CN112241835A - 深竖井工程突水灾害多源信息评价方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种深竖井工程突水灾害多源信息评价方法，属于矿井突水风险评价技术领域。该方法首先建立多元信息评价体系，然后对原始指标进行无量纲化，再计算影响因素的权重，最后构建突水危险性评价模型。该方法根据影响竖井突水风险的因素建立突水风险评价指标体系，并给出不同影响因素的测试方法，之后运用层次分析法确定不同因素的权重大小，最后基于多源信息集模型对竖井突水危险性进行评价。其中，选取构造裂隙带、断层破碎带、富水性、突水点、导水性、地应力建立多元信息的评价体系。本发明解决了单一因素分析过程中的偶然性误差，提供了更加全面准确的分析方法，为施工决策提供了可靠的依据，实用性更强。
Description
技术领域
本发明涉及矿井突水风险评价技术领域，特别是指一种深竖井工程突水灾害多源信息评价方法。
背景技术
随着浅部矿产资源的枯竭，金属矿山转入深部开采，深竖井是深井开采的咽喉部位，是联通地表与井下的主要通道。竖井施工从上到下穿越不同地质构造，当施工遭遇含水层、断裂破碎带、导水断层等复杂地质环境时，极易发生井筒突水事故，造成人员伤亡、设备损坏、工期延误，甚至淹井等严重后果，带来巨大的经济和财产损失。郭屯煤矿主井、鹤岗鸟山煤矿风井、龙固煤矿2号主井、新元煤矿风井等井筒施工过程中均遭遇严重的突水事故，带来了巨大的经济损失，竖井突水风险已经成为竖井建设过程中的第一环境工程风险。因此，在施工建设过程中，准确判断突水点对于提前决策，采取有效的控制措施具有重要意义。
预测预报是突水风险动态管理与控制的重要内容之一，也决定了能否有效降低突水风险事故发生可能性与灾害损失。目前的突水预测大多集中在顶底板和隧道方面，针对建井初期竖井的突水预测方法较少。初期评价是开挖施工前在工程地质勘测的基础上针对即将施工区域水文与工程地质资料进行风险评价的基础性工作。初次评估是对孕险环境潜在风险概率和损伤的评估，为施工组织设计提供可靠依据。而当前竖井突水地层风险评价停留在简单的地质分析方面，通过单一数据进行评价。这主要是由于当前突水风险评价方法中所需的数据通过钻孔地质勘探很难获得，亟需建立适用于竖井突水预测的方法，构建相应的指标体系。因此，本发明通过分析影响突水灾害的关键因素，并给出了相应因素的测量和分析方法，建立了一种竖井突水危险性评价方法。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种深竖井工程突水灾害多源信息评价方法。
该方法包括步骤如下：
(1)建立多元信息评价体系：
基于深竖井突水风险影响的因素及数据获取的难易程度，选取构造裂隙带、断层破碎带、富水性、突水点、导水性、地应力六个影响因素作为评价指标，建立多元信息的评价体系；
(2)对原始指标进行无量纲化：
由于评价指标具有不同的量纲或者评价标准，为根除产生的指标不可公度性、便于计算，按下表将评价指标进行无量纲化处理：
不同评价指标特征取值
(3)计算影响因素的权重：
根据层次分析法比较标度准则，两两因素做比较得判断矩阵：
按方根法求权重，具体过程如下：
①求判断矩阵行积的n次方根：
其中i＝1，2，3，4，5，6，n为阶数；W为特征向量，aij为对于目标元素而言，Ai对Aj相对重要性的数值体现；
②归一化：
其中i＝1，2，3，4，5，6，通过计算得到权重向量Wi＝(0.0420，0.1216，0.2412，0.4571，0.0691，0.0691)T
其中，Wi为影响因素权重系数；
经过计算得到突水各影响因素的权重值如下表所示：
突水影响因素权重
(4)构建突水危险性评价模型：
采用脆弱性指数法对竖井突水风险进行评价，突水指数：
式中：F为突水评价指数；Wi为影响因素权重系数；fi(x,y)为评价指标无量纲的特征值，(x,y)为竖井深度坐标，m为评价指标影响因素个数，m＝6。
根据上述评价模型得到不同深度地层的评价指数，生成频数统计直方图，运用自然断点法Natural Breaks对其划分为5个区间，可得5级结果,即高突水风险、较高突水风险、中突水风险、较低突水风险、低突水风险。
