CN116050877A - 一种金属矿山含水层富水性评价方法和评价系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种金属矿山含水层富水性评价方法和评价系统，评价方法包括如下步骤：选取与金属矿山含水层富水性相关的评价指标并构建评价指标体系；采用模糊层次分析法确定评价指标的主观权重以及采用熵权法确定评价指标的客观权重；采用博弈论法确定评价指标的综合权重；采用TOPSIS方法并基于评价指标的综合权重构建含水层富水性评价模型；划分金属矿山含水层富水性分区。该评价方法相较于传统的评价方法，可以更加准确、高效的划分金属矿山含水层富水性区域，指导矿山防治水措施制定和矿体开采规划。

Description

一种金属矿山含水层富水性评价方法和评价系统

技术领域

本发明涉及矿山富水性评价技术领域，尤其涉及一种金属矿山含水层富水性评价方法和评价系统。

背景技术

各类矿产资源是人类生存和社会发展的重要物质基础，是现代化国家经济发展和战略安全的重要保障。据统计，世界范围内约80％的工业原料、70％的农业生产资料都取自各类金属矿产资源，例如金、银、铜、铁、铅、锌等。我国是世界上最大的铅和锌生产国之一，分别占全球铅和锌供应量的53.3％和36.5％。我国最大的铅锌矿床位于云南-四川-贵州的铅锌成矿三角洲，包含400多个不同规模的矿床。这些矿床主要分布在岩溶含水层中，例如石炭系岩溶含水层和泥盆系岩溶含水层；并且各类地质构造十分发育，给矿山的安全高效开采带来了极大的突水威胁，极易造成严重的人员伤亡和财产损失。诱发矿山突水的因素很多，例如地质结构、开采条件、含水层特征等。但是，突水的程度是由含水层的富水性决定的，地下开采过程中，如果含水层的水量丰富，一旦揭露会造成严重的突水事故甚至淹井。然而，金属矿山的含水层的富水性又是极不均一的，因此对含水层富水性进行客观、全面、准确的评价对于矿体的安全高效开采至关重要。

金属矿山传统的含水层富水性评价方法，仅仅考虑了钻孔单位涌水量的影响，划分结果较为粗糙，无法有效指导矿山生产。在复杂地质条件下应考虑更多的因素，如构造因素、水文地质因素和施工因素等。传统的单位涌水量法来划分复杂地质条件下的含水层富水性与实际往往不符，复杂的地质条件如断层、含水层厚度、矿化度等都是影响含水层富水性的重要因素。本发明建立的金属矿山含水层富水性综合评价方法中考虑了金属矿山复杂地质条件，融合了多源评价指标后进行含水层富水性分区，划分结果更加准确、高效，可以指导矿山的安全生产。

发明内容

本方案针对上文提出的问题和需求，提出一种金属矿山含水层富水性评价方法和评价系统，由于采取了如下技术特征而能够实现上述技术目的，并带来其他多项技术效果。

本发明的一个目的在于提出一种金属矿山含水层富水性评价方法，包括如下步骤：

S10：选取与金属矿山含水层富水性相关的评价指标并构建评价指标体系；

S20：采用模糊层次分析法确定评价指标的主观权重以及采用熵权法确定评价指标的客观权重；

S30：采用博弈论法确定评价指标的综合权重；

S40：采用TOPSIS方法并基于评价指标的综合权重构建含水层富水性评价模型；

S50：划分金属矿山含水层富水性分区。

另外，根据本发明的金属矿山含水层富水性评价方法和评价系统，还可以具有如下技术特征：

在本发明的一个示例中，在步骤S10中，所述评价指标体系基于渗漏因素、含水层因素和构造因素而构建。

在本发明的一个示例中，在步骤S10中，所述评价指标包括：渗透系数、水位降深、单位涌水量、矿化度、含水层有效厚度、断层分维、钻孔冲洗液消耗量。

在本发明的一个示例中，在步骤S20中，采用模糊层次分析法确定评价指标的主观权重包括如下步骤：

S201：根据影响因素的相对重要性构建比较矩阵D，比较矩阵D的表达式如下：

其中，d_ij为判断矩阵中不同指标的分值，其中d_ij＝0表示指标i的重要性小于指标j；d_ij＝0.5表示指标i的重要性等于指标j；d_ij＝1意味着指标i的重要性大于指标j；

