谷保澤,金祥波,何 滔,唐申強(qiáng)

(1.國家能源集團(tuán)烏海能源公司,內(nèi)蒙古 烏海 016099; 2.內(nèi)蒙古科技大學(xué) 礦業(yè)與煤炭學(xué)院,內(nèi)蒙古 包頭 014010;3.中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司,重慶 400039)

我國煤炭資源十分豐富且地域分布廣闊,同時煤礦床水文地質(zhì)條件復(fù)雜,是世界上礦井水害較嚴(yán)重的國家之一[1-2]。在這些水害事故中,老空水害占比較大,是礦井地質(zhì)災(zāi)害重大隱患之一。

礦井生產(chǎn)實(shí)踐表明,老空水害影響因素眾多,機(jī)理復(fù)雜,各因素間關(guān)聯(lián)耦合且影響程度不同[3],老空水害危險性預(yù)測往往需要對諸多因素進(jìn)行綜合分析。多源信息融合能夠獲得單因素以外的更多信息,有助于提升地學(xué)復(fù)雜問題分析的準(zhǔn)確性和科學(xué)性[4-5],且該方法較單一信息更具客觀性[6-7],因此,其在礦井水害防治中具有獨(dú)特的優(yōu)勢。近年來,在礦井水害多源信息綜合評價方面,不少專家學(xué)者進(jìn)行了積極探索:武強(qiáng)等[8]建立了基于GIS信息融合方法的頂板含水層富水性分布規(guī)律評價模型;劉玉忠[9]、鄭偉[10]等采用GIS和多源地學(xué)信息復(fù)合疊加方法,構(gòu)建了煤層底板突水危險性評價模型;肖建于等[11]從多源信息融合的角度出發(fā),提出了基于模糊證據(jù)理論的煤層底板突水量估計方法與評價模型;朱宗奎等[12]開展了以無量綱多源信息融合為基礎(chǔ)的底板突水危險性評價方法研究;王靜雪等[13]采用模糊德爾菲層次分析法(FDAHP)與逼近理想解排序法(TOPSIS)的基本理論建立了煤層底板突水風(fēng)險評價模型;李哲[14]、馮書順[15]等采用層次分析法(AHP)建立了頂板含水層富水性評價模型;張群利[16]、謝超[17]等采用層次分析法和熵權(quán)系數(shù)法相結(jié)合的方法確定巖溶礦區(qū)底板突水危險性評價模型;李云龍[18]以柵格為單位進(jìn)行多源信息融合,對研究區(qū)水害與冒裂安全性進(jìn)行了綜合評價。上述理論與方法,從不同角度闡述了多源信息融合技術(shù)應(yīng)用于礦井頂?shù)装逅Φ膬?yōu)越性。

筆者根據(jù)烏海能源礦井老空水害影響因素多且復(fù)雜的特點(diǎn),在構(gòu)建礦井老空水害評價指標(biāo)體系基礎(chǔ)上,利用層次分析法與GIS空間疊合分析技術(shù)建立老空水害多源信息融合評價模型,對五虎山礦井老空水害危險性進(jìn)行綜合評價,旨在為礦井老空水害的防治提供精細(xì)化的指導(dǎo)依據(jù)。

1 老空水害危險性多源信息融合評價方法

多源信息綜合評價主要有評價指標(biāo)優(yōu)選、指標(biāo)權(quán)重確定及危險性分區(qū)評價3個步驟。

1)評價指標(biāo)優(yōu)選。在多源信息融合中,合理選取礦井老空水害評價指標(biāo),對綜合評價模型的建立和決策結(jié)果的準(zhǔn)確性起著關(guān)鍵影響。多年開采實(shí)踐證明,老空水害影響因素多且復(fù)雜。為保證各評價指標(biāo)間相互獨(dú)立,消除信息的重疊、交叉對最終決策的影響,需在進(jìn)行老空水害危險性評價之前對評價指標(biāo)進(jìn)行相關(guān)性分析,排除相關(guān)因子干擾,遵循評價指標(biāo)體系科學(xué)性、準(zhǔn)確性、適應(yīng)性與簡練性的原則。此外,由于不同因素之間數(shù)值差異較大,對劃分的主控因素離散網(wǎng)格化后應(yīng)進(jìn)行歸一化處理。

2)指標(biāo)權(quán)重的確定。采用的是層次分析法,該方法首先根據(jù)評價指標(biāo)體系建立層次結(jié)構(gòu)模型,然后構(gòu)建成對判斷矩陣[19-20],在此基礎(chǔ)上,依次計算單排序和總排序權(quán)向量并做一致性檢驗(yàn),以獲得相關(guān)評價指標(biāo)的權(quán)重Wi。

3)老空水害危險性分區(qū)分級評價。引入危險指數(shù)VI (Vulnerability Index),采用GIS空間疊合分析方法對老空水害危險性進(jìn)行評價,以表征某一空間位置上的各種影響因素對其產(chǎn)生的疊加影響總和。評價模型表達(dá)式如下:

(1)

