基于GIS的層次分析法在潘一礦突水安全性評價中的應用

丁剛，胡文奎，魏汝明

(濟南市勘察測繪研究院，山東 濟南 250101)

基于GIS的層次分析法在潘一礦突水安全性評價中的應用

丁剛*，胡文奎，魏汝明

(濟南市勘察測繪研究院，山東 濟南 250101)

礦井突水預測預報是目前煤礦建設和生產過程中的一大難題，本文以安徽潘一礦煤層底板突水為研究對象，基于GIS的層次分析法(AHP型)脆弱性指數法對其進行分析研究，建立影響煤層底板突水的主控指標體系，并應用GIS進行數據采集和歸一化處理，建立煤層底板突水主控因素的子專題圖層，然后應用AHP法確定各因素的權重比例，基于此疊加子專題圖層，對潘一礦礦井突水安全性進行評價。結果表明：危險區和較危險區多位于潘一礦東南部和中東部，且突水易發生區域位置分布較集中。

潘一礦；煤層底板突水；安全性評價；GIS；AHP

1 引 言

在礦井施工和煤層開采過程中，穿過含水砂礫石層或與地表水連通的較大斷裂破碎帶時易產生大量涌水現象[1]。近年來，煤礦的開采深度不斷增加，礦井突水問題日益嚴重，給人民生命財產帶來重大損失[2]。突水系數法以及脆弱性指數法是國內經常使用的礦井突水安全性評價方法，但是突水系數法的弊端是只考慮兩個控制因素。而中國礦業大學武強教授提出的脆弱性指數法，是將可確定底板突水多種主控因素權重系數的信息融合與含有多種信息分析處理功能的GIS，兩者耦合于一體的煤層底板水害評價方法，預測結果更為理想[3]。

據統計資料顯示，潘一礦于1983年12月建成以來，發生過26次突水事故，本文應用基于GIS的AHP型脆弱性指數法，進行潘一礦礦井底板突水安全性評價研究，在此基礎上劃分危險性區域，提前進行防護措施，確保安全開采。

2 礦區概況

潘一礦井位于淮南市潘集區，礦區西面為潘三礦井，與潘二礦以潘集背斜為界，礦區東西走向較長，南北走向寬度較窄，處于潘集背斜南翼，地處淮南復向斜內部。張扭性斷層較發育，落差大小不一。本區主要含水層為奧陶系和石炭系石灰巖含水層以及煤系砂巖含水層和新生界松散含水層。據研究表明：奧陶系和石炭系石灰巖含水層對潘一礦底板突水影響不大，主要影響因素是煤系砂巖含水層和新生界松散含水層。

3 基于GIS的AHP型脆弱性指數法的基本原理

基于GIS的AHP型脆弱性指數法是煤層突水評價一種新的有效方法，它利用GIS強大的數據管理以及空間分析處理功能，對影響底板突水的眾多主控因素進行量化處理，并生成相應的影響因素專題圖層[4]。然后運用層次分析法(AHP)對各主控因素進行評價，得出各主控因素對礦井底板突水的影響權重，然后根據GIS空間復合疊加功能，依據影響權重大小對各影響因素專題圖層進行復合疊加，從而得到煤層底板突水脆弱性指數分布圖。最后統計分析突水脆弱性指數，確定各區的界限值，形成礦井底板脆弱性評價分區圖，從而對礦井突水安全性進行評價。

4 煤層底板突水脆弱性評價

4.1 建立主控因素指標體系

本文主要以淮南礦業集團潘一礦C13煤底板為研究對象，通過對潘一礦的開采條件、水文地質條件、突水規律和現有勘探程度及資料分析，得到影響C13煤底板突水的6個主要控制因素：①上覆基巖面至C13煤底板的巖組有效厚度；②斷層條數密度；③斷層交點端點密度；④斷層規模；⑤C13煤砂巖含水層和新生界松散含水層富水性；⑥C13煤砂巖含水層和新生界松散含水層水壓。其中上覆基巖面至C13煤底板的巖組有效厚度是煤層底板突水的負相關因素，故我們對其原始數據取負號，進行正向化處理。

4.2 建立煤層底板突水主控因素專題圖層

首先我們根據確定的主控因素進行相應的數據采集，由于各主控因素量綱不同，造成數據范圍差距較大，影響評價結果，必須進行數據歸一化處理形成數據相對化，進而讓數據變得可比性，達到統計意義，便于系統分析。歸一化公式如下：

Ai=m+(m-n)[ai-max(ai)]/[max(ai)-min(ai)]

式中，Ai為歸一化以后的數據，m、n為歸一化后的上、下限，ai是原始數據[5]。

在各主控因素數據歸一化的基礎上，我們建立各因素屬性數據庫，運用GIS處理歸一化數據，建立研究區6個主控因素的歸一化專題圖層，如圖1所示。

圖1 潘一礦煤層底板突水各主控因素專題圖層

4.3 各主控因素影響權重的AHP法

(1)建立層次結構模型

首先建立煤層底板突水脆弱性評價層次結構模型圖，如圖2所示：

圖2 煤層底板突水脆弱性評價層次結構模型圖

(2)構造判斷矩陣并計算判斷矩陣

層次結構圖建立后，上下層次元素之間的隸屬關系亦確定下來，我們可以根據潘一礦C13煤的具體情況以及征集和咨詢專家的意見，對各層次因素采用兩兩比較法賦予權重，賦值標準按照1～9標度方法，最后得到4個兩兩比較判斷矩陣[6]。

