基于AHP熵值法的煤層底板突水預(yù)測評價

王 鑫 鄭潔銘 張成行 祝漢京 徐智敏

(1.中國礦業(yè)大學(xué)，江蘇省徐州市，221116；2.永煤集團新橋煤礦，河南省永城市，476600)

我國煤炭開采經(jīng)常受到礦井水害的影響，煤礦頂?shù)装宓耐凰鹿适瞧渲斜容^常見的。在煤礦水害防治過程中，煤層底板的突水預(yù)測評價至關(guān)重要。針對煤層底板突水的評價，在揭示煤層底板突水機理方面，國內(nèi)外專家和學(xué)者開展了大量研究，李白英教授提出了“下三帶”理論，錢鳴高等教授則提出“關(guān)鍵層”理論等；在方法上主要有斯列薩列夫公式法、突水系數(shù)法、脆弱性指數(shù)法等多種方法，這些方法在我國的煤炭開采過程中起到了巨大的作用。煤層底板突水受到多重因素的控制，而且也不是簡單的線性關(guān)系，在實際情況中依然需要結(jié)合水文地質(zhì)情況進行判斷。近幾年，熵值法在其他領(lǐng)域得到了充分的使用，我國眾多學(xué)者對熵值法的應(yīng)用有了較多的研究，但是在煤層底板預(yù)測評價上使用較少，其客觀賦權(quán)也為預(yù)測評價的準確性提供保障。本文以新橋礦2107工作面底板突水預(yù)測評價為例，應(yīng)用熵值法，考慮多因素對煤層底板突水的影響，利用勘探中得到的客觀數(shù)據(jù)確定每個因素的權(quán)重，進而計算出評價值，繪制突水危險性等值線圖，使評價更加精準、客觀、直觀。這將對煤層底板突水的評價有著重要意義。

1 熵值法基本理論

1.1 評估方法

熵是源于熱力學(xué)的一個物理概念,后由香農(nóng)(C. E. Shannon)引入信息論。一般認為，信息熵值越高，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)越均衡，差異越?。环粗?，信息熵越低，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)越是不均衡，差異越大。所以，可以根據(jù)熵值大小，計算出權(quán)重。熵值法計算出的權(quán)重能盡可能消除確定權(quán)重時的人為主觀因素。具體的評價過程如下：

(1)構(gòu)建原始指標數(shù)據(jù)矩陣:m個待評方案,n項評價指標,形成原始指標數(shù)據(jù)矩陣X={Xij}m×n(0≤i≤m,0≤j≤n),則Xij為第i個待評方案第j個指標的指標值。

(3)計算評價指標的熵值:ej=-k∑yijlnyij,令k=1/lnm，則ej=(-1/lnm)∑yijlnyij。

(4)計算評價指標的差異性系數(shù):gj=1-ej。

(5)計算權(quán)重:wj=gj/∑gj。

1.2 評估指標

影響煤層底板突水的因子眾多且復(fù)雜，新橋煤礦同樣具有很復(fù)雜的水文地質(zhì)條件，根據(jù)評價煤層底板突水時所考慮因素，構(gòu)建了2107工作面煤層底板突水的綜合評價指標體系。第一級，指標層(A)是最終的評價結(jié)果，反映該工作面突水危險性的大??；二級指標層(B)是突水因素的直接影響指標；三級指標層(C)是對二級指標的進一步細化，包括含水層水壓、單位涌水量、隔水層有效厚度、斷層個數(shù)、構(gòu)造交點和端點個數(shù)、斷層規(guī)模指數(shù)等幾個方面。煤層底板突水的綜合評價指標如圖1所示。在這6個指標中，斷層規(guī)模指數(shù)反映斷層尺度和發(fā)育程度的指標，其公式為:

式中：F——斷層規(guī)模指數(shù)；

Hi——第i個斷層的落差，m；

Li——第i個斷層的走向長度，m；

n——研究區(qū)內(nèi)斷層的個數(shù)，個；

S——研究區(qū)的面積，m2。

圖1 煤層底板突水的綜合評價指標圖

2 研究區(qū)概況

新橋煤礦北部與西部由正斷層組成隔水邊界，南部的正斷層沿北西向延伸，成為良好的隔水邊界；東界為露頭地段，灰?guī)r分布面積有限，上覆巨厚地層。新生界底部普遍發(fā)育隔水段，有效地阻隔了上部水的垂直下滲，使本井田形成北、西、南三面封閉較好，上部受阻的獨特的水文地質(zhì)特征。煤層底板含水層為太原組灰?guī)r10～12層，基底為奧陶系石灰?guī)r?；讑W陶系灰?guī)r與2107工作面的隔水層厚度平均有141.79 m，奧陶水對煤層底板的威脅較小。新橋礦2107工作面水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)如圖2所示。太灰水對2107工作面的開采有較大威脅。

圖2 新橋礦2107工作面水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)圖

2107工作面位于呈南北向、長約1000 m的寬緩向斜，地層傾角約0°～10°。在2107工作面內(nèi)發(fā)育有多條小斷層，查明為正斷層。煤層底板太原組灰?guī)r含水層距離煤層近，中間夾雜砂巖較薄，隔水性差且構(gòu)造發(fā)育。2107工作面所處區(qū)域水文地質(zhì)條件復(fù)雜，受到水害威脅較大且較為緊迫。

