多因素评价地层富水性技术的分析与应用

2021-04-08吕玉广李春平陈军涛

能源与环保 2021年3期

吕玉广，李春平，韩港，陈军涛，王维，乔伟

(1.中国矿业大学资源与地球科学学院，江苏徐州 221116； 2.内蒙古上海庙矿业有限责任公司，内蒙古鄂尔多斯 016299； 3.山东科技大学能源与工业工程学院，山东青岛 266590)

含水层富水性评价与预测是矿井水害防治工作中十分重要且具有基础性意义的工作，是矿井生产系统特别是防排水系统设计及水害防治技术方案与技术路线选择的基础[1]。教课书将岩层富水性定义为岩层所能给出水的能力[2](water yield property；water abundance；water-richness)；煤地质学上定义为单位时间内开采钻孔可能从含水层中得到的水量(unit inflow)，取决于含水层的岩性、厚度、地质构造和补给条件等。煤系地层充水含水层类型多，条件复杂[3]，特别是砂泥质交互沉积型含水层，由于其渗透性的高度非均质、各向异性和非连续性等特点，造成含水层富水性极不均匀，甚至同一含水层没有统一的地下水水头面[4]。砂泥质互层型含水地层的富水性受控因素多，以“三图·双预测”技术为代表[5-6]，常选取砂岩厚度、脆塑性比值、单位涌水量、渗透系数、RQD值、冲洗液消耗量、构造等地学因素作为富水性评价的主控因素。由于相关因素多、各因素对富水性“贡献”大小不尽相同，需要运用专业的数学工具确定各因素的权重。主观赋值法或客观赋值法是常用的方法[7]，层次分析法是主观赋值法的一种，建立层次结构模型包括目标层、准则层、决策层[8]，然后进行“专家评分”，按T.L.SAATY创立的1～9标度构建AHP判断矩阵，通过复杂运算得到权重分配方案[9-10]。也有学者采用变异系数法[11]、模糊聚类[12-14]、支持向量机[15]、语气算子[16]、贝叶斯分析法[17]等建立数学模型，确定因素间灰色关联度和权重值。由于数据量大，常采用功能强大的地理信息系统(GIS)进行多因素融合和数据叠加，但煤矿从事一线防治水工作的主体队伍中，能熟练操作GIS的工程技术人员较少，在一定程度上限制了该技术的推广应用。

富水性评价效果根本上是由基础数据的质和量决定的，评价的是相对富水性，勘探工程获取的信息量十分庞杂，采信数据时如果没有规范约束，会导致大量横向可比性不高甚至无效的数据参与评价，不仅无益于评价的客观性，还会过度依赖数学工具，推高评价的“技术”难度。

1 技术分析

1.1 评价对象分析

(1)目标层段概念。研究富水性规律的目的是评估采掘工程所处区域富水性相对强弱，结合其他地质条件确定防治水技术路线——开采或作为水文地质损失弃采、采取疏放措施或增加防排水系统能力措施等。采矿工程影响到的地层范围称为目标层段，目标层段的富水性评价才具有实践意义。

(2)目标层段确定方法。理论上，导水裂隙带上部如果有一定厚度的隔水岩层存在，只要能抵抗上部静水压力，即可以阻止砂岩水入渗采场，因此目标层段与导水裂隙带空间上一致。可以采用工程实测、相似材料模拟实验[18]、数值模拟[19]等方法确定目标层段。《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规范》提供的经验公式应用于不同矿区会有一定误差，只要能灵活运用仍是首选。为消除计算值偏小的负面性，可以经验公式得到的导水裂隙带为基础，适当增加一定的厚度，共同作为目标层段[20](图1)。此时目标层段类似于防水煤(岩)柱，但与传统意义有所不同。目标层段不是等厚地层体，是一个底界面随煤层顶板起伏的厚度不等的曲面体。

