底板岩溶水害治理效果综合评价模型及应用

2023-12-19许光泉谢治刚

安徽理工大学学报（自然科学版） 2023年5期

许光泉,鲍慧,刘星,贾娒 ,谢治刚 ,孙贵

(1.安徽理工大学地球与环境学院,安徽淮南 232001;2.安徽煤田地质局勘探研究院,安徽合肥 230001)

随着我国东部煤炭资源浅部资源的枯竭,向深部开采成为必然趋势,这也使高水压、高应力和高地温的岩溶突水机率随之增加,文献[1-5]均有论述。文献[6-10]为保障煤矿安全生产,在煤层底板一定深度岩溶含水层应用定向钻井注浆技术开展区域治理,封堵岩溶导水通道,不仅提高了煤层底板隔水层强度,而且降低或消除了奥陶系、寒武系岩溶水对深部开采安全的威胁。文献[11-15]分析了区域治理注浆工程具有隐蔽性,提出注浆效果不仅关系到防治水工程质量,更是解决矿山岩溶水害安全的关键。

以往对注浆效果评价,常采用物探监测方法、分析评价法、钻探法、压水试验等单一或组合的方法。如,文献[16]采用高密度直流电法和瞬变电磁法评价王坡矿综合注浆效果;文献[17]通过多种方法综合监测对比注浆前后的帷幕效果,结果发现存在多处异常,经后期验证存在一定差异;文献[18]根据现场压水试验反映注浆后岩体渗透性,以定量方式评价堵水效果。因此,目前注浆效果评价多以直接探测和间接压水等这类进行,尚未从钻探质量、注浆过程以及效果检验等方面综合快速反映注浆工程完成质量。

本文以安徽省淮南市顾北煤矿和潘二煤矿的A组煤层底板岩溶水治理工程为对象,采用灰色关联分析与层次分析方法以及模糊综合评价方法,构建多因素、多层次下的注浆效果评价模型,并依评价模型设计、编制实用程序,为快速评价岩溶水害注浆治理效果提供一种新评价方法。

1 注浆效果综合评价模型

1.1 评价体系构建

煤层底板注浆效果受多种因素影响。为全面、客观评价治理效果,在指标选取上,不仅要考虑影响探查、注浆过程、效果等主层次,并且要考虑主层次下的不同影响因素。为此,采用层次分析方法,以注浆效果综合评价为目标层,以钻探质量、注浆过程以及效果检验3个一级指标点为准则层,共选择14个二级指标构成指标层,如图1所示。

图1 注浆效果评价层次结构模型

1.2 权重计算

1) 权重计算方法利用层次分析法确定权重,依据1-9标度法,结合现场水文地质条件及专家打分方法,采用相对尺度对同级指标进行两两比较,构成判断矩阵A。

(1)

式中,anm为指标层不同要素相对重要性的比值。

运用方根法处理判断矩阵为

(2)

然后再作归一化处理,得到判断矩阵权向量,即

(3)

2)一致性检验判断矩阵构造是否合理关系到评判结果准确性,为确保判断矩阵合理性,需作一致性检验。

首先,求最大特征值

(4)

式中,ω为权重向量。

然后,再进行一致性检验

(5)

(6)

式中,CI为一致性指标;CR为一致性比例;RI为平均随机一致性指标。CI值越大,表明判断矩阵一致性程度越低,反之则越高。若CR<0.1,则表示所构造判断矩阵的一致性符合要求,归一化处理后的结果即为评价指标的权重,否则需要修改原判断矩阵。

1.3 评价对象评语集确定

评语集是各种评价等级集合,用V来表示,V={V1,V2...Vn},n为评价等级的数量。评价等级划分过多会出现区分不明情况,等级划分过少会导致结果不准确,为避免这一缺陷,评价等级在3～7个为宜。结合本次注浆工程实际、现场条件分析,经专家打分讨论,将注浆效果划分为优、良、合格以及不合格4个评价等级,即V={V1,V2,V3,V4}={优,良、合格、不合格},具体如表1所示。

表1 评价等级说明

1.4 隶属度确定

1.4.1量化评价指标根据注浆治理工程,制定影响注浆质量各评价指标及等级规则,为后续对每个指标隶属度计算提供依据。通过对8个钻场,共92个分支钻孔探查与注浆过程统计分析,确定14个指标作为影响探查与注浆效果的关键因素的评价指标,具体如下。

1)套管质量对套管内外表面、规格、材质质量进行查验,如果丝扣完好、无裂纹、无明显弯曲现象,则表明套管质量达标。以上套管满足为优(90%),较为满足为良(80%),基本满足为合格(60%),不能满足为不合格。

2)固管质量当套管固管72h后,扫孔至套管底部,孔内液面下降速度小于2cm·h-1视为合格,否则应补注水泥浆;套管丝扣漏水检查合格后开展注水试验,当压力10MPa观测1h,压力下降小于0.5MPa视为合格。对一开、二开套管按要求进行固管,当满足85%以上为优,75%以上为良,65%以上为合格,否则不合格。

3)钻井液质量钻井液质量主要考察泥浆性能。当90%以上性能满足注浆要求时为优,80%以上为良,70%以上为合格,低于70%为不合格。

4)平面轨迹偏差水平分支孔钻孔轨迹设计与实际轨迹偏差大小作为评判标准。以平面偏差不大于2.0m作为评估依据。当小于0.5m时为优,小于1.0m时为良,小于1.5m时为合格,当偏差大于2.0m时视为不合格。

