基于GIS的层次分析法在潘一矿突水安全性评价中的应用

丁刚，胡文奎，魏汝明

(济南市勘察测绘研究院，山东 济南 250101)

基于GIS的层次分析法在潘一矿突水安全性评价中的应用

丁刚*，胡文奎，魏汝明

(济南市勘察测绘研究院，山东 济南 250101)

矿井突水预测预报是目前煤矿建设和生产过程中的一大难题，本文以安徽潘一矿煤层底板突水为研究对象，基于GIS的层次分析法(AHP型)脆弱性指数法对其进行分析研究，建立影响煤层底板突水的主控指标体系，并应用GIS进行数据采集和归一化处理，建立煤层底板突水主控因素的子专题图层，然后应用AHP法确定各因素的权重比例，基于此叠加子专题图层，对潘一矿矿井突水安全性进行评价。结果表明：危险区和较危险区多位于潘一矿东南部和中东部，且突水易发生区域位置分布较集中。

潘一矿；煤层底板突水；安全性评价；GIS；AHP

1 引 言

在矿井施工和煤层开采过程中，穿过含水砂砾石层或与地表水连通的较大断裂破碎带时易产生大量涌水现象[1]。近年来，煤矿的开采深度不断增加，矿井突水问题日益严重，给人民生命财产带来重大损失[2]。突水系数法以及脆弱性指数法是国内经常使用的矿井突水安全性评价方法，但是突水系数法的弊端是只考虑两个控制因素。而中国矿业大学武强教授提出的脆弱性指数法，是将可确定底板突水多种主控因素权重系数的信息融合与含有多种信息分析处理功能的GIS，两者耦合于一体的煤层底板水害评价方法，预测结果更为理想[3]。

据统计资料显示，潘一矿于1983年12月建成以来，发生过26次突水事故，本文应用基于GIS的AHP型脆弱性指数法，进行潘一矿矿井底板突水安全性评价研究，在此基础上划分危险性区域，提前进行防护措施，确保安全开采。

2 矿区概况

潘一矿井位于淮南市潘集区，矿区西面为潘三矿井，与潘二矿以潘集背斜为界，矿区东西走向较长，南北走向宽度较窄，处于潘集背斜南翼，地处淮南复向斜内部。张扭性断层较发育，落差大小不一。本区主要含水层为奥陶系和石炭系石灰岩含水层以及煤系砂岩含水层和新生界松散含水层。据研究表明：奥陶系和石炭系石灰岩含水层对潘一矿底板突水影响不大，主要影响因素是煤系砂岩含水层和新生界松散含水层。

3 基于GIS的AHP型脆弱性指数法的基本原理

基于GIS的AHP型脆弱性指数法是煤层突水评价一种新的有效方法，它利用GIS强大的数据管理以及空间分析处理功能，对影响底板突水的众多主控因素进行量化处理，并生成相应的影响因素专题图层[4]。然后运用层次分析法(AHP)对各主控因素进行评价，得出各主控因素对矿井底板突水的影响权重，然后根据GIS空间复合叠加功能，依据影响权重大小对各影响因素专题图层进行复合叠加，从而得到煤层底板突水脆弱性指数分布图。最后统计分析突水脆弱性指数，确定各区的界限值，形成矿井底板脆弱性评价分区图，从而对矿井突水安全性进行评价。

4 煤层底板突水脆弱性评价

4.1 建立主控因素指标体系

本文主要以淮南矿业集团潘一矿C13煤底板为研究对象，通过对潘一矿的开采条件、水文地质条件、突水规律和现有勘探程度及资料分析，得到影响C13煤底板突水的6个主要控制因素：①上覆基岩面至C13煤底板的岩组有效厚度；②断层条数密度；③断层交点端点密度；④断层规模；⑤C13煤砂岩含水层和新生界松散含水层富水性；⑥C13煤砂岩含水层和新生界松散含水层水压。其中上覆基岩面至C13煤底板的岩组有效厚度是煤层底板突水的负相关因素，故我们对其原始数据取负号，进行正向化处理。

4.2 建立煤层底板突水主控因素专题图层

首先我们根据确定的主控因素进行相应的数据采集，由于各主控因素量纲不同，造成数据范围差距较大，影响评价结果，必须进行数据归一化处理形成数据相对化，进而让数据变得可比性，达到统计意义，便于系统分析。归一化公式如下：

