CN115983639A - 一种岩溶含水层底板突水危险性评价方法 - Google Patents

一种岩溶含水层底板突水危险性评价方法 Download PDF

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李瑞鹏
赵春
谢晶
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Abstract

本发明涉及一种岩溶含水层底板突水危险性评价方法,包括：收集矿井水文地质资料，基于所述矿井水文地质资料确定煤层底板主控因素，并建立各主控因素的数据集；计算所述各主控因素权重，并对所述各主控因素数据进行处理；基于所述各主控因素权重建立煤层底板岩溶分形‑脆弱性指数评价模型，结合处理后的所述各主控因素数据，对煤层岩溶底板突水危险性进行分区评价。本发明通过确定影响煤层底板突水的主控因素，进行岩溶发育程度评价，结合脆弱性指数法对矿区煤层底板突水危险性进行了预测评价，得到更符合实际工程的预测结果。

Description

一种岩溶含水层底板突水危险性评价方法
技术领域
本发明涉及煤层底板突水预测评价技术领域，特别是涉及一种岩溶含水层底板突水危险性评价方法。
背景技术
煤层底板岩溶水害是威胁煤炭资源开采安全的主要灾害之一。贵州黔北煤田区域中二叠系中统茅口组灰岩作为主要含煤地层(二叠系上统龙潭组)的基底岩层，其岩性以碳酸岩为主，岩溶发育强，富水极不均匀。且茅口组含水层与底部可采煤层间的隔水层较薄，严重制约了煤层的安全高效开采。因此，煤层岩溶底板突水预测评价是矿区安全生产的关键性问题。
含水层岩溶发育是影响煤层底板突水的重要因素，而岩溶发育通常不能直接观察或测量，只能通过物探或钻探的方式间接测量。且获取的数据是根据反演推断岩溶发育及分布状的定量结果，无法与脆弱指数法结合，无法对煤层底板突水进行定性定量评价。
发明内容
本发明的目的是针对典型矿区复杂地质以及现有技术缺陷，提出一种岩溶含水层底板突水危险性评价方法，通过岩溶分形-脆弱性指数法，提高煤层底板突水危险性预测精度。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种岩溶含水层底板突水危险性评价方法，包括：
收集矿井水文地质资料，基于所述矿井水文地质资料确定煤层底板主控因素，并建立各主控因素的数据集；
计算所述各主控因素权重，并对所述各主控因素数据进行处理；
基于所述各主控因素权重建立煤层底板岩溶分形-脆弱性指数评价模型，结合处理后的所述各主控因素数据，对煤层岩溶底板突水危险性进行分区评价。
优选地，所述矿井水文地质资料包括：矿区水文地质钻孔资料、矿区物探成果资料、矿区水文地质勘查报告。
优选地，所述煤层底板主控因素包括：含水层水压、含水层富水性、岩溶发育程度、底板隔水层厚度、煤层倾角、煤层开采深度。
优选地，确定所述岩溶发育程度的方法包括：
选取煤层底板含水层岩溶发育物探成果图，利用目标尺度的方形网格对所述成果图中的岩溶区进行分维处理，改变所述网格的尺度，分别统计研究对象在不同尺度网格下覆盖的网格数；
基于所述网格的尺度和所述网格数，计算分维值，将所述分维值赋值到每个网格的中心点进行克里金插值，获得岩溶分形维数等值线，基于所述岩溶分形维数等值线对所述岩溶发育程度进行分区，其中，岩溶分形维数越大，所述岩溶发育程度越强。
优选地，计算所述分维值的方法为：
Figure BDA0004020273450000021
其中，N(r)表示覆盖在研究区上的网格数量，r表示正方形块段的边长。
优选地，计算所述各主控因素权重包括：