S202：计算判断矩阵的行和，用e_i和e_j表示，其中，和

S203：构建互补判断矩阵F，并利用变换方程g_if将互补判断矩阵F变换为倒数判断矩阵G；

其中，互补判断矩阵的表达式为：F＝(f_ij)_m×n，f_ij为互补判断矩阵的每一项；

其中，互补判断矩阵的每一项f_ij的表达式为：

其中，变换方程的表达式为：g_ij＝f_ij/f_ji；

其中，倒数判断矩阵的表达式为G＝(g_ij)_m×n；

S204：利用迭代方程得到无穷范数||H_k+1||_∞，并根据不等式|||H_k+1||_∞-||H_k||_∞|＜0.0001用来确定迭代是否结束；当满足此条件时，获取评价指标的主观权重w’_j；

其中，迭代方程的表达式为：H_k+1＝GH_k，H_k为初始权重值。

在本发明的一个示例中，在步骤S20中，采用熵权法确定评价指标的客观权重包括如下步骤：

A201：由m个评价对象和n个评价指标构成原始数据矩阵R＝(r_ij)_m×n；其中，r_ij为评价指标的原始数据；

A202：计算各评价因子与相应评价对象的标准值P_ij，其表达式如下：

A203：根据标准值P_ij计算每个评价因子的熵值s_j，其表达式如下：

A204：根据每个评价因子的熵值s_j，评价指标的客观权重w”_j，其表达式如下：

在本发明的一个示例中，在步骤S30中，采用博弈论法确定评价指标的综合权重包括如下步骤：

S301：假设有L种方法计算权重指数，根据权重向量形成L个权重向量的线性组合；

其中，权重向量w_j的表达式为：w_j＝(w_j1,w_j2,...,w_jn)；

其中，L个权重向量的线性组合的表达式为：

S302：建立一个对策模型，计算最小化综合权重与各权重之间的偏差，其表达式如下：

S303：根据矩阵微分原理，得到了矩阵的导数，以优化一阶倒数，其中，矩阵的导数的表达式如下：

S304：通过归一化线性组合系数获得组合权重

其中，组合系数的表达式为：

其中，所述组合权重的表达式为：

在本发明的一个示例中，在所述步骤S40中，采用TOPSIS方法并基于评价指标的综合权重构建含水层富水性评价模型包括如下步骤：

S401：设综合权重W＝(w^* ₁,w^* ₂,…,w^* _n)∈(0,1]ⁿ的n维权重矢量，满足

S402：设原始数据可以构成m行n列的矩阵R＝(r_ij)m_╳n，标准化数据公式为结合评价指标权重及标准化数据，构成标准加权矩阵

S403：设含水层富水性评价指标的负理想解为评价指标的正理想解为

S404：设含水层富水性评价指标距离负理想解的距离为距离正理想解的距离为根据含水层富水性评价指标距离正负理想解的距离，确定含水层富水性指数为

本发明的另一个目的在于提出一种金属矿山含水层富水性评价系统，包括：

评价指标获取模块，用于选取与金属矿山含水层富水性相关的评价指标并构建评价指标体系；

主客观权重计算模块，用于采用模糊层次分析法确定评价指标的主观权重以及采用熵权法确定评价指标的客观权重；

综合权重计算模块，用于采用博弈论法确定评价指标的综合权重；

评价模型建立模块，用于采用TOPSIS方法并基于评价指标的综合权重构建含水层富水性评价模型；

富水性划分模块，用于划分金属矿山含水层富水性分区。

在本发明的一个示例中，所述评价指标包括：渗透系数、水位降深、单位涌水量、矿化度、含水层有效厚度、断层分维、钻孔冲洗液消耗量。

在本发明的一个示例中，所述主客观权重计算模块包括：

第一构建模块，用于根据影响因素的相对重要性构建比较矩阵D，比较矩阵D的表达式如下：

其中，d_ij为判断矩阵中不同指标的分值，其中d_ij＝0表示指标i的重要性小于指标j；d_ij＝0.5表示指标i的重要性等于指标j；d_ij＝1意味着指标i的重要性大于指标j；

