孫尚云，張開(kāi)弦，陳陸望

(1.淮北礦業(yè)股份公司通防地測(cè)部，安徽 淮北 235000；2.合肥工業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，安徽 合肥 230009)

我國(guó)華北、華東地區(qū)，許多煤礦煤層之上都覆蓋新生界厚-巨厚松散層，在松散層底部有一層以非膠結(jié)砂土、砂礫、礫石為骨架的承壓含水層[1]，它直接賦存在煤系基巖的頂部，對(duì)煤礦的安全生產(chǎn)構(gòu)成嚴(yán)重威脅。

因此，如何有效防止此類水害問(wèn)題的發(fā)生已成為煤礦防治水工作的重點(diǎn)，煤礦發(fā)生突水的必要條件除了突水通道和水源以外，還有含水層的富水性也決定著煤礦發(fā)生水害事故的等級(jí)和危害程度。當(dāng)前，評(píng)價(jià)含水層富水性的依據(jù)主要是鉆孔單位涌水量[2]，該方法為傳統(tǒng)的水文地質(zhì)分析方法。除此之外，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分析法、地質(zhì)統(tǒng)計(jì)分析法、瞬變電磁方法等數(shù)理統(tǒng)計(jì)、地球物理勘探等方法也已被廣泛用來(lái)分析含水層的富水性。以祁東煤礦為例，以鉆孔單位涌水量評(píng)價(jià)祁東煤礦含水層富水性為弱-中等富水含水層。但該礦自建井以來(lái)發(fā)生過(guò)的突水事故頻數(shù)以及突水量顯然與弱-中等富水含水層的評(píng)價(jià)有所不符，故僅依照單位涌水量評(píng)價(jià)含水層富水等級(jí)的方法來(lái)指導(dǎo)煤礦防治水工作以不能滿足要求。

1 含水層富水性及其影響因素

影響含水層富水性的因素眾多，其影響機(jī)制也復(fù)雜多變，很難進(jìn)行統(tǒng)一的評(píng)價(jià)。通過(guò)收集祁東煤礦相關(guān)地質(zhì)及水文地質(zhì)資料，選取含水層有效厚度、構(gòu)造發(fā)育密度、鉆孔沖洗液消耗量、滲透系數(shù)及單位涌水量五個(gè)主控因素[3]，基于地理信息系統(tǒng)(GIS)的模糊層次分析多元信息融合法[4]對(duì)祁東煤礦松散層“四含”水富水性進(jìn)行評(píng)價(jià)分析，并依據(jù)分析結(jié)果對(duì)“四含”進(jìn)行了分區(qū)，為區(qū)域含水層富水性評(píng)價(jià)提供一種新的方法與思路，同時(shí)為“四含”水防治提供了基礎(chǔ)支撐。

1.1 含水層有效厚度

含水層厚度是反映含水層富水性強(qiáng)弱的直觀因素，相同條件下，厚度大的地段單位面積上的富水性強(qiáng)，反之，則弱。而含水層的有效厚度是剔除含水層中不含水部分之外的厚度，其更能體現(xiàn)出含水層富水性的大小[5]。

1.2 構(gòu)造發(fā)育密度

一般來(lái)說(shuō)，斷裂構(gòu)造附近裂隙發(fā)育部位是富水性強(qiáng)的區(qū)域，這主要是由于密集的裂隙提供了大量的儲(chǔ)水空間。在煤礦生產(chǎn)過(guò)程中，斷層較為發(fā)育的地區(qū)往往容易發(fā)生突水事故，故將斷層密度指數(shù)列為富水含水層的強(qiáng)度主控因素之一。

1.3 鉆孔沖洗液消耗量

當(dāng)勘探孔通過(guò)含水層時(shí)，受孔隙和裂隙發(fā)育的影響，鉆孔沖洗液會(huì)發(fā)生漏失現(xiàn)象，故沖洗液消耗量反映了裂隙發(fā)育程度，裂隙發(fā)育的地方往往是富水地段[6]。

1.4 滲透系數(shù)

滲透系數(shù)是反映巖石滲透特性的一個(gè)指標(biāo)。滲透系數(shù)越大，巖石的透水性越強(qiáng)，巖石的富水能力也越強(qiáng)。

1.5 單位涌水量

單位涌水量是評(píng)價(jià)含水層富水性強(qiáng)弱的主要依據(jù)。含水層單孔抽水試驗(yàn)中的單位涌水量是衡量含水層富水能力的直觀評(píng)價(jià)指標(biāo)。在礦井水文地質(zhì)鉆孔數(shù)據(jù)資料中也是比較容易得到的資料，故將其作為影響含水層富水性的重要主控因素。

