A new risk prediction method for water inrush from high-position separated layers in mine areas of Jurassic coal field
-
摘要:
以黄陇煤田招贤煤矿为例，提出了一种考虑主观决策、客观统计和变权理论修正的离层水害区域危险性预测方法。选取煤层厚度、含水层渗透系数、含水层厚度、含水层单位涌水量、含水层距煤层距离、含水层水头高度、构造、近场顶板岩层泥岩累计厚度等8个主要因素，在层次分析法（AHP）和熵权法（EWM）的基础上，使用变权法（VWM）对常权值修正，建立了招贤一采区离层突水危险性评价数学模型，得到开采前一采区离层突水危险性综合评价指标。结合招贤工程地质条件，采用地面抽排孔控制离层致灾水源。结果表明：提出的基于AHP−EWM−VWM的高位离层突水区域危险性预测方法可以较为准确地定位突水高风险区，综合权重评价结果表明，降低含水层水位高度是防控离层水害的关键措施；实际开展的地面抽排孔抽水有效降低了采区离层突水风险，证明研究对侏罗系煤田离层水害有效防治具有良好的指导意义。
-
关键词:
- 高位离层 /
- 突水因素 /
- 层次分析−熵权−变权法 /
- 水害预测 /
- 群孔抽水
Abstract:Water inrush from high-position separation layers in the Jurassic coal field represents a novel type of hydraulic disaster, inflicting substantial damage upon coal mines. This study, using Zhaoxian Coal Mine in the Huanglong Coalfield as a case study, introduces a regional risk forecasting methodology that integrates aspects of subjectivity, objectivity, and variable weight theory. Eight principal factors were identified for this analysis:coal seam thickness, aquifer permeability coefficient, distance of the aquifer from the coal seam, aquifer thickness, aquifer’s unit water intake, head height of the aquifer, geological structure, and the cumulative thickness of mudstone in the Yan’an and Zhiluo formations.The study employed the Variable Weight Method (VWM) to adjust the normal weights determined by the Analytic Hierarchy Process (AHP) and the Entropy Weight Method (EWM). This led to the development of a mathematical model for water inrush risk assessment in the Zhaoxian No. 1 mining area, culminating in a comprehensive evaluation index for water inrush risk. In conjunction with the engineering geological conditions of Zhaoxian, surface extraction and drainage holes were utilized to precisely manage the water sources of the hazard. The results indicate that the AHP−EWM−VWM method can accurately pinpoint areas at high risk of water inrush. The comprehensive weight evaluation underscores that reducing the aquifer water level is a crucial strategy for preventing and controlling water damage. The implemented surface pumping holes have been effective in mitigating the risk of water inrush in the mining area, demonstrating the study’s significant value in guiding the effective prevention and control of water inrush in the Jurassic coal field.
-
0. 引 言
我国华北煤田石炭−二叠纪煤系底板普遍发育巨厚奥陶系灰岩，由于高承压、强富水、岩溶发育不均一的特点，对上部煤层的开采构成极大的威胁[1-2]。为解放受底板岩溶水害威胁的深部煤炭资源，冀中能源集团以地面多分支近水平定向钻探技术为依托，提出了“区域超前治理”的奥陶系岩溶水害治理理念及指导原则[3-4]，形成了地面区域治理关键配套技术[5-9]，在华北煤田得到广泛推广应用。
近年来，随着A组煤层的开采及开采深度的日益增加，两淮煤田面临底板岩溶水害的威胁日益加重，多个矿井采用地面区域治理的方法对底板岩溶水害进行治理，取得不错的治理效果[10-17]。两淮煤田地面区域治理的思路是：对A组煤层与奥陶系灰岩之间富水性相对较弱的太原组灰岩进行注浆加固改造，阻断富水性较强的奥陶系灰岩的突水通道，从而消除奥陶系岩溶水害对A组煤层的威胁。两淮煤田太原组地层厚度达100～150 m，灰岩多达10～13层，地面区域治理的目的层位具有不惟一性。地面区域治理目的层位的选择，事关地面多分支近水平定向井的钻探及注浆，决定地面区域治理的效果，同时又与地面区域治理进度及成本紧密相关。因此，目的层位的选择是地面区域治理的关键。
由于华北煤田的邯邢煤田可供选择的治理层位不多，地面区域治理目的层位主要是对满足突水系数要求的灰岩含水层进行注浆改造可行性研究确定[3-9]。郑士田[18-19]选取突水系数要求、地层可注性、水力联系、地层厚度等4个因素对目的层位的优化选择进行了研究。针对地面区域治理目的层位的优化选择问题，当前的相关研究还相对较少，主要集中在定性研究方面，且考虑的影响因素也相对较少，尚未开展多因素定量化优化选择方面的研究。以潘二煤矿西四采区18413工作面为例，在影响因素分析的基础上，探讨基于层次分析法的地面区域治理目的层位多因素定量化优化选择方法，为目的层位优化选择提供新方法。
