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        基于分形理論的富水性指數(shù)法在含水層富水性評(píng)價(jià)中的應(yīng)用

        2020-03-16 03:37:56薛建坤
        煤礦安全 2020年2期
        關(guān)鍵詞:評(píng)價(jià)模型

        薛建坤

        (1.中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司,陜西 西安 710054;2.陜西省煤礦水害防治技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西 西安710054)

        頂板水害是我國煤礦開采水害的一種主要類型[1-3],水害的致災(zāi)性與含水層富水性及導(dǎo)水通道的連通性有關(guān),若含水層富水性及通道連通性較強(qiáng),則致災(zāi)性較強(qiáng)[4]。評(píng)價(jià)含水層富水性主要有單位涌水量[5]、物探方法[6-7]及基于統(tǒng)計(jì)學(xué)分析的富水性評(píng)價(jià)方法[8-15]。我國大部分煤礦區(qū)水文地質(zhì)勘探程度較低,含水層單位涌水量數(shù)據(jù)較少,控制范圍不夠,未能充分反映含水層富水性分布特征[16];物探解釋結(jié)果具有多解性,富水性探查精度受到一定程度的影響[17];以富水性指數(shù)法為代表的統(tǒng)計(jì)學(xué)方法綜合考慮了影響含水層富水性的各項(xiàng)因素,利用Arcgis 軟件對(duì)各因素進(jìn)行疊加,得到含水層富水性量化指標(biāo)。

        針對(duì)含水層富水性主控因素,相關(guān)學(xué)者開展了大量的研究,武強(qiáng)院士提出應(yīng)從含水層厚度、脆塑性巖厚度比、單位涌水量、巖石質(zhì)量指標(biāo)、滲透系數(shù)、沖洗液消耗量、斷層、陷落柱、褶皺樞紐軸共9個(gè)方面分析各主控要素對(duì)含水層富水性的影響[8]。針對(duì)大多數(shù)礦區(qū)水文地質(zhì)勘探程度較低、抽(放)水試驗(yàn)所確定的單位涌水量數(shù)據(jù)有限的情況,武強(qiáng)院士進(jìn)一步提出應(yīng)首先利用除單位涌水量的其他指標(biāo)得到富水性指數(shù),建立富水性分區(qū)圖,最后利用有限的單位涌水量數(shù)據(jù)對(duì)富水性指數(shù)法的評(píng)價(jià)結(jié)果進(jìn)行校正[9]。研究結(jié)果表明,構(gòu)造對(duì)地下水富集具有明顯的控制作用[18],針對(duì)復(fù)雜構(gòu)造區(qū)的含水層富水性評(píng)價(jià),傳統(tǒng)描述要素包括構(gòu)造分布密度、規(guī)模和性質(zhì)等至少3 個(gè)要素[19],而構(gòu)造分形維數(shù)是構(gòu)造數(shù)量、規(guī)模、組合方式及動(dòng)力學(xué)機(jī)制的綜合體現(xiàn)[20],用它替代以上要素可以減少評(píng)價(jià)指標(biāo),提高評(píng)價(jià)精度[21]。另外,利用無量綱的分形維數(shù),可更好地進(jìn)行量化比較。該方法已在煤層開采底板突水危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)方面多次應(yīng)用[21-22],但在含水層富水性評(píng)價(jià)方面應(yīng)用較少。為此以準(zhǔn)格爾煤田不連溝礦煤層頂板砂巖含水層為研究對(duì)象,通過統(tǒng)計(jì)勘探資料,利用分形理論的富水性指數(shù)法評(píng)價(jià)含水層富水性,并進(jìn)行分區(qū),借助抽水試驗(yàn)、探放水資料評(píng)價(jià)分區(qū)結(jié)果可靠性,為采掘過程中探(疏)放水工作提供精準(zhǔn)目標(biāo)靶區(qū)。

        1 分形理論的富水性指數(shù)法

        1.1 基本原理

        富水性指數(shù)法是利用GIS 空間信息處理技術(shù),將影響含水層富水性的各主控因素以一定的權(quán)重值進(jìn)行疊加,獲得含水層富水性定量評(píng)價(jià)模型。依據(jù)頻率直方圖確定富水性分區(qū)閥值,從而形成最終的含水層富水性量化分區(qū)圖。

        構(gòu)造分形維數(shù)是基于分形理論定量描述構(gòu)造規(guī)模、數(shù)量及組合方式的一項(xiàng)綜合性指標(biāo)。分維值越大,則構(gòu)造復(fù)雜程度越高。構(gòu)造分維數(shù)通常利用自相似維數(shù)進(jìn)行計(jì)算。

