基于信息熵改进TOPSIS分析法的断裂构造危险性评价_詹召伟.pdf

2032023 年第 5 期詹召伟等：基于信息熵改进 TOPSIS 分析法的断裂构造危险性评价 詹召伟等：基于信息熵改进 TOPSIS 分析法的断裂构造危险性评价 基于信息熵改进TOPSIS 分析法的断裂构造危险性评价 詹召伟 王彦敏 高 超（济宁矿业集团有限公司霄云煤矿，山东 济宁 272202）摘 要 为了准确定量化评价断裂构造发育情况，在综合分析研究区地质资料及构造纲要图的基础上，选取断层交端点密度、断层强度指数、断层密度以及断层分维值等四个参数作为定量化评价指标。依据熵权法确定各指标权重后，基于 TOPSIS 模型计算各指标区域得分实现了指标间的信息融合，进而借助 Surfer 软件绘制得分等值线图，最终依据均值标准差分类原则划分了构造发育危险等级。结果表明：研究区存在三个危险区，通过与矿区实际情况对比发现，划分的危险分区与实际危险范围相吻合。关键词 矿井突水；断层定量化指标；危险性评价；熵权法；TOPSIS 分析法中图分类号 TD163 文献标识码 A doi:10.3969/j.issn.1005-2801.2023.05.065Risk Assessment of Fault Structure Based on Information Entropy Improved TOPSIS Analysis MethodZhan Zhaowei Wang Yanmin Gao Chao(Jining Mining Industry Group Co.,Ltd.,Xiaoyun Coal Mine,Shandong Jining 272202)Abstract:In order to accurately determine and quantitatively evaluate the development comdition of fault structures,four parameters,namely the density of fault intersection points,fault strength index,fault density,and fault fractal dimension value,are selected as quantitative evaluation indicators based on a comprehensive analysis of geological data and structural outline maps in the study area.After determining the weights of each indicator based on the entropy weight method,the TOPSIS model is used to calculate the scores of each indicator area to achieve information fusion between indicators.Then,the Surfer software is used to draw the score contour map,and finally,the construction development risk level is divided according to the meanstandard deviation classification principle.The results indicate that there are three danger zones in the study area,and through comparison with the actual situation of the mining area,it is found that the divided danger zones are consistent with the actual danger range.Key words:mine water inrush;quantitative indicators of faults;risk assessment;entropy weight method;TOPSIS analysis method收稿日期 2022-10-20作者简介 詹召伟（1979），男，山东邹城人，2016 年毕业于山东科技大学矿业工程专业，研究生，中国矿业大学博士生在读，高级工程师，现从事煤矿企业综合管理工作，研究方向：矿业工程。