多因素評價地層富水性技術的分析與應用

呂玉廣，李春平，韓 港，陳軍濤，王 維，喬 偉

(1.中國礦業(yè)大學 資源與地球科學學院，江蘇 徐州 221116； 2.內(nèi)蒙古上海廟礦業(yè)有限責任公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 016299； 3.山東科技大學 能源與工業(yè)工程學院，山東 青島 266590)

含水層富水性評價與預測是礦井水害防治工作中十分重要且具有基礎性意義的工作，是礦井生產(chǎn)系統(tǒng)特別是防排水系統(tǒng)設計及水害防治技術方案與技術路線選擇的基礎[1]。教課書將巖層富水性定義為巖層所能給出水的能力[2](water yield property；water abundance；water-richness)；煤地質(zhì)學上定義為單位時間內(nèi)開采鉆孔可能從含水層中得到的水量(unit inflow)，取決于含水層的巖性、厚度、地質(zhì)構造和補給條件等。煤系地層充水含水層類型多，條件復雜[3]，特別是砂泥質(zhì)交互沉積型含水層，由于其滲透性的高度非均質(zhì)、各向異性和非連續(xù)性等特點，造成含水層富水性極不均勻，甚至同一含水層沒有統(tǒng)一的地下水水頭面[4]。砂泥質(zhì)互層型含水地層的富水性受控因素多，以“三圖·雙預測”技術為代表[5-6]，常選取砂巖厚度、脆塑性比值、單位涌水量、滲透系數(shù)、RQD值、沖洗液消耗量、構造等地學因素作為富水性評價的主控因素。由于相關因素多、各因素對富水性“貢獻”大小不盡相同，需要運用專業(yè)的數(shù)學工具確定各因素的權重。主觀賦值法或客觀賦值法是常用的方法[7]，層次分析法是主觀賦值法的一種，建立層次結構模型包括目標層、準則層、決策層[8]，然后進行“專家評分”，按T.L.SAATY創(chuàng)立的1～9標度構建AHP判斷矩陣，通過復雜運算得到權重分配方案[9-10]。也有學者采用變異系數(shù)法[11]、模糊聚類[12-14]、支持向量機[15]、語氣算子[16]、貝葉斯分析法[17]等建立數(shù)學模型，確定因素間灰色關聯(lián)度和權重值。由于數(shù)據(jù)量大，常采用功能強大的地理信息系統(tǒng)(GIS)進行多因素融合和數(shù)據(jù)疊加，但煤礦從事一線防治水工作的主體隊伍中，能熟練操作GIS的工程技術人員較少，在一定程度上限制了該技術的推廣應用。

富水性評價效果根本上是由基礎數(shù)據(jù)的質(zhì)和量決定的，評價的是相對富水性，勘探工程獲取的信息量十分龐雜，采信數(shù)據(jù)時如果沒有規(guī)范約束，會導致大量橫向可比性不高甚至無效的數(shù)據(jù)參與評價，不僅無益于評價的客觀性，還會過度依賴數(shù)學工具，推高評價的“技術”難度。

1 技術分析

1.1 評價對象分析

(1)目標層段概念。研究富水性規(guī)律的目的是評估采掘工程所處區(qū)域富水性相對強弱，結合其他地質(zhì)條件確定防治水技術路線——開采或作為水文地質(zhì)損失棄采、采取疏放措施或增加防排水系統(tǒng)能力措施等。采礦工程影響到的地層范圍稱為目標層段，目標層段的富水性評價才具有實踐意義。

(2)目標層段確定方法。理論上，導水裂隙帶上部如果有一定厚度的隔水巖層存在，只要能抵抗上部靜水壓力，即可以阻止砂巖水入滲采場，因此目標層段與導水裂隙帶空間上一致?？梢圆捎霉こ虒崪y、相似材料模擬實驗[18]、數(shù)值模擬[19]等方法確定目標層段。《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規(guī)范》提供的經(jīng)驗公式應用于不同礦區(qū)會有一定誤差，只要能靈活運用仍是首選。為消除計算值偏小的負面性，可以經(jīng)驗公式得到的導水裂隙帶為基礎，適當增加一定的厚度，共同作為目標層段[20](圖1)。此時目標層段類似于防水煤(巖)柱，但與傳統(tǒng)意義有所不同。目標層段不是等厚地層體，是一個底界面隨煤層頂板起伏的厚度不等的曲面體。

