趙小二 齊躍明 羅 斌，2

（1.中國礦業(yè)大學(xué)深部巖土與地下工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇省徐州市，221008；2.中煤平朔煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西省朔州市，036006）

模糊綜合評(píng)判方法在含水層富水性分區(qū)中的應(yīng)用＊

趙小二1齊躍明1羅 斌1，2

（1.中國礦業(yè)大學(xué)深部巖土與地下工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇省徐州市，221008；2.中煤平朔煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西省朔州市，036006）

針對(duì)平朔井工三礦太原組9＃煤層開采受頂板砂巖含水層水影響嚴(yán)重的問題，分析了影響煤層頂板砂巖富水性的主要因素；根據(jù)礦井9＃煤層水文地質(zhì)特征，結(jié)合單因素分析，采用模糊綜合評(píng)判方法，以砂巖厚度、脆塑性巖厚度比值、構(gòu)造復(fù)雜程度為評(píng)價(jià)指標(biāo)，對(duì)9＃煤層頂板的砂巖裂隙含水層富水性進(jìn)行了分級(jí)分區(qū)。后續(xù)掘進(jìn)工程表明，分區(qū)結(jié)果與生產(chǎn)實(shí)際情況有良好的吻合性。

含水層 頂板砂巖 富水性 模糊綜合評(píng)判 分區(qū)

含水層富水性評(píng)價(jià)方法主要是根據(jù)物探、抽水試驗(yàn)及井下探放水資料，結(jié)合巖相組合特征、水化學(xué)特征，運(yùn)用數(shù)學(xué)方法對(duì)大量數(shù)據(jù)處理后實(shí)現(xiàn)的。本文采用多因素綜合模糊綜合評(píng)判法，結(jié)合平朔井工三礦9＃煤層頂板砂巖厚度、脆塑性巖厚度比值、構(gòu)造復(fù)雜程度等因素，對(duì)9＃煤層頂板砂巖含水層富水性進(jìn)行分級(jí)分區(qū)，在一定程度上彌補(bǔ)了僅用其中某一因素劃分富水性分區(qū)的不足，對(duì)制定9＃煤層開采時(shí)的頂板砂巖水防治措施具有指導(dǎo)作用。

1 研究區(qū)地質(zhì)概況

平朔井工三礦位于平朔礦區(qū)的西北部，主要含煤地層為石炭系上統(tǒng)太原組，主采9＃煤層賦存條件穩(wěn)定，儲(chǔ)量可靠，9＃煤層平均厚度11.17m，平均傾角11.3°，開采工作面大多為非帶壓開采。頂板覆巖為中硬類型。9＃煤層頂板石炭—二疊系砂巖含水層、第四系含水層和地表水水源較為充沛，受采掘影響，為該礦的主要充水水源；底板奧陶系灰?guī)r水富水性弱，9＃煤層底板隔水層以泥巖、粉砂巖、鋁質(zhì)泥巖為主，夾1～2層石灰?guī)r，全區(qū)普遍穩(wěn)定，厚23.00～49.60m，平均42m，視為良好的隔水層，一般情況下不會(huì)對(duì)煤系地層進(jìn)行補(bǔ)給。在井筒和大巷開拓過程中實(shí)際揭露表明：9＃煤層頂板砂巖含水層在某些地段富水性較好，對(duì)井筒施工和大巷掘進(jìn)造成了嚴(yán)重的危害，對(duì)未來礦井采掘也有較大威脅。

2 砂巖含水層富水性因素分析

2.1 煤層頂板砂巖厚度

頂板砂巖厚度是影響地下水賦存的重要因素，厚度大的地段單位面積上儲(chǔ)水空間大，反之，則小。平朔井工三礦煤層頂板砂巖充水含水層主要是T4、T3砂巖，T4、T3砂巖聯(lián)系緊密，可近似作為一層含水層。井田范圍內(nèi)石炭－二疊系中，砂巖含水層總厚度為13.68～55.95m，平均厚度34.34m。平朔井工三礦砂層厚度等值線圖見圖1，從圖1可以看出，井田砂層厚度呈中間厚、兩邊薄、向斜軸部附近較厚的規(guī)律。井田西南部311向斜軸部附近砂層最厚，約40～50m，其次是東坡向斜軸部，砂層厚度約40m左右，其余地段砂層厚度多在20～30m之間。

