呂玉廣，李春平，韓 港，陳軍濤，王 維，喬 偉

(1.中國礦業(yè)大學(xué) 資源與地球科學(xué)學(xué)院，江蘇 徐州 221116； 2.內(nèi)蒙古上海廟礦業(yè)有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 016299； 3.山東科技大學(xué) 能源與工業(yè)工程學(xué)院，山東 青島 266590)

含水層富水性評價與預(yù)測是礦井水害防治工作中十分重要且具有基礎(chǔ)性意義的工作，是礦井生產(chǎn)系統(tǒng)特別是防排水系統(tǒng)設(shè)計及水害防治技術(shù)方案與技術(shù)路線選擇的基礎(chǔ)[1]。教課書將巖層富水性定義為巖層所能給出水的能力[2](water yield property；water abundance；water-richness)；煤地質(zhì)學(xué)上定義為單位時間內(nèi)開采鉆孔可能從含水層中得到的水量(unit inflow)，取決于含水層的巖性、厚度、地質(zhì)構(gòu)造和補(bǔ)給條件等。煤系地層充水含水層類型多，條件復(fù)雜[3]，特別是砂泥質(zhì)交互沉積型含水層，由于其滲透性的高度非均質(zhì)、各向異性和非連續(xù)性等特點(diǎn)，造成含水層富水性極不均勻，甚至同一含水層沒有統(tǒng)一的地下水水頭面[4]。砂泥質(zhì)互層型含水地層的富水性受控因素多，以“三圖·雙預(yù)測”技術(shù)為代表[5-6]，常選取砂巖厚度、脆塑性比值、單位涌水量、滲透系數(shù)、RQD值、沖洗液消耗量、構(gòu)造等地學(xué)因素作為富水性評價的主控因素。由于相關(guān)因素多、各因素對富水性“貢獻(xiàn)”大小不盡相同，需要運(yùn)用專業(yè)的數(shù)學(xué)工具確定各因素的權(quán)重。主觀賦值法或客觀賦值法是常用的方法[7]，層次分析法是主觀賦值法的一種，建立層次結(jié)構(gòu)模型包括目標(biāo)層、準(zhǔn)則層、決策層[8]，然后進(jìn)行“專家評分”，按T.L.SAATY創(chuàng)立的1～9標(biāo)度構(gòu)建AHP判斷矩陣，通過復(fù)雜運(yùn)算得到權(quán)重分配方案[9-10]。也有學(xué)者采用變異系數(shù)法[11]、模糊聚類[12-14]、支持向量機(jī)[15]、語氣算子[16]、貝葉斯分析法[17]等建立數(shù)學(xué)模型，確定因素間灰色關(guān)聯(lián)度和權(quán)重值。由于數(shù)據(jù)量大，常采用功能強(qiáng)大的地理信息系統(tǒng)(GIS)進(jìn)行多因素融合和數(shù)據(jù)疊加，但煤礦從事一線防治水工作的主體隊(duì)伍中，能熟練操作GIS的工程技術(shù)人員較少，在一定程度上限制了該技術(shù)的推廣應(yīng)用。

富水性評價效果根本上是由基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的質(zhì)和量決定的，評價的是相對富水性，勘探工程獲取的信息量十分龐雜，采信數(shù)據(jù)時如果沒有規(guī)范約束，會導(dǎo)致大量橫向可比性不高甚至無效的數(shù)據(jù)參與評價，不僅無益于評價的客觀性，還會過度依賴數(shù)學(xué)工具，推高評價的“技術(shù)”難度。

1 技術(shù)分析

1.1 評價對象分析

(1)目標(biāo)層段概念。研究富水性規(guī)律的目的是評估采掘工程所處區(qū)域富水性相對強(qiáng)弱，結(jié)合其他地質(zhì)條件確定防治水技術(shù)路線——開采或作為水文地質(zhì)損失棄采、采取疏放措施或增加防排水系統(tǒng)能力措施等。采礦工程影響到的地層范圍稱為目標(biāo)層段，目標(biāo)層段的富水性評價才具有實(shí)踐意義。

