本发明涉及一种靶区确定方法及装置，属于煤矿开采技术领域，具体涉及一种基于模糊层次分析确定煤层底板注浆靶区的方法及装置。
背景技术：
煤田深部奥陶纪灰岩具有富水性强、水压高等特点，而在古地形、古地貌、古水文和古气候等多因素影响下，下组煤层底板至奥灰强含水层的隔水岩层厚度具有高度不均性和各向异性的特点，尤其是在褶曲、断裂、陷落柱等地质构造发育的区域，有效隔水层变得更加薄弱甚至缺失，导致大部分下组煤回采时严重受到底部奥灰突水的威胁。为了解决安全回采的难题，通常采用底板注浆改造技术对底板隔水层进行加固和薄层灰岩含水层改造，从而增加有效隔水层厚度并达到安全回采的目标。注浆改造工程的质量主要取决于注浆靶区选择、注浆材料、注浆工艺三个因素，其中，注浆靶区选择是注浆材料选择、注浆工艺优化的基础，因此，如何合理地选择注浆靶区十分关键，为了解决这一难题，对煤层底板注浆介质-岩层的隔水性进行系统的研究十分必要。
目前，对于底部注浆靶区的选择，主要通过常规的定性或半定量化的分析方法进行注浆靶区的选择。这些方法虽然有一些可取之处，但这些方法在具体实际工程应用时存在着几个方面的不足：(1).岩层隔水性评价指标选择不全面，很难考虑各指标之间的相互作用和组合效应；(2).人为主观因素较大，评价标准不统一，对人员素质要求较高，不能广泛普及。
模糊综合层次分析法(faph)是层次分析法的改进版，具备层次分析法所有优点，是一种定性和定量相结合的、系统化的、层次化的分析方法，其特点是使复杂的系统分解，能将人的主观思维过程数学化、系统化，在解决问题上具有简洁性，尤其在解决非结构化决策问题上具有明显的优势，同时，模糊综合层次分析法使用三级标度，便于构建评判矩阵，更适合定性和半定量化的评判。地理信息系统(gis)是结合地理学与地图学以及遥感的计算机工具，具有强大的数据采集、数据管理、图像分析、图像输出、信息融合技术等功能，有很强的兼容性和扩展性，方便数学模型的嵌入和解决工程空间分析问题。但到目前为止，还没有一套基于模糊层次分析法和gis信息平台的用于底板注浆靶区位置选择的综合评价方法。
技术实现要素：
本发明主要是解决现有技术所存在的上述的技术问题，提供了一种基于模糊层次分析确定煤层底板改造注浆靶区方法及装置。该方法及装置基于综合层次分析法和gis信息平台建立起注浆靶区选择的评价体系，能充分利用已经获取的地质资料，能够更为准确的判断注浆靶区的位置。
本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：
1)建立隔水性综合评价子体系，其中包括选择煤层岩层隔水性主控因素，运用模糊层次分析法对主控因素赋权重，建立主控因素评价标准；
2)注浆靶区垂向层位确定，其中包括根据突水系数和带压开采理论确定垂向分段长度，依据底板岩层垂向发育特点和和可用资料完整程度进行垂向子分段划分，利用评价子模型对垂向子分段岩层隔水性综合评价；
3)注浆靶区平面位置确定，其中包括绘制各主控因素专题子图和利用gis信息技术专题子图融合和分区划分；
4)隔水评价模型效果检验，判断隔水评价模型精度是否满足研究区实际工程要求；
5)注浆靶区最终确定，当隔水评价模型精度满足要求使，进行注浆靶区位置确定；
因此，本发明具有如下优点：(1).基于底板岩层隔水性的主控因素，建立起比较全面的隔水性综合评价子体系，运用模糊层次分析法给各主控因素赋予权重，综合考虑到各指标之间的相互作用和组合效应；(2).根据相关规范建立比较统一的注浆靶区判断方法，减少人为主观因素，使得靶区的发现更具可操作性，便于推广；(3).基于模糊层次分析法和gis信息平台建立起注浆靶区选择的综合评价体系，能充分利用已经获取的地质资料，使得注浆靶区的确定更为准确和科学。
附图说明
附图1是本发明的底板注浆靶区确定具体流程图；
附图2是本发明的底板分段岩层整体隔水性综合评价体系；
附图3是岩层隔水性平面分区综合评价体系；
附图4是煤层底板岩层分段图；
