基于GIS的層次分析法在潘一礦突水安全性評(píng)價(jià)中的應(yīng)用

丁剛，胡文奎，魏汝明

(濟(jì)南市勘察測(cè)繪研究院，山東 濟(jì)南 250101)

基于GIS的層次分析法在潘一礦突水安全性評(píng)價(jià)中的應(yīng)用

丁剛*，胡文奎，魏汝明

(濟(jì)南市勘察測(cè)繪研究院，山東 濟(jì)南 250101)

礦井突水預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)是目前煤礦建設(shè)和生產(chǎn)過程中的一大難題，本文以安徽潘一礦煤層底板突水為研究對(duì)象，基于GIS的層次分析法(AHP型)脆弱性指數(shù)法對(duì)其進(jìn)行分析研究，建立影響煤層底板突水的主控指標(biāo)體系，并應(yīng)用GIS進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和歸一化處理，建立煤層底板突水主控因素的子專題圖層，然后應(yīng)用AHP法確定各因素的權(quán)重比例，基于此疊加子專題圖層，對(duì)潘一礦礦井突水安全性進(jìn)行評(píng)價(jià)。結(jié)果表明：危險(xiǎn)區(qū)和較危險(xiǎn)區(qū)多位于潘一礦東南部和中東部，且突水易發(fā)生區(qū)域位置分布較集中。

潘一礦；煤層底板突水；安全性評(píng)價(jià)；GIS；AHP

1 引 言

在礦井施工和煤層開采過程中，穿過含水砂礫石層或與地表水連通的較大斷裂破碎帶時(shí)易產(chǎn)生大量涌水現(xiàn)象[1]。近年來，煤礦的開采深度不斷增加，礦井突水問題日益嚴(yán)重，給人民生命財(cái)產(chǎn)帶來重大損失[2]。突水系數(shù)法以及脆弱性指數(shù)法是國內(nèi)經(jīng)常使用的礦井突水安全性評(píng)價(jià)方法，但是突水系數(shù)法的弊端是只考慮兩個(gè)控制因素。而中國礦業(yè)大學(xué)武強(qiáng)教授提出的脆弱性指數(shù)法，是將可確定底板突水多種主控因素權(quán)重系數(shù)的信息融合與含有多種信息分析處理功能的GIS，兩者耦合于一體的煤層底板水害評(píng)價(jià)方法，預(yù)測(cè)結(jié)果更為理想[3]。

據(jù)統(tǒng)計(jì)資料顯示，潘一礦于1983年12月建成以來，發(fā)生過26次突水事故，本文應(yīng)用基于GIS的AHP型脆弱性指數(shù)法，進(jìn)行潘一礦礦井底板突水安全性評(píng)價(jià)研究，在此基礎(chǔ)上劃分危險(xiǎn)性區(qū)域，提前進(jìn)行防護(hù)措施，確保安全開采。

2 礦區(qū)概況

潘一礦井位于淮南市潘集區(qū)，礦區(qū)西面為潘三礦井，與潘二礦以潘集背斜為界，礦區(qū)東西走向較長，南北走向?qū)挾容^窄，處于潘集背斜南翼，地處淮南復(fù)向斜內(nèi)部。張扭性斷層較發(fā)育，落差大小不一。本區(qū)主要含水層為奧陶系和石炭系石灰?guī)r含水層以及煤系砂巖含水層和新生界松散含水層。據(jù)研究表明：奧陶系和石炭系石灰?guī)r含水層對(duì)潘一礦底板突水影響不大，主要影響因素是煤系砂巖含水層和新生界松散含水層。

3 基于GIS的AHP型脆弱性指數(shù)法的基本原理

基于GIS的AHP型脆弱性指數(shù)法是煤層突水評(píng)價(jià)一種新的有效方法，它利用GIS強(qiáng)大的數(shù)據(jù)管理以及空間分析處理功能，對(duì)影響底板突水的眾多主控因素進(jìn)行量化處理，并生成相應(yīng)的影響因素專題圖層[4]。然后運(yùn)用層次分析法(AHP)對(duì)各主控因素進(jìn)行評(píng)價(jià)，得出各主控因素對(duì)礦井底板突水的影響權(quán)重，然后根據(jù)GIS空間復(fù)合疊加功能，依據(jù)影響權(quán)重大小對(duì)各影響因素專題圖層進(jìn)行復(fù)合疊加，從而得到煤層底板突水脆弱性指數(shù)分布圖。最后統(tǒng)計(jì)分析突水脆弱性指數(shù)，確定各區(qū)的界限值，形成礦井底板脆弱性評(píng)價(jià)分區(qū)圖，從而對(duì)礦井突水安全性進(jìn)行評(píng)價(jià)。

