基于G1-變異系數法的陜北某礦北二盤區富水性評價

李東東　李明　劉己盛　朱建文

摘要：含水層的富水性受控因素多、控制機理復雜，單一因素很難準確的描述含水層的富水性。因此，本文選取了5個影響風化基巖富水性的主控因素，采用信息融合的方法對陜北某井田北二盤區風化基巖富水性進行了評價和分區。為未來該盤區制定合理的水害防治措施和安全高效的開采提供了保障。

關鍵詞：含水層;富水性評價;控制因素;綜合評價

1 引言

煤礦水害的嚴重程度是由煤礦開采過程中揭露或觸及的含水層富水性所決定的^[1]。因此，含水層富水性的準確評價對煤礦的安全生產是非常重要的。根據抽水試驗資料，本文所研究的陜北某井田雖分布有多層含水層，但大多含水微弱，影響其生產的主要是侏羅紀中統延安組及直羅組的風化基巖含水層。因此，本文僅對該井田北二盤區的風化基巖含水層進行了評價及分區。由于含水層富水性受控因素多、控制機理復雜，因此本文選擇了多個影響風化基巖富水性的主控因素，利用信息融合的方法對富水性進行了評價。對該井田北二盤區風化基巖富水性的準確評價，有助于制定合理的水害防治措施和布置防治水設備，為未來該盤區安全高效的開采提供了保障。

2 主控因素的確定

富水性綜合評價首先需要建立指標體系，本文根據鉆探數據及專家意見，選擇了以下5種影響風化基巖富水性的主控因素，以下分別作簡要描述。

2.1風化基巖厚度

地下水體儲存在巖體的空隙當中，因此風化基巖越厚，其儲水能力越強，則同等條件下，富水性越強。所以，對于風化基巖的富水性而言，厚度是非常重要的一個影響因素。

2.2巖性組合指數

在受到構造應力作用后，不同巖性及結構的巖石會表現出不同的反應^[2]。其中，脆性越大的巖石，越容易產生裂隙而增大儲水空間，而導致富水性增強。一般情況下，巖石的脆性隨著粒度的增大而增強。因此，為了比較客觀的描述巖石的脆性，本文構建了巖性組合指數這個量化指標z（式2.1）。該指標針對不同巖性及粒度的巖石賦以不同的結構系數（表2.1），粒度越大的巖石，所賦的系數也越大，z值也越大^[3]。通過式2.1計算得到的z值越大，說明含水層脆性越大，則富水性越強，反之，富水性越弱。

式中：h_i—依次代表粗砂巖、中砂巖、細砂巖、粉砂巖、沙質泥巖和泥巖的厚度

s_i—對應的系數

表2.1 ?巖石結構系數表

2.3 巖心采取率

巖心采取率反應了巖石的破碎程度。巖心采取率越低，說明巖體裂隙發育越好，因此富水性越強，反之，裂隙發育越差，富水性越弱。本次通過加權平均的方法計算各鉆孔的巖心采取率。

2.4 單位涌水量

單位涌水量為抽水試驗過程中鉆孔內水位下降1m的涌水量，其數值越大，說明含水層富水性越強，反之富水性越弱。

2.5 滲透系數

滲透系數是一個表示巖土的滲透性強弱的指標，滲透系數越大，則巖層透水能力越強，富水性越強，反之，富水性弱。

3 G1-變異系數法的基本原理

目前，指標賦權的方法分為主觀賦權法、客觀賦權法及組合集成賦權。本文使用的G1-變異系數法為組合集成賦權法中的一種，該種賦權法綜合了G1法主觀性及變異系數法客觀性的優點。以下簡單介紹下該種賦權法的基本原理。

