基于GIS-AHP-独立权系数法的矿井构造复杂程度定量评价——以顾北煤矿为例

《Frontiers in Physics》：Quantitative evaluation of mine structural complexity based on GIS-AHP-independence weight coefficient method: a case study of Guobei Coal Mine

　　

矿井地质构造是控制煤矿安全生产的核心要素，也是诱发矿井突水事故的主要通道。针对矿井构造复杂程度评价中评价指标不全面和赋权方法单一的问题，研究人员以顾北煤矿为研究对象，基于GIS、层次分析法（Analytic Hierarchy Process，AHP）与独立权系数法（Independence Weight Coefficient Method）耦合构建了矿井构造复杂程度定量评价模型。选取断层密度、断层强度、断裂分形维数和褶皱平面变形系数4个核心指标，采用层次分析法确定主观权重，利用独立权系数法确定客观权重，并通过乘法合成归一化方法实现主客观权重的融合。运用ArcGIS完成空间定量分析与专题图叠加，将研究区划分为4个等级的构造复杂程度分区。结果表明：（1）断层强度对构造复杂程度影响最大（综合权重为0.4212），其次为褶皱平面变形系数（0.2894）和断裂分形维数（0.2516）；（2）构造复杂区和较复杂区呈现3处集中分布，分别位于矿井东北部、中部和南部，构造复杂区和较复杂区分别占矿井总面积的15.8%和24.3%；（3）具体到84和85采区，构造复杂区和较复杂区分别占各自采区面积的21.1%和41.0%。采区突水点主要分布于构造复杂区及较复杂区内或其邻近部位，需重点关注顶板裂隙带和断层交汇处的突水威胁。研究成果准确刻画了顾北煤矿构造复杂程度的空间分异特征，为矿井水害防治提供了针对性目标和科学地质依据；同时，为类似地质条件矿井的构造复杂程度定量评价提供了方法借鉴，丰富了矿井构造定量评价的理论与方法体系。

基于GIS-AHP-独立权系数法的矿井构造复杂程度定量评价研究解读

**一、研究背景与科学问题**

矿井地质构造是控制煤矿安全生产的核心地质要素。断层和褶皱构造不仅直接影响煤层赋存形态与开采布局，更是诱发矿井突水事故的主要通道。在构造复杂区域，顶板裂隙带导通与断层活化等问题极易引发含水层水涌入采掘工作面，造成生产中断甚至人员伤亡，因此开展矿井构造复杂程度定量评价具有重要的理论与工程意义。当前该领域存在三方面突出问题：一是多数研究仅采用单一的主观或客观赋权方法，难以同时兼顾专家经验与数据内在规律，导致权重分配产生偏差；二是部分研究对构造要素的表征不够全面，或忽视褶皱构造的定量评价，或未引入分形理论刻画断裂网络的复杂特征；三是现有研究多聚焦于全井田构造复杂程度分区，评价结果与矿井突水规律、构造控水规律的结合不足，难以为具体采区的水害防治提供针对性技术指导。

顾北煤矿地处华北板块东南缘徐淮弧形构造带中段，历经基底形成、盖层发育、印支运动、燕山运动和喜马拉雅期等多期构造演化，形成燕山期NE-NNE向断裂体系叠加印支期近南北向褶皱的"断裂—褶皱复合"构造样式。2005年至2022年间该矿累计发生多次突水事故，大多与构造发育密切相关。其中84、85采区作为核心采掘区，迫切需要查明其构造发育特征与控水规律。研究人员以此为契机，基于多源信息融合理论开展矿井构造复杂程度定量评价。

**二、关键技术与方法**

研究人员将井田划分为173个800 m×800 m的矩形计算单元，分别统计断层数量、延伸长度与断距，按单位面积内断层延伸长度与断距乘积之和计算断层强度（Fault intensity）；采用网格法结合AutoLISP语言编程实现断裂分形维数（Fractal fractal dimension，定量反映断裂网络复杂程度的指标）自动化统计；基于相邻等高线参数计算褶皱平面变形系数（Fold planar deformation coefficient，定量表征褶皱变形程度的参数）。邀请5名从业18~28年的煤矿地质与水文地质专家（含教授级高级工程师、研究员、高级工程师和教授）进行AHP两两比较打分，经一致性检验（C.R.=0.0077<0.1）确定主观权重；基于多重相关系数的倒数归一化确定客观权重；采用乘法合成归一化计算综合权重；利用ArcGIS完成各指标专题图的空间叠加分析，采用自然断点法（Jenks，一种基于数据内在聚簇特征的分级方法）进行四级分区。

**三、研究结果**

**（一）单项指标特征分析**

断层密度总体为12~60条/km²，北部82采区受F5、F6、F15等断层群影响最大密度超过96条/km²。断层强度高值区多与规模较大的断层有关，井田中部存在近东西向高强度带（0.2~0.45）。断裂分形维数整体呈中部低、南北高的分布趋势，84、85采区介于1.4~1.9之间，高值区集中于82采区F15、F15-1断层附近及81采区F8、F50断层附近。褶皱平面变形系数为0.2~0.8，自中部向东西两侧递增，85采区褶皱较84采区发育。

**（二）主控因素综合权重确定**

独立权系数法所得客观权重中，断层强度最高（43.491%），其次为褶皱平面变形系数（33.080%），而断层密度与断裂分形维数因信息重叠度较高（多重相关系数分别为0.755和0.752）权重较低；AHP所得主观权重中，断裂分形维数最高（49.74%）。经乘法合成归一化后综合权重排序为：断层强度（0.4212）>褶皱平面变形系数（0.2894）>断裂分形维数（0.2516）>断层密度（0.0378），表明断层强度是控制该矿构造复杂程度的主导因素，其高独立性源于整合了断层长度（平面延伸）与断距（垂向切割）两个正交维度的信息。

**（三）矿井构造发育特征与构造控水规律研究**

依据综合阈值0.3732、0.4208、0.4718将研究区划分为构造复杂区、较复杂区、中等复杂区和简单区四级。构造复杂区和较复杂区呈三处集中分布：东北部（围绕F15、F15-1、F22-1断层）、中部（围绕F26、F34断层）和南部（围绕F22、F48及DF2、F8、F3-1断层），分别占矿井总面积的15.8%和24.3%；84、85采区二者合计分别占各自采区面积的21.1%和41.0%。2005年12月至2022年12月