基于FAHP-GRA评价方法的顶板承压含水层富水性预测研究

薛 森 李文平 郭启琛 刘士亮 孙梦雅 范宝江

(1.中国矿业大学资源与地球科学学院，江苏 徐州 221008；2.西山煤电集团有限公司，山西 太原 030200；3.南京大学地球科学与工程学院，江苏 南京 210023；4.兖煤菏泽能化有限公司万福煤矿，山东 菏泽 274900)

作为煤层顶板突水的直接冲水源，煤层顶板承压水对煤层开采的安全进行至关重要。在华北型煤田的实际工作与开采中，这种问题尤为突出[1]。因此，在对煤层进行挖掘开采之前，准确掌握深层承压含水层富水性就显得尤为重要了。而对于深层承压含水层富水性的科学预测，也为之后正常施工的正常运行提供了重要保证[2]。随着矿山开采深度的增加和下组煤的不断开采，顶板冒落而导致顶板涌(突)水灾害发生的案例日渐增多[3]。随着科学技术的进步，瞬变电磁、红外测温[4-5]等地球物理技术不断应用于含水层富水性的研究当中，但这些方法所得数据粗糙，只能定性地判断矿区内煤层顶板含水层的富水性。另一方面，在利用模糊层次、模糊聚类[6-13]等分析方法对顶板含水层富水情况进行等级划分的过程中，存在各确定因素贡献程度确定与因素评价把握的主观性问题。结合上述问题，本文以鄂尔多斯转龙湾矿区为研究对象，结合FAHP-GRA方法[14]，研究如何确定顶板承压水含水层的富水性。

1 研究区概况

转龙湾矿区位于鄂尔多斯市伊金霍洛旗东部，沟谷纵横，地形复杂。井田内无生产矿井及小窑。矿区面积为43.46 km2，井田东西长10 km，南北宽5.6 km，采矿权面积43.46 km2，开发规模500万t/a。干旱—半干旱的温带高原大陆性气候，冬季寒冷，夏季炎热，冬春两季多风沙，年平均气温6.2℃，年均降水量359.6 mm，年均蒸发量为2 485.2 mm。转龙湾矿区属于东胜煤田，井田表面主要为第四系风积砂所覆盖，含煤岩系及下部岩层仅在钻孔中见到。

井田主要含水层有：第四系上更新统萨拉乌苏组和全新统砂层孔隙潜水含水层；白垩系下统伊金霍洛组砂砾岩；侏罗系中、下统延安组砂岩、中统直罗组砂质泥岩和安定组泥质砂岩；三叠系上统延长组砂岩[15]。矿区煤层的埋深普遍在150～200 m，煤层开采后顶板之上的承压水是直接充水水源，该含水层富水性的大小是影响矿区安全开采的重要因素。

2 富水性影响因素分析

结合转龙湾煤矿地质条件、水文地质条件以及相近区域其他煤矿之间的情况，最终确定以Ⅱ-3煤顶板的含水层特征、岩性、水力特征、构造等基本方面为影响承压水富水性的影响因素，包括含水层厚度分布、岩芯采取率、砂岩岩性系数、单位涌水量、渗透系数、构造因素(如断层、褶皱、陷落柱等)。

(1)砂岩含水层厚度。在其他因素一定的情况下，含水层越厚，单位厚度的含水层含水量越大，富水性也就越强。

(2)断层构造因素。研究区内发育少量断层和褶皱，无岩浆岩活动痕迹，未发现陷落柱，地质构造复杂程度属中等类型。矿区开采过程中尚无发现断层突水现象，但断层裂隙带的存在会促进富水带发育。越远离断层，裂隙发育程度越弱。断层密度在定量上通常用单位面积上断层条数或单位面积上断层迹线的总长度来表示，其分布图更能够从断层迹线的延伸、分布均匀程度上提供更加精确的刻画指标。

(3)单位涌水量。单井抽水水位降深为1 m时的出水量，其值与富水性正相关。

(4)渗透系数。表征岩层透水性的参数，其值取决于岩石的性质(如粒度成分、颗粒排列、充填情况、裂隙性质和发育程度等)与流体的物理性质(容重、黏滞性等)等。

(5)岩芯采取率。反映岩体完整性重要指标之一，与冲洗液漏失量有较好的相关关系。若冲洗液消耗量的资料较少，研究区应选用岩芯采取率作为表征顶板裂隙发育程度的指标。其值的大小与富水性成负相关[6]。

(6)砂岩岩性系数。顶板之上含水层，隔水层往往交替出现，若在顶板导水裂缝带内砂岩含量越高，相对厚度越大，其相应的富水性也就越强。

3 砂岩富水性等级评价

首先需要确定开采煤层顶板砂岩富水性影响因素的划分等级，再确定各自因素所占权重并作出富水性分区图，根据每个孔位与富水等级的加权灰色关联度来确定富水性最终划分的阈值。具体步骤如下：