2 模糊層次分析法

2.1 應(yīng)用模糊層次分析法的計(jì)算過(guò)程

1)將各影響因素列為a1，a2，a3，a4，…，an。進(jìn)行兩兩比較，采用0.1～0.9的評(píng)價(jià)尺度進(jìn)行數(shù)量標(biāo)度(見(jiàn)表1)，得到如下模糊互補(bǔ)判斷矩陣

(1)

模糊互補(bǔ)矩陣A=(aij)m×n滿足以下條件：①i=j時(shí)，aij=0.5；②aij+aji=1。

表1 AHP評(píng)價(jià)尺度

2)將矩陣A進(jìn)行行和歸一化得到排序向量W

W=(w1，w2，w3，…，wn)T

(2)

3)對(duì)模糊判斷矩陣A以及排序向量W對(duì)應(yīng)的各因素權(quán)重值的合理性進(jìn)行一致性檢驗(yàn)。該模糊判斷矩陣A的特征矩陣為

(3)

引入相容性指標(biāo)

(4)

當(dāng)I(A，W*)≤α?xí)r，認(rèn)為模糊判斷矩陣是一致的。決策者可以根據(jù)結(jié)果要求的準(zhǔn)確性，對(duì)α進(jìn)行取值，對(duì)結(jié)果的準(zhǔn)確性要求越高的話，α取值越小。本次決策中α取值為0.1。

4)檢驗(yàn)判斷矩陣的相容性

在一般問(wèn)題中，當(dāng)對(duì)多個(gè)控制因素賦予不同的權(quán)重時(shí)，會(huì)得到不同的判斷矩陣和不同的權(quán)重向量。在進(jìn)行模糊互補(bǔ)判斷矩陣一致性檢驗(yàn)之前，有必要檢驗(yàn)各判斷矩陣之間的相容性。

I(Ak，Al)≤α，k≠l，k，l=1，2，3，…，n

(5)

5)權(quán)重向量的確定

若式(5)成立，則模糊互補(bǔ)判斷矩陣Ak(k=1，2，3，…，n)是滿足相容性的，綜合評(píng)價(jià)矩陣的結(jié)果也總是可以接受的。因子集X的權(quán)重分布向量是m分量的平均值，相應(yīng)的表達(dá)式為

W=(W1，W2，…，Wn)

(6)

2.2 GIS與AHP耦合進(jìn)行富水性評(píng)價(jià)

以GIS為操作平臺(tái)，以多元信息集成理論為基礎(chǔ)，在分析確定影響水資源富集的控制因素的基礎(chǔ)上，通過(guò)收集和處理數(shù)據(jù)，建立了各控制要素的專題圖層。然后利用專題圖層數(shù)據(jù)復(fù)合疊加原理，通過(guò)對(duì)模型的辨識(shí)，利用模糊層次分析法確定各控制因子的權(quán)重，建立了相應(yīng)的富水分區(qū)信息融合模型。模型為[7-9]

(7)

式中：VI為多元信息融合指標(biāo)值；x，y為地理坐標(biāo)；fk(x，y)為第k個(gè)主控因素歸一化后影響值函數(shù)；n為主控因素的個(gè)數(shù)；Wk為主控因素權(quán)重。

最后將富水性分區(qū)在GIS中制圖顯示出來(lái)，技術(shù)路線如圖1所示。

圖1 技術(shù)路線圖

3 實(shí)例分析

3.1 祁東煤礦水文地質(zhì)條件

祁東煤礦為第三、四系松散層復(fù)蓋下的全隱蔽礦床。地下水含水層可劃分為第三、四系松散層孔隙含水層、二疊系煤系砂巖裂隙含水層和煤系下伏灰?guī)r巖溶裂隙含水層，其中第四系松散層孔隙含水層中的第四含水層為礦井開(kāi)采過(guò)程中最主要的含水層，自建井以來(lái)發(fā)生過(guò)多次“四含”突水，最大突水量達(dá)1 520m3/h。因此，急需解決礦井“四含”的富水性評(píng)價(jià)問(wèn)題，指導(dǎo)礦井“四含”水害防治工作。

3.2 含水層富水性主控因素專題圖層的建立

1)含水層有效厚度分析

在整理整個(gè)礦區(qū)有效鉆孔資料數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)“四含”有效厚度的基礎(chǔ)上，利用ArcGIS的插值功能，繪制出了祁東煤礦“四含”有效厚度專題圖層(見(jiàn)圖2)。由圖可知，礦區(qū)內(nèi)“四含”有效厚度整體分布不均勻，礦區(qū)北部和東南部“四含”有效厚度較大，礦區(qū)兩側(cè)，尤其是東部“四含”有效厚度較小，平均厚度為28m左右，局部最大厚度可達(dá)57m。