1. 研究区概况
1.1 煤矿区构造
潘二煤矿位于淮南煤田潘集背斜东段的陶王背斜，背斜东西转折端地层走向呈弧形。矿井断层较发育，常成组出现，同向倾斜的断层往往形成断层带。西四采区18413工作面位于陶王背斜西部转折端，地层倾向西（图1），倾角5°～10°。
1.2 煤矿区地层
西四采区18413工作面自下而上依次为古生界寒武系、奥陶系、石炭系、二叠系及新生界新近系、第四系地层，除第四系出露地表外，其余地层均被第四系所覆盖。二叠系为含煤地层，自下而上依次有山西组、下石盒子组和上石盒子组，其中，A组煤层（1、3煤层）位于山西组。
1.3 煤矿区含水层
A组煤层在基岩面没有露头（图1），其开采主要受底板石炭系太原组灰岩岩溶裂隙含水层、奥陶系灰岩岩溶裂隙含水层威胁。
太原组由薄层灰岩、泥岩及砂质泥岩组成，地层总厚104～131 m，含灰岩10～13层，各层灰岩厚度及间距如图2所示，自上而下分为C3Ⅰ组、C3Ⅱ组、C3Ⅲ组，每组含灰岩3～5层，富水性不一，一般C3Ⅱ组最弱，C3Ⅲ组最强。C3Ⅰ组含C3 1、C3 2、C3 3上、C3 3下灰岩4层，其中C3 1、C3 2为薄层灰岩，C3 3上、C3 3下厚度较大，分布稳定；单位涌水量0.000 009～0.007 L/(s·m)，富水性弱。C3Ⅱ组含C3 5、C3 6、C3 7、C3 8、C3 9灰岩5层，均为薄层灰岩，其中C3 4灰岩缺失；单位涌水量0.000 165～0.001 520 L/(s·m)，富水性弱。C3Ⅲ组含C3 10、C3 11、C3 12灰岩3层，其中C3 11最厚、全区稳定，C3 12分布不稳定；单位涌水量0.000 044～0.009 400 L/(s·m)，富水性弱。
奥陶系岩性为厚层状白云质灰岩及少量砾状灰岩，富水性非均一：背斜轴部，单位涌水量0.200～1.283 L/(s·m)，富水性中等～强；背斜两翼，单位涌水量0.002 32～0.010 80 L/(s·m)，富水性弱。
1.4 防治水思路
2013年，潘二煤矿开始开采A组煤层。2017年之前，矿井采取以疏放太原组C3Ⅰ组灰岩水为主，辅以井下物探超前探测、地面观测孔水位监测等措施治理底板岩溶水害，实现了A组煤层的安全开采。2017年5月25日，矿井发生奥陶系岩溶突水，瞬时突水量达14 520 m3/h，造成−530 m水平部分被淹，导水构造为非典型的隐伏陷落柱+裂隙带复合体[20]。“5.25突水”说明：随着开采深度的增加、开采强度的加强，加之岩溶陷落柱的影响，A组煤层的开采已经受到奥陶系岩溶水害的威胁，以往针对太原组岩溶水害的防治水方法已经不能完全满足现阶段矿井安全开采的需要。因此，研究区的防治水思路也发生了转变，由以往单一防治太原组岩溶水害，转变为奥陶系与太原组岩溶水害并重，即采取疏水降压防治太原组岩溶水害，地面区域治理防治奥陶系岩溶水害。
1.5 工程布置
18413工作面地面区域治理工程，采用地面定向钻探技术，在治理区域合理布井，达到全覆盖无盲区，探查并注浆封堵A组煤层底板的溶隙、裂隙及垂向导水构造，隔断奥陶系与太原组之间的水力联系，实现奥陶系岩溶水害的超前治理。治理范围包括18413工作面及采区巷道，面积约0.51 km2。共设计3个地面钻场（D1、D2、D3），26个钻孔，包括3个主孔，23个分支孔，如图3所示。
2. 目的层位选择的影响因素
2.1 突水系数
突水系数即单位厚度的隔水层所承受的水压，而临界突水系数则为单位厚度的隔水层所能承受的最大水压[21]，其表达式如下：
$$ T = \frac{P}{M} $$ (1) 式中：T为突水系数，MPa/m；P为底板隔水层承受的实际水头值，MPa；M为底板有效隔水层厚度，m。
突水系数要求是确保矿井安全开采的必要条件，是地面区域治理目的层位选择的决定性因素。潘二煤矿奥陶系地面观测孔水位标高分别为−49.46、−35.83、−37.31 m；18413工作面A组煤层底板标高为−680～−480 m。选择的目的层位不同，底板有效隔水层厚度就不同，底板隔水层承受的实际水头值也不同。通过计算，以C3 6灰岩为目的层位，突水系数小于0.1 MPa/m，因此，目的层位应选择C3 6灰岩及其下部的灰岩。
2.2 水动力条件
2006年以来，潘二煤矿通过井下钻孔疏放C3Ⅰ组灰岩水，并利用地面观测孔对太原组C3Ⅰ组、C3Ⅱ组、C3Ⅲ组、奥陶系地下水位动态进行系统监测。
据监测成果：各灰岩含水层均出现不同程度的水位下降，其中，C3Ⅰ组、C3Ⅱ组水位下降幅度最大，C3Ⅲ组水位下降幅度次之，奥陶系水位下降幅度最小（图4）。因此，矿井范围内奥陶系水动力条件最佳，C3Ⅲ组次之，C3Ⅰ组、C3Ⅱ组最差。
![]()
图 4 疏放水条件下灰岩含水层地下水动态Figure 4. Groundwater level dynamics of limestone aquifers under the condition of draining water由于潘二煤矿并未疏放C3Ⅱ组灰岩水，但C3Ⅱ组水位接近甚至低于C3Ⅰ组水位（图4b），监测成果表明：C3Ⅱ组富水性弱，以静储存量为主，易疏干，水动力条件比C3Ⅰ组差。
综上所述，矿井各灰岩含水层水动力条件由强至弱为：奥陶系、C3Ⅲ组、C3Ⅰ组、C3Ⅱ组。
地面区域治理一般选择弱富水性的灰岩作为目的层位，其水动力条件差，注浆过程顺利。因此，C3Ⅱ组的C3 5～C3 9等薄层灰岩，由于富水性弱，水动力条件差，可作为地面区域治理的目的层位。
2.3 水力联系
潘二煤矿“5·25”突水前后，矿井地面观测孔对含水层水位动态进行了实时监测，因此，可以利用水位响应特征，验证太原组与奥陶系之间的水力联系。
奥陶系：突水前，水位标高为−75.84～−19.58 m；突水期间，作为突水水源，水位迅速下降至−376.91～−371.56 m；治理期间，水位缓慢下降至−429.50～−405.89 m，降幅达353.66～388.14 m；治理后，水位逐渐回升（图5a）。
![]()
图 5 奥陶系岩溶突水条件下灰岩含水层地下水动态Figure 5. Groundwater level dynamics of limestone aquifer under the condition of Ordovician karst water inrushC3Ⅲ组：突水前，水位标高为−120.10～−79.32 m；突水期间，水位下降至−305.89～−275.32 m；治理期间，水位进一步下降至−411.91～−308.15 m，降幅为228.83～291.81 m；治理后，水位出现短暂的滞后下降后开始慢慢回升。C3Ⅲ组与奥陶系具有水位同步变化的特征，即突水期间快速下降，治理后又逐渐回升（图5b）。C3Ⅲ组水位响应特征表明：C3Ⅲ组与奥陶系之间水力联系密切，水位基本同步变化。