第一计算模块，用于计算判断矩阵的行和，用e_i和e_j表示，其中，和

第二构建模块，用于构建互补判断矩阵F，并利用变换方程g_if将互补判断矩阵F变换为倒数判断矩阵G；

其中，互补判断矩阵的表达式为：F＝(f_ij)_m×n，f_ij为互补判断矩阵的每一项；

其中，互补判断矩阵的每一项f_ij的表达式为：

其中，变换方程的表达式为：g_ij＝f_ij/f_ji；

其中，倒数判断矩阵的表达式为G＝(g_ij)_m×n；

第二计算模块，用于利用迭代方程得到无穷范数||H_k+1||_∞，并根据不等式|||H_k+1||_∞-||H_k||_∞|＜0.0001用来确定迭代是否结束；当满足此条件时，获取评价指标的主观权重w’_j；

其中，迭代方程的表达式为：H_k+1＝GH_k，H_k为初始权重值。

下文中将结合附图对实施本发明的最优实施例进行更加详尽的描述，以便能容易理解本发明的特征和优点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下文中将对本发明实施例的附图进行简单介绍。其中，附图仅仅用于展示本发明的一些实施例，而非将本发明的全部实施例限制于此。

图1为根据本发明实施例的金属矿山含水层富水性评价方法的流程图；

图2为根据本发明方法的某铅锌矿山含水层富水性分区图；

图3为根据传统方法某铅锌矿山含水层富水性分区图。

具体实施方式

为了使得本发明的技术方案的目的、技术方案和优点更加清楚，下文中将结合本发明具体实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。附图中相同的附图标记代表相同部件。需要说明的是，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的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。

除非另作定义，此处使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本发明专利申请说明书以及权利要求书中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。同样，“一个”或者“一”等类似词语也不必然表示数量限制。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。

根据本发明的第一方面的一种金属矿山含水层富水性评价方法，如图1所示，包括如下步骤：

S10：选取与金属矿山含水层富水性相关的评价指标并构建评价指标体系；

S20：采用模糊层次分析法确定评价指标的主观权重以及采用熵权法确定评价指标的客观权重；

S30：采用博弈论法确定评价指标的综合权重；

S40：采用TOPSIS方法并基于评价指标的综合权重构建含水层富水性评价模型；

S50：划分金属矿山含水层富水性分区。

该评价方法首先通过经验、多元数据统计分析、主客观权重相结合确定综合权重后，再基于TOPSIS(Technique for Order Preference by Similarity to an IdealSolution/逼近理想解排序法)原理构建含水层富水性评价模型，考虑多指标共同作用下的富水性划分方法，相较于传统的评价方法，可以更加准确、高效的划分金属矿山含水层富水性区域，指导矿山防治水措施制定和矿体开采规划。

在本发明的一个示例中，在步骤S10中，所述评价指标体系基于渗漏因素、含水层因素和构造因素而构建。

在本发明的一个示例中，在步骤S10中，所述评价指标包括：渗透系数、水位降深、单位涌水量、矿化度、含水层有效厚度、断层分维、钻孔冲洗液消耗量；

其中，渗漏因素包括：渗透系数、水位降深和单位涌水量；含水因素包括：矿化度和含水层有效厚度；构造因素包括：断层分维、钻孔冲洗液消耗量。

在本发明的一个示例中，在步骤S20中，采用模糊层次分析法确定评价指标的主观权重包括如下步骤：

S201：根据影响因素的相对重要性构建比较矩阵D，比较矩阵D的表达式如下：

其中，d_ij为判断矩阵中不同指标的分值，其中d_ij＝0表示指标i的重要性小于指标j；d_ij＝0.5表示指标i的重要性等于指标j；d_ij＝1意味着指标i的重要性大于指标j；

