灰?guī)r含水層富水性評(píng)價(jià)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種灰?guī)r含水層富水性評(píng)價(jià)方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 我國是世界上產(chǎn)煤量最多的國家之一，受水害威脅的煤炭儲(chǔ)量約占探明儲(chǔ)量的 30%，僅華北地區(qū)受底板灰?guī)r巖溶水威脅的煤炭儲(chǔ)量約為200億噸?；?guī)r巖溶水害是制約 華北型煤田深部開采的關(guān)鍵因素，復(fù)雜的巖溶水網(wǎng)絡(luò)是災(zāi)害頻發(fā)的主因。因此，如何評(píng)價(jià)灰 巖含水層的富水性，是進(jìn)行深部煤層開采底板突水危險(xiǎn)性分析最重要的前提。
[0003]目前，最常用的指標(biāo)和方法是根據(jù)《煤礦防治水規(guī)定》，按鉆孔單位涌水量（q)值 劃分為四個(gè)等級(jí)：弱富水性，q彡〇. lL/(s ·ηι);中等富水性，0. lL/(s ^mXq彡I. 0L/(s ·ηι); 強(qiáng)富水性，1.0 L/ (s · m) <q < 5. OL/ (s · m);極強(qiáng)富水性，q>5. OL/ (s · m)。理論上這種劃分 標(biāo)準(zhǔn)具有科學(xué)性，然而客觀上僅僅利用q值劃分含水層的富水性可操作性差，主要表現(xiàn)在 以下兩點(diǎn)：一是井田范圍內(nèi)特定含水層的抽水試驗(yàn)鉆孔數(shù)量極其有限，利用q值對含水層 富水性評(píng)價(jià)出現(xiàn)"以點(diǎn)帶面"的現(xiàn)象。二是q值獲得投資大耗時(shí)長，因此在礦井開采階段， 礦方發(fā)現(xiàn)不同區(qū)域或地段含水層的富水性差異性較大，也極少投資做水文孔抽水試驗(yàn)以便 獲得q值?？梢娨粋€(gè)井田內(nèi)q值數(shù)量往往不能滿足含水層富水性分區(qū)的生產(chǎn)需要。
[0004] 在現(xiàn)有技術(shù)中，中國礦業(yè)大學(xué)（北京）武強(qiáng)教授等在《煤炭學(xué)報(bào)》期刊2011年第 36卷第7期上公開了一種含水層富水性評(píng)價(jià)方法，論文名為：基于GIS的信息融合型含水 層富水性評(píng)價(jià)方法，該方法綜合多種含水層富水性主控因素，利用線性（層次分析法）或非 線性（ANN、證據(jù)權(quán)重法和貝葉斯法）方法確定各主控因素權(quán)重，并建立奧灰富水性指數(shù)模 型，采用頻率直方圖的分析方法，確定分區(qū)閥值，最后對礦井充水含水層富水性作出量化分 區(qū)。該方法為區(qū)域含水層富水性評(píng)價(jià)提供了一種很好的評(píng)價(jià)思路，近年來也得到較為廣泛 的應(yīng)用。然而，該方法還存在以下缺陷：最終建立的含水層富水性指數(shù)模型是一種線性加權(quán) 方法，對于權(quán)重及最終模型的建立是否合適，未進(jìn)行模型檢驗(yàn)，有可能造成脫離礦區(qū)實(shí)際， 使預(yù)測偏離實(shí)際情況；另一方面，采用據(jù)頻率直方圖的分析方法確定分區(qū)閾值，而頻率直方 圖僅僅顯示該區(qū)富水性指數(shù)的分布特征，即分布范圍的大小。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的是為克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種能滿足華北型煤田煤炭工 業(yè)可持續(xù)性發(fā)展需求，基于模糊德爾菲層次分析法（FDAHP)、逼近理想解排序法（TOPSIS) 和地球物理探測成果相結(jié)合的灰?guī)r含水層富水性評(píng)價(jià)方法。
[0006] 為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用下述技術(shù)方案：
[0007] -種灰?guī)r含水層富水性評(píng)價(jià)方法，包括以下步驟：
[0008] (1)分析確定灰?guī)r含水層富水性評(píng)價(jià)指標(biāo)；
