陳 勇,范鋼偉,殷 聰,張東升,韓學森
(1.兗礦能源集團股份有限公司,山東 鄒城 273500;2.中國礦業(yè)大學,江蘇 徐州 221116)
隨著華東地區(qū)煤炭資源開發(fā)向著深部延伸,煤巖體賦存環(huán)境呈現出“高地應力、高地溫、高滲透壓”的特點,伴隨的巷道變形加劇、采場失穩(wěn)、滲水乃至突水事故等問題嚴重威脅了礦井的安全生產[1]。以趙樓礦為代表的山東省巨野煤田7對礦井主采煤層均為大埋深煤層,同時各井田境界內三灰系和新近系含水層給水能力強、補給來源充沛,在“三高”條件下,大量地下水沿采動滲流路徑涌入巷道和工作面。趙樓煤礦頂板涌水呈弱-中堿性,因此巷道支護系統不僅要滿足力學性能的要求,還需在堿水-應力復合作用下保持支護效果的穩(wěn)定性,同時巷道圍巖在堿性環(huán)境中將發(fā)生不同程度的劣化,這將進一步增加支護難度[2]。因此開展巷道頂板富水性評價是堿性淋涌水巷道支護設計的必要條件。
傳統的富水性評價方法主要有物探法和抽水實驗法[3-5],近年來,隨著評價類模型在巖層富水性評價的應用,多因素綜合法更加適用于復雜的巷道頂板富水性主控因素,如武強院士提出的富水性指數法[6]和評價頂板突(涌)水條件的“三圖-雙預測法”[7]。另外,基于富水性指數法,有學者從統計分析、機器學習和灰度分析等方向也開展了富水性影響因素權重分析和評價:在未知測度理論方向,不同評價模型的理論、結論和主客觀性有較大的差異,巖層富水性評價領域常用的指標權重確定方法有層次分析法、熵權法和優(yōu)劣解距離法(TOPSIS法)[8-11]。其基本思路為構建富水性評價體系,形成目標層、指標層和方案層,利用運籌方法計算指標權重,最后依據富水性指數完成富水評價和分區(qū)。其中層次分析法依賴專家系統給出的判斷矩陣,具有較強的主觀性;熵權法注重數據間的深層聯系,有著絕對客觀性;優(yōu)劣解距離法在一定程度上避免了數據的主觀性,但是對研究對象有著較為嚴格的限制。隨著頂板富水性影響體系不斷拓展,在上述三種方法的基礎上,改進后評價理論和多方法綜合評價表現出更高的精度和適應性。宮厚健等基于改進模糊層次分析法(IFAHP),選取了5個因素作為影響含水層富水性的主控指標,優(yōu)化了傳統AHP計算權重時一致性檢驗繁瑣、主觀性較強的劣勢[12,13]。汪子濤等對熵權法和TOPSIS法權重計算結果進行耦合,并建立了4組平行評價模型進行交叉比對,得到了柴達木盆地地下水富水評價結論[14]。黃磊等綜合模糊層次分析法和熵權法,實現了主、客觀賦權法的互相耦合,既可以避免數據偶然性和誤差,又能夠削減人為意志對評價體系的干擾[15]。綜上所述,多因素綜合評價方法能夠實現復雜指標條件下巷道圍巖的富水性評價,同時主、客觀耦合賦權方法也是近年來諸多學者所關注的方向。為了克服單一評價方法存在的局限性,發(fā)揮主客觀賦權方法注重專家經驗同時遵循數據客觀規(guī)律的優(yōu)勢,本文基于改進AHP-熵權法對淋涌水巷道頂板富水性進行評價。
趙樓煤礦5305運輸巷道埋深780~790 m,直接頂巖性為中粒砂巖,底板為粉(細)砂巖與薄層泥巖夾層,巷道巖層柱狀圖如圖1所示。巷道主要充水含水層為3煤頂底板砂巖含水層(以下簡稱3砂含水層),巷道空間內頂板淋水現象明顯,淋水區(qū)段頂板涌水呈“帶狀”,水量大,嚴重干擾了正常生產。
圖1 5305運輸巷道地質柱狀圖
頂板窺視結果顯示:巷道成形后頂板縱向裂隙較為發(fā)育,淋水區(qū)裂隙最大發(fā)育深度為3.77 m,非淋水區(qū)裂隙最大發(fā)育深度為2.8 m。結合巷道頂板地質雷達探測結果,5305運輸巷道淋水區(qū)段頂板松動圈垂向范圍平均為4.285 m,頂板覆巖水巖作用明顯,破壞形式由塑性區(qū)向破碎體轉變,使得破碎區(qū)向深部轉變,裂隙圈的范圍加大,導致了巷道淋水量加大。
