评价煤顶板含水层的给水度基于FDAHP-Entropy方法:一个案例研究在Donghuantuo煤矿、中国

文摘

煤层顶板含水层的给水度的关键因素评价和控制煤层水灾害的屋顶。评价砂岩含水层的给水度的屋顶Carboniferous-Permian Damiaozhuang没有形成。Donghuantuo矿8号煤层,华北,七个主要控制因素影响砂岩含水层的给水度的确定,包括渗透系数、消费的钻井液,核心复苏,含水层厚度、塑性脆性岩石厚度比、断层规模指数、密度和故障点。此外,模糊德尔菲层次分析法(FDAHP)和熵权法(EWM)用于计算每个主要因素的主观和客观权重,分别结合权重模型(CWM),提出了基于最小二乘法构成综合权重。然后,一种改进的出水量地产指数(IWYPI)模型,建立了砂岩含水层的出水量区划图是收购。工程实践表明,评价准确性的出水量地产指数(IWYPI)模型基于CWM的高达93.75%,高于18.75%和12.5%的出水量地产指数(WYPI)模型基于FDAHP EWM,分别。研究结果提出一种新颖的方法来评估煤层顶板含水层的给水度和可以提供科学指导水灾害的预防和控制。8 Donghuantuo煤矿的煤层顶板。

1。介绍

作为世界上最大的煤炭开采的国家,中国也有一些最严重的矿井水灾害(1- - - - - -3]。尤其是深部资源的大规模开发,水灾害的预防和控制仍然是一个首要任务,是由许多复杂的问题和挑战。中国地下水资源的控制和利用仍然是一个主要的研究课题在煤矿安全生产和科学采矿研究[4- - - - - -6]。从2000年到2011年,共有1089中国煤矿事故水总死亡人数4329 (7]。特别是,北中国煤田在中国不仅遭受水侵入煤层地板的问题但也面临从煤层屋顶水灾害的威胁8]。的充分必要条件的发生水害在煤层屋顶是采矿和屈服碰水含水层,水高收益率和相应的区域,即。,含水层提供了材料从煤层顶板突水,和含水层的给水度直接决定了突水的数量和持续时间(9]。因此,如何有效地评价煤层顶板含水层的给水度以及如何划定的区域煤层屋顶高水产量基于现实具有重要的指导意义和实用价值的预防和控制煤矿顶板水害。

研究含水层的水产量属性是必不可少的煤层防治水害的屋顶,和几个近几十年来评价方法已经开发出来。地球物理勘探和抽水试验方法已经被广泛使用,发挥积极作用的评价含水层水产量(10- - - - - -17]。然而,这两种方法有问题,如被认为是唯一的方法,一个沉重的工作量,成本高,控制范围有限,限制他们的应用程序(18]。另一个重要的方法是层次分析法(AHP)出水量房地产指数法(19),利用地理信息系统(GIS)融合多源地球科学信息,全面反映出水量评估的结果与各种影响因素的差异和这些因素之间的关系。与地球物理勘探方法和抽水试验方法,层次分析法有许多潜在优势,但水产量影响因素的权重在这个方法是高度主观的,因为他们是基于专家意见;此外,很难达到一致性判断矩阵的方法,以上四个因素(20.,21]。灰色理论、BP神经网络、模糊聚类方法和主成分分析的方法介绍了评估水产量,加强水的评价收益率(22- - - - - -25]。然而,这些方法在实际应用的局限性,并不能解决样本量不足等不确定因素,数据信息融合或主观模糊评价在评价过程。例如,灰色理论需要许多突水实例和计算每个索引的重量根据每个例子的指数之间的相关系数和水流入;然而,当数据量的不足,评价结果可能会偏离很大(26]。往往导致过度拟合的BP神经网络模型,这通常会导致一个局部最小值和收敛速度慢的问题27]。模糊聚类方法是理论和实际困难结合矿区(28]。然而,主成分分析有效地消除评价指标之间的信息叠加的影响(29日),但妥协通过模糊评价指标价值减少变量的维数(30.]。