其中，步骤(1)中突水点识别的方法包括流体扩散法和温度异常区识别。
该方法的基本原理是，根据影响竖井突水风险的因素建立突水风险评价指标体系，并给出不同影响因素的测试方法，之后运用层次分析法确定不同因素的权重大小，最后基于多源信息集模型对竖井突水危险性进行评价。
步骤(1)中各评价指标详细说明如下：
构造裂隙带：构造裂隙带易于形成导水通道，是竖井发生突水事故的重要条件之一。其判别方法为通过钻井岩芯揭露的地质特征及声波测井技术获得声速特征进行识别。
断层破碎带：深部断层破碎带是地下水主要孕育区，同时断层破碎带围岩质量差，裂隙发育，整体易失稳且支护困难，阻水能力差，导水性强，极易造成严重的突水事故。断层破碎带可通过岩芯特征进行识别。
富水性：丰富的地下水是造成深竖井突水的前提。富水地层由于水的软化作用造成岩体强度降低，变形量增大，渗透性增加，发生突水事故的概率也随之增加。地层的富水性可通过钻井的抽水试验获得相应特征。
突水点：通过测井技术，准确判断突水点，有助于明确突水地层位置。当前可通过多种方法想结合的方式对突水地层进行判别。多种方法同时判别的突水地层判别为高突水点。识别方法包括流体扩散法和温度异常区识别。
其中，流体扩散法具体为：结合流体电阻率特征，淡水的电阻率相对较高(10Ωm)，而盐水的电阻率较低(3.5Ωm)，井液由淡水换成盐水，这时出淡水的位置将显示高阻特征，这就是食盐扩散法确定井中出水位置的基本原理。运用这个方法前要彻底洗井，然后测试清水状态下的流体电阻率，正常情况下这时的流体电阻率是比较稳定的，如果某个位置出咸水，其流体电阻率则会降低出现低阻异常，显然用洗孔后测试的流体电阻率可判定咸水的出水位置。
温度异常区识别具体为：由于水头压力的作用，岩层中的水不会扩展到钻孔内，钻孔内的水温保持稳定。在经过洗孔抽水之后，富水地层中的水将扩展到钻孔中，导致该地层相比于抽水之前温度升高，如果某一地层抽水前后测得的地层温度出现异常升高，可以断定该地层为突水点。
岩层导水性：导水通道是地下水运移的主要路径，不同岩性地层的差异性，决定了地下水运移的速度和流量，导水性强所面临的突水风险越高；导水性差则阻水能量越强，地下水突破隔水层的可能性越小。通过分析岩性特征及隔水层厚度可判断地层导水性。
地应力：地应力较高地层在岩体开挖过程中，由于岩体赋存能量较高，围岩的能量释放造成岩体裂隙扩展面积更广，地下水沿扰动张开裂隙扩散，且地应力较高区涌水压力较大，突水灾害更加严重。地应力的识别可通过深孔水压致裂试验或非线性弹性恢复试验获得。
本发明的上述技术方案的有益效果如下：
上述方案中，解决了当前竖井突水预测方法缺乏且准确度不高的问题。相比于现有的地质分析、钻孔分析技术，本发明采用更加成熟及有效的技术，解决了单一因素分析过程中的偶然性误差，提供了更加全面准确的分析方法，为施工决策提供了可靠的依据，实用性更强。
附图说明
图1为本发明的深竖井工程突水灾害多源信息评价方法流程示意图；
图2为本发明实施例中单层次模型结构示意图。
具体实施方式
为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。
本发明针对当前竖井突水评价单一指标评价出现的预测准确性不足的问题，提供一种深竖井工程突水灾害多源信息评价方法。
如图1所示，该方法包括步骤如下：
(1)建立多元信息评价体系：
基于深竖井突水风险影响的因素及数据获取的难易程度，选取构造裂隙带、断层破碎带、富水性、突水点、导水性、地应力六个影响因素作为评价指标，建立多元信息的评价体系；
(2)对原始指标进行无量纲化：
由于评价指标具有不同的量纲或者评价标准，为根除产生的指标不可公度性、便于计算，按下表1将评价指标进行无量纲化处理：
表1不同评价指标特征取值
(3)计算影响因素的权重：
根据层次分析法比较标度准则，两两因素做比较得判断矩阵：
按方根法求权重，具体过程如下：
①求判断矩阵行积的n次方根：
其中i＝1，2，3，4，5，6，n为阶数；W为特征向量，aij为对于目标元素而言，Ai对Aj相对重要性的数值体现；
②归一化：
其中i＝1，2，3，4，5，6，通过计算得到权重向量Wi＝(0.0420，0.1216，0.2412，0.4571，0.0691，0.0691)T
其中，Wi为影响因素权重系数；
