李奇峰 崔恒 肖樂(lè)樂(lè) 劉凱 許鑫

摘 要：為研究寧正煤田侏羅系煤層頂板含水層的富水性，運(yùn)用主客觀因素綜合賦權(quán)的方法，選取含水層厚度、粗砂巖含量、沖洗液消耗量、巖芯采取率、砂泥巖互層數(shù)、泥巖含量作為富水性評(píng)價(jià)的指標(biāo)，對(duì)8煤層的頂板富水性進(jìn)行分析。結(jié)果表明：利用模糊層次分析法-熵權(quán)法綜合賦權(quán)得到各項(xiàng)指標(biāo)的綜合權(quán)重，結(jié)合逼近理想解排序法的基本原理建立了煤層頂板富水性評(píng)價(jià)模型，南部地區(qū)涌水量約為0.2L/S，中部和北部涌水量約為0.27L/S，西北部涌水量約為0.36L/S，西南部涌水量約為0.43L/S，在煤田內(nèi)涌水量最大。并通過(guò)已知涌水點(diǎn)的分布，對(duì)所建立的評(píng)價(jià)模型進(jìn)行檢驗(yàn)，驗(yàn)證了該模型的準(zhǔn)確性。寧正煤田8煤層頂板富水性在西部和東部部分地區(qū)N703、N109鉆孔周邊的富水性最強(qiáng)，在南部補(bǔ)406、補(bǔ)601周邊的富水性最弱。

關(guān)鍵詞：風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)；模糊層次分析法；熵權(quán)法；寧正煤田

中圖分類號(hào)：TD 745文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1672-9315（2023）03-0523-07

DOI：10.13800/j.cnki.xakjdxxb.2023.0309開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

Evaluation of water-abundance and water gushing risk of Jurassic coal seam roof in Ningzheng coal field

LI Qifeng¹，CUI Heng²，XIAO Lele³，LIU Kai³，XU Xin³

（1.146 Team，Gansu Coal Geology Bureau，Pingliang 744000，China；2.Binxian Shuiliandong Coal Co.，Ltd.，Xianyang 712000，China；3.College of Geology and Environment，Xian University of Science and Technology，Xian 710054，China）

Abstract：This research attempts to investigate the water richness of the roof aquifer of Jurassic coal seam in Ningzheng coal field and evaluate the water richness of the roof aquifer accurately.By combining subjective and objective factors with comprehensive weighting method，aquifer thickness，coarse-grained sandstone content，flushing fluid consumption，drilling core rate，sand and mudstone interbedding number，mudstone content? are selected as indicators to evaluate the water richness of No.8 coal roof.The results show that：The comprehensive weight of each index is obtained by using fuzzy analytic hierarchy process and entropy weight method.Based on the fundamented principle of approximate ideal solution sorting method，a water-rich evaluation model of coal seam roof is established.The water inflow in southern area is about 0.2L/S，the water inflow in central and northern areas is about 0.27L/S，and the water inflow in northwestern area is about 0.36L/S.The water inflow in the southwest is about 0.43L/S，which is the largest in the coal field.Through the distribution of known inrush points，the evaluation model is the tested and the accuracy of the model is verified.The water-rich area of No.8 coal seam roof in Ningzheng coalfield is the strongest around N703 and N109 boreholes in western and eastern parts.In the south，the water richness is weakest around drilling holes 406 and 601.

Key words：risk assessment；fuzzy analytic hierarchy process；entropy weight method；Ningzheng coal field