图1 目标层段示意Fig.1 Schematic diagram of target layer

1.2 评价参数分析

(1)砂岩厚度。砂岩原生孔隙裂隙较泥岩发育，在构造应力作用下更容易产生面状网络型裂隙，这些孔隙或裂隙共同构成了储水空间；泥岩在构造应力作用下以塑性变形为主，具有约束构造裂隙延展功能，因此泥岩被视为隔水层[21]。通常统计的是一套地层内砂岩总厚度，而地史学意义上的一套地层厚度可达数百米，显然其中部分含水层不受采矿影响，不在目标层段内。如图2所示：研究区煤层顶板延安组地层厚度238.5m，包括含水砂岩8层(Ⅰ—Ⅷ)、隔水性泥岩8层(Ⅰ—Ⅷ)。综合机械化采煤法，一次采全高4.5 m，软岩地层，采用经验公式计算目标层段68.0 m，则目标层段包含4个隔水层、5个含水层，在第Ⅴ隔水层阻隔下，Ⅴ—Ⅷ层砂岩水无法进入采场。把砂岩厚度作为评价指标时，必须以目标层段为限。只要有地层信息就可以计算砂岩厚度，数据来源广泛。

图2 含水层与隔水性Fig.2 Water-bearing stratum and water resisting layer

(2)砂地比。也有文献以砂泥比表述，但含义差别很大。砂泥比，指一套地层内砂岩与泥质岩石厚度的比值[22]。该套地层如果均为泥质岩石则砂泥比为0，均为砂岩石时比值为∞，取值区间过大，影响其与其他参数进行合理的加权计算，砂泥比也称为脆塑性比。砂地比即目标层段内的砂岩厚度与目标层段厚度之比，取值区间为0～1。用式(1)表示：

(1)

式中，Bs为砂地比，无量纲；Dm为目标层段厚度；dsh为目标层段内砂岩厚度；dni为目标层段内泥质岩石厚度。

受采高、采煤方法等影响，同一煤层甚至同一采煤面的目标层段厚度差别很大，单纯以砂岩厚度来比较富水性是有缺陷的，厚度不等的2个目标层段，尽管砂岩厚度相等。目标层段大的相对于目标层段小的富水性为弱，如果没有目标层段限制，问题会更加突出。目标层段内砂地比评价地层富水性更有优势，只要有地层信息就可以计算砂地比，数据来源广泛。

(3)单位涌水量。单位涌水量(q)直接表征地层的富水性[23]，但在实践中同一含水层抽水试验次数不会很多，数据量较小。此外，矿井经历普查、详查、精查、补充勘探等多个勘查阶段，施工单位多变，对含水层的认识过程由浅入深，难免会出现对同一含水层抽水试验层段不相等，致使试验成果横向可比性不足。如图3所示，Z3为多含水层混合抽水，Z4不仅是多含水层混合抽水，且没有将目标层段内所有含水层包括进去；Z1抽水虽然为撮合抽水，煤层底板泥岩对试验结果基本没有影响，但目标层段内上部砂岩未参与试验；Z2抽水试验层段与目标层段一致。上述4个抽水试验成果不具有横向可比性，应以目标层段为条件排除Z1、Z3、Z4数据，这样可采用的单位涌水量数据进一步减少，数据量较少。

图3 目标层段与抽水试验层段关系Fig.3 Target zone and pumping test zone

(4)渗透系数。渗透系数(K)也称为水力传导系数[24]，在各向同性介质中，定义为单位水力梯度下的单位流量，表示流体通过孔隙骨架的难易程度，经常作为含水层富水性评价的一个参量。渗透系数同样来源于单孔抽水试验，利用裘布依公司推导计算而得，数据量较少。

(5)冲洗液消耗量。冲洗液消耗量间接反映岩体内可储水的张性裂隙发育程度[25]，常用来评价地层富水性。冲洗液消耗量刻画岩体内储水空间条件情况，但张性裂隙未必实际充水，尤其是生产矿井，覆岩裂隙发育情况被人为改变，采动裂隙内可能充水，也可能不充水；限于现场观测条件，冲洗液消耗量数据精确性、可靠性不是很高。冲洗液消耗量按钻探回次测量记录，如何计算目标层段内冲洗液消耗量也是个难题。总之，数据准确性和可靠性不高。

(6)岩石质量指标(RQD)。用直径为75 mm的金刚石钻头和双层岩芯管在岩石中钻进、取芯，回次钻进所取岩芯中，长度大于10 cm的岩芯段长度之和与该回次进尺的比值称为岩石质量指标(RQD值)，以百分比表示。RQD值越小，表明岩石完整程度越差，构造裂隙相对更发育，间接反映岩层的储水能力，与通过冲洗液消耗量间接反映岩层充水能力存在的问题类似。此外，随着地球物理测井技术的进步，为缩短勘探工期、节省勘探费用，越来越多地采用无芯钻进施工法，RQD数据来源受到限制，且受钻探方法和人为因素影响较大。