经过计算得到突水各影响因素的权重值如下表2所示：
表2突水影响因素权重
(4)构建突水危险性评价模型：
采用脆弱性指数法对竖井突水风险进行评价，突水指数：
式中：F为突水评价指数；Wi为影响因素权重系数；fi(x,y)为评价指标无量纲的特征值，(x,y)为竖井深度坐标，m为评价指标影响因素个数，m＝6。
其中，步骤(3)中的层次分析法具体为：
1)建立递阶层次结构，采用单层次模型结构(如图2所示)，模型由一个目标C及隶属于它的n个评价元素A1……An和决策者组成。由决策者在这个目标意义下对这n个元素进行评价，对他们进行优劣排序并做出相对重要性的权衡，对两个元素进行优劣程度比较。
采用1～9标度方法(见表3)进行每两元素间的相对比较，构造判断矩阵A＝(aij)max进行计算，求解判断矩阵A的特征根。AW＝λmaxW，计算最大特征根λmax，找出它对应的特征向量W，即为同一层各因素相当于上一层某因素相对重要性的排序权重，然后进行一致性检验。
表3比较标度
根据比较标度两两元素相比，构造判断矩阵。在单层次结构模型中，假定目标元素为C，同与之相连的有关元素A1…An有支配关系。以上一层次目标元素C作为准则，通过向决策者询问在原则C下元素A的优劣比较，构造判断矩阵。
表4判断矩阵
其中aij表示对于C来说，Ai对Aj相对重要性的数值体现，通常aij可取1、2、……、9以及它们的倒数作为标度。
2)λmax和W的计算
一般可采用幂法或根法。根法的计算步骤如下：
i.A的元素按行相乘；
ii.所得的乘积分别开n次方；
iii.将方根向量归一化得排序权重W；
iv.按下式计算λmax
3)判断矩阵的一致性检验
i.计算一致性指标CI
式中：n表示平均判断矩阵的阶数。
ii.计算一致性比例CR
式中：RI表示平均随机一致性指标，由表5查取：
表5评价随机一致性指标
当CR<0.1时，一般认为判断矩阵的一致性可以接受。
步骤(3)中得到突水各影响因素的权重值后，进一步求最大特征值：
式中λmax为最大特征值，A为判断矩阵，W为特征向量，由计算可得λmax＝6.1597。
进而进行一致性检验：
一致性指标
计算一致性比率
符合要求，由此判断矩阵计算出的评价因子权重是比较合理的。
上述方法解决了当前竖井突水预测方法缺乏且准确度不高的问题。相比于现有的地质分析、钻孔分析技术，本发明采用更加成熟及有效的技术，解决了单一因素分析过程中的偶然性误差，提供了更加全面准确的分析方法，为施工决策提供了可靠的依据，实用性更强。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (2)
1.一种深竖井工程突水灾害多源信息评价方法，其特征在于：包括步骤如下：
(1)建立多元信息评价体系：
基于深竖井突水风险影响的因素及数据获取的难易程度，选取构造裂隙带、断层破碎带、富水性、突水点、导水性、地应力六个影响因素作为评价指标，建立多元信息的评价体系；
(2)对原始指标进行无量纲化：
为便于计算，按下表将评价指标进行无量纲化处理：
不同评价指标特征取值
(3)计算影响因素的权重：
根据层次分析法比较标度准则，两两因素做比较得判断矩阵：
按方根法求权重，具体过程如下：
①求判断矩阵行积的n次方根：
其中i＝1，2，3，4，5，6，n为阶数；W为特征向量，aij为对于目标元素而言，Ai对Aj相对重要性的数值体现；
②归一化：
其中i＝1，2，3，4，5，6，通过计算得到权重向量Wi＝(0.0420，0.1216，0.2412，0.4571，0.0691，0.0691)T
其中，Wi为影响因素权重系数；
经过计算得到突水各影响因素的权重值如下表所示：
突水影响因素权重
(4)构建突水危险性评价模型：
采用脆弱性指数法对竖井突水风险进行评价，突水指数：
式中：F为突水评价指数；Wi为影响因素权重系数；fi(x,y)为评价指标无量纲的特征值，(x,y)为竖井深度坐标，m为评价指标影响因素个数，m＝6。
2.根据权利要求1所述的深竖井工程突水灾害多源信息评价方法，其特征在于：所述步骤(1)中突水点识别的方法包括流体扩散法和温度异常区识别。
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