礦井老空水害危險(xiǎn)性多源信息融合評價(jià)

谷保澤,金祥波,何 滔,唐申強(qiáng)

(1.國家能源集團(tuán)烏海能源公司,內(nèi)蒙古 烏海 016099; 2.內(nèi)蒙古科技大學(xué) 礦業(yè)與煤炭學(xué)院,內(nèi)蒙古 包頭 014010;3.中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司,重慶 400039)

我國煤炭資源十分豐富且地域分布廣闊,同時(shí)煤礦床水文地質(zhì)條件復(fù)雜,是世界上礦井水害較嚴(yán)重的國家之一[1-2]。在這些水害事故中,老空水害占比較大,是礦井地質(zhì)災(zāi)害重大隱患之一。

礦井生產(chǎn)實(shí)踐表明,老空水害影響因素眾多,機(jī)理復(fù)雜,各因素間關(guān)聯(lián)耦合且影響程度不同[3],老空水害危險(xiǎn)性預(yù)測往往需要對諸多因素進(jìn)行綜合分析。多源信息融合能夠獲得單因素以外的更多信息,有助于提升地學(xué)復(fù)雜問題分析的準(zhǔn)確性和科學(xué)性[4-5],且該方法較單一信息更具客觀性[6-7],因此,其在礦井水害防治中具有獨(dú)特的優(yōu)勢。近年來,在礦井水害多源信息綜合評價(jià)方面,不少專家學(xué)者進(jìn)行了積極探索:武強(qiáng)等[8]建立了基于GIS信息融合方法的頂板含水層富水性分布規(guī)律評價(jià)模型;劉玉忠[9]、鄭偉[10]等采用GIS和多源地學(xué)信息復(fù)合疊加方法,構(gòu)建了煤層底板突水危險(xiǎn)性評價(jià)模型;肖建于等[11]從多源信息融合的角度出發(fā),提出了基于模糊證據(jù)理論的煤層底板突水量估計(jì)方法與評價(jià)模型;朱宗奎等[12]開展了以無量綱多源信息融合為基礎(chǔ)的底板突水危險(xiǎn)性評價(jià)方法研究;王靜雪等[13]采用模糊德爾菲層次分析法(FDAHP)與逼近理想解排序法(TOPSIS)的基本理論建立了煤層底板突水風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)模型;李哲[14]、馮書順[15]等采用層次分析法(AHP)建立了頂板含水層富水性評價(jià)模型;張群利[16]、謝超[17]等采用層次分析法和熵權(quán)系數(shù)法相結(jié)合的方法確定巖溶礦區(qū)底板突水危險(xiǎn)性評價(jià)模型;李云龍[18]以柵格為單位進(jìn)行多源信息融合,對研究區(qū)水害與冒裂安全性進(jìn)行了綜合評價(jià)。上述理論與方法,從不同角度闡述了多源信息融合技術(shù)應(yīng)用于礦井頂?shù)装逅Φ膬?yōu)越性。

筆者根據(jù)烏海能源礦井老空水害影響因素多且復(fù)雜的特點(diǎn),在構(gòu)建礦井老空水害評價(jià)指標(biāo)體系基礎(chǔ)上,利用層次分析法與GIS空間疊合分析技術(shù)建立老空水害多源信息融合評價(jià)模型,對五虎山礦井老空水害危險(xiǎn)性進(jìn)行綜合評價(jià),旨在為礦井老空水害的防治提供精細(xì)化的指導(dǎo)依據(jù)。

1 老空水害危險(xiǎn)性多源信息融合評價(jià)方法

多源信息綜合評價(jià)主要有評價(jià)指標(biāo)優(yōu)選、指標(biāo)權(quán)重確定及危險(xiǎn)性分區(qū)評價(jià)3個(gè)步驟。

