礦井老空水害危險性多源信息融合評價

谷保澤,金祥波,何 滔,唐申強

(1.國家能源集團烏海能源公司,內蒙古 烏海 016099; 2.內蒙古科技大學 礦業與煤炭學院,內蒙古 包頭 014010;3.中煤科工集團重慶研究院有限公司,重慶 400039)

我國煤炭資源十分豐富且地域分布廣闊,同時煤礦床水文地質條件復雜,是世界上礦井水害較嚴重的國家之一[1-2]。在這些水害事故中,老空水害占比較大,是礦井地質災害重大隱患之一。

礦井生產實踐表明,老空水害影響因素眾多,機理復雜,各因素間關聯耦合且影響程度不同[3],老空水害危險性預測往往需要對諸多因素進行綜合分析。多源信息融合能夠獲得單因素以外的更多信息,有助于提升地學復雜問題分析的準確性和科學性[4-5],且該方法較單一信息更具客觀性[6-7],因此,其在礦井水害防治中具有獨特的優勢。近年來,在礦井水害多源信息綜合評價方面,不少專家學者進行了積極探索:武強等[8]建立了基于GIS信息融合方法的頂板含水層富水性分布規律評價模型;劉玉忠[9]、鄭偉[10]等采用GIS和多源地學信息復合疊加方法,構建了煤層底板突水危險性評價模型;肖建于等[11]從多源信息融合的角度出發,提出了基于模糊證據理論的煤層底板突水量估計方法與評價模型;朱宗奎等[12]開展了以無量綱多源信息融合為基礎的底板突水危險性評價方法研究;王靜雪等[13]采用模糊德爾菲層次分析法(FDAHP)與逼近理想解排序法(TOPSIS)的基本理論建立了煤層底板突水風險評價模型;李哲[14]、馮書順[15]等采用層次分析法(AHP)建立了頂板含水層富水性評價模型;張群利[16]、謝超[17]等采用層次分析法和熵權系數法相結合的方法確定巖溶礦區底板突水危險性評價模型;李云龍[18]以柵格為單位進行多源信息融合,對研究區水害與冒裂安全性進行了綜合評價。上述理論與方法,從不同角度闡述了多源信息融合技術應用于礦井頂底板水害的優越性。

筆者根據烏海能源礦井老空水害影響因素多且復雜的特點,在構建礦井老空水害評價指標體系基礎上,利用層次分析法與GIS空間疊合分析技術建立老空水害多源信息融合評價模型,對五虎山礦井老空水害危險性進行綜合評價,旨在為礦井老空水害的防治提供精細化的指導依據。

1 老空水害危險性多源信息融合評價方法

多源信息綜合評價主要有評價指標優選、指標權重確定及危險性分區評價3個步驟。

1)評價指標優選。在多源信息融合中,合理選取礦井老空水害評價指標,對綜合評價模型的建立和決策結果的準確性起著關鍵影響。多年開采實踐證明,老空水害影響因素多且復雜。為保證各評價指標間相互獨立,消除信息的重疊、交叉對最終決策的影響,需在進行老空水害危險性評價之前對評價指標進行相關性分析,排除相關因子干擾,遵循評價指標體系科學性、準確性、適應性與簡練性的原則。此外,由于不同因素之間數值差異較大,對劃分的主控因素離散網格化后應進行歸一化處理。

2)指標權重的確定。采用的是層次分析法,該方法首先根據評價指標體系建立層次結構模型,然后構建成對判斷矩陣[19-20],在此基礎上,依次計算單排序和總排序權向量并做一致性檢驗,以獲得相關評價指標的權重Wi。

3)老空水害危險性分區分級評價。引入危險指數VI (Vulnerability Index),采用GIS空間疊合分析方法對老空水害危險性進行評價,以表征某一空間位置上的各種影響因素對其產生的疊加影響總和。評價模型表達式如下:

(1)