总之,评价有一定的局限性的出水量含水层单独使用任何一种方法。因此,本文提出一种出水量评价方法基于模糊德尔菲的耦合层次分析法(FDAHP)和熵权法(EWM),它适用于评价砂岩含水层的给水度的屋顶Donghuantuo煤矿北中国煤田。FDAHP和EWM相结合来确定各影响因素的权重。考虑一组决策专家的意见,从单人大错误评估的问题和困难AHP中判断矩阵的一致性是有效地避免,和测量数据的特点是,从而实现主观和客观权重的有机结合,提高了评价结果的准确性和可靠性。在此基础上,改进了出水量属性建立索引(IWYPI)模型。分析结果与工程实际数据比IWYPI用于验证模型作为操作工具来评估的出水量。8煤层顶板含水层Donghuantuo煤矿。获得的出水量区划图的砂岩含水层提供了详细的科学依据,确保煤矿安全生产和屋顶水灾害预防。

2。研究区

2.1。自然地理

Donghuantuo煤矿是一个典型的中国北方Carboniferous-Permian煤田和极其复杂的水文地质条件。矿井建设期间,最大涌水量达到62.84米³·敏¹,许多突水事故发生。目前,随着煤矿开采深度的增加,水灾害的威胁将继续增加31日]。Donghuantuo矿山位于唐山,河北省(图1)。大约10公里东到唐山火车站14公里南Xugezhuang站。我在冲积平原地形;有山和河流在矿区。地形平坦,西南高东北低。地形的高程范围从2到23米,地形坡度是1.6。矿区是大陆的气候:夏天炎热多雨,冬天寒冷多风的。温度范围从39.6到-21°C平均为11.1°C。年平均降水量614.7毫米,年平均蒸发量1321.1毫米。没有地表水系统在矿区。

2.2。地质条件

Donghuantuo煤矿在西北开平煤田。北中国开平煤田地层的存款。根据钻孔地层暴露,研究区域包含奥陶系、石炭系、二叠系和第四系地层。的我的是石炭纪和二叠纪含煤地层。煤层总厚度为19.70米,其中包括。8,不。9日,没有。11,没有。第四节主要煤层。

矿井位于两边的Chezhoushan向斜,这是西方开平煤田含煤结构的一部分。其主要结构控制是新华夏式的系统,和结构线主要是确定。向斜是一个大型的含煤向斜的狭长不对称的西南。罢工的向斜轴大约是N60°E,和西北向斜轴斜坡。

层两边的向斜有很大区别。东南翼的地层是温和倾向的约20°,而地层在西北翼陡倾角的大约70°。矿井的主要结构形式是单斜结构东南部Chezhoushan向斜的翅膀。断层结构开发的煤矿,和断层的罢工主要是与向斜轴的方向一致(图2)。

2.3。矿井水文地质特征

在这项研究中,主要煤层。8煤层的直接充水含水层是二叠系砂岩裂隙含水层,间接充水含水层是第四纪底部砾石含水层。这两个含水层之间有一个弱透水含水层(图2)。二叠系砂岩裂隙含水层是没有安全开采的主要威胁。8煤层。

二叠系砂岩裂隙含水层是由粗砂岩和含砾石巨大的不平等的谷物和泥泞的硅质胶结的砂岩。这个含水层广泛直接接触砾石含水层底部,和砾石含水层的补给源,所以水是丰富的和不容易排水。钻孔的具体容量是0.016 - -1.806 L·s¹·米¹,渗透系数0.369 - -10.492 m·d¹。

两翼的露头的地形区别显示,西北翼是一个补给区,东南和翼是一个排泄区在自然条件下。二叠系砂岩裂隙含水层接收孔隙水从第四纪的卵石床底部含水层沿着西北翼。地下水运动中有了一个基本的变化所带来的操作,与地下采矿区域成为一个排水区域和矿区附近的露头区南北两翼成为补给区。目前,地下水排水是我通过抽水。

