基于模糊综合评判法的煤层顶板灰岩含水层富水性评价

陈敏涛, 潘盛泽, 袁代江

(贵州省水利水电勘测设计研究院,贵州 贵阳 550000)

基于模糊综合评判法的煤层顶板灰岩含水层富水性评价

陈敏涛, 潘盛泽, 袁代江

(贵州省水利水电勘测设计研究院,贵州 贵阳 550000)

煤层顶板含水层富水性受多因素影响,选取含水层厚度、含水层出露面积、单位涌水量、渗透系数、漏水孔率和断裂构造复杂程度等6个评价指标,建立定量与定性评价指标为一体的评价等级标准,构建基于层次分析—模糊综合评判法的煤层顶板含水层富水性多因素评价模型,并利用评价模型对贵州省黔西某矿顶板含水层富水性进行总体评价,其效果较好,可为相关研究提供借鉴。

顶板含水层富水性;多因素影响;分数标度;层次分析法;模糊综合评判法

中国煤田水文地质条件复杂,近些年煤矿开采深度越来越深,开采的空间尺度也越来越大,矿井水害形式依然严峻。在煤矿顶板水害中,充水含水层的富水性对顶板涌突水起着关键性的作用,决定着突水量的大小及时间的长短。只有在富水性强的区域才会形成大型的突水事故,如果含水层富水性较弱,就算导水裂缝带导通顶板含水层,也不会发生突水事故。所以对煤层顶板含水层的富水性进行分析评价,对预防顶板水害的发生和治理有着重要的作用和意义。在富水性研究的领域,一些科研工作者做出了卓有成效的工作。如赵本肖等根据岩溶发育程度将邯峰矿区奥陶系中统含水层富水性划分为四个区[1];彭涛等从岩性结构特征和地质构造特征两方面,通过模糊聚类综合预测方法对卧龙湖煤矿二叠系上石盒子组底部砂岩含水层富水性进行了预测[2];王小青等根据单位涌水量大小对车集煤矿太原组上段灰岩富水性进行了评价[3]。总的来说目前关于含水层富水性预测评价的研究还比较少,且相关研究主要以单因素评判为主,所能考虑的富水性控制因素极为有限,而煤层顶板含水层的富水性是一种受多因素影响的地质现象,以往的研究方法在反应富水性多因素决策特点上存在不足,因此,本文在对煤层顶板灰岩含水层富水性的影响因素进行分析的基础上,建立定量与定性指标为一体的顶板灰岩含水层富水性评价指标体系。同时将层次分析法和模糊综合评判法相结合,构建可以真实反映多影响因素的煤层底板灰岩含水层富水性总体评判模型,并以贵州青龙煤矿为例进行应用说明。可为今后煤层顶板含水层富水性的研究提供一定的理论依据和参考。

1 富水性总体评价指标

对煤层顶板含水层富水性的评价首先要选取适当的评价指标,本文从含水层特性、水力特性和裂隙发育程度三个方面选取6项指标,并构建相应的评价等级。

1.1 含水层性质

(1) 含水层厚度:是刻画含水层富水性最直观的因素,它直接影响含水层含水量的多少,在其它因素一定的情况下,含水层厚度越大,单位厚度上含水层的含水量就越大,富水性也就越强。

(2) 含水层出露面积:出露面积的大小决定了含水层接受大气降水补给能力的大小,出露面积越大,接受大气降水补给能力越强,富水性也就越强。

1.2 水力性质

(1) 单位涌水量:是抽水试验时井孔内水位每下降1 m时的涌水量,是刻画含水层出水能力大小的重要指标,是反映含水层富水性的重要参数。单位涌水量的值越大,含水层的富水性就越好。

(2) 渗透系数:是表示岩层渗透性能强弱的定量指标,渗透系数取决于岩石的颗粒大小、颗粒排列、颗粒不均匀系数、充填情况等,渗透系数越大,含水层的透水性能越强,富水性也就越好。

1.3 裂隙发育性质

(1) 漏水孔率:漏水孔率是指在勘探钻孔通过含水层时,出现冲洗液漏失现象的钻孔占钻孔总个数的比例。漏水孔率越大,表明含水层的裂隙越发育,含水层的富水性也就越强。

(2) 断裂构造复杂程度:大部分突水事故都是断裂构造造成的,断裂构造两侧、交点及端点处由于破裂而形成大量贮水空间。而且构造附近裂隙发育,为地下水的流动、富集提供了良好的通道,常成为断层的富水带。 所以构造越复杂,含水层的富水性越强。

