滇东北岩溶大水深部矿山突水危险性评价研究.pdf

第3 2 卷增刊12023年6 月文章编号：10 0 4-40 51(2 0 2 3)S1-0440-07滇东北岩溶大水深部矿山突水危险性评价研究中国矿业CHINA MINING MAGAZINED0I:10.12075/j.issn.1004-4051.20230338Vol.32,Suppl 1June2023孙帮涛（彝良驰宏矿业有限公司，云南昭通6 57 6 0 0）摘要：针对岩溶环境中注浆惟幕改造后的大水矿山突水危险性评价问题，提出了一种层次分析法（A H P)-熵权法（EWM)的突水综合评价模型，结合主客观权重方法，应用于西南岩溶大水矿山开采突水风险评价。选取7 个因素构建了突水评价指标体系，采用AHP和EWM分别计算突水评价指标的主客观权重。结合突水评价指标权重，采用GIS绘制突水危险性分区图。结果表明，该模型可以将研究区突水危险性划分为4个等级，与现场的对比中发现突水点的分布与突水分区一致，准确性较高。该模型可以为岩溶含水层矿体开采突水危险性评价提供新思路。关键词：突水；金属矿山；层次分析法；熵权法；危险性评价中图分类号：TD745Study on the risk assessment of water inrush of karst deep mines(Yiliang Chihong Mining Co.，Lt d.，Zh a o t o n g 6 57 6 0 0,C h in a)Abstract:In response to the issue of water inrush risk assessment in large water inrush mines after groutingcurtain renovation in karst environments,combined with subjective and objective weight methods,this paperproposed a comprehensive water inrush evaluation model using analytic hierarchy process（A H P)a n dentropy weight method(EWM),which is applied to the risk assessment of water inrush in mining largewater inrush mines in Southwest China.7 factors are selected to construct a water inrush evaluation indexsystem.The subjective and objective weights of water inrush evaluation indicators are calculated using AHPand EWM,respectively.Combined the weight of water inrush evaluation indicators,the GIS is used to draw awater inrush risk zoning map.The results indicate that the model can classify the risk of water inrush in thestudy area into four levels.In comparison with the field,it is found that the distribution of water inrushpoints is consistent with the water inrush zoning,with high accuracy.This model can provide a new approachfor evaluating water inrush during mining of karst aquifers.Keywords:water inrush;metal mines;analytic hierarchy process;entropy weight method;riskassessment0引言我国滇东北地区分布着许多不同规模的地下金属矿床，并且近6 0%的矿床分布在岩溶含水层中。