圖1 目標層段示意Fig.1 Schematic diagram of target layer

1.2 評價參數(shù)分析

(1)砂巖厚度。砂巖原生孔隙裂隙較泥巖發(fā)育，在構造應力作用下更容易產(chǎn)生面狀網(wǎng)絡型裂隙，這些孔隙或裂隙共同構成了儲水空間；泥巖在構造應力作用下以塑性變形為主，具有約束構造裂隙延展功能，因此泥巖被視為隔水層[21]。通常統(tǒng)計的是一套地層內(nèi)砂巖總厚度，而地史學意義上的一套地層厚度可達數(shù)百米，顯然其中部分含水層不受采礦影響，不在目標層段內(nèi)。如圖2所示：研究區(qū)煤層頂板延安組地層厚度238.5m，包括含水砂巖8層(Ⅰ—Ⅷ)、隔水性泥巖8層(Ⅰ—Ⅷ)。綜合機械化采煤法，一次采全高4.5 m，軟巖地層，采用經(jīng)驗公式計算目標層段68.0 m，則目標層段包含4個隔水層、5個含水層，在第Ⅴ隔水層阻隔下，Ⅴ—Ⅷ層砂巖水無法進入采場。把砂巖厚度作為評價指標時，必須以目標層段為限。只要有地層信息就可以計算砂巖厚度，數(shù)據(jù)來源廣泛。

圖2 含水層與隔水性Fig.2 Water-bearing stratum and water resisting layer

(2)砂地比。也有文獻以砂泥比表述，但含義差別很大。砂泥比，指一套地層內(nèi)砂巖與泥質(zhì)巖石厚度的比值[22]。該套地層如果均為泥質(zhì)巖石則砂泥比為0，均為砂巖石時比值為∞，取值區(qū)間過大，影響其與其他參數(shù)進行合理的加權計算，砂泥比也稱為脆塑性比。砂地比即目標層段內(nèi)的砂巖厚度與目標層段厚度之比，取值區(qū)間為0～1。用式(1)表示：

(1)

式中，Bs為砂地比，無量綱；Dm為目標層段厚度；dsh為目標層段內(nèi)砂巖厚度；dni為目標層段內(nèi)泥質(zhì)巖石厚度。

受采高、采煤方法等影響，同一煤層甚至同一采煤面的目標層段厚度差別很大，單純以砂巖厚度來比較富水性是有缺陷的，厚度不等的2個目標層段，盡管砂巖厚度相等。目標層段大的相對于目標層段小的富水性為弱，如果沒有目標層段限制，問題會更加突出。目標層段內(nèi)砂地比評價地層富水性更有優(yōu)勢，只要有地層信息就可以計算砂地比，數(shù)據(jù)來源廣泛。

(3)單位涌水量。單位涌水量(q)直接表征地層的富水性[23]，但在實踐中同一含水層抽水試驗次數(shù)不會很多，數(shù)據(jù)量較小。此外，礦井經(jīng)歷普查、詳查、精查、補充勘探等多個勘查階段，施工單位多變，對含水層的認識過程由淺入深，難免會出現(xiàn)對同一含水層抽水試驗層段不相等，致使試驗成果橫向可比性不足。如圖3所示，Z3為多含水層混合抽水，Z4不僅是多含水層混合抽水，且沒有將目標層段內(nèi)所有含水層包括進去；Z1抽水雖然為撮合抽水，煤層底板泥巖對試驗結果基本沒有影響，但目標層段內(nèi)上部砂巖未參與試驗；Z2抽水試驗層段與目標層段一致。上述4個抽水試驗成果不具有橫向可比性，應以目標層段為條件排除Z1、Z3、Z4數(shù)據(jù)，這樣可采用的單位涌水量數(shù)據(jù)進一步減少，數(shù)據(jù)量較少。

圖3 目標層段與抽水試驗層段關系Fig.3 Target zone and pumping test zone

(4)滲透系數(shù)。滲透系數(shù)(K)也稱為水力傳導系數(shù)[24]，在各向同性介質(zhì)中，定義為單位水力梯度下的單位流量，表示流體通過孔隙骨架的難易程度，經(jīng)常作為含水層富水性評價的一個參量。滲透系數(shù)同樣來源于單孔抽水試驗，利用裘布依公司推導計算而得，數(shù)據(jù)量較少。

