謝治剛 ，孫 貴 ，隨峰堂 ，許光泉 ，張海濤 ，卜 軍 ，詹 潤

（1.安徽省煤田地質局勘查研究院, 安徽 合肥 230088；2.安徽理工大學 地球與環(huán)境學院，安徽 淮南 232001）

0 引 言

我國華北煤田石炭-二疊紀煤系底板普遍發(fā)育巨厚奧陶系灰?guī)r，由于高承壓、強富水、巖溶發(fā)育不均一的特點，對上部煤層的開采構成極大的威脅[1-2]。為解放受底板巖溶水害威脅的深部煤炭資源，冀中能源集團以地面多分支近水平定向鉆探技術為依托，提出了“區(qū)域超前治理”的奧陶系巖溶水害治理理念及指導原則[3-4]，形成了地面區(qū)域治理關鍵配套技術[5-9]，在華北煤田得到廣泛推廣應用。

近年來，隨著A 組煤層的開采及開采深度的日益增加，兩淮煤田面臨底板巖溶水害的威脅日益加重，多個礦井采用地面區(qū)域治理的方法對底板巖溶水害進行治理，取得不錯的治理效果[10-17]。兩淮煤田地面區(qū)域治理的思路是：對A 組煤層與奧陶系灰?guī)r之間富水性相對較弱的太原組灰?guī)r進行注漿加固改造，阻斷富水性較強的奧陶系灰?guī)r的突水通道，從而消除奧陶系巖溶水害對A 組煤層的威脅。兩淮煤田太原組地層厚度達100～150 m，灰?guī)r多達10～13 層，地面區(qū)域治理的目的層位具有不惟一性。地面區(qū)域治理目的層位的選擇，事關地面多分支近水平定向井的鉆探及注漿，決定地面區(qū)域治理的效果，同時又與地面區(qū)域治理進度及成本緊密相關。因此，目的層位的選擇是地面區(qū)域治理的關鍵。

由于華北煤田的邯邢煤田可供選擇的治理層位不多，地面區(qū)域治理目的層位主要是對滿足突水系數(shù)要求的灰?guī)r含水層進行注漿改造可行性研究確定[3-9]。鄭士田[18-19]選取突水系數(shù)要求、地層可注性、水力聯(lián)系、地層厚度等4 個因素對目的層位的優(yōu)化選擇進行了研究。針對地面區(qū)域治理目的層位的優(yōu)化選擇問題，當前的相關研究還相對較少，主要集中在定性研究方面，且考慮的影響因素也相對較少，尚未開展多因素定量化優(yōu)化選擇方面的研究。以潘二煤礦西四采區(qū)18413 工作面為例，在影響因素分析的基礎上，探討基于層次分析法的地面區(qū)域治理目的層位多因素定量化優(yōu)化選擇方法，為目的層位優(yōu)化選擇提供新方法。

1 研究區(qū)概況

1.1 煤礦區(qū)構造

潘二煤礦位于淮南煤田潘集背斜東段的陶王背斜，背斜東西轉折端地層走向呈弧形。礦井斷層較發(fā)育，常成組出現(xiàn)，同向傾斜的斷層往往形成斷層帶。西四采區(qū)18413 工作面位于陶王背斜西部轉折端，地層傾向西（圖1），傾角5°～10°。

圖1 潘二煤礦構造綱要Fig.1 Structural outline map of Pan'er Coal Mine

1.2 煤礦區(qū)地層

西四采區(qū)18413 工作面自下而上依次為古生界寒武系、奧陶系、石炭系、二疊系及新生界新近系、第四系地層，除第四系出露地表外，其余地層均被第四系所覆蓋。二疊系為含煤地層，自下而上依次有山西組、下石盒子組和上石盒子組，其中，A 組煤層（1、3 煤層）位于山西組。

