基于FAHP-GRA評價方法的頂板承壓含水層富水性預測研究

薛 森 李文平 郭啟琛 劉士亮 孫夢雅 范寶江

(1.中國礦業大學資源與地球科學學院，江蘇 徐州 221008；2.西山煤電集團有限公司，山西 太原 030200；3.南京大學地球科學與工程學院，江蘇 南京 210023；4.兗煤菏澤能化有限公司萬福煤礦，山東 菏澤 274900)

作為煤層頂板突水的直接沖水源，煤層頂板承壓水對煤層開采的安全進行至關重要。在華北型煤田的實際工作與開采中，這種問題尤為突出[1]。因此，在對煤層進行挖掘開采之前，準確掌握深層承壓含水層富水性就顯得尤為重要了。而對于深層承壓含水層富水性的科學預測，也為之后正常施工的正常運行提供了重要保證[2]。隨著礦山開采深度的增加和下組煤的不斷開采，頂板冒落而導致頂板涌(突)水災害發生的案例日漸增多[3]。隨著科學技術的進步，瞬變電磁、紅外測溫[4-5]等地球物理技術不斷應用于含水層富水性的研究當中，但這些方法所得數據粗糙，只能定性地判斷礦區內煤層頂板含水層的富水性。另一方面，在利用模糊層次、模糊聚類[6-13]等分析方法對頂板含水層富水情況進行等級劃分的過程中，存在各確定因素貢獻程度確定與因素評價把握的主觀性問題。結合上述問題，本文以鄂爾多斯轉龍灣礦區為研究對象，結合FAHP-GRA方法[14]，研究如何確定頂板承壓水含水層的富水性。

1 研究區概況

轉龍灣礦區位于鄂爾多斯市伊金霍洛旗東部，溝谷縱橫，地形復雜。井田內無生產礦井及小窯。礦區面積為43.46 km2，井田東西長10 km，南北寬5.6 km，采礦權面積43.46 km2，開發規模500萬t/a。干旱—半干旱的溫帶高原大陸性氣候，冬季寒冷，夏季炎熱，冬春兩季多風沙，年平均氣溫6.2℃，年均降水量359.6 mm，年均蒸發量為2 485.2 mm。轉龍灣礦區屬于東勝煤田，井田表面主要為第四系風積砂所覆蓋，含煤巖系及下部巖層僅在鉆孔中見到。

井田主要含水層有：第四系上更新統薩拉烏蘇組和全新統砂層孔隙潛水含水層；白堊系下統伊金霍洛組砂礫巖；侏羅系中、下統延安組砂巖、中統直羅組砂質泥巖和安定組泥質砂巖；三疊系上統延長組砂巖[15]。礦區煤層的埋深普遍在150～200 m，煤層開采后頂板之上的承壓水是直接充水水源，該含水層富水性的大小是影響礦區安全開采的重要因素。

2 富水性影響因素分析

結合轉龍灣煤礦地質條件、水文地質條件以及相近區域其他煤礦之間的情況，最終確定以Ⅱ-3煤頂板的含水層特征、巖性、水力特征、構造等基本方面為影響承壓水富水性的影響因素，包括含水層厚度分布、巖芯采取率、砂巖巖性系數、單位涌水量、滲透系數、構造因素(如斷層、褶皺、陷落柱等)。

(1)砂巖含水層厚度。在其他因素一定的情況下，含水層越厚，單位厚度的含水層含水量越大，富水性也就越強。

(2)斷層構造因素。研究區內發育少量斷層和褶皺，無巖漿巖活動痕跡，未發現陷落柱，地質構造復雜程度屬中等類型。礦區開采過程中尚無發現斷層突水現象，但斷層裂隙帶的存在會促進富水帶發育。越遠離斷層，裂隙發育程度越弱。斷層密度在定量上通常用單位面積上斷層條數或單位面積上斷層跡線的總長度來表示，其分布圖更能夠從斷層跡線的延伸、分布均勻程度上提供更加精確的刻畫指標。

(3)單位涌水量。單井抽水水位降深為1 m時的出水量，其值與富水性正相關。

(4)滲透系數。表征巖層透水性的參數，其值取決于巖石的性質(如粒度成分、顆粒排列、充填情況、裂隙性質和發育程度等)與流體的物理性質(容重、黏滯性等)等。

(5)巖芯采取率。反映巖體完整性重要指標之一，與沖洗液漏失量有較好的相關關系。若沖洗液消耗量的資料較少，研究區應選用巖芯采取率作為表征頂板裂隙發育程度的指標。其值的大小與富水性成負相關[6]。

(6)砂巖巖性系數。頂板之上含水層，隔水層往往交替出現，若在頂板導水裂縫帶內砂巖含量越高，相對厚度越大，其相應的富水性也就越強。

3 砂巖富水性等級評價

首先需要確定開采煤層頂板砂巖富水性影響因素的劃分等級，再確定各自因素所占權重并作出富水性分區圖，根據每個孔位與富水等級的加權灰色關聯度來確定富水性最終劃分的閾值。具體步驟如下：

