基于改进博弈论的砂岩含水层富水性评价.pdf
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1、第4期基于改进博弈论的砂岩含水层富水性评价宗伟琴,杨志华(国家能源集团宁夏煤业有限责任公司,宁夏 银川750000)摘要:含水层富水性评价是矿井涌水量预测与水害防治的重要基础。以清水营煤矿为例,选取砂岩等效厚度、砂岩岩性系数、脆塑岩性比、岩芯采取率4 个主控因素,应用模糊层次分析法与坎蒂雷赋权法,结合改进的博弈论确定组合权重,构建了顶板充水含水层富水性预测模型,对直接充水含水层富水性做出分级分区预测。富水性评价结果将研究区划分为弱富水区、中等富水区、强富水区,并与钻孔涌水量资料进行对比验证,富水性分区结果合理。本文采用博弈论方法将模糊层次分析与坎蒂雷法所求得的主客观权重相结合,获取更为准确的评
2、价结果,对研究区煤层上覆含水层富水性进行评价,为矿井超前探放水提供参考依据。关键词:模糊层次分析法;坎蒂雷赋权法;改进博弈论;富水性评价中图分类号:TD262.6文献标识码:B文章编号:2096-7691(2023)04-026-07作者简介:宗伟琴(1973),女,高级工程师,现任职于国家能源集团宁夏煤业有限责任公司,主要从事煤矿地质及水文地质管理工作。Tel:13639583700,E-mail:引用格式:宗伟琴,杨志华.基于改进博弈论的砂岩含水层富水性评价 J.能源科技,2023,21(4):26-32.0引言我国煤矿开采中面临诸多安全问题,其中煤矿突水灾害直接影响到煤炭的安全开采,含水
3、层的富水性评价是水害防治的基础。因此,准确评价顶板含水层富水性对于防治顶板水害具有十分重要的意义 1-2。目前也有一些科研工作者针对煤矿含水层富水性评价进行了相关的研究,因素分析法对济阳煤矿煤顶板砂岩含水层的富水性进行了评价;张开弦3利用模糊层次分析法对祁东煤矿“四含”富水性进行了重新评价分区。在各个研究方法中,关于权重的确定常选取单一方法,其中主观赋权法重视各指标本身的含义,可以体现决策者对不同指标的重视程度,但客观性较差。而客观赋权法具有较强的数学理论依据,但缺少决策者的参与和对实际情况的考虑。本文采用博弈论方法将模糊层次分析与坎蒂雷法所求得的主客观权重相结合,获取更为准确的评价结果,对研
4、究区煤层上覆含水层富水性进行评价,为矿井超前探放水提供参考依据。1研究区地质概况清水营煤矿位于宁东煤田鸳鸯湖矿区北部,研究区呈南北向条带状展布,南北长约10 km,东西宽约6 km,面积约60.132 8 km2。井田内部区域大多被第四系(Q)覆盖,区内地层由老至新发育有三叠系上统上田组(T3s),侏罗系中统延安组(J2y)、直罗组(J2z),侏罗系上统安定组(J3a),白垩系下统宜君组(K1y),古近系渐新统清水营组(E3q)和第四系(Q)。井田内含煤地层为侏罗系中统延安组(J2y),共含煤20 层,其中可采煤层14 层。井田内部构造呈现由南向北的降低趋势,由东向西的单斜结构形态。根据勘探和
5、实际生产揭露,区内发现褶皱2 条,断层36 条。正断层走向以近NE向为主,逆断层以近NW向占优。褶曲构造轴线延展方向多为NE向。煤层上覆主要含水层有第四系孔隙潜水含水层、白垩系砾岩裂隙孔隙层间承压含层、侏罗系碎屑岩裂隙孔隙承压含水层,主要含、隔水层分布如图1所示。直罗组是煤层开采的直接充水含水层,影响煤矿的安全生产,因此将直罗组含水层作为富水性评价的主体。2含水层富水性控制因素通过分析研究区相应基础数据资料发现,清水营矿区地处鄂尔多斯盆地,内部构造活动较弱,构造不第21卷 第4期Vol.21No.42023年8月Aug.2023第4期发育,沉积环境是控制该地区地层中含(隔)水层空间分布与含水层