在这些矿床的深部开采过程中，高势能突水灾害一文献标识码：Ain Northeast Yunnan,ChinaSUN Bangtao直是困扰矿山安全生产的重大威胁，常常造成严重的人员伤亡和经济损失1。因此，岩溶大水矿山在深部开采过程中开展突水风险评价是矿山安全生产的重要环节。在岩溶含水层突水机理、突水通道形收稿日期：2 0 2 3-0 4-2 1作者简介：孙帮涛（198 8 一），男，云南彝良人，地质工程师，主要从事矿山水文地质及矿山水害防治、矿山管理方面的研究与实践工作，E-mail：。引用格式：孙帮涛.滇东北岩溶大水深部矿山突水危险性评价研究J.中国矿业，2 0 2 3，3 2（S1）：440-446.SUN Bangtao.Study on the risk assessment of water inrush of karst deep mines in Northeast Yunnan,ChinaJJ.China Mining Magazine,2023,32(S1):440-446.责任编辑：宋菲增刊1成、突水主要控制因素和突水水源方面，国内外众多学者采用模型实验、数值模拟、理论推导和地质勘探等方法应用于矿山突水危险性评价中。其中，突水系数法作为衡量是否发生突水的标准，被广泛用于煤矿底板突水危险性评价中2-4。然而，这种方法考虑的因素较少，无法满足复杂地质条件下突水风险的精准预测和评价。近些年来，在矿山突水危险性评价中增加了考虑多参数的方法，以提高突水风险评价的准确性。例如，HU等5 将AHP和EWM相结合，构建了突水预测模型来评估丘集煤矿某工作面的突水风险；LI等6 提出了一种将GIS和数学方法相结合的脆弱性指数法；LI等7 提出了一种改进的主成分回归分析模型，分析了某煤矿奥陶系岩溶含水层的突水危险性。此外，还有许多其他数学方法应用于突水风险评估，如证据理论、集对分析、物元分析、层次分析、权分析法等。尽管上述方法对突水评价有一定贡献，但这些方法仍有其局限性8-10 采用层次分析法和嫡权法相结合的手段构建突水评价模型，以滇东北毛坪铅锌矿为例，选取突水评价指标，确定突水指标的主客观权重，构建综合赋权3.5980003598.5003.046500P,F3.046000P3045500F13F433045000F38二选系上统峨P,眉山玄武岩组D泥盆系3044500P下二叠统茅口栖霞组图PI下二叠统梁山例组C石炭系C下石炭统万寿3044000山组359800035985001.2惟幕注浆工程简介随着开采向深部延伸，矿坑涌水量和突涌水风险不断增大，为确保矿山的安全生产和可持续发展，孙帮涛：滇东北岩溶大水深部矿山突水危险性评价研究的水害管控能力和水平。1 工程背景1.1地质及水文地质条件毛坪铅锌矿位于四川盆地与云贵高原巨大梯级地形的高原河谷剧烈切割地带，矿区出露的地层有泥盆系上统宰格组，石炭系丰宁统、威宁统，二叠系下统、二叠系上统峨眉山玄武岩及第四系。矿区地下含水层受石门坎背斜和构造的影响，呈“八”型分布，富水性不均一。矿区含水层主要由二叠系栖霞茅口岩溶裂隙含水层、石炭系威宁和丰宁岩溶裂隙含水层、上泥盆系宰格组岩溶裂隙水含水层、下二叠系梁山组构造裂隙含水层和下石炭系万寿山组构造裂隙含水层组成（图1）。3 个岩溶裂隙含水层的平均单位入水量分别为2.6 8 L/（s.m）、0.0 6 L/（s m）和0.50 L/（s m），表明其具有富水、中水和贫水的序列。梁山组和万寿山组构造裂隙含水层由于渗透性和富水性较差，被视为相对隔水层。矿体分布于石门坎背斜西翼，主要赋存与石炭系威宁组和上泥盆系宰格组地层中。35990003599500F20F367PF249实测推测断层及编号强富水性含水层地层整合/假整合界线中等富水性含水倒转背斜层弱富水性含水层相对隔水层3599000Fig.1Hydrogeological conditions of the study area441的突水评价模型，并进行突水危险性区域划分，旨在指导金属矿山的安全生产，提高岩溶大水金属矿山35400000035400500P，F4783F13下36F185F31415F53CFCF42F51359950035400000354005005001 000m图1研究区水文地质条件基于突水致灾危险源主动防控的理念，在矿区南侧和北侧实施了惟幕注浆工程。在矿区南侧和北侧实施了惟幕注浆工程（图2）。