煤層底板復合巖層微觀縫隙結構復雜程度定量辨識

王心義 ，陳 博 ，田世元 ，鄒 宇 ，張 波

（1.河南理工大學 資源環(huán)境學院, 河南 焦作 454000；2.河南省焦作市中站區(qū)農業(yè)農村局, 河南 焦作 454000；3.煤炭安全生產(chǎn)與清潔高效利用省部共建協(xié)同創(chuàng)新中心, 河南 焦作 454100；4.廣東省水文局江門水文分局, 廣東 江門 529000；5.中國平煤神馬集團能源化工研究院, 河南 平頂山 467000）

0 引 言

我國華北型煤田區(qū)主采二疊系和石炭系煤層，開采煤層與下伏奧陶系或寒武系厚層含水層之間分布有薄層灰?guī)r、砂巖和泥巖構成的復合巖層。受構造和采動的雙重影響，巖層中的縫隙（節(jié)理、層理、孔隙、裂隙、溶隙）較為發(fā)育[1-2]。其中宏觀（大中型）縫隙具直接或間接突水危險性，而微觀（小微型）縫隙因利于地下水的導升和滲流而增強了突水危險性[3]。平煤股份公司八礦、十三礦、首山一礦自建成以來，已發(fā)生6 起底板突水事故，對其進行調查研究，結果表明其突水層位復合巖層微觀結構復雜程度尚不知情且隔水能力相對薄弱，因此復合巖層是抵抗高壓水和阻滯地下水導生以及防止底板突水的關鍵，其研究非常必要。深入研究己煤底板巖石的微觀結構特征與分布規(guī)律，對于認識巖石的微觀本質以及煤炭宏觀利用有著很大的實用價值。另外，同等地質、水文地質和采掘工程布置條件下，不同埋深、不同巖性的巖層，其微觀縫隙結構的差異性較大。一般來說，微觀縫隙結構越復雜，說明其巖層導水性和透水性越好。因此，系統(tǒng)分析復合巖層的微觀縫隙結構并定量評價其復雜程度對于精準識別煤層底板含水層突水危險性并采取合理防治水對策具有重要價值。

復合巖層是指由不同成分的巖石交替堆積而成的巖石體系。通過對復合巖層微觀結構的定量辨識，可以解析出其不同成分的來源、沉積環(huán)境及其演化歷史，能夠更深入理解地球內部和表層的運動與演化規(guī)律，在工程建設和礦產(chǎn)資源開發(fā)中也舉足輕重。在油氣地層領域，可為油氣勘探開發(fā)提供科學依據(jù)；在隧道或坑道領域，綜合考慮不同成分對圍巖穩(wěn)定性的影響，能夠預測和避免地質災害的發(fā)生；在礦產(chǎn)資源開發(fā)領域，通過分析不同成分的巖石組成及其相對構造關系，進行礦物資源的有效勘探和開采?？傊ㄟ^對復合巖層微觀結構的研究，為各種地球科學領域提供科學依據(jù)和技術支持，具有廣闊的研究前景和潛在的經(jīng)濟價值。目前，已有國內外眾多學者圍繞巖層微觀縫隙結構展開了系統(tǒng)的研究。TOVEY[4]首次利用電子顯微鏡并在二維和三維層面定量分析土壤樣品的微觀縫隙結構，開辟了定量分析土壤樣品微觀縫隙結構的新思路。YUDHBIR 等[5]借助掃描電子顯微鏡和圖像分析儀在砂巖顆粒形態(tài)和微觀結構定量中的應用，探討了巖石形態(tài)和微觀結構因素與力學特性的關系。HUI 等[6]通過低溫N2吸附分析和場發(fā)射掃描電子顯微鏡（FESEM）研究了志留系黑色頁巖礦物基質與縫隙體積和表面積之間的相關性。KROHN 等[7]開發(fā)了基于掃描電子顯微鏡的自動測量技術，可從斷裂表面的掃描電子顯微鏡（SEM）圖像中精確測量砂巖微觀結構的分形維數(shù)并測量了分形區(qū)域的長極限。楊軍等[8]借助Image Pro Plus 圖像分析軟件，準確計算了SEM 圖像中不規(guī)則孔洞的面積、周長、半徑和數(shù)量，并通過fox 分形軟件系統(tǒng)對瀝青AFM 觀測圖像開展系統(tǒng)分析，利用分形維數(shù)觀察瀝青的微觀結構具有很高可行性，是一種新穎可靠的評價方法。鄭司建等[9]基于壓汞試驗，以準噶爾盆地南緣低煤階煤樣為切入點，建立分形模型，對煤儲層的微觀縫隙結構特征進行定量描述，結果表明煤儲層的滲透性隨著分形維數(shù)的增加有稍微減小的趨勢。SHEN[10-12]、HORNE[13]等在提出的分形毛管壓力模型的基礎上，利用毛管壓力數(shù)據(jù)計算分形維數(shù)D。實際數(shù)據(jù)驗證了該方法的有效性。李靜等[14]基于CT 掃描試驗重構三維數(shù)字巖心，研究泥頁巖儲層巖石的微觀縫隙結構機制，得出縫隙度和分形維數(shù)對巖石的微觀結構復雜程度均存在較大影響，縫隙度和分形維數(shù)越大，其復雜程度越大。侯健利等[15]用CT 微觀驅替試驗系統(tǒng)得到巖芯CT 圖像，并將圖像信息轉化為三維數(shù)據(jù)體，在此基礎上提取樣品的平均體積，接觸面積比，形狀因子等指標對縫隙尺度下樣品的形態(tài)進行定量表征。田志[16]豐富了核磁共振在巖石物理性質評價中的應用方向，利用微裂縫、粒間小孔、溶蝕大孔的信號能量變化趨勢不同，反映不同類型縫隙間的連通性存在差異，對利用核磁共振評價復雜縫隙巖石的縫隙結構和連通性提供了新思路和新方法。楊赫等[17]基于核磁共振試驗測試了注水過程中，不同圍壓及水壓作用下煤體縫隙結構特征，并結合分形幾何理論對煤體有效滲流通道結構分形特征進行了分析。鄧濤等[18]以四川盆地上三疊統(tǒng)須家河組不同層段黑色泥巖為例，在低溫氮氣吸附試驗的基礎上，采用Frenkel-Halsey-Hill（FHH）分形模型研究三疊統(tǒng)須家河組不同層段黑色泥巖的縫隙結構和縫隙分形差異特征。

