三圖雙預(yù)測的計算機生成方法

1、中國煤炭地質(zhì)總局水文地質(zhì)工程地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)勘查院中國煤炭地質(zhì)總局水文地質(zhì)工程地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)勘查院 2012年年12月月15日日 一、研究的目的意義一、研究的目的意義 “三圖-雙預(yù)測法” 是解決煤層頂板涌(突)水災(zāi)害定量評價的重要方 法。三圖是指煤層頂板充水含水層富水性分區(qū)圖、頂板冒落安全性分 區(qū)圖和頂板涌（突）水條件綜合分區(qū)圖。雙預(yù)測是指頂板充水含水層 回采工作面分段和整體工程涌水量預(yù)測。其中涌(突)水條件綜合分區(qū)圖 由富水性和頂板冒落安全性分區(qū)圖復(fù)合疊加而成。這種方法很好地解 決了煤層頂板涌(突)水條件定量評價的問題。 本次研究的主要目的就是利用多源地學(xué)信息復(fù)合技術(shù)實現(xiàn)涌(突)水 條件綜合分區(qū)圖

2、的計算機生成，并應(yīng)用數(shù)值模擬（MODFLOW）技術(shù) 進(jìn)行礦井涌水量預(yù)測。 二、研究內(nèi)容二、研究內(nèi)容 1、廣泛收集有關(guān)資料及書籍，分析研究“三圖-雙預(yù)測法” 理論的原理； 2、分析研究多源地學(xué)信息復(fù)合原理，研究煤層頂板充水 含水層富水性分區(qū)圖、頂板垮裂安全性分區(qū)圖和頂板涌（突） 水條件綜合分區(qū)圖所包含內(nèi)容的數(shù)學(xué)含義及量化方法； 3、研究應(yīng)用GIS多源地學(xué)信息復(fù)合技術(shù)實現(xiàn)頂板充水含 水層富水性分區(qū)圖、頂板冒落安全性分區(qū)圖復(fù)合成果(涌(突)水 條件綜合分區(qū)圖)的計算機生成的方法途徑； 4、研究應(yīng)用數(shù)值模擬（MODFLOW）技術(shù)進(jìn)行涌水量預(yù) 測的方法。 分析研究“三圖-雙預(yù)測法”理論、調(diào)研 分析研究多

3、源地學(xué)信息復(fù)合原理 分析研究“三圖”的數(shù)學(xué)量化方法 編制頂板充水含水層富水性分區(qū)圖和頂板冒落安全性分區(qū)圖 復(fù)合疊加生成涌(突)水條件綜合分區(qū)圖 提交科研報告 研究應(yīng)用多源地學(xué)信息技術(shù)進(jìn)行復(fù)合疊加的方法途徑 研究應(yīng)用Modflow 進(jìn)行涌水量預(yù)測的方法 三、技術(shù)路線三、技術(shù)路線 四、多源地學(xué)信息復(fù)合四、多源地學(xué)信息復(fù)合 多源信息復(fù)合技術(shù):以數(shù)字圖元處理學(xué)為基礎(chǔ)， 綜合了計算機數(shù)字信息、數(shù)學(xué)地質(zhì)、專題地圖等學(xué)科 知識的新地學(xué)信息處理技術(shù)。它的實質(zhì)是采用一種算 法或模式對不同來源的地學(xué)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理與運算，獲 得能夠更好地表達(dá)地質(zhì)體賦存規(guī)律的新的綜合變量。 （一）多源地學(xué)信息復(fù)合基本原理（一）多源地學(xué)