(1)頂板承壓含水層富水性等級劃分。礦區頂板水雖為直接充水水源，但是整體的含水量不強，據此將其等級劃分與潛水富水性等級的劃分對等結合，同樣分為3個等級：Ⅰ(小)、Ⅱ(中)、Ⅲ(大)。其中的定量因素中，單位涌水量q值以及滲透系數K值的劃分仍然選擇《煤礦防治水規定》和《水利水電工程地質勘察規范》中對其的劃分；巖芯采取率R也仍按照《巖土工程勘察規范》中近似指標——巖石質量指標RQD值進行劃分；砂巖巖性系數的劃分也采用均分的方法，分為3類。砂巖厚度的劃分根據已知礦區的砂巖厚度進行均分，劃分為Ⅰ(15～55 m)，Ⅱ(55～100 m)，Ⅲ(100～150 m)；斷層密度值按照礦區斷層密度的大小均分劃為3級：Ⅰ(0～0.001 3)，Ⅱ(0.001 3～0.002 6)，Ⅲ(0.002 6～0.003 9)。最后建立頂板承壓水富水性影響因素等級劃分區間值如表1所示。

表1 頂板承壓水富水性影響因素等級劃分Table 1 Classification of influencing factors for water abundance of roof confined aquifer strata

(2)建立模糊一致判斷矩陣。利用0.1～0.9模糊標度法，由多個領域的權威專家分別對各個因素進行兩兩對比判斷并打分，同時結合研究區自身地質條件，構建得出富水性預測的模糊互補判斷矩陣。對比結果如表2所示。

表2 承壓含水層富水性因素準則層指標兩兩比較結果Table 2 Contrast on criterion of influencing factors forwater abundance of confined aquifer strata

(3)判斷模糊互補矩陣的一致性并求解權重。求出相應指標此時的權重，結合準則層的權重得到承壓水含水層富水性影響因素各個指標的最終權重，見表3。

表3 頂板承壓含水層富水性指標計算結果Table 3 Calculated results of the factors forwater abundance of roof confined aquifer

(5)初始數據無量綱化處理。頂板富水性因素中除了斷層分布密度為定性因素，其余均為定量因素，就各因素選擇均值化算子對其進行量化。對礦區內各鉆孔因素值和等級劃分值進行無量綱化的結果如表4所示。

表4 承壓水因素無量綱化結果Table 4 Dimensionless results of factorsfor confined aquifer

4 頂板砂巖富水性分區及等級劃分

各個富水性因素的量化數據不論是物理意義還是數量級都有較大的差異，因此需要消除主控因素不同量綱數據對評價結果的影響。利用極值化處理法對數據進行歸一化處理，使數據具有可比性和統計意義，便于系統分析。

(1)

式中，Ai為歸一化處理后的數據；a為歸一化范圍的下限，本研究取0；b為歸一化范圍的上限，本研究取1；xi為原始數據。min(xi)、max(xi)為各主控因素量化值的最小、最大值。

據式(1)將頂板承壓含水層富水性影響因素進行歸一化，其中砂巖厚度、q、K、砂巖巖性系數、斷層分布密度5個因素與富水性為正相關，巖芯采取率的量化采用與潛水評價的相同方法，用(1-Ai)的形式將其進行新的歸一化。最后將各因素數據歸一化處理后，建立對應的單因素屬性數據庫，結合GIS建立指標層6個因素的歸一化專題圖(圖1)。

根據表3 中計算得出的各單因素的權重系數，利用GIS軟件空間疊加功能繪制出富水性的綜合分區圖，如圖2所示。

圖3采用了自然間斷法劃分出5級相對富水性，在此基礎上，通過灰色關聯度得出了富水性等級，對劃分閾值進行調節，將富水性分區進行重新劃定，共分為3類：0.09～0.43，富水性弱為1級；0.43～0.54，富水性中等為2級；0.54～0.65，富水性較強為3級。

據此重新劃分出礦區承壓含水層相對富水性等級分區圖(圖3)。據圖3分析，黑色的富水性相對較強區域僅出現在礦區西部邊界附近，且占據面積很少，白色的富水性相對中等區域主要集中在黑色附近及西部地段，說明該區域的頂板砂巖含水層富水性較其他區域較強，回采煤層時是應當重點關注的區域。

5 結 論

(1)通過含水層厚度分布、巖芯采取率、砂巖巖性系數、單位涌水量、滲透系數、構造因素等6個因素對礦區的頂板承壓富水性做出綜合的評價，得到6張單因素歸一分析結果專題圖。

(2)基于上述含水層厚度分布、巖芯采取率、砂巖巖性系數、單位涌水量、滲透系數、構造因素等6個因素單因素指標量化分區，利用FAHP-GRA方法，分析預測了礦區頂板承壓水含水層的富水性。

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圖1 頂板承壓含水層各單因素歸一化圖Fig.1 Normalized pattern of each single factor for roof confined aquifer strata

圖2 轉龍灣煤礦潛水含水層相對富水性分區Fig.2 Relative partition for water abundance of shallowconfined aquifer strata in Zhuanlongwan Mining Area

圖3 礦區承壓含水層富水性等級分區Fig.3 Relative partition for water abundance standardof confined aquifer strata in mining area

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