以A層次和B層次為例，其判斷矩陣及權值結果如表1所示：

判斷矩陣A-Bi 表1

利用相關的AHP專業計算軟件，可以方便地計算出判斷矩陣的最大特征值以及最大特征值對應的特征向量。判斷矩陣(A～Bi)的最大特征值λmax=3.054。一致性檢驗結果：CI=0.027，RI=0.580，CR=0.047<0.1，一致性檢驗通過。其他各層次判斷矩陣計算同上。

最后我們根據上述判斷矩陣的計算結果，得出層次總排序如表2所示：

層次總排序表 表2

層次總排序結果如上表所示。總排序一致性檢驗結果：CI=0.007，RI=0.151，CR=0.046<0.1，一致性檢驗通過。

4.4 煤層底板突水脆弱性評價分區

首先我們要對控制因素進行復合處理，把各有關因素信息存儲層復合成一個信息存儲層，使所有相關因素的信息都包含在所生成的信息存儲層中，從而進行各控制因素擬合分析。進行主控因素的無量綱化，然后將其疊加成一個新圖形，利用GIS對各歸一化后的專題圖進行疊加處理。

VI=0.327f1(x，y)+0.036f2(x，y)+0.086f3(x，y)

+0.137f4(x，y)+0.013f5(x，y)+0.309f6(x，y)

根據模型計算方法，計算潘一礦的煤層底板突水脆弱性指數，根據計算結果進行頻率直方圖統計分析，確定分區極限值，將潘一礦劃分為以下5個子區(見圖3)，即：VI>0.6煤層底板突水脆弱區；0.55

圖3 脆弱性指數法評價分區

5 結論和建議

(1)在對潘一礦煤層底板突水因素分析的基礎上，確定了隔水層厚度、斷層條數密度、斷層交點和端點密度、斷層規模、含水層富水性及含水層水壓六種因素為影響控制煤層底板突水的主要因素。

(2)根據基于GIS的AHP型脆弱性指數法評價模型，提出了潘一礦煤層底板突水脆弱性評價分區方案，即依據其脆弱性大小依次劃分為危險區、較危險區、過渡區、較安全區、安全區5個級別。

(3)本文僅對潘一礦底板突水災害進行分析研究，在生產過程中也可能發生頂板突水災害，故為保證潘一礦礦井安全生產，需進一步對其頂板突水進行有效的預測預報分析。

[1] 王允. 施工階段主要地質災害的預測及防治[J]. 城市建設理論研究：電子版，2014(36).

[2] 崔祥琨，郭盛彬，宋旭. 淺談礦井突水原因及其防治[J]. 科技資訊，2009(17)：134～134.

[3] 武強，張志龍，張生元等. 煤層底板突水評價的新型實用方法Ⅱ——脆弱性指數法[J]. 煤炭學報，2007，32(11)：1121～1126.

[4] 武強，王金華，劉東海等. 煤層底板突水評價的新型實用方法Ⅳ：基于GIS的AHP型脆弱性指數法應用[J]. 煤炭學報，2009，32(2)：233～238.

[5] 武強，楊柳，朱斌等. “脆弱性指數法”在趙各莊礦底板突水評價中的應用[J]. 中國煤炭地質，2009，21(6)：40～44.

[6] 字玥，杜葵. 層次分析法在市場比較法中的應用[J]. 低溫建筑技術，2016，38(3)：130～133.

TheApplicationofAnalyticHierarchyProcessBasedonGISinSafetyEvaluationofMineWaterBurstinginPanYiCoalmine

Ding Gang，Hu Wenkui，Wei Ruming
(Jinan Geotechnical Investigation and Surveying Research Institute，Jinan 250101，China)

Evaluation and predication of Coal floor water bursting is a difficult problem in the coal mine construction and production process ，based on the coal floor water bursting in Pan Yi Coalmine，AHP vulnerability index method based on GIS was used.Firstly a main controlling factor system of coal floor water bursting has been established.Then，the sub-thematic layers of each dominating factor and the overlay layer were founded using the data management and the spatial-data analysis of GIS.Then put to use of AHP to determine weighted percentage of each main controlling factor and overlay six sub-thematic layers.on the basis，we evaluate the safety of mine water bursting in Pan Yi coalmine.The results showed that： dangerous zone is mostly located in the southeast and in the eastern and Location of water burst-prone areas are always concentrated.

PanYi coalmine；floor water bursting；safety evaluation；GIS；AHP

1672-8262(2017)06-47-03

P208.2

B

2017—02—17

丁剛(1987—)，男，研究員，主要從事地質工程等技術工作。