4、信息復(fù)合基本原理 四、多源地學(xué)信息復(fù)合四、多源地學(xué)信息復(fù)合 本次研究利用MAPGIS的空間分析功能，應(yīng)用疊加分 析原理（多源信息復(fù)合技術(shù)）建立生成涌(突)水條件GIS 綜合圖層。 在進(jìn)行復(fù)合疊加之前，首先要確定各單因子圖層評 價因子的分?jǐn)?shù)值，并根據(jù)各單因子圖層對目標(biāo)圖層的貢 獻(xiàn)大小，確定各單因子圖層在復(fù)合疊加中的權(quán)重。 四、多源地學(xué)信息復(fù)合四、多源地學(xué)信息復(fù)合 單因子圖層分?jǐn)?shù)的確定主要是根據(jù)各評價因子的水 文地質(zhì)環(huán)境含義，結(jié)合實際分析，采用專家打分法給出 評價因子的排序和評分值。 （二）單因子圖層分?jǐn)?shù)的確定（二）單因子圖層分?jǐn)?shù)的確定 四、多源地學(xué)信息復(fù)合四、多源地學(xué)信息復(fù)合 （三）單因子圖層權(quán)

5、重的確定（三）單因子圖層權(quán)重的確定 為了增加賦值的科學(xué)性，降低主觀性，本 次采用層次分析法AHP (Analytical Hierarchy Process)來確定評價因子的權(quán)重。 四、多源地學(xué)信息復(fù)合四、多源地學(xué)信息復(fù)合 AHP法的基本步驟 a確定評價目標(biāo)和評價因素集：根據(jù)系統(tǒng)的目的進(jìn)行分析使 之條理化、層次化，構(gòu)造出一個層次分析模型。 b標(biāo)度：在進(jìn)行多因素、多目標(biāo)的地質(zhì)災(zāi)害評價中，既有定性 因素，又有定量因素，還有模糊因素，各因素的重要度不同，聯(lián)系 程度各異。在層次分析中針對這些特點，對其重要度作下定義：第 一，以相對比較為主，并將標(biāo)度分為1、3、5、7、9共5個標(biāo)度，而將 2、4、6、8

6、作為兩標(biāo)度之間的中間值（表1）；第二，遵循一致性原 則，即當(dāng)C1比C2重要、C2比C3重要時，則認(rèn)為C1一定比C3重要。 四、多源地學(xué)信息復(fù)合四、多源地學(xué)信息復(fù)合 c構(gòu)造判斷矩陣：對各因素進(jìn)行逐對比較，依照規(guī) 定的標(biāo)度定量化后，寫成矩陣形式。本次判斷矩陣采 用專家討論確定。 d層次排序和一致性檢驗權(quán)重計算: 排序計算的實質(zhì)是計 算判斷矩陣的最大特征根值和相應(yīng)的特征向量。此外在構(gòu)造 判斷矩陣時，因?qū)＜以谡J(rèn)識上的不一致，須考慮層次分析所 得結(jié)果是否基本合理，因而需要對判斷矩陣進(jìn)行一致性檢驗， 經(jīng)過檢驗得到的結(jié)果即可以認(rèn)為是可行的。 四、多源地學(xué)信息復(fù)合四、多源地學(xué)信息復(fù)合 （四）評價模型（四）評價

7、模型 本次引入涌(突)水條件綜合評價指數(shù)EQ來對涌(突)水條件危 險度進(jìn)行評價。 綜合評價指數(shù)的定義為某一單元上的各種評價因素對涌(突) 水條件危險度的影響總和，可用如下模型描述： 2 1j ijijQ WIE EQ涌(突)水條件綜合指數(shù)； Iij單因子分級評分值； Wij為各個對應(yīng)因子的相對權(quán)重。 五、五、“三圖三圖-雙預(yù)測雙預(yù)測”評價的方法、步驟評價的方法、步驟 本次以龍煤股份鶴崗分公司峻德煤礦水文地質(zhì) 補充勘查項目為例研究“三圖-雙預(yù)測”工作的方法、 步驟。 龍煤股份鶴崗分公司峻德煤礦主采煤層為白堊系地 層中的3#、9#、17#煤層，新近系含水層覆于白堊系地 層之上，為3#、9#、17#