式中:VI為危險性指數(shù);i為第i個因素;Wi為影響因素權(quán)重;fi(x,y)為單因素影響值函數(shù);x、y為計算網(wǎng)格的地理坐標(biāo);n為影響因素個數(shù)。

老空水害危險性指數(shù)越大,老空水對礦井安全的威脅越大。為便于分級評價,將危險性指數(shù)進(jìn)行歸一化處理到[0,5]區(qū)間,計算公式如下:

(2)

按老空水害危險性指數(shù),對應(yīng)地將井田范圍劃分為老空水極危險區(qū)、危險區(qū)、較危險區(qū)、較安全區(qū)、相對安全區(qū),共5個區(qū)域,見表1。

表1 老空水害危險性指數(shù)評價分區(qū)

2 烏海能源五虎山煤礦老空水害危險性多源信息融合評價

2.1 礦井老空水害概況

當(dāng)前烏海能源多數(shù)礦井露頭區(qū)存在小窯老空水威脅,歷史上鑫源煤礦、長富煤礦等曾發(fā)生過特大老空突水事故。其中,五虎山煤礦老空水害尤為典型。該礦經(jīng)過40多年的開采,正遭受小煤窯老空水與自身采空區(qū)積水的雙重威脅,總體具有如下特征:

1)充水水源。老空水直接充水水源為頂板含水層,主要間接充水水源為大氣降水。

2)導(dǎo)水通道。老空水充水通道主要為采動裂隙,其次為斷層和火燒塌陷通道。

3)分布規(guī)律。老空水主要富集在煤層工作面底板凹陷區(qū)、運(yùn)移路徑與煤柱交叉處,以及斷層附近。

2.2 老空水害評價指標(biāo)優(yōu)選及量化

在充分分析烏海礦井水文地質(zhì)特征及老空水害分布規(guī)律基礎(chǔ)上,根據(jù)老空水導(dǎo)水通道、預(yù)測的采空積水區(qū)、已知自身采空積水區(qū)三方面情況,確定了斷裂構(gòu)造、采動裂隙帶、火燒塌陷區(qū)、預(yù)測的上部煤層老空水運(yùn)移路徑、預(yù)測的上部煤層采空區(qū)易積水區(qū)、已知的上部采空富水區(qū)和已知的側(cè)方富水區(qū)共7個主控因素。

1)斷裂構(gòu)造

斷裂構(gòu)造是礦井的主要導(dǎo)水通道。斷層影響帶中往往裂隙比較發(fā)育,導(dǎo)水性較強(qiáng),是礦井老空水的主要導(dǎo)水通道。以斷裂上下盤為中心構(gòu)建緩沖區(qū),繪制斷層構(gòu)造影響圖(見圖1(a))。

圖1 礦井老空水害主控因素專題圖

2)采動裂隙帶

煤層開采引起的垮落帶及導(dǎo)水裂隙帶為礦井老空水的主要導(dǎo)水通道。導(dǎo)水裂隙帶的高度與上部老空區(qū)覆巖厚度之差在一定程度上可反映上部老空水與當(dāng)前采煤工作面之間的水力聯(lián)系,該差值越小,采動裂隙導(dǎo)通上部老空水的可能性越大。

本次采動導(dǎo)水裂隙帶高度主要通過將礦井水文地質(zhì)補(bǔ)充勘探中計算的采裂比與空間各點(diǎn)煤層厚度相乘進(jìn)行估算。將各點(diǎn)采動裂隙帶高度和當(dāng)前工作面上部(層)老空區(qū)覆巖厚度之差作為模型的評價指標(biāo)(見圖1(b))。

3)火燒塌陷區(qū)

煤層自燃火燒區(qū)改變了原巖的性質(zhì),裂隙雜亂無序,孔洞發(fā)育,具備良好的導(dǎo)水通道和儲水空間。大氣降水及地下水易在火燒塌陷區(qū)匯集,對下部工作面造成較大威脅。因此,根據(jù)礦井上下對照圖中圈定的火燒區(qū)范圍,繪制火燒塌陷影響專題圖(見圖1(c))。

4)預(yù)測的運(yùn)移路徑與易積水區(qū)

根據(jù)五虎山煤礦多年生產(chǎn)實(shí)踐,發(fā)現(xiàn)老空水往往易集聚于上層采空區(qū)的低洼處,以及運(yùn)移路徑與煤柱的交叉處。對三維煤層底板模型進(jìn)行空間分析,計算煤層底板坡度、坡向,獲得底板凹陷區(qū)和水運(yùn)移路徑(見圖1(d))。

5)已知的上部采空富水區(qū)與已知的側(cè)方富水區(qū)

礦井自身采空區(qū)積水威脅主要為下部煤層開采受上層老空水威脅和鄰近采面受側(cè)方老空水威脅。根據(jù)礦井充水性圖圈定的上覆煤層工作面積水及小窯邊界,繪制上覆煤層采空富水區(qū)(見圖1(e))。