S202：计算判断矩阵的行和，用e_i和e_j表示，其中，和

S203：构建互补判断矩阵F，并利用变换方程g_if将互补判断矩阵F变换为倒数判断矩阵G；

其中，互补判断矩阵的表达式为：F＝(f_ij)_m×n，f_ij为互补判断矩阵的每一项；

其中，互补判断矩阵的每一项f_ij的表达式为：

其中，变换方程的表达式为：g_ij＝f_ij/f_ji；

其中，倒数判断矩阵的表达式为G＝(g_ij)_m×n；

S204：利用迭代方程得到无穷范数||H_k+1||_∞，并根据不等式|||H_k+1||_∞-||H_k||_∞|＜0.0001用来确定迭代是否结束；当满足此条件时，获取评价指标的主观权重w’_j；

其中，迭代方程的表达式为：H_k+1＝GH_k，H_k为初始权重值。

也就是说，模糊层次分析法是一种实用的多准则决策方法，它可以在有序的层次结构中表达复杂问题，并定性和定量地评价决策系统中的评价因素。与传统的层次分析法相比，三个标度的改进层次分析法剔除了一致性检验的判断矩阵。

在本发明的一个示例中，在步骤S20中，采用熵权法确定评价指标的客观权重包括如下步骤：

A201：由m个评价对象和n个评价指标构成原始数据矩阵R＝(r_ij)_m×n；其中，r_ij为评价指标的原始数据；

A202：计算各评价因子与相应评价对象的标准值P_ij，其表达式如下：

A203：根据标准值P_ij计算每个评价因子的熵值s_j，其表达式如下：

A204：根据每个评价因子的熵值s_j，评价指标的客观权重w”_j，其表达式如下：

也就是说，熵权法的原理是根据指数的可变性来确定指标权重。信息熵与变化程度成反比，信息熵越高，信息越多，权重就越大。

在本发明的一个示例中，在步骤S30中，采用博弈论法确定评价指标的综合权重包括如下步骤：

S301：假设有L种方法计算权重指数，根据权重向量形成L个权重向量的线性组合；

其中，权重向量w_j的表达式为：w_j＝(w_j1,w_j2,...,w_jn)；

其中，L个权重向量的线性组合的表达式为：

S302：建立一个对策模型，计算最小化综合权重与各权重之间的偏差，其表达式如下：

S303：根据矩阵微分原理，得到了矩阵的导数，以优化一阶倒数，其中，矩阵的导数的表达式如下：

S304：通过归一化线性组合系数获得组合权重

其中，组合系数的表达式为：

其中，所述组合权重的表达式为：

简言之，博弈论法的原理是综合不同方法确定的权重，减少综合权重与每种方法获得的权重之间的偏差来提高权重的准确性。

在本发明的一个示例中，在所述步骤S40中，采用TOPSIS方法并基于评价指标的综合权重构建含水层富水性评价模型包括如下步骤：

S401：设综合权重W＝(w^* ₁,w^* ₂,…,w^* _n)∈(0,1]ⁿ的n维权重矢量，满足

S402：设原始数据可以构成m行n列的矩阵R＝(r_ij)m_╳n，标准化数据公式为结合评价指标权重及标准化数据，构成标准加权矩阵

S403：设含水层富水性评价指标的负理想解为评价指标的正理想解为

S404：设含水层富水性评价指标距离负理想解的距离为距离正理想解的距离为根据含水层富水性评价指标距离正负理想解的距离，确定含水层富水性指数为

TOPSIS也称为逼近理想解排序法，常用于多目标决策分析，该方法根据有限数量的评估对象与理想化目标的接近程度，评估现有对象的优缺点。

需要进一步指出的是，由于传统的富水性评价方法往往依赖于钻孔单位涌水量进行划分，单一指标无法适用于复杂地质条件下的金属矿山含水层富水性评价。因此，本发明使用多源数据分析统计得到富水性分区图。