6、富水规律的主要因素,因此在指标的选取中主要考虑岩性对富水性的影响。本文将砂岩等效厚度、砂岩岩性系数、脆塑岩性比、岩芯采取率作为判别指标,对含水层的富水性做出预测。2.1砂岩等效厚度(X1)砂岩厚度作为含水层富水性评价的主要指标之一4-5,其厚度越大富水性越强。目前的富水性评价研究中,只是简单地将含水层内砂岩厚度相加,而没有考虑砾岩、粗、中、细砂岩的孔隙度及渗透性差异,导致结果与实际情况相差较大。本研究采用砂岩等效厚度(X1),使各层砂岩真实厚度乘以其相应的等效系数,具体公式为:L砂=a L砾+b L粗+c L中+d L细(1)式中:L为各砂岩层厚度,a、b、c、d分别为各砂岩层等效系数,按照覆
7、压下岩石孔隙度和渗透率测定方法“SY/T 63852019”标准对研究区直罗组不同粒度砂岩孔隙度进行了测定,见表1。以粗砂岩为基准(约定为1),折算砾岩、粗、中、细砂岩的等效换算系数,计算结果为a=1.2,b=1,c=0.8,d=0.6。表1直罗组砂岩层孔隙度分析统计岩性砾岩粗砂岩中砂岩细砂岩样本孔隙度/%No.124.8520.7116.5712.43No.230.1425.1220.1015.07No.330.1925.1620.1315.10No.429.2124.3419.4714.60平均值/%28.6023.8319.0714.30等效系数1.201.000.800.602.2砂岩
8、岩性系数(X2)砂岩岩性系数(X2)是砂岩的实际厚度与研究范围直罗组厚度的比值,该比值越大,说明该段岩层中砂岩占比越高,富水性越强。C=HSH(2)式中:HS为顶板砂岩总厚度;H为顶板直罗组总厚度。2.3脆塑岩性比(X3)在顶板岩层中,砂岩所占比例越大则富水性能越强,泥岩所占比例越大,则富水性能越弱,脆塑岩性比就是顶板中脆性岩体与塑性岩体的厚度之比,脆塑岩性比越大则富水性越强,脆塑岩性比越小则富水性越弱。所以脆塑岩性比与富水性为正相关关系。2.4岩芯采取率(X4)岩层的孔隙、裂隙为地下水的赋存提供了重要空间,选取岩芯采取率(p)能够直观地反映岩体完整程度,了解裂隙发育程度。岩芯采取率越高,说明
9、岩层越完整,其中裂隙发育越少,富水性就越弱,故岩芯采取率和富水性成负相关。以上4种评价指标可用于井田内含水层富水性整体分析评价,将各指标的数值进行标准化后绘制等值线,如图2所示。利用等值线填充颜色的深浅对各指标在井田范围内的变化趋势进行呈现,直观反映出该区含水层富水性的相关特点。对各富水性评价因素等值线(采用WGS1984坐标系统,图2中横纵坐标为经纬度)进行分析,砂岩等效厚度如图2(a)所示,在井田中部较大,尤其是中南部区域,东西两侧较小,表明砂岩等效厚度总体反映出井田范围内砂岩的孔隙度和渗透性处于中等偏下水平;砂岩岩性系数如图2(b)所示,总体位于0.3以下,仅在井田中部偏北处有一较小范围
10、的明显增大区域,说明井田总体范围内直罗组中砂岩占比不大;井田范围内脆塑岩性比如图 2(c)所示,大部分分布在 0.50.9,西南和东北处较小,比值在0.5以下,说明顶板中砂岩代表的脆性岩体较泥岩代表的塑性岩体来说赋存占比大;岩芯采取率如图 2(d)所示,总体偏小,绝大部分区域在0.2以下,仅在井田北端和南端较大,总体来说,岩体发育完整程度较低,裂隙发育较多。综上所述,对砂岩等效厚度、砂岩岩性系数、脆塑岩性比、岩芯采取率4个影响因素分别评价可知井田内直罗组含水层富水性较好。宗伟琴等:基于改进博弈论的砂岩含水层富水性评价地层单位界系统组地层厚度/m主要含、隔水层组新生界第四系中生界白垩系侏罗系下统
11、中统下统志丹群安定组直罗组延安组9.2123.6252.7454.840.9136.189228.634.5153.4第四系(Q)孔隙潜水含水层白垩系下统志丹群(K1zh)孔隙承压含水层侏罗系中统安定组(J2a)孔隙隔水层侏罗系中统直罗组(J2z)孔隙承压含水层组2-2煤(3:6-10:4)侏罗系中下统延安组(J1-2y)孔隙承压含水层图1主要含、隔水层分布27第4期10.80.60.40.20N10.80.60.40.20N01 0002 000 m01 0002 000 m0.20.40.40.20.40.40.40.60.70.30.30.20.20.40.40.60.60.80.80.