C3Ⅱ组与C3Ⅰ组：突水前后，水位无明显下降，部分观测孔水位存在小幅回升的现象，水位变化幅度−41.07～8.98 m（图5c、图5d）。C3Ⅱ组、C3Ⅰ组水位响应特征表明：C3Ⅱ组、C3Ⅰ组与奥陶系之间无明显的水力联系。
综上所述，C3Ⅲ组与奥陶系之间存在较强的水力联系，C3Ⅱ组、C3Ⅰ组与奥陶系之间的水力联系则较弱。
本着“安全有效、经济合理”的原则（即正确地处理治理效果与成本的关系，在保证治理效果的同时，兼顾治理成本，达到二者的最佳结合），地面区域治理目的层位要避免与奥陶系存在较强的水力联系，防止浆液大量扩散至奥陶系，造成不必要的浪费，并影响治理效果。因此，地面区域治理的目的层位应优先选择C3Ⅰ、C3Ⅱ组灰岩。
2.4 导水构造
潘二煤矿主要的导水构造有导水断层、陷落柱等。断层、陷落柱构造带岩石破碎、松散，往往具有较好的透水性，成为岩溶突水的通道，同时由于本身具有含水性，还可构成重要的充水水源。
地面区域治理过程中，如果目的层位发育岩溶陷落柱，目的层位与奥陶系灰岩连通，将造成注浆过程中浆液的大量漏失，极大增加治理成本，并严重影响治理效果。因此，在满足突水系数要求的前提下，地面区域治理过程中应尽量避免揭露岩溶陷落柱。
根据探查结果：潘二煤矿陷落柱发育层位为太原组C3 11灰岩至奥陶系灰岩[20]。地面区域治理目的层位要尽量避免接露岩溶陷落柱，并预留一定的安全隔水间距，目的层位应选择C3 9灰岩及其上部灰岩。
2.5 灰岩间距
地面区域治理的过程中，通过多分支水平定向钻孔对目的层位进行注浆，水泥浆液在目的层位的岩溶裂隙、溶穴及断层裂隙带扩散，达到改造灰岩含水层、加固顶底板隔水层的效果，形成具有较好隔水性能的全新隔水层。因此，加固改造后的隔水层由3部分组成：即加固的顶板隔水层、改造目的层、加固的底板隔水层。在其他因素相同的条件下，形成的隔水层厚度越大，隔水性越好。
淮南煤田太原组灰岩多达十余层，各层灰岩厚度大相径庭，灰岩顶底板的隔水层厚度也各不相同（ 图2），因此，治理层位不同，加固改造后形成的隔水层厚度也就截然不同。以太原组各层灰岩为目的层位进行注浆加固改造，形成的隔水层厚度见表1。
表 1 加固改造后隔水层厚度统计Table 1. Statistics of aquiclude thickness after reinforcement and reconstruction目的层位 厚度/m 顶板隔水层 改造目的层 底板隔水层 隔水层 C3 1 18.02 2.05 4.72 24.79 C3 2 4.72 1.56 4.02 10.30 C3 3上 4.02 5.63 9.16 18.81 C3 3下 9.16 7.31 7.40 23.87 C3 5 7.40 3.30 2.35 13.05 C3 6 2.35 3.53 3.46 9.34 C3 7 3.46 1.58 4.31 9.35 C3 8 4.31 2.25 6.72 13.28 C3 9 6.72 1.86 13.76 22.34 C3 10 13.76 4.07 3.34 21.17 C3 11 3.34 13.37 10.90 27.61 C3 12 10.90 0.92 6.70 18.52 C3 1、C3 3下、C3 9、C3 10、C3 11灰岩加固改造后的隔水层厚度大于20 m，具有较好的隔水效果；C3 3上、C3 12灰岩加固改造后的隔水层厚度约18 m，隔水效果也相对较好；其余灰岩加固改造后的隔水层厚度仅9～13 m，隔水效果相对较差。
因此，从加固改造后隔水层厚度考虑，地面区域治理的目的层位应选择C3 1、C3 3上、C3 3下、C3 9、C3 10、C3 11、C3 12灰岩。
2.6 灰岩厚度
从钻探过程考虑，地面区域治理目的层位的厚度越大，层位越稳定，越有利于定向水平井钻进的层位控制；而从注浆过程考虑，由于薄层灰岩顶底板隔水层的控制，浆液沿水平方向扩散，浆液易于控制[9,18]。因此，灰岩厚度适中最有利于地面区域治理工程的实施。
潘二煤矿太原组均为薄层灰岩，有利于注浆过程中浆液的控制，各层灰岩中，C3 3上、C3 3下、C3 11灰岩厚度大于5 m，其余灰岩厚度在0.92～4.07 m（图2）。因此，C3 3上、C3 3下、C3 11灰岩厚度适中，既满足定向水平井钻进过程中层位控制的要求，又有利于注浆过程中浆液的控制，适宜作为地面区域治理的目的层位；其余灰岩厚度较薄，层位稳定性差，增加了钻探过程中层位控制的难度。
2.7 地层可注性
地层的可注性是指在外界压力的作用下，浆液渗入岩体裂隙的可能性及难易程度，既取决于岩体介质的渗透性，又取决于浆液的粒度及流动性[22]。影响地层可注性的因素主要有岩体介质条件、浆液性质及注浆工艺，3种因素相辅相成、缺一不可。
通过碳酸盐岩石成分与结构特征分析，潘二煤矿太原组各层灰岩主要由方解石、生物碎屑、白云石、填隙物等组成；各层灰岩岩溶发育具有不均一性，岩溶裂隙率在0.1%～0.5%不等。
近几年，两淮煤田的朱庄、界沟、桃园、恒源煤矿在C3 3灰岩，潘二煤矿在C3 5灰岩，顾北、潘二煤矿在C3 9灰岩，新集二矿在C3 12灰岩，进行目的层位注浆加固改造，取得不错的地面区域治理效果[10-17]，实践证明两淮煤田太原组多层灰岩均具有可注性。
3. 目的层位优化选择
3.1 问题的提出
突水系数要求是保证矿井安全开采的必要条件，决定了地面区域治理目的层位的选择范围。通过前述计算，以C3 6灰岩为目的层位，突水系数小于0.1 MPa/m，满足安全开采的要求，因此，可在C3 6～C3 12灰岩进行目的层位的优化选择。
在满足突水系数要求的前提下，不同单因素分析确定的目的层位之间往往具有不相容性，难以实现目的层位的优化选择。比如，C3 11灰岩满足灰岩间距、灰岩厚度及地层可注性的要求，但难以满足水动力条件、含水层水力联系及导水构造的要求（表2）。因此，需要采用多因素综合分析的方法来确定目的层位。
表 2 单因素分析确定的目的层位统计Table 2. Statistical table of target strata obtained by single factor analysis影响因素 C3 6 C3 7 C3 8 C3 9 C3 10 C3 11 C3 12 水动力条件 + + + + 含水层水力联系 + + + + 导水构造 + + + + 灰岩间距 + + + + 灰岩厚度 + 地层可注性 + + 注：新集二矿的C3 12灰岩与本矿井的C3 11灰岩对应；“+”为单因数确定的目的层位。 层次分析法（Analytic Hierarchy Process，AHP）是将半定性、半定量问题转化为定量问题的有效方法，是一种解决复杂问题的重要决策方法[23-25]。采用层次分析法，对地面区域治理目的层位进行优化选择。
3.2 基本原理
层次分析法的建模过程是：在综合分析影响因素的基础上，建立层次分析模型，构造判断矩阵，并计算各方案对目标的综合权重。
建立层次分析模型就是把问题层次化，构造出一个有层次的结构模型，一般分为3层：最高层，即目标层，是分析问题的既定目标；中间层，即准则层，是影响目标实现的各项指标，根据问题的复杂程度，可将准则层进一步细分为子准则层；最底层，即方案层，是实现目标的各种备选方案。