圖1 平朔井工三礦砂層厚度等值線圖

2.2 砂巖含水層脆塑性巖石組合特征

煤層頂板砂巖裂隙含水層主要由粗砂巖、中砂巖和細(xì)砂巖組成，屬于脆性巖石，易產(chǎn)生構(gòu)造裂隙和風(fēng)化裂隙而含水。煤層頂板塑性巖石主要由泥巖、砂質(zhì)泥巖、煤層和粉砂巖組成，不易產(chǎn)生裂隙或裂隙被充填，含水性微弱。脆性巖厚度與塑性巖厚度比值越大，富水性越強(qiáng)，反之，則越小。脆性巖厚度為22.34～160.36m，平均92.20m，塑性巖厚度為31.13～180.82m，平均95.83m。脆性巖與塑性巖比值介于0.20～2.30之間，在井田西南部一帶比值較高，為1.50～2.03；在井田東部脆性巖與塑性巖比值較小，多在1.0左右。

2.3 構(gòu)造發(fā)育程度

井田總體為一平緩的向斜構(gòu)造，向斜軸向基本為NW－SE向。東北部地層向SW傾斜，西南部地層向NE傾斜，地層傾角2～12°，中部較平緩，傾角3～7°。經(jīng)過三維地震勘探，發(fā)現(xiàn)落差大于5m的重要斷層有DF1、DF2、DF5、DF10等。構(gòu)造是控制富水性的重要因素，砂巖含水層受斷裂的影響，裂隙發(fā)育，提供了地下水富集的通道，其富水性受褶皺寬緩程度、斷裂力學(xué)性質(zhì)及規(guī)模、斷裂與巖層產(chǎn)狀組合關(guān)系、斷裂與巖性組合關(guān)系的影響。在向斜及背斜軸部的砂巖層也易形成同心張性裂隙，是富水的主要區(qū)段。根據(jù)各點(diǎn)的構(gòu)造復(fù)雜情況確定構(gòu)造復(fù)雜程度值，將構(gòu)造復(fù)雜程度進(jìn)行人為經(jīng)驗(yàn)地分級(jí)，構(gòu)造復(fù)雜數(shù)為0～1.11時(shí)為Ⅰ級(jí)，構(gòu)造復(fù)雜數(shù)為1～1.35時(shí)為Ⅱ級(jí)，構(gòu)造復(fù)雜數(shù)為1.35～1.55時(shí)為Ⅲ級(jí)，構(gòu)造復(fù)雜數(shù)為1.55～1.75時(shí)為Ⅳ級(jí)。

通過打鉆取巖芯以及一些數(shù)學(xué)手段，可得出不同取樣點(diǎn)的數(shù)據(jù)，見表1。

表1 各鉆孔的巖層數(shù)據(jù)

3 模糊綜合評(píng)價(jià)

3.1 因素的確定

采用砂巖厚度、脆塑性巖厚度比值、構(gòu)造復(fù)雜程度3種因素作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，因此，因素集可表示為U＝﹛u1，u2，u3﹜，其中，u1，u2和u3對(duì)應(yīng)表示上述3種指標(biāo)。

3.2 建立分區(qū)評(píng)語集

參考《煤礦防治水規(guī)定》中含水層的富水性等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，并根據(jù)數(shù)據(jù)特征，分析各指標(biāo)的最大值、最小值、平均值，確定評(píng)語等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。將富水性等級(jí)分為4類，故評(píng)語集為V＝｛Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ｝，其中Ⅰ為弱富水區(qū)，Ⅱ?yàn)橹械雀凰畢^(qū)，Ⅲ為強(qiáng)富水區(qū)，Ⅳ為極強(qiáng)富水區(qū)。由此得出9＃煤層頂板砂巖含水層各統(tǒng)計(jì)指標(biāo)的富水性分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，見表2。