水樣水質檢測結果顯示:礦井水pH值在7.9~8.5之間,屬弱-中堿性水環(huán)境。堿性淋水環(huán)境將加快螺紋鋼錨桿的水化學腐蝕過程,進而降低了錨桿支護力學性能以及穩(wěn)定性[16],因此需要對巷道頂板富水性開展分區(qū)評價,進一步進行支護優(yōu)化設計以實現涌水量控制與頂板維穩(wěn)的目的。
影響巷道頂板富水性的因素極其復雜且具有很高的不確定性,要綜合礦井地質、水文和氣候等條件確定富水因素并建立合理的評價體系。結合現有的評價體系與趙樓礦5305運輸巷道獨特的堿性淋涌水環(huán)境,對頂板富水性影響因素進行分析。
1)頂板巖層因素:①頂板松動圈。頂板松動圈可以直接反映巷道圍巖的變形量,一般情況下松動圈范圍越大,越有利于頂板淋涌水宏觀通道的形成[17]。②頂板裂隙密度。頂板裂隙發(fā)育程度與巷道的涌水量密切相關,鉆孔窺視圖像經微單元法圖像表征后得到頂板以上10 m范圍內的裂隙發(fā)育密度,可以反映頂板含水層與巷道臨空面的連通程度。
2)環(huán)境因素:①溫度。環(huán)境溫度增大將導致巖體彈性模量和抗壓強度的降低以及峰后區(qū)的延性增長,使得滲流通道斷面增大,滲透率增大,致使巷道涌水量增大[18]。②濕度。在巷道濕度的變化條件下,頂板巖體的飽和程度處于動態(tài)變化,水-巖循環(huán)作用引起巖石內部次生孔隙率變化[19],將造成巖性劣化,加劇巷道頂板涌水程度。
3)地下水因素:①離子濃度。根據勒夏特列原理,OH的存在,使得巖石礦物質、膠結物逐漸溶解,巖石的滲流通道逐漸增大[20],造成了巷道頂板的涌水量逐漸加大。因此,選擇礦井水的pH值作為巷道頂板淋涌水評價指標。②淋水時間。淋水時間越長,水巖作用越持久,圍巖劣化效應越強,巷道頂板越易發(fā)生變形失穩(wěn),進一步加大巷道的涌水量。
綜上所述,頂板富水評價體系的目標層為趙樓礦5305運輸巷道頂板富水性,從頂板巖層因素、環(huán)境因素和地下水因素三個方面,將頂板含水層富水等級評價影響因素依次劃分為頂板松動圈、頂板裂隙發(fā)育程度、溫度、濕度、pH值、淋水時間6個具體指標,每個指標包含極弱、弱、中等和強四種狀態(tài),頂板富水評價體系如圖2所示。
圖2 頂板富水評價體系
傳統的AHP評價方法在構造判斷矩陣時,需要依靠專家對兩兩指標進行比較來獲得近似一致判斷矩陣,該方法不可避免的存在主觀差異性。
改進的層次分析法除了采用專家問卷進行0~1評價構造輔助判斷矩陣,還根據各評價指標的樣本標準差來反映各指標對頂板富水性的影響程度,并以此來構造判斷矩陣Bn×n,實現在考慮專家經驗的同時兼顧數據客觀規(guī)律,其i指標相對j指標的重要性程度bij計算公式為:
式中,s(i)和s(j)分別為i指標和j指標的樣本標準差;smax和smin分別為{s(i)|i=1~n}的最大值和最小值;am為相對重要程度參數值,am=min{9,int[Smax/Smin+0.5]}。
得到的判斷矩陣仍需進行一致性檢驗,其步驟為:
1)計算一致性指標CI:
式中,λmax為最大特征值;n為判斷矩陣的階數(即判斷指標的個數)。
2)依據指標數確定平均隨機一致性指標RI。對于6因素評價層次,查表得
3)計算一致性比例CR
得到一致的判斷矩陣后,就可以利用判斷矩陣最大特征值及其對應的特征向量,將特征向量進行歸一化后即可得到權重矩陣vj。
式中,vj為改進AHP計算的權重;vi為最大特征值對應的特征向量。
