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        基于組合賦權(quán)的加權(quán)秩和比法的底板突水危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)

        2022-07-01 14:19:52尹尚先張潤(rùn)畦蔣知廷
        煤田地質(zhì)與勘探 2022年6期
        關(guān)鍵詞:隔水層等值線突水

        姚 輝,尹尚先,徐 維,張潤(rùn)畦,蔣知廷

        (1.華北科技學(xué)院 河北省礦井災(zāi)害防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 101601;2.北京市順建工程有限公司,北京 101300)

        近年來,煤炭開采工作逐漸向深部轉(zhuǎn)移,“帶壓開采”理論體系的研究工作逐漸成為防治水工作者的主課題之一[1]。煤層底板突水事故的頻發(fā),造成眾多底板突水危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)方法涌現(xiàn)。武強(qiáng)等[2-4]應(yīng)用GIS 信息技術(shù)建立基于AHP 的脆弱性評(píng)價(jià)模型。尹尚先等[5]用井下鉆孔水壓裂試驗(yàn)得到的數(shù)據(jù),進(jìn)行數(shù)值模擬評(píng)估帶壓開采突水危險(xiǎn)性。李忠建等[6]綜合考慮煤層采深、隔水層厚度和奧陶系灰?guī)r(簡(jiǎn)稱奧灰)水壓等指標(biāo),結(jié)合模糊聚類法及綜合評(píng)價(jià)法對(duì)山東南屯下組煤十一采區(qū)進(jìn)行突水危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)。趙東云等[7]利用Mapobjects 和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(ANN)的方法,考慮空間和非線性指標(biāo),對(duì)邢臺(tái)章村礦進(jìn)行突水危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)。徐維[8]運(yùn)用灰色系統(tǒng)理論的方法,研究了綜放開采的特厚煤層的突水危險(xiǎn)性。施龍青等[9]運(yùn)用有序二元比較量化及模糊決策矩陣排序得到各評(píng)價(jià)指標(biāo)組合權(quán)重,并運(yùn)用單指標(biāo)未知測(cè)度集建立評(píng)價(jià)模型。以上學(xué)者所建模型都有革新,且起到了良好的評(píng)價(jià)效果??梢哉f,評(píng)價(jià)方法演化至今日,每一種方法的提出、每一個(gè)模型的構(gòu)建對(duì)于“帶壓開采”理論體系的建設(shè)和完善有著推動(dòng)意義。

        筆者結(jié)合具有典型特征的河北省華北煤田東歡坨礦的底板奧灰突水實(shí)例,考慮多因素的影響,建立包含含水層、隔水層性能,地質(zhì)條件、煤層條件的評(píng)價(jià)因素集,用AHP(層次分析法)主觀權(quán)重法、CRITIC 客觀權(quán)重法分別確定各評(píng)價(jià)因素的主客觀權(quán)重,并將2 者耦合,保證權(quán)重確立的有效性,選取加權(quán)秩和比法(WRSR 法),建立底板突水危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)模型,與工程實(shí)際突水點(diǎn)進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證其準(zhǔn)確性,以期為豐富底板突水危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)方法集提供新方法,為礦井水害防治提供新思路。

        1 礦井概況

        東歡坨礦位于河北省唐山市,地勢(shì)東北高西南低,礦區(qū)為溫帶大陸性氣候。井田內(nèi)無地表水發(fā)育,斷層及褶曲發(fā)育。地下水的主要補(bǔ)給水源為地表水及大氣降水,直接充水水源為石炭-二疊系砂巖裂隙承壓含水層,間接充水水源為奧陶系灰?guī)r巖溶裂隙承壓含水層。研究對(duì)象8 煤層為全區(qū)穩(wěn)定-較穩(wěn)定煤層,煤層平均厚度3.53 m,可采性指數(shù)為0.97。8 煤層及其頂?shù)装寰C合柱狀圖如圖1 所示。

        圖1 8 煤層及其頂?shù)装寰C合柱狀圖Fig.1 Comprehensive histogram of No.8 coal seam and its roof and floor

