会议论文 (方向清)采煤对黑龙洞泉岩溶地下水系统影响程度评价

采煤对黑龙洞泉岩溶水系统影响程度评价方向清傅耀军（1.中国煤炭地质总局水文地质局河北邯郸056004）摘要：文章在分析峰峰矿区采煤与黑龙洞泉岩溶水系统关系和矿床水文地质资料基础上，确定开采规模、构造复杂程度和岩溶水水压等9个因素为采煤对黑龙洞泉岩溶水系统水量、水质和环境影响的主要因素，运用基于MAPGIS的层次分析法，就采煤对黑龙洞泉岩溶水系统影响程度进行了评价，将峰峰矿区采煤对黑龙洞泉岩溶水系统影响程度分为强、较强、中等、较小、小五个等级，为矿区煤炭资源科学开采和区域水资源保护提供依据。关键词：黑龙洞泉、影响程度评价、分区煤炭开采对含水层破坏是一个动态发展的过程，需要从煤矿开采历史过程中的各种影响因素的变化进行分析研究。例如在煤炭开采过程中，会产生大量的酸性矿井水，这些酸性矿井水与地下围岩裂隙水存在着一定的水力联系，沿着围岩裂隙释放到奥灰含水层中，对目标含水层造成严重的威胁。通过对黑龙洞泉岩溶水系统模式、矿区开采现况及对岩溶水系统产生的影响现况分析，确定主要影响因素，采用MAPGIS与层次分析法（AHP）相结合方法进行采煤对黑龙洞泉域岩溶水水量、水质和系统环境影响评价。1地质概念模型的确立采煤对黑龙洞泉岩溶水系统的影响主要表现在水量、水质和系统环境三个方面。对于水量影响主要是采煤排水和生活、工业用水。决定采煤排水量的大小主要因素是煤层底板承受的岩溶水水压、构造复杂程度，生活、工业用水量和生产规模等。因而本次评价水量影响因素为：奥灰水的水压、构造复杂程度、采煤排水量和生产能力。采煤对岩溶水水质影响主要是生活污水、采煤排水和矸石淋滤物等。由于黑龙洞泉岩溶水系统为“单斜构造分散径流集中排泄岩溶水系统”，岩溶水水位远高于煤层，岩溶水水压大，在1.2～5.22MPa，因而，井田内承压区煤系水一般不会向下伏奥灰岩溶裂隙含水岩组径流，生活污水、开采排水和矸石淋滤物对岩溶水的影响主要在灰岩浅埋区。因而本次评价水质影响因素为：埋藏条件和矿化度。采煤引发的环境的问题主要是煤矸石、其他水体污染、采空区的地面塌陷和地裂缝等。影响程度主要取决于煤层采高、开采方式、开采规模和环境治理等，开采规模已作为对岩溶水水量影响因素，环境治理是开采后期工程，因而也不作为评价影响因素。因此，对环境影响因素为煤层采高、矸石堆放面积和采空沉陷比。2影响因素指标量化采煤对岩溶水系统的影响是一个非常复杂的工程，为便于进行定量评价，在此主要考虑系统资源量、水质和系统环境。2.1对系统资源量影响因素量化指标从前述资料可知，影响系统资源量的主要因素是构造复杂程度、奥灰水的水压、采煤排水量和生产能力4个因素。①奥灰水的水压取值1979年的奥灰水水位与奥灰顶板差值。②构造复杂程度根据峰峰矿区的构造特征分为复杂和中等二个级别（表1）。表1峰峰矿区矿井构造复杂程度表矿井三矿四矿九龙矿康二成矿王凤矿五矿万年矿薛村矿小屯矿羊渠河矿牛儿庄矿通二矿孙庄矿黄沙矿陶一矿陶二矿构造复杂程度复杂复杂中等中等中等复杂中等复杂中等中等复杂复杂复杂复杂中等中等③采煤排水量取值各矿井的每分钟矿井排水量。④开采能力取值煤矿2006年实际生产能力。2.2对系统水质影响因素指标量化基金项目：中国工程院重大咨询项目“中国煤炭清洁高效可持续开发利用战略研究”，国土资源大调查乙类资助项目（1212010913023）作者简介：傅耀军（1959－）男，河北成安人，中国煤炭地质总局水文地质局教授级高级工程师.采煤对系统水质的影响的因素很多，如埋藏条件、Cl-、NO3-、SO42-、矿化度等。由于资料有限本次以矿化度、埋藏条件作为评价指标。①本次评价将埋藏条件分为二个等级，浅埋区为较大区，而深埋区为中等区。②矿化度以1980年和2007年矿化度变化值为评价指标。2.3对系统环境影响因素指标量化本次评价影响环境因素取采空区分布、矸石堆放、煤层采厚。（1）采空区内主要为地面沉降，边缘主要是地裂缝，因而采空区外扩500m范围为影响较大区，其余为影响小区。