1.3 煤礦區(qū)含水層

A 組煤層在基巖面沒有露頭（圖1），其開采主要受底板石炭系太原組灰?guī)r巖溶裂隙含水層、奧陶系灰?guī)r巖溶裂隙含水層威脅。

太原組由薄層灰?guī)r、泥巖及砂質泥巖組成，地層總厚104～131 m，含灰?guī)r10～13 層，各層灰?guī)r厚度及間距如圖2 所示，自上而下分為C3Ⅰ組、C3Ⅱ組、C3Ⅲ組，每組含灰?guī)r3～5 層，富水性不一，一般C3Ⅱ組最弱，C3Ⅲ組最強。C3Ⅰ組含C31、C32、C33 上、C33 下灰?guī)r4 層，其中C31、C32 為薄層灰?guī)r，C33 上、C33 下厚度較大，分布穩(wěn)定；單位涌水量0.000 009～0.007 L/(s·m)，富水性弱。C3Ⅱ組含C35、C36、C37、C38、C39 灰?guī)r5 層，均為薄層灰?guī)r，其中C34 灰?guī)r缺失；單位涌水量0.000 165～0.001 520 L/(s·m)，富水性弱。C3Ⅲ組含C310、C311、C312 灰?guī)r3 層，其中C311 最厚、全區(qū)穩(wěn)定，C312 分布不穩(wěn)定；單位涌水量0.000 044～0.009 400 L/(s·m)，富水性弱。

圖2 太原組綜合柱狀圖Fig.2 Comprehensive histogram of Taiyuan Formation

奧陶系巖性為厚層狀白云質灰?guī)r及少量礫狀灰?guī)r，富水性非均一：背斜軸部，單位涌水量0.200～1.283 L/(s·m)，富水性中等～強；背斜兩翼，單位涌水量0.002 32～0.010 80 L/(s·m)，富水性弱。

1.4 防治水思路

2013 年，潘二煤礦開始開采A 組煤層。2017 年之前，礦井采取以疏放太原組C3Ⅰ組灰?guī)r水為主，輔以井下物探超前探測、地面觀測孔水位監(jiān)測等措施治理底板巖溶水害，實現(xiàn)了A 組煤層的安全開采。2017 年5 月25 日，礦井發(fā)生奧陶系巖溶突水，瞬時突水量達14 520 m3/h，造成-530 m 水平部分被淹，導水構造為非典型的隱伏陷落柱+裂隙帶復合體[20]。

“5.25 突水”說明：隨著開采深度的增加、開采強度的加強，加之巖溶陷落柱的影響，A 組煤層的開采已經受到奧陶系巖溶水害的威脅，以往針對太原組巖溶水害的防治水方法已經不能完全滿足現(xiàn)階段礦井安全開采的需要。因此，研究區(qū)的防治水思路也發(fā)生了轉變，由以往單一防治太原組巖溶水害，轉變?yōu)閵W陶系與太原組巖溶水害并重，即采取疏水降壓防治太原組巖溶水害，地面區(qū)域治理防治奧陶系巖溶水害。

1.5 工程布置

18413 工作面地面區(qū)域治理工程，采用地面定向鉆探技術，在治理區(qū)域合理布井，達到全覆蓋無盲區(qū)，探查并注漿封堵A 組煤層底板的溶隙、裂隙及垂向導水構造，隔斷奧陶系與太原組之間的水力聯(lián)系，實現(xiàn)奧陶系巖溶水害的超前治理。治理范圍包括18413 工作面及采區(qū)巷道，面積約0.51 km2。共設計3 個地面鉆場（D1、D2、D3），26 個鉆孔，包括3 個主孔，23 個分支孔，如圖3 所示。

圖3 水平分支鉆孔平面分布Fig.3 Plane distribution map of horizontal branch boreholes

2 目的層位選擇的影響因素

2.1 突水系數(shù)

突水系數(shù)即單位厚度的隔水層所承受的水壓，而臨界突水系數(shù)則為單位厚度的隔水層所能承受的最大水壓[21]，其表達式如下：

式中：T為突水系數(shù)，MPa/m；P為底板隔水層承受的實際水頭值，MPa；M為底板有效隔水層厚度，m。

突水系數(shù)要求是確保礦井安全開采的必要條件，是地面區(qū)域治理目的層位選擇的決定性因素。潘二煤礦奧陶系地面觀測孔水位標高分別為-49.46、-35.83、-37.31 m；18413 工作面A 組煤層底板標高為-680～-480 m。選擇的目的層位不同，底板有效隔水層厚度就不同，底板隔水層承受的實際水頭值也不同。通過計算，以C36 灰?guī)r為目的層位，突水系數(shù)小于0.1 MPa/m，因此，目的層位應選擇C36 灰?guī)r及其下部的灰?guī)r。