(2)目標(biāo)層段確定方法。理論上，導(dǎo)水裂隙帶上部如果有一定厚度的隔水巖層存在，只要能抵抗上部靜水壓力，即可以阻止砂巖水入滲采場，因此目標(biāo)層段與導(dǎo)水裂隙帶空間上一致?？梢圆捎霉こ虒?shí)測、相似材料模擬實(shí)驗(yàn)[18]、數(shù)值模擬[19]等方法確定目標(biāo)層段。《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)范》提供的經(jīng)驗(yàn)公式應(yīng)用于不同礦區(qū)會有一定誤差，只要能靈活運(yùn)用仍是首選。為消除計算值偏小的負(fù)面性，可以經(jīng)驗(yàn)公式得到的導(dǎo)水裂隙帶為基礎(chǔ)，適當(dāng)增加一定的厚度，共同作為目標(biāo)層段[20](圖1)。此時目標(biāo)層段類似于防水煤(巖)柱，但與傳統(tǒng)意義有所不同。目標(biāo)層段不是等厚地層體，是一個底界面隨煤層頂板起伏的厚度不等的曲面體。

圖1 目標(biāo)層段示意Fig.1 Schematic diagram of target layer

1.2 評價參數(shù)分析

(1)砂巖厚度。砂巖原生孔隙裂隙較泥巖發(fā)育，在構(gòu)造應(yīng)力作用下更容易產(chǎn)生面狀網(wǎng)絡(luò)型裂隙，這些孔隙或裂隙共同構(gòu)成了儲水空間；泥巖在構(gòu)造應(yīng)力作用下以塑性變形為主，具有約束構(gòu)造裂隙延展功能，因此泥巖被視為隔水層[21]。通常統(tǒng)計的是一套地層內(nèi)砂巖總厚度，而地史學(xué)意義上的一套地層厚度可達(dá)數(shù)百米，顯然其中部分含水層不受采礦影響，不在目標(biāo)層段內(nèi)。如圖2所示：研究區(qū)煤層頂板延安組地層厚度238.5m，包括含水砂巖8層(Ⅰ—Ⅷ)、隔水性泥巖8層(Ⅰ—Ⅷ)。綜合機(jī)械化采煤法，一次采全高4.5 m，軟巖地層，采用經(jīng)驗(yàn)公式計算目標(biāo)層段68.0 m，則目標(biāo)層段包含4個隔水層、5個含水層，在第Ⅴ隔水層阻隔下，Ⅴ—Ⅷ層砂巖水無法進(jìn)入采場。把砂巖厚度作為評價指標(biāo)時，必須以目標(biāo)層段為限。只要有地層信息就可以計算砂巖厚度，數(shù)據(jù)來源廣泛。

圖2 含水層與隔水性Fig.2 Water-bearing stratum and water resisting layer

(2)砂地比。也有文獻(xiàn)以砂泥比表述，但含義差別很大。砂泥比，指一套地層內(nèi)砂巖與泥質(zhì)巖石厚度的比值[22]。該套地層如果均為泥質(zhì)巖石則砂泥比為0，均為砂巖石時比值為∞，取值區(qū)間過大，影響其與其他參數(shù)進(jìn)行合理的加權(quán)計算，砂泥比也稱為脆塑性比。砂地比即目標(biāo)層段內(nèi)的砂巖厚度與目標(biāo)層段厚度之比，取值區(qū)間為0～1。用式(1)表示：

(1)

式中，Bs為砂地比，無量綱；Dm為目標(biāo)層段厚度；dsh為目標(biāo)層段內(nèi)砂巖厚度；dni為目標(biāo)層段內(nèi)泥質(zhì)巖石厚度。

受采高、采煤方法等影響，同一煤層甚至同一采煤面的目標(biāo)層段厚度差別很大，單純以砂巖厚度來比較富水性是有缺陷的，厚度不等的2個目標(biāo)層段，盡管砂巖厚度相等。目標(biāo)層段大的相對于目標(biāo)層段小的富水性為弱，如果沒有目標(biāo)層段限制，問題會更加突出。目標(biāo)層段內(nèi)砂地比評價地層富水性更有優(yōu)勢，只要有地層信息就可以計算砂地比，數(shù)據(jù)來源廣泛。