惟幕注浆工程自2 0 1935401000354015003.046500￥15F16F5049P39F4926F10花F34D82F19822335 401 000304600030455001272F26CF25823P353044.50080F19F223044000354015003045000442年设计完成至2 0 2 2 年完成施工，共历时4年。目前，惟幕注浆的初步估算堵水率已经超过了设计要P本7-17 0水8-12BK01水地！水地6图例口水文观测孔一实测断层C推测断层乙注浆惟幕矿希比例尺0100200mFig.2 Design and construction photos of grouting curtain in the southern and northern of Maoping lead-zinc mine2突水指标体系选取区域注浆惟幕施工完成后，对矿区的原始水文地质结构形成了较大的影响，也必然对矿山深部开采的突水危险性构成较大的影响，所构建的评价指标体系如图3 所示。每个评价指标的分布范围划分为四个等级，具体的划定范围和临界值见表1。其中，断层导水性C1按14级依次划分为隔水断层、弱导水断层、中等导水断层、强导水断层,其中断层的导水性越强等级越高；单位面积断层条数C2按14级划分为0条、1条、2 条、2 条，其中单位面积断层条数越多等级越高；含水层富水性C3按14级依次划分为20 m/h、2 0 50 m/h、50 8 0 m/h、80m/h,其中单位涌水量越大等级越高；隔水层厚度C4按14级依次划分为40 m、3 0 40m、10 3 0 m、10 m，其中隔水层厚度越小等级越高；隔水层隔水能力C5按14级依次划分为0.1 Lu、0.1 1.5 Lu、1.5 4030400.10.11.52.02.01.5第3 2 卷670-118-1BK11OG5(b)井下注浆惟幕施工其中压水试验吕荣值越大等级越高；水压C6按14级依次划分为0.5MPa、0.5 1.5MPa、1.5 2.5MPa、2.5MPa,其中水压越大等级越高；排水能力匹配度C7按14级依次划分为2.0、2.0 1.5、1.5 1.0、1.0,其中匹配度越小等级越高。水文地质条件B2抗灾能力B33中等导水断层2508010301.52.51.52.51.5280102.52.51.02a,CI,增刊13突水评价模型构建3.1AHP评价模型步骤AHP确定主观权重的步骤：构建层次结构模型；构造判断矩阵；权重向量和一致性指标。1）构建层次结构模型。按照因素间关联、影响以及隶属关系将因素按不同的层次聚集组合，形成一个多层次的分析结构模型。2）构造判断矩阵。记准则层元素所支配的下一层次的元素为U1U，,U.，决策者比较两个元素U:和U；那一个更重要，形成判断矩阵A=(ai)nxna,0,aj=1/aij.aa=1。3）权重向量和一致性指标。设=（1，W2，,）T 是n阶判断矩阵的排序权重向量，当A为一致性判断矩阵时，计算公式见式（1）。1(11A=：W1用w=(Wi,w2，,w)T乘式(1),得到Aw=nw,表明为A的特征向量,且特征根为n。如果A是一致的互反矩阵，见式（2）。aijak=ak若判断矩阵A不具有一致性，此时的特征向量w就不能反应Ui,U2，,U，在目标中所占的比重，定义衡量不一致程度的数量指标，见式（3）。CI=Amx 二 nn一1对于具有一致性的正互反判断矩阵来说,CI=0。由于仅依靠CI值作为A是否具有满意一致性的标准是不够的。为此，引进了平均随机一致性指标RI,对于n=1,RI的取值见表2。表2 平均随机一致性指标对照表Table 2Comparison table of average randomconsistencyindicators指标值矩阵阶数123456789RI0定义 CR=CI/RI,当CRB3B2。由此可见，构造发育特征B1对突水危险性的评价结果起到了十分重要的影响。在三级指标层C中，断层导水性C1的权重计算值为0.17 9 6 5,单位面积断层条数C2的权重计算值为0.3 59 3 1，含水层富水性C3的权重计算值为0.0 7 19 4，隔水层厚度C4的权重计算值为0.0 3 0 3 9，隔水层隔水能力C5的权重计算值为0.0 453 4，水压C6的权重计算值为0.0 16 11,排水能力匹配度C7的权重计算值为 0.2 9 7 2 6,即 C2C7C1C3C5C4C6。由此可见,单位面积断层条数C2、排水能力匹ZP,InP:1nn1(6)(7)444配度C7以及断层导水性C1是影响惟幕注浆完成后矿山突水危险性大小的最重要的3 个指标。