5)钻孔跟层率以分支水平孔实际跟层率与设计要求比较为评价标准。当跟层率大于90%为优,大于85%为良好,大于60%为合格,低于60%为不合格。

6)注浆终孔压力注浆终压不小于水平段最大垂深度处岩溶含水层静水压力的1.5倍,且不得小于8MPa。达到85%以上为优,75%以上为良好,60%以上为合格,低于60%为不合格。

7)注浆结束泵量设计注浆结束泵量小于60L·min-1。注浆孔结束泵量平均值小于50L·min-1为优,小于55L·min-1为良好,小于60L·min-1为合格,大于60L·min-1为不合格。

8)注浆结束稳定时间设计注浆结束泵量稳定时间不小于30min。取各分支孔稳定时间的平均值,具体为当大于50min为优,大于40min为良,大于30min为合格,小于30min为不合格。

10)浆液性能浆液性能包括比重、注浆辅材配比,以及间歇注浆要求等。满足80%以上为优,70%以上为良,60%以上为合格,小于60%为不合格。

11)压水试验吸水率注浆前后压水试验吸水率间接反映了注浆效果,吸水率大,注浆效果差。按照注浆后吸水率小于10%、20%、30%和40%分别为优、良、合格和不合格标准。

12)P-Q-T动态曲线在注浆过程中,当注浆量随时间下降(Q-T曲线),且注浆压力随时间上升(P-T曲线),同时结束时注浆终压不小于设计终压,表明注浆达到了预期要求[19-20]。按照达到90%、85%、70%及以下范围划分为优、良、合格和不合格4个等级。

坝体钻孔施工采用150型回转式钻机成孔，可采用φ127或φ108钻头，无泵反循环钻进，造孔结束、清洗经验收合格后进行灌浆，采用分段自上而下灌浆法，灌浆塞设在已灌段的底部上方0.5 m处。

13)岩屑录井通过施工一个主孔和若干个分支孔开展区域治理工程时,为控制分支钻孔沿着既定的设计轨迹,采用捞取钻孔中岩屑进行检验。同时,通过岩屑成分确定相邻分支注浆钻孔间距设计是否合理。按照达到90%、85%、70%及以下范围划分为优、良、合格和不合格4个等级。

14)单位吸浆量一个注浆孔注浆结束后,如果后续注浆孔在注浆过程中吸浆量比上一个注浆孔吸浆量少,注浆治理效果按照90%、80%,60%及以下范围划分为优、良、合格和不合格4个等级。

1.4.2隶属度计算方法构造合理的隶属函数是进行模糊综合评价的关键。由于模糊综合评价研究对象具有一定的模糊性和经验性,因此,隶属度在计算上存在多种方式[21]。

此次隶属度采用灰色关联度法,灰色关联系数和隶属度都表示因素间强弱关系。因此,可在模糊综合评价中的隶属度用归一化关联度系数来表示[22]。灰色关联系数是参考序列和比较序列之间的关联度[23-24],将影响因素的实际值作为参考序列X0,各评判等级对应的量化指标作为比较序列为Xj,具体为:

X0={X0(j)|j=1,2,3,…,n}

Xj={Xj(k)|k=1,2,3,…,n,j=1,2,3,…,m}

式中,j为注浆效果影响因素的序号;k为评判等级的序号。

Δj(k)=|x0(j)xj(k)|

(7)

则X0与Xj灰色关联系数为

(8)

式中,ρ为分辨系数,通过降低最大值对关联系数失真的影响,从而提高关联系数之间的分辨率,它的取值区间为(0,1)。由此便可得到灰隶属度矩阵

(9)

1.5 注浆效果模糊综合评判

对二级指标权重ωBi而言,隶属度矩阵RBi进行模糊运算得到3个一级指标评价向量,即Bi=(bi1,bi2,bi3),i=1,2,3,4,其公式为

Bi=RBi·ωbi

(10)

将一级指标评价向量Bi与一级指标权向量ωA再次进行模糊运算,得到最后评价向量。依最大隶属度原则,评价向量中最大值对应的评价等级为最终评价结果。

2 模型开发与应用

2.1 模型开发

以Visual Studio2019为平台,在注浆效果综合评价理论基础之上,编制注浆效果综合评价程序。将上述相关评价指标带入菜单界面,可以直接给出计算结果,实现对注浆效果的快速评价,系统模块如图2所示。

图2 评价系统计算模块

2.2 模型应用

为验证该模型的效果,以潘二煤矿和顾北煤矿区域治理注浆工程为对象,选取相关参数进行分析、比对及评价。

1)工程概况两个矿位于淮南煤田中部,地层由新到老分别为新生界(第三系、第四系)、二叠系、石炭系、奥陶系以及寒武系等,其中二叠系山西组和上、下石盒子组为含煤地层。

含水层自上而下分别为新生界松散层的孔隙含水层组、二叠系砂岩裂隙含水层和灰岩岩溶裂隙含水层。其中A组煤层下部为石炭系岩溶裂隙含水层,为弱富水,而奥陶系岩溶富水性为弱、中等～强,且两者之间通过导水通道(如断层和岩溶陷落柱)发生一定水力联系,开采过程中主要考虑到受下部奥灰岩溶水威胁。因此,采用区域治理工程,在太原组灰岩层组中选择合理层位进行探查与注浆,消除岩溶水害对开采安全的威胁。

2)指标权重依据上述两个矿工程概况,本次注浆目的层选择太原组岩溶水层第九层灰岩,以潘二矿和顾北矿A组煤开采区域治理工程为对象,对照上述指标进行分析,然后设计注浆效果评价系统,通过编程实现。以潘二矿西四A组煤Z1注浆孔为例,指标权重的矩阵的设计界面如图3所示。