假定B层中Bi与下一层中Cj（j=1，2，···，n）具有从属关系，建立判断矩阵，形式如表3，通过两两比较指标Cj（j=1，2，···，n），按其重要性程度评定等级，赋予不同的标度并以1～9作为数量尺度，标度含义见表4。
表 3 判断矩阵基本形式Table 3. Basic form of judgment matrixBi C1 C2 ··· Cn C1 b11 b12 ··· b1n C2 — b22 ··· b2n $ \vdots $ — — $ \vdots $ $ \vdots $ Cn — — — bnn 表 4 判断矩阵标度及含义Table 4. Scale and meaning of judgment matrix标度 含义 1 表示因素m与因素n相比，同等重要 3 表示因素m与因素n相比，稍微重要 5 表示因素m与因素n相比，明显重要 7 表示因素m与因素n相比，强烈重要 9 表示因素m与因素n相比，极端重要 2，4，6，8 表示上述相邻标度的中间值 倒数 若因素m与因素n的重要性之比为bmn，那么因素n与因素m的重要性之比为bnm=1/bmn 计算判断矩阵的最大特征值λmax与特征向量，经归一化后即为Cj（j=1，2，···，n）对于Bi的权向量ωi，其数值大小代表权重等级。
判断矩阵一般要进行一致性检验，以判断其一致性，公式如下：
$$ {{CR}} = \frac{{{{CI}}}}{{{{RI}}}} $$ (2) $$ {{CI}} = \frac{{{\lambda _{\max }} - n}}{{n - 1}} $$ (3) 式中：CR为一致性比例；CI为一致性指标，其值越大，则矩阵偏离一致性的程度越大，反之越小；RI为平均随机一致性指标，取值见表5。
表 5 RI对应矩阵阶数n的取值Table 5. RI value corresponds to the order n of matrixn 3 4 5 6 7 8 9 10 RI 0.58 0.9 1.12 1.24 1.32 1.41 1.45 1.49 当CR<0.10，认为判断矩阵具有较好的一致性，否则，需对判断矩阵进行调整，直至满足一致性检验。
3.3 层次分析模型构建
将地面区域治理目的层位优化选择作为模型的目标层（A）；准则层包含6个指标，即水动力条件（B1）、含水层水力联系（B2）、导水构造（B3）、灰岩间距（B4）、灰岩厚度（B5）、地层可注性（B6）；方案层包括7个方案，即C3 6（C1）、C3 7（C2）、C3 8（C3）、C3 9（C4）、C3 10（C5）、C3 11（C6）、C3 12（C7）灰岩。层次分析结构模型共有3层，如图6所示。
3.4 判断矩阵的构造
目标层（A）影响因素有水动力条件（B1）、含水层水力联系（B2）、导水构造（B3）、灰岩间距（B4）、灰岩厚度（B5）、地层可注性（B6）等6个指标，本次在对两淮煤田类似地面区域治理工程经验总结的基础上，采用专家评分的方法建立A-Bi判断矩阵，见表6。经计算得到权向量ωi及最大特征值λmax。经检验CR＜0.10，判断矩阵一致性较好，满足一致性检验。
表 6 A-Bi判断矩阵及计算结果Table 6. Judgment matrix A-Bi and calculation resultsA B1 B2 B3 B4 B5 B6 权重ωi B1 1 1 1/4 1/2 2 4 0.119 B2 — 1 1/4 1/2 2 4 0.119 B3 — — 1 2 8 9 0.432 B4 — — — 1 4 8 0.238 B5 — — — — 1 2 0.059 B6 — — — — — 1 0.033 注：CI=0.007，CR=0.006，λmax=6.037，（i=1～6）。 水动力条件（B1）通过含水层水位标高反映，矿井突水前，C3Ⅱ组水位标高为−477.41～−304.86 m，C3Ⅲ组水位标高为−162.56～−79.32 m；水力联系（B2）通过奥陶系岩溶突水后各含水层水位降幅反映，矿井突水后，C3Ⅱ组水位最大降幅为12.89 m，C3Ⅲ组水位最大降幅为291.81 m；导水构造（B3）通过各层灰岩底板至陷落柱的距离反映受陷落柱的威胁程度，矿井陷落柱发育层位为太原组C3 11灰岩至奥陶系灰岩，C3 6～C3 12灰岩底板至陷落柱的距离分别为41.35、36.31、29.75、21.17、3.34、0、0 m；灰岩间距（B4）可通过注浆加固改造后隔水层厚度（表1）反映；灰岩厚度（B5）决定水平定向井钻探及注浆过程的难易程度（ 图2）；地层可注性（B6）通过灰岩岩溶裂隙率反映，淮南煤田太原组灰岩孔隙率一般在0.1%～0.5%。
依据上述指标建立Bi-Cj判断矩阵见表7—12。经计算得到权向量ω1j～ω6j及最大特征值λmax，其中ω1j～ω6j代表各方案均一化后的单因素分值，经检验CR值均小于0.10，判断矩阵一致性较好，满足一致性检验。
表 7 B1-Cj判断矩阵及其计算结果Table 7. Judgment matrix B1-Cj and calculation resultsB1 C1 C2 C3 C4 C5 C6 C7 权重ω1j C1 1 1 1 1 7 7 7 0.226 C2 — 1 1 1 7 7 7 0.226 C3 — — 1 1 7 7 7 0.226 C4 — — — 1 7 7 7 0.226 C5 — — — — 1 1 1 0.032 C6 — — — — — 1 1 0.032 C7 — — — — — — 1 0.032 注：CI=0，CR=0，λmax=7，（j=1～7）。 表 8 B2-Cj判断矩阵及其计算结果Table 8. Judgment matrix B2-Cj and calculation resultsB2 C1 C2 C3 C4 C5 C6 C7 权重ω2j C1 1 1 1 1 9 9 9 0.231 C2 — 1 1 1 9 9 9 0.231 C3 — — 1 1 9 9 9 0.231 C4 — — — 1 9 9 9 0.231 C5 — — — — 1 1 1 0.026 C6 — — — — — 1 1 0.026 C7 — — — — — — 1 0.026 注：CI=0，CR=0，λmax=7，（j=1～7）。 表 9 B3-Cj判断矩阵及其计算结果Table 9. Judgment matrix B3-Cj and calculation resultsB3 C1 C2 C3 C4 C5 C6 C7 权重ω3j C1 1 1 1 1 5 9 9 0.232 C2 — 1 1 1 5 9 9 0.232 C3 — — 1 1 4 8 8 0.217 C4 — — — 1 4 8 8 0.217 C5 — — — — 1 2 2 0.051 C6 — — — — — 1 1 0.026 C7 — — — — — — 1 0.026 注：CI=0.001，CR=0.001，λmax=7.007，（j=1～7）。 