(5)沖洗液消耗量。沖洗液消耗量間接反映巖體內(nèi)可儲水的張性裂隙發(fā)育程度[25]，常用來評價地層富水性。沖洗液消耗量刻畫巖體內(nèi)儲水空間條件情況，但張性裂隙未必實際充水，尤其是生產(chǎn)礦井，覆巖裂隙發(fā)育情況被人為改變，采動裂隙內(nèi)可能充水，也可能不充水；限于現(xiàn)場觀測條件，沖洗液消耗量數(shù)據(jù)精確性、可靠性不是很高。沖洗液消耗量按鉆探回次測量記錄，如何計算目標層段內(nèi)沖洗液消耗量也是個難題?？傊?，數(shù)據(jù)準確性和可靠性不高。

(6)巖石質(zhì)量指標(RQD)。用直徑為75 mm的金剛石鉆頭和雙層巖芯管在巖石中鉆進、取芯，回次鉆進所取巖芯中，長度大于10 cm的巖芯段長度之和與該回次進尺的比值稱為巖石質(zhì)量指標(RQD值)，以百分比表示。RQD值越小，表明巖石完整程度越差，構造裂隙相對更發(fā)育，間接反映巖層的儲水能力，與通過沖洗液消耗量間接反映巖層充水能力存在的問題類似。此外，隨著地球物理測井技術的進步，為縮短勘探工期、節(jié)省勘探費用，越來越多地采用無芯鉆進施工法，RQD數(shù)據(jù)來源受到限制，且受鉆探方法和人為因素影響較大。

(7)裂隙率。裂隙率即巖石中裂隙的體積與包括裂隙在內(nèi)的巖石體積之比(體積裂隙率)，野外工作時，一般測定巖層的面裂隙率或線裂隙率。除了專項科研需要外，采集巖芯并觀測、統(tǒng)計裂隙率的做法不太常見，生產(chǎn)礦井一般不具備相關數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)來源十分有限。

(8)構造分維。分形理論作為研究不規(guī)則形體的自相似性及其復雜程度的理論，隨著分形幾何學等非線性理論的發(fā)展及其在地質(zhì)學中的廣泛應用，為地質(zhì)構造空間分布和幾何結構特征的定量表征提供了新的手段[26]，也為構造裂隙型水害研究提供了新的思路。構造場通常包括斷層、褶曲、陷落柱、煤層隱伏露頭線等。三維地震勘探技術識別構造精度日益提高，構造分維的數(shù)據(jù)量來源廣泛且可靠性高。

上述8種地學參數(shù)中大部分數(shù)據(jù)來源受限或可靠性不高，同一井田各類參數(shù)同時具備的案例極少，在目標層段約束下有效數(shù)據(jù)量更少，使得采用常規(guī)的辦公手段解決權重分配和數(shù)據(jù)融合成為可能。

1.3 權重分配方法分析

地學參數(shù)多、各參數(shù)間層次結構復雜、數(shù)據(jù)量很大的情況下，需要用高等數(shù)學手段分配各參數(shù)權重，以AHP(Analytic Hierarchy Process)層次分析法為例進行分析。AHP分配權重流程[27]如下：

(1)建立層次結構模型。將上述8種地學參數(shù)歸類于巖性場、水動力場、構造場，建立層次結構模型如圖4所示。A層為富水性評價的目標層；B層為準則或關聯(lián)層；C層為參與評價的各種地學參數(shù)。

圖4 層次結構模型Fig.4 Hierarchical model

(2)構造判斷矩陣、校核矩陣的合理性、矩陣計算、確定各參數(shù)權重值。

(3)數(shù)據(jù)歸一化處理消除量綱、統(tǒng)一量級。

(4)GIS系統(tǒng)平臺進行數(shù)據(jù)疊加，得到富水性指數(shù)列表。

(5)基于GIS系統(tǒng)平臺繪制富水性指數(shù)等值線圖，以此表征富水性平面規(guī)律。

通過專家評分，對8種地學參數(shù)進行兩兩比較，根據(jù)1～9標度法初步確定相對重要性，從而建立矩陣，通過矩陣計算確定各參數(shù)權重。專家評分本身就是主觀性行為，矩陣計算以“專家評分”的主觀性行為基礎，既然實踐中同時具備的參數(shù)種類較少，“專家評分”直接賦給各參數(shù)權重值更為簡便。

