徐　慧，牟　義，邱　浩，許　彥

(1.煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司安全分院，北京 100013；2.煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(煤炭科學(xué)研究總院)，北京 100013；3.山西晉煤集團(tuán)技術(shù)研究院有限責(zé)任公司 物探工程分公司，山西 晉城 048006；4.太原市環(huán)境監(jiān)測中心站項(xiàng)目辦，山西 太原 030009)

井筒涌水量預(yù)測效果的好壞往往影響到井筒選型和整體設(shè)計(jì)方案及礦井排水系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)，對礦井設(shè)備的選型、建設(shè)速度和投資成本等都有重要影響。通過分析預(yù)測涌水量與實(shí)際揭露涌水量之間的差異，發(fā)現(xiàn)誤差產(chǎn)生的主控因素主要存在于計(jì)算方法選擇、參數(shù)選擇，以及參數(shù)與計(jì)算方法的匹配適用性三個(gè)方面，而其中全面、準(zhǔn)確的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)是預(yù)測工作的關(guān)鍵。眾多學(xué)者在此方面進(jìn)行了深入細(xì)致的研究，對提高礦井涌水量的預(yù)測精度起到了較大的作用。例如，肖有才等[1]提出影響井筒涌水量預(yù)測可靠性的因素有巖石裂隙的不均一性、單孔抽水試驗(yàn)在理論和實(shí)踐中的缺陷，以及水文地質(zhì)勘探精度的影響和井檢孔施工工藝的影響，并提出提高井筒涌水量預(yù)測精度的途徑；楊占軍等[2]采用流量測井與抽水試驗(yàn)兩種原位測試方法對井筒涌水量及其參數(shù)等進(jìn)行了對比分析；成春奇等[3]針對傳統(tǒng)方法中引用的水位降深測值、求參模型和涌水量計(jì)算公式，分析了涌水量預(yù)測值的誤差來源，并提出了糾正誤差的方法。由于水文地質(zhì)參數(shù)精度與勘探程度或者采掘的工程量，以及工程獲取信息的處理利用質(zhì)量有關(guān)，因此,本文旨在從參數(shù)選擇的角度對井筒涌水量預(yù)測效果做出評價(jià)。

1　井筒涌水量預(yù)測質(zhì)量評價(jià)體系的建立

井筒涌水量預(yù)測效果主要取決于常規(guī)勘探和水文地質(zhì)試驗(yàn)兩個(gè)方面。

在常規(guī)勘探中，勘探工程量及布置、勘查方法及工藝技術(shù)和資料處理方法決定了對區(qū)域地質(zhì)水文地質(zhì)條件的認(rèn)識(shí)深度；勘探成果提供水文地質(zhì)系統(tǒng)邊界及性質(zhì)、地下水補(bǔ)徑排、含水層特征等要素的信息量及準(zhǔn)確性將決定水文地質(zhì)模型概化的精準(zhǔn)度。

《GB50511—2010煤礦井巷工程施工規(guī)范》中規(guī)定井筒施工前，應(yīng)完成檢查孔施工，并應(yīng)有完整、真實(shí)的檢查孔資料，且要求對井筒所穿過的主要含水層(組)進(jìn)行分層抽水試驗(yàn)。因此，水文地質(zhì)試驗(yàn)是勘探基礎(chǔ)上針對局部水文條件及水文特征(參數(shù))認(rèn)識(shí)的深化，提供水文模型中含水層具體形狀特征及水文參數(shù)等要素的定量數(shù)值，準(zhǔn)確與否直接關(guān)系勘探的定量預(yù)測成果。上述二者相輔相成，任何一個(gè)環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題，都會(huì)導(dǎo)致參數(shù)與計(jì)算方法不匹配，從而導(dǎo)致預(yù)測嚴(yán)重失真。

綜上所述，建立了井筒涌水量預(yù)測質(zhì)量評價(jià)體系，如圖1所示。

圖1　井筒涌水量預(yù)測效果評價(jià)指標(biāo)體系

2　井筒涌水量預(yù)測質(zhì)量評價(jià)