2 模糊综合评判法原理

模糊综合评判法是一种基于模糊数学的综合评判方法,该综合评价法是根据模糊数学的隶属度理论,对受多个因素制约的事物或对象作出一个总体综合评价的一种有效方法,适合各种非确定性问题的解决[4-6]。而影响含水层富水性的因素很多,而且控制机理复杂,因此,笔者选用模糊综合评判法来评价含水层富水性问题。其原理表示为:W·R=B。式中:W是因素集X={x1,x2,……,xn} 上的权重分配;R为因素与评判集的模糊关系矩阵。若评判集为U={u1,u2,……,um},则R=(rij),其中,rij表示xi对uj的隶属度,i=1,2,……,n;j=1,2,……m;B为评判指标,表示综合考虑所有因素影响时,评判对象对评判集的隶属度。“·”表示W与R的一种合成方式。

3 基于模糊综合评判法的煤层顶板灰岩含水层富水性评价模型

3.1 富水性评价等级划分

将煤层顶板含水层富水性评价分为4个等级(见表1):小(Ⅰ)、较小(Ⅱ)、较大(Ⅲ)、大(Ⅳ)。对于定量指标综合考虑国家规范和经验值,如单位涌水量,按照《煤矿防治水规定》将其分为0.1 L/s·m、1.0 L/s·m和5 L/s·m[7]。与定量指标相比,定性指标各个等级没有确定的数值区间,且分界线更加模糊,在这里采用分级法对定性指标进行量化处理,即把因素分为优、良、差、劣4个等级,相应的等级分值依次为1(Ⅰ)、2(Ⅱ)、3(Ⅲ)、4(Ⅳ)。分值越大代表富水性越强。然后根据评价区实际情况,对相应指标根据等级分值进行量化处理。

3.2 确定隶属函数方法

在含水层富水性模糊综合评判中,首先要确定模糊关系矩阵。模糊关系矩阵是反映各个评价指标对富水性隶属度的一个转换关系,其中的隶属度rij通过隶属函数计算求得。此次研究中对于定量指标笔者采用线性分布的三角形隶属函数,将含水层富水性由弱到强依次分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ四个等级。

表1 影响含水层富水性因素评价等级表

(1)

(2)

(3)

(4)

式中:ri为各个评价指标的隶属函数;u为评价指标的指标值;ui为评价指标对第i级评价等级的界限值。

对于定性评价指标通过给各等级赋予界限值,然后通过线性插值的方法确定其隶属函数。相应于等级Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ的界限值分别为1、2、3、4,其隶属函数为:

(6)

(8)

3.3 权重的确定

本次研究中利用AHP法确定各因素的主观权重,该方法是根据对影响富水性的各地质要素的分析,运用“征集专家评分”的方法,对影响含水层富水性的众多因素进行评分。打分标准是依照 T.L.SAATY创立的 1～9 标度方法[8-9],具体做法是把拟定的影响富水性的因素罗列成表,请各领域专家依据自己的认识和观点,对每个因素所起作用的大小进行相对重要性评价,给出每个因素的量化分值,由此构建该区富水性AHP评价的判断矩阵,具体过程如图1所示。

3.4 煤层顶板灰岩含水层富水性评价模型

结合模糊综合评价法和层次分析法构建了煤层顶板灰岩含水层富水性评价模型,公式[9]如下：

图1 递阶层次结构计算流程图Fig.1 Flow chart of hierarchic structure calculation

(9)

式中:wi表示主观权重;rij表示隶属度,其中i=1,2,…,n;j=1,2,…,m。根据最大隶属度原则,若Bj=max(B1,B2,…,Bm),则评判结果就是与j项对应的评判等级。

4 工程实例

4.1 研究区概况

青龙煤矿位于黔北煤田中部,构造上处于北东向的格老寨背斜的北西翼,其构造特点与黔北煤田的构造格局一致。受区域构造的控制,矿井构造以北东向构造为主,其规模较大,延展长,倾角较大。矿井次一级断裂构造为近东西向及北西—南东向为主,其规模小,延展短,以逆断层为主。矿井内断层数量较多。