GIS系統(tǒng)的學習和操作較為困難，基層工程技術人員較少能掌握。通過以上分析，實踐中數(shù)據(jù)量并不很大，采用Excel、Surfer這2種工具完全可以滿足數(shù)據(jù)疊加和繪制成果圖的需要，工程技術人員普遍能熟練掌握。

2 實例分析

2.1 地質(zhì)條件

某井田面積43.75 km2，開采侏羅紀延安組2煤，厚度1.5～9.2 m，平均厚6.1 m。地層自下而上有：①三疊系延長組(T3y)。煤系地層基底，厚度大于500 m，巖性以砂巖、粉砂巖為主，富水性極弱。②侏羅系延安組(J2y)。含煤地層，以砂巖、粉砂巖、泥巖為主，平均厚度353.5 m，砂巖含水層富水性不均。③侏羅系直羅組(J2z)。平均厚度243.2 m，以泥巖、粉砂巖、細粒砂巖為主，底部含礫粗粒砂巖發(fā)育，富水性中等。④白堊系志丹群(K1zd)。平均厚度251.6 m，上部以細—粗砂巖為主，下部為巨厚層礫巖，富水性中等。⑤古近系(E)。平均厚度103.1 m，礫巖為主，夾泥巖薄層。⑥第四系(Q)。風積砂，平均厚度35.9 m。

井田地層綜合柱狀如圖5所示。

圖5 井田地層綜合柱狀Fig.5 Comprehensive histogram of strata in coal field

2煤上距直羅組7.8～46.3 m，平均21.3 m，導水裂隙局部波及直羅組下部地層。本區(qū)為典型的膨脹性軟巖，砂巖遇水崩解，容易突水潰砂，制約安全生產(chǎn)；泥巖吸水泥化，制約高效生產(chǎn)，需要研究煤層頂板富水性指導疏水鉆孔設計。

2.2 確定目標層段

井田內(nèi)31個鉆孔揭露2煤層厚度1.5～9.2 m，平均厚6.1 m；綜采支架的最小采高2.8 m，最大采高6.0 m。按前文方法確定目標層段37.48～57.92 m。目標層段等厚線如圖6所示。

圖6 目標層段厚度等值線Fig.6 Target layer thickness isoline

2.3 確定評價參數(shù)

全井田做過二維地震勘探、三維地震勘探，構造控制程度較高；經(jīng)歷過4期，共有各類鉆孔47個。

(1)砂巖厚度。共31個鉆孔穿過目標層段，12個孔取心鉆進，31個孔有地球物理測井資料，可得31個砂巖厚度數(shù)據(jù)。

(2)砂地比。與砂巖厚度相對應，共31個數(shù)據(jù)。

(3)單位涌水量(q)。8個孔做過抽水試驗，其中2個孔為白堊系和直羅組混合抽水，1個孔為煤層頂?shù)装寤旌铣樗徊捎?。其?個孔抽水試驗層段與目標層段基本一致，這5個數(shù)據(jù)可采用。

(4)滲透系數(shù)(K)。與單位涌水量相對應，共有5個數(shù)據(jù)可采用。

(5)構造分維。構造查明程度較高，構造分維可作為富水性評價主控因素之一。

其他如RQD值、裂隙率、沖洗液消耗量等，或者沒有數(shù)據(jù)，或者數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)可靠性低，不采用。抽水試驗鉆孔見表1。

表1 抽水試驗鉆孔Tab.1 List of pumping test holes

2.4 分項評價

(1)砂巖厚度。根據(jù)鉆孔信息，計算目標層段內(nèi)砂巖層累加厚度，繪制砂巖等厚線如圖7所示。

圖7 砂巖等厚線Fig.7 Isopach map of sandstone

(2)砂地比。延安組和直羅組的水文地質(zhì)條件相似，忽略地史學意義上地層分界概念，將進入目標層段的地層視為同一套地層。根據(jù)砂地比計算公式得砂地比數(shù)據(jù)列表，繪制砂地比等值線如圖8所示。

