摘要
煤层采动条件下的底板复合岩层的微观结构复杂程度以及隔水能力强弱是决定水害是否发生和矿井制定防治水对策的关键。本文以平顶山煤田东部的三座矿井—十三矿、首山一矿、八矿为研究区，以主采煤层—己组煤底板的隔水岩石为研究对象，现场提取7个钻孔岩芯，实测物理力学参数、物质组分以及微观结构参数。基于熵权-TOPSIS数学模型，研究己组煤层底板隔水地层微观结构复杂程度的空间变化特征。然后，基于层次分析法和CRITIC方法耦合综合权重，应用改进的物元可拓数学模型，对三个矿井底板岩层的隔水能力进行评价和空间划分。通过对以上研究取得了以下研究成果: （1）根据现场提取的7个钻孔岩芯，在RMT-150B岩石力学试验系统上进行单轴压缩和巴西劈裂试验，获得岩样的物理力学性质。其中泥岩类抗压强度、抗张强度值在深度为800-1000m、900-1000m之间密集程度最高，均值分别为55、3.5Mpa；灰岩类抗压强度、抗张强度值在深度900-950m、1000-1100m之间密集程度最高，均值分别为125、6.5Mpa；砂岩类抗压强度、抗张强度值在深度900-1100m、900-950m之间密集程度较好，均值分别为100、4.75Mpa。 （2）利用偏光显微镜与XRD衍射仪分析隔水层岩样的矿物及化学成分。其中泥岩中粉砂质占比33.86%、泥质占比60.02%、钙质占比4.1%；砂岩中石英占比79%、长石占比4.6%、岩屑占比16.4%、云母和锆石约占1%；灰岩中方解石占比61.1%；生物碎屑占比32.4%；白云石占比6.5%，少量泥质和不透明矿物占1%-2.5%。泥岩的化学成分中，铝化物占比最小，为1.15%；灰岩的化学成分中，氧化物和硅酸盐矿物占比最高，分别为47.70%、27.74%；砂岩化学成分中，硅酸盐矿物占比最小，为36.58%。 （3）基于熵权-TOPSIS理论，借助场发射扫描电镜仪器、Image-J图像分析软件以及比表面积与孔径分析仪，确定复合岩层面孔率、等效直径、面积分维值、比表面积、孔体积、体积分维值等六项主控指标并针对7个钻孔选取的68块岩样对东三矿己煤层底板到寒灰顶板垂直段5个层位的微观结构复杂程度定量判别。其中：上部灰岩段微观结构复杂及较复杂占28.57%，中等程度占57.14%，简单及较简单占比14.29%；中部砂泥岩段微观结构中等程度占14.29%，简单及较简单占比85.72%；下部灰岩段微观结构复杂及较复杂占28.57%，中等程度占71.43%；底部铝土泥岩段微观结构中等程度占18.29%，简单及较简单占比81.72%；寒灰段微观结构复杂及较复杂占57.14%，中等程度占42.86%。垂直段5个层位的岩层均有不同程度的发育，说明了复合岩层微观孔隙结构复杂程度的复杂性均匀不一以及发育的不规则性突出。 （4）基于AHP、CRITIC赋权理论，应用改进的物元可拓数学理论，选取己煤底板岩层的塑脆性岩厚比、岩芯采取率、有效隔水层厚度、断层复杂程度、复合抗压强度、等效隔水系数为指标因子，定量判别了八矿、十三矿和首山一矿底板岩层的隔水性能，并利用ArcGIS软件进行了反距离加权空间分区。十三矿己煤底板复合岩层隔水能力强和极强区占总面积的41.73%，中等区占50.19%，弱及极弱区域占8.08%。隔水能力中等区占比较高、弱及极弱区占比较小；首山一矿己煤底板复合岩层隔水能力强和极强区占总面积的65.31%，中等区占22.5%，弱和极弱区占12.19%。隔水能力中强和级强区占比较高、弱及极弱区占比较小；八矿己煤底板复合岩层隔水能力强和极强区占总面积的24.12%，中等区占56.57%，弱和极弱区占19.31%。隔水能力中等区占比较高、弱及极弱区占比较小。
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