4 煤層底板突水脆弱性評(píng)價(jià)

4.1 建立主控因素指標(biāo)體系

本文主要以淮南礦業(yè)集團(tuán)潘一礦C13煤底板為研究對(duì)象，通過對(duì)潘一礦的開采條件、水文地質(zhì)條件、突水規(guī)律和現(xiàn)有勘探程度及資料分析，得到影響C13煤底板突水的6個(gè)主要控制因素：①上覆基巖面至C13煤底板的巖組有效厚度；②斷層條數(shù)密度；③斷層交點(diǎn)端點(diǎn)密度；④斷層規(guī)模；⑤C13煤砂巖含水層和新生界松散含水層富水性；⑥C13煤砂巖含水層和新生界松散含水層水壓。其中上覆基巖面至C13煤底板的巖組有效厚度是煤層底板突水的負(fù)相關(guān)因素，故我們對(duì)其原始數(shù)據(jù)取負(fù)號(hào)，進(jìn)行正向化處理。

4.2 建立煤層底板突水主控因素專題圖層

首先我們根據(jù)確定的主控因素進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集，由于各主控因素量綱不同，造成數(shù)據(jù)范圍差距較大，影響評(píng)價(jià)結(jié)果，必須進(jìn)行數(shù)據(jù)歸一化處理形成數(shù)據(jù)相對(duì)化，進(jìn)而讓數(shù)據(jù)變得可比性，達(dá)到統(tǒng)計(jì)意義，便于系統(tǒng)分析。歸一化公式如下：

Ai=m+(m-n)[ai-max(ai)]/[max(ai)-min(ai)]

式中，Ai為歸一化以后的數(shù)據(jù)，m、n為歸一化后的上、下限，ai是原始數(shù)據(jù)[5]。

在各主控因素?cái)?shù)據(jù)歸一化的基礎(chǔ)上，我們建立各因素屬性數(shù)據(jù)庫，運(yùn)用GIS處理歸一化數(shù)據(jù)，建立研究區(qū)6個(gè)主控因素的歸一化專題圖層，如圖1所示。

圖1 潘一礦煤層底板突水各主控因素專題圖層

4.3 各主控因素影響權(quán)重的AHP法

(1)建立層次結(jié)構(gòu)模型

首先建立煤層底板突水脆弱性評(píng)價(jià)層次結(jié)構(gòu)模型圖，如圖2所示：

圖2 煤層底板突水脆弱性評(píng)價(jià)層次結(jié)構(gòu)模型圖

(2)構(gòu)造判斷矩陣并計(jì)算判斷矩陣

層次結(jié)構(gòu)圖建立后，上下層次元素之間的隸屬關(guān)系亦確定下來，我們可以根據(jù)潘一礦C13煤的具體情況以及征集和咨詢專家的意見，對(duì)各層次因素采用兩兩比較法賦予權(quán)重，賦值標(biāo)準(zhǔn)按照1～9標(biāo)度方法，最后得到4個(gè)兩兩比較判斷矩陣[6]。

以A層次和B層次為例，其判斷矩陣及權(quán)值結(jié)果如表1所示：

判斷矩陣A-Bi 表1

利用相關(guān)的AHP專業(yè)計(jì)算軟件，可以方便地計(jì)算出判斷矩陣的最大特征值以及最大特征值對(duì)應(yīng)的特征向量。判斷矩陣(A～Bi)的最大特征值λmax=3.054。一致性檢驗(yàn)結(jié)果：CI=0.027，RI=0.580，CR=0.047<0.1，一致性檢驗(yàn)通過。其他各層次判斷矩陣計(jì)算同上。

最后我們根據(jù)上述判斷矩陣的計(jì)算結(jié)果，得出層次總排序如表2所示：

層次總排序表 表2

層次總排序結(jié)果如上表所示。總排序一致性檢驗(yàn)結(jié)果：CI=0.007，RI=0.151，CR=0.046<0.1，一致性檢驗(yàn)通過。

4.4 煤層底板突水脆弱性評(píng)價(jià)分區(qū)

首先我們要對(duì)控制因素進(jìn)行復(fù)合處理，把各有關(guān)因素信息存儲(chǔ)層復(fù)合成一個(gè)信息存儲(chǔ)層，使所有相關(guān)因素的信息都包含在所生成的信息存儲(chǔ)層中，從而進(jìn)行各控制因素?cái)M合分析。進(jìn)行主控因素的無量綱化，然后將其疊加成一個(gè)新圖形，利用GIS對(duì)各歸一化后的專題圖進(jìn)行疊加處理。