附图5是底板岩层隔水性平面分区示意图。
具体实施方式
下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。
实施例：
本实施例的方法如图1所示。主要包括建立隔水性综合评价子体系，注浆靶区垂向层位确定，注浆靶区平面位置确定，隔水评价模型效果检验等步骤。下面具体描述。
1.建立隔水性综合评价体系
(1)选定评价体系主控因素
煤层底板注浆层位主要为煤层底板薄层灰岩和奥灰顶部岩层，二者都属于灰岩，需要对影响岩溶发育的主控因素进行分析。为了确定注浆靶区所在层位，依据模糊综合层次法建立起底板分段岩层整体隔水性综合评价体系(图2)，并对底板分段岩层进行综合评价，其中包括3个准则层指标和12个方案层指标：v＝{岩体孔隙性v1，水化学及水动力v2，岩性v3}；v1(岩体孔隙性)＝{钻孔岩溶率v11，岩芯采取率v12，岩溶孔隙度v13，冲洗液漏失量v14，裂隙充填程度v15，渗透性v16}；v2(水流及水化学)＝{钻孔涌水量v21，含水钻孔数v22，ph值v23，水温v24}；v3(岩性)＝{岩石组分v31，岩层组合v32}。目标层v划分为四个等级，即，隔水性强、隔水性较强、隔水性中等、隔水性弱。在注浆改造工程中，将隔水性弱岩层作为注浆治理靶区。
为了确定平面注浆靶区位置，同样依据模糊综合层次法建立起底板分段岩层隔水性平面分区综合评价体系(图3)，其中包括4个准则层指标和15个方案层指标，h＝{岩体孔隙性h1，水流及水化学h2，岩性h3，地质构造h4}；h1(体孔隙性)＝{钻孔岩溶率h11，岩芯采取率h12，岩溶孔隙度h13，冲洗液漏失量h14，裂隙充填程度h15，渗透性h16}；h2(水流及水化学)＝{钻孔涌水量h21，含水钻孔数h22，ph值h23，水温h24}；h3(岩性)＝{岩石组分h31，岩层组合h32}，h4＝{断层发育程度h41，褶曲轴部h42，陷落柱h43}。目标层h划分为四个等级，即，隔水性强、隔水性较强、隔水性中等、隔水性弱。将隔水性弱的平面分区作为注浆治理靶区，隔水性中等的平面分区需做进一步工程勘查确定其是否需要注浆。
(2)使用模糊层次分析法确定主控因素权重
使用模糊层次分析法确定底板分段岩层整体隔水性综合评价体系和岩层隔水性平面分区综合评价体系的各指标的权重值。具体步骤如下：
①建立优先关系矩阵
该矩阵是模糊互补矩阵r＝(rij)n×n,矩阵因素照下列规则确定：
②将优先关系矩阵改造成模糊一致矩阵
即先对r按行求和,记为
式中，n为子评价系统中主控因素的个数；
实施行变换，得模糊一致矩阵f＝(fij)n×n
③层次单排序
根据模糊一致判断矩阵对主控因素的重要性排序,si(k)表示k层第i个主控因素对(k-1)层中某主控因素的重要性次序，常用如下的方根法：
④层次总排序
所谓的层次总排序，即为计算同一层包含的主控因素对目标层(最高层)重要性的排序权值，主控因素的权重需要从上到下逐层顺序进行，对于最高层下面的第二层，其层次单排序即为总排序。在层次但排序的基础上，假定已经算出第k-1层m个元素相对于总目标的权重s(k-1)＝(s1(k-1),s2(k-1),…,sm(k-1))t，第k层n个元素对于上一层(第k层)第j个元素的单排序权重是pj(k)＝(p1j(k),p2j(k),…,pnj(k))t，其中不受j支配的元素的权重为零。令p(k)＝(p1(k),p2(k),…,pn(k)),表示第k层元素对第k-1层个元素的排序，则第k层元素对于总目标的总排序为：
s(k)＝(s1(k),s2(k),…,sn(k))t＝p(k)s(k-1)(4)
式中，s(k)表示第k层所有主控因素对中目标的权重向量。
表1子评价系统各主控因素权重初始赋值表
通过专家对主控因素分析和判断构建起主控因素矩阵，经过计算，分别得出两个子综合评价系统的权重初始赋值，如表1，体系v表示底板分段岩层整体隔水性综合评价体系，体系h表示岩层隔水性平面分区综合评价体系，在具体实际工程中，可根据研究区实际地质条件对权重初始赋值进行调整。
