基于層次分析法的井筒涌水量預測效果評價

徐　慧，牟　義，邱　浩，許　彥

(1.煤炭科學技術研究院有限公司安全分院，北京 100013；2.煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點實驗室(煤炭科學研究總院)，北京 100013；3.山西晉煤集團技術研究院有限責任公司 物探工程分公司，山西 晉城 048006；4.太原市環境監測中心站項目辦，山西 太原 030009)

井筒涌水量預測效果的好壞往往影響到井筒選型和整體設計方案及礦井排水系統優化設計，對礦井設備的選型、建設速度和投資成本等都有重要影響。通過分析預測涌水量與實際揭露涌水量之間的差異，發現誤差產生的主控因素主要存在于計算方法選擇、參數選擇，以及參數與計算方法的匹配適用性三個方面，而其中全面、準確的基礎數據是預測工作的關鍵。眾多學者在此方面進行了深入細致的研究，對提高礦井涌水量的預測精度起到了較大的作用。例如，肖有才等[1]提出影響井筒涌水量預測可靠性的因素有巖石裂隙的不均一性、單孔抽水試驗在理論和實踐中的缺陷，以及水文地質勘探精度的影響和井檢孔施工工藝的影響，并提出提高井筒涌水量預測精度的途徑；楊占軍等[2]采用流量測井與抽水試驗兩種原位測試方法對井筒涌水量及其參數等進行了對比分析；成春奇等[3]針對傳統方法中引用的水位降深測值、求參模型和涌水量計算公式，分析了涌水量預測值的誤差來源，并提出了糾正誤差的方法。由于水文地質參數精度與勘探程度或者采掘的工程量，以及工程獲取信息的處理利用質量有關，因此,本文旨在從參數選擇的角度對井筒涌水量預測效果做出評價。

1　井筒涌水量預測質量評價體系的建立

井筒涌水量預測效果主要取決于常規勘探和水文地質試驗兩個方面。

在常規勘探中，勘探工程量及布置、勘查方法及工藝技術和資料處理方法決定了對區域地質水文地質條件的認識深度；勘探成果提供水文地質系統邊界及性質、地下水補徑排、含水層特征等要素的信息量及準確性將決定水文地質模型概化的精準度。

《GB50511—2010煤礦井巷工程施工規范》中規定井筒施工前，應完成檢查孔施工，并應有完整、真實的檢查孔資料，且要求對井筒所穿過的主要含水層(組)進行分層抽水試驗。因此，水文地質試驗是勘探基礎上針對局部水文條件及水文特征(參數)認識的深化，提供水文模型中含水層具體形狀特征及水文參數等要素的定量數值，準確與否直接關系勘探的定量預測成果。上述二者相輔相成，任何一個環節出現問題，都會導致參數與計算方法不匹配，從而導致預測嚴重失真。

綜上所述，建立了井筒涌水量預測質量評價體系，如圖1所示。

圖1　井筒涌水量預測效果評價指標體系

2　井筒涌水量預測質量評價

在分析導致誤差原因之后，建立井筒涌水量預測效果評價指標體系。選取水文地質試驗、常規勘探作為一級指標。對水文地質試驗方法確定參數效果評價的指標再次細分，概括出3個二級指標和10個三級指標作為水文地質試驗效果評價的依據，如圖1所示。

2.1　構造判斷矩陣

在第一級評價體系中的影響要素作為評價標準，對主觀、客觀因素進行了兩兩比較，其中元素Bij為要素Bi對Bj的相對重要性建立判斷矩陣，見式(1)。

(1)

在建立多層次遞階結構體系后，通過各層中元素兩兩比較，構造比較判斷矩陣，確定下一層對于上一層次某因素的相對重要性，并賦予一定分值。通常采用的標度準則為Saaty提出的標度表[4]。

2.2　一致性檢驗及權重分配

判斷矩陣是計算權重的重要依據，矩陣大體上需要具有一致性，避免出現“甲比乙極端重要，乙比丙極端重要，而丙又比甲極端重要”的違背常識的判斷，這將導致評價失真，因此，要對判斷的相容性和誤差進行分析[5]。

設相容性指標為CI(Consistency Index)，即有式(2)。并查找相應的平均隨機一致性指標RI(Random Index)，得出一致性比例，見式(3)。

(2)

(3)

式中：CI為相容性指標；RI為平均隨機一致性指標；λmax為判斷矩陣最大特征根；n為非零特征根；CR為隨機一致性比例。

一般情況下，若CR<0.1，就可以認為判斷矩陣有相容性，據此計算的ω值(各指標的權重)可以接受。經計算，CI、CR都符合要求，通過判斷矩陣的一致性檢驗，各個指標計算權重見表1。

