矿井老空水害危险性多源信息融合评价

谷保泽,金祥波,何 滔,唐申强

(1.国家能源集团乌海能源公司,内蒙古 乌海 016099; 2.内蒙古科技大学 矿业与煤炭学院,内蒙古 包头 014010;3.中煤科工集团重庆研究院有限公司,重庆 400039)

我国煤炭资源十分丰富且地域分布广阔,同时煤矿床水文地质条件复杂,是世界上矿井水害较严重的国家之一[1-2]。在这些水害事故中,老空水害占比较大,是矿井地质灾害重大隐患之一。

矿井生产实践表明,老空水害影响因素众多,机理复杂,各因素间关联耦合且影响程度不同[3],老空水害危险性预测往往需要对诸多因素进行综合分析。多源信息融合能够获得单因素以外的更多信息,有助于提升地学复杂问题分析的准确性和科学性[4-5],且该方法较单一信息更具客观性[6-7],因此,其在矿井水害防治中具有独特的优势。近年来,在矿井水害多源信息综合评价方面,不少专家学者进行了积极探索:武强等[8]建立了基于GIS信息融合方法的顶板含水层富水性分布规律评价模型;刘玉忠[9]、郑伟[10]等采用GIS和多源地学信息复合叠加方法,构建了煤层底板突水危险性评价模型;肖建于等[11]从多源信息融合的角度出发,提出了基于模糊证据理论的煤层底板突水量估计方法与评价模型;朱宗奎等[12]开展了以无量纲多源信息融合为基础的底板突水危险性评价方法研究;王静雪等[13]采用模糊德尔菲层次分析法(FDAHP)与逼近理想解排序法(TOPSIS)的基本理论建立了煤层底板突水风险评价模型;李哲[14]、冯书顺[15]等采用层次分析法(AHP)建立了顶板含水层富水性评价模型;张群利[16]、谢超[17]等采用层次分析法和熵权系数法相结合的方法确定岩溶矿区底板突水危险性评价模型;李云龙[18]以栅格为单位进行多源信息融合,对研究区水害与冒裂安全性进行了综合评价。上述理论与方法,从不同角度阐述了多源信息融合技术应用于矿井顶底板水害的优越性。

笔者根据乌海能源矿井老空水害影响因素多且复杂的特点,在构建矿井老空水害评价指标体系基础上,利用层次分析法与GIS空间叠合分析技术建立老空水害多源信息融合评价模型,对五虎山矿井老空水害危险性进行综合评价,旨在为矿井老空水害的防治提供精细化的指导依据。

1 老空水害危险性多源信息融合评价方法

多源信息综合评价主要有评价指标优选、指标权重确定及危险性分区评价3个步骤。

1)评价指标优选。在多源信息融合中,合理选取矿井老空水害评价指标,对综合评价模型的建立和决策结果的准确性起着关键影响。多年开采实践证明,老空水害影响因素多且复杂。为保证各评价指标间相互独立,消除信息的重叠、交叉对最终决策的影响,需在进行老空水害危险性评价之前对评价指标进行相关性分析,排除相关因子干扰,遵循评价指标体系科学性、准确性、适应性与简练性的原则。此外,由于不同因素之间数值差异较大,对划分的主控因素离散网格化后应进行归一化处理。

2)指标权重的确定。采用的是层次分析法,该方法首先根据评价指标体系建立层次结构模型,然后构建成对判断矩阵[19-20],在此基础上,依次计算单排序和总排序权向量并做一致性检验,以获得相关评价指标的权重Wi。

3)老空水害危险性分区分级评价。引入危险指数VI (Vulnerability Index),采用GIS空间叠合分析方法对老空水害危险性进行评价,以表征某一空间位置上的各种影响因素对其产生的叠加影响总和。评价模型表达式如下:

(1)

式中:VI为危险性指数;i为第i个因素;Wi为影响因素权重;fi(x,y)为单因素影响值函数;x、y为计算网格的地理坐标;n为影响因素个数。

老空水害危险性指数越大,老空水对矿井安全的威胁越大。为便于分级评价,将危险性指数进行归一化处理到[0,5]区间,计算公式如下:

(2)

按老空水害危险性指数,对应地将井田范围划分为老空水极危险区、危险区、较危险区、较安全区、相对安全区,共5个区域,见表1。

表1 老空水害危险性指数评价分区

2 乌海能源五虎山煤矿老空水害危险性多源信息融合评价

2.1 矿井老空水害概况

当前乌海能源多数矿井露头区存在小窑老空水威胁,历史上鑫源煤矿、长富煤矿等曾发生过特大老空突水事故。其中,五虎山煤矿老空水害尤为典型。该矿经过40多年的开采,正遭受小煤窑老空水与自身采空区积水的双重威胁,总体具有如下特征:

1)充水水源。老空水直接充水水源为顶板含水层,主要间接充水水源为大气降水。

2)导水通道。老空水充水通道主要为采动裂隙,其次为断层和火烧塌陷通道。

3)分布规律。老空水主要富集在煤层工作面底板凹陷区、运移路径与煤柱交叉处,以及断层附近。

2.2 老空水害评价指标优选及量化

在充分分析乌海矿井水文地质特征及老空水害分布规律基础上,根据老空水导水通道、预测的采空积水区、已知自身采空积水区三方面情况,确定了断裂构造、采动裂隙带、火烧塌陷区、预测的上部煤层老空水运移路径、预测的上部煤层采空区易积水区、已知的上部采空富水区和已知的侧方富水区共7个主控因素。

