件建立各主控因素专题图,应用层次分析法(AHP)确定各主控因素"权重"系数,对多源地学信息进行复合叠加,最终实现对煤层顶板充水含水层富水性进行分区及评价。     

基于G1-CV熵组合权重模型的含水层富水性研究

陕北侏罗纪煤田直罗组含水层是矿井水的主要充水含水层，而直罗组含水层富水性与其岩性结构特征有密切关系，以魏墙煤矿现有的钻孔资料为基础，选取了3#煤层顶板直罗组含水层的砂岩岩性系数、岩性采取率、砂泥岩厚度比、砂岩等效厚度4个主控因素，分别利用G1法(序关系分析法)、CV（变异系数法）获得各主控因素的主、客观权重，通过最小信息熵原理得到组合权重，进而借助克里金插值法结合Surfer软件对砂岩含水层富水性进行分区评价。结合钻孔单位涌水量对富水性分区结果进行了验证。结果表明：侏罗系直罗组砂岩含水层富水性整体上为极弱至相对中等，研究区中西部和南部部分区域、中东局部区域富水性相对中等，其他区域为富水性极弱和弱区。该模型的评价结果与实际情况较为一致。     

基于GIS的AHP型常权模型与分区变权模型的底板突水脆弱性评价

通过运用GIS技术,利用脆弱性指数法在承压含水层、地质构造、底板隔水层3个层次下建立了主控因素专题图,运用层次分析法确定常权模型的各项权重,采用分区变权理论方法调整各个主控因素权重,得到一个合理的组合,改善了常权模型下权重不随各因素的状态变化的缺陷,在常权和变权模型下各自叠加复合主控因素专题图,并对比分区的变化,得出变权模型下的底板突水脆弱性评价,提高了煤层底板突水脆弱性评价的准确性,对煤炭的安全开采具有一定的指导性。