淮南新庄孜矿井水文地质类型划分指标体系构建.docx
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淮南新庄孜矿井水文地质类型划分指标体系构建
目录
摘要1
Abstract2
1引言3
1.1课题研究的目的意义3
1.2国内外研究现状3
1.3本文工作5
2新庄孜矿井水文地质条件5
2.1研究区概况5
2.2地质条件8
2.3水文地质条件15
3新庄孜矿水文地质类型划分指标体系构建23
3.1含水层性质及补给条件23
3.2矿井周边老空水分布状况24
3.3矿井涌水量26
3.4开采受水害影响程度27
3.5防治水工作难易程度30
4模糊综合评判的基本方法30
4.1模糊综合评价步骤30
4.2用层次分析法确定各指标权重32
5矿井水文地质类型划分模型建立36
5.1评价体系的确定36
5.2一级指标权重37
5.3二级指标组合权重计算38
5.4单因素评价集的建立40
5.5水文地质条件划分二级模糊综合评价模型41
6淮南新庄孜矿井水文地质类型评价模型42
6.1矿井的水文地质指标42
6.2矿井水文地质类型划分模糊评判42
7结论与建议45
7.1主要结论45
7.2建议45
致谢46
参考文献47
淮南新庄孜矿井水文地质类型划分
指标体系构建
摘要：
我国矿井水文地质条件复杂多样，为了保证矿井安全、经济合理开采，需要按照不同的矿井水文地质类型，有针对性地进行防治。
矿井水文地质类型是一个由多个子因素组成的综合指标，本文详细介绍了淮南新庄孜矿井水文地质条件，对矿井水文地质类型划分指标体系进行了具体分析，并系统的探讨了模糊综合评判的基本方法和层次分析法的数学模型、指标值的确定、判断矩阵及一致性检验的方法和步骤，应用模糊综合评判理论建立了矿井水文地质类型划分模型，对新庄孜矿井水文地质类型进行了划分。
取得主要结果如下：
（1）新庄孜矿井水文地质类型划分的评价结果为“复杂”，结果与实际情况相符；
（2）所构建的评价指标体系合理；（3）模糊综合评判和层次分析法数学模型可行。
本文研究的主旨在于为矿井水文地质类型划分提供一种行之有效的方法，为矿井防治水提供一定的科学依据，从而促进煤矿安全高效生产。
关键词：
矿井水文地质类型；指标体系；层次分析；模糊数学；新庄孜
ResearchonConstructionofEvaluationIndicatorsSystemforTheHydrogeologicalConditionsofCoalminesinXinzhuangziHuainan
Abstract:
ThehydrogeologicalconditionsofcoalminesinChinaarecomplicared.Forsafetyandeconomicexploitationofcoalitisnecessarytoclassifythehydrogeologicalconditionsintogroups，soastotakepreventativemeasuresaccordingtoitsconditions．Thehydrogeologicalconditionsofcoalminesisasyntheticindexthatincludesmanysubindexes,Thispaperdescribesthehydrogeologicalconditionsofxinzhuangzicoalmine.Thejudgmentindexsystemwassnslyzedinthepaper.Andsystem-levelanalysisofthemathematiealmodeltodeterminethevalueoftheindieatorstojudgetheconsisteneyofthematrlxandtestedmethodsandProeedures.Bymeansoffuzzcomprehensivejudgmenttheory,thecomprehensivejudgmentmodelwassetup.Trialclsasificationofthehydrogeologicalconditionsofxinzhuangzicoalminewasacrriedoutwithsatisfactoryresults.Obtainedresultsareasfollows:
（1）TheevaluationresultsofhydrogeologicaltypeinXinzhuangzimineis"complex",theresultswiththeactualsituation;
（2）Constructedtheevaluationindexsystemisreasonable;（3）FuzzycomprehensiveevaluationandthelevelofMathematicalmodelsarefeasible.Themainthrustofthispaperistoprovideaneffeetivecomprehensivejudgmentmodelofhydrogeologicalconditionsofcoalminesandascienticbasisfortheprevention-cureofminewatersothattopromotethemineefficientproduction.