2.2 水動力條件

2006 年以來，潘二煤礦通過井下鉆孔疏放C3Ⅰ組灰?guī)r水，并利用地面觀測孔對太原組C3Ⅰ組、C3Ⅱ組、C3Ⅲ組、奧陶系地下水位動態(tài)進行系統(tǒng)監(jiān)測。

據(jù)監(jiān)測成果：各灰?guī)r含水層均出現(xiàn)不同程度的水位下降，其中，C3Ⅰ組、C3Ⅱ組水位下降幅度最大，C3Ⅲ組水位下降幅度次之，奧陶系水位下降幅度最?。▓D4）。因此，礦井范圍內奧陶系水動力條件最佳，C3Ⅲ組次之，C3Ⅰ組、C3Ⅱ組最差。

圖4 疏放水條件下灰?guī)r含水層地下水動態(tài)Fig.4 Groundwater level dynamics of limestone aquifers under the condition of draining water

由于潘二煤礦并未疏放C3Ⅱ組灰?guī)r水，但C3Ⅱ組水位接近甚至低于C3Ⅰ組水位（圖4b），監(jiān)測成果表明：C3Ⅱ組富水性弱，以靜儲存量為主，易疏干，水動力條件比C3Ⅰ組差。

綜上所述，礦井各灰?guī)r含水層水動力條件由強至弱為：奧陶系、C3Ⅲ組、C3Ⅰ組、C3Ⅱ組。

地面區(qū)域治理一般選擇弱富水性的灰?guī)r作為目的層位，其水動力條件差，注漿過程順利。因此，C3Ⅱ組的C35～C39等薄層灰?guī)r，由于富水性弱，水動力條件差，可作為地面區(qū)域治理的目的層位。

2.3 水力聯(lián)系

潘二煤礦“5·25”突水前后，礦井地面觀測孔對含水層水位動態(tài)進行了實時監(jiān)測，因此，可以利用水位響應特征，驗證太原組與奧陶系之間的水力聯(lián)系。

奧陶系：突水前，水位標高為-75.84～-19.58 m；突水期間，作為突水水源，水位迅速下降至-376.91～-371.56 m；治理期間，水位緩慢下降至-429.50～-405.89 m，降幅達353.66～388.14 m；治理后，水位逐漸回升（圖5a）。

圖5 奧陶系巖溶突水條件下灰?guī)r含水層地下水動態(tài)Fig.5 Groundwater level dynamics of limestone aquifer under the condition of Ordovician karst water inrush

圖6 層次分析結構模型Fig.6 Structural model of analytic hierarchy process

C3Ⅲ組：突水前，水位標高為-120.10～-79.32 m；突水期間，水位下降至-305.89～-275.32 m；治理期間，水位進一步下降至-411.91～-308.15 m，降幅為228.83～291.81 m；治理后，水位出現(xiàn)短暫的滯后下降后開始慢慢回升。C3Ⅲ組與奧陶系具有水位同步變化的特征，即突水期間快速下降，治理后又逐漸回升（圖5b）。C3Ⅲ組水位響應特征表明：C3Ⅲ組與奧陶系之間水力聯(lián)系密切，水位基本同步變化。

C3Ⅱ組與C3Ⅰ組：突水前后，水位無明顯下降，部分觀測孔水位存在小幅回升的現(xiàn)象，水位變化幅度-41.07～8.98 m（圖5c、圖5d）。C3Ⅱ組、C3Ⅰ組水位響應特征表明：C3Ⅱ組、C3Ⅰ組與奧陶系之間無明顯的水力聯(lián)系。

綜上所述，C3Ⅲ組與奧陶系之間存在較強的水力聯(lián)系，C3Ⅱ組、C3Ⅰ組與奧陶系之間的水力聯(lián)系則較弱。

本著“安全有效、經濟合理”的原則（即正確地處理治理效果與成本的關系，在保證治理效果的同時，兼顧治理成本，達到二者的最佳結合），地面區(qū)域治理目的層位要避免與奧陶系存在較強的水力聯(lián)系，防止?jié){液大量擴散至奧陶系，造成不必要的浪費，并影響治理效果。因此，地面區(qū)域治理的目的層位應優(yōu)先選擇C3Ⅰ、C3Ⅱ組灰?guī)r。