0 引 言

煤礦水害是我國(guó)煤礦主要五種自然災(zāi)害之一，破壞性巨大，給煤礦安全生產(chǎn)帶來(lái)了很大隱患和損失^［1］。曾一凡等從影響含水層富水性的巖性差異、水力特性、構(gòu)造因素、地球物理參數(shù)4個(gè)因素出發(fā)，構(gòu)建了能夠較為全面，真實(shí)地刻畫富水性分布規(guī)律的四大類，16小類的主控因素體系^[2]；周全超等提出利用CRITIC法與AHP法分別得到評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重，運(yùn)用拉格朗日乘子法進(jìn)行耦合，最后繪制了研究區(qū)含水層富水性分區(qū)圖^[3]；汪子濤等結(jié)合熵權(quán)法和TOPSIS分區(qū)，建立了某盆地的涌水量預(yù)測(cè)模型，對(duì)研究區(qū)地下水空間富水性進(jìn)行了分區(qū)^[4]；唐李斌等建立了AHP-熵權(quán)法耦合的分界砂巖含水層富水性評(píng)價(jià)模型，將研究區(qū)分界砂巖含水層劃分為強(qiáng)富水區(qū)、較強(qiáng)富水區(qū)、中等富水區(qū)、較弱富水區(qū)和弱富水區(qū)５個(gè)等級(jí)^[5]；畢堯山等通過(guò)主、客觀有機(jī)結(jié)合得到綜合權(quán)重，構(gòu)建了基于層次分析法與獨(dú)立性權(quán)系數(shù)法綜合確權(quán)的含水層富水性指數(shù)法評(píng)價(jià)模型，利用ArcGIS繪制了研究區(qū)頂板砂巖含水層富水性分區(qū)圖^[6]；武強(qiáng)等采用GIS技術(shù)，提出將滲透系數(shù)，砂巖厚度，沖洗液消耗量，巖心采取率以及脆塑性巖厚度比作為頂板上的涌（突）水的主控因素，構(gòu)建了含水層富水性分區(qū)，同時(shí)結(jié)合多源地學(xué)信息復(fù)合疊加原理，提出9煤層頂板冒落涌（突）水綜合分區(qū)的劃分方案^[7-8]；李哲等采用BP人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法，選取了砂巖含水層厚度、巖芯采取率、脆性巖厚度比和風(fēng)化影響指數(shù)４個(gè)指標(biāo)，引入具有較好自主學(xué)習(xí)、非線性映射能力的BP人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，使用訓(xùn)練好的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)研究區(qū)含水層富水性進(jìn)行預(yù)測(cè)^[9]；張紅梅等采取巖性結(jié)構(gòu)指數(shù)、斷裂構(gòu)造分維值和褶皺變形系數(shù)３個(gè)定量指標(biāo)，結(jié)合模糊聚類綜合評(píng)判方法分析了含水層富水性，基于巖芯采取率和沖洗液消耗量等水文地質(zhì)信息，驗(yàn)證了模糊聚類綜合評(píng)判結(jié)果的可靠性^[10]；韓承豪等利用集對(duì)分析-可變模糊集耦合的評(píng)價(jià)方法，對(duì)直羅組砂巖含水層富水性進(jìn)行預(yù)測(cè)，建立頂板砂巖的富水性評(píng)價(jià)模型^[11]；肖樂(lè)樂(lè)等以富水結(jié)構(gòu)指數(shù)為基礎(chǔ)，選取含水層等效厚度、巖心采取率、砂泥比以及砂泥巖交互層數(shù)4個(gè)影響因素作為獨(dú)立評(píng)價(jià)指標(biāo)，提出了侏羅系煤田頂板直羅組砂巖含水層富水評(píng)價(jià)方法^[12]；李世峰等通過(guò)研究濃縮因子的分區(qū)原則，結(jié)合礦區(qū)富集度，構(gòu)建了礦區(qū)地下水富水性進(jìn)行分區(qū)^[13]；卜慶林等結(jié)合3#煤頂板中砂巖厚度、沖洗液最大消耗量、巖心采取率、平均孔隙度和斷層密度5個(gè)因素的影響作用，利用信息擬合方法，構(gòu)建了煤層頂板富水性分區(qū)^[14]；石守橋等采用斷層分維值對(duì)斷層構(gòu)造特征進(jìn)行定量描述，構(gòu)建了巖性結(jié)構(gòu)指標(biāo)模型，對(duì)煤層頂板富水進(jìn)行分區(qū)^[15]；根據(jù)模糊層次、模糊聚類^[16-17]等數(shù)據(jù)方法的分析，對(duì)煤層頂板的富水性進(jìn)行分區(qū)，提出了各影響因子權(quán)重的確定問(wèn)題。

