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基于AHP的多元因素融合煤层底板突水危险性评价方法研究
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摘要：山阳煤矿5#煤层处于奥灰含水层带压开采区，矿井生产与开发面临的主要灾害为底板奥灰水。研究认为山阳煤矿底板奥灰含水层水害主控因素有4项，分别为奥灰含水层水压、奥灰含水层径流特征、底板有效隔水层厚度、构造复杂程度。采用AHP的多元因素融合量化分析底板水害主控因素，评估各主控因素的权重，构建5#煤层底板突水危险性评价图，对山阳煤矿煤层底板突水危险性做出合理评价，评价结果为山阳煤矿5#煤层开采提供了科学依据。
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山阳煤矿位于陕西省渭北石炭二叠纪煤田澄合矿区中深部,井田构造形态是一走向近东西､向北倾斜具波状起伏的单斜构造｡井田含煤地层共含煤12层,含煤地层总厚61.54~123.68m,一般84.43m,平均煤层总厚7.70m,含煤系数9.12%｡主要可采5#煤层厚度较稳定,基本全区可采,结构较简单,煤类主要为贫煤和贫瘦煤,山阳煤矿矿井开采面临的主要灾害为底板奥灰岩水｡本文通过对山阳煤矿5#煤层底板突水危险性进行评估[1-2],为煤层安全高效开采提供科学依据｡
现阶段研究煤层底板突水的评价方法类型较多,主要有突水系数法､灰色系统理论､加权秩和比法､五图-双预测法､TOPSIS法､脆弱性指数法等｡根据《煤矿防治水细则》的相关要求,煤层底板突水危险性评价(带压开采评价)需要使用突水系数法进行评价[3-5]｡由于底板突水系数方法评价突水危险性,仅考量底板承受水压与底板隔水层厚度2个因素,并未考虑底板隔水层隔水性能､奥灰径流条件等其他影响因素,缺乏各影响因素“权重”概念,评价结果安全区与危险区之间缺乏过渡缓冲区,与实际水文地质条件逐渐变化的特征并不相符[6-7]｡
本次采用基于AHP的多元因素融合煤层底板突水危险性评价,综合考虑奥灰含水层水压､奥灰含水层径流特征､底板有效隔水层厚度､构造复杂程度这4个因素,重点考虑构造因素对底板突水的主控作用,评价成果具有缓慢变化的趋势,评价结果更为实际､可靠｡更有利于指导山阳煤矿的安全开采｡
1、地质与水文地质概况
1.1地质概况
依据地表出露及钻孔揭露,评价区内地层由老至新依次为奥陶系中统峰峰组(O2f),石炭系上统太原组(C3t),二叠系下统山西组(P1s)及下石盒子组(P1sh)､二叠系上统上石盒子组(P2sh)及孙家沟组(P2s),三叠系下统刘家沟组(T1l),新生界(Kz)｡井田含煤地层为石炭系上统太原组和二叠系下统山西组[8]｡
1.2水文地质概况
山阳煤矿位于鄂尔多斯地块东南缘的渭北隆起东段,根据水文地质单元划分情况,合耀水文地质单元处于鄂尔多斯盆地南缘断陷式岩溶含水层亚系统东南部分｡煤系沉积基底奥陶系灰岩,水文地质条件复杂,含水空间以溶蚀裂隙为主,富水性具有明显的不均一性,且岩溶水连通性良好,由于太原组下部岩层隔水性能不稳定,奥灰水将对煤层开采造成很大威胁,煤层开采时需严加防范奥灰水对矿井的危害[9]｡
2、5#煤层底板突水主控因素选取和权重确定
2.1主控因素选取
(1)奥灰含水层水压
奥灰含水层水压是煤层底板突水的动力源,煤层底板能够发生突水,是因为奥灰水在静水压力的驱动下,突破煤层底板隔水层直接进入采动空间,因此奥灰含水层水压是评价奥灰突水的主要因素｡针对奥灰富水性评价直接使用前述分析结果,该因素与突水危险性具有正相关性｡
(2)奥灰含水层径流特征
虽然奥灰承压含水层的水压对于底板突水具有决定性的控制作用,但是奥灰受控于其顶界面的形态而影响其自身径流特征,也能够影响其自身富水性｡根据奥灰顶界面展布特征,奥灰含水层整体上呈向北倾斜的单斜构造,在局部存在一定的褶皱构造,因此,奥灰含水层的径流方向,在受开采发生涌水的影响下,呈现向北的径流特征,而局部的褶皱构造将影响其径流特征｡
本次针对奥灰径流特征,采用趋势面分析方法进行分析,由于三次趋势一般趋于稳定,三次趋势值基本与奥灰含水层顶板标高相差不大,利用剩余值分析奥灰顶界面的构造｡山阳井田东西方向上基本是三向夹两背的形态｡由于向斜构造具有相对的汇水作用,因此,利用剩余值进行分析时,其与突水危险性具有负相关性｡
(3)底板有效隔水层厚度
影响底板突水的主控因素为有效隔水层厚度｡煤层开采对煤层底板产生破坏,导致煤层底板不能全部阻水,常形成部分失效隔水层;此外,在长期的地质演化过程中,含水层化学腐蚀与水压致裂等作用也会破坏煤层底板岩层的完整性,进一步降低底板隔水层隔水能力｡综合底板直接破坏带和导升带的影响,煤层实际有效的隔水层厚度小于煤层底板与奥灰顶板之间的距离｡