12、30.20.60.40.20.30.30.20.10.1(a)砂岩等效厚度(b)砂岩岩性系数10.80.60.40.20N10.80.60.40.20N01 0002 000 m01 0002 000 m0.40.20.30.20.60.80.60.40.30.10.10.20.70.50.80.70.60.70.80.70.60.80.70.50.1(c)脆塑岩性比(d)岩芯采取率图2直罗组含水层富水性单因素评价3评价指标权重的确定国内外学者确定权数方法的研究可归结为主观与客观赋权两类,其中主观赋权法包括层次分析法、专家咨询法等;客观赋权法包括熵值法,主成分分析法等。主观赋权是专家根据经验和
13、专业积累进行判断计算出权重值,这类方法解释性强,缺点是透明性差,具有主观随意性;客观赋权是根据指标的实际值和标准值运用统计方法计算获得权值,优点是客观性强,不依赖人的主观判断,但是解释性差。本文采用博弈论的方法将主观模糊层次分析法所得权重与客观坎蒂雷赋权法所得权重相结合分析,以得到更为准确的评价结果。3.1基于模糊层次分析法(FAHP)确定权重层次分析法AHP是一种综合定量与定性分析的系统分析方法,其检验判断矩阵的一致性非常困难。模糊层次分析法(FAHP)引入模糊数改进层次分析法,元素之间两两比较时,采用一个元素比另一个元素的相对重要程度进行量化,从而建立了模糊判断矩阵,提高了决策的可信性6-
14、8。3.1.1建立分析模型将决策目标、中间层要素、备选方案绘制层次结构,如图3所示。含水层富水性含水层厚度含水层岩性含水层岩体完整性砂岩等效厚度C1砂岩岩性系数C2脆素岩性比C3岩心采取率C4图3含水层富水性模糊层次分析结构3.1.2建立模糊一致矩阵上一层某元素C和下一层元素a1,a2,an之间的关系可用模糊一致判断矩阵表示,请相关专家对各因素进行相互比较分析,采用专家评分法,对模型的相邻层次依照0.10.9标度进行两两打分,从而建立相应模糊一致判断矩阵。表2中,给出各因素重要程度的先后排序和相应分值。表2模糊标度及其含义标度0.50.60.70.80.9反之,取差定义同等重要稍微重要明显重要
15、重要得多极端重要反比较说明两元素重要性相同一元素比另一元素稍微重要一元素比另一元素明显重要一元素比另一元素重要的多一元素比另一元素极端重要若元素ai与元素aj相比较得到判断rij,则元素aj与元素ai相比较得到的判断为rij=1-rij当rij=0.5时,两因素相比同等重要;当rij 0.1,0.5)时,因素xj比xi重要;当rij(0.5,0.9 时,因素xi比xj重要。评价中准则层的模糊判断矩阵B表示如下:B=|0.50.60.40.40.50.30.60.70.5(1)指标层中C2、C3为B2的两个子集,需对其建立模糊判断矩阵C:28第4期C=|0.50.70.30.5(2)3.1.3确
16、定各因素权重通过国内外众多学者的大量研究最终得出求解模糊一致判断矩阵权重的公式为:i=ni=1rij+n2-1n()n-1(3)利用式(3)对模糊判断矩阵进行计算,求出准则层影响因素B1、B2、B3的权重矢量WB*,指标层中影响因素C1、C2的权重矢量WC*。WB*=(0.333,0.284,0.383)TWC*=(0.6,0.4)T3.1.4模糊矩阵一致性检验通过计算模糊一致判断矩阵R与一致判断矩阵的特征矩阵D*=Dijn n的兼容性指标I(R,D)*进行,当I(R,D)*t时,说明模糊一致判断矩阵R满足一致性要求,反之则需要进行相应调整,直至模糊一致判断矩阵满足一致性要求。其中,t值大小取