Keywords:
Thehydrogeologicalconditionsofcoalmines；Indexsystem；
AnalyticHierarchyProeess；FuzzyMath；Xinzhuangzi
1引言
1.1课题研究的目的意义
矿井水文地质类型划分是矿井防治水宏观决策的主要依据，是矿井水文地质工作的一项重要内容。
矿井水文地质类型划分的目的有二:
其一是针对已探明的可供开采的煤田，通过对其矿井水文地质类型划分，判断煤田开采的可靠性；其二是通过对矿井水文地质类型的综合评价，为各级管理部门制订煤炭发展战略，实行分类指导、公平考核各矿的成本管理水平提供理论依据。
1.2国内外研究现状
70年代以来，随着我国煤矿矿井水害增多，淹井频率增加，突水量加大，暴露出的矿井水文地质条件和勘探期大不相同，从而广泛开展了对矿井水文地质类型划分的研究探讨，主要是把矿井充水因素和开采活动密切联系起来，研究矿井充水规律、含水层和井巷的空间关系及进水条件，研究在时间和空间上比勘探期广泛和深入得多的含水层补给、径流一排泄条件。
《煤矿防治水规定》综合反映了这些研究成果，成为矿井水文地质类型划分的依据。
《煤矿防治水规定》仅按硬性指标把矿井水文地质类型划分为简单，中等，复杂，极复杂四类分类因素，无论定性指标或定量指标，过硬性地规定几条界限、采用简单的确定型方法，显然不尽合理。
同时，通过各因素的分析、对号确定最终类型时，经验及人为因素起很大作用其结果说服力不强。
90年代以来，随着计算机和模糊数学的发展，开始研究根据模糊数学理论，借助计算机进行分类。
李勋千，任素贞曾做过这方面的研究。
《煤矿防治水规定》中，有关于水文地质类型划分的规定，见表1.1。
综合考虑表中各因素，若从矿井所有因素考虑均属某类，显然这个矿井就该属该类，但有由于矿井水文地质条件复杂多样，这种情况很少存在，往往是这个因素属于某类，而另外一个因素属另一类。
《煤矿防治水规定》中的对策是就高不就低，这样做虽然提高了安全级别，但很有可能对矿井水文地质类型评价偏低造成防治水工作困难的假象。
另外，就其中每个因素本身而言，它属于各类别的界限也是模糊的，因此，本文采用模糊综合评判数学方法进行类型划分。
表1.1矿井水文地质类型
分类依据
类别
简单
中等
复杂
极复杂
受采掘破坏或影响的含水层及水体
含水层性质及补给条件
受采掘破坏或影响的孔隙、裂隙、岩溶含水层，补给条件差，补给来源少或极少
受采掘破坏或影响的孔隙、裂隙、岩溶含水层，补给条件一般，有一定的补给水源
受采掘破坏或影响的主要是岩溶含水层、厚层砂砾石含水层、老空水、地表水，其补给条件好，补给水源充沛
受采掘破坏或影响的是岩溶含水层、老空水、地表水，其补给条件很好，补给来源极其充沛，地表泄水条件差
单位涌水量q（L·s-1·m-1）
q≤0.1
0.1＜q≤1.0
1.0＜q≤5.0
q＞5.0
矿井及周边老空水
分布状况
无老空积水
存在少量老空积水，位置、范围、积水量清楚
存在少量老空积水，位置、范围、积水量不清楚
存在大量老空积水，位置、范围、积水量不清楚
矿井涌水量
（m3·h-1）
正常Q1
最大Q2
Q1≤180
（西北地区Q1≤90）
Q2≤300
（西北地区Q2≤210）
180＜Q1≤600
（西北地区90＜Q1≤180）
300＜Q2≤1200
（西北地区210＜Q2≤600）
600＜Q1≤2100
（西北地区180＜Q1≤1200）