8、煤層的頂板充水含水層。 五、五、“三圖三圖-雙預(yù)測雙預(yù)測”評價的方法、步驟評價的方法、步驟 （一）評價方法及步驟（一）評價方法及步驟 （1）在新近系砂巖孔隙含水層的富水性量化分區(qū)研究基礎(chǔ) 上，編制新近系砂巖孔隙含水層的富水性分區(qū)單因子圖； （2）在進(jìn)行主要開采煤層3#、9#、17#頂板導(dǎo)水裂隙帶發(fā) 育高度的基礎(chǔ)上，進(jìn)行主要開采煤層頂板冒裂安全性分區(qū)，編 制煤層開采頂板冒落安全性分區(qū)單因子圖； （3）分析確定各單因子圖的分值及權(quán)重，并將其賦于各圖 元； （4）應(yīng)用MAPGIS空間分析模塊復(fù)合疊加上述兩個分區(qū)所 有地學(xué)信息，提出煤層開采頂板涌（突）水條件綜合分區(qū)方案， 編制出煤層開采頂板涌（突）水

9、條件綜合分區(qū)圖； （5）應(yīng)用 專業(yè)軟件，對主采 煤層頂板（新近系含水層）涌水量進(jìn)行模擬預(yù)測。 （二）頂板含水層富水性分區(qū)（二）頂板含水層富水性分區(qū) 換算后新近系砂巖孔隙含水層單位涌水量均屬中等富水區(qū)。為了在雙圖三預(yù)測法中能夠更 好的說明多源信息疊加的方法，將中等富水性的基礎(chǔ)上進(jìn)一步劃分為富水性相對強、 富水性中 等和富水性相對弱三個區(qū)。 新近系砂巖孔隙含水層富水性分區(qū)圖新近系砂巖孔隙含水層富水性分區(qū)圖 （三）主要開采煤層頂板冒裂安全性分區(qū)（三）主要開采煤層頂板冒裂安全性分區(qū) 根據(jù)“三圖雙預(yù)測法”理論，頂板冒裂安全性分區(qū)，是指由煤層回采過程中誘 發(fā)的頂板導(dǎo)水裂隙帶加保護(hù)層總高度與煤層至含水層之間

10、覆巖厚度之差進(jìn)行繪制的。 3#煤層頂板冒裂安全性分區(qū)圖煤層頂板冒裂安全性分區(qū)圖 （三）主要開采煤層頂板冒裂安全性分區(qū)（三）主要開采煤層頂板冒裂安全性分區(qū) 9#煤層頂板冒裂安全性分區(qū)圖煤層頂板冒裂安全性分區(qū)圖 （三）主要開采煤層頂板冒裂安全性分區(qū)（三）主要開采煤層頂板冒裂安全性分區(qū) 17#煤層頂板冒裂安全性分區(qū)圖煤層頂板冒裂安全性分區(qū)圖 （四）單因子圖分值及權(quán)重的確定（四）單因子圖分值及權(quán)重的確定 1、評價因子的選取與分值的確定、評價因子的選取與分值的確定 根據(jù)“三圖雙預(yù)測法”的內(nèi)容，選取含水層富水性及煤 層頂板冒落安全性為本次評價的因子。 根據(jù)各評價因子的水文地質(zhì)環(huán)境含義，結(jié)合實際分析， 采用

