煤层顶板突水评价指标体系的建立及突水因素的量化
影响煤层顶板突水的因素很多，它们之间的关系非常复杂。以地质构造特征(断层密度、断层落差、断层性质、裂缝发育程度、断层导水性、褶皱程度等)为依据。)、含水层条件(含水层水压、含水层富水性、含水层渗透性等。)和隔水层条件(隔水层厚度、隔水层强度等。)，而人工开采活动(开采厚度和矿山压力)是这些因素共同作用的场合。
煤层顶板下承压含水层的存在是煤层顶板突水的前提条件，其中含水层富水性和含水层渗透性是顶板突水的物质基础，含水层水压是顶板突水的动力源，顶板隔水层是顶板突水的约束条件，其约束能力取决于隔水层的厚度和强度。地质结构(即断层、裂缝、褶皱等)。)为突水提供通道，其中断层往往是顶板含水层突水的直接原因；地压是顶板突水的另一个动力源，开采厚度是煤层顶板突水的诱发因素。
地质构造特征11 . 2 . 1 . 1
地质构造与顶板突水关系密切。断层往往是顶板承压含水层突水的直接原因，其对煤层顶板突水的影响十分复杂。一般来说，突水是由以下几种方式引起的:
断层(1)为煤层顶板突水提供了通道；
(2)断层缩短了煤层与含水层的距离；
(3)断裂导致承压水抬升，隔水层有效厚度减小；
(4)断层破碎带降低了煤层顶板隔水层的强度。
节理裂隙沿褶皱轴线发育，破坏了煤层顶板的连续性和完整性，降低了防水能力，容易诱发煤层顶板突水。
选取断层密度、断层落差、断层性质、裂隙发育程度、断层导水性和褶皱强度6个指标来反映矿井地质构造对煤层顶板突水的影响。
11.2.1.2含水层条件
煤层顶板下承压含水层的存在是煤层顶板突水的前提条件，其中含水层富水性和含水层渗透性是突水的物质基础，决定了突水的大小；含水层水压是顶板突水的动力源。换句话说，顶板突水取决于承压含水层的水压，而突水取决于含水层的富水性和渗透性。但如果只有水源，就不一定会发生顶板突水，因为顶板突水是由含水层水压、含水层富水性、含水层渗透性等多种因素决定的。
含水层水压是煤层顶板突水的动力来源。煤层顶板突水的本质是承压水作用于隔水层的破坏结果。在静水压力和动水压力的共同作用下，引起顶板隔水层的变形，进一步扩大甚至产生新的裂隙，将顶板隔水层与煤层连接起来，增强突水通道的导水性，削弱顶板隔水层的强度，使其失去阻水作用，导致顶板突水。水压的大小是判断顶板突水可能性的重要因素之一。同等条件下，水压越大，顶板突水的可能性越大。
含水层的富水性是突水的物质基础。含水层富水性越好，涌水量越大，顶板突水造成的危害也越大。从顶板突水机理来看，它对顶板突水及其突水具有重要的控制作用。
含水层的渗透性，允许地下水渗透，是顶板突水的另一个物质基础，与顶板突水涌水量成正比。其大小取决于岩石破裂率、颗粒直径和水力半径等因素。含水层的渗透指数可以用地面抽水(注)或地下排水试验数据计算出的渗透系数或渗透值来表示。
本次选取承压含水层水压、含水层富水性和含水层渗透性来反映矿井含水层条件对顶板突水的影响。
11.2.1.3含水层条件
顶板隔水层是指工作面(或巷道)与煤层顶板充水含水层之间的隔水层。隔水层的存在可以阻止含水层中的水流入矿井。影响隔水层隔水性能的主要因素是顶板隔水层的厚度和强度。
隔水层厚度是指采煤工作面(或巷道)到顶板充水含水层顶部的正常距离。在带压开采中，顶板隔水层对防止承压含水层突水具有重要作用。显然，顶板隔水层厚度越大，抵抗水压和矿压破坏的能力越强，阻水阻水能力越好。可见，在正常地质构造条件下，顶板隔水层厚度越大，突水可能性越小；反之，突水的概率越大。
隔水层的隔水能力不仅与隔水层的厚度有关，还与隔水层的强度和岩性组合有关。在隔水层厚度相同的情况下，不同岩性组合的隔水层阻水性能不同。在地质构造、含水层条件、开采方式等条件相似的情况下，有的工作面突水，有的工作面不突水，说明隔水层的岩性组合在突水中起作用。硬脆岩层和软岩层的抗水性都较弱，但软硬岩层可以弥补各自的缺陷，提高抗水性。