矿区多年平均降水量为973.3 mm,雨量充沛,矿井内未见长兴组灰岩出露,大气降水后除一部分呈地表径流补给地表水体外,一部分入渗补给各含水层,形成地下径流。矿井主要开采龙潭组煤层,直接充水含水层为长兴组灰岩和龙潭组间夹的各薄层灰岩岩溶裂隙含水层,本次研究对象为顶板的长兴组岩溶裂隙含水层。长兴组灰岩出露于矿井中部,主要为灰色细晶灰岩,含泥质条带及燧石团块,平均厚28.90 m。地表调查泉水点4个,涌水量为0～0.039 L/s。49个揭露该层的钻孔,34个孔冲洗液部分或全部漏失,漏水孔率为69.39%。据抽水试验资料,含水层渗透系数为0.004 1 m/d,单位涌水量0.001 85 L/s·m,单位涌水量远<0.01 L/s·m。

4.2 评价因素权重的确定

根据层次分析法,确定出各个评价因素的权重(表2)。

表2 评价因素权重表

4.3 综合评判

根据上文中确定的隶属函数的方法,求得模糊关系矩阵如下:

进行一级模糊评判: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)。

得到二级模糊关系矩阵:

由此进行二级模糊评判:

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)

因此根据最大隶属度原则,综合评价取值B=0.453 7,长兴组含水层的富水性为I级,富水性弱。该煤矿在回采过程中未受水害威胁,在已揭露的顶板长兴灰岩中,所涌出水量也极少,与评价预测结果相符。

5 结论

(1) 本文根据煤层顶板灰岩含水层富水性受多因素影响的特征,从含水层特性、水力特性和裂隙发育程度三个方面选取了含水层厚度、含水层出露面积、单位涌水量、渗透系数、漏水孔率和断裂构造复杂程度这6个评价指标,建立了定量与定性指标为一体的煤层顶板灰岩含水层富水性评价指标体系,将模糊综合评判法和层次分析法相结合,建立了考虑多因素影响的煤层底板灰岩含水层富水性预测评价模型,并结合典型煤矿进行了预测评价,为含水层富水性评价的相关研究提供一定的借鉴。

(2) 在基于模糊综合评判法的煤层顶板含水层富水性评价模型过程中,为提高评价的精度,要多收集相关的指标数据,同时要在实践中积累总结,选择适用于评价矿区的隶属函数,并对评价结果进行验证,从而得出与实际情况相符的评价结果。

[1] 赵本肖,常明华.邯峰矿区岩溶含水层特征及富水性分区[J].中国煤田地质,2007,19(5):41-47.

[2] 彭涛,宣良瑞,张海潮,等.卧龙湖煤矿砂岩含水层富水性预测及评价[J].煤矿安全,2014(8):199-202.

[3] 王小青,朱英丽,于金忠.车集井田太原组上段灰岩富水性分析评价[J].中州煤炭,2012(4):17-20.

[4] 汪培庄,李洪兴.模糊系统理论与模糊计算机[M].北京:科学出版社,1996.

[5] 李喜林,王来贵,赵奎,等.矿井水水质评价中模糊综合评判法的改进及其应用[J]. 水资源与水工程学报,2009(20):5-8.

[6] 刘衡秋,刘钦甫,孟召平.模糊综合评判在煤层顶板稳定性评价中的应用[J].煤田地质与勘探,2002(4):18-21.

[7] 国家煤矿安全监察局.煤矿防治水规定释义[M].徐州:中国矿业大学出版社,2009.

[8] 郭鹏,郑唯唯.AHP应用的一些改进[J].系统工程,1995(13):28-31.

[9] 骆正清,杨善林.层次分析法中几种标度的比较[J].系统工程理论与实践,2004(9):51-60.

(责任编辑：陈姣霞)

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

贵州省水利科技经费项目(KT201304)。

陈敏涛(1982-),男,工程师,硕士,地质工程专业,从事工程地质、水文地质方面的研究。E-mail:123643101@qq.com

P641

A

1671-1211(2016)04-0608-04

10.16536/j.cnki.issn.1671-1211.2016.04.013

数字出版网址:http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1736.X.20160707.1528.042.html 数字出版日期:2016-07-07 15:28