        2 加權(quán)秩和比法原理

        統(tǒng)計(jì)學(xué)家田鳳調(diào)針對(duì)醫(yī)療衛(wèi)生領(lǐng)域的指標(biāo)統(tǒng)計(jì)及綜合評(píng)測(cè)提出了加權(quán)秩和比法[10]。加權(quán)秩和比法是對(duì)n個(gè)評(píng)價(jià)對(duì)象進(jìn)行評(píng)價(jià)分級(jí)得到m個(gè)評(píng)價(jià)等級(jí)之后,構(gòu)建出m×n的評(píng)價(jià)矩陣,秩轉(zhuǎn)換后得到RSR 值,利用權(quán)重確定方法得到各評(píng)價(jià)對(duì)象的權(quán)重值,結(jié)合RSR 值和權(quán)重值得到WRSR 值,將最終得到的WRSR 值進(jìn)行優(yōu)劣排序、分檔處理,從而獲得最終評(píng)價(jià)結(jié)果[11]。WRSR 值與該指標(biāo)發(fā)揮水平成正比。

        在構(gòu)建的m×n矩陣中,RSR 值的計(jì)算公式為:

        式中:i=1,2,···,n;j=1,2,···,m;Rij為矩陣第i行第j列元素的秩。

        當(dāng)考慮評(píng)價(jià)對(duì)象權(quán)重時(shí),WRSR 值的計(jì)算公式變?yōu)椋?/p>

        式中:Wj為第j個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重值,應(yīng)滿足

        詳細(xì)步驟[12]介紹如下:(1) 根據(jù)評(píng)價(jià)需求建立評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。選取合適的評(píng)價(jià)指標(biāo),并將其歸入到類屬性中,從而建立起合適的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。(2) 確定各指標(biāo)權(quán)重。運(yùn)用主客觀賦權(quán)法得到各評(píng)價(jià)對(duì)象的綜合權(quán)重。(3) 對(duì)數(shù)據(jù)所形成的表格進(jìn)行編秩。根據(jù)數(shù)據(jù)列所形成的表格,對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行合理編秩。(4) 計(jì)算各指標(biāo)的加權(quán)秩和比值。按照編排好的秩值,結(jié)合公式,得出各數(shù)據(jù)組的WRSR 值。(5) 確定Probit 值。計(jì)算秩次累計(jì)頻率,并將其轉(zhuǎn)換為Probit 值。(6) 生成回歸方程。以Probit 值為自變量,WRSR 值為因變量,生成回歸方程:WRSR=a+b×Probit。(7) 分檔排序。依據(jù)回歸方程所計(jì)算得出的WRSR 值對(duì)評(píng)價(jià)對(duì)象進(jìn)行排序分檔并驗(yàn)證其有效性。

        3 評(píng)價(jià)模型的建立與應(yīng)用

        3.1 評(píng)價(jià)指標(biāo)體系建立

        根據(jù)東歡坨礦研究區(qū)域的地質(zhì)特點(diǎn),結(jié)合華北煤田的地質(zhì)大背景,針對(duì)性地提出東歡坨礦8 煤層的底板突水危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系,包含含水層性能、隔水層性能基本評(píng)價(jià)指標(biāo)集合及地質(zhì)條件、煤層條件關(guān)鍵評(píng)價(jià)指標(biāo)集合[13-14]。東歡坨礦8 煤層評(píng)價(jià)指標(biāo)體系如圖2 所示。

        圖2 底板突水危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系Fig.2 Risk assessment index system of floor water inrush

        (1) 含水層的滲透性能通過滲透系數(shù)的大小來反映。滲透性越強(qiáng),含水層間動(dòng)態(tài)交換越頻繁,突水危險(xiǎn)性越高,為低優(yōu)性指標(biāo),滲透系數(shù)等值線如圖3a 所示。

        (2) 含水層水壓為底板突水的動(dòng)力來源[15]。因此,水壓越大,突水危險(xiǎn)性越高,為低優(yōu)型指標(biāo),含水層水壓等值線如圖3b 所示。