3所示。数据

3.1。含水层的水产生的主要控制因素

全面分析矿区的水文地质数据进行生成专题数据库多元地质信息,全面反映了水含水层的给水度。分析由七个因素:渗透系数、冲洗液,含水层厚度、塑性脆性岩石厚度,比核心回收率,故障点密度,断层规模指数(数字3和4)。(1)渗透系数是常数代表岩层的渗透性。一般来说,渗透系数越高,越透水岩石。二叠系砂岩裂隙含水层的渗透性的研究逐渐增加从东北到西南的范围1.05 - -2.15 m·d¹(2)钻井液的消费可以反映钻岩石的渗透率。有一定程度的钻井液钻井通过含水层时泄漏。泄漏量越大,更好的发展程度和地层孔隙的连通性。冲洗液消耗量研究区二叠系砂岩裂隙含水层的增加逐渐从东北到西南0.1 -14.5米的范围内³·h¹(3)含水层厚度的前提是确定水产量和影响地下水的发生的主要因素。一般来说,含水层的厚,其含水量越大。在研究区,越接近二叠系砂岩裂隙含水层向斜轴,含水层的厚。整体厚度逐渐增加从东北到西南140 - 230米的范围内。(4)brittle-to-plastic岩石厚度的比值可以作为索引来定性判断砂岩裂隙含水层的渗透性。在失败的情况下由于构造应力、断裂特征反映在岩性不同的力学性能有很大的不同。脆弱的砂岩的应力释放主要发生在剪切和拉伸的失败。骨折和关节相对发达的砂岩层,大大提高了渗透率。塑性粘土岩的形式释放他们的压力荷载作用下塑性变形,导致其渗透率变化最小。因此,总的来说,比率越大brittle-to-plastic岩石厚度、含水层的渗透性越高。二叠系砂岩裂隙含水层的岩性研究区主要是中、细砂岩。脆性岩石比塑料更厚的岩石。除了个别部分,brittle-to-plastic岩石厚度逐渐减少的比例从东北到西南地区的研究中,从1.05到-2.35不等。(5)核心恢复是指核心长度钻井深度的比值,用百分比表示。复苏的核心是一个岩石质量指标用来表达一个岩体的完整性。核心率越低,越是支离破碎的岩石和它的连通性越好。的核心回收率研究地区二叠系砂岩裂隙含水层逐渐减少从东北到西南,从0.87到0.99不等。(6)故障点的密度是指断层的十字路口和端点的数量单位面积。十字路口和端点的故障形式在空间和飞机的发展和有一定的规则。故障点密度越高,越发达岩体裂缝和含水量和水电导率越高。有许多错误的研究区域广泛分布。断层的地质剖面表明,大多数二叠系砂岩裂隙含水层。故障点的高密度中部和南部地区的研究区域表明二叠纪砂岩裂隙含水层的给水度显然是受断层影响。(7)断层规模指数的乘积的总和所有断层的断距和罢工长度单位面积,如图所示 在哪里断层规模指数,的断层落差吗^th故障(m),罢工的长度吗^th错误的单位面积(m),是错误的数量在单位面积内,然后呢是单位面积(m²)。

断层大小指数综合反映了断层的规模和发展。断层规模指数越大,地下水补给范围越大,发生空间和水产量越高的缺点。大规模索引的缺点研究区中部和北部地区的表明该地区被错误,和错误可以作为充水来源或管道增加屋顶水侵入的可能性。

3.2。数据归一化

单独来看,多元地质信息的组件只提供有限的反映含水层水产量,和数据集成是必须全面反映含水层水产量。含水层的物理量由多元地质信息是不同的。为了实现数据集成,不同的物理维度的限制必须首先被淘汰。标准化的数据是实现这一目标,一个可行的方法和公式(2)和(3)使用规范化的因素建立了多元地质信息数据库,是积极的和消极的与水产量,分别。 和是积极和消极因素的归一化值分别和最大和最小的原始数据,分别。摘要评价因素是由方程(归一化2),除了核心的采收率,由方程(计算3)。