[0009] (2)利用FDAHP法，對各評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行權(quán)重賦值；
[0010] (3)利用TOPSIS決策法求解含水層富水度；
[0011] (4)模型檢驗(yàn)：利用地球物理探測灰?guī)r含水層富水性成果與含水層"富水度"進(jìn)行 對比分析，對模型進(jìn)行檢驗(yàn)；
[0012] (5)確定灰?guī)r富水性分區(qū)閾值，并對灰?guī)r富水性進(jìn)行評(píng)價(jià)預(yù)測分區(qū)；
[0013] 所述步驟（1)的灰?guī)r含水層富水性評(píng)價(jià)指標(biāo)包括鉆孔涌水量、含水層厚度、斷層 影響因子和鉆孔沖洗液消耗量4個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)；
[0014] 所述步驟⑵的利用FDAHP法對各評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行權(quán)重賦值，包括以下步驟：
[0015] ①構(gòu)造比較判斷矩陣
[0016] 首先，運(yùn)用德爾菲專家調(diào)查法，征集和咨詢各領(lǐng)域現(xiàn)場專家及科研研究者的意見， 按照美國運(yùn)籌學(xué)家T. L Saaty創(chuàng)立的1~9標(biāo)度法，收集評(píng)價(jià)指標(biāo)對灰?guī)r含水層富水性重 要程度的量化分值；然后，根據(jù)下式建立兩兩比較判斷矩陣：
[0017]
[0018] 式中：Blj = C夕^代表指稱i和j相對里妥捏度的判斷，C p Cj為某一專家對指標(biāo) i和j的賦值；m為評(píng)價(jià)指標(biāo)總數(shù)；
[0019] ②建立群體的模糊判斷矩陣
[0020] 采用模糊三角數(shù)來整合專家意見，用三角模糊數(shù)表示的群體的兩兩判斷矩陣如 下：
[0021] B=(Idij)
[0022] 式中：1?= (α & β & γ J為模糊三角數(shù)，由α V β Yij三個(gè)元素組成且滿足 CiljS β 彡 γ V Qij, Pij, Yij由下式確定：
[0023] a Jj = Min (a ijk), k = I, . . . , I
[0024] PllHUatJ', k =1,,.,,1 k=]
[0025] γ i, = Max (a i jk), k = I, . . . , I
[0026] 式中：al jk為第k個(gè)專家對i和j兩個(gè)指標(biāo)的相對重要程度判斷；I為評(píng)分專家總 數(shù)；由此構(gòu)造該專家組的群體判斷矩陣如下：
[0027]
[0028] ③確定群體模糊權(quán)重向量
[0029] 對于群體模糊判斷矩陣B，用幾何平均法確定相應(yīng)的模糊權(quán)重向量，對于任意評(píng)價(jià) 指標(biāo)i(i = 1，···，m)，通過下式計(jì)算群體模糊權(quán)重向量：
[0030]
[0031]
[0032] 式中：符號(hào)咬和?分別為三角模糊數(shù)的乘法和加法運(yùn)算法則；Wl為第i個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo) 的模糊權(quán)重向量；
[0033] ④權(quán)重決策分析
[0034] 采用幾何平均法計(jì)算各評(píng)價(jià)指標(biāo)的相對權(quán)重，然后進(jìn)行歸一化處理，即可得到?jīng)Q 策權(quán)重
[0035]
[0036] 所述步驟（3)的利用TOPSIS決策法對含水層富水程度進(jìn)行決策，包括以下步驟：
[0037] ①建立初始評(píng)判矩陣
[0038] 設(shè)待評(píng)判樣本點(diǎn)P = (P1, P2,. . .，Pj，每個(gè)樣本點(diǎn)指標(biāo)集r = Ir1, r2,. . .，rm}，rpi 表示第P個(gè)取樣點(diǎn)的第i個(gè)評(píng)判指標(biāo)，其中P e [1，η]，i e [1，m]，n為待評(píng)判樣本點(diǎn)總數(shù)， m為評(píng)價(jià)指標(biāo)總數(shù)，則初始評(píng)判矩陣為：
[0039]