        (3) 含水層富水性通過井田內(nèi)鉆孔抽水試驗(yàn)所得單位涌水量的大小來反映,為低優(yōu)型指標(biāo),單位涌水量等值線如圖3c 所示。

        (4) 采用斷層規(guī)模指數(shù)為指標(biāo)對(duì)井田斷層規(guī)模進(jìn)行評(píng)價(jià)。斷層規(guī)模指數(shù)為單位面積內(nèi)所有斷層走向長(zhǎng)度與落差乘積之和[16],為低優(yōu)型指標(biāo),斷層規(guī)模指數(shù)等值線如圖3d 所示。

        (5) 用分形維數(shù)來量化評(píng)價(jià)井田構(gòu)造復(fù)雜程度[17]。具體方法為運(yùn)用AutoCAD 軟件對(duì)8 煤層采掘工程平面圖進(jìn)行網(wǎng)格劃分,以經(jīng)緯網(wǎng)作為網(wǎng)格邊界,將網(wǎng)格劃分為100 m×100 m 的網(wǎng)格,以網(wǎng)格中心點(diǎn)的分形維數(shù)來代表網(wǎng)格的中心維數(shù)[18]。分形維數(shù)越大,構(gòu)造越發(fā)育,突水危險(xiǎn)性越高,為低優(yōu)型指標(biāo),構(gòu)造分形維數(shù)等值線如圖3e 所示。

        (6) 在同等條件下,脆性砂巖比塑性砂巖力學(xué)強(qiáng)度高,因此,脆塑性巖厚度比越大,隔水層防突性能就越好[19],為高優(yōu)型指標(biāo)。脆塑性巖厚度比等值線如圖3f所示。

        (7) 依據(jù)《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)程》,計(jì)算出底板破壞深度值:

        式中:h1為煤層底板破壞深度,m;H為煤層開采深度,m;α為煤層傾角,(°);L為工作面斜長(zhǎng),m。

        底板破壞深度為低優(yōu)型指標(biāo),等值線如圖3g所示。

        (8) 隔水層厚度為高優(yōu)型指標(biāo),等值線如圖3h所示。

        圖3 評(píng)價(jià)指標(biāo)專題Fig.3 Thematic map of evaluation indicator

        (9) 隨著采高增大,底板垂直應(yīng)力減小,圍巖豎直位移增大,位移等值線梯度減小,底板破壞深度增大,因此判定煤層厚度為低優(yōu)型指標(biāo)[20],煤層厚度等值線如圖3i 所示。

        (10) 煤層埋深越大,煤巖層原始應(yīng)力越大,使得在工作面回采過程中底板隔水層破壞更加劇烈,為低優(yōu)型指標(biāo)。煤層埋深等值線如圖3j 所示。

        3.2 各指標(biāo)權(quán)重確定

        為了兼顧主觀賦權(quán)法中專家經(jīng)驗(yàn)知識(shí)與客觀賦權(quán)法中指標(biāo)間內(nèi)在信息聯(lián)系,選用主客觀綜合賦權(quán)法來確定各指標(biāo)權(quán)重[21]。

        運(yùn)用AHP 法確定各指標(biāo)主觀權(quán)重,運(yùn)用CRITIC 法確定各指標(biāo)客觀權(quán)重,并計(jì)算得出各指標(biāo)綜合權(quán)重值Wj:

        式中:waj為第j個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)主觀權(quán)重值;wbj為第j個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)客觀權(quán)重值。

        評(píng)價(jià)指標(biāo)主觀權(quán)重、客觀權(quán)重及綜合權(quán)重見表1。

        表1 各指標(biāo)權(quán)重值Table 1 Weight of each indicator

        3.3 模型建立與對(duì)比

        根據(jù)各指標(biāo)對(duì)突水危險(xiǎn)性的作用效果將指標(biāo)分為高優(yōu)型指標(biāo)和低優(yōu)型指標(biāo),并對(duì)數(shù)據(jù)依據(jù)其數(shù)據(jù)屬性及大小編秩;計(jì)算出各數(shù)據(jù)組的WRSR 值;將數(shù)據(jù)組的WRSR 值由小到大排列,得出數(shù)據(jù)組累計(jì)頻率即百分?jǐn)?shù)并查閱《百分?jǐn)?shù)與概率單位對(duì)照表》[10],得出對(duì)應(yīng)的Probit 值,結(jié)果見表2。