(3)單位涌水量。單位涌水量(q)直接表征地層的富水性[23]，但在實(shí)踐中同一含水層抽水試驗(yàn)次數(shù)不會很多，數(shù)據(jù)量較小。此外，礦井經(jīng)歷普查、詳查、精查、補(bǔ)充勘探等多個勘查階段，施工單位多變，對含水層的認(rèn)識過程由淺入深，難免會出現(xiàn)對同一含水層抽水試驗(yàn)層段不相等，致使試驗(yàn)成果橫向可比性不足。如圖3所示，Z3為多含水層混合抽水，Z4不僅是多含水層混合抽水，且沒有將目標(biāo)層段內(nèi)所有含水層包括進(jìn)去；Z1抽水雖然為撮合抽水，煤層底板泥巖對試驗(yàn)結(jié)果基本沒有影響，但目標(biāo)層段內(nèi)上部砂巖未參與試驗(yàn)；Z2抽水試驗(yàn)層段與目標(biāo)層段一致。上述4個抽水試驗(yàn)成果不具有橫向可比性，應(yīng)以目標(biāo)層段為條件排除Z1、Z3、Z4數(shù)據(jù)，這樣可采用的單位涌水量數(shù)據(jù)進(jìn)一步減少，數(shù)據(jù)量較少。

圖3 目標(biāo)層段與抽水試驗(yàn)層段關(guān)系Fig.3 Target zone and pumping test zone

(4)滲透系數(shù)。滲透系數(shù)(K)也稱為水力傳導(dǎo)系數(shù)[24]，在各向同性介質(zhì)中，定義為單位水力梯度下的單位流量，表示流體通過孔隙骨架的難易程度，經(jīng)常作為含水層富水性評價的一個參量。滲透系數(shù)同樣來源于單孔抽水試驗(yàn)，利用裘布依公司推導(dǎo)計算而得，數(shù)據(jù)量較少。

(5)沖洗液消耗量。沖洗液消耗量間接反映巖體內(nèi)可儲水的張性裂隙發(fā)育程度[25]，常用來評價地層富水性。沖洗液消耗量刻畫巖體內(nèi)儲水空間條件情況，但張性裂隙未必實(shí)際充水，尤其是生產(chǎn)礦井，覆巖裂隙發(fā)育情況被人為改變，采動裂隙內(nèi)可能充水，也可能不充水；限于現(xiàn)場觀測條件，沖洗液消耗量數(shù)據(jù)精確性、可靠性不是很高。沖洗液消耗量按鉆探回次測量記錄，如何計算目標(biāo)層段內(nèi)沖洗液消耗量也是個難題?？傊瑪?shù)據(jù)準(zhǔn)確性和可靠性不高。

(6)巖石質(zhì)量指標(biāo)(RQD)。用直徑為75 mm的金剛石鉆頭和雙層巖芯管在巖石中鉆進(jìn)、取芯，回次鉆進(jìn)所取巖芯中，長度大于10 cm的巖芯段長度之和與該回次進(jìn)尺的比值稱為巖石質(zhì)量指標(biāo)(RQD值)，以百分比表示。RQD值越小，表明巖石完整程度越差，構(gòu)造裂隙相對更發(fā)育，間接反映巖層的儲水能力，與通過沖洗液消耗量間接反映巖層充水能力存在的問題類似。此外，隨著地球物理測井技術(shù)的進(jìn)步，為縮短勘探工期、節(jié)省勘探費(fèi)用，越來越多地采用無芯鉆進(jìn)施工法，RQD數(shù)據(jù)來源受到限制，且受鉆探方法和人為因素影響較大。

(7)裂隙率。裂隙率即巖石中裂隙的體積與包括裂隙在內(nèi)的巖石體積之比(體積裂隙率)，野外工作時，一般測定巖層的面裂隙率或線裂隙率。除了專項(xiàng)科研需要外，采集巖芯并觀測、統(tǒng)計裂隙率的做法不太常見，生產(chǎn)礦井一般不具備相關(guān)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)來源十分有限。