在分析導(dǎo)致誤差原因之后，建立井筒涌水量預(yù)測效果評價(jià)指標(biāo)體系。選取水文地質(zhì)試驗(yàn)、常規(guī)勘探作為一級指標(biāo)。對水文地質(zhì)試驗(yàn)方法確定參數(shù)效果評價(jià)的指標(biāo)再次細(xì)分，概括出3個(gè)二級指標(biāo)和10個(gè)三級指標(biāo)作為水文地質(zhì)試驗(yàn)效果評價(jià)的依據(jù)，如圖1所示。

2.1　構(gòu)造判斷矩陣

在第一級評價(jià)體系中的影響要素作為評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，對主觀、客觀因素進(jìn)行了兩兩比較，其中元素Bij為要素Bi對Bj的相對重要性建立判斷矩陣，見式(1)。

(1)

在建立多層次遞階結(jié)構(gòu)體系后，通過各層中元素兩兩比較，構(gòu)造比較判斷矩陣，確定下一層對于上一層次某因素的相對重要性，并賦予一定分值。通常采用的標(biāo)度準(zhǔn)則為Saaty提出的標(biāo)度表[4]。

2.2　一致性檢驗(yàn)及權(quán)重分配

判斷矩陣是計(jì)算權(quán)重的重要依據(jù)，矩陣大體上需要具有一致性，避免出現(xiàn)“甲比乙極端重要，乙比丙極端重要，而丙又比甲極端重要”的違背常識(shí)的判斷，這將導(dǎo)致評價(jià)失真，因此，要對判斷的相容性和誤差進(jìn)行分析[5]。

設(shè)相容性指標(biāo)為CI(Consistency Index)，即有式(2)。并查找相應(yīng)的平均隨機(jī)一致性指標(biāo)RI(Random Index)，得出一致性比例，見式(3)。

(2)

(3)

式中：CI為相容性指標(biāo)；RI為平均隨機(jī)一致性指標(biāo)；λmax為判斷矩陣最大特征根；n為非零特征根；CR為隨機(jī)一致性比例。

一般情況下，若CR<0.1，就可以認(rèn)為判斷矩陣有相容性，據(jù)此計(jì)算的ω值(各指標(biāo)的權(quán)重)可以接受。經(jīng)計(jì)算，CI、CR都符合要求，通過判斷矩陣的一致性檢驗(yàn)，各個(gè)指標(biāo)計(jì)算權(quán)重見表1。

表1　勘探效果評價(jià)指標(biāo)權(quán)重及評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)表

3　實(shí)例應(yīng)用

在新汶龍固礦建井期間，發(fā)現(xiàn)礦井涌水量已大大超過勘探報(bào)告提供的涌水量，達(dá)到原勘探報(bào)告提供水量的數(shù)十倍，嚴(yán)重影響了新井建設(shè)。因此，將井筒涌水量預(yù)測質(zhì)量評價(jià)體系運(yùn)用到龍固礦，探究該礦井涌水量預(yù)測誤差的主控因素及主要原因。

3.1　常規(guī)勘探評價(jià)

1) 鉆孔數(shù)量。龍固礦各勘探階段在180 km2的井田范圍內(nèi)，施工鉆孔70個(gè)，工程量66 504.48 m，其中專門水文孔7個(gè)，工程量6 273.95 m。

2) 鉆孔布置。龍固礦區(qū)共有主井兩個(gè)，副井一個(gè)，風(fēng)井一個(gè)，大部分鉆孔位于主井的北部，與主井之間均有斷層相隔，只有6個(gè)鉆孔與主井的地質(zhì)情況相差不大，其中L-16和L-15在井筒影響半徑范圍之內(nèi)，L-16位于主井附近距離約98 m，L-15孔口位于主井東南約為1 407.43 m。

3) 工程質(zhì)量?；景匆?guī)程施工，完成規(guī)定任務(wù)。

4) 可利用性?？碧街械乃目淄瓿扇蝿?wù)較好。

3.2　水文地質(zhì)試驗(yàn)評價(jià)