表1　勘探效果評價指標權重及評價標準表

3　實例應用

在新汶龍固礦建井期間，發現礦井涌水量已大大超過勘探報告提供的涌水量，達到原勘探報告提供水量的數十倍，嚴重影響了新井建設。因此，將井筒涌水量預測質量評價體系運用到龍固礦，探究該礦井涌水量預測誤差的主控因素及主要原因。

3.1　常規勘探評價

1) 鉆孔數量。龍固礦各勘探階段在180 km2的井田范圍內，施工鉆孔70個，工程量66 504.48 m，其中專門水文孔7個，工程量6 273.95 m。

2) 鉆孔布置。龍固礦區共有主井兩個，副井一個，風井一個，大部分鉆孔位于主井的北部，與主井之間均有斷層相隔，只有6個鉆孔與主井的地質情況相差不大，其中L-16和L-15在井筒影響半徑范圍之內，L-16位于主井附近距離約98 m，L-15孔口位于主井東南約為1 407.43 m。

3) 工程質量?；景匆幊淌┕ぃ瓿梢幎ㄈ蝿?。

4) 可利用性?？碧街械乃目淄瓿扇蝿蛰^好。

3.2　水文地質試驗評價

參照表1評價結果:①井的類型,全區共7孔，9次抽水試驗，全部為單孔抽水；②觀測孔的數量,部分抽水試驗有兩個以上觀測孔；③含水層情況,抽水過程中采用分層抽采；④觀測孔的布置方向,觀測孔布置與地下水水流方向不一致；⑤抽水孔距觀測孔的距離,只有L-16和L-15兩個孔在影響范圍內；⑥計算方法,水文地質參數的求取使用解析法；⑦水位降深次數,L-16采用單孔三次降深，L-15采用單孔一次降深；⑧水位及流量穩定判定,在抽水試驗過程中水位降深在8.16～73.24 m間波動，涌水量介于0.01376～5.147 L/s之間，水位誤差介于0.02%～0.74%之間，流量誤差最大為1.67%。各次試驗均按照有關標準進行了驗收，基礎資料內容齊全、整潔，抽水工程質量優質4次，合格4次，抽干未評級1次，抽水質量較高。

綜合上述分析，結合專家評議和層次分析法，得出龍固礦井井筒涌水量預測質量綜合評價表，見表2。

表2　龍固礦井井筒涌水量預測質量綜合評價表

3.3　模糊綜合評價結果

由表2可知，龍固礦井井筒涌水量預測質量綜合評價效果是70.2分，為中等。從表2可看出水文地質試驗中部分因素得分較低,反映出龍固礦井的水文地質工作效果不佳。因此利用該水文地質試驗所求出的水文地質參數去預測井筒涌水量則會有較大偏差。其中實際值達到預測值的21.365倍(預測值168.5 m3/d，實際值3 600 m3/d)，從評價結果中得出，預測結果誤差較大的主要原因是由于龍固井筒影響區域內抽水試驗效果不理想而導致的。

4　結　論

1) 根據層次分析法基本原理建立了井筒涌水量預測效果評價指標體系。選取水文地質試驗、常規勘探作為一級指標。對水文地質試驗方法確定參數效果評價的指標再次細分，概括出3個二級指標和10個三級指標作為水文地質試驗效果評價的依據，分別是觀測孔布置方向、孔的數量、觀測孔距抽水井距離、含水層情況、井的類型、水位降深次數、水位及流量穩定判定、解析法、數值法和經驗法。對常規勘探細分為勘探數量、鉆孔分布、工程質量、可利用性等幾個指標。通過判斷矩陣一致性檢驗，權重向量確定合理。

2) 龍固礦井筒影響區域中，總體效果得分為70.2分，反映出龍固礦井的水文地質工作效果一般。其中抽水方式為單孔，實驗過程中抽水孔離井筒距離太遠(最近的距離1 080 m)是導致井筒涌水量預測結果不準確的主要原因，評定結果對相似地質條件下井筒涌水量預計具有參考價值。

3) 運用層次分析法對礦井勘探效果進行的綜合評價和選擇，避免了因素過多而難于分配權重的弊端，也避免了單因素決策的片面性和人們主觀認識差異所引起的決策失誤，特別是在各種影響方案選擇的指標出現優越性交叉時，能夠做出更為科學、準確、有理論依據的判斷。