(8)構(gòu)造分維。分形理論作為研究不規(guī)則形體的自相似性及其復(fù)雜程度的理論，隨著分形幾何學(xué)等非線性理論的發(fā)展及其在地質(zhì)學(xué)中的廣泛應(yīng)用，為地質(zhì)構(gòu)造空間分布和幾何結(jié)構(gòu)特征的定量表征提供了新的手段[26]，也為構(gòu)造裂隙型水害研究提供了新的思路。構(gòu)造場通常包括斷層、褶曲、陷落柱、煤層隱伏露頭線等。三維地震勘探技術(shù)識別構(gòu)造精度日益提高，構(gòu)造分維的數(shù)據(jù)量來源廣泛且可靠性高。

上述8種地學(xué)參數(shù)中大部分?jǐn)?shù)據(jù)來源受限或可靠性不高，同一井田各類參數(shù)同時具備的案例極少，在目標(biāo)層段約束下有效數(shù)據(jù)量更少，使得采用常規(guī)的辦公手段解決權(quán)重分配和數(shù)據(jù)融合成為可能。

1.3 權(quán)重分配方法分析

地學(xué)參數(shù)多、各參數(shù)間層次結(jié)構(gòu)復(fù)雜、數(shù)據(jù)量很大的情況下，需要用高等數(shù)學(xué)手段分配各參數(shù)權(quán)重，以AHP(Analytic Hierarchy Process)層次分析法為例進(jìn)行分析。AHP分配權(quán)重流程[27]如下：

(1)建立層次結(jié)構(gòu)模型。將上述8種地學(xué)參數(shù)歸類于巖性場、水動力場、構(gòu)造場，建立層次結(jié)構(gòu)模型如圖4所示。A層為富水性評價的目標(biāo)層；B層為準(zhǔn)則或關(guān)聯(lián)層；C層為參與評價的各種地學(xué)參數(shù)。

圖4 層次結(jié)構(gòu)模型Fig.4 Hierarchical model

(2)構(gòu)造判斷矩陣、校核矩陣的合理性、矩陣計算、確定各參數(shù)權(quán)重值。

(3)數(shù)據(jù)歸一化處理消除量綱、統(tǒng)一量級。

(4)GIS系統(tǒng)平臺進(jìn)行數(shù)據(jù)疊加，得到富水性指數(shù)列表。

(5)基于GIS系統(tǒng)平臺繪制富水性指數(shù)等值線圖，以此表征富水性平面規(guī)律。

通過專家評分，對8種地學(xué)參數(shù)進(jìn)行兩兩比較，根據(jù)1～9標(biāo)度法初步確定相對重要性，從而建立矩陣，通過矩陣計算確定各參數(shù)權(quán)重。專家評分本身就是主觀性行為，矩陣計算以“專家評分”的主觀性行為基礎(chǔ)，既然實(shí)踐中同時具備的參數(shù)種類較少，“專家評分”直接賦給各參數(shù)權(quán)重值更為簡便。

GIS系統(tǒng)的學(xué)習(xí)和操作較為困難，基層工程技術(shù)人員較少能掌握。通過以上分析，實(shí)踐中數(shù)據(jù)量并不很大，采用Excel、Surfer這2種工具完全可以滿足數(shù)據(jù)疊加和繪制成果圖的需要，工程技術(shù)人員普遍能熟練掌握。

2 實(shí)例分析

2.1 地質(zhì)條件

某井田面積43.75 km2，開采侏羅紀(jì)延安組2煤，厚度1.5～9.2 m，平均厚6.1 m。地層自下而上有：①三疊系延長組(T3y)。煤系地層基底，厚度大于500 m，巖性以砂巖、粉砂巖為主，富水性極弱。②侏羅系延安組(J2y)。含煤地層，以砂巖、粉砂巖、泥巖為主，平均厚度353.5 m，砂巖含水層富水性不均。③侏羅系直羅組(J2z)。平均厚度243.2 m，以泥巖、粉砂巖、細(xì)粒砂巖為主，底部含礫粗粒砂巖發(fā)育，富水性中等。④白堊系志丹群(K1zd)。平均厚度251.6 m，上部以細(xì)—粗砂巖為主，下部為巨厚層礫巖，富水性中等。⑤古近系(E)。平均厚度103.1 m，礫巖為主，夾泥巖薄層。⑥第四系(Q)。風(fēng)積砂，平均厚度35.9 m。