4所示。方法

4.1。程序

获得一个相对合理和准确评价煤顶板含水层的给水度,综合体重应该由考虑到综合评价过程的模糊性,决策经验的专家组,微分信息的评价因素。

基于多种因素的科学量化,综合评价应用综合耦合FDAHP EWM,如图5。

4.2。确定因素权重

4.2.1。准备由FDAHP主观权重

FDAHP是模糊群决策方法相结合的模糊数学评价和层次分析法和德尔菲集团决策方法(32,33]。的相对重要性矩阵(表1)对所有因素根据每个专家的判断值取决于Saaty规模的基础方法是至关重要的,生成一个成对比较矩阵。

根据专家们的意见,F1, F2,…, F7的评价因素,而被定义为的相对重要性的比较判断值的因素获得的吗值除以价值。因此,十 为每个生成专家两两比较判断矩阵。

然后,一群模糊成对比较矩阵建立了利用三角模糊数 ,这是计算使用方程(5)和由悲观,比较温和,乐观的判断评价因素根据十个专家的意见。 ,他们分别获得由方程(6),(7)和(8)。此外,本文建立组模糊成对比较矩阵如表所示2。

在接下来的去模糊化过程中,几何平均法应用于获得每个因素的相对权重模糊。一组模糊权重向量和模糊权重向量是由计算方程(9)和(10)先后。

两个三角模糊数 和 计算使用

最后,每个评价因素的权重归一化得到的模糊权重向量( )通过计算方程(14),结果如表所示3。

4.2.2。由EWM客观权重

定量客观权重方法,EWM可以确定因子权重,根据程度的变化的主要控制因素,利用信息熵度量值分布的不确定性和非均质性的因素。

某些因素值,通常不均匀分布显示了显著差异在异质性和表现为较高的熵,但较低的熵权。因此,现有的客观标准的权重可以避免主观因素的影响尽可能多的。

获取信息熵为每个评价因素的EWM [34),标准化矩阵成立和表达为方程(15),它与5787年由标准化的数据评价7单位联合空间专题数据的评价因素计算方程(2)和(3)。因此, ,和 在这篇文章中。

然后,归一化计算预测的结果吗的^th因素,

然后,信息熵可以被定义为方程(17),如表所示4。

基于多元化程度的信息^th系数值可以表示为 ,和各因素的权重熵计算按照方程(18),如表所示4。

4.2.3。CWM的总重量

而先验权重方法FDAHP可以提供主观权重通过考虑模糊性评估过程的组织决策、和EWM可以确定客观评估稳定性好属性的偏好,结合权重模型(CWM)基于本文提出的优化方法。的情况下,考虑一组专家的经验和客观的数据情况下,CWM可以提供实用和合理的权重。

CWM的判断基础可以表达如下:FDAHP之间的总偏差计算和EWM结果应该尽可能小。因此,优化模型,应用最小二乘法一组专家的主观权重相结合与客观熵权建立了(35]

此外,CWM优化模型可以表示为方程(22由拉格朗日变换)。

的对角矩阵向量和矩阵 , ,和被定义为方程(23)(26),分别。

摘要 矩阵建立了计算每个因素的平方之和,如图所示的方程(27)和主观权重在方程(26)从FDAHP加权获得过程,而目标体重基于收购EWM控制因素的测量信息熵的方法。

最后,CWM权重计算获得的方程(28),体重5787耦合的主观权重组合和客观熵权表所示5。

4.3。IWYPI评价模型

含水层水产量的分布是由多种因素控制;因此,多源信息的综合分析被认为是最好的方法来评价煤顶板含水层的给水度(36- - - - - -38]。基于7个影响因素的统计值36水井在北方。2矿区和中央Donghuantuo煤矿矿区,本文首先标准化这些因素,然后应用GIS的空间信息处理与分析功能集成的信息7含水层水产量影响因素。

