CN112132454B - 一种煤层顶板或底板含水层富水性综合评价方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种煤层顶板或底板含水层富水性综合评价方法，采用等价含水层厚度M、统一口径单位涌水量q、研究区构造容量维D和顶板或底板含水层电导率值δ作为判别指标，利用层次分析法和熵权法(AHP‑EMM)综合计算各评价指标权重，将获得的综合指标权重和归一化后的指标数据，代入公式计算富水性指数，使用绘图软件绘制富水性分区图。本发明评价使用的指标物理意义明确，操作简单，数据易得，易于实际应用。
Description
技术领域
本发明属于煤矿安全开采技术领域，具体涉及一种煤层顶板或底板含水层富水性综合评价方法。
背景技术
煤炭是我国主要能源之一，在开采过程中，水害问题严重制约着我国煤矿安全高效生产，突水不仅严重影响矿井井巷开拓和回采工作，而且还造成伤亡和经济损失。除采动因素以外，煤层顶(底)板含水层富水性是影响顶板突水的主控因素之一，因此，对煤层顶(底)板含水层的富水性作出合理预测预报评价，及对矿井安全生产具有极其重要的指导意义和实用价值。
传统的含水层富水性评价是指含水层给出水的能力，主要取决于含水层性质、地下水补、径、排条件以及地下水动态特征。而对于矿井水害危险性预测评价来说，判断煤矿顶(底)板含水层富水性特征尤为重要。目前，我国煤炭行业内判断顶(底)板含水层富水性一般都是通过勘探阶段的水文地质勘探，而对于顶(底)板含水层富水性评价量化主要有以下几种方法：
一、通过野外钻孔抽(放)水试验获取钻孔单位涌水量q，依据《煤矿防治水细则》(2018)按照钻孔单位涌水量q值大小，将含水层富水性分为以下4级：1)弱富水性：q≤0.1L/(s·m)；2)中等富水性：0.1L/(s·m)＜q≤1.0L/(s·m)；3)强富水性：1.0L/(s·m)＜q≤5.0L/(s·m)；4)极强富水性：q＞5.0L/(s·m)；
二、通过地球物理探测的方法进行解译；
三、基于GIS将多源地学信息进行叠加的分区量化评价的方法有很多，以“三图-双预测法”为代表的水害评价方法从岩性、钻孔冲洗液消耗量、含水层厚度、构造等富水性指标出发，对含水层富水性进行评价。
由于在勘探阶段，抽水试验孔较少，且抽水孔分布较为离散，仅仅依靠钻孔单位涌水量q值不足以评价煤层顶(底)板含水层富水性；地球物理探测是一种间接手段，具有多解性；基于GIS分区量化的评价方法，采用层次分析法计算的指标权重较为主观，其次含水层厚度等指标的选取较为宏观。
发明内容
本发明的目的是提供一种煤层顶板或底板含水层富水性综合评价方法，能够较为准确地预测出煤层顶板或底板含水层富水性。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：一种煤层顶板或底板含水层富水性综合评价方法，具体步骤如下：
(1)根据矿井地质资料，采集煤层顶板或底板含水层范围内的岩样，将岩样按照岩性进行分组，测试各组岩样的孔隙度，并根据不同岩性的孔隙度的比值计算等价含水层厚度；等价含水层厚度的计算公式为：
式中，M为等价含水层厚度，ni为i岩性的岩层平均孔隙度，n0为基准孔隙度，mi为i岩性的岩层厚度；
(2)根据矿井水文资料中关于抽水试验相关数据，计算拟合各钻孔抽水试验的Q-S曲线，再换算统一口径单位涌水量；
(3)针对煤层顶板或底板含水层，进行地球物理探测，提取各钻孔位置的电导率数据；
(4)根据矿井地质资料中的研究区构造纲要图，基于分形理论，计算研究区构造容量维；
(5)利用层次分析法和熵权法(AHP-EMM)，综合计算各评价指标的权重常数，即等价含水层厚度、统一口径单位涌水量、研究区构造容量维和顶板或底板含水层电导率值的权重常数；
(6)将标准化后的各评价指标及其权重常数代入公式(2)计算，并绘制富水性分区图；
f＝w1T1+w2T2+w3T3+w4T4 (2)