筆者采用模糊層次分析法-熵權(quán)法綜合賦權(quán)-逼近理想解排序分區(qū)的方法，對(duì)寧正煤田侏羅系8號(hào)煤層的頂板富水性進(jìn)行分區(qū)，以期達(dá)到對(duì)煤田內(nèi)頂板富水性強(qiáng)弱有具體的理論認(rèn)知的目的。

1 地質(zhì)概況

寧正煤田包括5個(gè)含水層和3個(gè)隔水層，其中第四系全新統(tǒng)砂礫層孔隙潛水含水層為井田第一含水層，下白堊統(tǒng)志丹群碎屑巖類孔隙裂隙潛水含水層為井田第二含水層，下白堊統(tǒng)志丹群孔隙、裂隙承壓含水層為井田第三含水層，中侏羅統(tǒng)直羅組、延安組上、中部（8煤層頂板以上）砂巖復(fù)合承壓含水層為井田第四含水層，中侏羅統(tǒng)延安組下部8煤層底板以下—三疊系砂巖、礫巖孔隙、裂隙復(fù)合承壓含水層為井田第五含水層（圖1）。

中侏羅統(tǒng)直羅組、延安組上、中部砂巖復(fù)合承壓含水層該層屬煤層頂板含水層，主要為細(xì)砂巖、中砂巖、粗砂巖，一般直羅組下部及延安組每層煤的間接頂板都為中—粗粒砂巖，含水層厚0.7～140 m，平均60.11 m。

寧正煤田內(nèi)含水層自上而下主要有第四系孔隙潛水含水層、第四系中更新統(tǒng)黃土孔隙-裂隙潛水含水層、新近系砂礫巖含水層段、白堊系下統(tǒng)華池組砂巖裂隙含水層段、白堊系下統(tǒng)洛河組砂巖孔隙-裂隙承壓含水層段、白堊系下統(tǒng)宜君組礫巖裂隙含水層段、侏羅系中統(tǒng)直羅組砂巖裂隙承壓含水層、侏羅系中統(tǒng)延安組煤層及頂板砂巖承壓含水層和三疊系上統(tǒng)胡家村組砂巖裂隙含水層。其中侏羅系中統(tǒng)直羅組砂巖裂隙承壓含水層、侏羅系中統(tǒng)延安組煤層及其頂板砂巖承壓含水層是開采8煤層的直接充水含水層。

2 頂板富水性權(quán)重確定

2.1 主觀權(quán)重

模糊層次分析法是在層次分析法的基礎(chǔ)上添加模糊數(shù)學(xué)理論，對(duì)目標(biāo)指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)以減少個(gè)人主觀影響^[18]。層次分析法是一種多因素分析、多指標(biāo)分級(jí)的評(píng)價(jià)方法^[19]。層次分析法的關(guān)鍵在于構(gòu)造各層次的判斷矩陣，將模糊數(shù)學(xué)思想和方法引入^[20-21]，得到綜合考慮人為判斷的模糊性的定性與定量相結(jié)合的系統(tǒng)分析方法，即模糊層次分析法。

2.2 客觀權(quán)重

熵權(quán)法能反應(yīng)出信息無(wú)序化的程度，能最大化地降低權(quán)重計(jì)算中人為因素的干擾^[22]。熵權(quán)法是根據(jù)各主控因素之間變化幅度的大小來(lái)確定客觀權(quán)重，熵是系統(tǒng)無(wú)序程度的一個(gè)度量^[23]，能夠較好地反映各主控因素之間的內(nèi)部客觀邏輯，信息熵值越小，指標(biāo)的離散程度越小。