3 熵值法預(yù)測評價2107工作面底板突水危險性

熵值法預(yù)測評價底板突水危險性時，根據(jù)勘探數(shù)據(jù)，工作面進一步細致劃分為多個小區(qū)域。2107工作面布置有3條勘探線、4個主要鉆孔，周邊有大量水文觀測孔。劃分區(qū)域時，將主要鉆孔置于小區(qū)域的中心位置。根據(jù)觀測孔的數(shù)據(jù)，將鉆孔與觀測孔水位變化規(guī)律一致的劃分為同一個區(qū)域。分界線的方向幾乎平行于勘探線方向，在水文地質(zhì)條件復(fù)雜的地區(qū)進一步細致劃分。最終，2107工作面劃分成5個大的區(qū)域，如圖3所示。根據(jù)煤層底板突水的主要影響因素，統(tǒng)計數(shù)據(jù)，建立原始矩陣。

在突水危險性預(yù)測評價中，含水層水壓、單位涌水量、斷層個數(shù)、構(gòu)造交點和端點、斷層規(guī)模指數(shù)為正向指標，隔水層有效厚度則為負向指標。首先確定每個指標的權(quán)重，再利用權(quán)重計算評價值。正向指標有利于評價值增大，而負向指標則相反。運用正向指標和負向指標分別進行計算，得出其評價矩陣，最終計算出最終的評價值。2107工作面煤層底板突水能力綜合測度指標體系見表1。計算式為：

式中：fi——第i個分區(qū)的評價值；

wj——第j項指標權(quán)重；

評價值是評價危險性的指標；評價值越高，突水可能性越大。2107工作面5個區(qū)域底板突水經(jīng)計算得出最終評價值分別為0.24、0.14、0.58、0.31、0.14，熵值法預(yù)測評價結(jié)果如圖4所示。由圖4可知，3號區(qū)域評價值達到0.58，相對最高，極易突水；4號區(qū)域評價值為0.31，相對也較高，易發(fā)生突水；5號區(qū)域西部評價值為0.2～0.3，容易導(dǎo)致突水，東部則較好；2號區(qū)域不易突水。在后續(xù)的開采過程中，3號區(qū)域和4號區(qū)域的注漿量遠遠大于其他區(qū)域，符合熵值法的計算結(jié)果。

4 熵值法與其他方法的比較

在預(yù)測評價底板突水中，突水系數(shù)法是最為常見的一種的評價方法。利用突水系數(shù)法對2107工作面進行評價，并生成突水系數(shù)等值線圖，見圖5。突水系數(shù)法評價結(jié)果：1號、3號、4號和5號區(qū)域的評價值大于0.06，超出臨界值：2號區(qū)域并未超過臨界值。

圖3 2107工作面分區(qū)圖

系統(tǒng)層子系統(tǒng)層指標層熵值差異性系數(shù)權(quán)重2107工作面底板突水能力含水層地質(zhì)構(gòu)造隔水層水壓0.660.340.22單位涌水量0.730.270.18斷層個數(shù)0.70.30.19構(gòu)造交點和端點個數(shù)0.840.160.1斷層規(guī)模指數(shù)0.820.180.12有效厚度0.710.290.19

圖4 2107工作面熵值法預(yù)測評價結(jié)果圖

圖5 2107工作面突水系數(shù)法預(yù)測評價結(jié)果圖

熵值法和突水系數(shù)法評價結(jié)果進行比較可以發(fā)現(xiàn)：突水系數(shù)法與熵值法在評價結(jié)果有一致性，1號、3號、4號區(qū)域的評價結(jié)果都是較為危險，熵值法的評價有一定準確性；兩個評價結(jié)果在5號區(qū)域呈現(xiàn)出差異，這是因為突水系數(shù)法標準的不同，5號區(qū)域構(gòu)造簡單，突水系數(shù)小于0.1為安全；從視覺上，熵值法的評價結(jié)果可以在圖上直觀體現(xiàn)，減少了得出評價值后結(jié)合其他因素的評價過程；熵值法評價時考慮多因素的共同作用效果，對于每一個因素所占權(quán)重，客觀求解，有利于評價結(jié)果的準確性，熵值法評價結(jié)果更加精細，可以更加有針對性地開展煤礦防治水工作，節(jié)約成本，有利于煤礦安全生產(chǎn)。

5 結(jié)論

(1)新橋煤礦2107工作面用熵值法進行預(yù)測評價得出3號區(qū)域評價值最大，相對危險性大，2號區(qū)域與5號區(qū)域東側(cè)評價值較低，危險性較小。

(2)將熵值法與傳統(tǒng)的突水系數(shù)法進行比較，兩種方法預(yù)測評價上具有一致性，體現(xiàn)熵值法的預(yù)測評價是準確的。熵值法評價基于客觀勘探資料，且考慮多因素對底板突水的影響，評價更精細，主觀人為因素影響較小。

(3)熵值法評價結(jié)果具有直觀性，能夠降低預(yù)測評價之后的工作量，有效提高煤礦礦井水害防治的工作。