表3 基于AHP评价方法的各评价指标对应总目标的权重Table 3Weights of each evaluation indicator correspondingto the total objective based on AHP evaluation methodA/CiB1/0.53896B2/0.16378B3/0.29726C10.333 33C20.66667C3C4C5C6C74.2基于EWM的客观权重计算根据所建立的评价指标体系，基于研究区的实测数据，采用EWM方法进行值E的计算。熵值E的分布可以在客观程度上反映数据的分布情况，熵值E越大说明系统越混乱，携带的信息越少，熵值E越小，说明系统越有序，携带的信息越多。研究区的值计算结果如图4所示。由图4可知，断层导水性C1的值为0.9 8 0 1、单位面积断层条数C2的熵值为0.9 8 14、含水层富水性C3的熵值为0.9796、隔水层厚度C4的熵值为0.9 8 7 7、隔水层隔水能力C5的熵值为0.9 7 7 4、水压C6的熵值为0.9787、排水能力匹配度C7的熵值为0.9 8 7 6。整体的分析结果表明，熵值的分布范围在0.9 7 7 40.9877之间，熵值最小的是隔水层隔水能力C5，熵值最大的是隔水层厚度C4。基于EWM的客观权重的计算结果见表4。1.000.990.980 10.981 4 0.979 60.980.970.960.95C1Fig.4Entropy calculation results4.3综合权重计算AHP评价模型所得到的是评价指标的主观权重，EWM评价模型所得到的是评价指标的客观权重，为了有效地避免两种权重计算方法单独计算所带来的计算偏差，本次利用AHP-EWM耦合评价中国矿业模型对两种赋权方法的计算结果进行综合，采用的方法是“加法集成法”，见式（8）。W,=a;+(1-)b;,(01)式中：W，为第i个评价指标的综合权重；a；为AHP评价模型所得到的主观权重；b；为EWM评价模型W/(A/Ci)排序0.179 6530.359 3110.439240.071940.185540.030390.276860.045340.098 360.016 110.297260.297260.98770.987 60.977 4 0.978 7C2C3评价指标图4焰值计算结果第3 2 卷(8)所得到的客观权重，为比例系数，取值范围为0 1，具体的取值依赖于决策者对两种评价方法的偏好。此次对毛坪铅锌矿惟幕注浆后各个中段的突水4危险性评价对主观和客观权重的偏好一致，因此本6次阶段报告中的取值为0.5，即取两种评价模型5所计算得到权重的算术平均值，最终的计算结果见72C4C5表4。4.4突水危险性区域划分基于AHP-EWM耦合模型的突水危险性分区如图5所示，按照四级分区标准整体划分为安全区、相对安全区、相对危险区、危险区。表4突水评价指标综合权重计算结果Table 4 Calculation results of comprehensive weights ofwater inrush evaluation indicators评价指标W,(AHP)Wj67o(EWM)断层导水性C10.17965单位面积断层条数C20.35931含水层富水性C30.07194隔水层厚度C40.03039隔水层隔水能力C50.04534水压C60.016 11排水能力匹配度C70.29726C6C7W670(AHP-EWM)0.15620.167 90.14610.25270.16020.11610.09620.06330.177 10.111 20.16680.091 50.09730.197 3图例安全区相对安全区相对危险区危险区图5基于AHP-EWM耦合模型的6 7 0 m中段突水危险性分区图Fig.5Zoning map of water inrush risk in the 670 msection based on the AHP-EWM coupling model增刊1从图5可以看出，6 7 0 m中段中心区域的绝大部分为安全区，危险性从南向北逐渐过渡为相对安全区、相对危险性、危险区。安全区分布在6 7 0 m中段的中心位置，大致和该中段的排水疏干降落漏斗的范围一致，大致呈上宽下窄的椭圆形，南北向的长度约为7 0 0 8 0 0 m东西向的长度为40 0 8 0 0 m，经过测量6 7 0 m中段安全区的面积约为53 6 6 7 4.55m，占比为49.0 1%。在安全区域内分布的南北向和东西向的断层的导水性在该中段的导水性明显减弱，主要开采的矿体也分布在安全区内。