        式中:Ds為分維數(shù);N(r)為集合數(shù);r 為相似比。

        基于分形理論的富水性指數(shù)法的核心是根據(jù)研究區(qū)地質(zhì)、水文地質(zhì)條件確定含水層富水性的主控因素,其中構(gòu)造因素可以用分形維數(shù)表征,利用層次分析法確定各主控因素的權(quán)重,最后利用Arcgis 合成富水性評(píng)價(jià)圖,并利用實(shí)測(cè)單位涌水量、探放水資料進(jìn)行校正,有效解決在水文地質(zhì)勘查程度較低情況下含水層富水性合理準(zhǔn)確評(píng)價(jià)與分區(qū)難題。

        1.2 評(píng)價(jià)流程

        1)確定含水層富水性主控因素。從含水層厚度、脆塑性巖厚度比等9 個(gè)方面分析各因素對(duì)含水層富水性的影響,確定主控因素。其中斷層、陷落柱、褶皺樞紐軸等可用構(gòu)造分維值表征,繪制各單因素專題圖。單位涌水量用于校驗(yàn)最終分區(qū)模型,無需繪制。

        2)確定主控因素權(quán)重—層次分析法。將研究對(duì)象劃分為 3 個(gè)層次:A、B、C 層。A 層為模型目標(biāo)層—含水層富水性;B 層為模型準(zhǔn)則層,亦即中間環(huán)節(jié)—巖性、構(gòu)造因素及水力特性等決定了富水性的強(qiáng)弱,但其影響方式還需與具體因素來體現(xiàn);C 層為模型決策層—各主控因素。運(yùn)用“征集專家評(píng)分”的方法,對(duì)影響富水性的眾多因素進(jìn)行評(píng)分。打分標(biāo)準(zhǔn)依照1~9 標(biāo)度方法。

        3)繪制歸一化專題圖。采用極大值歸一化方法(式(2))對(duì)各因素?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理,繪制各主控因素的歸一化專題圖。

        式中:yj為歸一化處理后的數(shù)據(jù);xj為主控因素原始數(shù)據(jù);j 為統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)序號(hào);xmax、xmin分別為各主控因素統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的最大值和最小值。

        4)富水性分區(qū)。富水性指數(shù)是通過GIS 將不同權(quán)重的主控因素疊加綜合成富水性量化指標(biāo)(式(3)),確定富水性分區(qū)評(píng)價(jià)模型及等級(jí)區(qū)間。

        式中:P 為富水性指數(shù);Wi為第i 個(gè)因素的權(quán)重值;i 為因素序號(hào);n 為因素個(gè)數(shù);yi為第 i 個(gè)因素的歸一化值。

        5)評(píng)價(jià)模型的檢驗(yàn)及校正。利用抽(放)水試驗(yàn)確定的單位涌水量及探放水資料對(duì)富水性分區(qū)評(píng)價(jià)模型進(jìn)行檢驗(yàn)、校正,以此增強(qiáng)含水層的富水性評(píng)價(jià)結(jié)果的科學(xué)性。評(píng)價(jià)流程如圖1。

        2 實(shí)例分析

        2.1 研究區(qū)概況

        不連溝煤礦位于準(zhǔn)格爾煤田北部,地層區(qū)劃屬于華北地層區(qū)鄂爾多斯地層分區(qū)東勝地層小區(qū),含煤地層為石炭二疊系煤層,主采6 號(hào)煤,井田為一走向SN,傾向W 的單斜構(gòu)造。井田地層產(chǎn)狀平緩,傾角一般為1°~5°。根據(jù)勘探報(bào)告,落差>5 m 的斷層33 條,落差 5~10 m 的斷層 23 條,陷落柱 13 個(gè),構(gòu)造較為發(fā)育。其頂板為砂巖裂隙承壓含水層組,為6號(hào)煤層開采的直接充水水源(圖2)。

        圖1 富水性評(píng)價(jià)流程Fig.1 Water-richness evaluation process

        2.2 層次結(jié)構(gòu)模型的建立

        根據(jù)研究區(qū)地質(zhì)勘探報(bào)告及采掘?qū)嶋H揭露情況,研究區(qū)范圍內(nèi)褶皺樞紐軸不發(fā)育,因此,本次主控因素確定為含水層厚度、滲透系數(shù)、脆塑性巖厚度比、沖洗液消耗量、巖石質(zhì)量指標(biāo)、斷層、陷落柱7個(gè)方面。其中斷層、陷落柱用分形維數(shù)表征,層次結(jié)構(gòu)模型如圖3。