其中：f为富水性指数；T1为归一化后的等价含水层厚度；T2为归一化后的统一口径单位涌水量；T3为归一化后的研究区构造容量维；T4为归一化后的顶(底)板含水层电导率值；w1为等价含水层厚度的综合权重常数；w2为统一口径单位涌水量的综合权重常数；w3为研究区构造容量维的综合权重常数；w4为顶板或底板含水层电导率值的综合权重常数。
进一步地，步骤(1)中的矿井地质资料包括：顶板或底板含水层岩性、岩层厚度、煤层厚度、研究区构造纲要图。
进一步地，步骤(2)中统一口径单位涌水量的换算依据是：根据2018版《煤矿防治水细则》附录一中规定钻孔单位涌水量以口径91mm，抽水水位降深10m为准，若口径、降深与上述不符时，应当进行换算。
进一步地，上述等价含水层厚度M、统一口径单位涌水量q、研究区构造容量维D和顶(底)板含水层电导率值δ均对顶(底)板含水层富水呈正相关，因此，正相关指标采用公式(1)进行标准化。
式中，xN为指标归一化后的值，x为指标初始值，min x为指标最小值，max x为指标最大值。
进一步地，所述步骤(5)中各评价指标权重常数综合计算为：采用层次分析法，根据1-9标度法，通过现场工作技术人员和防治水领域专家打分的方式，构建判别矩阵，计算权重常数1；采用熵权法，通过各指标的变异系数，计算各指标的熵，计算权重常数2；取权重常数1和权重常数2的平均值，为综合权重常数。
进一步地，所述步骤(6)中绘制富水性分区图将顶板或底板含水层富水性分成相对弱富水区、相对中富水区、相对较强富水区和相对强富水区4个等级区域，其中富水性分区的阈值采用Jenks自然断点法或者等间距法等等。
与现有技术相比，本发明采用等价含水层厚度M、统一口径单位涌水量q、研究区构造容量维D和顶(底)板含水层电导率值δ作为判别指标，利用层次分析法和熵权法(AHP-EMM)综合计算各评价指标权重，评价使用的指标物理意义明确，数据易得，使用方法符合实际，操作简单，易于实际应用，为顶(底)板含水层富水性评价提供一种新思路与方法。
附图说明
图1为本发明一种煤层顶板或底板含水层富水性综合评价方法流程图；
图2为本发明实施例中煤层顶板含水层富水性分区图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚详细，以下结合实例对本发明进行进一步详细说明，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
①等价含水层厚度M
在水力条件相同的情况下，含水层厚度直接影响着含水层的静储量，从而影响顶板或底板含水层的富水性，这个指标与顶板或底板含水层的富水性成正相关关系。不同岩性的岩层孔隙度不同，渗透性也不同，富水性明显不同，因此选用了等价含水层厚度作为指标。
等价含水层厚度的计算是根据不同岩性的孔隙度的比值决定的，具体计算方法如下：假设采区顶(底)板含水层中岩性分别为：粗砂岩、中砂岩、细砂岩、粉砂岩和泥岩，其中，由于泥岩是良好的隔水介质，渗透性差，暂不作考虑。粗砂岩、中砂岩、细砂岩和粉砂岩岩层厚度分别为m1、m2、m3和m4，经室内试验，依据GB/T23561.4-2009《煤和岩石物理力学性质测定方法》第4部分：煤和岩石孔隙率计算方法，测得各岩层的平均孔隙度分别为n1、n2、n3和n4，根据采区顶(底)板含水层各岩性的岩层厚度，取岩性平均厚度最大的岩层为基准含水层，其平均孔隙度为基准孔隙度n0，粗砂岩、中砂岩、细砂岩和粉砂岩岩层等价厚度分别为m1*n1/n0、m2*n2/n0、m3*n3/n0和m4*n4/n0。
即等价含水层厚度为：
②统一口径单位涌水量q
根据《煤矿防治水细则》(2018)附录一中规定钻孔单位涌水量以口径91mm，抽水水位降深10m为准，若口径、降深与上述不符时，应当进行换算后再比较富水性。
③研究区构造容量维D