        表2 各數(shù)據(jù)組評(píng)價(jià)結(jié)果Table 2 Evaluation results of each data group

        以WRSR 值為因變量,以Probit 值為自變量,將順序編排好后建立回歸方程:

        所得R2為0.883,證明線性方程合理有效。

        將百分?jǐn)?shù)對(duì)應(yīng)常用分檔數(shù),使用德爾菲法將10 個(gè)數(shù)據(jù)組劃分為4 個(gè)等級(jí)區(qū)間,見表3。

        表3 數(shù)據(jù)組危險(xiǎn)性等級(jí)劃分Table 3 Hazard grade classification of data groups

        利用評(píng)價(jià)結(jié)果做出評(píng)價(jià)分區(qū)圖,并與傳統(tǒng)評(píng)價(jià)方法突水系數(shù)等值線圖相疊加,做出突水危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)分區(qū)如圖4 所示。

        圖4 底板突水危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)分區(qū)Fig.4 Floor water inrush risk assessment zoning map

        從所繪制出的評(píng)價(jià)分區(qū)圖可以看出,安全與較安全區(qū)域占據(jù)井田絕大部分面積,較危險(xiǎn)及危險(xiǎn)區(qū)域主要集中在井田右上角。2010 年8 月和10 月,受8 煤層底板裂隙水影響,分別在2286 工作面運(yùn)道及風(fēng)道掘進(jìn)過程中,發(fā)生底板出水事件。兩次突水位置都位于新方法劃定的較危險(xiǎn)評(píng)價(jià)分區(qū),而突水系數(shù)介于0.032~0.036 MPa/m,表明新方法具有更高的準(zhǔn)確性。

        且就判別條件來說,新方法不僅考慮到隔水層厚度及含水層水壓兩個(gè)關(guān)鍵因素,更將地質(zhì)條件及煤層條件等基礎(chǔ)因素納入進(jìn)來,應(yīng)用到的信息更加豐富。并用4 個(gè)危險(xiǎn)性判別區(qū)間代替臨界值,模糊了臨界值的絕對(duì)控制作用,比較而言,基于組合賦權(quán)的加權(quán)秩和比法具有更高的準(zhǔn)確性,評(píng)價(jià)結(jié)果更加科學(xué)合理,進(jìn)一步驗(yàn)證了該模型的有效性。

        4 結(jié) 論

        a.綜合考慮含水層性能、隔水層性能、地質(zhì)條件、煤層條件在內(nèi)的評(píng)價(jià)因素集,考慮10 項(xiàng)評(píng)價(jià)因素,用層次分析法確定各評(píng)價(jià)因素主觀權(quán)重,用CRITIC 法確定各評(píng)價(jià)因素客觀權(quán)重,將兩者耦合得到綜合權(quán)重,兼顧了指標(biāo)的內(nèi)在信息和行業(yè)專家的經(jīng)驗(yàn)知識(shí),保證了評(píng)價(jià)模型中對(duì)指標(biāo)相對(duì)重要性的有效評(píng)估。

        b.將其他領(lǐng)域的評(píng)價(jià)方法加權(quán)秩和比法引入進(jìn)來,建立底板突水危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)模型,并利用地理信息系統(tǒng)的空間管理及分析功能,實(shí)現(xiàn)信息可視化表達(dá)。與工程中實(shí)際出水點(diǎn)相對(duì)比,發(fā)現(xiàn)突水點(diǎn)都處于評(píng)價(jià)較危險(xiǎn)區(qū)域,并與傳統(tǒng)評(píng)價(jià)方法突水系數(shù)法相對(duì)比,發(fā)現(xiàn)新方法的準(zhǔn)確性更高,證明評(píng)價(jià)模型的有效性,對(duì)底板危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)方法的研究具有指導(dǎo)性。

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