2.4 導水構造

潘二煤礦主要的導水構造有導水斷層、陷落柱等。斷層、陷落柱構造帶巖石破碎、松散，往往具有較好的透水性，成為巖溶突水的通道，同時由于本身具有含水性，還可構成重要的充水水源。

地面區(qū)域治理過程中，如果目的層位發(fā)育巖溶陷落柱，目的層位與奧陶系灰?guī)r連通，將造成注漿過程中漿液的大量漏失，極大增加治理成本，并嚴重影響治理效果。因此，在滿足突水系數(shù)要求的前提下，地面區(qū)域治理過程中應盡量避免揭露巖溶陷落柱。

根據(jù)探查結果：潘二煤礦陷落柱發(fā)育層位為太原組C311 灰?guī)r至奧陶系灰?guī)r[20]。地面區(qū)域治理目的層位要盡量避免接露巖溶陷落柱，并預留一定的安全隔水間距，目的層位應選擇C39 灰?guī)r及其上部灰?guī)r。

2.5 灰?guī)r間距

地面區(qū)域治理的過程中，通過多分支水平定向鉆孔對目的層位進行注漿，水泥漿液在目的層位的巖溶裂隙、溶穴及斷層裂隙帶擴散，達到改造灰?guī)r含水層、加固頂?shù)装甯羲畬拥男Ч?，形成具有較好隔水性能的全新隔水層。因此，加固改造后的隔水層由3 部分組成：即加固的頂板隔水層、改造目的層、加固的底板隔水層。在其他因素相同的條件下，形成的隔水層厚度越大，隔水性越好。

淮南煤田太原組灰?guī)r多達十余層，各層灰?guī)r厚度大相徑庭，灰?guī)r頂?shù)装宓母羲畬雍穸纫哺鞑幌嗤▓D2），因此，治理層位不同，加固改造后形成的隔水層厚度也就截然不同。以太原組各層灰?guī)r為目的層位進行注漿加固改造，形成的隔水層厚度見表1。

表1 加固改造后隔水層厚度統(tǒng)計Table 1 Statistics of aquiclude thickness after reinforcement and reconstruction

C31、C33 下、C39、C310、C311 灰?guī)r加固改造后的隔水層厚度大于20 m，具有較好的隔水效果；C33 上、C312 灰?guī)r加固改造后的隔水層厚度約18 m，隔水效果也相對較好；其余灰?guī)r加固改造后的隔水層厚度僅9～13 m，隔水效果相對較差。

2.6 灰?guī)r厚度

從鉆探過程考慮，地面區(qū)域治理目的層位的厚度越大，層位越穩(wěn)定，越有利于定向水平井鉆進的層位控制；而從注漿過程考慮，由于薄層灰?guī)r頂?shù)装甯羲畬拥目刂?，漿液沿水平方向擴散，漿液易于控制[9,18]。因此，灰?guī)r厚度適中最有利于地面區(qū)域治理工程的實施。

2.7 地層可注性

地層的可注性是指在外界壓力的作用下，漿液滲入巖體裂隙的可能性及難易程度，既取決于巖體介質的滲透性，又取決于漿液的粒度及流動性[22]。影響地層可注性的因素主要有巖體介質條件、漿液性質及注漿工藝，3 種因素相輔相成、缺一不可。

通過碳酸鹽巖石成分與結構特征分析，潘二煤礦太原組各層灰?guī)r主要由方解石、生物碎屑、白云石、填隙物等組成；各層灰?guī)r巖溶發(fā)育具有不均一性，巖溶裂隙率在0.1%～0.5%不等。

近幾年，兩淮煤田的朱莊、界溝、桃園、恒源煤礦在C33 灰?guī)r，潘二煤礦在C35 灰?guī)r，顧北、潘二煤礦在C39 灰?guī)r，新集二礦在C312 灰?guī)r，進行目的層位注漿加固改造，取得不錯的地面區(qū)域治理效果[10-17]，實踐證明兩淮煤田太原組多層灰?guī)r均具有可注性。

