基于层次分析法的井筒涌水量预测效果评价

徐　慧，牟　义，邱　浩，许　彦

(1.煤炭科学技术研究院有限公司安全分院，北京 100013；2.煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室(煤炭科学研究总院)，北京 100013；3.山西晋煤集团技术研究院有限责任公司 物探工程分公司，山西 晋城 048006；4.太原市环境监测中心站项目办，山西 太原 030009)

井筒涌水量预测效果的好坏往往影响到井筒选型和整体设计方案及矿井排水系统优化设计，对矿井设备的选型、建设速度和投资成本等都有重要影响。通过分析预测涌水量与实际揭露涌水量之间的差异，发现误差产生的主控因素主要存在于计算方法选择、参数选择，以及参数与计算方法的匹配适用性三个方面，而其中全面、准确的基础数据是预测工作的关键。众多学者在此方面进行了深入细致的研究，对提高矿井涌水量的预测精度起到了较大的作用。例如，肖有才等[1]提出影响井筒涌水量预测可靠性的因素有岩石裂隙的不均一性、单孔抽水试验在理论和实践中的缺陷，以及水文地质勘探精度的影响和井检孔施工工艺的影响，并提出提高井筒涌水量预测精度的途径；杨占军等[2]采用流量测井与抽水试验两种原位测试方法对井筒涌水量及其参数等进行了对比分析；成春奇等[3]针对传统方法中引用的水位降深测值、求参模型和涌水量计算公式，分析了涌水量预测值的误差来源，并提出了纠正误差的方法。由于水文地质参数精度与勘探程度或者采掘的工程量，以及工程获取信息的处理利用质量有关，因此,本文旨在从参数选择的角度对井筒涌水量预测效果做出评价。

1　井筒涌水量预测质量评价体系的建立

井筒涌水量预测效果主要取决于常规勘探和水文地质试验两个方面。

在常规勘探中，勘探工程量及布置、勘查方法及工艺技术和资料处理方法决定了对区域地质水文地质条件的认识深度；勘探成果提供水文地质系统边界及性质、地下水补径排、含水层特征等要素的信息量及准确性将决定水文地质模型概化的精准度。

《GB50511—2010煤矿井巷工程施工规范》中规定井筒施工前，应完成检查孔施工，并应有完整、真实的检查孔资料，且要求对井筒所穿过的主要含水层(组)进行分层抽水试验。因此，水文地质试验是勘探基础上针对局部水文条件及水文特征(参数)认识的深化，提供水文模型中含水层具体形状特征及水文参数等要素的定量数值，准确与否直接关系勘探的定量预测成果。上述二者相辅相成，任何一个环节出现问题，都会导致参数与计算方法不匹配，从而导致预测严重失真。

综上所述，建立了井筒涌水量预测质量评价体系，如图1所示。

图1　井筒涌水量预测效果评价指标体系

2　井筒涌水量预测质量评价

在分析导致误差原因之后，建立井筒涌水量预测效果评价指标体系。选取水文地质试验、常规勘探作为一级指标。对水文地质试验方法确定参数效果评价的指标再次细分，概括出3个二级指标和10个三级指标作为水文地质试验效果评价的依据，如图1所示。

2.1　构造判断矩阵

在第一级评价体系中的影响要素作为评价标准，对主观、客观因素进行了两两比较，其中元素Bij为要素Bi对Bj的相对重要性建立判断矩阵，见式(1)。

(1)

在建立多层次递阶结构体系后，通过各层中元素两两比较，构造比较判断矩阵，确定下一层对于上一层次某因素的相对重要性，并赋予一定分值。通常采用的标度准则为Saaty提出的标度表[4]。

2.2　一致性检验及权重分配

判断矩阵是计算权重的重要依据，矩阵大体上需要具有一致性，避免出现“甲比乙极端重要，乙比丙极端重要，而丙又比甲极端重要”的违背常识的判断，这将导致评价失真，因此，要对判断的相容性和误差进行分析[5]。

设相容性指标为CI(Consistency Index)，即有式(2)。并查找相应的平均随机一致性指标RI(Random Index)，得出一致性比例，见式(3)。

(2)

(3)