建立层次结构模型，对所述各主控因素进行重要程度评估，构建比较判断矩阵，求取所述矩阵的最大特征根及对应的特征向量，并对所述矩阵进行层次排序和一致性检验，获取所述各主控因素对底板突水危险性的影响的权重值。
优选地，建立所述煤层底板岩溶分形-脆弱性指数评价模型，包括：
基于所述各主控因素权重建立所述煤层底板岩溶分形-脆弱性指数评价模型，其中，脆弱性指数法的计算公式为：
Figure BDA0004020273450000031
其中，VI为脆弱性指数，n为主控因素个数，k为因素的序号，Wk为第k个因素的权重，fk(x,y)为第k个元素归一化的值，(x,y)为地理坐标。
优选地，对所述各主控因素数据进行处理包括：
基于所述各主控因素对评价结果的正负相关性，对正相关因素进行极大值归一化处理，对负相关性因素进行极小值归一化处理。
优选地，对所述煤层岩溶底板突水危险性进行分区评价包括：
基于处理后的所述各主控因素数据，绘制各主控因素等值线图，将所述各主控因素等值线图进行叠加，并通过脆弱指数法将各主控因素权重分别与对应的各主控因素数据集进行融合，获得煤层岩溶底板突水危险性综合专题图，对所述煤层岩溶底板突水危险性综合专题图进行分区，完成对所述煤层岩溶底板突水危险性的分区评价，其中，脆弱性指数越大，突水危险性越大。
本发明的有益效果为：
本发明综合考虑了影响煤层底板突水的主控因素，将茅口组灰岩岩溶发育程度定性定量化，并进行岩溶发育程度评价，结合脆弱性指数法对矿区煤层底板突水危险性进行预测评价，得到的预测结果更符合实际工程。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例的一种岩溶含水层底板突水危险性评价方法流程图；
图2为本发明实施例的岩溶发育程度评价流程图；
图3为本发明实施例的岩溶分形计算示例图；
图4为本发明实施例的岩溶分形评价图；
图5为本发明实施例的层次分析法指标体系构建图；
图6为本发明实施例的煤层底板突水危险性分区预测示例图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
本实施例提供了一种岩溶含水层底板突水危险性评价方法，如图1所示，具体流程包括：
S1、收集分析矿井水文地质资料，包括：矿区水文地质钻孔资料、矿区物探成果资料、矿区水文地质勘查报告。
S2、分析确定煤层影响底板突水的主控因素，并建立各主控因素的数据集。
主控因素包括：
(1)含水层水压：当含水层水位标高高于煤层底板时就会存在一定的水压，水压越大，煤层底板突水的可能性越大；
(2)含水层富水性：用单位涌水量来表征，相对富水性越大，煤层底板突水的可能性越大；
(3)岩溶发育程度：以岩溶分形维数表征，在开采中过程中导水裂隙带易导通含水的岩溶区，突水的可能性就越大。
(4)底板隔水层厚度：决定阻水能力强弱，隔水层厚度越薄，其隔水效果越差，越容易发生突水。
(5)煤层倾角：在开采过程中，随着煤层倾角的增大，工作面形成的矿压就越明显，对煤层底板的破环就越大，就越容易导致突水。
(6)煤层开采深度：随着开采深度的增加，开采工作面两壁面应力越集中，底板容易发生破坏，产生裂隙，增加了导水通道，底板突水的可能性就越大。
S3、通过对岩溶发育程度进行分维量化，确定岩溶发育程度，如图2所示，具体步骤包括：
S3.1、分析处理底板含水层岩溶物探分布图，选取煤层底板含水层的岩溶发育物探成果图，在ArcGIS中绘制成面文件。
S3.2、选择边长为r0的正方形组成的网格覆盖在岩溶区进行分维，保持网格大小不变，缩小正方形块段的边长，以r＝r0/2、r＝0/4、r＝0/8方式缩小，分别统计研究对象在不同尺度网格下覆盖的网格数量N(r)，如图3所示。
S3.3、统计并计算分维值Ds,计算分维值Ds的公式如下：
Figure BDA0004020273450000061