[0040] ②構(gòu)建加權(quán)標(biāo)準(zhǔn)化決策矩陣
[0041] 將初始評(píng)判矩陣進(jìn)行歸一化處理，得到標(biāo)準(zhǔn)化決策矩陣C = (Cpi)nxni，計(jì)算公式 為：
[0042]
[0043] 將矩陣C的列冋重與FlMHP確定的各指標(biāo)權(quán)重相乘，得到加權(quán)標(biāo)準(zhǔn)化決策矩陣V 為：
[0044]
[0045] ③確定富水性最強(qiáng)解和最弱解
[0046] 極大型指標(biāo)集J1的富水性最強(qiáng)解為行向量的最大值，其富水性最弱解為行向量的 最小值；而極小型指標(biāo)集J 2的取值與之相反；由此，確定富水性最強(qiáng)解和最弱解分別為：
[0047]
[0048]
[0049] 式中：V+與V分別是富水性最強(qiáng)解和最弱解。
[0050] ④含水層"富水度"決策
[0051] 首先計(jì)算第p個(gè)評(píng)判樣本點(diǎn)到富水性最強(qiáng)解和最弱解的距離，算法如下：
[0052]
[0053]
[0054] 式中：?+與R為第p個(gè)評(píng)判樣本點(diǎn)與富水性最強(qiáng)解和最弱解的距離；<與￥:分 別為V +與V相對應(yīng)的元素。
[0055] 然后計(jì)算評(píng)判樣本點(diǎn)與富水性最強(qiáng)解的相對接近度，在此稱之為"富水度"： Dli
[0056] HR>-= ,V η (Ρ = ]^···'Μ Bp. +DP
[0057] 式中：WRp為第ρ個(gè)評(píng)判樣本點(diǎn)的"富水度"，0彡WRpS 1。"富水度"WRp值反映了 評(píng)判樣本點(diǎn)貼近富水性最強(qiáng)解的程度，其值越接近于1，說明被評(píng)判樣本點(diǎn)的富水性相對越 強(qiáng)。
[0058] 所述步驟（4)的模型檢驗(yàn)方法如下：
[0059] 利用地球物理探測灰?guī)r含水層富水性成果與含水層富水度進(jìn)行對比分析，通過下 式對模型精度進(jìn)行驗(yàn)證：
[0060] max〇VR強(qiáng)富水)多min〇VR強(qiáng)富水)多max〇VR弱富水)多min〇VR弱富水)多max〇VR不富 7X)多min(WRyff7x)式中：WRsff7x為強(qiáng)富水樣本點(diǎn)的"富水度"值;WR iiff7x為弱富水樣本點(diǎn)的 "富水度"值;WRy 為不富水樣本點(diǎn)的"富水度"值；
[0061] 若滿足上式，則表明所建模型可靠，可應(yīng)用；否則需要重新征詢和反饋專家意見， 利用FDAHP法建立新的權(quán)重，直到模型滿足要求。
[0062] 所述步驟（5)的確定灰?guī)r富水性分區(qū)閾值，其方法如下：
[0063] 利用幾何平均法確定分區(qū)閾值，計(jì)算公式如下：
[0064] WR不 / 弱=(max (WR不富水）· min (WR弱富水））1/2
[0065] WR弱 / 強(qiáng)=(max (WR弱富水）· min (WR強(qiáng)富水））1/2
[0066] 式中：WRy7ii、WRii7s分別為不富水區(qū)與弱富水區(qū)、弱富水區(qū)與強(qiáng)富水區(qū)的分區(qū)閾 值。
[0067] 所述步驟（5)的對灰?guī)r富水性進(jìn)行評(píng)價(jià)預(yù)測分區(qū)，方法如下：
[0068] 利用Surfer軟件繪制含水層"富水度"等值線圖，根據(jù)確定的分區(qū)閾值將含水層 富水性劃分為3個(gè)分區(qū)，實(shí)現(xiàn)灰?guī)r含水層富水性評(píng)價(jià)預(yù)測：
[0069] ( I ) :WR < WR不廠弱，不富水區(qū)；
[0070] ( II ) :WR不/弱彡WR < WR弱/強(qiáng)，弱富水區(qū)；
[0071] (III) :WR彡WR弱/強(qiáng)，強(qiáng)富水區(qū)。
[0072] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下優(yōu)點(diǎn)：
[0073] 首先利用模糊德爾菲層次分析法，形成一個(gè)交互式的權(quán)重向量決策分析過程，讓 決策者充分參與權(quán)重確定和分析；然后利用TOPSIS多屬性決策法，對原始