＊傅先杰 姜子豪 高宇航

（1.中煤新集能源股份有限公司 安徽 232001 2.安徽省煤田地質局勘查研究院 安徽 230088）

引言

煤層頂板突水是煤礦重要的安全隱患，它是多種開采與地質因素控制下形成的一種非線性的、復雜動力災害現象。目前，地理信息系統(tǒng)（GIS）在煤礦頂板突水致災評價和研究方面已經得到廣泛的應用[1-6]，但以往針對煤層頂板突水危險性評價方法多為常權模型，其各評價指標權重值不隨量化值的變化而改變，且僅考慮了各指標在決策中的重要性，無法對各個指標狀態(tài)進行均衡調整[7-10]。近年來，一些學者[11-12]提出了將分區(qū)變權理論應用于煤層頂板突水評價中，這種理論模型不僅能綜合考慮多種指標之間的復雜關系，而且通過對主控因素設定相應的“懲罰”和“激勵”機制，能夠適當調整指標權重，是一種較為先進合理的突水評價方法。但以往的區(qū)間變權突水模型，在常權向量計算中多采用層次分析法，權重的確定仍存在一定主觀判斷性，并且對于極大和極小指標值過于凸顯，這在一定程度上會弱化其余較高和較低值的權重。因此，構建更為合理的煤層頂板突水危險性區(qū)間變權模型仍需要開展進一步的應用研究。

基于此，本文以淮南煤田板集礦5煤層為例，基于GIS平臺，建立多源因素耦合的煤層頂板突水危險性區(qū)間變權模型，并將該模型與常權模型進行比較，以確定本次評價的合理性，為煤礦頂板水害治理與突水預測提供依據。

1.地質背景

板集礦位于亳州市利辛縣境內，地處淮河沖積平原，面積約32km2，屬于華北典型的石炭—二疊紀煤礦。

板集礦二疊系下石盒子組5煤層是礦井最為穩(wěn)定可采煤層，其直接充水水源為頂板砂巖裂隙含水層。由于區(qū)內裂隙發(fā)育不均一，導致5煤頂板砂巖富水性差異較大，總體以靜態(tài)存儲量為主。該煤層儲量大，正處于大規(guī)模開采擴張階段，但在首采區(qū)主井運輸機道施工過程中發(fā)現，5煤層頂板砂巖存在多處出水現象，單孔最大涌水量8.65m3/h。

2.評價指標及專題圖建立

結合板集礦勘探開發(fā)資料，充分考慮構造、含水層、隔水層等方面的影響，選取導水裂隙帶高度、關鍵層厚度、含水層厚度、隔水層等效厚度、脆塑性巖厚度比、斷層線密度、斷層交叉點與尖滅點7個因素作為頂板突水的評價指標。本文借助ArcGIS空間插值功能，對5煤頂板各評價指標進行量化處理，可直接建立各指標的專題柵格圖（圖1）。

圖1 各評價指標專題圖

3.區(qū)間變權模型的構建

(1)常權向量的確定

信息熵權法作為一種客觀賦權的方法，可依據評價指標中包含信息量的大小確定評價指標的權重。

在運用熵權法確定各主控因素的權重值時，首先要計算第i項評價指標中第j個數據占該評價指標的比重：

式中，yij—各評價指標歸一化后數值；fij—第j個數據占第i項評價指標的比重；n—各評價指標中觀測數據的數量。

然后求取各評價指標的信息熵：

式中，Hi—第i項評價指標的信息熵。

最后求取評價指標的熵權：

利用熵權法求得各指標常權權重，如表1所示。

表1 各指標因素常權權重

(2)區(qū)間變權向量模型

煤層頂板突水的發(fā)生遵循由量變到質變的規(guī)律，且受多種地質因素控制，某一指標異常也不一定會導致突水的發(fā)生。因而，常權函數并不能完全體現各指標因素在煤層頂板突水中的均衡程度。本文采用變權函數對狀態(tài)變權向量進行改進，使各指標中“較大”或“較小”指標值的權重同時獲得加強，從而使主控因素權重在高、低異常值處變化更為均衡。

