李東東　李明　劉己盛　朱建文

摘要：含水層的富水性受控因素多、控制機(jī)理復(fù)雜，單一因素很難準(zhǔn)確的描述含水層的富水性。因此，本文選取了5個(gè)影響風(fēng)化基巖富水性的主控因素，采用信息融合的方法對(duì)陜北某井田北二盤區(qū)風(fēng)化基巖富水性進(jìn)行了評(píng)價(jià)和分區(qū)。為未來該盤區(qū)制定合理的水害防治措施和安全高效的開采提供了保障。

關(guān)鍵詞：含水層;富水性評(píng)價(jià);控制因素;綜合評(píng)價(jià)

1 引言

煤礦水害的嚴(yán)重程度是由煤礦開采過程中揭露或觸及的含水層富水性所決定的^[1]。因此，含水層富水性的準(zhǔn)確評(píng)價(jià)對(duì)煤礦的安全生產(chǎn)是非常重要的。根據(jù)抽水試驗(yàn)資料，本文所研究的陜北某井田雖分布有多層含水層，但大多含水微弱，影響其生產(chǎn)的主要是侏羅紀(jì)中統(tǒng)延安組及直羅組的風(fēng)化基巖含水層。因此，本文僅對(duì)該井田北二盤區(qū)的風(fēng)化基巖含水層進(jìn)行了評(píng)價(jià)及分區(qū)。由于含水層富水性受控因素多、控制機(jī)理復(fù)雜，因此本文選擇了多個(gè)影響風(fēng)化基巖富水性的主控因素，利用信息融合的方法對(duì)富水性進(jìn)行了評(píng)價(jià)。對(duì)該井田北二盤區(qū)風(fēng)化基巖富水性的準(zhǔn)確評(píng)價(jià)，有助于制定合理的水害防治措施和布置防治水設(shè)備，為未來該盤區(qū)安全高效的開采提供了保障。

2 主控因素的確定

富水性綜合評(píng)價(jià)首先需要建立指標(biāo)體系，本文根據(jù)鉆探數(shù)據(jù)及專家意見，選擇了以下5種影響風(fēng)化基巖富水性的主控因素，以下分別作簡要描述。

2.1風(fēng)化基巖厚度

地下水體儲(chǔ)存在巖體的空隙當(dāng)中，因此風(fēng)化基巖越厚，其儲(chǔ)水能力越強(qiáng)，則同等條件下，富水性越強(qiáng)。所以，對(duì)于風(fēng)化基巖的富水性而言，厚度是非常重要的一個(gè)影響因素。

2.2巖性組合指數(shù)

在受到構(gòu)造應(yīng)力作用后，不同巖性及結(jié)構(gòu)的巖石會(huì)表現(xiàn)出不同的反應(yīng)^[2]。其中，脆性越大的巖石，越容易產(chǎn)生裂隙而增大儲(chǔ)水空間，而導(dǎo)致富水性增強(qiáng)。一般情況下，巖石的脆性隨著粒度的增大而增強(qiáng)。因此，為了比較客觀的描述巖石的脆性，本文構(gòu)建了巖性組合指數(shù)這個(gè)量化指標(biāo)z（式2.1）。該指標(biāo)針對(duì)不同巖性及粒度的巖石賦以不同的結(jié)構(gòu)系數(shù)（表2.1），粒度越大的巖石，所賦的系數(shù)也越大，z值也越大^[3]。通過式2.1計(jì)算得到的z值越大，說明含水層脆性越大，則富水性越強(qiáng)，反之，富水性越弱。

式中：h_i—依次代表粗砂巖、中砂巖、細(xì)砂巖、粉砂巖、沙質(zhì)泥巖和泥巖的厚度

s_i—對(duì)應(yīng)的系數(shù)

表2.1 ?巖石結(jié)構(gòu)系數(shù)表

2.3 巖心采取率

巖心采取率反應(yīng)了巖石的破碎程度。巖心采取率越低，說明巖體裂隙發(fā)育越好，因此富水性越強(qiáng)，反之，裂隙發(fā)育越差，富水性越弱。本次通過加權(quán)平均的方法計(jì)算各鉆孔的巖心采取率。