表 10 B4-Cj判断矩阵及其计算结果Table 10. Judgment matrix B4-Cj and calculation resultsB4 C1 C2 C3 C4 C5 C6 C7 权重ω4j C1 1 1 1/2 1/8 1/8 1/9 1/4 0.030 C2 — 1 1/2 1/8 1/8 1/9 1/4 0.030 C3 — — 1 1/4 1/4 1/5 1/2 0.060 C4 — — — 1 1 1 2 0.247 C5 — — — — 1 1 2 0.247 C6 — — — — — 1 2 0.263 C7 — — — — — — 1 0.123 注：CI=0.001，CR=0.001，λmax=7.005，（j=1～7）。 表 11 B5-Cj判断矩阵及其计算结果Table 11. Judgment matrix B5-Cj and calculation resultsB5 C1 C2 C3 C4 C5 C6 C7 权重ω5j C1 1 2 2 2 1 1/2 4 0.168 C2 — 1 1 1 1/2 1/5 2 0.082 C3 — — 1 1 1/2 1/5 2 0.082 C4 — — — 1 1/2 1/5 2 0.082 C5 — — — — 1 1/2 4 0.168 C6 — — — — — 1 9 0.377 C7 — — — — — — 1 0.041 注：CI=0.001，CR=0.001，λmax=7.007，（j=1～7）。 表 12 B6-Cj判断矩阵及其计算结果Table 12. Judgment matrix B6-Cj and calculation resultsB6 C1 C2 C3 C4 C5 C6 C7 权重ω6j C1 1 2 2 2 1 1/2 2 0.167 C2 — 1 1 1 1/2 1/4 1 0.083 C3 — — 1 1 1/2 1/4 1 0.083 C4 — — — 1 1/2 1/4 1 0.083 C5 — — — — 1 1/2 2 0.167 C6 — — — — — 1 4 0.333 C7 — — — — — — 1 0.083 注：CI=0，CR=0，λmax=7，（j=1～7）。 3.5 层次总排序及优化选择
前述ωi表示准则层各指标的权重，ω1j～ω6j表示各方案均一化后的单因素分值，为各指标对上一级的层次单排序，为了实现目的层位的优化选择，需要进行层次总排序。层次总排序权重的计算从最高层开始，依次向下一级类推[23-25]，公式如下：
$$ {{\boldsymbol{\omega}} }_{j}={\displaystyle \sum _{i=1}^{6}{{\boldsymbol{\omega}} }_{i}{{\boldsymbol{\omega}} }_{i}{}_{j}}\text{ }j=\text{1}\text{，}\text{2}\text{，} \dots \text{，}\text{7} $$ (4) 式中：ωi是准则层Bi（i=1，2，···，6）对目标层A的权重；ωij是方案层Cj（j=1，2，···，7）对准则层Bi（i=1，2，···，6）的层次单排序，代表各方案的单因素分值；ωj是方案层Cj（j=1，2，···，7）对目标层A的层次总排序，代表各方案的总分值。
计算得到层次总排序ωj，方案C1～C7的总分值分别为0.177、0.169、0.170、0.214、0.103、0.114、0.053（表13）。经检验CR＜0.10，判断矩阵一致性较好，满足一致性检验。
表 13 层次总排序及计算结果Table 13. Hierarchy total sort and calculation resultsA B1 B2 B3 B4 B5 B6 权重ωj 0.119 0.119 0.432 0.238 0.059 0.033 C1 0.226 0.231 0.232 0.03 0.168 0.167 0.177 C2 0.226 0.231 0.232 0.03 0.082 0.083 0.169 C3 0.226 0.231 0.217 0.06 0.082 0.083 0.170 C4 0.226 0.231 0.217 0.247 0.082 0.083 0.214 C5 0.032 0.026 0.051 0.247 0.168 0.167 0.103 C6 0.032 0.026 0.026 0.263 0.377 0.333 0.114 C7 0.032 0.026 0.026 0.123 0.041 0.083 0.053 注：CI=0.001，CR=0.001。 根据计算结果，方案C4总分值最大，因此，方案C4为最优方案，即地面区域治理最优目的层位为C3 9灰岩。
4. 结 论
1）突水系数要求是地面区域治理目的层位优化选择的前提，决定了目的层位选择的范围；水动力条件、含水层水力联系、导水构造、灰岩间距、灰岩厚度、地层可注性等影响因素是目的层位优化选择的关键指标。
2）采用层次分析法，以地面区域治理目的层位优化选择为目标层，水动力条件、含水层水力联系、导水构造、灰岩间距、灰岩厚度、地层可注性为准则层，C3 6、C3 7、C3 8、C3 9、C3 10、C3 11、C3 12灰岩为方案层，建立层次分析模型，经计算确定地面区域治理最优目的层位为C3 9灰岩。
3）将层次分析法应用于地面区域治理目的层位优化选择的研究，将定性问题转化为定量问题，实现了目的层位的多因素定量化优化选择，为目的层位的优化选择提供了新方法。合理构建模型结构及判断矩阵是层次分析模型的关键，提高判断矩阵标度的准确性可以有效优化模型的计算精度。
-
![]()
图 2 一采区宜君组厚度等值线
Figure 2. Thickness contour map of Yijun Formation in No.1 mining area
![]()
图 3 一采区天然状态宜君组渗透系数
Figure 3. Permeability coefficient of Yijun Formation in natural state of No.1 mining area
![]()
图 4 招贤1304工作面微震−水位−突水关系
Figure 4. Relations between microearthquake,water level and water inrush of working face 1304 of Zhaoxian Colliery
![]()
图 5 我国西部煤矿采高−导水裂隙带高度统计
Figure 5. Relations between mining height and mining-induced fractured zone in western China
![]()
图 6 治理前突水危险性综合评价指标
Figure 6. Comprehensive evaluation index of water inrush risk before treatment
![]()
图 8 一采区抽水试验抽水孔与观测孔平面分布