1200＜Q2≤3000
（西北地区600＜Q2≤
2100）
Q1＞2100
（西北地区Q1＞1200）
Q2＞3000
（西北地区Q2＞2100）
突水量Q3（m3·h-1）
无
Q3≤600
600＜Q3≤1800
Q3＞1800
开采受水害
影响程度
采掘工程不受水害影响
矿井偶有突水，采掘工程受水害影响，但不威胁矿井安全
矿井时有突水，采掘工程、矿井安全受水害威胁
矿井突水频繁，采掘工程、矿井安全受水害严重威胁
防治水工作
难易程度
防治水工作简单
防治水工作简单或易于进行
防治水工程量较大，难度较高
防治水工程量大，难度高
注：
1.单位涌水量以井田主要充水含水层中有代表性的为准。
2.在单位涌水量q，矿井涌水量Q1、Q2和矿井突水量Q3中，以最大值作为分类依据。
3.同一井田煤层较多，且水文地质条件变化较大时，应当分煤层进行矿井水文地质类型划分。
4.按分类依据就高不就低的原则，确定矿井水文地质类型。
1.3本文工作
本文以淮南新庄孜矿井为例，研究矿井水文地质类型划分指标体系的构建。
在充分收集资料基础上，选定合适的指标，根据不同指标的重要程度确定各个指标权重，运用模糊综合评判理论建立矿井水文地质类型划分模型，运用该模型对淮南新庄孜矿井进行水文地质类型评价。
2新庄孜矿井水文地质条件
2.1研究区概况
2.1.1井田位置、范围
新庄孜煤矿位于淮南市西部，八公山东麓，井田横跨淮河南北两岸，井田范围为宽广的山前平原，本矿井田西北与李咀孜矿接界，东南与谢一矿毗邻，本井田地理方位为：
东经116°49′38″，北纬32°35′41″。
井田平均走向长5.4Km，倾斜宽3.75Km，井田面积20.23Km2。
多年来，我矿各槽别的井田边界历经多次变动（见表2.1，图2.1）。
表2.1井田边界变动一览表
时间
文件名称及文号
简要说明
1958年11月
上海煤矿设计院设计
设计新谢新边界座标为：
X：
1384.523Y：
6482.203方位：
57°35′30″
1964年
煤炭部（84）2285号文
批准新庄孜与李咀孜矿井田技术边界为：
（1）X：
16816.602Y：
84597.135
（2）X：
16301.398Y：
84350.868方位：
N38°E
1984年
淮南矿务局新地生字（1984）815号文《关于新庄孜、孔集、李咀孜矿井田边界调整及边界煤柱留设的规定》
无
1988年
淮南矿务局地质字（1988）838号文《关于扩大48采区A1槽煤层井田边界的批复》
4601区段以F5断层为界与李咀孜矿毗邻
1989年
淮南矿务局煤地质字（1989）008号文《关于“新庄孜矿五三采区F12-7断层以南C14、C13槽划归谢一矿采的报告”的批复》
新庄孜矿五三采区-474m～-612m水平F12-7断层以南C14、C13槽划归谢一开采
图2.1井田边界示意图
2.1.2地形地貌
井田位于八公山东簏，地貌属山前斜坡和冲积平原，淮河从上斜穿而过，淮河以南的大片区域处于钱家湖与蔡家洼的低洼区内，北部凹凸不平，中南部较平坦。
淮河以北地势平坦、低洼，标高：
+18.6m，井田西南两侧为丘陵，最高的四顶山海拔+217.56m，丘陵山脉岩层走向与煤系地层基本一致，煤系地层之上为第四纪地层所覆盖，其厚度一般为15～30m。
本矿井田经过七十多年的开采，地形有了很大的变化，采空区上方地表形成了许多大小不一的塌陷积水塘与塌陷坑，塘内积水对井下煤层的安全开采有一定影响，随着开采面积的增大，地表塌陷盆地面积亦随之扩大。