在具體的頂板富水性分區(qū)評價預測中,相對于某個指標,其在整個研究區(qū)內分布不均,其值在網格節(jié)點處分布差異較大,說明各節(jié)點的非均質性強弱存在較大差異,則該指標的熵值越小,相應的熵權就越大。具體步驟如下:
1)對原始數據進行歸一化處理。由于各項指標計量單位并不統一,因此在計算綜合權重前先要對它們進行歸一化處理,即把指標的絕對值轉化為相對值。對n個評價對象,m個評價指標構成的原始數據矩陣X=(xij)n×m進行標準化處理后可得標準化矩陣Y=(yij)n×m。其中,yij為第j個評價指標在第i個評價對象上的標準值,yij∈[0,1]。體系中6種因素均為正向指標,其標準化公式為:
2)計算第j項指標下第i個方案指標值的比重pij:
3)計算第j項指標熵值ej,并求信息熵冗余度gj:
4)計算各項指標權重:
采用最優(yōu)化問題綜合評價方法中的最小二乘權重合成法對改進AHP和熵權法進行耦合得到綜合權重,形成一種主客觀賦權法。
式中,yij為標準化后的指標數據;v,w分別為改進AHP和熵權法單獨計算的權重。
根據頂板富水評價體系,沿趙樓煤礦5305運輸巷道以10 m步距采集現場指標參數共50組,對累計500 m區(qū)段內的巷道開展富水性評價。
根據各取樣點指標數據,利用改進AHP、熵權法和兩者耦合的方法分別計算頂板富水性指標權重。
1)基于改進AHP的指標權重計算。利用式(1)和取樣點指標數據,計算得到判斷矩陣B6×6為:
經一致性檢驗式計算,B6×6最大特征值λmax=6.1136,CR=0.0183<0.1,一致性檢驗通過,可以利用對應的特征向量經均一化后計算指標層權重,結果見表1。
表1 基于改進AHP的指標層權重
2)基于熵權法的指標權重計算。對原始數據50×6矩陣進行歸一化處理后,計算指標熵值得到其權值,見表2。
表2 基于熵權法的指標層權重
3)改進AHP和熵權法指標權重耦合計算。結合表1,表2數據,利用最小二乘權重合成方法對改進AHP法與熵權法評價算法指標權重耦合見表3。
表3 基于改進AHP和熵權法耦合的指標層權重
4.2.1 富水性分區(qū)預測方法
富水性分區(qū)預測需要涉及到富水等級的劃分,依據《煤礦防治水細則》(以下簡稱《細則》)給出的劃分標準,對5305運輸巷道頂板鉆孔淋水數據分析發(fā)現,其最小單位涌水量為1.05 L/(s·m),屬富水頂板。僅依靠《細則》內的劃分等級只能將頂板富水程度劃分為兩類,即富水頂板和強富水頂板。為了針對性開展礦井防治水工作和頂板支護方案改進,需要在此區(qū)間內進一步擴充,將富水性進一步劃分為中等富水、富水、強富水和極強富水四類。
在進行富水性預測分區(qū)時,首先要計算富水性綜合指數,其方法是對50個取樣點所對應的6類指標統計值進行標準化處理,然后根據三類方法算得的權重進行線性加權求和的方法獲得取樣點的綜合評價指數,即富水性綜合指數wk:
式中,i為指標序號;n為指標個數;Pi為第i個指標的權重;Ai為第i個指標的標準值。
其次,為了得到富水性綜合指數最恰當的分類,利用自然斷點法將獲得的50個富水性綜合指數分為四類,分別對應中等富水、富水、強富水和極強富水四種分區(qū)。
4.2.2 富水性預測結果比較
基于改進AHP和熵權法以及二者耦合計算得到的指標權重,分別計算各取樣點富水性綜合指數并利用自然斷點法分類,數據見表4。根據采樣點空間坐標和富水性綜合指數分區(qū),將得到的各測點數據擬合曲線與巷道淋水量實測曲線對比如圖3所示。
表4 三種方法富水性綜合指數分級
圖3 三種方法富水性擬合曲線與實測數據趨勢對比
