基于多源信息融合的地下金属矿山突水风险评估方法及其应用

《Applied Sciences》：Water-Inrush Risk Assessment Method for Underground Metal Mines Based on Multi-Source Information Fusion and Its Application

　　

为了提高复杂水文地质条件下地下金属矿山突水危险性识别的实用性，研究人员开发了一种多源信息融合评价框架。建立了一个包含水源条件、导水通道特征、采动扰动和采空区灾害的指标体系。通过基于直觉模糊层次分析法（IFAHP）和熵权法（EWM）的组合赋权，整合了主观和客观信息。为表征不确定性并支持灾害分级，引入了正态云模型。将该方法应用于安徽省某铜铁矿的三个采场（150701、200-6-1和400-27-3）。评价结果将三个采场分别划分为III级、II级和IV级，这与观测到的涌水量（约28 m³/h、17 m³/h和35 m³/h）一致。结果表明，该方法在案例矿山采场尺度突水危险性评估中具有适用性，可为复杂水文地质条件下的风险识别与防治提供定量参考。

**研究背景与问题**
中国陆块经历多期构造运动，导致矿区水文地质条件高度复杂，是矿山水害最严重的国家之一。近年来，尽管矿山突水防治技术与安全管理水平提升，事故总体下降，但突水灾害仍时有发生，造成重大伤亡和经济损失。现有研究在突水机理（如顶板离层水、断层活化、采动裂隙扩展等）和风险评估方法（如脆弱性模型、随机森林、主成分逻辑回归、层次分析法等）方面取得进展，但主要针对沉积型煤矿，对金属矿山的适用性不足。金属矿山的水文地质条件更为复杂，充水水源多样、含水层与隔水层组合多变、补给与导水条件差异显著，且常受断层、岩溶裂隙、采动扰动和采空区积水共同影响。突水风险评估面临多源信息不确定性、定性定量指标难以融合、工程样本有限、风险等级边界模糊等挑战。为此，本研究构建了基于多源信息融合的地下金属矿山突水风险评估框架，旨在提高复杂水文地质条件下灾害识别的实用性。

**研究内容与结论**
研究人员通过整合金属矿山突水类型与主控因素，建立了包含水源条件、导水通道特征、采动扰动和采空区灾害的4个一级指标、15个二级指标的评价体系。采用直觉模糊层次分析法（IFAHP）获取主观权重，熵权法（EWM）获取客观权重，基于最小信息熵原理进行组合赋权，以降低单一赋权方法的偏差。引入正态云模型表征评估过程中的不确定性与随机性，实现定性定量因素的耦合识别。将该方法应用于安徽省某铜铁矿的150701、200-6-1和400-27-3三个采场，评价结果分别对应III级、II级和IV级风险，与实测涌水量（约28 m³/h、17 m³/h、35 m³/h）一致，表明该方法在采场尺度突水风险评估中具有适用性，可为复杂水文地质条件下的风险识别与防治提供定量参考。论文发表在《Applied Sciences》。

**主要技术方法（不超过250字）**
本研究采用的关键技术方法包括：1）构建涵盖4个一级指标（含水层与隔水层水文地质特征、断层相关水文地质特征、采矿条件、采空区水文地质特征）和15个二级指标（如含水层水压、导水系数、富水能力、有效隔水层厚度、RQD、断层发育程度、采场围岩质量等）的评价指标体系，定量指标基于实测数据，定性指标采用专家评分法；2）主观赋权采用直觉模糊层次分析法（IFAHP），通过构建直觉模糊判断矩阵并计算一致性指标；3）客观赋权采用熵权法（EWM），基于16组采场实测数据（样本来源：安徽省某铜铁矿）计算信息熵与效用值；4）基于最小信息熵原理进行组合赋权；5）引入正态云模型，通过期望、熵、超熵三个数字特征表征定性概念，采用2000次云滴模拟计算隶属度，按最大隶属度原则确定风险等级。

**研究结果**
**4.1 项目概况**：案例矿山位于安徽某铜铁矿，采用竖井开拓与上向水平分层尾砂（胶结）充填采矿法，地下存在局部未充填采空区构成突水隐患。矿区为平原隐伏裂隙-岩溶充水矿床，水文地质条件复杂，建立了概念地质-水文地质模型，包括浅部第四系粉细砂层、深部细中砂-砂砾层、中下部粘土隔水层、寒武系白云质大理岩岩溶裂隙含水层、矿化蚀变岩与矽卡岩裂隙含水层、岩浆岩隔水层等，并发育三条断层。

**4.2 突水危险等级阈值确定**：基于矿山排水能力、历史数据及现场经验，综合确定五个风险等级对应的涌水量区间（如I级<10 m³/h，II级10~20 m³/h，III级20~30 m³/h，IV级30~40 m³/h，V级>40 m³/h），并强调这些阈值并非通用值，需根据具体矿山条件调整。

**4.3 评价指标权重计算**：通过15位专家（来自矿山水文地质、采矿工程、矿山安全、工程地质等领域）的独立判断，构建直觉模糊判断矩阵并检验一致性，计算得到各层主观权重；基于16组采场实测数据，采用熵权法计算客观权重；最后依据最小信息熵原理计算组合权重，结果如表9和表10所示（原文表格，此处省略）。

**4.4 灾害评估结果计算与分析**：选取150701、200-6-1和400-27-3三个采场作为评价对象，提取各指标数据（见表11），在正态云模型框架下计算各指标隶属度（见表12），再与组合权重加权得到综合隶属度向量，按最大隶属度原则确定风险等级。结果显示，150701采场为III级，200-6-1采场为II级，400-27-3采场为IV级，对应实测涌水量分别为28 m³/h、17 m³/h、35 m³/h，与等级区间一致，表明该方法能合理反映不同采场水文地质条件、导水通道和采动扰动差异对突水危险的影响。

**讨论与结论**
**讨论部分总结**：本研究构建的综合权重-云模型评估方法基于工程地质与水文地质信息，对地下金属矿山突水危险识别具有实用价值。但当前验证仍受限于工程样本数量、评价指标选择和分类阈值的矿山特定性，直接将该方法及其权重、分级标准、云模型参数和涌水阈值移植到其他水文地质条件不同的矿山需进行现场校准。未来应进一步收集多采场、多矿山监测数据，丰富评价样本，与其他评估模型对比，优化模型参数，以提高外部验证和工程适用性。

**研究结论翻译**：为更科学地评估复杂水文地质条件下地下金属矿山突水危险等级，本研究提出了一种融合直觉模糊层次分析法（IFAHP）、熵权法（EWM）和正态云模型的多源信息融合评价方法。主要结论如下：基于总结的金属矿山突水类型和主控因素，构建了包含4个一级指标和15个二级指标的突水危险性评价指标体系，涵盖含水层与隔水层水文地质特征、断层相关水文地质特征、采矿条件和采空区水文地质特征等关键致灾因素。在指标权重计算中，采用最小信息熵原理整合主观和客观权重，有助于降低单一赋权方法的偏差，提高指标赋权过程的合理性。引入正态云模型表征突水危险分级中的不确定性和随机性，通过云滴生成、隶属度计算和最大隶属度原则，实现了定性定量指标的耦合评价和突水危险等级划分。工程应用结果表明，150701、200-6-1和400-27-3采场分别划分为III级、II级和IV级，相应实测涌水量为28 m³/h、17 m³/h和35 m³/h，与案例矿山涌水等级区间一致，表明该方法在复杂水文地质条件下采场尺度突水危险评估中具有适用性。