沉降强度和地裂缝规模与开采方式和采厚相关。评价中以采空沉陷比和煤层厚度作为评价指标。采空沉陷比等于沉陷面积与采空区面积之比。峰峰矿区采空沉陷比在1.3～1.9。（2）矸石对系统环境的影响以2007年矸石堆放占地面积作为评价指标。（3）各矿区煤层采厚取以矿区平均煤厚计算。3.基于MAPGIS的层次分析法评价模型的建立根据前面采煤对黑龙洞泉岩溶水系统影响因素分析，确定基于MAPGIS的层次分析模型分为三个层次（图1）：采煤对黑龙洞岩溶水系统影响程度评价为目标层（A），岩溶水水量（B1）和水质（B2）、系统环境（B3）的影响为准则层（B），各个具体的评价因素指标（生产能力C1、构造复杂程度C2、排水量C3、奥灰水水压C4、埋藏条件C5、矿化度变化值C5、矸石堆放面积C7、煤层采厚C8、采空沉陷比C9）构成了本模型的决策层（C层次）。目标层(A)采煤对黑龙洞岩溶水系统影响程度准则层(B)水量(B1)水质(B2)环境(B3)方案层(C)开采能力C1构造复杂程度C2排水量C3奥灰水压C4埋藏条件C5矿化度变化值C6矸石堆放面积C7煤层采厚C8C采空沉陷比C9图1采煤对黑龙洞泉岩溶水系统影响层次分析模型3.1构造判断矩阵运用“征集专家评分”的方法，征集和咨询现场专家、高校及科研单位研究学者的意见，广泛听取他们的见解和看法，根据他们在现场生产实践和科学研究中的亲身体验和经历以及处理问题的具体方法，对影响含水层的众多因素进行评分，打分标准是依照T.L.SAATY创立的1-9标度方法。对专家打分表进行统计，形成专家对各影响因素的评判集，由此构建采煤对黑龙洞泉岩溶水系统影响程度评价的判断矩阵（表2～表5）。表2判断矩阵A～Bi（i=1～3）影响程度A水量B1水质B2环境B3(WA)λmax=3.094CI=0.047CR=0.0810.1水量B1150.33330.287水质B20.210.16670.078环境B33610.635表3判断矩阵B1～Ci（i=1～4）水量（B1)水压（C1)构造复杂程度(C2)生产能力(C3)排水量(C4)WB1λmax=4.17CI=0.056CR=0.0620.1水压（C1)10.33333333530.260构造复杂程度(C2)31670.583开采规模(C3)0.20.16666667120.088排水量(C4)0.33333330.142857140.510.068表4判断矩阵B2～Ci（i=1～2）水质B2埋藏条件C5矿化度C6WB2λmax=0CI=0CR=00.1埋藏条件C5130.750矿化度C60.33333310.250表5判断矩阵B3～Ci（i=1～3）环境B3矸石堆放面积C7采厚C8采空沉陷比C9WB3λmax=3.05CI=0.27CR=0.0460.1矸石堆放面积C7130.50.332515928采厚C80.33333333310.3333330.139647939采空沉陷比C92310.5278361333.2各影响因素权重计算由表2～表5形成层次总排序（表6）。由下式进行一致性检验：3131jjjjjjaCICRaRI=0.0530.1具有较满意的一致性。对表6各评价因素的对影响程度A的权重W总按大小排序（表7）。表6总排序表AB1B2B3W总0.2870.0780.635C10.2600.075C20.5830.167C30.0880.025C40.0680.020C50.7500.059C60.2500.020C70.3325159280.211C80.1396479390.089C90.5278361330.335图3构造复杂程度归一化图图2生产能力归一化图表7各评价因素的对影响程度A的权重影响因素采空沉陷比C9矸石堆放面积C7构造复杂程度C2采厚C8水压C1埋藏条件C5生产能力C3排水量C4矿化度C6权重0.3350.2110.1670.0890.0750.0590.0250.0200.0204影响因素归一化4.1数据归一化为了消除评价因素不同量纲数据对评价结果的影响，对数据进行归一化处理，本次评价采用线性函数转换：()/()iiiiiyxMinxMaxxMinx4.2各评价因素归一化专题图各评价因素数据经过归一化处理后，即可建立各单因素属性数据库。