2.1.3水文、气象
淮河斜穿本井田北部，为本区主要河流，流经矿区段约7Km，河床宽250～300m，最大洪水期宽达3000～4000m，淮河水位标高一般在+17～18m，常见洪水位标高为+23m左右，历史最低水位标高为+12.36m（田家庵姚家湾1953年6月21日），百年来最高洪水位为+24.53m（1954年7月29日），91年汛期（特大水年）最高洪水位标高为+24.30m（91年7月10日），根据治淮委员统计，本矿区段淮河最大流量为10800m3/s（1954年7月26日），最小流量为164m3/s（1954年元月26日），流速为1～2m/s。
淮河水常年浑浊，含砂多，含砂量最高为11.7‰，最低为2.78‰，平均为7‰，淮河两岸各筑护堤一道，南堤为老应段确保堤，北堤为下六方堤，堤坝由于受回采塌陷影响，逐年下沉，截止1992年年底影响总长度1676m，最大下沉量为：
南堤4.448m，北堤6.286m，河防公司亦逐年加固、加高，现堤坝标高为+27.0m，河床标高为+6～13m。
对我矿生产影响较大的地表水体还有钱家湖、蔡家洼塌陷水塘、三号、五号、六号泵房处的塌陷水塘，它们均直接覆盖于煤系露头之上。
矿井田范围内地势低洼，标高低于洪水位标高10m以下，常年积水，无法外溢，积水多为大气降水流入聚集而成，雨季内涝水量最大，据91年7月份统计，本井田最大汇水面积为24.4Km2，积水面积1.05Km2，总水量210万m3。
根据我矿历来的经验，直接影响矿井安全生产的主要为地表水体与井下老塘水、灰岩承压水，同时某些小煤窑开采对大井的安全生产也构成威胁，曾发生数起地方小井溃水事故，造成大井停工、停产。
淮河流域地处我国南北气候过度地带，属于暖温带半湿润季风气候区，本区属寒温带湿润气候，季风性明显。
年平均温度15.2℃左右，极端最高气温为44.2℃（53年8月31日），极端最低气温为零下22.8℃，一年中夏季高温（8月份），一般31～39℃，冬季低温（元月份），一般3～零下8℃。
风向一般春夏季多为东南风、东风，冬季多为东北风及西北风，风力一般2～4级，最大风力8～9级，月平均风速1.3～2.9m/s，最大风速8m/s。
降水情况见表2.2
由表2.2可知：
10月、11月、12月、平均降水变率最大，降水多少不稳定，造成易旱易涝。
年平均蒸发量为1613.2mm，最大年份为2008.1mm，最小年份为710.7mm。
一年内蒸发量以6月份最大，为222.2mm，1月份最小，为53.3mm。
除雨季外，月蒸发量一般都超过降雨量，特别是4～6月和10～12月份，地表蒸发量远大于降水量，土壤易干旱。
初雪为11月上旬～下旬，终雪为2～3月，降雪期为54～127天，最长连续降雪6天，年最大降雪量0.96m，平均0.30m。
表2.2历年各季、月雨量分配表
单位：
毫米（mm）
季节
春
夏
秋
冬
月份
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
1
2
月降雨量
53.9
75.9
83.9
131.5
200.9
138.8
88.8
55.1
42.1
17.1
22.7
31.3
季降雨量
213.6
469.0
186.0
72.9
季降雨量占全年%
22.7
49.8
19.8
7.7
相对平均变率
48
52