表2 富水性分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

3.3 建立模糊關(guān)系矩陣R

模糊關(guān)系矩陣即［uij］，模糊關(guān)系矩陣在富水性評(píng)價(jià)中，是反映評(píng)價(jià)因子對(duì)各級(jí)富水性隸屬度的一種轉(zhuǎn)化關(guān)系。采用“降半梯形”計(jì)算隸屬度uij，按各指標(biāo)隸屬各富水性等級(jí)，確定出不同隸屬函數(shù)。由表1中的數(shù)據(jù)，以砂巖厚度為例，可得出第1個(gè)指標(biāo)對(duì)不同富水性等級(jí)的隸屬函數(shù)：

同樣，可得出其他指標(biāo)對(duì)不同富水性等級(jí)的隸屬函數(shù)。根據(jù)各因子的隸屬函數(shù)，把各指標(biāo)的實(shí)測(cè)值帶入函數(shù)，依次計(jì)算，得出模糊關(guān)系矩陣：式中：i＝1，2，3為指標(biāo)數(shù)，j＝1，2，3，4為富水性等級(jí)數(shù)。矩陣的行為參評(píng)因子對(duì)第j級(jí)富水性等級(jí)的隸屬程度；列表示參評(píng)的各項(xiàng)指標(biāo)對(duì)某一等級(jí)富水性的隸屬程度。

以水補(bǔ)4鉆孔為例，把數(shù)據(jù)帶入隸屬函數(shù)可得u11＝0，u12＝0，u13＝0.792，u14＝0.208，u21＝1，u22＝0，u23＝0，u24＝0，u31＝0，u32＝0，u33＝0.75，u34＝0.25，模糊關(guān)系矩陣為：

3.4 建立權(quán)重模糊矩陣

由于各鉆孔的3個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)中，每個(gè)指標(biāo)的重要性可能相同，也可能不同。因此需要考慮評(píng)價(jià)的權(quán)重。A－是由各因子對(duì)砂巖含水層富水性的貢獻(xiàn)，作出權(quán)數(shù)分配構(gòu)成一個(gè)行矩陣，即A－＝，其中，利用“超標(biāo)加權(quán)法”計(jì)算各因子的權(quán)重。

式中：xi——第i種指標(biāo)的實(shí)測(cè)值；

ai0——第i種指標(biāo)的平均允許值；

aij——第i種指標(biāo)第j等級(jí)的界限值。

3.5 建立模糊綜合評(píng)價(jià)矩陣B－

在建立了R和A－之后，就可根據(jù)模糊變換原理求模糊綜合評(píng)價(jià)矩陣B－，完成R和A－的復(fù)合運(yùn)算，復(fù)合運(yùn)算通過模糊算子進(jìn)行，常用的模糊算子有取大取小法、相乘取大法、取小相加法和相乘相加法，本文采用相乘相加法進(jìn)行復(fù)合運(yùn)算，即：

式中：bj——樣本對(duì)j級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的隸屬度；

uij——第i個(gè)因子對(duì)第j級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的隸屬度。

由水補(bǔ)4鉆孔數(shù)據(jù)計(jì)算可得：b1＝0.423，b2＝0，b3＝0.445，b4＝0.132，因此，水補(bǔ)4鉆孔所在位置的富水性為第三級(jí)，即強(qiáng)富水性。

把各鉆孔數(shù)據(jù)按照上述方法計(jì)算后得出各取樣點(diǎn)的富水性等級(jí)評(píng)價(jià)結(jié)果，借助單元中心點(diǎn)的坐標(biāo)，將評(píng)價(jià)結(jié)果作為富水性等級(jí)輸出值，采用內(nèi)插法即可以圈定井工三礦9＃煤層頂板砂巖富水性等級(jí)分區(qū)圖，如圖2所示。