詹召伟等：基于信息熵改进 TOPSIS 分析法的断裂构造危险性评价 詹召伟等：基于信息熵改进 TOPSIS 分析法的断裂构造危险性评价 华北型煤田石炭二叠系煤层是我国重要产煤区，该区地质构造复杂，断裂构造广泛发育，严重破坏煤层顶底板岩层的稳定性，使得煤层开采过程中面临多种水害威胁。如何准确评价断裂构造发育程度对实现煤层安全开采具有重要意义1。通过研究发现，一定的构造环境下各种构造的形迹并不是凌乱无章的，而具有某些共同规律。针对以上问题在井田构造纲要图的基础上，选择 4 种断层定量化评价指标构建断层定量化评价模型，依据评价得分等值线图划分构造危险区，从而为煤层安全开采提供指导依据。1 研究区地质概况运河煤矿资源储量丰富，区域内含煤地层主要为山西组和太原组，平均总厚度约 275 m。井田内主要发育四组断层，落差在 10 m 以上的断层 60 条。按照断层性质统计，其中正断层 41 条，逆断层 19条；按照落差统计，其中落差 100 m 的断层 5 条，50 m 落差 100 m 的断层 3 条，20 m 落差 50 m 的断层 22 条，10 m 落差 20 m 的断层 30 条，2042023 年第 5 期此外，井田内还发育落差 10 m 断层 239 条。2 断层定量化主控因素分析断层定量化分析取决于断层自身产状，在综合考虑岩性完整性、断层规模及断层复杂程度后，选取断层交端点密度（DF）、断层强度指数（F）、断层密度（M）、断层分维数（DS）等 4 个评价指标对断层进行定量评价。2.1 断层交端点密度（DF）断层交端点密度是指单位面积内断层端点以及断层交点个数的总和，如式 1 所示。此变量能定量反映单位面积内岩体的完整程度，计算结果值越大单位面积内断层交点与端点越多，岩体的完整性越差，等值线如图 1（a）。DF=（Ni+Ne）/S （1）式中：DF为单个网格内断层交端点密度；Ni为单个网格内断层的端点数；Ne为单个网格内断层的交点数；S 为划分网格单元的面积，km2。由断层交端点密度等值线图可知，等值线图形呈“花瓣”状分布，数值由四周向中间递增，峰值主要出现在井田西北区域，且大部分毗邻“花瓣”状区域之间相互沟通、彼此影响，表明此区域断裂构造发育错综复杂，岩层完整性较弱。2.2 断层强度指数（F）断层强度指数是指井田划分网格区域单位面积内所有断层长度与落差乘积之和，如公式（2）。断层强度指数能够定量描述断层的发育程度，实际意义在于将同一条断层控制在不同方格中，分别从断层的长度和落差两个方面对断层进行定量描述，其值越大说明断层影响范围越大断层越复杂，等值线如图 1（b）。1niiiHLFS=（2）式中：F 为断层强度指数；n 为统计单元内断层总条数；Li为方格内第 i 条断层的延伸长度，km；Hi为方格内第 i 条断层的落差，km；S 为网格单元的面积，km2。由断层强度指数等值线图可知，等值线图呈长条状展布，3 条峰值区主要位于井田中部及南部东侧，分别呈东西、南北方向延伸。2.3 断层密度（M）断层密度是指单位面积内断层的条数，如公式（3）。断层密度能够定量反映断层的复杂程度，其实际意义反映了单位面积内断层的数量，但其不能准确反映断层自身的性质2。断层密度的值越大，断层构造越复杂，等值线如图 1（c）。M=N/S （3）式中：M 为断层密度，条/km2；N 为断层条数，条；S 为统计面积，km2，取值 0.02 km2。断层密度只能在平面上反映研究区某块段断层发育疏密程度，无法准确反映地层剖面位置。由图1（c）可知，等值线高峰区主要集中在井田西北及东南位置。结合井田构造纲要图发现，该区域断裂构造广泛发育，此区域进行生产作业时应加强防范措施，防止突水事故发生。2.4 断层分维值（DS）通过相似维来研究构造网格的复杂程度，相似维计算如式（4）。当 r 0 时，N（r），则定义集合 F（r）为相似维 DS，等值线如图 1（d）。()()SlgdimlimlgN rDF rr=（4）式中：F（r）是 Rn上任意有界非空子集；N（r）为不同长度网格下有断层穿过的条数；r 为所划分的每一个网格的边长，m。由分维等值线图可知，断层分维值区间介于01.3 并呈规律性变化，高值区域主要出现在井田西北侧与东南侧，且东南侧断层发育较为集中，断裂构造发育程度复杂；井田南部西侧区域断层并不发育，分维值较低且集中，构造复杂程度中等。（a）断层交端点密度等值线图（DF）（b）断层强度指数等值线图（F）2052023 年第 5 期詹召伟等：基于信息熵改进 TOPSIS 分析法的断裂构造危险性评价 詹召伟等：基于信息熵改进 TOPSIS 分析法的断裂构造危险性评价 （c）断层密度等值线图（M）（d）断层分维等值线图（DS）图 1 断层定量化专题等值线图3 基于信息熵改进的 TOPSIS 评价模型3.1 信息熵信息熵是一种客观的赋权方法3，如果事件 X可能发生的所有情况为 xi，则定义事件 X 的信息熵H（X），如公式（5）。