老空水害危險性主控因素量化物理量見表2。

表2 老空水害危險性主控因素量化物理量

2.3 層次分析法評價模型構(gòu)建及指標(biāo)權(quán)重確定

1)構(gòu)建遞階層次結(jié)構(gòu)模型

在礦井老空水害評價指標(biāo)體系基礎(chǔ)之上,將遞階層次模型劃分為3個層次:第一層A為老空水危險性評價,作為評價模型的目標(biāo)層;第二層B分別為導(dǎo)水通道B1、預(yù)測采空積水區(qū)B2及已知自身采空區(qū)積水B3,作為評價模型的準(zhǔn)則層;第三層C為在B層次各指標(biāo)之下細(xì)分的七大因素,作為評價模型的決策層。評價模型如圖2所示。

圖2 老空水害危險性評價結(jié)構(gòu)模型

2)確定指標(biāo)權(quán)重

根據(jù)對老空水害相關(guān)因素的綜合分析,采用“征集專家評分”的方法(T.L.SAATY創(chuàng)立的1～9標(biāo)度法),對影響老空水害因素進(jìn)行評分:①將相關(guān)老空水害評價指標(biāo)羅列成表,請相關(guān)專家學(xué)者對影響礦井老空水害所有評價指標(biāo)進(jìn)行兩兩比較,給出量化分值,比較時采用的是相對尺度以盡可能減少不同類型評價指標(biāo)相互比較的困難,提高評價的客觀性和準(zhǔn)確性;②根據(jù)累計得分情況,進(jìn)行各因素間的總分比較,由此構(gòu)建礦井老空水AHP評價的判斷矩陣(見表3～6)。其中,λmax為各判斷矩陣的最大特征根,CR為一致性比例。

表3 判斷矩陣A～Bi(i=1～3)

表4 判斷矩陣B1～Ci(i=1～3)

表5 判斷矩陣B2～Ci(i=4～5)

表6 判斷矩陣B3～Ci(i=6～7)

通過一致性計算,所有判斷矩陣的一致性比例CR<0.1,滿足一致性要求。根據(jù)判斷矩陣計算出各層單排序的權(quán)值,獲得老空水害各評價指標(biāo)的權(quán)重,見表7。

表7 層次總排序

據(jù)此得到五虎山煤礦老空水害危險性評價模型:

VI=0.117f1(x,y)+0.208f2(x,y)+0.026f3(x,y)+0.074f4(x,y)+0.014f5(x,y)+0.465f6(x,y)+0.093f7(x,y)

(3)

2.4 老空水害危險性綜合評價

在主控因素離散網(wǎng)格化及權(quán)重確定的基礎(chǔ)上,通過GIS對多源信息進(jìn)行多重空間疊合分析,獲得老空水害綜合評價結(jié)果,該結(jié)果一定程度上反映了各主控因素對老空水害危險性的綜合影響,如圖3所示。

圖3 多重空間疊加分析示意圖

圖4為五虎山煤礦9煤層老空水害危險性分區(qū)分級評價圖。通過對比礦井充水圖發(fā)現(xiàn),已有的老空水區(qū)域全部落在了極危險區(qū)與危險區(qū),這表明所建立模型的評價結(jié)果與實(shí)際情況吻合度較好。

圖4 五虎山煤礦9煤層老空水害危險性分區(qū)圖

進(jìn)一步從圖4中可以看到9煤層老空水害極危險區(qū)主要有4個:

1)區(qū)域Ⅰ位于礦區(qū)西側(cè)。該區(qū)域地表存在火燒塌陷治理區(qū)和9煤層小窯,且埋藏淺易接受大氣降水的補(bǔ)給。因此,該區(qū)域的老空水防治重點(diǎn)應(yīng)在于對火區(qū)塌陷通道的治理及小窯的探查。

2)區(qū)域Ⅲ位于礦區(qū)南側(cè)。該區(qū)域煤層埋藏淺,采動裂隙易導(dǎo)通地表。大氣降水極易沿著采動裂隙補(bǔ)充老空水。此外,該區(qū)域上部存在8煤層小窯的威脅,并存在多條斷層。因此,該區(qū)域老空水的防治工作應(yīng)以上部老空水的探查及地表水的防治為主。

3)區(qū)域Ⅱ與Ⅳ位于井田中部及北部底板凹陷區(qū)。該區(qū)域煤層底板凹陷,老空水極易匯集于此,且該區(qū)域斷裂構(gòu)造較為發(fā)育。對于該區(qū)域的老空水害防治工作,一方面應(yīng)加強(qiáng)臨排管理,另一方面應(yīng)在采前及時施工放水巷并加強(qiáng)對斷層導(dǎo)水性的超前探放工作。

3 結(jié)束語

1)構(gòu)建了以七大主控因素為主的五虎山礦井老空水害危險性評價指標(biāo)體系,使老空水害分區(qū)分級評價更加科學(xué)合理。采用層次分析法計算了影響五虎山礦井老空水害危險性的七大主控因素權(quán)重。

2)利用GIS空間疊合分析法建立老空水害多源信息融合評價模型,對烏海能源五虎山礦井老空水害危險性進(jìn)行綜合評價,共圈定了4個老空水害極危險區(qū),為礦井老空水的防治提供了精細(xì)化的指導(dǎo)依據(jù)。