式中:VI為危險性指數;i為第i個因素;Wi為影響因素權重;fi(x,y)為單因素影響值函數;x、y為計算網格的地理坐標;n為影響因素個數。

老空水害危險性指數越大,老空水對礦井安全的威脅越大。為便于分級評價,將危險性指數進行歸一化處理到[0,5]區間,計算公式如下:

(2)

按老空水害危險性指數,對應地將井田范圍劃分為老空水極危險區、危險區、較危險區、較安全區、相對安全區,共5個區域,見表1。

表1 老空水害危險性指數評價分區

2 烏海能源五虎山煤礦老空水害危險性多源信息融合評價

2.1 礦井老空水害概況

當前烏海能源多數礦井露頭區存在小窯老空水威脅,歷史上鑫源煤礦、長富煤礦等曾發生過特大老空突水事故。其中,五虎山煤礦老空水害尤為典型。該礦經過40多年的開采,正遭受小煤窯老空水與自身采空區積水的雙重威脅,總體具有如下特征:

1)充水水源。老空水直接充水水源為頂板含水層,主要間接充水水源為大氣降水。

2)導水通道。老空水充水通道主要為采動裂隙,其次為斷層和火燒塌陷通道。

3)分布規律。老空水主要富集在煤層工作面底板凹陷區、運移路徑與煤柱交叉處,以及斷層附近。

2.2 老空水害評價指標優選及量化

在充分分析烏海礦井水文地質特征及老空水害分布規律基礎上,根據老空水導水通道、預測的采空積水區、已知自身采空積水區三方面情況,確定了斷裂構造、采動裂隙帶、火燒塌陷區、預測的上部煤層老空水運移路徑、預測的上部煤層采空區易積水區、已知的上部采空富水區和已知的側方富水區共7個主控因素。

1)斷裂構造

斷裂構造是礦井的主要導水通道。斷層影響帶中往往裂隙比較發育,導水性較強,是礦井老空水的主要導水通道。以斷裂上下盤為中心構建緩沖區,繪制斷層構造影響圖(見圖1(a))。

圖1 礦井老空水害主控因素專題圖

2)采動裂隙帶

煤層開采引起的垮落帶及導水裂隙帶為礦井老空水的主要導水通道。導水裂隙帶的高度與上部老空區覆巖厚度之差在一定程度上可反映上部老空水與當前采煤工作面之間的水力聯系,該差值越小,采動裂隙導通上部老空水的可能性越大。

本次采動導水裂隙帶高度主要通過將礦井水文地質補充勘探中計算的采裂比與空間各點煤層厚度相乘進行估算。將各點采動裂隙帶高度和當前工作面上部(層)老空區覆巖厚度之差作為模型的評價指標(見圖1(b))。

3)火燒塌陷區

煤層自燃火燒區改變了原巖的性質,裂隙雜亂無序,孔洞發育,具備良好的導水通道和儲水空間。大氣降水及地下水易在火燒塌陷區匯集,對下部工作面造成較大威脅。因此,根據礦井上下對照圖中圈定的火燒區范圍,繪制火燒塌陷影響專題圖(見圖1(c))。

4)預測的運移路徑與易積水區

根據五虎山煤礦多年生產實踐,發現老空水往往易集聚于上層采空區的低洼處,以及運移路徑與煤柱的交叉處。對三維煤層底板模型進行空間分析,計算煤層底板坡度、坡向,獲得底板凹陷區和水運移路徑(見圖1(d))。

5)已知的上部采空富水區與已知的側方富水區

礦井自身采空區積水威脅主要為下部煤層開采受上層老空水威脅和鄰近采面受側方老空水威脅。根據礦井充水性圖圈定的上覆煤層工作面積水及小窯邊界,繪制上覆煤層采空富水區(見圖1(e))。