3 目的層位優(yōu)化選擇

3.1 問題的提出

突水系數(shù)要求是保證礦井安全開采的必要條件，決定了地面區(qū)域治理目的層位的選擇范圍。通過前述計算，以C36 灰?guī)r為目的層位，突水系數(shù)小于0.1 MPa/m，滿足安全開采的要求，因此，可在C36～C312 灰?guī)r進行目的層位的優(yōu)化選擇。

在滿足突水系數(shù)要求的前提下，不同單因素分析確定的目的層位之間往往具有不相容性，難以實現(xiàn)目的層位的優(yōu)化選擇。比如，C311 灰?guī)r滿足灰?guī)r間距、灰?guī)r厚度及地層可注性的要求，但難以滿足水動力條件、含水層水力聯(lián)系及導水構造的要求（表2）。因此，需要采用多因素綜合分析的方法來確定目的層位。

表2 單因素分析確定的目的層位統(tǒng)計Table 2 Statistical table of target strata obtained by single factor analysis

層次分析法（Analytic Hierarchy Process，AHP）是將半定性、半定量問題轉化為定量問題的有效方法，是一種解決復雜問題的重要決策方法[23-25]。采用層次分析法，對地面區(qū)域治理目的層位進行優(yōu)化選擇。

3.2 基本原理

層次分析法的建模過程是：在綜合分析影響因素的基礎上，建立層次分析模型，構造判斷矩陣，并計算各方案對目標的綜合權重。

建立層次分析模型就是把問題層次化，構造出一個有層次的結構模型，一般分為3 層：最高層，即目標層，是分析問題的既定目標；中間層，即準則層，是影響目標實現(xiàn)的各項指標，根據(jù)問題的復雜程度，可將準則層進一步細分為子準則層；最底層，即方案層，是實現(xiàn)目標的各種備選方案。

假定B層中Bi與下一層中Cj（j=1，2，···，n）具有從屬關系，建立判斷矩陣，形式如表3，通過兩兩比較指標Cj（j=1，2，···，n），按其重要性程度評定等級，賦予不同的標度并以1～9 作為數(shù)量尺度，標度含義見表4。

表3 判斷矩陣基本形式Table 3 Basic form of judgment matrix

表4 判斷矩陣標度及含義Table 4 Scale and meaning of judgment matrix

計算判斷矩陣的最大特征值λmax與特征向量，經歸一化后即為Cj（j=1，2，···，n）對于Bi的權向量ωi，其數(shù)值大小代表權重等級。

判斷矩陣一般要進行一致性檢驗，以判斷其一致性，公式如下：

式中：CR為一致性比例；CI為一致性指標，其值越大，則矩陣偏離一致性的程度越大，反之越?。籖I為平均隨機一致性指標，取值見表5。

表5 RI 對應矩陣階數(shù)n 的取值Table 5 RI value corresponds to the order n of matrix

當CR＜0.10，認為判斷矩陣具有較好的一致性，否則，需對判斷矩陣進行調整，直至滿足一致性檢驗。

3.3 層次分析模型構建

3.4 判斷矩陣的構造

目標層（A）影響因素有水動力條件（B1）、含水層水力聯(lián)系（B2）、導水構造（B3）、灰?guī)r間距（B4）、灰?guī)r厚度（B5）、地層可注性（B6）等6 個指標，本次在對兩淮煤田類似地面區(qū)域治理工程經驗總結的基礎上，采用專家評分的方法建立A-Bi判斷矩陣，見表6。經計算得到權向量ωi及最大特征值λmax。經檢驗CR＜0.10，判斷矩陣一致性較好，滿足一致性檢驗。