17、决于决策者的态度,决策者对一致性要求越高则t值越小,本文t值取0.19。其中:Dij=DiDi+Dj(4)I(R,D*)=1n2ni=1nj=1|rij-Dij(5)利用式(4)可以求出模糊矩阵B、C与其相对应的特征矩阵WB*,WC*。W*B=|0.5000.5400.4650.4600.5000.4620.5350.5740.500,W*C=|0.50.60.40.5利用式(5)求出模糊判断矩阵B、C所对应的特征矩阵WB*,WC*之间的兼容性指标:I(B,WB*)=0.056,I(C,WC*)=0.05,经过计算可以发现,模糊判断矩阵B、C与其相对应的特征矩阵之间的兼容性指标均低于标准值0.
18、1,表明两模糊判断矩阵均符合一致性检验。从而最终确定各主控因素权重矢量为:W1*=(0.333,0.171,0.114,0.383)T3.2基于坎蒂雷法的各因素权重坎蒂雷赋权法认为权数与合成值之间的相关系数具有一定的比例关系,所以应该按照变量与合成值之间的相关程度来确定各变量权重值。即Xi的权数W同X与综合指标O:O=WX(6)之间的相关系数cor(Xi,O)是成比例的,即:Wcor(X,O)(7)因此,与综合指标 Y 相关性越高评价指标应该赋予更大的权数,反之则赋予较小权数10。根据该假设,矩阵ZS的最大特征根所对应的最大特征矢量即指标X1,X2,Xn的权数,其中Z为所有指标的相关系数矩阵,
19、S 为所有指标标准差所组成的对角矩阵,对W进行归一化处理,即可得到各指标的归一化权数11。WK=Kni=1i(8)3.2.1建立实测数据矩阵对各钻孔各因素实测数据进行统计处理,得到实测数据矩阵,见表3。表3直罗组含水层富水性各影响因素数据钻孔2072082093093111205120612071208130513081309140514061407Q102Q204Q205Q303Q304Q305Q306Q307Q404C1116.3666.08129.52224.57128.9386.97203.6271.6676.2197.72155.91107.45261.97263.1560.4856
20、.33100.26247.6772.43120.66128.3355.40158.61169.66C20.340.230.420.560.360.500.630.480.340.360.470.300.930.920.170.850.660.930.830.630.610.230.530.74C30.520.300.711.260.561.021.710.940.530.560.890.4414.2711.530.215.851.9513.844.751.681.560.301.132.78C40.750.780.660.800.820.680.300.710.830.800.830.760.
21、600.740.650.780.810.880.830.770.840.590.670.63钻孔Q405Q406Q407Q408Q502Q503Q504Q506Q507Q508Q602Q603Q604Q605Q606Q607Q608Q702Q703Q704Q705Q706Q707Q708C12.140.400.350.380.850.640.680.220.330.430.840.650.720.290.410.250.260.520.650.650.340.390.270.11C22.760.880.840.881.451.201.230.620.750.931.721.211.420.69
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