(7)裂隙率。裂隙率即岩石中裂隙的体积与包括裂隙在内的岩石体积之比(体积裂隙率)，野外工作时，一般测定岩层的面裂隙率或线裂隙率。除了专项科研需要外，采集岩芯并观测、统计裂隙率的做法不太常见，生产矿井一般不具备相关数据，数据来源十分有限。

(8)构造分维。分形理论作为研究不规则形体的自相似性及其复杂程度的理论，随着分形几何学等非线性理论的发展及其在地质学中的广泛应用，为地质构造空间分布和几何结构特征的定量表征提供了新的手段[26]，也为构造裂隙型水害研究提供了新的思路。构造场通常包括断层、褶曲、陷落柱、煤层隐伏露头线等。三维地震勘探技术识别构造精度日益提高，构造分维的数据量来源广泛且可靠性高。

上述8种地学参数中大部分数据来源受限或可靠性不高，同一井田各类参数同时具备的案例极少，在目标层段约束下有效数据量更少，使得采用常规的办公手段解决权重分配和数据融合成为可能。

1.3 权重分配方法分析

地学参数多、各参数间层次结构复杂、数据量很大的情况下，需要用高等数学手段分配各参数权重，以AHP(Analytic Hierarchy Process)层次分析法为例进行分析。AHP分配权重流程[27]如下：

(1)建立层次结构模型。将上述8种地学参数归类于岩性场、水动力场、构造场，建立层次结构模型如图4所示。A层为富水性评价的目标层；B层为准则或关联层；C层为参与评价的各种地学参数。

图4 层次结构模型Fig.4 Hierarchical model

(2)构造判断矩阵、校核矩阵的合理性、矩阵计算、确定各参数权重值。

(3)数据归一化处理消除量纲、统一量级。

(4)GIS系统平台进行数据叠加，得到富水性指数列表。

(5)基于GIS系统平台绘制富水性指数等值线图，以此表征富水性平面规律。

通过专家评分，对8种地学参数进行两两比较，根据1～9标度法初步确定相对重要性，从而建立矩阵，通过矩阵计算确定各参数权重。专家评分本身就是主观性行为，矩阵计算以“专家评分”的主观性行为基础，既然实践中同时具备的参数种类较少，“专家评分”直接赋给各参数权重值更为简便。

GIS系统的学习和操作较为困难，基层工程技术人员较少能掌握。通过以上分析，实践中数据量并不很大，采用Excel、Surfer这2种工具完全可以满足数据叠加和绘制成果图的需要，工程技术人员普遍能熟练掌握。

2 实例分析

2.1 地质条件

某井田面积43.75 km2，开采侏罗纪延安组2煤，厚度1.5～9.2 m，平均厚6.1 m。地层自下而上有：①三叠系延长组(T3y)。煤系地层基底，厚度大于500 m，岩性以砂岩、粉砂岩为主，富水性极弱。②侏罗系延安组(J2y)。含煤地层，以砂岩、粉砂岩、泥岩为主，平均厚度353.5 m，砂岩含水层富水性不均。③侏罗系直罗组(J2z)。平均厚度243.2 m，以泥岩、粉砂岩、细粒砂岩为主，底部含砾粗粒砂岩发育，富水性中等。④白垩系志丹群(K1zd)。平均厚度251.6 m，上部以细—粗砂岩为主，下部为巨厚层砾岩，富水性中等。⑤古近系(E)。平均厚度103.1 m，砾岩为主，夹泥岩薄层。⑥第四系(Q)。风积砂，平均厚度35.9 m。

井田地层综合柱状如图5所示。

图5 井田地层综合柱状Fig.5 Comprehensive histogram of strata in coal field

2煤上距直罗组7.8～46.3 m，平均21.3 m，导水裂隙局部波及直罗组下部地层。本区为典型的膨胀性软岩，砂岩遇水崩解，容易突水溃砂，制约安全生产；泥岩吸水泥化，制约高效生产，需要研究煤层顶板富水性指导疏水钻孔设计。

2.2 确定目标层段

井田内31个钻孔揭露2煤层厚度1.5～9.2 m，平均厚6.1 m；综采支架的最小采高2.8 m，最大采高6.0 m。按前文方法确定目标层段37.48～57.92 m。目标层段等厚线如图6所示。