1)評價(jià)指標(biāo)優(yōu)選。在多源信息融合中,合理選取礦井老空水害評價(jià)指標(biāo),對綜合評價(jià)模型的建立和決策結(jié)果的準(zhǔn)確性起著關(guān)鍵影響。多年開采實(shí)踐證明,老空水害影響因素多且復(fù)雜。為保證各評價(jià)指標(biāo)間相互獨(dú)立,消除信息的重疊、交叉對最終決策的影響,需在進(jìn)行老空水害危險(xiǎn)性評價(jià)之前對評價(jià)指標(biāo)進(jìn)行相關(guān)性分析,排除相關(guān)因子干擾,遵循評價(jià)指標(biāo)體系科學(xué)性、準(zhǔn)確性、適應(yīng)性與簡練性的原則。此外,由于不同因素之間數(shù)值差異較大,對劃分的主控因素離散網(wǎng)格化后應(yīng)進(jìn)行歸一化處理。

2)指標(biāo)權(quán)重的確定。采用的是層次分析法,該方法首先根據(jù)評價(jià)指標(biāo)體系建立層次結(jié)構(gòu)模型,然后構(gòu)建成對判斷矩陣[19-20],在此基礎(chǔ)上,依次計(jì)算單排序和總排序權(quán)向量并做一致性檢驗(yàn),以獲得相關(guān)評價(jià)指標(biāo)的權(quán)重Wi。

3)老空水害危險(xiǎn)性分區(qū)分級評價(jià)。引入危險(xiǎn)指數(shù)VI (Vulnerability Index),采用GIS空間疊合分析方法對老空水害危險(xiǎn)性進(jìn)行評價(jià),以表征某一空間位置上的各種影響因素對其產(chǎn)生的疊加影響總和。評價(jià)模型表達(dá)式如下:

(1)

式中:VI為危險(xiǎn)性指數(shù);i為第i個(gè)因素;Wi為影響因素權(quán)重;fi(x,y)為單因素影響值函數(shù);x、y為計(jì)算網(wǎng)格的地理坐標(biāo);n為影響因素個(gè)數(shù)。

老空水害危險(xiǎn)性指數(shù)越大,老空水對礦井安全的威脅越大。為便于分級評價(jià),將危險(xiǎn)性指數(shù)進(jìn)行歸一化處理到[0,5]區(qū)間,計(jì)算公式如下:

(2)

按老空水害危險(xiǎn)性指數(shù),對應(yīng)地將井田范圍劃分為老空水極危險(xiǎn)區(qū)、危險(xiǎn)區(qū)、較危險(xiǎn)區(qū)、較安全區(qū)、相對安全區(qū),共5個(gè)區(qū)域,見表1。

表1 老空水害危險(xiǎn)性指數(shù)評價(jià)分區(qū)

2 烏海能源五虎山煤礦老空水害危險(xiǎn)性多源信息融合評價(jià)

2.1 礦井老空水害概況

當(dāng)前烏海能源多數(shù)礦井露頭區(qū)存在小窯老空水威脅,歷史上鑫源煤礦、長富煤礦等曾發(fā)生過特大老空突水事故。其中,五虎山煤礦老空水害尤為典型。該礦經(jīng)過40多年的開采,正遭受小煤窯老空水與自身采空區(qū)積水的雙重威脅,總體具有如下特征:

1)充水水源。老空水直接充水水源為頂板含水層,主要間接充水水源為大氣降水。

2)導(dǎo)水通道。老空水充水通道主要為采動裂隙,其次為斷層和火燒塌陷通道。

3)分布規(guī)律。老空水主要富集在煤層工作面底板凹陷區(qū)、運(yùn)移路徑與煤柱交叉處,以及斷層附近。

2.2 老空水害評價(jià)指標(biāo)優(yōu)選及量化

在充分分析烏海礦井水文地質(zhì)特征及老空水害分布規(guī)律基礎(chǔ)上,根據(jù)老空水導(dǎo)水通道、預(yù)測的采空積水區(qū)、已知自身采空積水區(qū)三方面情況,確定了斷裂構(gòu)造、采動裂隙帶、火燒塌陷區(qū)、預(yù)測的上部煤層老空水運(yùn)移路徑、預(yù)測的上部煤層采空區(qū)易積水區(qū)、已知的上部采空富水區(qū)和已知的側(cè)方富水區(qū)共7個(gè)主控因素。

1)斷裂構(gòu)造

斷裂構(gòu)造是礦井的主要導(dǎo)水通道。斷層影響帶中往往裂隙比較發(fā)育,導(dǎo)水性較強(qiáng),是礦井老空水的主要導(dǎo)水通道。以斷裂上下盤為中心構(gòu)建緩沖區(qū),繪制斷層構(gòu)造影響圖(見圖1(a))。