Figure 8. Plane distribution of pumping holes and observation holes in pumping test in No.1 mining area
![]()
图 10 治理后突水危险性综合评价指标
Figure 10. Comprehensive evaluation index of water inrush risk after treatment
表 1 基于AHP的影响因子权重值
Table 1 Weight of factors based on AHP
指标 X1 X2 X3 X4 X5 X6 X7 X8 权重值 0.162 50 0.020 07 0.146 52 0.057 26 0.114 03 0.218 34 0.129 21 0.150 07 
下载: 导出CSV
表 2 影响因素熵值和熵权计算结果
Table 2 Calculation results of entropy and entropy weight of factors
指标 X1 X2 X3 X4 X5 X6 X7 X8 熵值 0.932 0.935 0.934 0.090 0.097 0.089 0.092 0.099 熵权 0.014 0.014 0.014 0.192 0.191 0.193 0.192 0.190
下载: 导出CSV
表 3 AHP−EWM 综合权重结果
Table 3 Comprehensive weight results of AHP-EWM
指标 X1 X2 X3 X4 X5 X6 X7 X8 综合权重 0.088 0.017 −0.081 0.125 0.152 0.205 0.161 0.170
下载: 导出CSV
表 4 变权函数区间
Table 4 Interval values of variable weight function
指标 $ [0,{d_{j1}}) $ $ [{d_{j1}},{d_{j2}}) $ $ [{d_{j2}},{d_{j3}}) $ $ [{d_{j3}},1] $ X1 0≤x< 0.2300 0.2300 ≤x<0.4860 0.4860 ≤x<0.8510 0.8510 ≤x≤1X2 0≤x< 0.2575 0.2575 ≤x<0.5460 0.5460 ≤x<0.7885 0.7885 ≤x≤1X3 0≤x< 0.2295 0.2295 ≤x<0.5500 0.5500 ≤x<0.8790 0.8790 ≤x≤1X4 0≤x< 0.1055 0.1055 ≤x<0.4790 0.4790 ≤x<0.8750 0.8750 ≤x≤1X5 0≤x< 0.2425 0.2425 ≤x<0.4825 0.4825 ≤x<0.8135 0.8135 ≤x≤1X6 0≤x< 0.1715 0.1715 ≤x<0.5675 0.5675 ≤x<0.8155 0.8155 ≤x≤1X7 0≤x< 0.1810 0.1810 ≤x<0.5400 0.5400 ≤x<0.7790 0.7790 ≤x≤1X8 0≤x< 0.1555 0.1555 ≤x<0.3565 0.3565 ≤x<0.8195 0.8195 ≤x≤1
下载: 导出CSV
表 5 基于AHP−EWM−VWM确定的因素综合权重
Table 5 Weight of Factors based on AHP−EWM−VWM
指标 X1 X2 X3 X4 X5 X6 X7 X8 权重值 0.146 30 0.021 10 0.122 10 0.047 81 0.320 60 0.118 20 0.093 40 0.130 10
下载: 导出CSV
表 6 一采区抽排孔抽水情况
Table 6 Statistical table of pumping drainage hole in No.1 mining area
孔号 抽水时间 最大水量/（m3·h−1） 累计抽水量/m3 1304−CP1 2020−10−10—2021−11−18 50 414 702 1305−CP1 2021−01−27—2021−03−10 86 77 334 1305−CP2 未抽水 — — 1305−CP3 未抽水 — — 1305−CP4 2021−11−18—2021−11−30 80 12 295 1307−SP1 2021−03−09—2021−08−16 95 273 932 1307−SP2 2021−09−19—2022−02−06 24 — 1304−SP1 2021−11−09至今 230 759 489 1304−SP2 2022−01−09—2022−01−31 117 33 065 1304−SP3 2022−05−09至今 30 51 028 1302−CP1 2022−03−28至今 120 64 361 1302−CP2 未抽水 — —
下载: 导出CSV
-
[1] 董书宁,虎维岳. 中国煤矿水害基本特征及其主要影响因素[J]. 煤田地质与勘探,2007,35(5):34−38. doi: 10.3969/j.issn.1001-1986.2007.05.009 DONG Shuning,HU Weiyue. Basic characteristics and main controlling factors of coal mine water hazard in China[J]. Coal Geology & Exploration,2007,35(5):34−38. doi: 10.3969/j.issn.1001-1986.2007.05.009
[2] 郑卿. 探析煤炭企业矿井水害原因的分析与治理策略[J]. 当代化工研究,2021(18):93−94. doi: 10.3969/j.issn.1672-8114.2021.18.046 ZHENG Qing. Analysis on the causes of mine water disasters in coal enterprises and its control strategies[J]. Modern Chemical Research,2021(18):93−94. doi: 10.3969/j.issn.1672-8114.2021.18.046
[3] 乔伟,赵世隆,李连刚,等. 采动覆岩高位离层演化特征及涌(突)水前兆信息研究[J]. 煤炭科学技术,2021,49(2):194−205. QIAO Wei,ZHAO Shilong,LI Liangang,et al. Study on evolution features of high level overburden separation layer and precursor information of water inrush during coal mining[J]. Coal Science and Technology,2021,49(2):194−205.
