模糊数学在预测大孤山铁矿深部涌水量中的应用.pdf

第 2 9卷第 2期 2 O 1 4年 6月 ： 2 9 52 9 8 地质找矿论丛 Co n t r ib u t io n s t o Ge o l o g y a n d M in e r a l Re s o u r ce s Re s e a r ch Vo I 2 9 NO 2 J u n 2 0 1 4： 2 9 52 9 8 模 糊 数 学 在 预 测 大 孤 山铁 矿 深 部 涌 水 量 中 的 应 用 0 引言 苗 阶， 刘 帅， 刘 超 ( 辽 宁省 台金 地 质 勘 查 局 地 质 勘 查 研 究 院 ， 辽 宁 鞍 山 1 1 4 0 3 8 ) 摘要 ： 大孤 山铁矿为露采矿 山 ， 其排水量的预测始终存在着计算 过程复杂 、 矿坑充水 因素多 的困 扰 。文章 以模糊数学理论为基础 、 应 用现有 矿山水 文地质 资料 ， 对 矿 区深 部涌水 量进行 了预测 计 算 ， 其计算结果 比较理想 。 关键词 ： 大 孤山铁矿 ； 模糊数学 ； 深部 涌水量 预测 ； 辽宁省 中图分类号 ： P 6 4 1 4 ； P 6 1 8 3 1文献标识码 ： A 为 了延 长老矿 山服 务 年 限 ， 目前许 多矿 山都 在 加强矿区深部及外围找矿工作 ， 同时开展对深部开 采过程 中的涌水量预测工作十分必要 。老矿山开采 工 作 时间较 长 ， 水 文地 质资料 较 多 ， 可 以充 分利 用 现 有 资料 ， 减少 不必要 的重复工 作 ， 从 而 降低矿 山的开 采 成本 。 由于传 统 的 比拟法 预测 涌水 量仅 考虑水 头 降深 与开采面积 2个因素 ， 忽略了降雨量、 渗透系数 、 给 水 度 等 因素 ， 因此 可 能 会 产生 较 大 的 误差 。本 次 工 作 以鞍 钢矿 业集 团大 孤 山铁 为 例 ， 引入 模 糊数 学 中 的模糊 综合 评价法 口 ， 根据 模糊 数学 的隶 属度 理论 把定性评价变为定量评价 ， 对受到水头降深 、 矿区开 采面积、 含水层给水度 、 导水系数等因素制约的矿山 涌水量作出总体 的定量评价， 从而减小传统 比拟法 所 产生 的误 差 。 自然地理及水文地质概况 1 1 自然 条件 大孤 山铁矿 位 于辽 宁鞍 山市千 山 山脉西北 边 缘 地带 ， 其 地 貌 为丘 陵地形 ， 总 地势 东 南 高西 北 低 ， 东 南部 为 山地 ， 西北 部 为 低 丘 和 大 面积 山 间平 原 。 区 内最 高 山峰位 于东南 部 ， 标高 为 3 7 8 0 m， 当地侵 蚀 基 准 面标 高 5 4 2 7 4 9 m， 比高 约 9 O 3 0 0 m 不 等 。山坡 角 1 0 。 3 O 。 ， 植 被不 甚发 育 。 矿 区属 温带 半湿 润 大陆性 季风 气候 区 。多 年平 均 气 温 8 8 ，最 高 气 温3 6 9 ， 最 低 气 温 一 3 O 4； 平均冻土深度 9 1 mm。多年平均降水量 为 7 2 0 6 mm， 年 最 大 降水 量 9 9 4 5 mm( 1 9 7 5年 ) ， 月最大降水量 4 1 6 7 mm( 1 9 8 5年 7月) ， 日最大降 水量 2 3 6 8 mm， 降水 多 集 中在 7 9这三 个月 份 ； 多 年平 均蒸 发量 为 1 0 5 8 5 mm。 区内地表水体不甚发育 ， 西部有一流向由南至 北 的小河 ， 河床 宽 3 1 0 m 不等 ， 水深 0 1 O 6 m， 据 2 0 0 6 年 9月 2 3日观 测其 下 游 流量 0 1 9 5 m。 s ， 季节 性变化 明显 。北 部 黄岭子 有 流 向由南 至北 的小 溪 ， 其流 量 为 0 1 2 7 m。 