具体的说，渗透系数是表征岩体渗透性的参数。渗透系数越大，岩体的渗透性越强，表明富水性越高。含水层放水试验中的水位降深是评估含水层富水能力的直观指标，反映了含水层和地下水通道之间的连通性。含水层单孔抽水试验中的单位涌水量是衡量含水层富水能力的直观评价因素，在矿山水文地质钻探过程中获取数据相对容易。含水层的有效厚度是反映含水层富水强度的直观因素。在相同条件下，厚度较大的断面单位面积的富水性较强，反之亦然。矿山不同水平和位置的水化学特征是反应地下水流动性的重要指标，采用TDS来表征流动系统的补给和排泄条件。由于密集裂缝提供了大量的储水空间，断层附近裂缝发育部分的富水性同样较高；因此采用断层分维也是反应含水层富水性的重要指标。在生产过程中发现，断层发育的地区容易发生突水事故。因此，断层分形维数可用描述断层的复杂程度，还可以反映断层的分布特征。

根据本发明的评价方法，其有益效果在于：

1.在含水层富水性评价指标构建体系中，基于多源信息融合，在钻孔单位涌水量的基础上添加了渗透系数、水位降深、含水层有效厚度、TDS、断层分维和钻孔冲洗液消耗量共同作为含水层富水性的评价指标。通过全面考虑金属矿山的复杂地质因素，包含构造因素、水文地质因素、施工因素，评价指标体系更为详细、完善，弥补了传统富水性划分方法指标单一，复杂地质条件下应用较差的缺点。

2.在富水性分区上，首先采用改进模糊层次分析法和熵权法确定评价指标主客观权重；然后采用博弈论法缩小主客观权重间的差异性确定综合权重。最后，结合TOPSIS构建富水性评价模型，结合GIS对金属矿山含水层富水性进行划分区域。弥补了主观评价方法中过于依赖专家经验和客观方法中过于依赖数据的不足，同时可以更加直观、全面的反映金属矿山含水层富水性，可以为矿山突水灾害防治及矿体开采规划提供指导作用。

根据本发明第二方面的一种金属矿山含水层富水性评价系统，包括：

评价指标获取模块，用于选取与金属矿山含水层富水性相关的评价指标并构建评价指标体系；

主客观权重计算模块，用于采用模糊层次分析法确定评价指标的主观权重以及采用熵权法确定评价指标的客观权重；

综合权重计算模块，用于采用博弈论法确定评价指标的综合权重；

评价模型建立模块，用于采用TOPSIS方法并基于评价指标的综合权重构建含水层富水性评价模型；

富水性划分模块，用于划分金属矿山含水层富水性分区。

该评价系统首先通过评价指标获取模块建评价指标体系，然后由主客观权重计算模块获取主观权重和客观权重，接着由综合权重计算模块采用博弈论法将主客观权重相结合确定综合权重后，再由评价模型建立模块基于TOPSIS(Technique for OrderPreference by Similarity to an Ideal Solution/逼近理想解排序法)原理构建含水层富水性评价模型，最后由富水性划分模块考虑多指标共同作用下的富水性划分方法，相较于传统的评价方法，可以更加准确、高效的划分金属矿山含水层富水性区域，指导矿山防治水措施制定和矿体开采规划。

在本发明的一个示例中，所述评价指标包括：渗透系数、水位降深、单位涌水量、矿化度、含水层有效厚度、断层分维、钻孔冲洗液消耗量。

在本发明的一个示例中，所述主客观权重计算模块包括：

第一构建模块，用于根据影响因素的相对重要性构建比较矩阵D，比较矩阵D的表达式如下：

其中，d_ij为判断矩阵中不同指标的分值，其中d_ij＝0表示指标i的重要性小于指标j；d_ij＝0.5表示指标i的重要性等于指标j；d_ij＝1意味着指标i的重要性大于指标j；

第一计算模块，用于计算判断矩阵的行和，用e_i和e_j表示，其中，和

第二构建模块，用于构建互补判断矩阵F，并利用变换方程g_if将互补判断矩阵F变换为倒数判断矩阵G；

其中，互补判断矩阵的表达式为：F＝(f_ij)_m×n，f_ij为互补判断矩阵的每一项；

其中，互补判断矩阵的每一项f_ij的表达式为：

其中，变换方程的表达式为：g_ij＝f_ij/f_ji；

其中，倒数判断矩阵的表达式为G＝(g_ij)_m×n；

第二计算模块，用于利用迭代方程得到无穷范数||H_k+1||_∞，并根据不等式|||H_k+1||_∞-||H_k||_∞|＜0.0001用来确定迭代是否结束；当满足此条件时，获取评价指标的主观权重w’_j；

