基于FAHP-GRA評(píng)價(jià)方法的頂板承壓含水層富水性預(yù)測(cè)研究

薛 森 李文平 郭啟琛 劉士亮 孫夢(mèng)雅 范寶江

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)資源與地球科學(xué)學(xué)院，江蘇 徐州 221008；2.西山煤電集團(tuán)有限公司，山西 太原 030200；3.南京大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京 210023；4.兗煤菏澤能化有限公司萬(wàn)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(duì)煤層開(kāi)采的安全進(jìn)行至關(guān)重要。在華北型煤田的實(shí)際工作與開(kāi)采中，這種問(wèn)題尤為突出[1]。因此，在對(duì)煤層進(jìn)行挖掘開(kāi)采之前，準(zhǔn)確掌握深層承壓含水層富水性就顯得尤為重要了。而對(duì)于深層承壓含水層富水性的科學(xué)預(yù)測(cè)，也為之后正常施工的正常運(yùn)行提供了重要保證[2]。隨著礦山開(kāi)采深度的增加和下組煤的不斷開(kāi)采，頂板冒落而導(dǎo)致頂板涌(突)水災(zāi)害發(fā)生的案例日漸增多[3]。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，瞬變電磁、紅外測(cè)溫[4-5]等地球物理技術(shù)不斷應(yīng)用于含水層富水性的研究當(dāng)中，但這些方法所得數(shù)據(jù)粗糙，只能定性地判斷礦區(qū)內(nèi)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(lèi)[6-13]等分析方法對(duì)頂板含水層富水情況進(jìn)行等級(jí)劃分的過(guò)程中，存在各確定因素貢獻(xiàn)程度確定與因素評(píng)價(jià)把握的主觀性問(wèn)題。結(jié)合上述問(wèn)題，本文以鄂爾多斯轉(zhuǎn)龍灣礦區(qū)為研究對(duì)象，結(jié)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(qū)概況

轉(zhuǎn)龍灣礦區(qū)位于鄂爾多斯市伊金霍洛旗東部，溝谷縱橫，地形復(fù)雜。井田內(nèi)無(wú)生產(chǎn)礦井及小窯。礦區(qū)面積為43.46 km2，井田東西長(zhǎng)10 km，南北寬5.6 km，采礦權(quán)面積43.46 km2，開(kāi)發(fā)規(guī)模500萬(wàn)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(fēng)沙，年平均氣溫6.2℃，年均降水量359.6 mm，年均蒸發(fā)量為2 485.2 mm。轉(zhuǎn)龍灣礦區(qū)屬于東勝煤田，井田表面主要為第四系風(fēng)積砂所覆蓋，含煤巖系及下部巖層僅在鉆孔中見(jiàn)到。

井田主要含水層有：第四系上更新統(tǒng)薩拉烏蘇組和全新統(tǒng)砂層孔隙潛水含水層；白堊系下統(tǒng)伊金霍洛組砂礫巖；侏羅系中、下統(tǒng)延安組砂巖、中統(tǒng)直羅組砂質(zhì)泥巖和安定組泥質(zhì)砂巖；三疊系上統(tǒng)延長(zhǎng)組砂巖[15]。礦區(qū)煤層的埋深普遍在150～200 m，煤層開(kāi)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(qū)安全開(kāi)采的重要因素。

2 富水性影響因素分析

結(jié)合轉(zhuǎn)龍灣煤礦地質(zhì)條件、水文地質(zhì)條件以及相近區(qū)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(gòu)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(shù)、單位涌水量、滲透系數(shù)、構(gòu)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(qiáng)。

(2)斷層構(gòu)造因素。研究區(qū)內(nèi)發(fā)育少量斷層和褶皺，無(wú)巖漿巖活動(dòng)痕跡，未發(fā)現(xiàn)陷落柱，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜程度屬中等類(lèi)型。礦區(qū)開(kāi)采過(guò)程中尚無(wú)發(fā)現(xiàn)斷層突水現(xiàn)象，但斷層裂隙帶的存在會(huì)促進(jìn)富水帶發(fā)育。越遠(yuǎn)離斷層，裂隙發(fā)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(shù)或單位面積上斷層跡線(xiàn)的總長(zhǎng)度來(lái)表示，其分布圖更能夠從斷層跡線(xiàn)的延伸、分布均勻程度上提供更加精確的刻畫(huà)指標(biāo)。

(3)單位涌水量。單井抽水水位降深為1 m時(shí)的出水量，其值與富水性正相關(guān)。

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

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

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

3 砂巖富水性等級(jí)評(píng)價(jià)

首先需要確定開(kāi)采煤層頂板砂巖富水性影響因素的劃分等級(jí)，再確定各自因素所占權(quán)重并作出富水性分區(qū)圖，根據(jù)每個(gè)孔位與富水等級(jí)的加權(quán)灰色關(guān)聯(lián)度來(lái)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(jí)劃分。礦區(qū)頂板水雖為直接充水水源，但是整體的含水量不強(qiáng)，據(jù)此將其等級(jí)劃分與潛水富水性等級(jí)的劃分對(duì)等結(jié)合，同樣分為3個(gè)等級(jí)：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(shù)K值的劃分仍然選擇《煤礦防治水規(guī)定》和《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》中對(duì)其的劃分；巖芯采取率R也仍按照《巖土工程勘察規(guī)范》中近似指標(biāo)——巖石質(zhì)量指標(biāo)RQD值進(jìn)行劃分；砂巖巖性系數(shù)的劃分也采用均分的方法，分為3類(lèi)。砂巖厚度的劃分根據(jù)已知礦區(qū)的砂巖厚度進(jìn)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(qū)斷層密度的大小均分劃為3級(jí)：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(jí)劃分區(qū)間值如表1所示。