s ， 其 水 量 之 所 以偏 大 与尾 矿库 回水 有关 。 1 2水 文地 质条 件 大孤 山铁 矿 区 的水 文 地 质 工作 较 为详 尽 ， 矿 区 于 1 9 6 3年 7月 至 1 O月 进 行 过专 门水 文 地 质工 作 。 1 9 6 4年与 地质勘 探 同时 又作 了水 文地 质 钻 探 2 4个 孔 ， 抽水 试验 2 7次 ( 其 中 干 扰 抽 水 2次 ， 多 孔 抽 水 1 O次 ) ； 水 文 电测井 1 3个 孑 L ， 水 质 分 析 1 0 6件 。对 这些水文孔进行 了地下水 长期观测等工作 ， 其成果 收稿 日期： 2 0 1 30 5 2 1 ； 改 回日期 ： 2 0 1 4一O 12 2 ； 责任编辑 ： 王传泰 作者简介： 苗 阶( 1 9 8 2一 ) ， 男 ， 工程 师， 毕业于辽宁工程技术大学资源与环境工程学 院地质工程 系 ， 从事水 文地质 、 工程 地质和环境 地质 工作 。通信地址 ： 辽 宁省鞍 山市铁东区鞍千路 2 9 8号 ， 辽 宁省冶金地质勘查局地质勘查研究 院； 邮编 ： 1 1 4 0 3 8 ； E ma i l ： 1 5 9 9 8 0 0 0 1 1 6 1 3 9 co rn 2 9 6 地质找矿论丛 资料 十分 详 细 。 矿区出露地层主要有 ： 新元古界青 白口系钓鱼 台组 ( Qb d ) 石英 砂 岩 夹 页 岩 ； 新 太 古 界 鞍 山群 樱 桃 园组 ( Ar 。 An y ) 绿 泥 片 岩 、 绿 泥 石 英 片 岩 及 铁 矿 层 ； 太古宙 花 岗岩 ( 7 ) 及 早 白垩世 花 岗岩 ( ) ， ： ) 等 。上 覆 第 四系上更新统及全新统堆积物。依岩性特征及其 赋水条 件 可划分 成 3个含 水 岩组 。 ( 1 ) 第 四系松散 岩类孔 隙含水 岩组 。 全新 统 冲洪积 孔 隙含 水 岩 组 。分 布 于 矿 区西 、 西北 部 ， 岩性 为 亚黏 土 、 亚砂 土 、 砂 及 砂 砾 卵 石 。地 下 水位埋 深 1 4 6 5 1 9 m。根 据 1 9 6 3年 C K1 1 2 ， C K1 1 5孔 资料 ， 揭露 厚度 1 7 1 9 2 9 m， 平均 单位 涌 水 量为 1 4 1 5 1 5 3 0 8 2 1 L sm， 为 强 富 水 性 。 补 给来 源 主要 为大气 降水 ， 径流 条件 较好 ， 多 以人 工 开 采形 式排 泄或 部分 补给基 岩 裂 隙水 。 更 新统 残坡 积孔 隙含 水岩 组 。分布 于沟 谷 及 山 麓地带 。岩性主要为黏性土， 下部含少量砂 、 碎石 ， 厚度 1 1 0 IT I 不等； 地下水位埋深 2 1 8 9 1 8 m， 为弱 或微 弱富水 性 ， 此层 水 与 基 岩 风 化 裂 隙水 联 系 密切 。补给来源主要 为大气降水下渗， 径流条 件较 差 ， 多 以人 工 开采形 式 或下渗 补 给基岩 风化 裂 隙水 。 ( 2 ) 层 状 岩 类 裂 隙 含 水 岩 组 ( Qb d ， Ar 。 An y ) 。 樱桃 园组 分 布于 矿 区 西 南部 露 天 采 场 ， 而 钓 鱼 台 组 于 东北部 零 星 出露 。钓 鱼 台组 主要 为 石 英 砂 岩 、 页 岩 ， 樱桃园组主要为绿泥石英片岩及铁矿层等。这 些 岩石 均含 微弱 或 弱 的 构 造裂 隙水 ， 且 富水 性 极 不 均一。地下水补给来源主要为大气降水下渗或接受 区域性 地下 径流 补 给 ， 径 流 条 件 取 决 于 浅层 风 化 裂 隙和深层构造裂 隙发育程度及连通程度 ； 排泄 以人 工 开采 形式 排泄 为 主 。 ( 3 ) 块 状 岩类裂 隙 含水 岩组 ( 7 ， ) 。分 布 于 矿 区东 南 、 西 北 部 的较 大 面 积 。太 古 宙 花 岗岩 为二 长 花 岗岩 ， 早 白垩 世 花 岗岩 为钾 长 花 岗 岩 。含 微 弱 的 风化 裂 隙水 和 弱 的构 造 裂 隙 水 ， 水 量 不 大 。根据 临 近 长岭 子机井 资料 ， 井 深 4 1 0 0 5 9 7 m， 水量 约 8 0 1 5 0 m。 d 。地下水补 给来 源主要为 大气降水 下 渗 ， 径流 条件 一般 ， 以人 工开 采形 式排 泄 为主 。 1 3 地 下水 补迳 排条 件及 含水 岩组 之 间水力联 系 区内各 含水岩 组地 下水 均 直接或 间 接接受 大 气 降水补给。大气降水后 ， 一部分水呈地表径流汇入 小溪注入主河道形成地表水体 ， 另一 部分 降水则通 过 植被 根 系或 直接沿 松散 岩类 孔 隙 、 基 岩风 化裂 隙 、 构 造裂 隙下 渗 ， 分别形 成 孔 隙水 、 风化裂 隙水 和 构造 裂 隙水 。 孑 L 隙含水层与风化裂 隙含水层 ， 或 风化裂 隙含 水层与构造裂隙含水体 ( 带) ， 在一定程度上并无 绝 对 的隔水层 ( 带 ) ， 它 们 之 间是 相 互 补 给 ， 相 互 连 通 的 ， 只是程 度不 同而 已 ， 最 终 达 到相 对 、 暂 时 的平 衡 状 态 。其 间 的径 流 条件好 坏 ， 与 岩石孔 隙 、 基 岩表 层 风化 裂 隙及 深 部 构 造裂 隙 的发 育 程 度 、 破 碎 程 度 及 充填 物性 质 等有关 。 本 区地下 水径 流 条 件 一 般 或欠 佳 ， 主 要 以人 工 开采形式排泄 。各含水层( 带) 之间存在一定程度 的 水力联系。地下水的总体流 向在部分地段受露天采 坑排水控制 ， 与地表水 的趋 同性差 。 2 大孤 山铁矿深部 涌水量预测 模糊数 学模 型建立 2 1 模糊 数 学模 型建 立 2 1 1 确定 影 响矿坑 涌 水量主 要 因素 以合集 形 式表示 选 取影 响矿 坑涌 水量 的主要 因 素 ： U一 1 ， M 2 ，“ 3 ， 4 ，U 5 ， 乱 6 。其中， M 1为待测 矿区的降水量 ， “ 为待测矿坑的水头降深 ， “ 为矿 区开采 面积 ， U 为 主 要 充 水 含 水 层 的给 水 度 ， “ 为 含水层 的导 水系数 ， M 为非 降雨补 给源 的丰富程 度 ， 如河流 、 湖 泊、 含水 层静储量等 ( 抽象 的定量 指 标 ) 。 在这些 因素 中 ， 有 的可确 定具 体数值 ， 称确 定 性 因素 ， 如降雨量 、 水头降深、 开采面积等 ； 另几个 因素 可能无法确定出它的准确数值 ， 称模糊 因素 ， 即对它 们的大概规律的认识 ， 也就是可用模糊数学方法规 律数 字化 。 2 1 2确 定影 响 因素“ 相 对 大小” “ 相 对大小 ” 是指待 测矿 影 响 因素与 已知 矿影 响 因素对应 元 素之 间 的数 量关 系 。这 里不 一定 要 精确 的数 据 ， 只要 知道 大 概的关 系就 可 以 了 。 本区建立“ 相对大小” 的模糊子集 ： V一 1 3倍 ， 1 2 倍 ， 等同，2 倍 ，3倍 ， 4倍) 。 2 1 3 建 立模 糊 关 系( 矩 阵) 首先 ， 要有一个资料 比较齐全可靠 的已开采矿 坑 ( 或 同一矿 坑 目前 的 开采 资 料 ) ， 以它 作 为 比拟 的 原型。