3.1 G1法確定權重

利用G1法^[4]計算指標權重的過程如下：

（1）設需賦權重值的指標依次為{x₁，x₂，…，x_m}，專家依各指標的重要程度從大到小重新排序后記為x* 1，x* 2，…，x* m。

（2）然后專家對指標x?* k-1?與x* k?的重要程度的比值r_k賦值（式3.1），r_k取值原則見表3.1。

（3.1）

式中w* k為依重要程度排序后第k項指標的權重。

表3.1 ?r_k取值及說明

r_k

說明

1.0

指標 x_k-1與指標x_k具有同樣重要性

1.2

指標 x_k-1比指標x_k稍微重要

1.4

指標x_k-1比指標x_k明顯重要

1.6

指標 x_k-1比指標x_k強烈重要

1.8

指標 x_k-1比指標x_k極端重要

（3）利用式3.2計算出指標x* m?的權重值w* m。

（3.2）

（4）利用式3.3依次計算出指標x* m-1，x* m-2，，…，x* 1的權重值w* m-1，w* m-2，…，w* 1。

（3.3）

3.2 變異系數法確定權重

利用變異系數法^[5]計算指標權重的過程如下：

（1）分別計算出各指標的變異系數。

（2）利用式3.4計算出各項指標的權重系數。

（3.4）

式中v_k、w_k分別為第k項指標的變異系數及權重。

3.3 綜合權重的確定

利用式3.5將兩個賦權法得到的權重值進行組合，即得G1法和變異系數法的綜合權重。

（3.5）

式中w_kg、w_kb分別為第k項指標的G1權重系數和變異系數法權重系數。

4 計算各主控因素權重

本文選取了影響風化基巖富水性的各主控因素，構建了評價風化基巖富水性的指標體系（表4.1）。

4.1 G1法計算權重

（1）計算準則層權重

專家根據厚度x₁，滲流特征x₂，巖性特征x₃對風化基巖富水性影響的嚴重程度排序后，得到的順序為x₂，x₃，x₁。并對重要程度的比值賦值為：r₂=1.8，r₃=1.2。利用式3.2得：w* 3=0.2294，利用式3.3得：w* 2= r₃w* 3=0.2752，w* 1= r₂w* 2=0.4954，即得厚度x₁，滲流特征x₂，巖性特征x₃的權重分別為0.2294、0.4954和0.2752。

（2）計算指標層權重

專家根據以往的知識和經驗，對單位涌水量x₂₁，滲流特征x₂₂對基巖富水性的影響順序為x₂₁，x₂₂，且相對重要比值為：r₂₂=1.8，利用式3.2得w* 22=0.3571，利用式3.3得：w* 21= r₂₂w* 22=0.6429。同理對巖性指數x₃₁，巖心采取率x₃₂對基巖富水性的影響順序為x₃₁，x₃₂，r₃₂=1.6，得：w* 32=0.3846，w* 31= r₃₂w* 32=0.6154。

綜合準則層權重，得各項指標的權重見表4.2。

4.2 變異系數法計算權重

通過式3.4對各指標數據進行計算，可得影響風化基巖富水性的5個指標的權重見表4.3。

4.3 綜合權重的計算

將分別利用G1法和變異系數法得到的5個主控因素權重值，利用式3.5組合成綜合權重值，結果見4.4。

5.1 數據正向化

對于本次選取的5個主控因素，其中巖心采取率數據取值越小則風化基巖富水性越強，為負相關因素，而其它4個因素則相反，為正相關因素。在綜合評價之前，需將負相關因素轉化為正相關因素，即正向化。本文對巖心采取率數據做正向化處理^[6]的方法為倒數法。

5.2 數據無量綱化

在對各主控因素數據組合之前，需對其做無量綱化處理。常用的無量綱處理方法有多種，每種方法均有自己的優缺點。結合考慮各主控因素數據及各無量綱化方法優缺點，本文選擇均值化無量綱化^[7]方法，進行本次數據的無量綱化處理。

6 ?2^-2煤上覆風化基巖富水性分區

6.1主控因素的融合

利用G1-變異系數法確定的各主控因素權重系數，將正向化及無量綱化后的各主控因素數據進行疊加，生成評價富水性的綜合性指數D。

6.2 富水性分區

通過富水性指數數據的分析，將該井田北二盤區風化基巖富水性由弱到強共分為以下三個等級：D≤0.57為弱富水區，0.57

7 結論

（1）分別談論了風化基巖厚度、巖性組合指數、巖心采取率、單位涌水量和滲透系數5個因素對風化基巖富水性的影響。

（2）并利用G1-變異系數賦權法得到的權重，將這5個主控因素進行了融合構建了評價風化基巖富水性的綜合指標-富水性指數。

（3）利用富水性指數對該井田北二盤區風化基巖富水性進行了評價及分區。

參考文獻

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