在此基础上,结合CWM FDAHP EWM,组成一个IWYPI模型建立了通过添加线性权重定量描述的综合影响含水层岩性、含水层水力特性,和故障特征不同的重量对含水层水产量组合。显示了计算公式 在哪里是含水层出水量地产指数;是数量因素;是多种因素,本文是7;的重量值吗^th因素; 是标准的价值^th因素;和 地理坐标。

摘要IWYPI模型建立了根据方程(29日)和显示为方程(30.)。相应地,出水量属性加权的指数(WYPI)模型FDAHP和EWM也可以计算方程(29日)。

5。结果与讨论

5.1。结果

根据IWYPI和WYPI模型,它有不同的加权方法,屋顶的出水量分区地图砂岩含水层的没有。8煤层构造利用GIS空间叠加和重新分类功能,和频率直方图WI值计算的三种方法是获得(图6)。如数据所示7- - - - - -9评估WI值有差异从不同的方法计算,与更大的值表明更高的出水量。WI FDAHP计算的值是0.1549 ~ 0.5941,计算的WI值EWM 0.1131 ~ 0.5216,和WI值计算了CWM是0.1357 ~ 0.5271。此外,相应的分类阈值的WI值四层是由自然决定打破算法嵌入GIS分类方法。因此,最小平方之和WI价值和相应的平均值得到迭代分组确定阈值。根据分类阈值(表6),出水量分为以下区域:贫穷,媒介,丰富、富有;分区的分布为每个评估结果如图7- - - - - -9。

如数据所示7- - - - - -9的总体趋势的结果评价含水层水产生的三种方法是一致的。也那么您交替确认结果,这表明砂岩含水层的出水量。8煤层顶板Donghuantuo矿山范围从贫穷到富有,其中富人,富区主要分布在南部和中部地区,中等区主要分布在北部和中部地区,和穷人区主要分布在东北和中西部地区。如数据所示4(一)- - - - - -4 (g)水产量的差异,研究区主要与含水层渗透系数、厚度、断层发育,出水量的高值区,这些因素是相对较高的。例如,钻井液的渗透系数和消费研究区南部很高,所以在南方三种方法的评价结果表明与富人区水产量。断层规模指数和故障点密度的研究区高,和中间的评价结果表明研究区域的三个方法medium-richer水产量。相比之下,除了brittle-to-plastic岩石厚度的比值,水产量在较低的索引值是相对贫穷的地区,比如在中西部地区研究的区域,和三种方法的评价结果表明水产量差的区域。

5.2。工程实践

根据我国煤矿防治水规定(39)的理论评价含水层水产量是基于一个单元的水流入(由 );然而,抽水试验在煤田钻孔通常是有限的数量和分布不均。很难科学、合理划分含水层的水产生的价值。因此,FDAHP、EWM和CWM方法被用来建立一个源地球科学信息融合WYPI模型和一个IWYPI模型,提供更全面的科学依据的评价含水层水产量。

验证是验证结果的关键(40,41]。抽水试验的单位涌水量水井(为代表 )可以直接显示含水层的出水量。当数据的单位涌水量钻孔缺乏,突水点的流入(为代表 )也可以用作含水层水产量的直接基础。因此,和值是可靠的基地来验证不同方法的评价结果。

的价值可以分为四个等级(表7)、贫穷、媒介、丰富和极其丰富,按照规定对煤水在中国预防和控制。根据表7,值8砂岩含水层的水井。8煤屋顶在研究区进行了分析。在这些价值观、媒介的水井出水量占50%,和水井穷富水产量占25%;的最大水井的价值是1.806 L·s¹·米¹,这是一个丰富的出水量,没有水井用极富水产量。使出水量分区的评价结果更方便进行矿井水防治工作Donghuantuo煤矿富水收益率可以进一步细分,即富出水量(1 ~ 5 L·s¹·米¹)在“规定”可以进一步分为丰富(1 ~ 1.5 L·s¹·米¹)和更丰富的(1.5 ~ 2 L·s¹·米¹)水产量,如表所示7。出水量的修订分类标准适用于Donghuantuo煤矿。在实际Donghuantuo煤矿的煤矿项目,值用于分类出水量的每个突水点的最大流入Donghuantuo矿山在过去10年(表作为分类依据7)。