顯然，掃描電鏡法（SEM）、壓汞法、毛細管壓力曲線法、鑄體光片法、電子計算機斷層掃描法（CT）、核磁共振法、三維重構法、氮氣吸附法（N2）等多種方法的應用，為巖層微觀縫隙結構的科學檢測提供了支持。同時，分形理論也已用于微觀縫隙結構的定量化研究中，為微觀縫隙結構不均一發(fā)育特征的精準表征奠定了基礎。然而，受樣品測試指標數(shù)量不足及測試結果難以統(tǒng)一量化的限制，耦合不同檢測方法的測試結果，利用現(xiàn)代數(shù)學方法定量化界定巖層微觀縫隙結構的的研究相對較少。筆者基于57塊巖樣的SEM 圖像采集和N2吸附試驗結果，遴選面積縫隙率、等效縫隙直徑、比表面積、縫隙面積分維值、縫隙體積分維值為主控因子，建立了多因子耦合下的熵權法-TOPSIS 模型，定量識別了不同巖性巖層的微觀縫隙結構復雜程度。由于選取的指標因子涵蓋了描述巖層微觀縫隙結構復雜程度的多種因素，其成果為準確判別復合巖層微觀縫隙結構發(fā)育特征差異性提供了有力支撐。

1 巖樣及檢測

1.1 煤層底板復合巖層結構

平頂山煤田東三礦包括十三礦、八礦和首山一礦，目前主采己16-17 煤層。據(jù)已有鉆探資料，己16-17 煤層與寒武系灰?guī)r之間主要由砂質泥巖、中細砂巖、薄煤層、薄層灰?guī)r和鋁土質泥巖構成，厚度在81.0～103.0 m，均值為90.6 m，如圖1 所示。

圖1 己16-17 煤底板復合巖層柱狀圖Fig.1 Histogram of 16-17 coal floor composite rock formation

為定量判別己16-17煤層底板復合巖層的微觀縫隙結構和隔水性能，專門施工7 個鉆孔，如圖2 所示、提取57 塊巖樣進行參數(shù)測試，巖樣選取總原則是鉆孔巖心必須具有典型性和代表性，篩選要考慮的因素是多方面的，如鉆孔的位置、鉆孔代表性、鉆孔代表地區(qū)的礦化形式和類型、勘探階段、巖心種類或性質等。為體現(xiàn)區(qū)位差異性，明確區(qū)位特征，因地制宜開發(fā)利用區(qū)域資源，根據(jù)平煤神馬集團煤層開采報告和現(xiàn)場實際取心狀況將研究區(qū)己組煤層底板到寒武系石灰?guī)r之間的巖層按巖性組分特征劃分為L1～L2灰?guī)r段、砂巖段（含砂質泥巖）、L5～L7灰?guī)r段、鋁土質泥巖段。

