基于模糊綜合評判法的煤層頂板灰巖含水層富水性評價

陳敏濤, 潘盛澤, 袁代江

(貴州省水利水電勘測設計研究院,貴州 貴陽 550000)

基于模糊綜合評判法的煤層頂板灰巖含水層富水性評價

陳敏濤, 潘盛澤, 袁代江

(貴州省水利水電勘測設計研究院,貴州 貴陽 550000)

煤層頂板含水層富水性受多因素影響,選取含水層厚度、含水層出露面積、單位涌水量、滲透系數、漏水孔率和斷裂構造復雜程度等6個評價指標,建立定量與定性評價指標為一體的評價等級標準,構建基于層次分析—模糊綜合評判法的煤層頂板含水層富水性多因素評價模型,并利用評價模型對貴州省黔西某礦頂板含水層富水性進行總體評價,其效果較好,可為相關研究提供借鑒。

頂板含水層富水性;多因素影響;分數標度;層次分析法;模糊綜合評判法

中國煤田水文地質條件復雜,近些年煤礦開采深度越來越深,開采的空間尺度也越來越大,礦井水害形式依然嚴峻。在煤礦頂板水害中,充水含水層的富水性對頂板涌突水起著關鍵性的作用,決定著突水量的大小及時間的長短。只有在富水性強的區域才會形成大型的突水事故,如果含水層富水性較弱,就算導水裂縫帶導通頂板含水層,也不會發生突水事故。所以對煤層頂板含水層的富水性進行分析評價,對預防頂板水害的發生和治理有著重要的作用和意義。在富水性研究的領域,一些科研工作者做出了卓有成效的工作。如趙本肖等根據巖溶發育程度將邯峰礦區奧陶系中統含水層富水性劃分為四個區[1];彭濤等從巖性結構特征和地質構造特征兩方面,通過模糊聚類綜合預測方法對臥龍湖煤礦二疊系上石盒子組底部砂巖含水層富水性進行了預測[2];王小青等根據單位涌水量大小對車集煤礦太原組上段灰巖富水性進行了評價[3]。總的來說目前關于含水層富水性預測評價的研究還比較少,且相關研究主要以單因素評判為主,所能考慮的富水性控制因素極為有限,而煤層頂板含水層的富水性是一種受多因素影響的地質現象,以往的研究方法在反應富水性多因素決策特點上存在不足,因此,本文在對煤層頂板灰巖含水層富水性的影響因素進行分析的基礎上,建立定量與定性指標為一體的頂板灰巖含水層富水性評價指標體系。同時將層次分析法和模糊綜合評判法相結合,構建可以真實反映多影響因素的煤層底板灰巖含水層富水性總體評判模型,并以貴州青龍煤礦為例進行應用說明。可為今后煤層頂板含水層富水性的研究提供一定的理論依據和參考。

1 富水性總體評價指標

對煤層頂板含水層富水性的評價首先要選取適當的評價指標,本文從含水層特性、水力特性和裂隙發育程度三個方面選取6項指標,并構建相應的評價等級。

1.1 含水層性質

(1) 含水層厚度:是刻畫含水層富水性最直觀的因素,它直接影響含水層含水量的多少,在其它因素一定的情況下,含水層厚度越大,單位厚度上含水層的含水量就越大,富水性也就越強。

(2) 含水層出露面積:出露面積的大小決定了含水層接受大氣降水補給能力的大小,出露面積越大,接受大氣降水補給能力越強,富水性也就越強。

1.2 水力性質

(1) 單位涌水量:是抽水試驗時井孔內水位每下降1 m時的涌水量,是刻畫含水層出水能力大小的重要指標,是反映含水層富水性的重要參數。單位涌水量的值越大,含水層的富水性就越好。

(2) 滲透系數:是表示巖層滲透性能強弱的定量指標,滲透系數取決于巖石的顆粒大小、顆粒排列、顆粒不均勻系數、充填情況等,滲透系數越大,含水層的透水性能越強,富水性也就越好。

1.3 裂隙發育性質

(1) 漏水孔率:漏水孔率是指在勘探鉆孔通過含水層時,出現沖洗液漏失現象的鉆孔占鉆孔總個數的比例。漏水孔率越大,表明含水層的裂隙越發育,含水層的富水性也就越強。

(2) 斷裂構造復雜程度:大部分突水事故都是斷裂構造造成的,斷裂構造兩側、交點及端點處由于破裂而形成大量貯水空間。而且構造附近裂隙發育,為地下水的流動、富集提供了良好的通道,常成為斷層的富水帶。 所以構造越復雜,含水層的富水性越強。