50
54
47
42
47
80
70
72
53
54
2.2地质条件
淮南煤田从发现至今已有六十多年的历史，通过几代人的努力，进行了普查、推断、勘探及建井开采，积累了大量的地质资料及丰富的工作经验，对矿区内外的地层、地质构造、水文地质特征、古生物特征、标志层、煤岩层结构等都有了较深刻的认识，为矿井安全生产及开拓延深提供了可靠的依据。
2.2.1地层
淮南矿区地层划属华北地层区。
从八公山至井田范围内发育的地层从老到新有：
下元古界（前长城系）、上元古界（青白口系），古生界的寒武系、下奥陶统、上石炭统、二叠系和新生界的第四系。
期间古生界的中奥陶统至中石炭统缺失，中生界的三叠系、侏罗系、白垩系以及新生界的早、晚第三系亦无沉积。
二叠系地层全被第四系覆盖。
本井田位于八公山下东北平原地带，现将自古生界以来发育的地层自下而上分别叙述。
一、寒武系（Є）
本区古生界寒武系发育良好，是组成井田之西山峦的主要岩石。
总厚达1400m，为一套海相碎屑岩，碳酸盐岩沉积、含鲕粒、藻、砂呈灰夹紫色中厚层白云质灰岩及海绿石云母灰岩等。
该系前人研究较详细，地层对比可靠，与下伏青白口系为平行不整合接触关系，自下而上分为七个组，各组之间为连续沉积整合接触。
其底部猴家山组含磷岩系是本区在华北寒武系沉积中的一个特有建造。
主要化石：
莱得利基虫RadlichiaSP、葛万藻GirvanellaSP、
小园贷贝ObolellaSP、似园贷贝ObolopsisSP、
软舌螺HyolithosSP等。
二、奥陶系（O）
本区发育的下奥陶统（O1）主要分布在八公山之东斜坡地带，呈NNW向，与本井田内含煤地层展布方向基本一致，与下伏寒武系和上覆石炭系均为平行不整合接触。
下奥陶统（O1）和马家沟组（O1m），两组间连续沉积整合接触。
根据露头及钻孔提示：
其总厚为250m，岩性组合较为简单，主要为中厚～厚层状泥质灰岩、白云质灰岩，产化石为珠角石：
ActinocerasSp、马氏螺MacluritesSP。
三、上石炭统（C3）
上石炭统太原组地层在本井田由沈巷孜至毕家岗呈N40°展布，被第四系覆盖，只有在低洼地点和冲沟内有零星出露，总厚平均120m左右。
主要岩性为泥质灰岩、灰色～浅灰色砂岩、灰色薄层状泥岩和薄煤层。
其薄煤有7～10层，均无开采价值。
自下而上含较稳定和不稳定灰岩13层，灰岩总厚60m左右。
太原组与下伏奥陶系马家沟组呈假整合接触，地层中古生物化石丰富，产腕足类、珊瑚、海百合茎及蜓科化石。
四、二叠系（P）
二叠系在本井田内极为发育，从下而上分为山西组、下石盒子组、上石盒子组和石千峰组。
其中山西组、下石盒子组和上石盒子组为含煤地层，总厚度820.69m，含煤40余层。
可采煤层分布于山西组、下石盒子组和上石盒子组下部。
石千峰组厚度在1000m以上，不含煤。
该系与下伏石炭统太原组呈假整合接触，各组间为连续沉积整合接触。
含煤段主要岩性以浅灰、灰白色粗、中、细粒石英砂岩，灰色砂质泥岩，泥岩为主。
砂岩中多含菱铁质、菱铁结核或菱铁薄层，泥岩和砂泥岩中植物化石、云母碎片丰富。
其次岩性为煤、铝土质泥岩、铝土岩、花斑状鲕粒铝土岩、炭质泥岩等。
该段主要植物化石有：
菱齿叶TingiahamaguchiiSP
座延羊齿AlthopterisSP
中朝楔叶Sphenophyllumsinocoreanumyabe
脊楔叶S.koboenss，纤细轮叶A.gracileecehs