        2.3 構(gòu)建判斷矩陣

        根據(jù)對(duì)研究區(qū)頂板砂巖含水層富水性分析,運(yùn)用“專家打分法”、現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和科學(xué)推理對(duì)影響含水層富水性的眾多因素進(jìn)行評(píng)分。其中判斷矩陣B、C 的打分為:

        圖2 研究區(qū)水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)Fig.2 Hydrogeological structure of the study area

        圖3 含水層富水性分析層次結(jié)構(gòu)模型Fig.3 Hierarchy structure model of water-richness of water-filled aquifer

        式中:B 為圖3 中 B1、B2、B3控制因素的矩陣;Ca為圖3 中 C1、C2控制因素的矩陣;Cb為圖3 中 C3、C4控制因素的矩陣。

        通過計(jì)算,各含水層富水性評(píng)價(jià)的主控因素權(quán)重值為 W=(0.449,0.09,0.027,0.049,0.088,0.297)。

        2.4 富水性分區(qū)評(píng)價(jià)

        2.4.1 富水性分區(qū)評(píng)價(jià)專題圖

        通過收集、整理井田內(nèi)勘探資料,繪制各主控因素專題圖(圖4),其中構(gòu)造分維圖是通過將井田構(gòu)造展布圖依次按網(wǎng)格邊長(zhǎng)減半劃分成1 000 m×1 000 m、500 m×500 m、250 m×250 m、125 m×125 m 4 個(gè)等級(jí)(圖5),在CAD 中采用移動(dòng)窗口的方法分別統(tǒng)計(jì)的。

        進(jìn)行歸一化處理,之后利用GIS 的疊加功能對(duì)6 個(gè)主控因素專題圖進(jìn)行疊加,最終疊加成果即為含水層富水性指數(shù)P,確定富水性指數(shù)分區(qū)閥值為:0.44、0.52、0.59、0.66。根據(jù)閥值結(jié)果劃分研究區(qū)富水性程度:0.37≤P<0.44 為弱富水區(qū);0.44≤P<0.52 為較弱富水區(qū);0.52≤P<0.59 為中等富水區(qū);0.59≤P<0.66 為較強(qiáng)富水區(qū);0.66≤P≤0.74 為強(qiáng)富水區(qū)。

        圖4 單因素專題圖Fig.4 Single factor map

        圖5 井田構(gòu)造等級(jí)網(wǎng)格Fig.5 Structural grid of minefield

        2.4.2 富水性分區(qū)模型檢驗(yàn)及校正

        對(duì)分區(qū)結(jié)果進(jìn)行檢驗(yàn)、校正,主要利用已知鉆孔的單位涌水量數(shù)據(jù)(圖6)。

        從圖6 可看出,X17-2、S1、F6209 孔單位涌水量分別為0.007 L/(s·m)、0.000 003 L/(s·m)、>5 L/(s·m),根據(jù)單位涌水量劃分富水性等級(jí)為弱、弱、極強(qiáng)含水層,但X17-2 孔單位涌水量顯著大于S1孔涌水量,與圖中鉆孔落點(diǎn)分區(qū)對(duì)應(yīng)。另外,根據(jù)頂板探放水資料,井田西部頂板探放水出水鉆孔數(shù)量比東部多50%,即井田西部含水層含水層富水性比東部較強(qiáng),與圖6 的結(jié)果一致,說明含水層富水性的評(píng)價(jià)結(jié)果較為準(zhǔn)確。

        圖6 富水性評(píng)價(jià)綜合分區(qū)Fig.6 Comprehensive division of water-richness evaluation

        3 結(jié) 論

        1)構(gòu)造分維是構(gòu)造數(shù)量、規(guī)模、組合方式及動(dòng)力學(xué)機(jī)制的綜合體現(xiàn),用分維值量化構(gòu)造,減少了構(gòu)造描述要素2~3 項(xiàng),解決了富水性指數(shù)法在復(fù)雜構(gòu)造區(qū)富水性評(píng)價(jià)過程中構(gòu)造描述要素過多的問題。

        2)利用實(shí)測(cè)單位涌水量及探放水?dāng)?shù)據(jù)對(duì)含水層富水性分區(qū)結(jié)果進(jìn)行校正,解決了水文地質(zhì)勘探程度較低條件下的含水層富水性評(píng)價(jià)精度過低問題。

        3)基于分形理論的富水性指數(shù)法應(yīng)用到復(fù)雜構(gòu)造、低勘探程度礦區(qū)含水層富水性評(píng)價(jià)中,預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)際勘探資料較吻合,生成的富水性評(píng)價(jià)分區(qū)模型準(zhǔn)確度高。

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