针对煤层底板破坏深度,对周边矿井进行了一系列的实测工作,其中临近的澄合二矿24508工作面采场底板破坏深度为8.2m,董家河煤矿22507工作面采场底板破坏深度为10.8m,王村煤矿斜井5206工作面采场底板破坏深度为12.2m,以及王村煤矿13506工作面采场底板破坏深度为10.6m｡目前,针对华北型煤田奥灰顶板导升带发育高度的研究还不够细致,一般认为在煤层埋深不高于500m,限制采高的条件下,煤层底板破坏深度约15m[10]｡山阳井田内5#煤距离奥灰20.95~63.10m,且由于K2灰岩含水层与奥灰含水层存在较强的水力联系,因此在开采5#煤层时,存在底板破坏深度直接沟通K2含水层,间接造成奥灰含水层发生突水｡本次评价的5#煤层距离奥灰相对较近,加之底板破坏深度与导升带的发育程度及采动条件关系密切,因此,煤层底板隔水层的厚度及隔水性能是评价底板突水危险性的主要因素｡
隔水层的有效厚度主要包括3个因素:①煤层与K2灰岩之间的隔水层厚度,该因素与突水危险性负相关;②K2灰岩厚度,该因素与突水危险性正相关;③泥岩占比,该因素与突水危险性负相关｡
(4)构造复杂程度
综合渭北煤田澄合矿区石炭二叠纪煤田底板突水规律来看,小型断层､褶皱裂隙等地质构造引起约90%的底板突水事件｡因煤田勘探阶段针对小型断层的探查常存在遗漏,在开采时缺少断层防水煤柱的保护作用,同时断层破坏了底板的隔水性能,存在工作面回采阶段因揭露断层形成底板突水的风险｡此外,张性裂隙较发育也会破坏煤层底板完整性,同样易引发底板突水｡
本次评价采用前述构造复杂程度的2个指标进行分析:①断层分维值,如图1所示;②褶皱变异系数,如图2所示,两因素与突水危险性均呈正相关｡
2.2权重确定
通过以上分析可知,底板奥灰含水层水害主控因素包括奥灰含水层水压､奥灰含水层径流特征､底板有效隔水层厚度､构造复杂程度这4个因素,通过对矿区地质､水文地质条件的分析,依据AHP确定出主控因素的权重,如表1所示｡为了减少单因素由于数据范围不一致等情况,将其全部转换为0~1进行分析｡
图1断层分维值分布趋势图
图2褶皱变异系数分布趋势图
表1底板奥灰含水层水害主控因素权重
3、基于AHP的综合评价
层次分析法(AHP)将评价系统中的主控因素分解为不同层次｡在满足上一层要求的前提下对同一层次的主控因素进行比较计算,并求出各主控因素的权重值｡层次分析法(AHP)分4个步骤:(1)构建层次结构模型;(2)构造比较判断矩阵;(3)计算矩阵的最大特征根及与其对应的特征向量;(4)层次排序及其一致性检验[11]｡层次分析法(AHP)对分析受不确定因素及主观信息影响较大的问题具有显著优势｡煤层底板突水问题具有控制因素多且条件不精确的特点,通过层次分析法(AHP)综合分析多因素对底板突水的影响,合理评价煤层底板突水危险性｡山阳煤矿5#煤层底板突水危险性按最大权重原则确定评价方案,如图3所示｡
图3底板突水危险性评价层次模型
利用基于AHP的多元信息融合方法综合分析主控因素的评价指标,并完成突水危险性阈值划分｡山阳煤矿5#煤层底板突水危险性的分级阈值如下:
(1)相对安全区综合评价值<0.32;
(2)中等危险区0.32≤综合评价值≤0.40;
(3)相对危险区综合评价值>0.40｡
基于AHP多元信息融合后的5#煤层底板突水危险性评价结果,如图4所示,评价结果表明,山阳煤矿5#煤层底板突水危险性主要来自小型断层等地质构造的影响,井田中部多为相对安全区,井田两侧及中南部为相对危险区｡通过与突水系数法进行比较,突水系数法相对威胁的区域与多元融合结果一致,但是在井下中南部区域,基于AHP综合评价方法中划分突水危险区更细致,更有利于指导底板防治水工作｡
图4基于AHP的多元信息融合的5#煤层底板突水危险性评价图
4、结语
(1)通过对山阳煤矿5#煤层底板突水的主要影响因素进行研究,确立了奥灰水压､奥灰径流特征､有效隔水层厚度､构造复杂程度4个主控因素,并采用AHP进行量化处理,确定主控因素的影响权重,建立5#煤层底板突水危险性评价图｡
(2)现阶段山阳井田内5#煤层底板隔水层承受的水压相对较小,且5#煤层与奥灰间距相对较大,5#煤层开采相对较安全｡但随着山阳煤矿采掘向深部开拓,水害威胁将逐步增大,因此,需要提前做好底板加固等相关工作｡
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基金资助:陕西省自然科学基础研究计划项目(2022JM-159);国家自然科学基金面上项目(41974209); 中煤科工西安研究院(集团)有限公司科技创新基金项目(2022XAYSZ03-07);
文章来源:杨焱钧.基于AHP的多元因素融合煤层底板突水危险性评价方法研究[J].煤炭技术,2025,44(02):109-112.
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2025-04-07我要评论
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2025-02-11
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