1)断裂构造

断裂构造是矿井的主要导水通道。断层影响带中往往裂隙比较发育,导水性较强,是矿井老空水的主要导水通道。以断裂上下盘为中心构建缓冲区,绘制断层构造影响图(见图1(a))。

图1 矿井老空水害主控因素专题图

2)采动裂隙带

煤层开采引起的垮落带及导水裂隙带为矿井老空水的主要导水通道。导水裂隙带的高度与上部老空区覆岩厚度之差在一定程度上可反映上部老空水与当前采煤工作面之间的水力联系,该差值越小,采动裂隙导通上部老空水的可能性越大。

本次采动导水裂隙带高度主要通过将矿井水文地质补充勘探中计算的采裂比与空间各点煤层厚度相乘进行估算。将各点采动裂隙带高度和当前工作面上部(层)老空区覆岩厚度之差作为模型的评价指标(见图1(b))。

3)火烧塌陷区

煤层自燃火烧区改变了原岩的性质,裂隙杂乱无序,孔洞发育,具备良好的导水通道和储水空间。大气降水及地下水易在火烧塌陷区汇集,对下部工作面造成较大威胁。因此,根据矿井上下对照图中圈定的火烧区范围,绘制火烧塌陷影响专题图(见图1(c))。

4)预测的运移路径与易积水区

根据五虎山煤矿多年生产实践,发现老空水往往易集聚于上层采空区的低洼处,以及运移路径与煤柱的交叉处。对三维煤层底板模型进行空间分析,计算煤层底板坡度、坡向,获得底板凹陷区和水运移路径(见图1(d))。

5)已知的上部采空富水区与已知的侧方富水区

矿井自身采空区积水威胁主要为下部煤层开采受上层老空水威胁和邻近采面受侧方老空水威胁。根据矿井充水性图圈定的上覆煤层工作面积水及小窑边界,绘制上覆煤层采空富水区(见图1(e))。

老空水害危险性主控因素量化物理量见表2。

表2 老空水害危险性主控因素量化物理量

2.3 层次分析法评价模型构建及指标权重确定

1)构建递阶层次结构模型

在矿井老空水害评价指标体系基础之上,将递阶层次模型划分为3个层次:第一层A为老空水危险性评价,作为评价模型的目标层;第二层B分别为导水通道B1、预测采空积水区B2及已知自身采空区积水B3,作为评价模型的准则层;第三层C为在B层次各指标之下细分的七大因素,作为评价模型的决策层。评价模型如图2所示。

图2 老空水害危险性评价结构模型

2)确定指标权重

根据对老空水害相关因素的综合分析,采用“征集专家评分”的方法(T.L.SAATY创立的1～9标度法),对影响老空水害因素进行评分:①将相关老空水害评价指标罗列成表,请相关专家学者对影响矿井老空水害所有评价指标进行两两比较,给出量化分值,比较时采用的是相对尺度以尽可能减少不同类型评价指标相互比较的困难,提高评价的客观性和准确性;②根据累计得分情况,进行各因素间的总分比较,由此构建矿井老空水AHP评价的判断矩阵(见表3～6)。其中,λmax为各判断矩阵的最大特征根,CR为一致性比例。

表3 判断矩阵A～Bi(i=1～3)

表4 判断矩阵B1～Ci(i=1～3)

表5 判断矩阵B2～Ci(i=4～5)

表6 判断矩阵B3～Ci(i=6～7)

通过一致性计算,所有判断矩阵的一致性比例CR<0.1,满足一致性要求。根据判断矩阵计算出各层单排序的权值,获得老空水害各评价指标的权重,见表7。

表7 层次总排序

据此得到五虎山煤矿老空水害危险性评价模型:

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 老空水害危险性综合评价

在主控因素离散网格化及权重确定的基础上,通过GIS对多源信息进行多重空间叠合分析,获得老空水害综合评价结果,该结果一定程度上反映了各主控因素对老空水害危险性的综合影响,如图3所示。

图3 多重空间叠加分析示意图

图4为五虎山煤矿9煤层老空水害危险性分区分级评价图。通过对比矿井充水图发现,已有的老空水区域全部落在了极危险区与危险区,这表明所建立模型的评价结果与实际情况吻合度较好。

图4 五虎山煤矿9煤层老空水害危险性分区图

进一步从图4中可以看到9煤层老空水害极危险区主要有4个:

1)区域Ⅰ位于矿区西侧。该区域地表存在火烧塌陷治理区和9煤层小窑,且埋藏浅易接受大气降水的补给。因此,该区域的老空水防治重点应在于对火区塌陷通道的治理及小窑的探查。

2)区域Ⅲ位于矿区南侧。该区域煤层埋藏浅,采动裂隙易导通地表。大气降水极易沿着采动裂隙补充老空水。此外,该区域上部存在8煤层小窑的威胁,并存在多条断层。因此,该区域老空水的防治工作应以上部老空水的探查及地表水的防治为主。

3)区域Ⅱ与Ⅳ位于井田中部及北部底板凹陷区。该区域煤层底板凹陷,老空水极易汇集于此,且该区域断裂构造较为发育。对于该区域的老空水害防治工作,一方面应加强临排管理,另一方面应在采前及时施工放水巷并加强对断层导水性的超前探放工作。

3 结束语

1)构建了以七大主控因素为主的五虎山矿井老空水害危险性评价指标体系,使老空水害分区分级评价更加科学合理。采用层次分析法计算了影响五虎山矿井老空水害危险性的七大主控因素权重。

2)利用GIS空间叠合分析法建立老空水害多源信息融合评价模型,对乌海能源五虎山矿井老空水害危险性进行综合评价,共圈定了4个老空水害极危险区,为矿井老空水的防治提供了精细化的指导依据。