圖2 鉆孔位置Fig.2 Drilling position

為便于比對分析不同位置和層段巖樣的性質，對57 塊巖樣進行編號，其編號規(guī)則為：鉆孔→巖性→樣品。其中巖性按L1～L2灰?guī)r段→砂巖段→L5～L7灰?guī)r段→鋁土質泥巖段順序，分別編號為1、2、3、4。即：1 號鉆孔L1～L2灰?guī)r編號為1-1，其第1 個巖樣編號為1-1-1。

1.2 FESEM 圖像采集與處理

應用場發(fā)射掃描電鏡（FESEM）進行圖像采集及處理的步驟是：首先，對57 塊樣品在×500、×1 000、×1 500、×2 000 倍數(shù)下進行圖像采集，利用ImageJ 軟件對圖像進行校正，統(tǒng)一像素與放大單位的關系。隨后，對圖像進行預處理，將圖像轉變?yōu)榛叶葹? bit的圖像。最后，在對圖像進行閾值分割處理[19]，為避免人為因素造成的閾值選擇的偏差，多次操作選擇出最優(yōu)的二值化圖像。最終提取二值化圖像中的微觀參數(shù)，計算出面積縫隙率、等效縫隙直徑等指標。圖像參數(shù)處理如圖3 所示。

圖3 圖像參數(shù)處理觀測Fig.3 Observation of image parameter processing

1.3 N2 吸附試驗

N2吸附試驗是利用比表面積孔徑分析儀（圖4）測試巖樣對N2的吸附量，從而反映微觀縫隙結構的發(fā)育情況。其步驟為：①稱取0.5 g 干燥樣品，裝入比表面積孔徑分析儀的脫氣系統(tǒng)中進行脫氣處理。溫度設定為40 ℃，真空度低于6.67×10?2Pa，直至達到恒壓后脫氣。②脫氣后的樣品冷卻至室溫，然后置入高純氮氣中，進氣量為3 mL/g，設定恒溫至77 K（?195 ℃），在相對壓力P/P0為0.01～1 之間測定吸附平衡等溫線。③在恒溫77 K 下先緩慢升高氣體分壓，后逐步降低氣體分壓，待吸附和脫附分支明顯分離，形成滯后回線，此時對試驗系統(tǒng)中數(shù)據(jù)進行提取并進行分析計算，從而得到巖石比表面積和縫隙體積。

圖4 比表面積孔徑分析儀Fig.4 Automatic specific surface area and micropore analyzer

2 主控因子確定

表征巖石微觀縫隙結構的因素包括數(shù)量、張開度、延展長度、發(fā)育深度、彎曲度、交叉復合程度等[20-21]，影響地下水運動的因素包括縫隙粗糙度、巖石礦物組分等[22-23]。鑒于準確獲取所有因素參數(shù)的難度高和工作量大，目前常用等效參數(shù)來刻畫巖石微觀縫隙結構特征。由于單一儀器設備所獲參數(shù)難以全面反映微觀縫隙結構，筆者基于FESEM 圖像采集[24]、N2吸附試驗所獲得的數(shù)據(jù)，以及分形理論界定的參數(shù)，遴選關鍵指標因子來判識巖石微觀結構復雜程度。

2.1 基于FESEM 圖像的指標因子

2.1.1 面積縫隙率

巖石面積縫隙率的大小與微觀縫隙發(fā)育程度有關?？p隙率越高，縫隙發(fā)育越顯著[25]，巖層的復雜程度越突出。二維圖像的平面縫隙率為縫隙像素所占區(qū)域與完整圖像區(qū)域的比值，即：

式中：A為完整圖像面積，μm2；Ap為縫隙面積，μm2；Φ為面積縫隙率，%。

復合巖層的面積縫隙率按下式計算

以1-1-2 樣本為例，利用ImageJ 軟件所提取出的參數(shù)“Area”，利用式（1）可求得樣本在不同放大倍數(shù)下的面積縫隙率，進而可給出其均值。樣本1-1-2的面積縫隙率見表1，同理可得到其他巖樣的面積縫隙率。