11、專家打分法給出評價因子的排序和評分值。因子的排序 為含水層富水性、煤層頂板冒落安全性。各因子的評分值見 表9、表10。 （四）單因子圖分值及權(quán)重的確定（四）單因子圖分值及權(quán)重的確定 （四）單因子圖分值及權(quán)重的確定（四）單因子圖分值及權(quán)重的確定 2、各因子的權(quán)重計算、各因子的權(quán)重計算 （1）建立系統(tǒng)的遞階層次結(jié)構(gòu)）建立系統(tǒng)的遞階層次結(jié)構(gòu) 遞階層次結(jié)構(gòu)模型一般分為三層，最上面為目標(biāo)層，最下面為方案層，中間是準(zhǔn) 則層或指標(biāo)層。這種自上而下的支配關(guān)系所形成的層次結(jié)構(gòu)稱之為遞階層次結(jié)構(gòu)。如 圖8。 礦山頂板涌水評價 富水性分區(qū)頂板冒落分區(qū) 煤層頂板涌水條件分區(qū) 目標(biāo)層A： 準(zhǔn)則層B： 方案層C： 圖圖8

12、 層次方案圖層次方案圖 （2）構(gòu)造成對比較矩陣并求最大特征根和特征向量。）構(gòu)造成對比較矩陣并求最大特征根和特征向量。 本次判斷矩陣的最大特征值和特征向量采用近似算法的方根法或和積法計算。 經(jīng)計算，評價因子權(quán)重富水性圖層為0.75，頂板冒落安全性圖層為0.25。 （四）單因子圖分值及權(quán)重的確定（四）單因子圖分值及權(quán)重的確定 3、圖元屬性賦值、圖元屬性賦值 圖元屬性賦值就是將確定的分值及權(quán)重分別賦予的兩個單因子圖相應(yīng)的圖元。 步驟如下： （1）編輯屬性結(jié)構(gòu) （2）分別對“頂板冒落危險性”、“分值”及“權(quán)重”進(jìn)行賦值。 （四）單因子圖分值及權(quán)重的確定（四）單因子圖分值及權(quán)重的確定 4、圖層疊加、圖層

13、疊加 圖11 區(qū)對區(qū)合并分析疊加圖 （四）單因子圖分值及權(quán)重的確定（四）單因子圖分值及權(quán)重的確定 圖12 屬性合并瀏覽圖 （四）單因子圖分值及權(quán)重的確定（四）單因子圖分值及權(quán)重的確定 5、屬性運算、屬性運算 （四）單因子圖分值及權(quán)重的確定（四）單因子圖分值及權(quán)重的確定 （五）煤層開采頂板涌（突）水條件綜合分區(qū)（五）煤層開采頂板涌（突）水條件綜合分區(qū) 圖層疊加及屬性疊加工作完成后，須對疊加成果圖進(jìn)行重新分區(qū)重新分區(qū)。在 表達(dá)式輸入?yún)^(qū)中分別輸入滿足頂板涌水危險性相對大區(qū)、中等區(qū)及相對小區(qū)C值表達(dá) 式，并賦予相應(yīng)的區(qū)顏色代號。 圖圖18 3#煤層頂板涌水條件綜合分區(qū)疊加成果圖煤層頂板涌水條件綜合分區(qū)

14、疊加成果圖 （五）煤層開采頂板涌（突）水條件綜合分區(qū)（五）煤層開采頂板涌（突）水條件綜合分區(qū) 圖圖19 9#煤層頂板涌水條件綜合分區(qū)疊加成果圖煤層頂板涌水條件綜合分區(qū)疊加成果圖 （五）煤層開采頂板涌（突）水條件綜合分區(qū)（五）煤層開采頂板涌（突）水條件綜合分區(qū) 圖圖20 17#煤層頂板涌水條件綜合分區(qū)疊加成果圖煤層頂板涌水條件綜合分區(qū)疊加成果圖 六、主采煤層頂板涌水量預(yù)測六、主采煤層頂板涌水量預(yù)測 本次采用數(shù)值模擬法（Visual Modflow）對主采煤層 （3#、9#、17#）頂板（新近系含水層）進(jìn)行涌水量預(yù)測。 經(jīng)模型運行推算，預(yù)測礦井新近系地下水涌水量約為 2583m3/h。 七、結(jié)語七、結(jié)語 1、分析研究了多源地學(xué)信息復(fù)合及AHP法在“三圖