[4] 白云鹏,杨国栋,赵朋超. 郭家河矿1309工作面突水原因分析及后续防治水措施[J]. 能源技术与管理,2022,47(1):93−95. doi: 10.3969/j.issn.1672-9943.2022.01.032 BAI Yunpeng,YANG Guodong,ZHAO Pengchao. Guojiahe Mine 1309 working face water breakage cause analysis and subsequent water prevention and control measures[J]. Energy Technology and Management,2022,47(1):93−95. doi: 10.3969/j.issn.1672-9943.2022.01.032
[5] KRATZSCH H. Mining subsidence engineering[M]. Berlin:Springer-Verlag,1983.
[6] PENG S S. 煤矿地层控制[M]. 北京:煤炭工业出版社,1984. [7] 比尼斯基 Z T,孙恒虎. 矿业工程岩层控制[M]. 徐州:中国矿业大学出版社,1990. [8] PALCHIK V. Formation of fractured zones in overburden due to longwall mining[J]. Environmental Geology,2003,44(1):28−38. doi: 10.1007/s00254-002-0732-7
[9] PALCHIK V. Localization of mining-induced horizontal fractures along rock layer interfaces in overburden:field measurements and prediction[J]. Environmental Geology,2005,48(1):68−80.
[10] HEBBLEWHITE B. Fracturing,caving propagation and influence of mining on groundwater above longwall panels–a review of predictive models[J]. International Journal of Mining Science and Technology,2020,30(1):49−54. doi: 10.1016/j.ijmst.2019.12.001
[11] WANG J,MA J,YANG K M,et al. Effects and laws analysis for the mining technique of grouting into the overburden bedding separation[J]. Journal of Cleaner Production,2021,288:125121. doi: 10.1016/j.jclepro.2020.125121
[12] MENG F F,PIAO C D,SHI B,et al. Calculation model of overburden subsidence in mined-out area based on Brillouin optical time-domain reflectometer technology[J]. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences,2021,138:104620.
[13] XU J M,ZHU W B,XU J L,et al. High-intensity longwall mining-induced ground subsidence in Shendong coalfield,China[J]. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences,2021,141:104730. doi: 10.1016/j.ijrmms.2021.104730
[14] YUAN C F,YUAN Z J,WANG Y T,et al. Analysis of the diffusion process of mining overburden separation strata based on the digital speckle correlation coefficient field[J]. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences,2019,119:13−21. doi: 10.1016/j.ijrmms.2019.04.016
[15] MA H W,SUI W H,NI J M. Environmentally sustainable mining:a case study on surface subsidence control of grouting into overburden[J]. Environmental Earth Sciences,2019,78(10):320. doi: 10.1007/s12665-019-8313-1
[16] SUN Y J,ZUO J P,KARAKUS M,et al. Investigation of movement and damage of integral overburden during shallow coal seam mining[J]. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences,2019,117:63−75. doi: 10.1016/j.ijrmms.2019.03.019
[17] YU G M,MI W R,WANG D N,et al. Research on the relationship between the surface dynamic subsidence and overburden separated strata of coal mine and its model[J]. Procedia Engineering,2017,191:196−205. doi: 10.1016/j.proeng.2017.05.172
[18] 李小琴. 坚硬覆岩下重复采动离层水涌突机理研究[D]. 中国矿业大学,2012. Li Xiaoqin. Study on the Inrush Mechanism of the Water in Bed Separation due to Repeated Coal Mining under Hard Rock[D]. XuZhou:China University of Mining and Technology,2012.
[19] 贺江辉. 煤层开采过程中覆岩离层动态演化研究及离层水害评价[D]. 徐州:中国矿业大学,2019. HE Jianghui. Dynamic Evolution of Bed Separation in Coal Seam Mining and Assessment of Bed-Separation Water Hazards[D]. XuZhou:China University of Mining and Technology,2019.
[20] 陆秋妤. 坚硬覆岩破断离层水动力涌突危险性预测评价——以杨柳矿为例[D]. 徐州:中国矿业大学,2019. LU Qiuyu. Risk Prediction and Evaluation of Bed separation Water Inrush Caused by Breakage of Hard Overburden:A Case Studied in Yangliu Coal Mine [D]. Xuzhou:China University of Mining and Technology,2019.
[21] 范开放. 煤层开采覆岩离层时空演变模型及应用研究[D]. 徐州:中国矿业大学,2021. FAN Kaifang. Spatial and Temporal Evolution Model of Overburden Separation in Coal Mining and Its Application[D]. XuZhou:China University of Mining and Technology,2021.
[22] 许进鹏,周宇,浦早红,等. 离层积水量估算方法及离层突水预测:以陕西招贤煤矿1304工作面突水为例[J]. 煤炭学报,2022,47(8):3083−3090. XU Jinpeng,ZHOU Yu,PU Zaohong,et al. Calculation method of separated water accumulation in the process of separated water inrush and its forecast:taking the water inrush at 1304 working face of Zhaoxian coal mine in Shaanxi Province as an example[J]. Journal of China Coal Society,2022,47(8):3083−3090.
[23] ZHANG D S,FAN G W,MA L Q,et al. Aquifer protection during longwall mining of shallow coal seams:a case study in the Shendong Coalfield of China[J]. International Journal of Coal Geology,2011,86(2/3):190−196.
[24] ISLAM M R,HAYASHI D,KAMRUZZAMAN A B M. Finite element modeling of stress distributions and problems for multi-slice longwall mining in Bangladesh,with special reference to the Barapukuria coal mine[J]. International Journal of Coal Geology,2009,78(2):91−109. doi: 10.1016/j.coal.2008.10.006
[25] PALCHIK V. Analytical and empirical prognosis of rock foliation in rock masses[J]. Journal of Coal Ukraine,1989,7:45−46.
