三图双预测的计算机生成方法

三图双预测的计算机生成方法研究中国煤炭地质总局水文地质工程地质环境地质勘查院2012年12月15日一、研究的目的意义“三图-双预测法”是解决煤层顶板涌(突)水灾害定量评价的重要方法。三图是指煤层顶板充水含水层富水性分区图、顶板冒落安全性分区图和顶板涌（突）水条件综合分区图。双预测是指顶板充水含水层回采工作面分段和整体工程涌水量预测。其中涌(突)水条件综合分区图由富水性和顶板冒落安全性分区图复合叠加而成。这种方法很好地解决了煤层顶板涌(突)水条件定量评价的问题。本次研究的主要目的就是利用多源地学信息复合技术实现涌(突)水条件综合分区图的计算机生成，并应用数值模拟（MODFLOW）技术进行矿井涌水量预测。二、研究内容

1、广泛收集有关资料及书籍，分析研究“三图-双预测法”理论的原理；

2、分析研究多源地学信息复合原理，研究煤层顶板充水含水层富水性分区图、顶板垮裂安全性分区图和顶板涌（突）水条件综合分区图所包含内容的数学含义及量化方法；

3、研究应用GIS多源地学信息复合技术实现顶板充水含水层富水性分区图、顶板冒落安全性分区图复合成果(涌(突)水条件综合分区图)的计算机生成的方法途径；

4、研究应用数值模拟（MODFLOW）技术进行涌水量预测的方法。分析研究“三图-双预测法”理论、调研分析研究多源地学信息复合原理分析研究“三图”的数学量化方法编制顶板充水含水层富水性分区图和顶板冒落安全性分区图复合叠加生成涌(突)水条件综合分区图提交科研报告研究应用多源地学信息技术进行复合叠加的方法途径研究应用Modflow

进行涌水量预测的方法三、技术路线四、多源地学信息复合多源信息复合技术:以数字图元处理学为基础，综合了计算机数字信息、数学地质、专题地图等学科知识的新地学信息处理技术。它的实质是采用一种算法或模式对不同来源的地学数据进行处理与运算，获得能够更好地表达地质体赋存规律的新的综合变量。（一）多源地学信息复合基本原理四、多源地学信息复合本次研究利用MAPGIS的空间分析功能，应用叠加分析原理（多源信息复合技术）建立生成涌(突)水条件GIS综合图层。在进行复合叠加之前，首先要确定各单因子图层评价因子的分数值，并根据各单因子图层对目标图层的贡献大小，确定各单因子图层在复合叠加中的权重。四、多源地学信息复合单因子图层分数的确定主要是根据各评价因子的水文地质环境含义，结合实际分析，采用专家打分法给出评价因子的排序和评分值。（二）单因子图层分数的确定四、多源地学信息复合（三）单因子图层权重的确定为了增加赋值的科学性，降低主观性，本次采用层次分析法AHP(AnalyticalHierarchyProcess)来确定评价因子的权重。四、多源地学信息复合AHP法的基本步骤

a．确定评价目标和评价因素集：根据系统的目的进行分析使之条理化、层次化，构造出一个层次分析模型。

b．标度：在进行多因素、多目标的地质灾害评价中，既有定性因素，又有定量因素，还有模糊因素，各因素的重要度不同，联系程度各异。在层次分析中针对这些特点，对其重要度作下定义：第一，以相对比较为主，并将标度分为1、3、5、7、9共5个标度，而将2、4、6、8作为两标度之间的中间值（表1）；第二，遵循一致性原则，即当C1比C2重要、C2比C3重要时，则认为C1一定比C3重要。四、多源地学信息复合c．构造判断矩阵：对各因素进行逐对比较，依照规定的标度定量化后，写成矩阵形式。本次判断矩阵采用专家讨论确定。

d．层次排序和一致性检验—权重计算:排序计算的实质是计算判断矩阵的最大特征根值和相应的特征向量。此外在构造判断矩阵时，因专家在认识上的不一致，须考虑层次分析所得结果是否基本合理，因而需要对判断矩阵进行一致性检验，经过检验得到的结果即可以认为是可行的。四、多源地学信息复合（四）评价模型本次引入涌(突)水条件综合评价指数EQ来对涌(突)水条件危险度进行评价。综合评价指数的定义为某一单元上的各种评价因素对涌(突)水条件危险度的影响总和，可用如下模型描述：EQ—涌(突)水条件综合指数；Iij—单因子分级评分值；Wij—为各个对应因子的相对权重。五、“三图-双预测”评价的方法、步骤本次以《龙煤股份鹤岗分公司峻德煤矿水文地质补充勘查》项目为例研究“三图-双预测”工作的方法、步骤。龙煤股份鹤岗分公司峻德煤矿主采煤层为白垩系地层中的3#、9#、17#煤层，新近系含水层覆于白垩系地层之上，为3#、9#、17#煤层的顶板充水含水层。五、“三图-双预测”评价的方法、步骤（一）评价方法及步骤