本章选取隔水层的厚度和强度来反映矿井隔水层条件对顶板突水的影响。
11.2.1.4采矿活动
开采活动引发煤层顶板突水，是煤层顶板突水的诱发因素。
采矿活动会引起矿山压力的变化，这是突水的主要原因。地压是指在工作面开采和井下巷道掘进过程中，对工作面和巷道周围岩体造成的应力集中及其作用过程。煤层的开采会破坏岩层的连续性，引起应力重分布。一方面破坏了顶板的连续性，进一步扩大了隔水层的裂缝，降低了隔水层的隔水能力；另一方面，可能会导致进一步的原创解除。这两个方面相当于减少了有效隔水层厚度，为突水创造了条件。在自然条件下，水压的作用和隔水层的抵抗能力处于相对平衡的状态。一旦加上地压的作用，这种相对平衡的状态被破坏，发生顶板突水。煤层厚度、煤层倾角、工作面倾斜长度和开采深度是衡量地压破坏程度的主要因素。一般来说，开采煤层越厚，煤层倾角越大，工作面越长，采深越大，地压破坏带深度越大，对顶板的破坏越强。
开采厚度，简称采厚，是破坏煤层顶板的诱发因素。开采厚度越大，矿压越大，对煤层顶板的破坏也越大。这是因为采厚越大，顶板变形的幅度越大，从而顶板和煤壁应承受的支护应力越大，导致煤层顶板的破坏。
本章选取采厚和地压来反映矿山开采活动对顶板突水的影响。
通过对以上突水因素的分析，煤层顶板突水评价指标体系如图11所示。2成立。
图11。2煤层顶板突水评价指标体系
11.2.2评价指标的数据收集
突水评价指标的恰当选择不仅决定了BN模型的输入层结构，而且影响分析评价的准确性，因此煤层顶板突水评价指标的数据采集至关重要。通过对荆各庄矿区突水资料的研究和突水因素的分析，在资料收集过程中考虑了以下几点:
(1)威胁荆各庄矿区9号煤层顶板的主要充水含水层为9号煤至7号煤砂岩裂隙含水层(ⅳ)、5号煤砂岩裂隙含水层(ⅴ)和第四系底部卵石孔隙含水层(ⅶ)。因此，在收集突水因素时，主要考虑与这三个含水层突水有关的数据，即作用在9煤上的水压力、9煤至9煤的隔水层厚度和强度。
(2)考虑到地质构造特征，井田内断层和褶皱对顶板突水起着至关重要的作用，其分布、规模和发育程度对顶板突水起着关键作用。因此，在考虑含水层和隔水层的条件时，我们还必须收集这些因素的数据。
(3)人工开采活动是导致煤层顶板突水的直接场合，因此也必须收集与开采活动有关的数据。
基于以上考虑，结合图11中煤层顶板突水评价指标体系的分析。2、本工程选取了分析处理中涉及的顶板突水评价指标:①顶板含水层水压、②顶板含水层富水性、③顶板含水层渗透性、④顶板隔水层厚度、⑤顶板隔水层强度、⑦开采厚度、⑦地压、⑧断层密度。
11的编制。2.3专题地图
利用GIS和BN耦合技术进行顶板突水预测时，需要将采集到的数据输入计算机，编制专题图，以便进一步分析处理。专题图的建立可以由GIS自动完成:首先将采集的钻孔数据或水位观测数据的坐标和属性量化值输入计算机，生成相应的数据文件，然后由GIS软件读取数据，进行网格划分和插值。最后将量化后的结果以图形的形式显示出来，通过图形输出系统输出结果图。
根据荆各庄矿区9号煤层顶板突水评价指标的原始数据，利用GIS的数据存储和处理功能生成数据库，利用GIS工具建立各评价指标的专题图，进行插值计算或空间分析。各评价指标专题地图的建立方法及对应的地图分类如下:
11的编制。2.3.1地质构造特征专题图
(1)故障
根据荆各庄地质报告和综合水文地质图，利用GIS的数字化功能，建立断层线分布专题图(如图11。3).该专题图包含断层落差、断层性质、断层规模等属性信息。
图11。3断层分布专题图
利用GIS的空间分析功能，对断层线专题图的缓冲区进行分析。根据断层性质、断层落差等因素的综合考虑，按照由弱到强的顺序将断层导水性划分为11等级，从而得到断层导水性专题图(图11。4).