图6 目标层段厚度等值线Fig.6 Target layer thickness isoline

2.3 确定评价参数

全井田做过二维地震勘探、三维地震勘探，构造控制程度较高；经历过4期，共有各类钻孔47个。

(1)砂岩厚度。共31个钻孔穿过目标层段，12个孔取心钻进，31个孔有地球物理测井资料，可得31个砂岩厚度数据。

(2)砂地比。与砂岩厚度相对应，共31个数据。

(3)单位涌水量(q)。8个孔做过抽水试验，其中2个孔为白垩系和直罗组混合抽水，1个孔为煤层顶底板混合抽水，均不采用。其余5个孔抽水试验层段与目标层段基本一致，这5个数据可采用。

(4)渗透系数(K)。与单位涌水量相对应，共有5个数据可采用。

(5)构造分维。构造查明程度较高，构造分维可作为富水性评价主控因素之一。

其他如RQD值、裂隙率、冲洗液消耗量等，或者没有数据，或者数据数据可靠性低，不采用。抽水试验钻孔见表1。

表1 抽水试验钻孔Tab.1 List of pumping test holes

2.4 分项评价

(1)砂岩厚度。根据钻孔信息，计算目标层段内砂岩层累加厚度，绘制砂岩等厚线如图7所示。

图7 砂岩等厚线Fig.7 Isopach map of sandstone

(2)砂地比。延安组和直罗组的水文地质条件相似，忽略地史学意义上地层分界概念，将进入目标层段的地层视为同一套地层。根据砂地比计算公式得砂地比数据列表，绘制砂地比等值线如图8所示。

图8 砂地比等值线Fig.8 Contour line of sand-land ratio

(3)单位涌水量。单位涌水量共5个有效数据(表2)，绘制单位涌水量等值线如图9所示。

图9 单位涌水量等值线Fig.9 Contour map of unit discharge

表2 单位涌水量统计Tab.2 Statistics of water inflow per unit

(4)渗透系数。渗透系数共5个有效数据(表3)，绘制渗透系数等值线如图10所示。

图10 渗透系数等值线Fig.10 Contour line of permeability coefficient

表3 渗透系数统计Tab.3 Statistical table of permeability coefficient

(5)构造分维。以200 m为边长，将井田划分为816个正方形块段，以每个正方形中心点坐标作为数据点坐标。根据构造纲要图，主要构造包括断层、煤层隐伏露头(风化基岩)，褶曲轴幅小、无陷落柱等其他构造。计算得到816个构造分维值，绘制构造分维专题图如图11所示。

图11 构造纲要及构造分维值等值线Fig.11 Construction outline and construction fractal dimension value contour map

2.5 综合评价

(1)确定权重。根据对该区有长期工作经验的专家意见，分配各参数权重见表4。

表4 权重分配Tab.4 Weight distribution

(2)归一化处理。对5种参数分别进行归一化处理，使区间值为0～1。归一化公式如下：

(2)

式中，Ai为归一化处理后的数据；a、b为归一化区间的两极值，a为下限取0，b为上限取1，则归一化后数据的区间为0～1；xi为归一化前的原始数据；minxi为地质因素量化值的最小值；maxxi为地质因素量化值的最大值。

(3)数据叠加。构造分维816个数据，砂岩厚度和砂地比各31个数据，单位涌水量、渗透系数各5个数据，数据量不等、点坐标不同，可按下列步骤进行5种参数的融合。①将构造分维816个数据点分别投影到砂岩厚度、砂地比、单位涌水量、渗透系数专题图上。②在各专题图上人工读取对应的数值，记入Excel表格总数据表内。这样数据量相等、点坐标相同，便于数据叠加。③在电子表格内设置公式，各参数乘以相应的权重值后相加，得到富水性综合指数。叠加公式：

(3)

式中，Fzhi为富水性综合指数；i为参数序号(1～816)；n为参数个数，本例为5；Wi为第i个参数的权重值；Ai为第i个参数的归一化值。

(4)绘制成果图。将富水性综合指数列表导入Surfer绘图软件，克里金插值得到评价成果图(图12)。

2.6 评价效果分析

该矿为新建矿井，1221、1222是矿井最早开采的2个工作面。采取疏干措施，回采中顶板无淋水、采空区无涌水，放水量具有可比性。1121工作面共布置76个钻场，总放水量296 538 m3；1122工作面共布置60个钻场，总放水量78649m3。从工作面中部作一条剖面线，依据图12绘制富水性指数曲线(图13实线)；将两巷内对应位置(钻场)放水量相加，绘制放水量变化曲线(图13虚线)。