VI=0.327f1(x，y)+0.036f2(x，y)+0.086f3(x，y)

+0.137f4(x，y)+0.013f5(x，y)+0.309f6(x，y)

根據(jù)模型計(jì)算方法，計(jì)算潘一礦的煤層底板突水脆弱性指數(shù)，根據(jù)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行頻率直方圖統(tǒng)計(jì)分析，確定分區(qū)極限值，將潘一礦劃分為以下5個(gè)子區(qū)(見圖3)，即：VI>0.6煤層底板突水脆弱區(qū)；0.55

圖3 脆弱性指數(shù)法評(píng)價(jià)分區(qū)

5 結(jié)論和建議

(1)在對(duì)潘一礦煤層底板突水因素分析的基礎(chǔ)上，確定了隔水層厚度、斷層條數(shù)密度、斷層交點(diǎn)和端點(diǎn)密度、斷層規(guī)模、含水層富水性及含水層水壓六種因素為影響控制煤層底板突水的主要因素。

(2)根據(jù)基于GIS的AHP型脆弱性指數(shù)法評(píng)價(jià)模型，提出了潘一礦煤層底板突水脆弱性評(píng)價(jià)分區(qū)方案，即依據(jù)其脆弱性大小依次劃分為危險(xiǎn)區(qū)、較危險(xiǎn)區(qū)、過渡區(qū)、較安全區(qū)、安全區(qū)5個(gè)級(jí)別。

(3)本文僅對(duì)潘一礦底板突水災(zāi)害進(jìn)行分析研究，在生產(chǎn)過程中也可能發(fā)生頂板突水災(zāi)害，故為保證潘一礦礦井安全生產(chǎn)，需進(jìn)一步對(duì)其頂板突水進(jìn)行有效的預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)分析。

[1] 王允. 施工階段主要地質(zhì)災(zāi)害的預(yù)測(cè)及防治[J]. 城市建設(shè)理論研究：電子版，2014(36).

[2] 崔祥琨，郭盛彬，宋旭. 淺談礦井突水原因及其防治[J]. 科技資訊，2009(17)：134～134.

[3] 武強(qiáng)，張志龍，張生元等. 煤層底板突水評(píng)價(jià)的新型實(shí)用方法Ⅱ——脆弱性指數(shù)法[J]. 煤炭學(xué)報(bào)，2007，32(11)：1121～1126.

[4] 武強(qiáng)，王金華，劉東海等. 煤層底板突水評(píng)價(jià)的新型實(shí)用方法Ⅳ：基于GIS的AHP型脆弱性指數(shù)法應(yīng)用[J]. 煤炭學(xué)報(bào)，2009，32(2)：233～238.

[5] 武強(qiáng)，楊柳，朱斌等. “脆弱性指數(shù)法”在趙各莊礦底板突水評(píng)價(jià)中的應(yīng)用[J]. 中國煤炭地質(zhì)，2009，21(6)：40～44.

[6] 字玥，杜葵. 層次分析法在市場(chǎng)比較法中的應(yīng)用[J]. 低溫建筑技術(shù)，2016，38(3)：130～133.

TheApplicationofAnalyticHierarchyProcessBasedonGISinSafetyEvaluationofMineWaterBurstinginPanYiCoalmine

Ding Gang，Hu Wenkui，Wei Ruming
(Jinan Geotechnical Investigation and Surveying Research Institute，Jinan 250101，China)

Evaluation and predication of Coal floor water bursting is a difficult problem in the coal mine construction and production process ，based on the coal floor water bursting in Pan Yi Coalmine，AHP vulnerability index method based on GIS was used.Firstly a main controlling factor system of coal floor water bursting has been established.Then，the sub-thematic layers of each dominating factor and the overlay layer were founded using the data management and the spatial-data analysis of GIS.Then put to use of AHP to determine weighted percentage of each main controlling factor and overlay six sub-thematic layers.on the basis，we evaluate the safety of mine water bursting in Pan Yi coalmine.The results showed that： dangerous zone is mostly located in the southeast and in the eastern and Location of water burst-prone areas are always concentrated.

PanYi coalmine；floor water bursting；safety evaluation；GIS；AHP

1672-8262(2017)06-47-03

P208.2

B

2017—02—17

丁剛(1987—)，男，研究員，主要從事地質(zhì)工程等技術(shù)工作。