因此,以验证评价结果的准确性的FDAHP EWM, CWM,评价结果与实际工程数据相比,和验证测试。总共16个工程试验样本收集,包括8和突水点值8水井的二叠系砂岩含水层,评估结果进行了测试。这三种方法的评价结果与实际结果的18个测试样本如表所示8。结果表明,评价结果的符合度的FDAHP EWM,和CWM的实际结果是75%,81.25%,和93.75%,分别;也就是说,CWM是最高的准确性。

6。讨论

通过三种方法的评价结果的验证,CWM的评价能力是最好的,和它的正确性比例高达93.75%,18.75%和12.5%高于FDAHP EWM,分别。结果FDAHP、EWM和CWM比较来确定三种评估方法之间的差异。有不同比例的地区的水产量等级评估不同的方法(图10)。

根据每个出水量等级的面积比例从小型到大型,水产量评估FDAHP和CWM四世,三世,I, II,和水产量等级评估EWM IV,三世,二世和比例的区域。这表明评估由EWM穷人的出水量是相对较大的,而对于丰富和更丰富的水产量,更容易导致煤层水灾害屋顶,计算的比例地区FDAHP, EWM,和CWM是24.19%,33.95%,和33.56%,分别;这表明FDAHP比例地区评估的富人,富水产量相对较小的地区。两个主要原因这些差异的原因是:(1)FDAHP关注含水层的水力特性的影响出水量和低估了断层发育特征对水产量的影响。例如,突水点Q99位于开发区,影响正常出错DF25断层9米的距离。含水层裂隙在这一点上,与进水量达到1.8³·敏¹和含水层有丰富的出水量。然而,FDAHP分类中出水量,这是不符合实际情况。(2)EWM过分强调断层的不同发展特点的研究区域但削弱了重要影响含水层渗透系数和厚度在水面上的收益。例如,DG33钻孔的价值是1.22 L·s¹·米¹,砂岩含水层位于60米厚,渗透系数为2.2 m·d¹,这是一个丰富的出水量。不合理的描述它作为媒介出水量基于EWM。因此,CWM考虑专家的建议和出水量的内部各种因素之间的关系;CWM有效地反映了联合控制的含水层岩性、水力特性、故障因素对砂岩含水层的给水度的没有。8煤层顶板在研究区,使评价结果更密切关注现实;此外,CWM的出水量特征可以分析煤层顶板更加合理和准确。

7所示。结论

(1)蓄水层和富水产量提供了丰富的物质来源煤层水灾害屋顶,他们也是一个突出的问题威胁着煤层的安全生产。是必要的但有挑战性评价煤顶板含水层的出水量。煤顶板含水层的IWYPI模型和应用提出了评价砂岩含水层的出水量。8煤层顶板Donghuantuo煤矿。影响水产量的因素渗透系数,消费的钻井液,核心复苏,含水层厚度、塑性脆性岩石厚度比、断层规模指数、密度和故障点。IWYPI模型建立了CWM考虑内部专家的意见和各种影响因素之间的关系出水量;该模型有效地反映了常见的含水层岩性控制,水力特性和故障因素对含水层水产量和克服的问题通常有数量有限的矿山钻孔涌水量资料(2)工程实践表明,基于CWM IWYPI模型的准确性高达93.75%,18.75%和12.5%高于WYPI模型基于FDAHP EWM,分别。评价结果表明,该区域丰富和更丰富的水产量主要分布在南部和中部地区,区域与介质水产量主要分布在北部和中部地区,和水产量差的区域主要分布在东北、中部和西部地区。IWYPI模型提供了有利的技术支持的水害防治煤层屋顶和确保煤矿的安全生产具有重要的现实意义。

数据可用性

的数据支持本研究的发现可以从相应的作者在合理的请求。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

这项研究是由中国国家自然科学基金资助(批准号41702264),中国国家重点研发项目(2016 yfc0402803-02),和中国三峡集团有限公司有限公司项目(0799217)。

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