表1 頂板承壓水富水性影響因素等級(jí)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(biāo)度法，由多個(gè)領(lǐng)域的權(quán)威專(zhuān)家分別對(duì)各個(gè)因素進(jìn)行兩兩對(duì)比判斷并打分，同時(shí)結(jié)合研究區(qū)自身地質(zhì)條件，構(gòu)建得出富水性預(yù)測(cè)的模糊互補(bǔ)判斷矩陣。對(duì)比結(jié)果如表2所示。

表2 承壓含水層富水性因素準(zhǔn)則層指標(biāo)兩兩比較結(jié)果Table 2 Contrast on criterion of influencing factors forwater abundance of confined aquifer strata

(3)判斷模糊互補(bǔ)矩陣的一致性并求解權(quán)重。求出相應(yīng)指標(biāo)此時(shí)的權(quán)重，結(jié)合準(zhǔn)則層的權(quán)重得到承壓水含水層富水性影響因素各個(gè)指標(biāo)的最終權(quán)重，見(jiàn)表3。

表3 頂板承壓含水層富水性指標(biāo)計(jì)算結(jié)果Table 3 Calculated results of the factors forwater abundance of roof confined aquifer

(5)初始數(shù)據(jù)無(wú)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(duì)其進(jìn)行量化。對(duì)礦區(qū)內(nèi)各鉆孔因素值和等級(jí)劃分值進(jìn)行無(wú)量綱化的結(jié)果如表4所示。

表4 承壓水因素?zé)o量綱化結(jié)果Table 4 Dimensionless results of factorsfor confined aquifer

4 頂板砂巖富水性分區(qū)及等級(jí)劃分

各個(gè)富水性因素的量化數(shù)據(jù)不論是物理意義還是數(shù)量級(jí)都有較大的差異，因此需要消除主控因素不同量綱數(shù)據(jù)對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果的影響。利用極值化處理法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理，使數(shù)據(jù)具有可比性和統(tǒng)計(jì)意義，便于系統(tǒng)分析。

(1)

式中，Ai為歸一化處理后的數(shù)據(jù)；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(shù)據(jù)。min(xi)、max(xi)為各主控因素量化值的最小、最大值。

據(jù)式(1)將頂板承壓含水層富水性影響因素進(jìn)行歸一化，其中砂巖厚度、q、K、砂巖巖性系數(shù)、斷層分布密度5個(gè)因素與富水性為正相關(guān)，巖芯采取率的量化采用與潛水評(píng)價(jià)的相同方法，用(1-Ai)的形式將其進(jìn)行新的歸一化。最后將各因素?cái)?shù)據(jù)歸一化處理后，建立對(duì)應(yīng)的單因素屬性數(shù)據(jù)庫(kù)，結(jié)合GIS建立指標(biāo)層6個(gè)因素的歸一化專(zhuān)題圖(圖1)。

根據(jù)表3 中計(jì)算得出的各單因素的權(quán)重系數(shù)，利用GIS軟件空間疊加功能繪制出富水性的綜合分區(qū)圖，如圖2所示。

圖3采用了自然間斷法劃分出5級(jí)相對(duì)富水性，在此基礎(chǔ)上，通過(guò)灰色關(guān)聯(lián)度得出了富水性等級(jí)，對(duì)劃分閾值進(jìn)行調(diào)節(jié)，將富水性分區(qū)進(jìn)行重新劃定，共分為3類(lèi)：0.09～0.43，富水性弱為1級(jí)；0.43～0.54，富水性中等為2級(jí)；0.54～0.65，富水性較強(qiáng)為3級(jí)。

據(jù)此重新劃分出礦區(qū)承壓含水層相對(duì)富水性等級(jí)分區(qū)圖(圖3)。據(jù)圖3分析，黑色的富水性相對(duì)較強(qiáng)區(qū)域僅出現(xiàn)在礦區(qū)西部邊界附近，且占據(jù)面積很少，白色的富水性相對(duì)中等區(qū)域主要集中在黑色附近及西部地段，說(shuō)明該區(qū)域的頂板砂巖含水層富水性較其他區(qū)域較強(qiáng)，回采煤層時(shí)是應(yīng)當(dāng)重點(diǎn)關(guān)注的區(qū)域。

5 結(jié) 論

(1)通過(guò)含水層厚度分布、巖芯采取率、砂巖巖性系數(shù)、單位涌水量、滲透系數(shù)、構(gòu)造因素等6個(gè)因素對(duì)礦區(qū)的頂板承壓富水性做出綜合的評(píng)價(jià)，得到6張單因素歸一分析結(jié)果專(zhuān)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(shù)、單位涌水量、滲透系數(shù)、構(gòu)造因素等6個(gè)因素單因素指標(biāo)量化分區(qū)，利用FAHP-GRA方法，分析預(yù)測(cè)了礦區(qū)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(zhuǎn)龍灣煤礦潛水含水層相對(duì)富水性分區(qū)Fig.2 Relative partition for water abundance of shallowconfined aquifer strata in Zhuanlongwan Mining Area

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

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