2 模糊綜合評判法原理

模糊綜合評判法是一種基于模糊數學的綜合評判方法,該綜合評價法是根據模糊數學的隸屬度理論,對受多個因素制約的事物或對象作出一個總體綜合評價的一種有效方法,適合各種非確定性問題的解決[4-6]。而影響含水層富水性的因素很多,而且控制機理復雜,因此,筆者選用模糊綜合評判法來評價含水層富水性問題。其原理表示為:W·R=B。式中:W是因素集X={x1,x2,……,xn} 上的權重分配;R為因素與評判集的模糊關系矩陣。若評判集為U={u1,u2,……,um},則R=(rij),其中,rij表示xi對uj的隸屬度,i=1,2,……,n;j=1,2,……m;B為評判指標,表示綜合考慮所有因素影響時,評判對象對評判集的隸屬度。“·”表示W與R的一種合成方式。

3 基于模糊綜合評判法的煤層頂板灰巖含水層富水性評價模型

3.1 富水性評價等級劃分

將煤層頂板含水層富水性評價分為4個等級(見表1):小(Ⅰ)、較小(Ⅱ)、較大(Ⅲ)、大(Ⅳ)。對于定量指標綜合考慮國家規范和經驗值,如單位涌水量,按照《煤礦防治水規定》將其分為0.1 L/s·m、1.0 L/s·m和5 L/s·m[7]。與定量指標相比,定性指標各個等級沒有確定的數值區間,且分界線更加模糊,在這里采用分級法對定性指標進行量化處理,即把因素分為優、良、差、劣4個等級,相應的等級分值依次為1(Ⅰ)、2(Ⅱ)、3(Ⅲ)、4(Ⅳ)。分值越大代表富水性越強。然后根據評價區實際情況,對相應指標根據等級分值進行量化處理。

3.2 確定隸屬函數方法

在含水層富水性模糊綜合評判中,首先要確定模糊關系矩陣。模糊關系矩陣是反映各個評價指標對富水性隸屬度的一個轉換關系,其中的隸屬度rij通過隸屬函數計算求得。此次研究中對于定量指標筆者采用線性分布的三角形隸屬函數,將含水層富水性由弱到強依次分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ四個等級。

表1 影響含水層富水性因素評價等級表

(1)

(2)

(3)

(4)

式中:ri為各個評價指標的隸屬函數;u為評價指標的指標值;ui為評價指標對第i級評價等級的界限值。

對于定性評價指標通過給各等級賦予界限值,然后通過線性插值的方法確定其隸屬函數。相應于等級Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ的界限值分別為1、2、3、4,其隸屬函數為:

(6)

(8)

3.3 權重的確定

本次研究中利用AHP法確定各因素的主觀權重,該方法是根據對影響富水性的各地質要素的分析,運用“征集專家評分”的方法,對影響含水層富水性的眾多因素進行評分。打分標準是依照 T.L.SAATY創立的 1～9 標度方法[8-9],具體做法是把擬定的影響富水性的因素羅列成表,請各領域專家依據自己的認識和觀點,對每個因素所起作用的大小進行相對重要性評價,給出每個因素的量化分值,由此構建該區富水性AHP評價的判斷矩陣,具體過程如圖1所示。

3.4 煤層頂板灰巖含水層富水性評價模型

結合模糊綜合評價法和層次分析法構建了煤層頂板灰巖含水層富水性評價模型,公式[9]如下：

圖1 遞階層次結構計算流程圖Fig.1 Flow chart of hierarchic structure calculation

(9)

式中:wi表示主觀權重;rij表示隸屬度,其中i=1,2,…,n;j=1,2,…,m。根據最大隸屬度原則,若Bj=max(B1,B2,…,Bm),則評判結果就是與j項對應的評判等級。

4 工程實例

4.1 研究區概況

青龍煤礦位于黔北煤田中部,構造上處于北東向的格老寨背斜的北西翼,其構造特點與黔北煤田的構造格局一致。受區域構造的控制,礦井構造以北東向構造為主,其規模較大,延展長,傾角較大。礦井次一級斷裂構造為近東西向及北西—南東向為主,其規模小,延展短,以逆斷層為主。礦井內斷層數量較多。

礦區多年平均降水量為973.3 mm,雨量充沛,礦井內未見長興組灰巖出露,大氣降水后除一部分呈地表徑流補給地表水體外,一部分入滲補給各含水層,形成地下徑流。礦井主要開采龍潭組煤層,直接充水含水層為長興組灰巖和龍潭組間夾的各薄層灰巖巖溶裂隙含水層,本次研究對象為頂板的長興組巖溶裂隙含水層。長興組灰巖出露于礦井中部,主要為灰色細晶灰巖,含泥質條帶及燧石團塊,平均厚28.90 m。地表調查泉水點4個,涌水量為0～0.039 L/s。49個揭露該層的鉆孔,34個孔沖洗液部分或全部漏失,漏水孔率為69.39%。據抽水試驗資料,含水層滲透系數為0.004 1 m/d,單位涌水量0.001 85 L/s·m,單位涌水量遠<0.01 L/s·m。