其中，N(r)表示覆盖在研究区上的网格数量，r表示正方形块段的边长。
S3.4、基于ArcGIS平台，将分维值Ds赋值到每个网格的中心点上，进行克里金插值，得到岩溶分形维数等值线。
S3.5、通过ArcGIS中的自然间断法对岩溶分形维数等值线进行分区，如图4所示。
S3.6、根据岩溶发育程度分区对底板含水层岩溶发育程度进行评价，岩溶分形维数越大，岩溶发育程度越强，一般情况下分为“强岩溶发育区，较强岩溶发育区，中等岩溶发育区，较弱岩溶发育区，岩溶不发育区”五个区域。
S4、通过层次分析法计算各主控因素权重值，具体步骤如下：
S4.1、建立层次结构模型，如图5所示，将研究对象划分为3个层次，分别为A层次(目标层)：底板突水脆弱性评价A；B层次(准则层)：含水层特征B1、底板隔水层性质B2、煤层开采条件B3；C层次(指标层)：含水层水压C1、含水层富水性C2、岩溶发育程度C3、有效隔水层等效厚度C4、煤层埋深C5、煤层倾角C6；
S4.2、基于层次结构模型，结合主控因素分析、历史资料以及现场专家意见，对各主控因素进行重要程度评估，构建比较判断矩阵，求取各矩阵的最大特征根及对应的特征向量，并对矩阵进行层次排序，且各矩阵均通过一致性检验，经过线性加权法求得各主控因素对底板突水危险性的影响的权重值，具体包括：
a.构建判断矩阵，通过“1-9标度法”定义两两比较的判断矩阵：
A＝(aij)m×n
其中，aij为元素i与元素j之间的重要度之比；
并利用方根法计算各指标的相对权重wi,公式为：
Figure BDA0004020273450000081
b.为了避免评估发生失真，需要检验判断矩阵的一致性，其计算公式如下：
Figure BDA0004020273450000082
其中，CI为一致性指标，且
Figure BDA0004020273450000083
λmax为判断矩阵的最大特征值；RI为平均一致性指标；通常情况下，对于n≥3阶的判断矩阵，当CR≤0.1时，即通过一致性检验。
c.根据特征向量计算权重，公式如下：
AW＝λmaxW
其中，W为权重向量，计算得到W，并将其归一化，可以得到各指标对应的权重；将计算得到的一级评估指标的权重乘以二级评估指标的权重，得到二级评估指标对于评估目标的权重。
S5、建立煤层底板岩溶分形-脆弱性指数评价模型。
脆弱性指数法公式如下：
Figure BDA0004020273450000084
其中，VI为脆弱性指数，n为主控因素个数，k为因素的序号，Wk为第k个因素的权重，fk(x,y)为第k个元素归一化的值，(x,y)为地理坐标。
S6、对各主控因素的数据进行归一化处理。
考虑各主控因素对评价结果的正负相关性，对正相关因素(含水层水压、含水层富水性、岩溶发育程度、开采深度、煤层倾角)进行极大值归一化处理，即最小值为0，最大值为1；对负相关性因素(有效隔水层厚度)进行极小值归一化处理，即最小值为1，最大值为0。公式如下：
极大值化：
Figure BDA0004020273450000091
极小值化：
Figure BDA0004020273450000092
S7、对煤层岩溶底板突水危险性进行分区评价。
基于ArcGIS平台，将各个主控因素的归一化数据绘制成各主控因素等值线图，通过“联合”工具，将各主控因素专题图进行叠加，然后通过脆弱指数法公式将上述层次分析法计算得到各主控因素权重分别与对应的主控因素数据集进行融合，得到煤层岩溶底板突水危险性综合专题图，并用自然间断法进行分区，脆弱性指数越大，突水危险性就越大，一般情况分为“危险区，较危险区，过渡区，较安全区，安全区”，如图6所示。