信息熵本质为信息量的期望值，由公式可看出随机变量信息熵越大，信息量就越小，则该指标对样本的作用越少，也就是分得权重越小。()()()1lnniiiH Xp xp x=（5）()()11ln1,2.;1,2.lnnjijijieppin jmn=（6）dj=1-ej （7）3.2 优劣解距离法优劣解距离法（TOPSIS 法）是由 C.L.Hwang和 K.Yoon 于 1981 年提出的一种综合评价方法，该方法可以利用原始数据的信息，精确反映各评价方案之间的差距4。基本过程为：1）统一坐标类型。假设评价方案中有 n 个需要评价的对象，m个评价指标，将构建正向化矩阵X。11121m21222mn1n2nmxxxxxxxxx|=|X 11121m21222mn1n2nmzzzzzzzzz|=|Z 2）标准化处理。利用式（8）对矩阵 X 标准化，从而消除各指标之间量纲的影响。21/nijijijizxx=（8）3）确定最优、最劣方案。设评价指标最大值向量为 Z+、最小值向量为 Z-以及第 i 个评价对象与最大值、最小值的距离分别为 Di+、Di-。分别计算评价对象与最优方案和最劣方案间的距离，也就是计算研究对象与最大值最小值的距离。最大值向量 Z+：()()1231121n11222n21m2mnm,max,max,max,zzzzzzzzz+=,ZZZZZ 最小值向量 Z-：()()1231121n11222n21m2mnm,min,min,min,zzzzzzzzz=,ZZZZZ 最大值距离 Di+、最小距离 Di-：()21mijijjDZz+=()21mijijjDZz=4）计算得分。依据式（9）和式（10）分别计算出第 i 个评价对象的得分 Si与归一化结果，从而获得各评价对象与最优方案的相对接近程度，以作为评价优劣的依据。iiiiDSDD+=+（9）（10）2062023 年第 5 期4 运河煤矿断层定量化分析评价4.1 数据选择由本文第二节分析可知，在绘制专题等值线图时均使用了正方形网格铺满研究区，其中断层交点密度、断层强度指数以及断层密度所使用的网格尺寸为 200 m200 m，绘制断层分维等值线图所使用的网格尺寸为 400 m400 m。因此，各评价指标的正方形区域并不能统一起来，是以需在 Surfer 软件中将断层分维等值线图栅格化后提取各栅格点Z值，之后将研究区各影响因素评价指标提取数据整理见表 1。表 1 研究区各评价指标数据简表编号中心 X中心 YDFFMDs139 453 280.893 930 533.190.000.000.000.00239 453 480.893 930 533.190.000.000.000.00339 453 680.893 930 533.190.000.000.000.00439 453 880.893 930 533.190.000.000.000.00539 454 080.893 930 533.190.000.000.000.00639 454 280.893 930 533.190.000.000.000.00739 454 480.893 930 533.190.000.000.000.00839 454 680.893 930 533.190.000.000.000.00939 454 880.893 930 533.190.000.000.000.001039 455 080.893 930 533.190.000.000.000.001139 455 280.893 930 533.190.000.000.000.0048239 457 080.893 926 333.1925.004.0325.000.5248339 457 280.893 926 333.190.000.000.000.2048439 457 480.893 926 333.190.000.000.000.004.2 评价指标权重的确定本文所选的断裂构造评价指标虽可从不同角度描述断层发育情况，但各指标之间不能有机融合使得评价结果可信度降低，因此本文依据数据的变异程度确定指标权重。将表 1 代入公式（5）（7），通过 Matlab 软件编写代码计算，运算结果整理得表 2。