表6 A-Bi 判斷矩陣及計算結果Table 6 Judgment matrix A-Bi and calculation results

水動力條件（B1）通過含水層水位標高反映，礦井突水前，C3Ⅱ組水位標高為-477.41～-304.86 m，C3Ⅲ組水位標高為-162.56～-79.32 m；水力聯(lián)系（B2）通過奧陶系巖溶突水后各含水層水位降幅反映，礦井突水后，C3Ⅱ組水位最大降幅為12.89 m，C3Ⅲ組水位最大降幅為291.81 m；導水構造（B3）通過各層灰?guī)r底板至陷落柱的距離反映受陷落柱的威脅程度，礦井陷落柱發(fā)育層位為太原組C311 灰?guī)r至奧陶系灰?guī)r，C36～C312 灰?guī)r底板至陷落柱的距離分別為41.35、36.31、29.75、21.17、3.34、0、0 m；灰?guī)r間距（B4）可通過注漿加固改造后隔水層厚度（表1）反映；灰?guī)r厚度（B5）決定水平定向井鉆探及注漿過程的難易程度（圖2）；地層可注性（B6）通過灰?guī)r巖溶裂隙率反映，淮南煤田太原組灰?guī)r孔隙率一般在0.1%～0.5%。

依據(jù)上述指標建立Bi-Cj判斷矩陣見表7-12。經計算得到權向量ω1j～ω6j及最大特征值λmax，其中ω1j～ω6j代表各方案均一化后的單因素分值，經檢驗CR 值均小于0.10，判斷矩陣一致性較好，滿足一致性檢驗。

表7 B1-Cj 判斷矩陣及其計算結果Table 7 Judgment matrix B1-Cj and calculation results

表8 B2-Cj 判斷矩陣及其計算結果Table 8 Judgment matrix B2-Cj and calculation results

表9 B3-Cj 判斷矩陣及其計算結果Table 9 Judgment matrix B3-Cj and calculation results

表10 B4-Cj 判斷矩陣及其計算結果Table 10 Judgment matrix B4-Cj and calculation results

表11 B5-Cj 判斷矩陣及其計算結果Table 11 Judgment matrix B5-Cj and calculation results

表12 B6-Cj 判斷矩陣及其計算結果Table 12 Judgment matrix B6-Cj and calculation results

3.5 層次總排序及優(yōu)化選擇

前述ωi表示準則層各指標的權重，ω1j～ω6j表示各方案均一化后的單因素分值，為各指標對上一級的層次單排序，為了實現(xiàn)目的層位的優(yōu)化選擇，需要進行層次總排序。層次總排序權重的計算從最高層開始，依次向下一級類推[23-25]，公式如下：

式中：ωi是準則層Bi（i=1，2，···，6）對目標層A的權重；ωij是方案層Cj（j=1，2，···，7）對準則層Bi（i=1，2，···，6）的層次單排序，代表各方案的單因素分值；ωj是方案層Cj（j=1，2，···，7）對目標層A的層次總排序，代表各方案的總分值。

計算得到層次總排序ωj，方案C1～C7的總分值分別為0.177、0.169、0.170、0.214、0.103、0.114、0.053（表13）。經檢驗CR＜0.10，判斷矩陣一致性較好，滿足一致性檢驗。

表13 層次總排序及計算結果Table 13 Hierarchy total sort and calculation results

根據(jù)計算結果，方案C4總分值最大，因此，方案C4為最優(yōu)方案，即地面區(qū)域治理最優(yōu)目的層位為C39灰?guī)r。

4 結 論

1）突水系數(shù)要求是地面區(qū)域治理目的層位優(yōu)化選擇的前提，決定了目的層位選擇的范圍；水動力條件、含水層水力聯(lián)系、導水構造、灰?guī)r間距、灰?guī)r厚度、地層可注性等影響因素是目的層位優(yōu)化選擇的關鍵指標。

2）采用層次分析法，以地面區(qū)域治理目的層位優(yōu)化選擇為目標層，水動力條件、含水層水力聯(lián)系、導水構造、灰?guī)r間距、灰?guī)r厚度、地層可注性為準則層，C36、C37、C38、C39、C310、C311、C312 灰?guī)r為方案層，建立層次分析模型，經計算確定地面區(qū)域治理最優(yōu)目的層位為C39 灰?guī)r。

3）將層次分析法應用于地面區(qū)域治理目的層位優(yōu)化選擇的研究，將定性問題轉化為定量問題，實現(xiàn)了目的層位的多因素定量化優(yōu)化選擇，為目的層位的優(yōu)化選擇提供了新方法。合理構建模型結構及判斷矩陣是層次分析模型的關鍵，提高判斷矩陣標度的準確性可以有效優(yōu)化模型的計算精度。