圖2 富水性分區(qū)圖

圖2顯示，極強(qiáng)富水區(qū)主要分布在井田西南部靠近隱伏露頭一帶及311向斜軸部，強(qiáng)富水區(qū)主要分布在井田西部斷層密集帶附近，富水性中等區(qū)主要分布在井田中部及東北大部，富水性弱區(qū)主要分布在井田中部及東部廣大區(qū)域的斷裂構(gòu)造不發(fā)育區(qū)。

3.6 劃分結(jié)果的掘進(jìn)驗(yàn)證

在首采區(qū)5個(gè)工作面的掘進(jìn)過程中，礦井涌水主要來自9101和9104工作面，其次為9102、9103和9105工作面。9101工作面平均涌水量為32.4m3／h，占總涌水量的18.6%；9104工作面平均涌水量為28.2m3／h，占總涌水量的16.2%；9102工作面平均涌水量為22.1m3／h，占總涌水量的12.69%；9103工作面平均涌水量為20.9m3／h，占總涌水量的12%；9105工作面平均涌水量為14.9m3／h，占總涌水量的8.6%。數(shù)據(jù)表明，首采區(qū)的富水性劃分是合理的。

4 結(jié)論

（1）本文綜合考慮煤層頂板砂巖含厚度、脆塑性巖組合、構(gòu)造復(fù)雜程度等因素，用多因素模糊綜合評(píng)判法將煤層頂板砂巖含水層富水性劃分為4個(gè)區(qū)：極強(qiáng)富水區(qū)、強(qiáng)富水區(qū)、中等富水區(qū)和弱富水區(qū)。

（2）該方法將多種因素考慮在內(nèi)，在一定程度上彌補(bǔ)了單因素劃分富水性分區(qū)的不足。從總體上看，采區(qū)西部邊界斷層附近富水性強(qiáng)，在礦井生產(chǎn)過程中應(yīng)引起重視。

（3）富水性分區(qū)與礦井正在已經(jīng)開采工作面探放水及掘進(jìn)工程結(jié)果一致，反映評(píng)價(jià)結(jié)果是合理的。礦井西部正在開采工作面的富水區(qū)的劃分結(jié)果與方法，對(duì)后續(xù)工作面富水區(qū)的劃分具有指導(dǎo)意義。

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Application of fuzzy comprehensive evaluation method to division of water enrichment of aquifer

Zhao Xiaoer1，Qi Yueming1，Luo Bin1，2
（1.State Key Laboratory for Geomechanics and Underground Engineering，China University of Mining and Technology，Xuzhou，Jiangsu 221008，China；2.Zhongmei Pingshuo Coal Limited Liability Company，Shuozhou，Shanxi 036006，China）

Aimed at the mining of No.9coal seam of Taiyuan formation in No.3coal mine seriously influenced by water in roof sandstone，the key factors affecting the enrichment of water in roof sandstone of coal seam were analyzed.According to the hydrogeological characteristics of No.9coal seam，together with the single factor analysis，the water enrichment in the fracture aquifer of roof sandstone in No.9coal seam was graded and divided by using the fuzzy comprehensive evaluation method in terms of sandstone thickness，thickness ratio of brittle rock to plastic rock and structural complexity.The subsequent excavating project showed that the division result has a good coincidence with the practical production.

aquifer，roof sandstone，water enrichment，fuzzy comprehensive evaluation，division

P641

A

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（41002087）；江蘇省博士后基金資助項(xiàng)目（1001046C）；江蘇高校優(yōu)勢(shì)學(xué)科建設(shè)工程資助項(xiàng)目

趙小二（1989－），男，安徽淮北人，中國礦業(yè)大學(xué)在讀碩士研究生，主要從事礦井水害防治、地下水?dāng)?shù)值模擬方面的研究。

（責(zé)任編輯 張毅玲）