脉羊齿N.gigantea，剑瓣轮叶LobatannulariaensifoliaHalle等。
动物化石只有：
舌形贝LigulaSP
上部石千峰组不含煤层，厚1000m以上，主要为砂岩、砂质粘土岩类，呈紫、紫红、黄、棕黄等花斑状。
二叠系含煤段地层中化石丰富，层位对比可靠，只有石千峰组资料少，不易对比。
五、新生界第四系（Q）
井田内第四系地层分布较广，从石炭系到二叠系露头全为第四系覆盖，厚0～34m不等，主要为亚粘土、碎石，呈灰褐色或棕黄、土黄、棕红等色，在基岩露骨头接触处有一层不稳定的粘土砾石层，含水。
该系中，蚌、螺等贝壳化石较多，也有脊椎动物化石。
2.2.2地质构造
一、区域构造形态及井田所处构造位置
淮南煤田位于秦岭纬向构造带边缘的东延部分，东被郯庐断裂带截接，西连周口凹陷，北接蚌埠～蒙城隆起，南邻合肥～霍邱凹陷。
淮南煤田为一边缘褶皱断裂发育，内部褶皱较开阔、轴向北西西方向、枢纽向东倾伏的复向斜构造。
在南北压应力作用下，形成边缘地层的强裂褶皱，逆冲、逆掩、推复，致地层倾斜、急倾斜、直立倾斜、直立倒转（见图2.2）。
平原内部为平缓的褶曲形态，构成次一级的背斜、向斜构造。
本井田属复向斜的南翼。
阜凤逆掩煤层和舜耕山逆-逆掩断层之间，属八公山扭动单斜构造区（见图2.3）。
二、井田构造特征
本井田煤岩层总体呈单斜构造，地层走向N40°W，倾向NEE，倾角变化大12～54°，主要以断裂构造为主，局部发育有小型褶曲。
控制整个井田构造形态的是F6～F7和F10-5～F11-9两条断层组，属Ⅱ序次断裂，在本井田内属大型断裂构造，延展方向N60°～80°W，倾向SSE，倾角45～60°，均为右旋正断层。
其次井田内还发育次一级断裂构造，多为斜切正断层，逆断层少见。
图2.2淮南矿区西部煤层形态示意图
图2.3淮南矿区构造简图
现将本井田生产水平主要断层分述如下：
F6～F7断层组
Ⅱ序次F6～F7断层组属山王集断层东端之尖灭段。
现有-90m、-187m、-312m、-380m、-412m巷道及勘探钻孔控制，其断裂带宽100～250m，带内虽有煤但次生小断层发育，被截切成许多不连续的小块段，所以一般不可采或可采性极差。
整个断裂往浅部或同水平下伏煤层中断层带宽，断距大；往深部或同水平上覆煤层中断层带窄，断距变小或尖灭。
该断层组预计在接近-812m水平时尖灭，落差0～85m。
Ⅱ序次F10-5～F11-9断层组在开采段煤系地层中规模大，斜切井田内Ⅴ线至Ⅸ线以南深部，现有-262m、-412m、-612m巷道及勘探钻孔控制。
断层带宽100～200m，带内以断层泥、角砾岩为主。
该断层组在浅部或同水平下伏煤层中破碎带窄，落差小或尖灭；往深部或同水平上覆煤层中破碎带宽，落差大，在-1000m水平B8槽地层断距达837m，水平地层断距达2500m。
在-412m以上沿270°～250°方向往露头方向展布，在接近露头时尖灭；深部-412m以下沿300°～270°方向展布，整个断层组在煤层底板等高线图上呈弧形，落差0～837m，其断层带增宽、落差变大的方向与F6～F7断层组变化方向相反。
以两条Ⅱ序次断层组为界，可将本井田划分三个构造区：
即F6～F7以北构造区、F6～F7～～F10-5～F11-9构造区、F6～F7～～F10-5以南构
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