2.4 單位涌水量

單位涌水量為抽水試驗(yàn)過程中鉆孔內(nèi)水位下降1m的涌水量，其數(shù)值越大，說明含水層富水性越強(qiáng)，反之富水性越弱。

2.5 滲透系數(shù)

滲透系數(shù)是一個(gè)表示巖土的滲透性強(qiáng)弱的指標(biāo)，滲透系數(shù)越大，則巖層透水能力越強(qiáng)，富水性越強(qiáng)，反之，富水性弱。

3 G1-變異系數(shù)法的基本原理

目前，指標(biāo)賦權(quán)的方法分為主觀賦權(quán)法、客觀賦權(quán)法及組合集成賦權(quán)。本文使用的G1-變異系數(shù)法為組合集成賦權(quán)法中的一種，該種賦權(quán)法綜合了G1法主觀性及變異系數(shù)法客觀性的優(yōu)點(diǎn)。以下簡單介紹下該種賦權(quán)法的基本原理。

3.1 G1法確定權(quán)重

利用G1法^[4]計(jì)算指標(biāo)權(quán)重的過程如下：

（1）設(shè)需賦權(quán)重值的指標(biāo)依次為{x₁，x₂，…，x_m}，專家依各指標(biāo)的重要程度從大到小重新排序后記為x* 1，x* 2，…，x* m。

（2）然后專家對(duì)指標(biāo)x?* k-1?與x* k?的重要程度的比值r_k賦值（式3.1），r_k取值原則見表3.1。

（3.1）

式中w* k為依重要程度排序后第k項(xiàng)指標(biāo)的權(quán)重。

表3.1 ?r_k取值及說明

r_k

說明

1.0

指標(biāo) x_k-1與指標(biāo)x_k具有同樣重要性

1.2

指標(biāo) x_k-1比指標(biāo)x_k稍微重要

1.4

指標(biāo)x_k-1比指標(biāo)x_k明顯重要

1.6

指標(biāo) x_k-1比指標(biāo)x_k強(qiáng)烈重要

1.8

指標(biāo) x_k-1比指標(biāo)x_k極端重要

（3）利用式3.2計(jì)算出指標(biāo)x* m?的權(quán)重值w* m。

（3.2）

（4）利用式3.3依次計(jì)算出指標(biāo)x* m-1，x* m-2，，…，x* 1的權(quán)重值w* m-1，w* m-2，…，w* 1。

（3.3）

3.2 變異系數(shù)法確定權(quán)重

利用變異系數(shù)法^[5]計(jì)算指標(biāo)權(quán)重的過程如下：

（1）分別計(jì)算出各指標(biāo)的變異系數(shù)。

（2）利用式3.4計(jì)算出各項(xiàng)指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)。

（3.4）

式中v_k、w_k分別為第k項(xiàng)指標(biāo)的變異系數(shù)及權(quán)重。

3.3 綜合權(quán)重的確定

利用式3.5將兩個(gè)賦權(quán)法得到的權(quán)重值進(jìn)行組合，即得G1法和變異系數(shù)法的綜合權(quán)重。

（3.5）

式中w_kg、w_kb分別為第k項(xiàng)指標(biāo)的G1權(quán)重系數(shù)和變異系數(shù)法權(quán)重系數(shù)。

4 計(jì)算各主控因素權(quán)重

本文選取了影響風(fēng)化基巖富水性的各主控因素，構(gòu)建了評(píng)價(jià)風(fēng)化基巖富水性的指標(biāo)體系（表4.1）。

4.1 G1法計(jì)算權(quán)重

（1）計(jì)算準(zhǔn)則層權(quán)重

專家根據(jù)厚度x₁，滲流特征x₂，巖性特征x₃對(duì)風(fēng)化基巖富水性影響的嚴(yán)重程度排序后，得到的順序?yàn)閤₂，x₃，x₁。并對(duì)重要程度的比值賦值為：r₂=1.8，r₃=1.2。利用式3.2得：w* 3=0.2294，利用式3.3得：w* 2= r₃w* 3=0.2752，w* 1= r₂w* 2=0.4954，即得厚度x₁，滲流特征x₂，巖性特征x₃的權(quán)重分別為0.2294、0.4954和0.2752。