[26] LIU M N,QIAO W,MENG Q Q,et al. A new risk zoning method for water inrush from separated layers at coal mines:a case study,cuimu coal mine,China[J]. Arabian Journal of Geosciences,2021,14(23):2544. doi: 10.1007/s12517-021-08584-0
[27] WU Q,LIU Y Z,LIU D H,et al. Prediction of floor water inrush:the application of GIS-based AHP vulnerable index method to Donghuantuo coal mine,China[J]. Rock Mechanics and Rock Engineering,2011,44(5):591−600. doi: 10.1007/s00603-011-0146-5
[28] 武强,樊振丽,刘守强,等. 基于GIS的信息融合型含水层富水性评价方法:富水性指数法[J]. 煤炭学报,2011,36(7):1124−1128. WU Qiang,FAN Zhenli,LIU Shouqiang,et al. Water-richness evaluation method of water-filled aquifer based on the principle of information fusion with GIS:water-richness index method[J]. Journal of China Coal Society,2011,36(7):1124−1128.
[29] LIU S L,LI W P,WANG Q Q. Zoning method for environmental engineering geological patterns in underground coal mining areas[J]. Science of the Total Environment,2018,634:1064−1076.
[30] LIU S L,LI W P,WANG Q Q,et al. Water inrush risk zoning and water conservation mining technology in the Shennan mining area,Shaanxi,China[J]. Arabian Journal for Science and Engineering,2018,43(1):321−333. doi: 10.1007/s13369-017-2858-7
[31] ZENG Y F,WU Q,LIU S Q,et al. Evaluation of a coal seam roof water inrush:case study in the wangjialing coal mine,China[J]. Mine Water and the Environment,2018,37(1):174−184. doi: 10.1007/s10230-017-0459-z
[32] WU Q,FAN Z L,ZHANG Z W,et al. Evaluation and zoning of groundwater hazards in Pingshuo No. 1 underground coal mine,Shanxi Province,China[J]. Hydrogeology Journal,2014,22(7):1693−1705. doi: 10.1007/s10040-014-1138-9
[33] 武强. 煤矿防治水手册[M]. 北京:煤炭工业出版社,2013. [34] 周雪漪. 计算水力学[M]. 北京:清华大学出版社,1995. [35] 易四海,王赟,尹尚先,等. 矿井离层水害类型及突水可能性判别[J]. 中国矿业,2023,32(S1):447−450,454. doi: 10.12075/j.issn.1004-4051.20230138 YI Sihai,WANG (Bin| Yun),YIN Shangxian,et al. Identification of types of water hazards and the possibility of water inrush in mines[J]. China Mining Magazine,2023,32(S1):447−450,454. doi: 10.12075/j.issn.1004-4051.20230138
[36] 乔伟,李文平,赵成喜. 煤矿底板突水评价突水系数–单位涌水量法[J]. 岩石力学与工程学报,2009,28(12):2466−2474. doi: 10.3321/j.issn:1000-6915.2009.12.012 QIAO Wei,LI Wenping,ZHAO Chengxi. Water inrush coefficient-unit inflow method for water inrush evaluation of coal mine floor[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2009,28(12):2466−2474. doi: 10.3321/j.issn:1000-6915.2009.12.012
[37] 马莲净,赵宝峰,徐会军,等. 特厚煤层分层综放开采断层-离层耦合溃水机理[J]. 煤炭学报,2019,44(2):567−575. MA Lianjing,ZHAO Baofeng,XU Huijun,et al. Research on water inrush mechanism of fault coupling bed separation with fully-mechanized sublevel caving of ultra-thick coal seam[J]. Journal of China Coal Society,2019,44(2):567−575.
[38] ZHAI H L,JENG D S,GUO Z,et al. Impact of two-dimensional seepage flow on sediment incipient motion under waves[J]. Applied Ocean Research,2021,108:102510. doi: 10.1016/j.apor.2020.102510
[39] XU Q,CHEN J T,XIAO M. Analysis of unsteady seepage field and surrounding rock stability of underground cavern excavation[J]. Tunnelling and Underground Space Technology,2020,97:103239.
[40] MA D,DUAN H Y,LI X B,et al. Effects of seepage-induced erosion on nonlinear hydraulic properties of broken red sandstones[J]. Tunnelling and Underground Space Technology,2019,91:102993. doi: 10.1016/j.tust.2019.102993
[41] YANG W F,JIN L,ZHANG X Q. Simulation test on mixed water and sand inrush disaster induced by mining under the thin bedrock[J]. Journal of Loss Prevention in the Process Industries,2019,57:1−6. doi: 10.1016/j.jlp.2018.11.007
[42] MA D,REZANIA M,YU H S,et al. Variations of hydraulic properties of granular sandstones during water inrush:effect of small particle migration[J]. Engineering Geology,2017,217:61−70.
[43] SAATY T L. The analytic hierarchy process[M]. New York:McGraw- Hill,1980.
[44] SHANNON C E. A mathematical theory of communication[J]. Bell System Technical Journal,1948,27(4):623−656. doi: 10.1002/j.1538-7305.1948.tb00917.x
[45] 刘守强,武强,曾一凡,等. 基于GIS的改进AHP型脆弱性指数法[J]. 地球科学,2017,42(4):625−633. LIU Shouqiang,WU Qiang,ZENG Yifan,et al. The improved AHP vulnerable index method based on GIS[J]. Earth Science,2017,42(4):625−633.
[46] CHEN Y N,XIE S Y,TIAN Z G. Risk assessment of buried gas pipelines based on improved cloud-variable weight theory[J]. Reliability Engineering & System Safety,2022,221:108374.
-
期刊类型引用(3)
1. 孟红伟，岳俊超，张平卿，王怀，习通，何江根，王子涵，王心义. 帷幕注浆封堵寒武系灰岩导水通道效果定量判识. 能源与环保. 2024(07): 87-97 . 
百度学术
2. 赵相朋. 奥灰水害地面超前区域治理方法研究. 煤炭与化工. 2024(07): 56-60 . 百度学术
3. 赵彤，张圣柱，王旭，杨祉涵，王如君，多英全. 油气长输管线路由评价指标体系及模型构建研究. 中国安全生产科学技术. 2023(S2): 108-114 . 百度学术
其他类型引用(2)
计量
- 文章访问数: 73
- HTML全文浏览量: 10
- PDF下载量: 24
- 被引次数: 5