然后 ， 把待测矿坑影 响涌水量 的诸因素与 已 采矿 的对 应 因素 进 行 比较 ， 可 得 到 它们 之 间 的大 概 比值 ， 当某个影响因素可以获得准确数据时( 如水头 降 深 ) ， 两 矿 比较 后得 到一个 常 数 ， 这 个 常数 又必 然 第 2 9卷第 2期 苗阶等 ： 模糊数学在预测大孤 山铁矿深部涌水量 中的应用 2 9 7 落 在 V模 糊 子集 的 2个 元 素 之 间 ， 尚且 一 行 中 只有 2个非 0元 素 ； 当所 讨 论 的 因素 不 确 定 或 不 能 用 具 体 数表 示 ( 如 补 给水 源 ) ， 我们 只能 知 道 它 的 大概 情 况 时 ， 就须按 工作 人 员 的经 验 用 几 个 非 0隶属 度 来 反 映这 种模 糊 现 象 。属 于哪 个 元 素 的可 能 性 大 ， 则 对 应 的隶属度 应 大些 。同一行 的隶属度 之 和应 等于 1 ， 同一行中非 0元素越多 ， 说明我们所描述的现象 越模 糊 。 把 上述影 响 因素 的这些 比值 以隶属 度 的形式 表 示 为表格 形式 ， 如表 1 所 述 。 将 上表格 写成 矩 阵 形 式 ， 即得 到预 测 与 已知 矿 坑影响 因素模糊关 系R值 ； R是反 映待测矿坑 与 已知 矿坑诸 多影 响 因素 的定 量关 系 。 R 一 ( 1) 2 1 4 确 定影 响 因素权 重及综合 评 判 影 响矿 坑涌 水量 的上述 6 个 因素 虽然 都对 涌水 量有影响， 但其影响程度不一， 故有 主次之分， 所 以 在比拟时对各因素应赋予不同的权重 。在确定权重 时 ， 不 但要 考虑 该 因素影 响涌水 量 的重要性 ， 还 要考 虑它变 化 的 大 小 ， 变 化 大 的 权 重 应 大 些 ， 反 之 应 小 些 。 权 重 可通过 模 糊统 计 确 定 ， 但 主 要 还 是 根 据工 作人员的经验和其对水文地质条件 的认识来确定 。 待测矿坑的涌水量 主要受降水量 的影响 ， 其次是水 头降深、 开采面积和渗透系数 ， 再次是给水度和补给 源 丰富程 度 。大孤 山铁矿 影 响矿坑 涌水量 上述 6个 因素 分别 赋权重 为 0 3 ， 0 2 ， 0 2 ， 0 2 ， 0 0 5 ， 0 0 5 。 写成 于 己 ， 元 素对 应 的向量形 式 ： a = ( 0 3 ，0 2，0 2 ，0 2，0 0 5 ，0 0 5 ) ( 2 ) 有了模糊矩阵 R 和权重 向量 a ， 即可进行模糊 综 合评 判 ： A a R ( 3) 把 ( 1 ) 和 ( 2 ) 式带 入 ( 3 ) 式 ， 计算 得 ： A= = = ( 0 0 8 ，0 2 1 5 ，0 5 8 5 ，0 1 2，O，0 ) A 中的元 素为 隶 属度 ， 与 “ 相 对 大小 ” 子集 V 中 的元素对应 。它表 明经过综合评判 以后 ， 同矿不 同 开采深度坑充水能力“ 1 2 倍” 和“ 等 同” 的隶属度较 大 ， 分 别为 0 2 1 5 和 0 5 8 5 ， 从 而 可 得 出 ： 待 测 矿 的充 水 能力 是 已知矿 的 1 2 1倍 。根据 隶属度 的大 小 ， 并 用 线 性 插 值 得 充 水 能 力 综 合 比 例 系 数 ( ) 为 0 8 6 6 。充水 能力 综合 比例 系数 ( 相 当于一 个 加权 平 均数) ， 它表示 同矿不 同开 采深度 充水 能力 的定量 关 系 ， 并作 为计 算 涌水量 的重 要参 数 。 2 2预测 涌水 量 由大孤 山铁 矿 水 文条 件 可 知 ， 影 响其 矿 坑 涌 水 量 的因素 主要是 水头 降深 和开 采面 积 。现有 露 天采 场坑底标高为一2 8 0 m， 平排水量4 8 O O m。 d 。下期 设计 开采标 高 一4 8 6 m 时 ， 采 坑 的上 开 口面 积 2 2 0 k m。 前 已经述及 ， fi =0 8 6 6 是 指相 当 于预 测 深 度 的 各个 影 响 因 素 均 为 已知 深 度 对 应 因素 的 0 8 6 6 倍 。 