(3)變權模型區(qū)間參數的確定

在常權向量重新調整時，需要根據指標值的相似性和差異性對主控因素指標值進行分區(qū)處理，為達到此目的，本次利用GIS的isodata聚類功能對各個指標值進行迭代運算，通過20次迭代運算，將柵格圖中所有像元分為4類，并對分區(qū)數據提取與歸一化處理，可得到研究區(qū)5煤層頂板突水各主控因素變權區(qū)間及其臨界閾值（表2）。

表2 主控因素變權區(qū)間

(4)建立變權權重模型

基于變權原理，根據上述確定的各指標變權區(qū)間臨界閾值和調權參數，可建立研究區(qū)5煤層頂板突水各指標因素的變權模型：

式中，wi—第i項評價指標的變權向量；—為第i項主控因素的常權權重；Si—第i項主控因素的狀態(tài)變權向量。

4.頂板突水危險性評價結果與驗證

采用脆弱性指數法，將分區(qū)變權模型確定變權權重與各評價因素相結合，建立研究區(qū)頂板突水脆弱性評價模型：

式中，IV—脆弱性指數；wi—第i項各主控因素的變權權重向量；fi(x,y)—第i項主控因素歸一化后數據；x,y—地理坐標。

在GIS中使用柵格計算器將變權權重柵格圖與主控因素歸一化專題圖相乘后疊加，可計算出5煤層頂板突水脆弱性指數圖2（a）。由圖2（a）可以看出，F12斷裂西側周圍斷裂分布密集，同時含水層厚度、導水裂隙帶高度均較大，脆塑巖比較低、隔水層厚度偏薄，是頂板突水高發(fā)區(qū)域。此外，在一些大型斷裂如BF104、BF151、BDF08等斷裂旁側也是突水易發(fā)區(qū)。過渡區(qū)分布在脆弱區(qū)和較脆弱區(qū)周圍，其內斷裂密度降低，含水層厚度變薄，脆塑巖比有增大趨勢。礦井其他區(qū)域為安全區(qū)和較安全區(qū)，其內構造最為簡單，斷裂稀少且規(guī)模較小、含水層較薄、隔水層普遍較大，發(fā)生突水事故可能性較低。

圖2 不同模型評價結果對比圖

為了驗證本次構建的頂板突水區(qū)間變權的合理性，將其與常權模型如圖2（b）所示，進行對比可以發(fā)現，區(qū)間變權模型縮小了突水安全區(qū)，明顯擴大了較脆弱區(qū)與脆弱區(qū)的范圍。同時區(qū)間變權中過渡區(qū)范圍較常權模型明顯減少，取而代之的是較脆弱區(qū)與脆弱區(qū)范圍的增加，從局部地區(qū)來看，區(qū)間變權模型中A區(qū)、B區(qū)基本都為脆弱區(qū)或較脆弱區(qū)，而在常權模型中則為安全區(qū)或較安全區(qū)。造成兩者差別的主要原因是，該地區(qū)關鍵層厚度比其他地區(qū)明顯偏?。▋H有3m左右），但導水裂隙帶高度明顯偏高（均大于60m）。因此，這兩個突變指標因素權重在區(qū)間變權模型中得到明顯加強，這更符合實際地質情況。

5.結論

（1）基于變權思想，結合GIS平臺，建立了5煤層頂板突水區(qū)間變權模型。該模型通過設定“懲罰”與“激勵”機制，可對不同區(qū)間指標值權重均衡調整，使得各指標對煤層頂板突水危險性的影響程度更為合理。

（2）結合礦井實際地質資料，選取導水裂隙帶高度、關鍵層厚度、含水層厚度、隔水層厚度、脆塑性巖厚度比、斷層分維、斷層交叉點與尖滅點密度7個因素作為煤層頂板突水危險性的評價指標，采用熵權法求取各評價指標常權權重，并結合變權模型對常權權重進行區(qū)間調整，最終評價了5煤層頂板突水危險性程度。

（3）通過與傳統(tǒng)常權模型構建的突水模型對比可知，本次構建的區(qū)間變權突水模型更能凸顯異常指標對突水的發(fā)生的作用，同時也說明本模型評價效果更好。