圖8 砂地比等值線Fig.8 Contour line of sand-land ratio

(3)單位涌水量。單位涌水量共5個有效數(shù)據(jù)(表2)，繪制單位涌水量等值線如圖9所示。

圖9 單位涌水量等值線Fig.9 Contour map of unit discharge

表2 單位涌水量統(tǒng)計Tab.2 Statistics of water inflow per unit

(4)滲透系數(shù)。滲透系數(shù)共5個有效數(shù)據(jù)(表3)，繪制滲透系數(shù)等值線如圖10所示。

圖10 滲透系數(shù)等值線Fig.10 Contour line of permeability coefficient

表3 滲透系數(shù)統(tǒng)計Tab.3 Statistical table of permeability coefficient

(5)構造分維。以200 m為邊長，將井田劃分為816個正方形塊段，以每個正方形中心點坐標作為數(shù)據(jù)點坐標。根據(jù)構造綱要圖，主要構造包括斷層、煤層隱伏露頭(風化基巖)，褶曲軸幅小、無陷落柱等其他構造。計算得到816個構造分維值，繪制構造分維專題圖如圖11所示。

圖11 構造綱要及構造分維值等值線Fig.11 Construction outline and construction fractal dimension value contour map

2.5 綜合評價

(1)確定權重。根據(jù)對該區(qū)有長期工作經(jīng)驗的專家意見，分配各參數(shù)權重見表4。

表4 權重分配Tab.4 Weight distribution

(2)歸一化處理。對5種參數(shù)分別進行歸一化處理，使區(qū)間值為0～1。歸一化公式如下：

(2)

式中，Ai為歸一化處理后的數(shù)據(jù)；a、b為歸一化區(qū)間的兩極值，a為下限取0，b為上限取1，則歸一化后數(shù)據(jù)的區(qū)間為0～1；xi為歸一化前的原始數(shù)據(jù)；minxi為地質(zhì)因素量化值的最小值；maxxi為地質(zhì)因素量化值的最大值。

(3)數(shù)據(jù)疊加。構造分維816個數(shù)據(jù)，砂巖厚度和砂地比各31個數(shù)據(jù)，單位涌水量、滲透系數(shù)各5個數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)量不等、點坐標不同，可按下列步驟進行5種參數(shù)的融合。①將構造分維816個數(shù)據(jù)點分別投影到砂巖厚度、砂地比、單位涌水量、滲透系數(shù)專題圖上。②在各專題圖上人工讀取對應的數(shù)值，記入Excel表格總數(shù)據(jù)表內(nèi)。這樣數(shù)據(jù)量相等、點坐標相同，便于數(shù)據(jù)疊加。③在電子表格內(nèi)設置公式，各參數(shù)乘以相應的權重值后相加，得到富水性綜合指數(shù)。疊加公式：

(3)

式中，F(xiàn)zhi為富水性綜合指數(shù)；i為參數(shù)序號(1～816)；n為參數(shù)個數(shù)，本例為5；Wi為第i個參數(shù)的權重值；Ai為第i個參數(shù)的歸一化值。

(4)繪制成果圖。將富水性綜合指數(shù)列表導入Surfer繪圖軟件，克里金插值得到評價成果圖(圖12)。

2.6 評價效果分析

該礦為新建礦井，1221、1222是礦井最早開采的2個工作面。采取疏干措施，回采中頂板無淋水、采空區(qū)無涌水，放水量具有可比性。1121工作面共布置76個鉆場，總放水量296 538 m3；1122工作面共布置60個鉆場，總放水量78649m3。從工作面中部作一條剖面線，依據(jù)圖12繪制富水性指數(shù)曲線(圖13實線)；將兩巷內(nèi)對應位置(鉆場)放水量相加，繪制放水量變化曲線(圖13虛線)。

圖12 2煤頂板富水性綜合指數(shù)等值線Fig.12 contour line of water-richness index of No.2 coal seam roof

圖13 富水性指數(shù)與放水量相關性曲線Fig.13 Correlation curve between water-rich index and discharge

從圖13可以看出，1221工作面2條曲線變化趨勢高度吻合；1222工作面2條曲線變化趨勢基本一致，總體上評價效果較好。

3 結論

(1)富水性評價的本質(zhì)是目標層段的富水性評價，目標層段與采礦工程實踐密切相關，只有同處于目標層段內(nèi)的數(shù)據(jù)才具有較好的可比性。

(2)實踐中同時具備各種地質(zhì)參數(shù)的案例極少，層級結構簡單，“專家評分”方法直接賦權重值；數(shù)據(jù)量小，可采用常規(guī)的辦公手段進行數(shù)據(jù)融合。

(3)應用實例表明，雖然可用的地學參數(shù)少、數(shù)據(jù)量小，目標層段約束下的數(shù)據(jù)具有更好的橫向可比性，與定性評價的本質(zhì)統(tǒng)一，評價效果較好。