（2）計(jì)算指標(biāo)層權(quán)重

專家根據(jù)以往的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)，對(duì)單位涌水量x₂₁，滲流特征x₂₂對(duì)基巖富水性的影響順序?yàn)閤₂₁，x₂₂，且相對(duì)重要比值為：r₂₂=1.8，利用式3.2得w* 22=0.3571，利用式3.3得：w* 21= r₂₂w* 22=0.6429。同理對(duì)巖性指數(shù)x₃₁，巖心采取率x₃₂對(duì)基巖富水性的影響順序?yàn)閤₃₁，x₃₂，r₃₂=1.6，得：w* 32=0.3846，w* 31= r₃₂w* 32=0.6154。

綜合準(zhǔn)則層權(quán)重，得各項(xiàng)指標(biāo)的權(quán)重見表4.2。

4.2 變異系數(shù)法計(jì)算權(quán)重

通過式3.4對(duì)各指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，可得影響風(fēng)化基巖富水性的5個(gè)指標(biāo)的權(quán)重見表4.3。

4.3 綜合權(quán)重的計(jì)算

將分別利用G1法和變異系數(shù)法得到的5個(gè)主控因素權(quán)重值，利用式3.5組合成綜合權(quán)重值，結(jié)果見4.4。

5.1 數(shù)據(jù)正向化

對(duì)于本次選取的5個(gè)主控因素，其中巖心采取率數(shù)據(jù)取值越小則風(fēng)化基巖富水性越強(qiáng)，為負(fù)相關(guān)因素，而其它4個(gè)因素則相反，為正相關(guān)因素。在綜合評(píng)價(jià)之前，需將負(fù)相關(guān)因素轉(zhuǎn)化為正相關(guān)因素，即正向化。本文對(duì)巖心采取率數(shù)據(jù)做正向化處理^[6]的方法為倒數(shù)法。

5.2 數(shù)據(jù)無量綱化

在對(duì)各主控因素?cái)?shù)據(jù)組合之前，需對(duì)其做無量綱化處理。常用的無量綱處理方法有多種，每種方法均有自己的優(yōu)缺點(diǎn)。結(jié)合考慮各主控因素?cái)?shù)據(jù)及各無量綱化方法優(yōu)缺點(diǎn)，本文選擇均值化無量綱化^[7]方法，進(jìn)行本次數(shù)據(jù)的無量綱化處理。

6 ?2^-2煤上覆風(fēng)化基巖富水性分區(qū)

6.1主控因素的融合

利用G1-變異系數(shù)法確定的各主控因素權(quán)重系數(shù)，將正向化及無量綱化后的各主控因素?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行疊加，生成評(píng)價(jià)富水性的綜合性指數(shù)D。

6.2 富水性分區(qū)

通過富水性指數(shù)數(shù)據(jù)的分析，將該井田北二盤區(qū)風(fēng)化基巖富水性由弱到強(qiáng)共分為以下三個(gè)等級(jí)：D≤0.57為弱富水區(qū)，0.57

7 結(jié)論

（1）分別談?wù)摿孙L(fēng)化基巖厚度、巖性組合指數(shù)、巖心采取率、單位涌水量和滲透系數(shù)5個(gè)因素對(duì)風(fēng)化基巖富水性的影響。

（2）并利用G1-變異系數(shù)賦權(quán)法得到的權(quán)重，將這5個(gè)主控因素進(jìn)行了融合構(gòu)建了評(píng)價(jià)風(fēng)化基巖富水性的綜合指標(biāo)-富水性指數(shù)。

（3）利用富水性指數(shù)對(duì)該井田北二盤區(qū)風(fēng)化基巖富水性進(jìn)行了評(píng)價(jià)及分區(qū)。

參考文獻(xiàn)

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