运用MAPGIS处理归一化数据，生成生产能力、构造复杂程度、排水量、水压、矿化度、埋藏条件、矸石堆放面积、采厚、采空沉陷比等各单因素归一化专题图（图2至图10）。图607-80矿化度归一化图图7埋藏条件归一化图图4排水量归一化图图5水压归一化图图8矸石面积归一化图图9采厚归一化图图10采空沉陷比归一化图4.3专题图叠加采煤对黑龙洞泉岩溶水系统的影响程度（V）就是各因素在空间某一位置的影响：,,,1,,nxyixyiiixyiVWCWiCi其中：因素的权重因素在(x,y)处的归一化值,,,9,,7,,2,,8,,1,,5,,3,,4,,60.3350.2110.1670.0890.0750.0590.0250.020.02xyxyxyxyxyxyxyxyxyxyVCCCCCCCCC运用MAPGIS的空间分析功能，对归一化图进行依次空间叠加，生成含各评价因素的叠加图，采用上式计算影响程度的空间分布。4.4影响程度分区通过采煤对黑龙洞泉岩溶水系统的影响程度空间数据进行数学统计分析，得到影响程度频率分布图（图11）。由分布特征确定0.241、0.280、0.318、0.506为分区依据：V0.506影响程度强（Ⅰ）0.506≥V0.318影响程度较强（Ⅱ）0.318≥V0.280影响程度中等（Ⅲ）0.280≥V0.241影响程度较小（Ⅳ）0.241≥V影响程度小（Ⅴ）依此，将采煤对黑龙洞泉岩溶水系统影响分为5个区（图12）。Ⅰ、位于峰峰矿区一矿。本区构造复杂、矸石堆放面积大采厚大、浅埋区，且开采后矿化度升高，采煤主要是对环境、水量、水质都有较大的影响。影响强。图12采煤对黑龙洞泉岩溶水系统影响程度分区图0246810121416180.197汇总0.218汇总0.229汇总0.236汇总0.243汇总0.250汇总0.257汇总0.264汇总0.271汇总0.278汇总0.285汇总0.292汇总0.299汇总0.307汇总0.315汇总0.322汇总0.329汇总0.413汇总0.426汇总0.503汇总0.511汇总图11影响程度频率分布图Ⅱ、位于峰峰矿区一矿、黄沙矿、四矿、九龙口矿西部等。本区构造复杂、开采后矿化度升高，采煤主要是对水量、水质都有明显的影响。影响较强。Ⅲ、位于通二矿北部、义井矿、黄沙矿西北边缘、九龙口矿、三矿北部、五矿、薛村矿、牛儿庄矿等。本区构造复杂、浅埋区，采煤主要是对水量、水质有影响。影响中等。Ⅳ、位于二矿，三矿南部、通二矿南部等，本区构造复杂、浅埋区，采煤主要是对水量、水质都有影响。影响较小。Ⅴ、位于王凤矿、羊渠河矿等，本区构造中等、矸石堆放面积小，采煤主要是对水量、水质和环境影响小。5结论在分析研究峰峰矿区采煤与黑龙洞泉岩溶水系统关系的基础上，确定了采煤对黑龙洞泉岩溶水系统影响的主要表现在对其水量、水质和系统环境的影响。主要因素为采空沉陷比、矸石堆放面积、构造复杂程度、采厚、水压、埋藏条件、生产能力、排水量、矿化度等。运用基于MAPGIS的层次分析法就采煤对黑龙洞泉岩溶水系统影响程度进行了初步评价，并依据各矿区影响程度的差异，将峰峰矿区采煤对黑龙洞泉岩溶水系统影响分为强、较强、中等、较小、小五个等，并对主要影响对象和因素进行了总结。对矿区煤炭资源科学开采、生产布局和水资源保护区划分有一定参考价值。参考文献[1]中国煤炭地质总局水文地质局.我国大型煤炭基地区域含水层保护战略研究[R].邯郸:中国煤炭地质总局水文地质局,2011.[2]方向清,傅耀军,华解明,等.北方岩溶地下水系统模式及特征[J].合肥工业大学学报，2011,34(2):286-291.[3]地质矿产部,中国统配煤矿总公