其中，迭代方程的表达式为：H_k+1＝GH_k，H_k为初始权重值。

根据本发明的评价系统，其有益效果在于：

1.在含水层富水性评价指标构建体系中，基于多源信息融合，在钻孔单位涌水量的基础上添加了渗透系数、水位降深、含水层有效厚度、TDS、断层分维和钻孔冲洗液消耗量共同作为含水层富水性的评价指标。通过全面考虑金属矿山的复杂地质因素，包含构造因素、水文地质因素、施工因素，评价指标体系更为详细、完善，弥补了传统富水性划分方法指标单一，复杂地质条件下应用较差的缺点。

2.在富水性分区上，首先采用改进模糊层次分析法和熵权法确定评价指标主客观权重；然后采用博弈论法缩小主客观权重间的差异性确定综合权重。最后，结合TOPSIS构建富水性评价模型，结合GIS对金属矿山含水层富水性进行划分区域。弥补了主观评价方法中过于依赖专家经验和客观方法中过于依赖数据的不足，同时可以更加直观、全面的反映金属矿山含水层富水性，可以为矿山突水灾害防治及矿体开采规划提供指导作用。

以滇东北地区某铅锌矿为例，矿体隐伏在石门坎背斜西翼的石炭系和泥盆系层间裂隙中，呈半隐伏状态。矿区内断裂构造极为发育。断层产状陡峭，以挤压和扭转为主。断层切割二叠纪梁山组地层，形成导水通道，沟通了矿床与二叠纪栖霞茅口组强富水含水层之间的水力联系。矿区地下水的分布受地形、岩性和地质构造的制约，导致矿区地下水含水系统结构复杂，水平和垂直分布强弱交替。主要充水含水层为石炭纪和泥盆纪碳酸盐岩岩溶裂隙含水层，威胁着矿体的安全开采。

基于上述分析，选取7个影响因素，渗透系数、水位降深、单位涌水量、含水层有效厚度、TDS、断层分维，对该铅锌矿山的含水层富水性进行评价。

结合工程资料、专家经验及相关文献，依次对富水性的七个评价指标对进行了比较分析。

基于三标度法建立一级指标判断矩阵和二级指标判断矩阵。

通过计算可以获得初始权重向量集为W⁽⁰⁾＝(0.15、0.10、0.20、0.19、0.14、0.13、0.09)。通过MATLAB软件对初始权重进行四次迭代获取主观权重为0.18、0.06、0.32、0.24、0.08、0.09和0.03。

含水层富水性评价指标的原始数据(表1)，建立原始数据矩阵R。对原始数据矩阵进行标准化处理，根据式(5)和(6)计算评价指标熵值和客观权重(表2)。

表1评价指标原始数据

表2评价指标熵值和客观权重

根据步骤S302和S303中的公式，得到权重系数，即和将权重系数代入步骤S304中的公式后，各评价指标的综合权重如表3所示。

表3评价指标综合权重

富水性的负理想解和正理想解经计算为：V^-＝(0，0，0，0，0，0，0)和V⁺＝(0.31，0.09，0.29，0.11，0.06，0.08，0.06)。

结合含水层富水性评价指标的正负理想解，可以得出样本的正负理想解距离和富水性指数(表4)。

表4样本理想解距离及富水性指数

采用GIS软件，对27个样本的富水性指数进行插值，绘制研究区富水性分区图(如图2所示)。研究区的富水性可以划分为5个区域，弱富水区、相对弱富水区、中等富水区、相对强富水区和强富水区，其划分阈值如表5所示。

表5富水性区域划分

由图2可以看出，研究区的富水性分区划分为弱富水区、相对弱富水区、中等富水区、相对强富水区和强富水区。研究区含水层富水性从西向东逐渐减弱。强富水区分布在研究区的东部和中部；此外，研究区西部分布着弱富水区。以石门坎背斜为界，背斜西翼的富水性为强富水至相对强富水，主要是因为断层构造连接栖霞茅口强含水层；背斜东侧的富水性为中等富水至相对弱富水，主要是因为背斜抑制了弱含水层和强含水层之间的连通性。