安全区域的四周逐渐过渡为相对安全区，大致呈圆环型分布在安全区的四周，圆环北窄南宽，宽度为7 0 3 0 0 m,经过测量相对安全区的面积约为40 9 40 6.2 5m，占比为37.39%。相对危险区主要分布在矿区北侧，呈条带状，东西向贯穿分布，此外矿区最南侧也呈半圆状零星分布，主要分布在二叠系地层中，经过测量，相对危险区的面积为10 2 3 44.0 4m，占比为9.3 5%。危险区位于矿区6 7 0 m中段的西北角，主要分布在二叠系地层中，经过测量危险区的面积为46 6 19.6 6 m，占比为4.2 6%。安全区、相对安全区、相对危险区、危险区的面积分布和占比如图5所示。通过图6 分析可知，幕注浆后矿坑水的补给路径变长，补给强度变弱，补给量减少，加之深部中段的逐渐开拓，深部排孙帮涛：滇东北岩溶大水深部矿山突水危险性评价研究536 674.5550000049.01%409 406.2540000037.39%200000102.344.04,100 0009.35%-46.619.664.26%0安全区相对安全区相对危险区危险区图6 突水危险性分区面积和占比Fig.6Area and proportion of water inrush risk zoning4.5模型验证为了验证突水危险性分区评价结果，开展了现场调研工作，分别为安全区、安全区、相对危险区和相对危险区。其中，主要的出水点均位于评价结果中的相对危险区内。由此可见，上述情况与研究区突水危险性分区评价结果较为吻合，可以为提供矿山防治水工作的重要指导作用，如图7 所示。445水疏干的强度加强，排水疏干造成的降落漏斗的范围较之前有所增大。因此，需要加强幕稳定性和抗渗性的监测和评价，以及深部中段的排水能力提升，是确保矿山深部资源安全高效开采的重要控制性因素。600 000670m中段各分区面积7 660-670m中段各分区占比5%9503020100(a)安全区5结 论1）通过分析矿山惟幕注浆完成后影响突水危险性的主动因素，构建了层级结构评价模型，主要包含3 个二级指标和7 个三级指标。二级评价指标分别是构造发育特征B1、水文地质条件B2及抗灾能力B3。三级评价指标分别是断层导水性C1、单位面积断层条数C2、含水层富水性C3、隔水层厚度C4、隔水层隔水能力C5、水压C6、排水能力匹配度C7。(b)相对危险区图7 现场实地调查图Fig.7Field investigation images2）基于AHP评价方法，得到了各级评价指标的主观权重Wi，结果表明构造发育特征B1的权重计算值为0.53 8 9 6，水文地质条件B2的权重计算值为0.16 3 7 8,抗灾能力B3权重计算值为0.2 9 7 2 6，即B1B3B2；三级评价指标的排序为C2C7C1C3C5C4C6。由此可见，单位面积断层条数C2、排水能力匹配度C7以及断层导水性C1是影响幕注浆完成后矿山突水危险性大小的最重要的3 个指标。(c）相对危险区4463）整体分析可知，单位面积断层条数C2在每个中段都是综合权重最大的指标，是影响突水危险性最重要的指标。由此可见，在惟幕注浆施工完成以后，在深部开采的工程中需要加强导水构造的探查和治理，才可以充分保证注浆雌幕的有效性和对深部开采突水危险性起到有效地控制作用。参考文献1韩久方，柳昭星，王皓.深井高承压水工作面底板注浆效果及突水危险性分析 J.煤炭技术，2 0 2 3 42（4）：12 2-12 6.HAN Jiufang,LIU Zhaoxing,WANG Hao.Analysis on floorgrouting effect and water inrush risk in coalface of deep wellwith high confined aquiferJJ.Coal Technology,2023,42(4):122-126.2 付开隆，周羽，韦正雄.贵南高铁朝阳隧道出口平导6.10 突水突泥事件分析 J.中国岩溶，2 0 2 2，41（6）：8 9 5-9 0 4.FU Kailong,ZHOU Yu,WEI Zhengxiong.Analysis of 6.10water and mud inrush incident in the exit of parallel pilot tun-nel of Chaoyang tunnel of Guiyang-Nanning 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