(1)顶板承压含水层富水性等级划分。矿区顶板水虽为直接充水水源，但是整体的含水量不强，据此将其等级划分与潜水富水性等级的划分对等结合，同样分为3个等级：Ⅰ(小)、Ⅱ(中)、Ⅲ(大)。其中的定量因素中，单位涌水量q值以及渗透系数K值的划分仍然选择《煤矿防治水规定》和《水利水电工程地质勘察规范》中对其的划分；岩芯采取率R也仍按照《岩土工程勘察规范》中近似指标——岩石质量指标RQD值进行划分；砂岩岩性系数的划分也采用均分的方法，分为3类。砂岩厚度的划分根据已知矿区的砂岩厚度进行均分，划分为Ⅰ(15～55 m)，Ⅱ(55～100 m)，Ⅲ(100～150 m)；断层密度值按照矿区断层密度的大小均分划为3级：Ⅰ(0～0.001 3)，Ⅱ(0.001 3～0.002 6)，Ⅲ(0.002 6～0.003 9)。最后建立顶板承压水富水性影响因素等级划分区间值如表1所示。

表1 顶板承压水富水性影响因素等级划分Table 1 Classification of influencing factors for water abundance of roof confined aquifer strata

(2)建立模糊一致判断矩阵。利用0.1～0.9模糊标度法，由多个领域的权威专家分别对各个因素进行两两对比判断并打分，同时结合研究区自身地质条件，构建得出富水性预测的模糊互补判断矩阵。对比结果如表2所示。

表2 承压含水层富水性因素准则层指标两两比较结果Table 2 Contrast on criterion of influencing factors forwater abundance of confined aquifer strata

(3)判断模糊互补矩阵的一致性并求解权重。求出相应指标此时的权重，结合准则层的权重得到承压水含水层富水性影响因素各个指标的最终权重，见表3。

表3 顶板承压含水层富水性指标计算结果Table 3 Calculated results of the factors forwater abundance of roof confined aquifer

(5)初始数据无量纲化处理。顶板富水性因素中除了断层分布密度为定性因素，其余均为定量因素，就各因素选择均值化算子对其进行量化。对矿区内各钻孔因素值和等级划分值进行无量纲化的结果如表4所示。

表4 承压水因素无量纲化结果Table 4 Dimensionless results of factorsfor confined aquifer

4 顶板砂岩富水性分区及等级划分

各个富水性因素的量化数据不论是物理意义还是数量级都有较大的差异，因此需要消除主控因素不同量纲数据对评价结果的影响。利用极值化处理法对数据进行归一化处理，使数据具有可比性和统计意义，便于系统分析。

(1)

式中，Ai为归一化处理后的数据；a为归一化范围的下限，本研究取0；b为归一化范围的上限，本研究取1；xi为原始数据。min(xi)、max(xi)为各主控因素量化值的最小、最大值。

据式(1)将顶板承压含水层富水性影响因素进行归一化，其中砂岩厚度、q、K、砂岩岩性系数、断层分布密度5个因素与富水性为正相关，岩芯采取率的量化采用与潜水评价的相同方法，用(1-Ai)的形式将其进行新的归一化。最后将各因素数据归一化处理后，建立对应的单因素属性数据库，结合GIS建立指标层6个因素的归一化专题图(图1)。

根据表3 中计算得出的各单因素的权重系数，利用GIS软件空间叠加功能绘制出富水性的综合分区图，如图2所示。

图3采用了自然间断法划分出5级相对富水性，在此基础上，通过灰色关联度得出了富水性等级，对划分阈值进行调节，将富水性分区进行重新划定，共分为3类：0.09～0.43，富水性弱为1级；0.43～0.54，富水性中等为2级；0.54～0.65，富水性较强为3级。

据此重新划分出矿区承压含水层相对富水性等级分区图(图3)。据图3分析，黑色的富水性相对较强区域仅出现在矿区西部边界附近，且占据面积很少，白色的富水性相对中等区域主要集中在黑色附近及西部地段，说明该区域的顶板砂岩含水层富水性较其他区域较强，回采煤层时是应当重点关注的区域。

5 结 论

(1)通过含水层厚度分布、岩芯采取率、砂岩岩性系数、单位涌水量、渗透系数、构造因素等6个因素对矿区的顶板承压富水性做出综合的评价，得到6张单因素归一分析结果专题图。

(2)基于上述含水层厚度分布、岩芯采取率、砂岩岩性系数、单位涌水量、渗透系数、构造因素等6个因素单因素指标量化分区，利用FAHP-GRA方法，分析预测了矿区顶板承压水含水层的富水性。

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图1 顶板承压含水层各单因素归一化图Fig.1 Normalized pattern of each single factor for roof confined aquifer strata

图2 转龙湾煤矿潜水含水层相对富水性分区Fig.2 Relative partition for water abundance of shallowconfined aquifer strata in Zhuanlongwan Mining Area

图3 矿区承压含水层富水性等级分区Fig.3 Relative partition for water abundance standardof confined aquifer strata in mining area

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