2)構(gòu)造發(fā)育密度分析

祁東礦區(qū)范圍內(nèi)主要構(gòu)造為褶曲和斷層，將斷層作為構(gòu)造發(fā)育密度，以100m×100m的單元格為單位，計(jì)算出斷層線穿過(guò)每個(gè)統(tǒng)計(jì)單元格的次數(shù)。繪制出的構(gòu)造發(fā)育密度專題圖層(見(jiàn)圖3)，由圖3可知，研究區(qū)域北部和南部各有一個(gè)構(gòu)造發(fā)育密集區(qū)域，但是研究區(qū)北部構(gòu)造整體發(fā)育較為稀疏，南部構(gòu)造整體發(fā)育較為密集。

圖3 祁東煤礦構(gòu)造發(fā)育密度專題圖

3)鉆孔沖洗液消耗量分析

通過(guò)“四含”鉆孔數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，利用ArcGIS的插值功能，繪制出了鉆孔沖洗液消耗量專題圖層(見(jiàn)圖4)，由圖4可知，整個(gè)祁東煤礦“四含”鉆孔沖洗液消耗量在南部采區(qū)要明顯大于北部，礦區(qū)中間部分區(qū)段鉆孔沖洗液消耗量較大，礦區(qū)東部整體鉆孔沖洗液消耗量較小，以上分布說(shuō)明在礦區(qū)的中南部分裂隙較為發(fā)育。

圖4 祁東煤礦鉆孔沖洗液消耗量專題圖

4)滲透系數(shù)分析

對(duì)礦區(qū)內(nèi)“四含”抽水試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，得到祁東煤礦“四含”滲透系數(shù)與鉆孔涌水量數(shù)據(jù)，利用ArcGIS的插值功能，繪制出了滲透系數(shù)專題圖層(見(jiàn)圖5)，由圖5可知，祁東煤礦的滲透系數(shù)分布不均勻，但總體分布大致呈階梯式分布。在礦區(qū)南部的滲透系數(shù)達(dá)到最大。

圖5 祁東煤礦滲透系數(shù)專題圖

5)單位涌水量分析

利用ArcGIS的插值功能，繪制出了單位涌水量專題圖層(見(jiàn)圖6)，由圖6可知，整個(gè)礦區(qū)“四含”單位涌水量總體趨勢(shì)上呈現(xiàn)出東低西高，自東向西呈現(xiàn)出增大→減小→增大的趨勢(shì)，在礦區(qū)南部單位涌水量速率變化較快。

圖6 祁東煤礦單位涌水量專題圖

3.3 各因素權(quán)重計(jì)算

根據(jù)富水區(qū)域各主要控制因素的不同程度，采用三種標(biāo)準(zhǔn)對(duì)各因素進(jìn)行評(píng)分，然后判斷各打分矩陣的兼容性，如果矩陣判斷相容性的結(jié)果是可以接受的，則取平均值作為對(duì)富水分區(qū)各因素的權(quán)重分配向量。

構(gòu)建的三個(gè)模糊互補(bǔ)判斷矩陣A1、A2、A3如下(見(jiàn)表2)。其中C1～C5分別代表“四含”有效厚度、構(gòu)造發(fā)育密度、過(guò)“四含”鉆孔沖洗液消耗量、“四含”滲透系數(shù)以及“四含”單位涌水量。

按照公式(2)～式(6)進(jìn)行計(jì)算，得到結(jié)果如表3所示。對(duì)以上三個(gè)矩陣相容性進(jìn)行計(jì)算，得到I(A1，A2)=0.056；I(A2，A3)=0.056；I(A1，A3)=0.032。均比我們?cè)O(shè)定值0.1小，三個(gè)模糊互補(bǔ)判斷矩陣A1、A2、A3的相容性是一致可接受的。

表3 權(quán)重向量計(jì)算結(jié)果

3.4 含水層富水性影響因素歸一化處理

由于選取的5個(gè)主控因素單位及物理含義各不相同，并且數(shù)值范圍相差較大，為消除各主控因素之間因不同物理量綱對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果帶來(lái)的影響，采用歸一化方法，把各主控因素映射到0～1范圍內(nèi)進(jìn)行處理，公式如下

(8)

式中：A為歸一化處理后的數(shù)據(jù)；xi為歸一化處理前的原始數(shù)據(jù)；xmax、xmin分別為歸一化處理前原始數(shù)據(jù)的最大值與最小值。