由此 得 出涌水 量公 式 ： Q 一 Q ( 4 ) 式 中 ： Q 预测 涌水 量 ； Q 已知 涌 水量 ； 自然数 ( 一 1 ， 2 ， 3或 4 ) ， ， z 的选 取 与影 响涌 水 量 因素 的 多少 有关 ， 即与各 因素 的权 重 有关 。从达 西 渗 流定 律 ： Q T B( H L)可 知 ， 涌 水 量 ( Q) 与 导 水 系 数 ( T ) 、 断面宽度( B) 、 水头降深( H) 均成正比关 系； 对一 个矿 山而 言 ， 一般认 为 开采 面积 、 深度 与涌 水量 成 正 比。 综上 所述 ， 大 孤 山铁矿 的矿坑 涌水 量 ： Q2 一 Ql 一0 8 6 6 4 8 0 03 6 0 0 m。 d 2 3模 糊 综合评 判 法与传 统 比拟法 对 匕 分析 前面的计算表明， 当采坑深度增加 2 0 6 m( 从现 有露天采场坑底标高为一2 8 0 m一 一4 8 6 m) 的情况 O O 0 O O O O O O O 0 O 6 O O O O O O 4 7 6 7 1 O O O 0 O 6 3 4 3 O O 0 0 O O O O O 0 0 0 2 9 8 地质找矿论丛 下 ， 预 测矿 坑涌 水 量 Q 为 3 6 0 0 m。 d ， 相 对 应 原 开 采 水平 ， 涌 水量减 少 为原 来 的 7 5 。若 采 用传 统 的 比拟法 公式 对矿 坑 涌 水 量 进 行 预测 ， 当 采坑 深 度 增 大 的情况 下 ， F F ， 且 S S ， Q =Q ( F F ) ( S 。 s ) ， 由此计 算得 的 Q 。 要 大于 Q 。 根据 鞍本 地 区各 大 铁矿 山多 年 的涌水 量实 测 资 料 ， 9 0 以上 的露 天 开 采铁 矿 山涌 水量 均 表 现 为 随 开采 深度 增 大而 减 小 的 特点 ， 该 特 点 与鞍 本 地 区 露 天 开采铁 矿 山基岩 裂 隙率 ( 赋 水 空 间) 随深 度增 大 而 减小 、 第 四系 水 的疏 干 、 渗透 系数 随深 度增 大而 减 小 等现象有直接关系。而这些因素均是传统比拟法计 算所忽略的， 故传统 比拟法预测的涌水量较实际涌 水 量偏 大 。相对 而 言 ， 模 糊 综合 评 判 法 则 将 水 头 降 深 与矿 山开采 面 积 以外 的导 水 系 数 、 渗 透 系 数 等 因 素 均 引入 到 涌水 量预 测 中 ， 故其 预测 结果 误差 更 小 ， 更 符合 鞍本 地 区露天 开采铁 矿 山 的实际 情况 。 3 结论 通过与传 统 比拟法对 比， 模糊综 合评判 法将 水头 降深、 矿山开采面积以外的导水系数、 渗透系数等因 素均 引入 到涌水 量 预测 中 ， 其 预测 结 果误 差 更 小 ， 更 符合鞍 本地 区露 天开 采 铁 矿 山 涌 水量 的实 际情 况 。 然而 ， 对 于水文 地质 工 作相 对 较少 的 已知矿 山 ， 其 推 测精 度将受 限制 ， 应 对 同一矿 山不 同深度 的水 文地 质 条件基本了解后赋值对比， 从而达到弱化原始数据随 机性 、 增强其规 律性 、 提高预 测精度 的 目的 。 参 考 文献 ： 1 谢季坚 ，刘承平 模糊数学方法及其应用 M 武汉 ：华 中科 技大学 出版社 ，2 0 0 6 E 2 3 吕康林论模 糊水文地质 比拟法 J 煤 田地质与 勘探 ，1 9 8 8 ( 0 2 )：4 54 9 Ap pl ica t io n o f f u z z y m a t he ma t ics t o f o r e ca s t in g u pwe l l ing v o l u me o f wa t