层次分析法在双阳煤矿煤层顶板含水层富水性预测中的应用.pdf

煤炭与化工 Co al and Chemical Industry 第43卷第5期 2020年5月 Vo l.43 No .5 May 2020 地测与水害防治 层次分析法在双阳煤矿煤层顶板含水层富水性预测中的应用 郝卫华，张冀 中国煤炭地质总局水文地质工程地质环境地质勘査院，河北邯郸056004 摘 要以双阳煤矿为例，利用MAPGIS的数据管理和空间分析功能，结合层次分析法，在 水文钻孔较少的情况下，将物探探测富水异常区作为补充来进行煤层顶板富水性的定量预测， 为评价含水层富水性提供了新的思路，为顶板水害防治提供可靠的依据。 关键词层次分析法；物探富水异常区；富水性分区 中图分类号TD74 文献标识码A 文章编号2095-5979 2020 05-0082-04 Application of analytic hierarchy process in water enrichment prediction of coal seam roof aquifer in Shuangyang Mine Hao Weihua, Zhang Ji Engineering Geol ogical and Environment Geol ogical Expl orat ion Inst it ut ef CNACG, Handan 056004, Ch ina Abstract The data manag ement and spatial analysis f unctio ns o f MAPGIS and the hierarchical analysis metho d in Shuanyang Mine w ere taken as an ex ample, the q uantitative predictio n o f the w ater richness o f the to p plate o f the co al seam w as carried o ut by using the physical detectio n o f w ater rich ano malies as a supplement to the less hydro lo g ical bo reho les, w hich pro vided a new idea f o r uating the w ater richness o f the aq uif er and a reliable basis f o r the preventio n and co ntro l o w ater damag e at ro o f . Key w o rds hierarchical analysis metho d; physical detectio n o f w aterrich ano malies; w aterrich zo ning 1概况2研究区情况 近年来我国煤矿水害事故频发，顶板水害的发 生也有上升的趋势。准确预测顶板含水层富水性可 为矿方制定水害防治措施提供依据。顶板含水层富 水性预测主控因素包括顶板充水含水层的厚度、构 造密度、单位涌水量等。但在钻孔较少地区仅考虑 上述3个因素，采用内插法忽略了顶板岩性变化而 导致的富水性分区准确性差，指导性不强等问题十 分常见。本文以双阳煤矿西五采区为例，利用地面 多手段水文地质补充勘探资料，将地面物探探测的 富水异常区结果作为主控因素之一，采用基于 MAPGIS的层次分析法AHP对4号煤层顶板白 垩系弱裂隙含水层进行了富水性分区。 双阳煤矿位于双鸭山市东部，目前主要开采 -450水平，采掘工作主要集中在西四采区和西五 采区，开采的煤层主要有4、5下、6、8、10、12 层等煤层，完全垮落式顶板管理。西五采区内构 造以断裂为主，发育有断层24条，三维地震解释 了 6条褶皱。矿井水文地质类型为极复杂型，西 部区主要含水层为第四系砂砾石孔隙含水层、白 垩系裂隙含水层和煤系基底裂隙含水层，其中白 垩系裂隙含水层以标高-80 m水平为界，划分为 强裂隙含水段和弱裂隙含水段，煤层上部白垩系 裂隙含水段是主要充水水源，是影响该矿安全生 产的主要因素。 责任编辑张彤 D0I ki.cci.2020.05.023 作者简介郝卫华1972-,女，河北深泽人，高级工程师。 引用格式郝卫华，张 冀层次分析法在双阳煤矿煤层顶板含水层富水性预测中的应用[J].煤炭与化工，2020 , 43 5 82-85. 82 郝卫华等层次分析法在双阳煤矿煤层顶板含水层富水性预测中的应用2020年第5期 3含水层富水性分区影响因素分析 影响煤层顶板充水含水层富水性的各因素之间 关系比较复杂，其富水性取决于含水层的岩性、厚 度及含水介质空间发育程度，含水裂隙空间的发育 程度又受地质构造的影响。本区主采4煤层顶板主 要含水层是由泥岩、砂质泥岩、粉砂岩及中粗砂岩 等组成，是一个含、隔水层相互叠置，岩性复杂， 厚度变化大，分布极不均一的裂隙砂岩含水岩体。 