基于分形理论，计算研究区构造容量维对研究区构造复杂程度进行定量评价。将构造区域内分割成若干个边长为p的小方格，用边长为p的网格覆盖构造迹线，记录包含构造迹线的网格数N(p)，不断缩小网格尺寸为pi，得到相应的N(pi)，则在lnp-lnN(p)坐标系中，可作出一条曲线，其直线段的斜率即为构造的容量维D。
即容量维D为：
④顶(底)板含水层电导率值δ
根据矿井实际工程概况，选择采区顶(底)板含水层的电导率值作为判断指标，读取各钻孔附近的电导率数据。
根据上面4个指标对煤层顶板含水层富水性进行评价，具体过程如下：
依据某矿工作面上覆岩层地质数据(见表1)，进行顶板含水层富水性评价。
表1某矿区工作面上覆岩层地质数据
根据表1，已知研究区含水层各岩层平均值分别为中砂岩11.57m、细砂岩17.36m、粉砂岩20.49m，其中粉砂岩平均厚度最大，即选择细砂岩为基准含水层，其平均孔隙度为基准孔隙度n0，根据表2中各岩性孔隙度平均值数据，将各岩层相关数据代入等价含水层厚度计算公式中，得到等价含水层厚度M，见表3。
表2某矿区工作面岩性孔隙度数据表
| 岩性 | 孔隙度(％) | 平均孔隙度(％) |
| 中砂岩 | 10.3～17.8 | 12.06 |
| 细砂岩 | 5.8～13.4 | 8.3 |
| 粉砂岩 | 3.1～7.6 | 6.4 |
表3某矿区工作面等价含水层厚度
为了确定指标间权重值，采用层次分析法，根据1-9标度法，通过现场工作技术人员和防治水领域专家打分的方式，构建判别矩阵，计算权重常数。
通过层次分析法，建立判断矩阵如下：
进行判断矩阵的随机性与一致性检验，计算得到CR＝0.0076＜0.1，即判断矩阵非常合理，所得到的指标权重可信度高。计算得到各因子的权重，见表4。
将各指标进行归一化，采用熵权法，通过各指标的变异系数，计算各指标的熵，从而计算得到熵权，权重结果见表4。
通过层次分析法和熵权法得到的权重结果，加权平均计算得到各指标综合权重，见表4。
表4指标权重计算结果
将各指标归一化数据和综合权重代入公式中，得到计算结果，见表5。
f＝w1T1+w2T2+w3T3+w4T4
其中：f为富水性指数；T1为归一化后的等价含水层厚度；T2为归一化后的统一口径单位涌水量；T3为归一化后的研究区构造容量维；T4为归一化后的顶(底)板含水层电导率值δ；w1为等价含水层厚度的综合权重常数、w2为统一口径单位涌水量的综合权重常数、w3为研究区构造容量维的综合权重常数、w4为顶板或底板含水层电导率值的综合权重常数。
表5富水性指数计算结果
| 钻孔 | X | Y | T1 | T2 | T3 | T4 | f |
| 17-2 | 35529805.66 | 2944051.57 | 0 | 0 | 1 | 0 | 0.21075 |
| 17-3 | 35530188.55 | 2944345.11 | 1 | 0.493993994 | 0.084386282 | 0.253317567 | 0.486209112 |
| 17-4 | 35530711.44 | 2944716.33 | 0.404599095 | 0.853853854 | 0.849097473 | 0.319931678 | 0.603881761 |
| 18-1 | 35529394.41 | 2944937.62 | 0.432908458 | 1 | 0.833303249 | 0.462160032 | 0.683232129 |
| 18-2 | 35530099.11 | 2945235.71 | 0.608939654 | 0.377377377 | 0.298736462 | 0.179148601 | 0.375626598 |
| J1702 | 35529660.17 | 2944540.44 | 0.805577133 | 0.68968969 | 0.728249097 | 0.376560242 | 0.653945994 |