2.3 綜合權(quán)重

由于主客觀權(quán)重的賦權(quán)依據(jù)不同，為兼顧主客觀權(quán)重的優(yōu)點(diǎn)，需要對(duì)主客觀因素進(jìn)行綜合賦權(quán)。當(dāng)評(píng)價(jià)指標(biāo)個(gè)數(shù)較多，權(quán)數(shù)分配比較均勻時(shí)往往采用乘法合成歸一化法將主客觀權(quán)重有機(jī)結(jié)合^[24]，計(jì)算主控因素的綜合權(quán)重。

3 頂板富水性風(fēng)險(xiǎn)因素

3.1 含水層厚度

含水層厚度直接影響含水層的儲(chǔ)水量，在一定程度上能夠代表含水層儲(chǔ)水空間的大小，是確定含水層富水性的重要指標(biāo)之一。含水層較厚的地方主要集中在井田的西北部（圖2（a））。在N701、N703、N602附近含水層厚度為189～360 m；在N005、N008、補(bǔ)402附近含水層厚度在118～189 m；在N801、N603、N801、N111附近含水層厚度在65～118 m；在N506、N406、N304、N205、N306、補(bǔ)406附近含水層厚度為0～65 m。

3.2 粗砂巖含量

粗砂巖含量主要指巖石粗砂巖的含量，粗砂巖含量越多，則涌入采動(dòng)空間的水量越大，富水性越強(qiáng)。粗砂巖厚度較大的區(qū)域主要在井田西南部（圖2（b））。在N703的附近138～240 m；在N701附近，粗砂巖含量較大，粗砂巖含量在88～138 m；在N601、N506、N406、N304、N306、N205、補(bǔ)101、補(bǔ)402附近，粗砂巖為0～40 m。

3.3 砂泥巖互層數(shù)

砂泥巖互層數(shù)是指煤層頂板含水層與隔水層的交互層數(shù)，含水層、隔水層互層層數(shù)越多，富水性越弱。砂泥巖互層數(shù)較多的區(qū)域集中在西北部和東部（圖2（c））。在N802、N106、N102的附近，砂泥互層數(shù)為42～75 m；在N701、N602、N703、補(bǔ)402的附近，砂泥巖互層數(shù)為29～42層；在N601、N506、N406、N304、N112的附近，砂泥巖互層數(shù)為20～29層；在N801、N306、N205、補(bǔ)406附近，砂泥巖互層數(shù)為10～20層。

3.4 巖芯采取率

巖芯采取率可以用來(lái)表示巖石的完整程度，巖石越破碎，取芯率越低，連通性越好，富水性越好，井田西南部的取芯率較高（圖2（d））。在N506、N406、補(bǔ)406、N010的附近，巖芯采取率為80%～92%；在N304、N306、N201、N112的附近，巖芯采取率為71%～80%；N701、N603、N701的附近，巖芯采取率為38%～63%。

3.5 沖洗液消耗量

沖洗液消耗量能反應(yīng)巖層透水性能，沖洗液消耗量大通常滲透系數(shù)大。沖洗液消耗量大的區(qū)域主要在井田北部及中部區(qū)域（圖2（e））。在補(bǔ)403的附近，沖洗液消耗量為6.5～15 L·min^-1；在N304、N703、N108的附近，沖洗液消耗量為3～6.5? L·min^-1；在N111、N110、N801、N802的附近，沖洗液消耗量為0～1.4? L·min^-1。

3.6 泥巖含量

泥巖作為隔水層可以阻止含水層的水進(jìn)入礦井，泥巖的厚度直接影響著其隔水能力，泥巖含量較大區(qū)域主要在井田的西南部（圖2（f））。在N802、N701、N602、N111的附近，泥巖含量為93～170 m；在N005、N801、N108、N004的附近，泥巖含量為57～93 m；在N304、N506、N406、N019、N112的附近，泥巖含量為27～57 m；在N011、N006、補(bǔ)406鉆孔的附近，泥巖含量為0～27 m。