利用水文地质钻探及抽水试验资料的渗透系数、单 位涌水量对抽水影响半径范围内的岩体的富水情况 进行分区是可以的，但由于岩性的极不均一，在影 响半径以外的区域再用此方法来进行富水性评价则 缺少依据。将经钻探过程的钻井液漏失量及抽水试 验的单位涌水量校正的物探探测的富水异常区，作 为富水性分区的控制因素，利用多源信息拟合技 术，综合考虑顶板砂岩含水层的厚度、单位涌水 量、构造发育情况、物探异常区等因素，通过建立 模型综合评价顶板砂岩的富水性，在此基础上进 行煤层顶板砂岩的危险性分区及预测涌水量。 3.1含水层厚度 双阳矿顶板含水层白垩系砂岩裂隙含水层厚度 变化较大，在充分收集整理水文补充勘探及各勘探 阶段区内钻孔资料的基础上，采用Surf er软件内 插，绘制出4号煤层顶板以上的白垩系砂岩裂隙含 水层厚度专题图（图1 ）,用于控制砂岩裂隙含水 岩体的厚度变化情况。总体来看，含水层自北向南 逐渐变厚，变化范围63.5 609.37 m。 51535005150500 473500474500 475500 51525005151500 471500 472500 471500 472500 473500 474500 475500 图1含水层厚度等值线图 Fig . 1 Co nto ur map o f aq uif er thickness 图巨1;勘探区范围［匸；以往钻孔厚度 例區加文孔及厚度迂砂岩裂隙含水层厚度等值线 51525005151500 600 500 400 300 aef r 100 0 51535005150500 3.2单位涌水量 为了解决不同井径、不同降深对涌水量的影 响，使结果更合理，将实际抽水试验成果换算成统 一井径、统一降深的单位涌水量。采用煤矿防 治水细则中的换算公式 lg /91-lg r91 1 Qi Qjl R 10SV （ 2 ） 式中 K为渗透系数，m/d0 将不同孔径、降深的实际涌水量换算成统一孔 径为91mm,降深为10 m时的涌水量，换算后得 出各个钻孔的单位涌水量为g。 将勘探区内水文地质钻孔的抽水试验资料换算 成统一的结果后，利用Surf er插值功能生成单位涌 水量专题图（图2）,进行面上控制。从结果来 看，勘探区的白垩系砂岩裂隙含水层富水性自西南 向东北逐渐增强。 3.3构造密度 采用500 m x 500 m网格对研究区构造密度进 行统计，绘制构造密度专题图（图3）,将含水岩 体裂隙发育强度与构造发育情况联系起来。从图上 可看出，在构造发育的区域其富水性相对较强，构 造不发育的区域富水性相对较弱。 3.4物探富水异常区 本次水文地质补勘利用对低阻反映灵敏、分层 83 2020年第5期 煤炭与化工 第43卷 明显的瞬变电磁法对含水层富水性进行探测。在瞬 变电磁勘探的基础上，通过在水文地质勘探联井剖 面位置附近辅以直流电测深法进行探测，在为瞬变 电磁提供电性解释参数的同时充分利用钻探及抽水 试验资料，实现由点到面的富水性分区。将抽水的 定量化解释成果作为物探的定性解释的”门槛”值 进行约束解释。多种方法综合对比分析，将4煤顶 板裂隙砂岩含水岩体进行平面分区及纵向控制，提 高含水层富水性的解释精度。 经计算，4煤开采后形成的导水裂缝带发育高 度及影响范围约40 m,因此选用4煤顶板以上40 m处的富水异常区（图4）作为主控因子来进行 富水性分区。经综合解释，4煤顶板以上的40 m 和80 m呈现的富水异常区分布规律基本一致，其 结果也与本次施工的钻孔抽水试验资料吻合，本区 富水异常区自南向北富水性逐渐增强，勘探区的北 部和东北部富水性较强。 471500 472500 473500 474500 475500 51535005153500 51525005152500 51515005151500 51505_51505_ N 1 W 仏 1080 920 720 520 320 180 1080 920 720 520 320 180 90 50 1250 90 50 1250 471500 472500 473500 474500 475500 X 相对中等富水区 亡门相对一般富水区 -mSzKI L 次评价勘探図 互口水文孔 51535005153500 51525005152500 51515005151500 51505_51505_ 51535005153500 51525005152500 51515005151500 0.2 碍严 0.17 0.17 0.14 0.05 0.01 0.05 51535005153500 51525005152500 51515005151500 5150500 0.01 朗針钊水文孔 例［.3.U砂岩裂隙含水层单位涌水量等值线 5150500 51535005153500 51525005152500 51515005151500 51505_51505_ 471500 472500 473500 474500 475500 图2单位涌水量分区 Fig . 