井田地層綜合柱狀如圖5所示。

圖5 井田地層綜合柱狀Fig.5 Comprehensive histogram of strata in coal field

2煤上距直羅組7.8～46.3 m，平均21.3 m，導(dǎo)水裂隙局部波及直羅組下部地層。本區(qū)為典型的膨脹性軟巖，砂巖遇水崩解，容易突水潰砂，制約安全生產(chǎn)；泥巖吸水泥化，制約高效生產(chǎn)，需要研究煤層頂板富水性指導(dǎo)疏水鉆孔設(shè)計。

2.2 確定目標(biāo)層段

井田內(nèi)31個鉆孔揭露2煤層厚度1.5～9.2 m，平均厚6.1 m；綜采支架的最小采高2.8 m，最大采高6.0 m。按前文方法確定目標(biāo)層段37.48～57.92 m。目標(biāo)層段等厚線如圖6所示。

圖6 目標(biāo)層段厚度等值線Fig.6 Target layer thickness isoline

2.3 確定評價參數(shù)

全井田做過二維地震勘探、三維地震勘探，構(gòu)造控制程度較高；經(jīng)歷過4期，共有各類鉆孔47個。

(1)砂巖厚度。共31個鉆孔穿過目標(biāo)層段，12個孔取心鉆進(jìn)，31個孔有地球物理測井資料，可得31個砂巖厚度數(shù)據(jù)。

(2)砂地比。與砂巖厚度相對應(yīng)，共31個數(shù)據(jù)。

(3)單位涌水量(q)。8個孔做過抽水試驗(yàn)，其中2個孔為白堊系和直羅組混合抽水，1個孔為煤層頂?shù)装寤旌铣樗?，均不采用。其?個孔抽水試驗(yàn)層段與目標(biāo)層段基本一致，這5個數(shù)據(jù)可采用。

(4)滲透系數(shù)(K)。與單位涌水量相對應(yīng)，共有5個數(shù)據(jù)可采用。

(5)構(gòu)造分維。構(gòu)造查明程度較高，構(gòu)造分維可作為富水性評價主控因素之一。

其他如RQD值、裂隙率、沖洗液消耗量等，或者沒有數(shù)據(jù)，或者數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)可靠性低，不采用。抽水試驗(yàn)鉆孔見表1。

表1 抽水試驗(yàn)鉆孔Tab.1 List of pumping test holes

2.4 分項(xiàng)評價

(1)砂巖厚度。根據(jù)鉆孔信息，計算目標(biāo)層段內(nèi)砂巖層累加厚度，繪制砂巖等厚線如圖7所示。

圖7 砂巖等厚線Fig.7 Isopach map of sandstone

(2)砂地比。延安組和直羅組的水文地質(zhì)條件相似，忽略地史學(xué)意義上地層分界概念，將進(jìn)入目標(biāo)層段的地層視為同一套地層。根據(jù)砂地比計算公式得砂地比數(shù)據(jù)列表，繪制砂地比等值線如圖8所示。

圖8 砂地比等值線Fig.8 Contour line of sand-land ratio

(3)單位涌水量。單位涌水量共5個有效數(shù)據(jù)(表2)，繪制單位涌水量等值線如圖9所示。

圖9 單位涌水量等值線Fig.9 Contour map of unit discharge

表2 單位涌水量統(tǒng)計Tab.2 Statistics of water inflow per unit

(4)滲透系數(shù)。滲透系數(shù)共5個有效數(shù)據(jù)(表3)，繪制滲透系數(shù)等值線如圖10所示。

圖10 滲透系數(shù)等值線Fig.10 Contour line of permeability coefficient

表3 滲透系數(shù)統(tǒng)計Tab.3 Statistical table of permeability coefficient

(5)構(gòu)造分維。以200 m為邊長，將井田劃分為816個正方形塊段，以每個正方形中心點(diǎn)坐標(biāo)作為數(shù)據(jù)點(diǎn)坐標(biāo)。根據(jù)構(gòu)造綱要圖，主要構(gòu)造包括斷層、煤層隱伏露頭(風(fēng)化基巖)，褶曲軸幅小、無陷落柱等其他構(gòu)造。計算得到816個構(gòu)造分維值，繪制構(gòu)造分維專題圖如圖11所示。