为验证综合赋权的TOPSIS富水性评价方法的准确性，与传统的钻孔单位涌水量法进行对比(如图3所示)。

由图3可以看出，研究区可分为三个区域：弱富水区(单位涌水量<0.1L/(s·m))、中等富水区(0.1L/(s·m)<单位涌水量≤1.0L/(s·m))和强富水区(单位涌流量>1.0L/(s·m))。其中，中等富水区约占总面积的90％，没有明显差异。研究区中部分布五个的突水点。相比之下，综合加权TOPSIS富水性评价模型可以将研究区域划分为五个区域，比单位涌水量法更详细。总体而言，该方法可为矿山安全开采和水害防治具有一定的指导意义。

上文中参照优选的实施例详细描述了本发明所提出的金属矿山含水层富水性评价方法和评价系统的示范性实施方式，然而本领域技术人员可理解的是，在不背离本发明理念的前提下，可以对上述具体实施例做出多种变型和改型，且可以对本发明提出的各种技术特征、结构进行多种组合，而不超出本发明的保护范围，本发明的保护范围由所附的权利要求确定。

Claims (10)

1.一种金属矿山含水层富水性评价方法，其特征在于，包括如下步骤：

S10：选取与金属矿山含水层富水性相关的评价指标并构建评价指标体系；

S20：采用模糊层次分析法确定评价指标的主观权重以及采用熵权法确定评价指标的客观权重；

S30：采用博弈论法确定评价指标的综合权重；

S40：采用TOPSIS方法并基于评价指标的综合权重构建含水层富水性评价模型；

S50：划分金属矿山含水层富水性分区。

2.根据权利要求1所述的金属矿山含水层富水性评价方法，其特征在于，

在步骤S10中，所述评价指标体系基于渗漏因素、含水层因素和构造因素而构建。

3.根据权利要求1所述的金属矿山含水层富水性评价方法，其特征在于，

在步骤S10中，所述评价指标包括：渗透系数、水位降深、单位涌水量、矿化度、含水层有效厚度、断层分维、钻孔冲洗液消耗量。

4.根据权利要求1所述的金属矿山含水层富水性评价方法，其特征在于，

在步骤S20中，采用模糊层次分析法确定评价指标的主观权重包括如下步骤：

S201：根据影响因素的相对重要性构建比较矩阵D，比较矩阵D的表达式如下：

其中，d_ij为判断矩阵中不同指标的分值，其中d_ij＝0表示指标i的重要性小于指标j；d_ij＝0.5表示指标i的重要性等于指标j；d_ij＝1意味着指标i的重要性大于指标j；

S202：计算判断矩阵的行和，用e_i和e_j表示，其中，

和

S203：构建互补判断矩阵F，并利用变换方程g_if将互补判断矩阵F变换为倒数判断矩阵G；

其中，互补判断矩阵的表达式为：F＝(f_ij)_m×n，f_ij为互补判断矩阵的每一项；

其中，互补判断矩阵的每一项f_ij的表达式为：

其中，变换方程的表达式为：g_ij＝f_ij/f_ji；

其中，倒数判断矩阵的表达式为G＝(g_ij)_m×n；

S204：利用迭代方程得到无穷范数||H_k+1||_∞，并根据不等式|||H_k+1||_∞-||H_k||_∞|＜0.0001用来确定迭代是否结束；当满足此条件时，获取评价指标的主观权重w’_j；