（1）在新近系砂岩孔隙含水层的富水性量化分区研究基础上，编制新近系砂岩孔隙含水层的富水性分区单因子图；（2）在进行主要开采煤层3#、9#、17#顶板导水裂隙带发育高度的基础上，进行主要开采煤层顶板冒裂安全性分区，编制煤层开采顶板冒落安全性分区单因子图；（3）分析确定各单因子图的分值及权重，并将其赋于各图元；（4）应用MAPGIS空间分析模块复合叠加上述两个分区所有地学信息，提出煤层开采顶板涌（突）水条件综合分区方案，编制出煤层开采顶板涌（突）水条件综合分区图；（5）应用ＶｉｓｕａｌＭｏｄｆｌｏｗ专业软件，对主采煤层顶板（新近系含水层）涌水量进行模拟预测。（二）顶板含水层富水性分区换算后新近系砂岩孔隙含水层单位涌水量均属中等富水区。为了在双图三预测法中能够更好的说明多源信息叠加的方法，将中等富水性的基础上进一步划分为富水性相对强、富水性中等和富水性相对弱三个区。新近系砂岩孔隙含水层富水性分区图

（三）主要开采煤层顶板冒裂安全性分区

根据“三图—双预测法”理论，顶板冒裂安全性分区，是指由煤层回采过程中诱发的顶板导水裂隙带加保护层总高度与煤层至含水层之间覆岩厚度之差进行绘制的。3#煤层顶板冒裂安全性分区图

（三）主要开采煤层顶板冒裂安全性分区

9#煤层顶板冒裂安全性分区图（三）主要开采煤层顶板冒裂安全性分区

17#煤层顶板冒裂安全性分区图（四）单因子图分值及权重的确定1、评价因子的选取与分值的确定根据“三图双预测法”的内容，选取含水层富水性及煤层顶板冒落安全性为本次评价的因子。根据各评价因子的水文地质环境含义，结合实际分析，采用专家打分法给出评价因子的排序和评分值。因子的排序为含水层富水性、煤层顶板冒落安全性。各因子的评分值见表9、表10。（四）单因子图分值及权重的确定（四）单因子图分值及权重的确定2、各因子的权重计算（1）建立系统的递阶层次结构递阶层次结构模型一般分为三层，最上面为目标层，最下面为方案层，中间是准则层或指标层。这种自上而下的支配关系所形成的层次结构称之为递阶层次结构。如图8。矿山顶板涌水评价富水性分区顶板冒落分区煤层顶板涌水条件分区目标层A：准则层B：方案层C：图8层次方案图（2）构造成对比较矩阵并求最大特征根和特征向量。

本次判断矩阵的最大特征值和特征向量采用近似算法的方根法或和积法计算。经计算，评价因子权重富水性图层为0.75，顶板冒落安全性图层为0.25。（四）单因子图分值及权重的确定3、图元属性赋值图元属性赋值就是将确定的分值及权重分别赋予的两个单因子图相应的图元。

步骤如下：（1）编辑属性结构（2）分别对“顶板冒落危险性”、“分值”及“权重”进行赋值。

（四）单因子图分值及权重的确定4、图层叠加图11区对区合并分析叠加图（四）单因子图分值及权重的确定图12属性合并浏览图（四）单因子图分值及权重的确定5、属性运算（四）单因子图分值及权重的确定（五）煤层开采顶板涌（突）水条件综合分区

图层叠加及属性叠加工作完成后，须对叠加成果图进行重新分区重新分区。在表达式输入区中分别输入满足顶板涌水危险性相对大区、中等区及相对小区C值表达式，并赋予相应的区颜色代号。图183#煤层顶板涌水条件综合分区叠加成果图

（五）煤层开采顶板涌（突）水条件综合分区图199#煤层顶板涌水条件综合分区叠加成果图（五）煤层开采顶板涌（突）水条件综合分区图2017#煤层顶板涌水条件综合分区叠加成果图

六、主采煤层顶板涌水量预测本次采用数值模拟法（VisualModflow）对主采煤层（3#、9#、17#）顶板（新近系含水层）进行涌水量预测。经模型运行推算，预测矿井新近系地下水涌水量约为2583m3/h。七、结语

1、分析研究了多源地学信息复合及AHP法在“三图-双预测法”中的应用的技术途径及方法。2、研究了煤层顶板充水含水层富