式中：CI为相容性指标；RI为平均随机一致性指标；λmax为判断矩阵最大特征根；n为非零特征根；CR为随机一致性比例。

一般情况下，若CR<0.1，就可以认为判断矩阵有相容性，据此计算的ω值(各指标的权重)可以接受。经计算，CI、CR都符合要求，通过判断矩阵的一致性检验，各个指标计算权重见表1。

表1　勘探效果评价指标权重及评价标准表

3　实例应用

在新汶龙固矿建井期间，发现矿井涌水量已大大超过勘探报告提供的涌水量，达到原勘探报告提供水量的数十倍，严重影响了新井建设。因此，将井筒涌水量预测质量评价体系运用到龙固矿，探究该矿井涌水量预测误差的主控因素及主要原因。

3.1　常规勘探评价

1) 钻孔数量。龙固矿各勘探阶段在180 km2的井田范围内，施工钻孔70个，工程量66 504.48 m，其中专门水文孔7个，工程量6 273.95 m。

2) 钻孔布置。龙固矿区共有主井两个，副井一个，风井一个，大部分钻孔位于主井的北部，与主井之间均有断层相隔，只有6个钻孔与主井的地质情况相差不大，其中L-16和L-15在井筒影响半径范围之内，L-16位于主井附近距离约98 m，L-15孔口位于主井东南约为1 407.43 m。

3) 工程质量。基本按规程施工，完成规定任务。

4) 可利用性。勘探中的水文孔完成任务较好。

3.2　水文地质试验评价

参照表1评价结果:①井的类型,全区共7孔，9次抽水试验，全部为单孔抽水；②观测孔的数量,部分抽水试验有两个以上观测孔；③含水层情况,抽水过程中采用分层抽采；④观测孔的布置方向,观测孔布置与地下水水流方向不一致；⑤抽水孔距观测孔的距离,只有L-16和L-15两个孔在影响范围内；⑥计算方法,水文地质参数的求取使用解析法；⑦水位降深次数,L-16采用单孔三次降深，L-15采用单孔一次降深；⑧水位及流量稳定判定,在抽水试验过程中水位降深在8.16～73.24 m间波动，涌水量介于0.01376～5.147 L/s之间，水位误差介于0.02%～0.74%之间，流量误差最大为1.67%。各次试验均按照有关标准进行了验收，基础资料内容齐全、整洁，抽水工程质量优质4次，合格4次，抽干未评级1次，抽水质量较高。

综合上述分析，结合专家评议和层次分析法，得出龙固矿井井筒涌水量预测质量综合评价表，见表2。

表2　龙固矿井井筒涌水量预测质量综合评价表

3.3　模糊综合评价结果

由表2可知，龙固矿井井筒涌水量预测质量综合评价效果是70.2分，为中等。从表2可看出水文地质试验中部分因素得分较低,反映出龙固矿井的水文地质工作效果不佳。因此利用该水文地质试验所求出的水文地质参数去预测井筒涌水量则会有较大偏差。其中实际值达到预测值的21.365倍(预测值168.5 m3/d，实际值3 600 m3/d)，从评价结果中得出，预测结果误差较大的主要原因是由于龙固井筒影响区域内抽水试验效果不理想而导致的。

4　结　论

1) 根据层次分析法基本原理建立了井筒涌水量预测效果评价指标体系。选取水文地质试验、常规勘探作为一级指标。对水文地质试验方法确定参数效果评价的指标再次细分，概括出3个二级指标和10个三级指标作为水文地质试验效果评价的依据，分别是观测孔布置方向、孔的数量、观测孔距抽水井距离、含水层情况、井的类型、水位降深次数、水位及流量稳定判定、解析法、数值法和经验法。对常规勘探细分为勘探数量、钻孔分布、工程质量、可利用性等几个指标。通过判断矩阵一致性检验，权重向量确定合理。

2) 龙固矿井筒影响区域中，总体效果得分为70.2分，反映出龙固矿井的水文地质工作效果一般。其中抽水方式为单孔，实验过程中抽水孔离井筒距离太远(最近的距离1 080 m)是导致井筒涌水量预测结果不准确的主要原因，评定结果对相似地质条件下井筒涌水量预计具有参考价值。

3) 运用层次分析法对矿井勘探效果进行的综合评价和选择，避免了因素过多而难于分配权重的弊端，也避免了单因素决策的片面性和人们主观认识差异所引起的决策失误，特别是在各种影响方案选择的指标出现优越性交叉时，能够做出更为科学、准确、有理论依据的判断。