| J1703 | 35530025.88 | 2944788.86 | 0.910601496 | 0.920920921 | 0.473736462 | 1 | 0.8428575 |
| J1704 | 35530470.49 | 2945147.24 | 0.543348712 | 0.158658659 | 0 | 0.139272106 | 0.224151217 |
根据表5中富水性指数数据，使用GIS软件绘制富水性分区图，如图2所示，使用Jenks自然断点法将煤层顶板含水层富水性分成相对弱富水区、相对中等富水区、相对较强富水区和相对强富水区4个等级区域。
以上富水性评价方法同样适用于煤层底板含水层，评价步骤相同。
Claims (6)
1.一种煤层顶板或底板含水层富水性综合评价方法，其特征在于，具体步骤如下：
(1)根据矿井地质资料，采集煤层顶板或底板含水层范围内的岩样，将岩样按照岩性进行分组，测试各组岩样的孔隙度，并根据不同岩性的孔隙度的比值计算等价含水层厚度；等价含水层厚度的计算公式为：
式中，M为等价含水层厚度，ni为i岩性的岩层平均孔隙度，n0为基准孔隙度，mi为i岩性的岩层厚度；
(2)根据矿井水文资料中关于抽水试验相关数据，计算拟合各钻孔抽水试验的Q-S曲线，再换算统一口径单位涌水量；
(3)针对煤层顶板或底板含水层，进行地球物理探测，提取各钻孔位置的电导率数据；
(4)根据矿井地质资料中的研究区构造纲要图，基于分形理论，计算研究区构造容量维；
(5)利用层次分析法和熵权法，综合计算各评价指标的权重常数，即等价含水层厚度、统一口径单位涌水量、研究区构造容量维和顶板或底板含水层电导率值的权重常数；
(6)将标准化后的各评价指标及其权重常数代入公式(2)计算，并绘制富水性分区图；
f＝w1T1+w2T2+w3T3+w4T4 (2)
其中：f为富水性指数；T1为归一化后的等价含水层厚度；T2为归一化后的统一口径单位涌水量；T3为归一化后的研究区构造容量维；T4为归一化后的顶板或底板含水层电导率值；w1为等价含水层厚度的综合权重常数；w2为统一口径单位涌水量的综合权重常数；w3为研究区构造容量维的综合权重常数；w4为顶板或底板含水层电导率值的综合权重常数。
2.根据权利要求1所述的一种煤层顶板或底板含水层富水性综合评价方法，其特征在于，步骤(1)中的矿井地质资料包括：顶板或底板含水层岩性、岩层厚度、煤层厚度、研究区构造纲要图。
3.根据权利要求1所述的一种煤层顶板或底板含水层富水性综合评价方法，其特征在于，步骤(2)中统一口径单位涌水量的换算依据是：根据2018版《煤矿防治水细则》附录一中规定钻孔单位涌水量以口径91mm，抽水水位降深10m为准，若口径、降深与上述不符时，应当进行换算。
4.根据权利要求1所述的一种煤层顶板或底板含水层富水性综合评价方法，其特征在于，所述步骤(5)中各评价指标权重常数综合计算方法为：采用层次分析法，根据1-9标度法，通过现场工作技术人员和防治水领域专家打分的方式，构建判别矩阵，得到权重常数1；采用熵权法，通过各指标的变异系数，计算各指标的熵，得到权重常数2；取权重常数1和权重常数2的平均值，为综合权重常数。
5.根据权利要求1所述的一种煤层顶板或底板含水层富水性综合评价方法，其特征在于，步骤(6)中采用公式(1)进行各评价指标的标准化：
式中，xN为指标归一化后的值，x为指标初始值，min x为指标最小值，max x为指标最大值。
6.根据权利要求1所述的一种煤层顶板或底板含水层富水性综合评价方法，其特征在于，步骤(6)中绘制富水性分区图将顶板或底板含水层富水性分成相对弱富水区、相对中富水区、相对较强富水区和相对强富水区4个等级区域，其中富水性分区的阈值采用Jenks自然断点法或者等间距法。
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