4.2 評價因素權重的確定

根據層次分析法,確定出各個評價因素的權重(表2)。

表2 評價因素權重表

4.3 綜合評判

根據上文中確定的隸屬函數的方法,求得模糊關系矩陣如下:

進行一級模糊評判:B1=W1·R1=(0.50,0.50,0.00,0.00);B2=W2·R2=(0.98,0.02,0.00,0.00);B3=W3·R3=(0.00,0.30,0.70,0.00)。

得到二級模糊關系矩陣:

由此進行二級模糊評判:

B=W·R=(0.229 6,0.345 9,0.424 5)·R=(0.453 7,0.249 0,0.297 1,0.000 0)

因此根據最大隸屬度原則,綜合評價取值B=0.453 7,長興組含水層的富水性為I級,富水性弱。該煤礦在回采過程中未受水害威脅,在已揭露的頂板長興灰巖中,所涌出水量也極少,與評價預測結果相符。

5 結論

(1) 本文根據煤層頂板灰巖含水層富水性受多因素影響的特征,從含水層特性、水力特性和裂隙發育程度三個方面選取了含水層厚度、含水層出露面積、單位涌水量、滲透系數、漏水孔率和斷裂構造復雜程度這6個評價指標,建立了定量與定性指標為一體的煤層頂板灰巖含水層富水性評價指標體系,將模糊綜合評判法和層次分析法相結合,建立了考慮多因素影響的煤層底板灰巖含水層富水性預測評價模型,并結合典型煤礦進行了預測評價,為含水層富水性評價的相關研究提供一定的借鑒。

(2) 在基于模糊綜合評判法的煤層頂板含水層富水性評價模型過程中,為提高評價的精度,要多收集相關的指標數據,同時要在實踐中積累總結,選擇適用于評價礦區的隸屬函數,并對評價結果進行驗證,從而得出與實際情況相符的評價結果。

[1] 趙本肖,常明華.邯峰礦區巖溶含水層特征及富水性分區[J].中國煤田地質,2007,19(5):41-47.

[2] 彭濤,宣良瑞,張海潮,等.臥龍湖煤礦砂巖含水層富水性預測及評價[J].煤礦安全,2014(8):199-202.

[3] 王小青,朱英麗,于金忠.車集井田太原組上段灰巖富水性分析評價[J].中州煤炭,2012(4):17-20.

[4] 汪培莊,李洪興.模糊系統理論與模糊計算機[M].北京:科學出版社,1996.

[5] 李喜林,王來貴,趙奎,等.礦井水水質評價中模糊綜合評判法的改進及其應用[J]. 水資源與水工程學報,2009(20):5-8.

[6] 劉衡秋,劉欽甫,孟召平.模糊綜合評判在煤層頂板穩定性評價中的應用[J].煤田地質與勘探,2002(4):18-21.

[7] 國家煤礦安全監察局.煤礦防治水規定釋義[M].徐州:中國礦業大學出版社,2009.

[8] 郭鵬,鄭唯唯.AHP應用的一些改進[J].系統工程,1995(13):28-31.

[9] 駱正清,楊善林.層次分析法中幾種標度的比較[J].系統工程理論與實踐,2004(9):51-60.

(責任編輯：陳姣霞)

Fuzzy Comprehensive Evaluation Method of the Aquifer WaterAbundance of Coal Seam Roof

CHEN Mintao, PAN Shengze, YUAN Daijiang

(Guizhousurveyanddesignresearchinstituteforwaterresourceshydropower,Guiyang,Guizhou550000)

In this paper,according to the aquifer water abundance of coal seam roof affected by many factors,the authors select the thickness of aquifer,the aquifer outcropped area,unit water inflow,permeability coefficient,water porosity, and structural complexity as evaluation indexes,and establish the evaluation grade standard combining quantitative evaluation indexes with qualitative evaluation indexes,fmailly establishes the hierarchical analysis-fuzzy comprehensive evaluation multi-factor evaluation model of the aquifer water abundance of coal seam roof,evaluate the aquifer water abundance of coal seam roof of a mine in Qianxi,Guizhou province on the overall by using the evaluation model,the effect is good,it can provide reference for future related research.

aquifer water abundance of coal seam roof; multiple factors influencing; fractional scale; analytic hierarchy process; fuzzy comprehensive evaluation

2016-05-16;改回日期:2016-07-10

貴州省水利科技經費項目(KT201304)。

陳敏濤(1982-),男,工程師,碩士,地質工程專業,從事工程地質、水文地質方面的研究。E-mail:123643101@qq.com

P641

A

1671-1211(2016)04-0608-04

10.16536/j.cnki.issn.1671-1211.2016.04.013

數字出版網址:http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1736.X.20160707.1528.042.html 數字出版日期:2016-07-07 15:28