(2)折叠
利用GIS的缓冲分析功能，对褶皱线进行缓冲分析，得到褶皱影响区专题图。缓冲区的折叠强度比较大，大值为10；缓冲区外，褶皱强度较小，取小值1，作为褶皱强度专题图(图11。5).
图11。4断层导水率专题图
图11。5褶皱强度专题图
11的编制。2.3.2含水层状况专题图
荆各庄煤矿对9号煤顶板突水影响较大的含水层有3个:9号煤至7号煤砂岩裂隙含水层(ⅳ)、5号煤上方砂岩裂隙含水层(ⅴ)和第四系底部卵石孔隙含水层(ⅶ)。分别制作了这三个含水层的专题图。
(1)含水层水压
煤层顶板突水的本质是含水层水头压力作用于隔水层后，受多种因素破坏而失稳的结果。水压越大，突水概率越大。水压的大小可以用含水层的水位高度来表示。由于水压随时间动态变化，本章选取含水层近年来的平均水位高程作为生成水压专题图层图的基础。在此基础上绘制含水层水压等值线图，第四系含水层水压专题图(图11。9)、煤层含水层水压专题图(图11。14)和煤含水层水压专题图(图165438+)生成。
(2)含水层渗透性
含水层的渗透性可根据地下水排泄或地表水抽(注)水试验资料计算出的渗透值或渗透系数来确定。本工程选用含水层渗透系数作为含水层渗透系数的定量值，并绘制了第四系含水层渗透专题图(如图11。10)，第五煤含水层渗透率专题图(如图11。15)和第九煤含水层渗透率专题图(如图667)建立。
(3)含水层的丰富程度。含水层的富水性可以描述为含水介质的含水量和供水量，是指含水层的含水量或释放水的能力。顶板含水层的富水性将直接影响顶板的涌水量和突水持续时间。衡量含水层富水性的指标主要包括地下水勘探钻孔涌水量、抽水试验得出的单位涌水量、冲洗液消耗量和岩心采速等。，其中钻孔的理想单位涌水量为。根据收集到的抽水钻孔单位涌水量，绘制第四系含水层富水专题图(如图11。11)，第五煤含水层富水专题图(如图11。16)和九煤~七煤含水层富水专题图形成。
11的编制。2.3.3含水层状况专题图
隔水层的存在可以阻止含水层水涌入矿井，隔水层的能力与隔水层厚度、隔水层强度和岩性组合有关。
影响9号煤层顶板突水的隔水层:第四系底部卵石孔隙承压含水层(ⅶ)底部为粉质粘土弱透水层，5号煤层(ⅴ)以上砂岩裂隙承压含水层底部为5号煤层至7号煤层弱透水层，9号煤层至7号煤层(ⅶ)砂岩裂隙承压含水层底部为炭质泥岩弱透水层。
(1)含水层厚度
由于隔水层不是由单一岩性组成的，所以必须考虑不同岩性组合对隔水能力的影响。9煤层顶板的隔水层主要由泥岩和粉砂岩组成。在考虑岩性组合特征时，根据煤炭科学研究院Xi安地质勘探分院总结的当量系数，将隔水层中不同岩性的岩石厚度换算成相应的当量厚度，累加成隔水层的当量厚度。在量化隔水层厚度时，我们还考虑了抬升和地压的影响，在等效厚度的基础上减去原始抬升高度和地压破坏区厚度。根据上次累计厚度，绘制第四系底部隔水层的有效厚度等值线图(如图11。12)，5煤底部隔水层有效厚度等值线图(如图11。17)和9 ~ 7煤底部隔水层的有效厚度等值线图(如图1.17)
(2)隔水层强度
隔水层的强度是由隔水层的岩性组合决定的，而弹性模量e是代表岩性的一个主要指标，所以我们用弹性模量作为衡量隔水层强度的指标，利用隔水层中岩石的分布及其对应的弹性模量。绘制第四系底部隔水层的强度等值线(如图11。13)，煤底隔水层5的强度等值线(如图11。18)和煤底隔水层9 ~ 7的强度等值线(如图65438)
11.2.3.4 .建立采矿活动专题地图
(1)开采厚度
开采厚度是破坏煤层顶板的主导因素。专题地图的生成分为两步。首先从钻孔数据中提取9煤层厚度的相关数据，然后插值生成9煤层厚度等值线图。其次，在9号煤层厚度等值线图的基础上，结合荆各庄9号采煤工作面布置图，绘制9号煤层开采厚度专题图(图11。6).
