基于構(gòu)造—層次分析法的含水層富水性評(píng)價(jià)

樊 敏

(中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西 西安 710054)

煤層頂板水害是影響和制約礦井安全開采的重要因素之一，頂板水害出現(xiàn)的條件需要含水層作為充水水源和裂隙作為充水通道[1-4]，而構(gòu)造裂隙發(fā)育區(qū)域一般富水性相對(duì)好，也能作為導(dǎo)水通道或者使區(qū)域?qū)严稁М惓０l(fā)育，造成礦井充水強(qiáng)度增加。構(gòu)造特征在含水層富水性評(píng)價(jià)中的應(yīng)用能使評(píng)價(jià)結(jié)果更加切合實(shí)際。

礦井位于渭北煤田東北端邊緣，主采5煤層，工作面回采掘進(jìn)過(guò)程中頂板淋水現(xiàn)象明顯，水源為5煤的直接頂板——山西組底部H2-4砂巖含水層，對(duì)采掘工作影響較嚴(yán)重。

1 井田構(gòu)造概況

井田內(nèi)以延伸距離較小的寬緩褶曲為主，部分褶曲如ZX5-1、ZX5-3延伸長(zhǎng)度可達(dá)到2 000 m，褶皺軸向以北西向和近東西向?yàn)橹?，次為北東向，軸向相近的褶皺平行排列，表現(xiàn)出波浪形起伏狀態(tài)，如圖1所示。

2 構(gòu)造特征量化

采用分形維數(shù)來(lái)量化褶曲在井田內(nèi)的分布特征。具體計(jì)算過(guò)程如下：以經(jīng)緯網(wǎng)格為依據(jù)，劃分井田為若干個(gè)邊長(zhǎng)為r=500 m的正方形塊段(圖2)，統(tǒng)計(jì)各塊段的褶皺軸線數(shù)量，再將每個(gè)塊段分為邊長(zhǎng)250 m與邊長(zhǎng)125 m的小網(wǎng)格，統(tǒng)計(jì)每個(gè)已編號(hào)塊段中有褶皺軸線通過(guò)的網(wǎng)格數(shù)，記為N(r)；以[lgN(r)，lgr]為坐標(biāo)點(diǎn)，將其投放在lgN(r)-lgr坐標(biāo)系中，所得擬合直線斜率的絕對(duì)值即為該網(wǎng)格的分形維數(shù)D，D值越大說(shuō)明塊段構(gòu)造越發(fā)育[5-7]。根據(jù)全區(qū)網(wǎng)格雙對(duì)數(shù)線性擬合結(jié)果(圖3)，圖3中R2≈1說(shuō)明褶皺網(wǎng)格的單元數(shù)據(jù)相關(guān)性好，褶皺分維結(jié)果可靠[5]。

圖3 全區(qū)數(shù)據(jù)雙對(duì)數(shù)線性擬合結(jié)果Fig.3 Double logarithm linear fitting result map of the whole area data

褶曲軸部的巖層彎曲程度是控制區(qū)域巖層裂隙發(fā)育的重要因素，褶皺越緊閉，軸部巖石裂隙越發(fā)育，需根據(jù)褶皺類型給對(duì)應(yīng)網(wǎng)格乘以不同的修正系數(shù)，才能更準(zhǔn)確表達(dá)褶皺與富水性的關(guān)系[5，7]。井田內(nèi)褶皺的翼間角θ在70°～170°，開闊褶皺(70°<θ≤120°)的修正系數(shù)取1.2，平緩褶皺(120°<θ≤170°)修正系數(shù)取1.1，最后將修正完成的值賦給對(duì)應(yīng)塊段的中心坐標(biāo)，并利用Surfer軟件以克里格插值即可得到褶皺分形維數(shù)等值線(圖4)。

圖4 褶皺分形維數(shù)等值線Fig.4 Contour map of fractal dimension of folds

3 富水性分區(qū)評(píng)價(jià)

運(yùn)用層次分析法確定主控因素的權(quán)重，用以評(píng)價(jià)含水層富水性，已經(jīng)是一種較為常用的含水層富水性評(píng)價(jià)方法[8-9]。根據(jù)含水層富水性主控因素分析，將富水性影響因素劃分為4大類：巖性特征、水力特征、構(gòu)造特征、層位特征，構(gòu)建富水性評(píng)價(jià)的層次分析模型(圖5)。

圖5 富水性評(píng)價(jià)層次分析模型Fig.5 Analytic hierarchy process model for evaluation of water richness

綜合分析各主控因素構(gòu)建關(guān)聯(lián)層次初始模糊判斷矩陣，在Matlab中運(yùn)算[10]后可得各主控因素權(quán)重，見(jiàn)表1。

表1 主控因素權(quán)重值Tab.1 Weight value of main controlling factor

得到權(quán)重值后，采用極大值歸一化方法[3，8]對(duì)各主控因素進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，并繪制歸一化數(shù)據(jù)的單因素專題圖(圖6)。

圖6 H2-4含水層富水性主控因素單因素專題圖Fig.6 Single-factor thematic map of the main controlling factors of water richness in H2-4 aquifer

采用富水性指數(shù)法，綜合多源地學(xué)信息建立含水層富水性評(píng)價(jià)模型：

0.195 7f5(x，y)+0.145 8f6(x，y)

式中，CI為富水性指數(shù)；wk為各主控因素的權(quán)重值；fk(x，y)為第k個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的歸一化值，其中(x，y)是該值所在坐標(biāo)；n為多源信息個(gè)數(shù)。

以建立的富水性評(píng)價(jià)模型在GIS中對(duì)各主控因素的單因素專題圖進(jìn)行柵格疊加，得出井田H2-4含水層富水性分區(qū)圖，使用GIS中的自然間斷點(diǎn)分級(jí)法將H2-4含水層富水性分為弱富水區(qū)、較弱富水區(qū)、中等富水區(qū)、較強(qiáng)富水區(qū)、強(qiáng)富水區(qū)5個(gè)等級(jí)。

H2-4含水層富水性分區(qū)如圖7所示。據(jù)圖7分析可得，山西組底部H2-4含水層含水層富水性不均一，南部邊淺部和北部采區(qū)局部含水層富水性較強(qiáng)，西南部由于埋深增大、構(gòu)造較少，富水性較弱。

圖7 H2-4含水層富水性分區(qū)Fig.7 Water-rich zoning map of H2-4 aquifer

4 結(jié)論

(1)以相似維將構(gòu)造特征量化，運(yùn)用富水性指數(shù)法進(jìn)行含水層富水性評(píng)價(jià)與分區(qū)，將井田H2-4含水層劃分為弱富水區(qū)、較弱富水區(qū)、中等富水區(qū)、較強(qiáng)富水區(qū)、強(qiáng)富水區(qū)。

(2)據(jù)礦井采掘涌水情況，加入量化構(gòu)造特征的富水性指數(shù)法，可以更切合實(shí)際地評(píng)價(jià)含水層富水性。