老空水害危險性主控因素量化物理量見表2。

表2 老空水害危險性主控因素量化物理量

2.3 層次分析法評價模型構建及指標權重確定

1)構建遞階層次結構模型

在礦井老空水害評價指標體系基礎之上,將遞階層次模型劃分為3個層次:第一層A為老空水危險性評價,作為評價模型的目標層;第二層B分別為導水通道B1、預測采空積水區B2及已知自身采空區積水B3,作為評價模型的準則層;第三層C為在B層次各指標之下細分的七大因素,作為評價模型的決策層。評價模型如圖2所示。

圖2 老空水害危險性評價結構模型

2)確定指標權重

根據對老空水害相關因素的綜合分析,采用“征集專家評分”的方法(T.L.SAATY創立的1～9標度法),對影響老空水害因素進行評分:①將相關老空水害評價指標羅列成表,請相關專家學者對影響礦井老空水害所有評價指標進行兩兩比較,給出量化分值,比較時采用的是相對尺度以盡可能減少不同類型評價指標相互比較的困難,提高評價的客觀性和準確性;②根據累計得分情況,進行各因素間的總分比較,由此構建礦井老空水AHP評價的判斷矩陣(見表3～6)。其中,λmax為各判斷矩陣的最大特征根,CR為一致性比例。

表3 判斷矩陣A～Bi(i=1～3)

表4 判斷矩陣B1～Ci(i=1～3)

表5 判斷矩陣B2～Ci(i=4～5)

表6 判斷矩陣B3～Ci(i=6～7)

通過一致性計算,所有判斷矩陣的一致性比例CR<0.1,滿足一致性要求。根據判斷矩陣計算出各層單排序的權值,獲得老空水害各評價指標的權重,見表7。

表7 層次總排序

據此得到五虎山煤礦老空水害危險性評價模型:

VI=0.117f1(x,y)+0.208f2(x,y)+0.026f3(x,y)+0.074f4(x,y)+0.014f5(x,y)+0.465f6(x,y)+0.093f7(x,y)

(3)

2.4 老空水害危險性綜合評價

在主控因素離散網格化及權重確定的基礎上,通過GIS對多源信息進行多重空間疊合分析,獲得老空水害綜合評價結果,該結果一定程度上反映了各主控因素對老空水害危險性的綜合影響,如圖3所示。

圖3 多重空間疊加分析示意圖

圖4為五虎山煤礦9煤層老空水害危險性分區分級評價圖。通過對比礦井充水圖發現,已有的老空水區域全部落在了極危險區與危險區,這表明所建立模型的評價結果與實際情況吻合度較好。

圖4 五虎山煤礦9煤層老空水害危險性分區圖

進一步從圖4中可以看到9煤層老空水害極危險區主要有4個:

1)區域Ⅰ位于礦區西側。該區域地表存在火燒塌陷治理區和9煤層小窯,且埋藏淺易接受大氣降水的補給。因此,該區域的老空水防治重點應在于對火區塌陷通道的治理及小窯的探查。

2)區域Ⅲ位于礦區南側。該區域煤層埋藏淺,采動裂隙易導通地表。大氣降水極易沿著采動裂隙補充老空水。此外,該區域上部存在8煤層小窯的威脅,并存在多條斷層。因此,該區域老空水的防治工作應以上部老空水的探查及地表水的防治為主。

3)區域Ⅱ與Ⅳ位于井田中部及北部底板凹陷區。該區域煤層底板凹陷,老空水極易匯集于此,且該區域斷裂構造較為發育。對于該區域的老空水害防治工作,一方面應加強臨排管理,另一方面應在采前及時施工放水巷并加強對斷層導水性的超前探放工作。

3 結束語

1)構建了以七大主控因素為主的五虎山礦井老空水害危險性評價指標體系,使老空水害分區分級評價更加科學合理。采用層次分析法計算了影響五虎山礦井老空水害危險性的七大主控因素權重。

2)利用GIS空間疊合分析法建立老空水害多源信息融合評價模型,對烏海能源五虎山礦井老空水害危險性進行綜合評價,共圈定了4個老空水害極危險區,為礦井老空水的防治提供了精細化的指導依據。