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

式中，Ai为归一化以后的数据，m、n为归一化后的上、下限，ai是原始数据[5]。

在各主控因素数据归一化的基础上，我们建立各因素属性数据库，运用GIS处理归一化数据，建立研究区6个主控因素的归一化专题图层，如图1所示。

图1 潘一矿煤层底板突水各主控因素专题图层

4.3 各主控因素影响权重的AHP法

(1)建立层次结构模型

首先建立煤层底板突水脆弱性评价层次结构模型图，如图2所示：

图2 煤层底板突水脆弱性评价层次结构模型图

(2)构造判断矩阵并计算判断矩阵

层次结构图建立后，上下层次元素之间的隶属关系亦确定下来，我们可以根据潘一矿C13煤的具体情况以及征集和咨询专家的意见，对各层次因素采用两两比较法赋予权重，赋值标准按照1～9标度方法，最后得到4个两两比较判断矩阵[6]。

以A层次和B层次为例，其判断矩阵及权值结果如表1所示：

判断矩阵A-Bi 表1

利用相关的AHP专业计算软件，可以方便地计算出判断矩阵的最大特征值以及最大特征值对应的特征向量。判断矩阵(A～Bi)的最大特征值λmax=3.054。一致性检验结果：CI=0.027，RI=0.580，CR=0.047<0.1，一致性检验通过。其他各层次判断矩阵计算同上。

最后我们根据上述判断矩阵的计算结果，得出层次总排序如表2所示：

层次总排序表 表2

层次总排序结果如上表所示。总排序一致性检验结果：CI=0.007，RI=0.151，CR=0.046<0.1，一致性检验通过。

4.4 煤层底板突水脆弱性评价分区

首先我们要对控制因素进行复合处理，把各有关因素信息存储层复合成一个信息存储层，使所有相关因素的信息都包含在所生成的信息存储层中，从而进行各控制因素拟合分析。进行主控因素的无量纲化，然后将其叠加成一个新图形，利用GIS对各归一化后的专题图进行叠加处理。

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)

根据模型计算方法，计算潘一矿的煤层底板突水脆弱性指数，根据计算结果进行频率直方图统计分析，确定分区极限值，将潘一矿划分为以下5个子区(见图3)，即：VI>0.6煤层底板突水脆弱区；0.55

图3 脆弱性指数法评价分区

5 结论和建议

(1)在对潘一矿煤层底板突水因素分析的基础上，确定了隔水层厚度、断层条数密度、断层交点和端点密度、断层规模、含水层富水性及含水层水压六种因素为影响控制煤层底板突水的主要因素。

(2)根据基于GIS的AHP型脆弱性指数法评价模型，提出了潘一矿煤层底板突水脆弱性评价分区方案，即依据其脆弱性大小依次划分为危险区、较危险区、过渡区、较安全区、安全区5个级别。

(3)本文仅对潘一矿底板突水灾害进行分析研究，在生产过程中也可能发生顶板突水灾害，故为保证潘一矿矿井安全生产，需进一步对其顶板突水进行有效的预测预报分析。

[1] 王允. 施工阶段主要地质灾害的预测及防治[J]. 城市建设理论研究：电子版，2014(36).

[2] 崔祥琨，郭盛彬，宋旭. 浅谈矿井突水原因及其防治[J]. 科技资讯，2009(17)：134～134.

[3] 武强，张志龙，张生元等. 煤层底板突水评价的新型实用方法Ⅱ——脆弱性指数法[J]. 煤炭学报，2007，32(11)：1121～1126.

[4] 武强，王金华，刘东海等. 煤层底板突水评价的新型实用方法Ⅳ：基于GIS的AHP型脆弱性指数法应用[J]. 煤炭学报，2009，32(2)：233～238.

[5] 武强，杨柳，朱斌等. “脆弱性指数法”在赵各庄矿底板突水评价中的应用[J]. 中国煤炭地质，2009，21(6)：40～44.

[6] 字玥，杜葵. 层次分析法在市场比较法中的应用[J]. 低温建筑技术，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

丁刚(1987—)，男，研究员，主要从事地质工程等技术工作。