(2)地压
地压破坏深度取决于煤层厚度、煤层倾角、工作面倾斜长度、开采深度和煤层顶板岩性。一般来说，开采煤层越厚，煤层倾角越大，工作面越长，采深越大，地压破坏带越深，对顶板的破坏越强。根据现有的资料和数据，本章采用9煤顶板距地表的垂直深度这一指标来反映顶板受地压破坏的程度，并从钻孔数据中提取相关数据绘制地压等值线专题图(图11。7).
图11。6采矿厚度专题图
图11。7地压专题图
11.2.3.5突水点专题图的建立
与其他评价方法不同，基于BN模型的风险评价不仅需要各评价指标的专题图，还需要突水点的专题图。根据荆各庄地质报告和井下突出资料，建立相应的数据文件，利用g is的数据管理功能，自动生成荆各庄突水点专题图(图11。8).
图11。8突水点专题图
图11。9第四系含水层水压专题图
图11。10第四系含水层渗透性专题图
图11。11第四系含水层富水性专题图
图11。12第四系含水层厚度专题图
图11。13第四系含水层强度专题图
图11。14 5煤层含水层水压专题图
图11。15 5煤层含水层渗透性专题图
图11。16 5煤层含水层富水性专题图
图11。17 5煤层含水层厚度专题图
图11。18 5煤层含水层强度专题图
图11.19 9煤~ 7煤含水层水压专题图。
图11。20 9煤~ 7煤含水层渗透性专题图
图11。21 9煤~ 7煤含水层富水性专题图
图11。22 9煤~ 7煤含水层厚度专题图
图11.23 9 ~ 7煤隔水层强度专题图
11的编制。2.4属性数据库
利用GIS的空间数据管理功能，将突水评价指标的属性数据(定量值)输入计算机生成属性数据库，建立图形与属性数据库的关系。各评价指标专题图及其各自的属性数据表是顶板突水风险评价的基础，可用于各评价指标专题图的复合叠加、数据查询和统计。图11。24是渗透系数专题图的属性数据库。
图11。24含水层渗透性专题图属性数据库
11.2.5专题地图的复合叠加
一个突水评价因素专题图只包含一个因素的信息，无法满足通过一个评价模型进行多因素综合分析处理的要求。在进行多因素分析之前，需要进行复合叠加处理，将所有相关因素的信息存储层复合成一个信息存储层，使生成的信息存储层包含所有相关因素的属性信息，形成单一的条件向量评价单元。
获得了三个含水层和三个相应含水层的三个叠加层。
复合叠加分析分为以下两个步骤:
(1)初步叠置分析:联合叠置分析，确定评价单元，生成初步属性表，各含水层叠置成层。
这里的复合处理本质上是将多个图层组合成一个新图层，重构拓扑，形成新的拓扑关系属性表。利用GIS的空间分析功能，将断层导水性、褶皱强度、含水层水压、含水层富水性、含水层渗透性、隔水层厚度、隔水层强度、开采厚度、矿山压力9个专题图联合叠加分析。生成的复合层的属性表包含参与叠加处理的所有评价因子层的属性信息。叠加过程如图11所示。25，得到了三个含水层的叠加层。
图11。25专题地图的联合叠加过程
在对专题地图进行初步的复合叠加处理后，我们以新生成的复合图层中的新拓扑单元作为我们的评价单元，这显然是一个单条件矢量单元。
(2)后续叠置分析:空间节理叠置分析，结合断层信息和突水点信息，生成全属性空间数据库。
将断层专题图、突水点专题图和初步叠加分析生成的复合层进行空间组合分析，生成三个新的复合层。在此基础上，进一步统计各评价单元的断层面密度、断层性质、断层落差以及是否发生过突水。最后建立三个属性表，每个含水层的最终复合层对应一个属性表，如图11。26，它包含评估所需的所有属性信息。
图11。26叠加层的全属性数据库