各因素所得到的歸一化專題圖如圖7所示。

(a) “四含”有效厚度歸一化圖

(c) 鉆孔沖洗液消耗量歸一化圖

(d) “四含”滲透系數(shù)歸一化圖

(e) “四含”單位涌水量歸一化圖圖7 各因素歸一化專題圖

3.5 富水性分區(qū)結(jié)果

經(jīng)計(jì)算，祁東煤礦“四含”富水性評(píng)價(jià)的5個(gè)主控因素權(quán)重大小如表4所示，由此得出，祁東煤礦“四含”富水性評(píng)價(jià)分區(qū)多元信息融合模型

VI=0.18f1(x，y)+0.19f2(x，y)+0.215f3(x，y)+0.2f4(x，y)+0.215f5(x，y)

(9)

式中：VI表示富水性指數(shù)，范圍在0 ～ 1；fk(x，y)表示的意思是第k個(gè)控制因素歸一化后影響值。

利用GIS軟件對(duì)各控制因素處理后的專題圖進(jìn)行疊加，處理后得到，研究區(qū)域“四含”富水性分區(qū)評(píng)價(jià)專題圖(見(jiàn)圖8)，通過(guò)對(duì)含水層富水性指數(shù)的分析，可以將祁東煤礦“四含”富水性范圍劃分為4個(gè)區(qū)域：富水性極弱區(qū)(0

圖8 祁東煤礦“四含”富水性分區(qū)圖

由圖8可知，祁東煤礦“四含”富水性分布為：富水性強(qiáng)區(qū)位于祁東煤礦南部以及東部零星區(qū)域；富水性中等區(qū)位于祁東煤礦南部除去富水性強(qiáng)區(qū)

的剩余區(qū)域以及正北方向零星區(qū)域；富水性弱區(qū)位于祁東煤礦中部，橫跨東西方向且緊鄰富水性強(qiáng)區(qū)；富水性極弱區(qū)位于祁東煤礦的北部邊界處，分布區(qū)域較窄且被富水性弱區(qū)的邊界一分為二。整體分布呈現(xiàn)出自北向南富水性逐漸增大的趨勢(shì)。

各分區(qū)內(nèi)主控因素取值范圍如表4所示。一般而言，富水性強(qiáng)的區(qū)域，各主控因素的均值也較高，但是不同富水性區(qū)域之間各因素值的范圍并非連續(xù)也無(wú)絕對(duì)界限。這主要是因?yàn)楦鞲凰苑謪^(qū)主控因素?cái)?shù)值都存在個(gè)別過(guò)高或過(guò)低的情況，加大了數(shù)值分布的范圍。同時(shí)，這一現(xiàn)象也說(shuō)明的含水層富水性是受多個(gè)因素控制的，由多個(gè)因素共同控制，分析的結(jié)果并非是對(duì)某單個(gè)控制因素的絕對(duì)依賴，從側(cè)面證明了分析方法的可行性與科學(xué)性。

表4 各主控因素在對(duì)應(yīng)富水性分區(qū)內(nèi)取值范圍表

4 結(jié)論

(1)基于GIS多元信息集成的含水層富水性模糊層次分析法真實(shí)地分析了含水層富水性影響因素，反應(yīng)了富水性強(qiáng)弱受到多個(gè)控制因素的影響，將主控因素權(quán)重系數(shù)與信息分析處理相結(jié)合評(píng)價(jià)含水層富水性的方法較為科學(xué)合理。

(2)通過(guò)建立“四含”富水性分區(qū)評(píng)價(jià)模型，總體評(píng)價(jià)祁東煤礦“四含”富水性差異較大，整體分布呈現(xiàn)出自北向南富水性逐漸增大的趨勢(shì)，將礦區(qū)“四含”劃分為四個(gè)區(qū)域：富水性強(qiáng)區(qū)(0.68

(3)根據(jù)“四含”富水性分區(qū)結(jié)果分析，祁東煤礦受“四含”水害威脅的區(qū)域主要分布在二采區(qū)、三采區(qū)、四采區(qū)和南部采區(qū)淺部，與祁東煤礦揭露的“四含”水文地質(zhì)情況較為吻合。礦井在上述區(qū)域進(jìn)行采掘活動(dòng)時(shí)主要采取增加采煤工作面支架工作阻力、頂板預(yù)裂爆破、長(zhǎng)觀孔水位降速預(yù)警、控制推進(jìn)速度、合理布設(shè)排水系統(tǒng)等水害防治措施，取得了較好的防治效果。