4 富水性評(píng)價(jià)體系

4.1 評(píng)價(jià)模型

為建立正確合理的頂板富水性評(píng)價(jià)模型，將頂板富水性評(píng)價(jià)模型分為3個(gè)層次結(jié)構(gòu)，目標(biāo)層為煤層頂板富水性影響因素，準(zhǔn)則層包括有富水介質(zhì)類型、儲(chǔ)水空間大小和水力聯(lián)系強(qiáng)度，決策層對(duì)準(zhǔn)則層每一步條件進(jìn)行細(xì)化，充分考慮每一個(gè)影響因素，包括有含水層厚度、粗砂巖含量、沖洗液消耗量、巖芯采取率、泥巖含量和砂泥互層數(shù)（圖3）。

4.2 主控因素指標(biāo)權(quán)重的確定

4.2.1 模糊層次分析法確定主觀權(quán)重

根據(jù)煤層頂板富水主控指標(biāo)建立模糊一致判斷矩陣。利用0.1～0.9模糊標(biāo)度法，結(jié)合寧正煤田自身地質(zhì)條件，構(gòu)建富水預(yù)測(cè)的模糊互補(bǔ)判斷矩陣。從富水介質(zhì)類型來(lái)看水力聯(lián)系強(qiáng)度比儲(chǔ)水空間大小對(duì)富水性的影響更大，從儲(chǔ)水空間大小角度來(lái)看水力聯(lián)系強(qiáng)度比富水介質(zhì)類型對(duì)富水性的影響更大，從水力聯(lián)系強(qiáng)度來(lái)看儲(chǔ)水空間大小比富水介質(zhì)類型對(duì)富水性影響更大（表1～表4）。

4.2.2 熵權(quán)法確定客觀權(quán)重

熵權(quán)法不參雜人為主觀因素，熵值越大，富水性影響因素的占比越重，越重要；熵值越小，富水性因素占比越輕，越不重要。熵權(quán)法所得到的客觀權(quán)重沖洗液消耗量的占比最大，泥巖含量占比的最?。ū?）。

4.2.3 模糊層次分析法-熵權(quán)法確定綜合權(quán)重

模糊層次分析法是含水層富水性分析的一種方法，熵權(quán)法是不考慮專家意見而進(jìn)行的客觀打分，采用綜合權(quán)重可以有效的規(guī)避單獨(dú)使用二者之一的缺陷。沖洗液消耗量的綜合權(quán)重最大，最重要；砂泥巖互層數(shù)的綜合權(quán)重最小，對(duì)富水性的影響最小。巖芯采取率值最小，巖芯采取率對(duì)富水性影響最弱，沖洗液消耗量值最大，對(duì)富水性影響最大（表5）。

4.3 寧正煤田頂板富水性風(fēng)險(xiǎn)分區(qū)

寧正煤田已知有56個(gè)鉆孔數(shù)據(jù)，結(jié)合寧正煤田含水層富水性影響因素權(quán)重（表5），利用逼近理想解排序法對(duì)寧正煤田頂板富水性進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)區(qū)，得出各鉆孔涌水風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)為0.2～0.6，涌水風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)越大，富水性越強(qiáng)；涌水風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)越小，富水性越弱。寧正煤田內(nèi)8煤層頂板富水風(fēng)險(xiǎn)主要在西北部和東部地區(qū)，南部地區(qū)富水風(fēng)險(xiǎn)極低，北部地區(qū)風(fēng)險(xiǎn)中等，鉆孔涌水量大小與富水性分區(qū)一致（圖4）。

5 結(jié) 論

1）提出寧正煤田8煤層頂板富水的影響因素，主要有含水層厚度、粗砂巖含量、沖洗液消耗量、巖芯采取率、砂泥巖互層數(shù)、泥巖含量。

2）利用模糊綜合評(píng)價(jià)-熵權(quán)法綜合賦權(quán)，逼近理想解排序法分區(qū)的方法對(duì)寧正煤田進(jìn)行頂板富水性評(píng)價(jià)，構(gòu)建了煤層頂板富水性風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型。

3）對(duì)寧正煤田的8煤層頂板富水性進(jìn)行分區(qū)，南部地區(qū)涌水量最小，中部和北部涌水量較小，西南部在礦井內(nèi)涌水量最大。

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（責(zé)任編輯：李克永）