根據圖示結果,改進AHP法在中富水性和富水性巷道分區(qū)評價結果與現場淋水量實測數據有較大出入,所得結果更偏向于強富水性分區(qū);熵權法評價結果更為保守,大部分巷道區(qū)段被劃分為強富水性和富水性分區(qū)。兩種方法單獨應用得到的富水性指數評價結果與現場測得的淋水量數據在個別測點附近誤差較大,趨勢不吻合,而兩種方法的耦合結果從富水性分布和擬合曲線趨勢上吻合程度較高,改進AHP賦權方法異常評價點為8處,熵權法賦權異常評價點為7處,綜合評價方法異常評價點僅為3處,說明耦合得到的富水性評價結果更加適合于5305運輸巷道。
基于改進AHP-熵權法耦合的富水性評價結果,結合水-巖作用下圍巖力學特性和堿水環(huán)境錨桿索失效機理研究[21],對趙樓煤礦5305運輸巷道富水區(qū)域開展了支護優(yōu)化設計并進行了工程應用。
根據趙樓煤礦5305運輸巷道測點富水性分區(qū)的評價結果并結合現場支護體劣化狀態(tài),對中等富水分區(qū)保持現行支護方案,對富水、強富水和極強富水分區(qū)進行了幫頂支護補強優(yōu)化設計,分區(qū)支護設計參數見表5。
表5 基于頂板富水性評價的分區(qū)支護設計 mm
5.2.1 富水頂板支護優(yōu)化效果評價
根據富水性分區(qū)支護優(yōu)化設計對現場觀測巷道段進行了補強支護,待支護系統形成后重新對測點內的巷道淋水情況進行現場實測,可以看到支護優(yōu)化后的巷道段涌水量有明顯改善,強富水性分區(qū)和極強富水分區(qū)巷道區(qū)段涌水量下降幅度尤其明顯。巷道500 m段最大涌水量由40.02 m3/h下降到了29.43 m3/h,說明分區(qū)支護原則起到了良好的控制作用。
5.2.2 熱浸鋅錨桿(索)在現場中的應用
為了驗證熱浸鋅錨桿(索)在堿性淋涌水巷道條件下支護效能穩(wěn)定性,選取5305運輸巷道掘進段為試驗區(qū)段并實施了支護優(yōu)化,對20 m優(yōu)化區(qū)段開展了圍巖松動圈測試及單位涌水量實測,根據測試結果,支護優(yōu)化區(qū)段頂板松動圈在掘進面推進40 m處達到充分發(fā)育,松動圈最大發(fā)育界面穩(wěn)定在2.2 m左右,頂板淋水量伴隨裂隙發(fā)育在18 m3/h左右波動,相比對照區(qū)域2.4~3.8 m松動圈范圍以及40 m3/h最大單位涌水量下降趨勢明顯。對比前500 m巷道富水性評價結果及現場實測數據,開展支護優(yōu)化的20 m實驗區(qū)段頂板富水性評價結果呈中等富水及以下狀態(tài),結合同段巷道支護優(yōu)化前后對比,熱浸鋅錨索配合T型鋼帶優(yōu)化支護方式對強富水性頂板具有良好的治理作用。
基于改進AHP-熵權法對趙樓煤礦5305運輸巷道進行了富水性評價和分區(qū)。評價結果顯示:5305運輸巷道超過80%的頂板區(qū)域屬于富水區(qū),個別區(qū)域呈現極強富水性,需要單獨設計該處的支護方式和排水方案,加強支護效果監(jiān)測。
2)在趙樓煤礦5305運輸巷道的頂板富水性評價效果方面,基于改進AHP-熵權法的綜合評價方法評價異常點為3處,而單獨使用改進AHP賦權和熵權法賦權的評價異常點分別為8處和7處,因此本文提出的綜合評價方法要優(yōu)于單一評價方法,是一種綜合主客觀評判標準的綜合賦權方法。
3)5305運輸巷道掘進段的支護優(yōu)化結果表明:針對堿性淋水頂板開展的分區(qū)支護優(yōu)化將掘進巷道的頂板松動圈范圍從2.4~3.8 m控制在2.2 m左右,頂板淋水量從最大40 m3/h控制在18 m3/h左右,效果良好。同時現場觀測結果顯示熱浸鋅錨桿索配合T型鋼帶支護方式能夠有效抵抗水化學銹蝕進而延長支護時效,對強富水性頂板具有良好的治理效果。