2 Partitio n o f unit w ater inf lo w 471500 472500 473500 474500 475500 471500 472500 473500 474500 475500 51535005153500 51525005152500 51515005151500 51505_51505_ 图3构造密度等值线图 Fig . 3 Co nto ur map o f structure destiny 471500 472500 473500 474500 475500 图4 4煤顶板以上40m处富水异常分区 Fig . 4 Water rich ano maly partitio n at 40 m abo ve the co al ro o f 4构建模型 4.1建立层次结构分析模型 本研究根据富水性预测评价及层次分析法的特 点，主要分为目标层（A层次）、准则层（B层次 ）和决策层（C层次）。目标层是4号煤层顶板裂 隙含水层富水性预测评价的结果，准则层是解决富 水性预测评价的中间环节，决策层主要是通过煤层 顶板含水层厚度、富水异常区、单位涌水量、构造 密度等具体影响因素来达到所要求解的目标，如图 5所示。 含水层富水A t 储水彎征B1 储水 B2 构造B3 富水异常区C1单位涌水量C2含水层厚度C3 构造密度C4 图5充水含水层富水性评价层次分析结构模型 Fig . 5 Hierarchical analysis structure mo del o f w ater-rich uatio n o w ater-f illed aq uif er 4.2主控因素权重值 结合本研究区勘探的数据及收集到的矿方采掘 资料，邀请煤矿防治水相关领域专家、学者结合本 区水文地质条件对主控因素的重要性进行分析评 价，并将主控因素进行量化赋值，通过构造判断矩 阵计算，根据累计得分情况，经一致性检验形成主 控因素的权重值，见表1。 4.3构建富水性预测模型 将某一位置上的各种信息对其产生的叠加影响 总和定义为富水性指数（C/）,代表含水层富水程 度的一种归一化度量。以地质条件分析、富水因素 以及各因素对突水的贡献机理为基础建立一个表明 84 郝卫华等层次分析法在双阳煤矿煤层顶板含水层富水性预测中的应用2020年第5期 各影响因素作用的数学模型，通过这个模型所得出 的计算值，能反映出某一地理位置含水层的富水 性 CI Xfk x , y 3 k 1 70.3697力x , y 0.2931 左x , 表1充水含水层富水性分析中各地学信息的权重 Table 1 Geo science inf o rmatio n w eig ht o f w ater-rich analysis in w ater-f illed aq uif er 富水性权重％ 单位涌水量 0.564 构造密度 0.118 含水层厚度 0.263 富水异常区 0.055 4.4煤层顶板充水含水层富水性预测及应用 式中C为富水性指数；Wz为地学信息权重；为 单信息影响值函数；x、y为地理坐标；“为多元信 息的个数。本研究拆x , y在煤层顶板充水含 水层富水性评价中表示第k k个地学信息量值归一化 后的值，因此式3模型可转化为 0.2341 x , y 0.1031 x , y 4 5结语 本文将物探定性探测的富水异常区作为顶板含 水层预测的主控因素之一，进行定量预测。在确定 指标权重时，受当前物探探测精度的影响，给其赋 值时相对较小，但预测的最终结果与定量化的抽水 试验及小范围的井巷工程揭露基本一致，准确性较 高。本研究成果为双阳煤矿西五采区4号煤层顶板 白垩系弱裂隙水水害防治提供了可靠的依据。 本研究区域共划分325个单元，将各单元富水 性指数值的大小进行标识，富水性指数值越大就表 明该区域富水性越好。通过分析计算，确定富水性 指数0.416 2做为富水性相对强区和富水性相对弱 区的分界值，据此划分出充水含水层富水不同程度 的区域，如图6所示。可以看出，双阳煤矿西五采 区富水性较强区域主要分布在东部，约占采区的一 半，其余部分全为相对较弱区。 471500 472500 473500 474500 475500 5153500 51525005151500 5151500 N X9 、、/ 勘探区在井田 的相对位置 / / - / A ❖ \ ■ S \ 1 弐-------. \ 3-| 、 \ 图 LZZH 例空J7 次评价勘探 UI富水性相对校翕区、.■ K文孔 匚二|富水性相对较弱区” 5153500 5152500 471500 472500 473500 474500 475500 图6白垩系弱裂隙含水段富水性分区 Fig . 6 Water-rich partitio n o f cretaceo us w eak crack 参考文献 [1] 吴铁卫，张 冀层次分析模型在“三图-双预测”法中的 应用一以鹤岗矿区新陆煤矿为例[J].中国煤炭地质， 2015, 279 37 - 42. 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