表 2 断裂构造评价指标权重评价指标断层交端点密度（DF）断层强度指数（F）断层密度（M）断层分维值（DS）权重0.035 30.114 60.164 10.686 04.3 断裂构造发育危险区评价将表 1 数据组成 4845 矩阵，根据各类评价指标实际意义，通过公式 Max-x 及公式（8）对其正向化、标准化处理得到标准化矩阵 Z，之后依据公式（9）（10）计算得分，并绘制区域得分散点图以及评价得分等值线图，如图 2、图 3。已知所有评价指标均已转化成极大型，因此计算得分越大代表此块段越安全。由散点图可知，各区域得分位于 01 之间且分布规律明显，按均值标准差分类原则可将得分 Si划分为三个等级，分别为：危险区（Si 0.35）、中等风险区（0.35 0.6）。图 2 编号得分散点图 因此研究区的构造复杂程度可分为三个等级，划分了三个危险区：危险区、危险区与危险区（图 3）。三个危险区分别位于井田北部范围、横穿井田中部区域以及井田南部东侧位置。与矿井实际情况对比发现，三个危险区均有落差与延展长度较大的大型正、逆断层或者断层群发育，如危险2072023 年第 5 期詹召伟等：基于信息熵改进 TOPSIS 分析法的断裂构造危险性评价 詹召伟等：基于信息熵改进 TOPSIS 分析法的断裂构造危险性评价 区广泛发育南北向断层群，危险区有局部落差大于 100 m 且存在分支的逆断层与各类中小型断层交叉发育，危险区发育横穿井田中部BF11逆断层。图 3 断裂构造发育危险性分区 5 结论1）通过数据自身变异程度赋予各指标权重，避免了单指标评价过程中因片面分析造成误差；利用TOPSIS 分析法计算研究区得分，有效完成了各指标间的信息融合；最终基于信息熵改进的 TOPSIS分析法确定了研究区构造发育等级。2）分析研究区地质概况选定评价指标，进而选择合适赋权方法与评价模型划分开采风险区，最终对安全开采总体态势进行评价。这种模式不仅仅适用于该矿，可进一步推广至其余构造发育的矿区。【参考文献】1 施龙青，曲兴玥，韩进，等.多模型融合评价煤层底板灰岩岩溶突水危险性 J.煤炭学报，2019，44（08）：2484-2493.2 徐文军，张莎莎，吴财芳，等.基于层次分析法的煤储层构造复杂程度定量评价 J.河南理工大学学报（自然科学版），2019，38（02）：20-26.3 郝卫华.基于熵权集对分析法的煤矿安全评价研究 J.中国煤炭地质，2020，32（07）：73-78.4 王超峰，王德龙.基于 TOPSIS 模型的机场网络节点重要度评估 J.数学的实践与认识，2021，51（01）：79-87.4 结论长平矿分选楼捡矸皮带进行智能化煤矸分选系统的安装有效改善了长平煤矿选煤厂手选皮带系统生产工人的工作环境，提高了捡矸过程中的生产安全效率，减轻选煤厂选矸系统的生产压力，减少主洗系统的入洗量，降低设备损耗及能耗，降低煤中带矸率，提高煤矿生产效率和经济效益。采用GPRT 智能分选机器人替代原有人工分选的方式，可实现对煤和矸石的自动识别、自动分拣、自动控制，提高生产效率，增加企业效益，为矿井产能的扩大提供了保障。工业性试验煤中含矸选矸和矸中含煤选煤的情况发现，汇总后选煤的识别正确率达到 96.33%，汇总后选矸的识别正确率达到 97.86%，执行机构采用仿生机械手，机械手开口尺寸为 50450 mm；系统配置处理能力按照 350 t/h 设计，满足最大 200 t/h处理量；通过煤矸识别系统不断学习及控制系统、执行机构相配合，选后矸中带煤（质量百分比）5%，执行机构采用 XYZ 运动的仿生机械手，矸石抓取采用分级气缸保证可靠抓取力度，机械手根据物料来料摆放角度自动调整抓取角度保证抓取的可靠性，执行机构拣选效率达到 95%以上。【参考文献】1 梁兴国，李云峰，李燕.智能干选技术研究应用及发展趋势 J.选煤技术，2019（01）：92-96+102.2 段进东.TDS 智能干选机与重介浅槽分选机的对比应用 J.煤炭科技，2017（02）：145-147.3 武国平，王君振，吉日格勒.TDS 智能干选机带式布料器的受力分析与计算方法 J.选煤技术，2018（06）：75-77.盐、总硬度、氯化物、铁作为水质评价因子，以地下水质量标准（GB/T 14848-2017）为标准进行对比分析。通过对研究区背景调查结果的研究，以及对采样数据的处理分析，根据模糊综合评价数学模型得出以下水质评价结论：研究区奥灰水水质等级为级，化学成分含量高，不宜饮用，其他用水净化使用投入大，不建议使用。【参考文献】1 贾俊杰.宝鸡市地下水开发利用现状分析 J.陕西水利，2022（07）：66-68.2 冯英明，杨帆，杨楠，等.地下水污染治理与防治技术研究 J.能源与环保，2022，44（07）：54-58+66.（上接第 196 页）（上接第 202 页）（下转第 210 页）