圖1 礦井老空水害主控因素專題圖

2)采動裂隙帶

煤層開采引起的垮落帶及導(dǎo)水裂隙帶為礦井老空水的主要導(dǎo)水通道。導(dǎo)水裂隙帶的高度與上部老空區(qū)覆巖厚度之差在一定程度上可反映上部老空水與當(dāng)前采煤工作面之間的水力聯(lián)系,該差值越小,采動裂隙導(dǎo)通上部老空水的可能性越大。

本次采動導(dǎo)水裂隙帶高度主要通過將礦井水文地質(zhì)補(bǔ)充勘探中計(jì)算的采裂比與空間各點(diǎn)煤層厚度相乘進(jìn)行估算。將各點(diǎn)采動裂隙帶高度和當(dāng)前工作面上部(層)老空區(qū)覆巖厚度之差作為模型的評價(jià)指標(biāo)(見圖1(b))。

3)火燒塌陷區(qū)

煤層自燃火燒區(qū)改變了原巖的性質(zhì),裂隙雜亂無序,孔洞發(fā)育,具備良好的導(dǎo)水通道和儲水空間。大氣降水及地下水易在火燒塌陷區(qū)匯集,對下部工作面造成較大威脅。因此,根據(jù)礦井上下對照圖中圈定的火燒區(qū)范圍,繪制火燒塌陷影響專題圖(見圖1(c))。

4)預(yù)測的運(yùn)移路徑與易積水區(qū)

根據(jù)五虎山煤礦多年生產(chǎn)實(shí)踐,發(fā)現(xiàn)老空水往往易集聚于上層采空區(qū)的低洼處,以及運(yùn)移路徑與煤柱的交叉處。對三維煤層底板模型進(jìn)行空間分析,計(jì)算煤層底板坡度、坡向,獲得底板凹陷區(qū)和水運(yùn)移路徑(見圖1(d))。

5)已知的上部采空富水區(qū)與已知的側(cè)方富水區(qū)

礦井自身采空區(qū)積水威脅主要為下部煤層開采受上層老空水威脅和鄰近采面受側(cè)方老空水威脅。根據(jù)礦井充水性圖圈定的上覆煤層工作面積水及小窯邊界,繪制上覆煤層采空富水區(qū)(見圖1(e))。

老空水害危險(xiǎn)性主控因素量化物理量見表2。

表2 老空水害危險(xiǎn)性主控因素量化物理量

2.3 層次分析法評價(jià)模型構(gòu)建及指標(biāo)權(quán)重確定

1)構(gòu)建遞階層次結(jié)構(gòu)模型

在礦井老空水害評價(jià)指標(biāo)體系基礎(chǔ)之上,將遞階層次模型劃分為3個(gè)層次:第一層A為老空水危險(xiǎn)性評價(jià),作為評價(jià)模型的目標(biāo)層;第二層B分別為導(dǎo)水通道B1、預(yù)測采空積水區(qū)B2及已知自身采空區(qū)積水B3,作為評價(jià)模型的準(zhǔn)則層;第三層C為在B層次各指標(biāo)之下細(xì)分的七大因素,作為評價(jià)模型的決策層。評價(jià)模型如圖2所示。

圖2 老空水害危險(xiǎn)性評價(jià)結(jié)構(gòu)模型

2)確定指標(biāo)權(quán)重

根據(jù)對老空水害相關(guān)因素的綜合分析,采用“征集專家評分”的方法(T.L.SAATY創(chuàng)立的1～9標(biāo)度法),對影響老空水害因素進(jìn)行評分:①將相關(guān)老空水害評價(jià)指標(biāo)羅列成表,請相關(guān)專家學(xué)者對影響礦井老空水害所有評價(jià)指標(biāo)進(jìn)行兩兩比較,給出量化分值,比較時(shí)采用的是相對尺度以盡可能減少不同類型評價(jià)指標(biāo)相互比較的困難,提高評價(jià)的客觀性和準(zhǔn)確性;②根據(jù)累計(jì)得分情況,進(jìn)行各因素間的總分比較,由此構(gòu)建礦井老空水AHP評價(jià)的判斷矩陣(見表3～6)。其中,λmax為各判斷矩陣的最大特征根,CR為一致性比例。