其中，迭代方程的表达式为：H_k+1＝GH_k，H_k为初始权重值。

5.根据权利要求1所述的金属矿山含水层富水性评价方法，其特征在于，

在步骤S20中，采用熵权法确定评价指标的客观权重包括如下步骤：

A201：由m个评价对象和n个评价指标构成原始数据矩阵R＝(r_ij)_m×n；其中，r_ij为评价指标的原始数据；

A202：计算各评价因子与相应评价对象的标准值P_ij，其表达式如下：

A203：根据标准值P_ij计算每个评价因子的熵值s_j，其表达式如下：

A204：根据每个评价因子的熵值s_j，评价指标的客观权重w”_j，其表达式如下：

6.根据权利要求1所述的金属矿山含水层富水性评价方法，其特征在于，

在步骤S30中，采用博弈论法确定评价指标的综合权重包括如下步骤：

S301：假设有L种方法计算权重指数，根据权重向量形成L个权重向量的线性组合；

其中，权重向量w_j的表达式为：w_j＝(w_j1,w_j2,...,w_jn)；

其中，L个权重向量的线性组合的表达式为：

S302：建立一个对策模型，计算最小化综合权重与各权重之间的偏差，其表达式如下：

S303：根据矩阵微分原理，得到了矩阵的导数，以优化一阶倒数，其中，矩阵的导数的表达式如下：

S304：通过归一化线性组合系数

获得组合权重

其中，组合系数的表达式为：

其中，所述组合权重的表达式为：

7.根据权利要求1所述的金属矿山含水层富水性评价方法，其特征在于，

在所述步骤S40中，采用TOPSIS方法并基于评价指标的综合权重构建含水层富水性评价模型包括如下步骤：

S401：设综合权重W＝(w^* ₁,w^* ₂,…,w^* _n)∈(0,1]ⁿ的n维权重矢量，满足

S402：设原始数据可以构成m行n列的矩阵R＝(r_ij)m_╳n，标准化数据公式为

结合评价指标权重及标准化数据，构成标准加权矩阵

S403：设含水层富水性评价指标的负理想解为

评价指标的正理想解为

S404：设含水层富水性评价指标距离负理想解的距离为

距离正理想解的距离为

根据含水层富水性评价指标距离正负理想解的距离，确定含水层富水性指数为

8.一种金属矿山含水层富水性评价系统，其特征在于，包括：

评价指标获取模块，用于选取与金属矿山含水层富水性相关的评价指标并构建评价指标体系；

主客观权重计算模块，用于采用模糊层次分析法确定评价指标的主观权重以及采用熵权法确定评价指标的客观权重；

综合权重计算模块，用于采用博弈论法确定评价指标的综合权重；

评价模型建立模块，用于采用TOPSIS方法并基于评价指标的综合权重构建含水层富水性评价模型；

富水性划分模块，用于划分金属矿山含水层富水性分区。

9.根据权利要求8所述的金属矿山含水层富水性评价系统，其特征在于，

所述评价指标包括：渗透系数、水位降深、单位涌水量、矿化度、含水层有效厚度、断层分维、钻孔冲洗液消耗量。

10.根据权利要求8所述的金属矿山含水层富水性评价系统，其特征在于，

所述主客观权重计算模块包括：

第一构建模块，用于根据影响因素的相对重要性构建比较矩阵D，比较矩阵D的表达式如下：

其中，d_ij为判断矩阵中不同指标的分值，其中d_ij＝0表示指标i的重要性小于指标j；d_ij＝0.5表示指标i的重要性等于指标j；d_ij＝1意味着指标i的重要性大于指标j；

第一计算模块，用于计算判断矩阵的行和，用e_i和e_j表示，其中，

和

第二构建模块，用于构建互补判断矩阵F，并利用变换方程g_if将互补判断矩阵F变换为倒数判断矩阵G；

其中，互补判断矩阵的表达式为：F＝(f_ij)_m×n，f_ij为互补判断矩阵的每一项；

其中，互补判断矩阵的每一项f_ij的表达式为：

其中，变换方程的表达式为：g_ij＝f_ij/f_ji；

其中，倒数判断矩阵的表达式为G＝(g_ij)_m×n；

第二计算模块，用于利用迭代方程得到无穷范数||H_k+1||_∞，并根据不等式|||H_k+1||_∞-||H_k||_∞|＜0.0001用来确定迭代是否结束；当满足此条件时，获取评价指标的主观权重w’_j；

其中，迭代方程的表达式为：H_k+1＝GH_k，H_k为初始权重值。

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