(3)主控因素的评价标准
各主控因素对岩层隔水性影响不同，通过查阅相关规范，建立起各主控因素等级评价标准表(表2)。该表为两个子系统共用：底板分段岩层整体隔水性综合评价体系在评价过程中，使用岩体孔隙性能、水流及水化学特性、地质构造包含的12个主控因素，由于该子评价体系反映底板岩层隔水性的平均水平，因此各主控因素取平均值，例如，钻孔岩芯率实为平均钻孔岩芯率；岩层隔水性平面分区综合评价体系在评价过程中，需要用到表2中所列15个主控因素，除岩石组分、断层、褶曲轴、陷落柱四个主控因素外，其余各主控因素在使用时取平均值。
表2主控因素隔水性等级评价标准表
注：a.lu为吕荣单位，是1mpa压力下，每米试段的平均压入流量，以l/min计；
b.各主控因素的评价等级对应百分制，弱：＜60；中等：60-80；较强：80-90；强：＞90；
2.注浆靶区垂向层位确定
(1)煤层底部岩层垂直分段
为实现下组煤带压安全开采，需要确保煤层底板有足够的有效隔水岩层，因此，需要对底板隔水厚度临界值进行计算。目前，常用的方法是通过突水系数法反推底板隔水层厚度临界值m，具体操作步骤如下：
式中，m为底板隔水厚度临界值(m)，p为底板隔水层承受的水压(mpa),ts为突水系数(mpa/m)。就全国实际资料看，底板受构造破坏块段突水系数一般不大于0.06mpa/m，正常块段不大于0.1mpa/m。
煤层底板隔水岩层垂直分段长度mi＝5,10…m或者根据实际地层条件进行划分。例如，对底板岩层按照子分段mi＝5m进行分段，如图4。
(2)底板各分段岩层综合评价
对于各主控因素中的定量指标，依据标准化统计值来获各等级评分；对于定性主控因素，则采用专家评估法进行等级评分；最后底板各分段岩层隔水性评价数学模型可表示为：
式中，wvi为底板第i个岩层分段评价综合值，
根据wvi综合评分，判断其隶属的隔水性等级区间和是否需要注浆：若综合评分隶属于隔水性弱区间，则判断该岩层分段为注浆靶区层位，若隶属于隔水性中等区间，则需要根据后期的勘探资料，其中包括后期物探、钻探的补充资料等，进一步确定是否为注浆靶区层位。
3.注浆靶区平面位置确定
收集步骤2中注浆靶区垂向层位确定的重点治理层位详细资料，并将相关的地理坐标信息和评判信息录入gis系统，建成主控因素相关资料数据库；利用gis空间分析工具对研究层段网格剖分、插值等处理，绘制出主控因素专题图，例如，钻孔岩溶率、岩芯采取率、岩溶孔隙度、冲洗液漏失量、裂隙充填程度等专题图。根据确定的主控因素的专题图和岩层隔水性平面分区各指标的权重，建立注浆靶区平面分区数学模型：
式中，wh为重点治理层位平面各栅格点隔水性综合评分，shi为平面隔水性分区评价体系方案层中第i个主控因素相对于目标的权重向量，hi(x,y)为研究层任一栅格位置上第i个主控因素的综合评分，(x，y)为栅格点的坐标，n为评价体系中主控因素的个数。
对gis合成的综合评判图进行分级，判断其隶属的隔水性等级区间和是否需要注浆(同步骤2)：若综合评分隶属于隔水性弱区间，则判断该分区岩层为注浆靶区，若隶属于隔水性中等区间，则需要根据后期的勘探资料，进一步确定是否为注浆靶区。
4.隔水评价模型效果检验
根据评价结果，采用试点法，即在预测靶区的一处或者多处进行现场布置钻孔，通过钻孔岩溶率，岩芯采取率，岩溶孔隙度，冲洗液漏失量等参数测量，验证靶区位置预测是否准确，从而确定评价体系各主控因素权重是否适合研究区域，若检验效果不好，则需要重新调整各主控因素权重值，直至注浆靶区满足精度要求。
5.注浆靶区位置确定
通过步骤4确定适合研究区的各主控因素权重值，然后进行步骤2、3最终确定研究区注浆靶区的位置。例如，在步骤2中确定注浆靶区层位段为30-35m，通过gis信息融合后可获得底板岩层隔水性平面分区图，图5为示意图。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。