表3 判斷矩陣A～Bi(i=1～3)

表4 判斷矩陣B1～Ci(i=1～3)

表5 判斷矩陣B2～Ci(i=4～5)

表6 判斷矩陣B3～Ci(i=6～7)

通過一致性計(jì)算,所有判斷矩陣的一致性比例CR<0.1,滿足一致性要求。根據(jù)判斷矩陣計(jì)算出各層單排序的權(quán)值,獲得老空水害各評價(jià)指標(biāo)的權(quán)重,見表7。

表7 層次總排序

據(jù)此得到五虎山煤礦老空水害危險(xiǎn)性評價(jià)模型:

VI=0.117f1(x,y)+0.208f2(x,y)+0.026f3(x,y)+0.074f4(x,y)+0.014f5(x,y)+0.465f6(x,y)+0.093f7(x,y)

(3)

2.4 老空水害危險(xiǎn)性綜合評價(jià)

在主控因素離散網(wǎng)格化及權(quán)重確定的基礎(chǔ)上,通過GIS對多源信息進(jìn)行多重空間疊合分析,獲得老空水害綜合評價(jià)結(jié)果,該結(jié)果一定程度上反映了各主控因素對老空水害危險(xiǎn)性的綜合影響,如圖3所示。

圖3 多重空間疊加分析示意圖

圖4為五虎山煤礦9煤層老空水害危險(xiǎn)性分區(qū)分級評價(jià)圖。通過對比礦井充水圖發(fā)現(xiàn),已有的老空水區(qū)域全部落在了極危險(xiǎn)區(qū)與危險(xiǎn)區(qū),這表明所建立模型的評價(jià)結(jié)果與實(shí)際情況吻合度較好。

圖4 五虎山煤礦9煤層老空水害危險(xiǎn)性分區(qū)圖

進(jìn)一步從圖4中可以看到9煤層老空水害極危險(xiǎn)區(qū)主要有4個(gè):

1)區(qū)域Ⅰ位于礦區(qū)西側(cè)。該區(qū)域地表存在火燒塌陷治理區(qū)和9煤層小窯,且埋藏淺易接受大氣降水的補(bǔ)給。因此,該區(qū)域的老空水防治重點(diǎn)應(yīng)在于對火區(qū)塌陷通道的治理及小窯的探查。

2)區(qū)域Ⅲ位于礦區(qū)南側(cè)。該區(qū)域煤層埋藏淺,采動裂隙易導(dǎo)通地表。大氣降水極易沿著采動裂隙補(bǔ)充老空水。此外,該區(qū)域上部存在8煤層小窯的威脅,并存在多條斷層。因此,該區(qū)域老空水的防治工作應(yīng)以上部老空水的探查及地表水的防治為主。

3)區(qū)域Ⅱ與Ⅳ位于井田中部及北部底板凹陷區(qū)。該區(qū)域煤層底板凹陷,老空水極易匯集于此,且該區(qū)域斷裂構(gòu)造較為發(fā)育。對于該區(qū)域的老空水害防治工作,一方面應(yīng)加強(qiáng)臨排管理,另一方面應(yīng)在采前及時(shí)施工放水巷并加強(qiáng)對斷層導(dǎo)水性的超前探放工作。

3 結(jié)束語

1)構(gòu)建了以七大主控因素為主的五虎山礦井老空水害危險(xiǎn)性評價(jià)指標(biāo)體系,使老空水害分區(qū)分級評價(jià)更加科學(xué)合理。采用層次分析法計(jì)算了影響五虎山礦井老空水害危險(xiǎn)性的七大主控因素權(quán)重。

2)利用GIS空間疊合分析法建立老空水害多源信息融合評價(jià)模型,對烏海能源五虎山礦井老空水害危險(xiǎn)性進(jìn)行綜合評價(jià),共圈定了4個(gè)老空水害極危險(xiǎn)區(qū),為礦井老空水的防治提供了精細(xì)化的指導(dǎo)依據(jù)。