本发明综合考虑了影响煤层底板突水的主控因素，将茅口组灰岩岩溶发育程度定性定量化，并进行岩溶发育程度评价，结合脆弱性指数法对矿区煤层底板突水危险性进行预测评价，得到的预测结果更符合实际工程。
以上所述的实施例仅是对本发明优选方式进行的描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (9)

1.一种岩溶含水层底板突水危险性评价方法，其特征在于，包括：
收集矿井水文地质资料，基于所述矿井水文地质资料确定煤层底板主控因素，并建立各主控因素的数据集；
计算所述各主控因素权重，并对所述各主控因素数据进行处理；
基于所述各主控因素权重建立煤层底板岩溶分形-脆弱性指数评价模型，结合处理后的所述各主控因素数据，对煤层岩溶底板突水危险性进行分区评价。
2.根据权利要求1所述的岩溶含水层底板突水危险性评价方法，其特征在于，所述矿井水文地质资料包括：矿区水文地质钻孔资料、矿区物探成果资料、矿区水文地质勘查报告。
3.根据权利要求1所述的岩溶含水层底板突水危险性评价方法，其特征在于，所述煤层底板主控因素包括：含水层水压、含水层富水性、岩溶发育程度、底板隔水层厚度、煤层倾角、煤层开采深度。
4.根据权利要求3所述的岩溶含水层底板突水危险性评价方法，其特征在于，确定所述岩溶发育程度的方法包括：
选取煤层底板含水层岩溶发育物探成果图，利用目标尺度的方形网格对所述成果图中的岩溶区进行分维处理，改变所述网格的尺度，分别统计研究对象在不同尺度网格下覆盖的网格数；
基于所述网格的尺度和所述网格数，计算分维值，将所述分维值赋值到每个网格的中心点进行克里金插值，获得岩溶分形维数等值线，基于所述岩溶分形维数等值线对所述岩溶发育程度进行分区，其中，岩溶分形维数越大，所述岩溶发育程度越强。
5.根据权利要求4所述的岩溶含水层底板突水危险性评价方法，其特征在于，计算所述分维值的方法为：
Figure FDA0004020273440000021
其中，N(r)表示覆盖在研究区上的网格数量，r表示正方形块段的边长。
6.根据权利要求1所述的岩溶含水层底板突水危险性评价方法，其特征在于，计算所述各主控因素权重包括：
建立层次结构模型，对所述各主控因素进行重要程度评估，构建比较判断矩阵，求取所述矩阵的最大特征根及对应的特征向量，并对所述矩阵进行层次排序和一致性检验，获取所述各主控因素对底板突水危险性的影响的权重值。
7.根据权利要求1所述的岩溶含水层底板突水危险性评价方法，其特征在于，建立所述煤层底板岩溶分形-脆弱性指数评价模型，包括：
基于所述各主控因素权重建立所述煤层底板岩溶分形-脆弱性指数评价模型，其中，脆弱性指数法的计算公式为：
Figure FDA0004020273440000022
其中，VI为脆弱性指数，n为主控因素个数，k为因素的序号，Wk为第k个因素的权重，fk(x,y)为第k个元素归一化的值，(x,y)为地理坐标。
8.根据权利要求1所述的岩溶含水层底板突水危险性评价方法，其特征在于，对所述各主控因素数据进行处理包括：
基于所述各主控因素对评价结果的正负相关性，对正相关因素进行极大值归一化处理，对负相关性因素进行极小值归一化处理。
9.根据权利要求1所述的岩溶含水层底板突水危险性评价方法，其特征在于，对所述煤层岩溶底板突水危险性进行分区评价包括：
基于处理后的所述各主控因素数据，绘制各主控因素等值线图，将所述各主控因素等值线图进行叠加，并通过脆弱指数法将各主控因素权重分别与对应的各主控因素数据集进行融合，获得煤层岩溶底板突水危险性综合专题图，对所述煤层岩溶底板突水危险性综合专题图进行分区，完成对所述煤层岩溶底板突水危险性的分区评价，其中，脆弱性指数越大，突水危险性越大。
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