圖11 構(gòu)造綱要及構(gòu)造分維值等值線Fig.11 Construction outline and construction fractal dimension value contour map

2.5 綜合評價

(1)確定權(quán)重。根據(jù)對該區(qū)有長期工作經(jīng)驗(yàn)的專家意見，分配各參數(shù)權(quán)重見表4。

表4 權(quán)重分配Tab.4 Weight distribution

(2)歸一化處理。對5種參數(shù)分別進(jìn)行歸一化處理，使區(qū)間值為0～1。歸一化公式如下：

(2)

式中，Ai為歸一化處理后的數(shù)據(jù)；a、b為歸一化區(qū)間的兩極值，a為下限取0，b為上限取1，則歸一化后數(shù)據(jù)的區(qū)間為0～1；xi為歸一化前的原始數(shù)據(jù)；minxi為地質(zhì)因素量化值的最小值；maxxi為地質(zhì)因素量化值的最大值。

(3)數(shù)據(jù)疊加。構(gòu)造分維816個數(shù)據(jù)，砂巖厚度和砂地比各31個數(shù)據(jù)，單位涌水量、滲透系數(shù)各5個數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)量不等、點(diǎn)坐標(biāo)不同，可按下列步驟進(jìn)行5種參數(shù)的融合。①將構(gòu)造分維816個數(shù)據(jù)點(diǎn)分別投影到砂巖厚度、砂地比、單位涌水量、滲透系數(shù)專題圖上。②在各專題圖上人工讀取對應(yīng)的數(shù)值，記入Excel表格總數(shù)據(jù)表內(nèi)。這樣數(shù)據(jù)量相等、點(diǎn)坐標(biāo)相同，便于數(shù)據(jù)疊加。③在電子表格內(nèi)設(shè)置公式，各參數(shù)乘以相應(yīng)的權(quán)重值后相加，得到富水性綜合指數(shù)。疊加公式：

(3)

式中，F(xiàn)zhi為富水性綜合指數(shù)；i為參數(shù)序號(1～816)；n為參數(shù)個數(shù)，本例為5；Wi為第i個參數(shù)的權(quán)重值；Ai為第i個參數(shù)的歸一化值。

(4)繪制成果圖。將富水性綜合指數(shù)列表導(dǎo)入Surfer繪圖軟件，克里金插值得到評價成果圖(圖12)。

2.6 評價效果分析

該礦為新建礦井，1221、1222是礦井最早開采的2個工作面。采取疏干措施，回采中頂板無淋水、采空區(qū)無涌水，放水量具有可比性。1121工作面共布置76個鉆場，總放水量296 538 m3；1122工作面共布置60個鉆場，總放水量78649m3。從工作面中部作一條剖面線，依據(jù)圖12繪制富水性指數(shù)曲線(圖13實(shí)線)；將兩巷內(nèi)對應(yīng)位置(鉆場)放水量相加，繪制放水量變化曲線(圖13虛線)。

圖12 2煤頂板富水性綜合指數(shù)等值線Fig.12 contour line of water-richness index of No.2 coal seam roof

圖13 富水性指數(shù)與放水量相關(guān)性曲線Fig.13 Correlation curve between water-rich index and discharge

從圖13可以看出，1221工作面2條曲線變化趨勢高度吻合；1222工作面2條曲線變化趨勢基本一致，總體上評價效果較好。

3 結(jié)論

(1)富水性評價的本質(zhì)是目標(biāo)層段的富水性評價，目標(biāo)層段與采礦工程實(shí)踐密切相關(guān)，只有同處于目標(biāo)層段內(nèi)的數(shù)據(jù)才具有較好的可比性。

(2)實(shí)踐中同時具備各種地質(zhì)參數(shù)的案例極少，層級結(jié)構(gòu)簡單，“專家評分”方法直接賦權(quán)重值；數(shù)據(jù)量小，可采用常規(guī)的辦公手段進(jìn)行數(shù)據(jù)融合。

(3)應(yīng)用實(shí)例表明，雖然可用的地學(xué)參數(shù)少、數(shù)據(jù)量小，目標(biāo)層段約束下的數(shù)據(jù)具有更好的橫向可比性，與定性評價的本質(zhì)統(tǒng)一，評價效果較好。