參照表1評價(jià)結(jié)果:①井的類型,全區(qū)共7孔，9次抽水試驗(yàn)，全部為單孔抽水；②觀測孔的數(shù)量,部分抽水試驗(yàn)有兩個(gè)以上觀測孔；③含水層情況,抽水過程中采用分層抽采；④觀測孔的布置方向,觀測孔布置與地下水水流方向不一致；⑤抽水孔距觀測孔的距離,只有L-16和L-15兩個(gè)孔在影響范圍內(nèi)；⑥計(jì)算方法,水文地質(zhì)參數(shù)的求取使用解析法；⑦水位降深次數(shù),L-16采用單孔三次降深，L-15采用單孔一次降深；⑧水位及流量穩(wěn)定判定,在抽水試驗(yàn)過程中水位降深在8.16～73.24 m間波動(dòng)，涌水量介于0.01376～5.147 L/s之間，水位誤差介于0.02%～0.74%之間，流量誤差最大為1.67%。各次試驗(yàn)均按照有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了驗(yàn)收，基礎(chǔ)資料內(nèi)容齊全、整潔，抽水工程質(zhì)量優(yōu)質(zhì)4次，合格4次，抽干未評級1次，抽水質(zhì)量較高。

綜合上述分析，結(jié)合專家評議和層次分析法，得出龍固礦井井筒涌水量預(yù)測質(zhì)量綜合評價(jià)表，見表2。

表2　龍固礦井井筒涌水量預(yù)測質(zhì)量綜合評價(jià)表

3.3　模糊綜合評價(jià)結(jié)果

由表2可知，龍固礦井井筒涌水量預(yù)測質(zhì)量綜合評價(jià)效果是70.2分，為中等。從表2可看出水文地質(zhì)試驗(yàn)中部分因素得分較低,反映出龍固礦井的水文地質(zhì)工作效果不佳。因此利用該水文地質(zhì)試驗(yàn)所求出的水文地質(zhì)參數(shù)去預(yù)測井筒涌水量則會(huì)有較大偏差。其中實(shí)際值達(dá)到預(yù)測值的21.365倍(預(yù)測值168.5 m3/d，實(shí)際值3 600 m3/d)，從評價(jià)結(jié)果中得出，預(yù)測結(jié)果誤差較大的主要原因是由于龍固井筒影響區(qū)域內(nèi)抽水試驗(yàn)效果不理想而導(dǎo)致的。

4　結(jié)　論

1) 根據(jù)層次分析法基本原理建立了井筒涌水量預(yù)測效果評價(jià)指標(biāo)體系。選取水文地質(zhì)試驗(yàn)、常規(guī)勘探作為一級指標(biāo)。對水文地質(zhì)試驗(yàn)方法確定參數(shù)效果評價(jià)的指標(biāo)再次細(xì)分，概括出3個(gè)二級指標(biāo)和10個(gè)三級指標(biāo)作為水文地質(zhì)試驗(yàn)效果評價(jià)的依據(jù)，分別是觀測孔布置方向、孔的數(shù)量、觀測孔距抽水井距離、含水層情況、井的類型、水位降深次數(shù)、水位及流量穩(wěn)定判定、解析法、數(shù)值法和經(jīng)驗(yàn)法。對常規(guī)勘探細(xì)分為勘探數(shù)量、鉆孔分布、工程質(zhì)量、可利用性等幾個(gè)指標(biāo)。通過判斷矩陣一致性檢驗(yàn)，權(quán)重向量確定合理。

2) 龍固礦井筒影響區(qū)域中，總體效果得分為70.2分，反映出龍固礦井的水文地質(zhì)工作效果一般。其中抽水方式為單孔，實(shí)驗(yàn)過程中抽水孔離井筒距離太遠(yuǎn)(最近的距離1 080 m)是導(dǎo)致井筒涌水量預(yù)測結(jié)果不準(zhǔn)確的主要原因，評定結(jié)果對相似地質(zhì)條件下井筒涌水量預(yù)計(jì)具有參考價(jià)值。

3) 運(yùn)用層次分析法對礦井勘探效果進(jìn)行的綜合評價(jià)和選擇，避免了因素過多而難于分配權(quán)重的弊端，也避免了單因素決策的片面性和人們主觀認(rèn)識(shí)差異所引起的決策失誤，特別是在各種影響方案選擇的指標(biāo)出現(xiàn)優(yōu)越性交叉時(shí)，能夠做出更為科學(xué)、準(zhǔn)確、有理論依據(jù)的判斷。