基于构造—层次分析法的含水层富水性评价

樊 敏

(中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西 西安 710054)

煤层顶板水害是影响和制约矿井安全开采的重要因素之一，顶板水害出现的条件需要含水层作为充水水源和裂隙作为充水通道[1-4]，而构造裂隙发育区域一般富水性相对好，也能作为导水通道或者使区域导水裂隙带异常发育，造成矿井充水强度增加。构造特征在含水层富水性评价中的应用能使评价结果更加切合实际。

矿井位于渭北煤田东北端边缘，主采5煤层，工作面回采掘进过程中顶板淋水现象明显，水源为5煤的直接顶板——山西组底部H2-4砂岩含水层，对采掘工作影响较严重。

1 井田构造概况

井田内以延伸距离较小的宽缓褶曲为主，部分褶曲如ZX5-1、ZX5-3延伸长度可达到2 000 m，褶皱轴向以北西向和近东西向为主，次为北东向，轴向相近的褶皱平行排列，表现出波浪形起伏状态，如图1所示。

2 构造特征量化

采用分形维数来量化褶曲在井田内的分布特征。具体计算过程如下：以经纬网格为依据，划分井田为若干个边长为r=500 m的正方形块段(图2)，统计各块段的褶皱轴线数量，再将每个块段分为边长250 m与边长125 m的小网格，统计每个已编号块段中有褶皱轴线通过的网格数，记为N(r)；以[lgN(r)，lgr]为坐标点，将其投放在lgN(r)-lgr坐标系中，所得拟合直线斜率的绝对值即为该网格的分形维数D，D值越大说明块段构造越发育[5-7]。根据全区网格双对数线性拟合结果(图3)，图3中R2≈1说明褶皱网格的单元数据相关性好，褶皱分维结果可靠[5]。

图3 全区数据双对数线性拟合结果Fig.3 Double logarithm linear fitting result map of the whole area data

褶曲轴部的岩层弯曲程度是控制区域岩层裂隙发育的重要因素，褶皱越紧闭，轴部岩石裂隙越发育，需根据褶皱类型给对应网格乘以不同的修正系数，才能更准确表达褶皱与富水性的关系[5，7]。井田内褶皱的翼间角θ在70°～170°，开阔褶皱(70°<θ≤120°)的修正系数取1.2，平缓褶皱(120°<θ≤170°)修正系数取1.1，最后将修正完成的值赋给对应块段的中心坐标，并利用Surfer软件以克里格插值即可得到褶皱分形维数等值线(图4)。

图4 褶皱分形维数等值线Fig.4 Contour map of fractal dimension of folds

3 富水性分区评价

运用层次分析法确定主控因素的权重，用以评价含水层富水性，已经是一种较为常用的含水层富水性评价方法[8-9]。根据含水层富水性主控因素分析，将富水性影响因素划分为4大类：岩性特征、水力特征、构造特征、层位特征，构建富水性评价的层次分析模型(图5)。

图5 富水性评价层次分析模型Fig.5 Analytic hierarchy process model for evaluation of water richness

综合分析各主控因素构建关联层次初始模糊判断矩阵，在Matlab中运算[10]后可得各主控因素权重，见表1。

表1 主控因素权重值Tab.1 Weight value of main controlling factor

得到权重值后，采用极大值归一化方法[3，8]对各主控因素进行数据处理，并绘制归一化数据的单因素专题图(图6)。

图6 H2-4含水层富水性主控因素单因素专题图Fig.6 Single-factor thematic map of the main controlling factors of water richness in H2-4 aquifer

采用富水性指数法，综合多源地学信息建立含水层富水性评价模型：

0.195 7f5(x，y)+0.145 8f6(x，y)

式中，CI为富水性指数；wk为各主控因素的权重值；fk(x，y)为第k个评价指标的归一化值，其中(x，y)是该值所在坐标；n为多源信息个数。

以建立的富水性评价模型在GIS中对各主控因素的单因素专题图进行栅格叠加，得出井田H2-4含水层富水性分区图，使用GIS中的自然间断点分级法将H2-4含水层富水性分为弱富水区、较弱富水区、中等富水区、较强富水区、强富水区5个等级。

H2-4含水层富水性分区如图7所示。据图7分析可得，山西组底部H2-4含水层含水层富水性不均一，南部边浅部和北部采区局部含水层富水性较强，西南部由于埋深增大、构造较少，富水性较弱。

图7 H2-4含水层富水性分区Fig.7 Water-rich zoning map of H2-4 aquifer

4 结论

(1)以相似维将构造特征量化，运用富水性指数法进行含水层富水性评价与分区，将井田H2-4含水层划分为弱富水区、较弱富水区、中等富水区、较强富水区、强富水区。

(2)据矿井采掘涌水情况，加入量化构造特征的富水性指数法，可以更切合实际地评价含水层富水性。