表1 1-1-2 樣本縫隙Table 1 1-1-2 sample gap

以1 號鉆孔L1～L2灰?guī)r段“1-1”為例，其樣本1-1-1 和1-1-2 厚度比分別為70.80%、29.20%，利用式（2）計算的“1-1”層位復合面積縫隙率為2.770 1%。同理，可得7 個鉆孔不同層段的復合面積縫隙率。核密度分析法是通過對空間點數(shù)據(jù)的分布進行連續(xù)化模擬，以空間格網(wǎng)中核密度值來反映空間中點的分布。通過ArcGIS 軟件進行空間平滑處理生成連續(xù)分布密度柵格圖，并依據(jù)核密度計算公式為各柵格賦值，點數(shù)據(jù)中心賦予最高值，指定圓形鄰域向外柵格賦值逐漸衰減，并在指定圓形鄰域內減少至零，核密度圖能有效直觀的分析點數(shù)據(jù)的密集分散區(qū)域，其生成二維核密度如圖5 所示。

圖5 復合巖層面積縫隙率核密度Fig.5 Core density of area crack rate of composite rock stratum

由圖5 可知，不同鉆孔不同層段的面積縫隙率具有差異性，表現(xiàn)了含煤地層不同巖性巖層微觀縫隙發(fā)育的不均一性。其中砂巖段面積縫隙率全部位于1.47%～2.44%，說明了砂巖段相較于其他巖性，其面積縫隙率一致性更高。

2.1.2 等效縫隙直徑

掃描電鏡下巖石縫隙是不規(guī)則的，精準界定它們的尺寸是困難的，因此常用等效縫隙直徑來描述縫隙特征。等效縫隙直徑越大，巖層內部的孔隙間距越明顯，越利于地下水流動。對于二維平面內掃描電鏡下的圖像，巖石等效縫隙直徑[26]定義如下：

式中：dE為巖石等效縫隙直徑，μm；Ap為縫隙平均面積，μm2。

復合巖層由多種巖性的巖石構成，其等效縫隙直徑可按下式計算：

以1-1-2 巖樣為例，利用ImageJ 軟件所提取出的參數(shù)“Average Size ”，其求樣本總均值。根據(jù)式（3）得出1-1-2 的等效縫隙直徑見表2，同理可得到其他巖樣的等效縫隙直徑。

表2 1-1-2 樣本等效縫隙直徑Table 2 1-1-2 sample equivalent fissure diameter

以1 號鉆孔L1～L2灰?guī)r段“1-1”為例，其樣本1-1-1 和1-1-2 厚度比分別為70.80%、29.20%，利用式（4）計算“1-1”層位復合等效縫隙直徑為0.080 9 μm。同理，可得7 個鉆孔不同層段的復合等效縫隙直徑，其二維核密度如圖6 所示。

圖6 復合巖層等效縫隙直徑核密度Fig.6 Equivalent crevice diameter nuclear density of composite strata

由圖6 可知，不同鉆孔不同層段的復合等效縫隙直徑具有差異性，表現(xiàn)了含煤地層不同巖性巖層微觀縫隙發(fā)育的不均一性。其中L5～L7灰?guī)r段復合等效縫隙直徑均位于0.072 5～0.095 μm 區(qū)間內，說明了L5～L7灰?guī)r段相較于其他巖性，其復合等效縫隙直徑一致性更高。

2.2 基于N2 吸附試驗的指標因子

以上基于FESEM 圖像提取的指標——面積縫隙率、等效縫隙直徑，反映的僅是巖樣表面的縫隙特征，而其內部結構特征可用N2 吸附試驗提取的指標?比表面積和縫隙體積來刻畫。

2.2.1 比表面積

比表面積為單位質量巖樣的總表面積，比表面積越大，說明測試巖樣內部顆粒形狀不規(guī)則性突出，孔隙不致密性越強，內部縫隙越多[27]。根據(jù)N2吸附試驗測試的57 塊巖樣比表面積，進一步可得7 個鉆孔各層位的復合比表面積，其二維核密度如圖7所示。

圖7 復合巖層比表面積核密度Fig.7 Nuclear density of specific surface area of composite strata

由圖7 可知，不同鉆孔不同層段的復合比表面積具有差異性，表現(xiàn)了含煤地層不同巖性巖層縫隙數(shù)量的不均一性。其中L5～L7灰?guī)r段復合比表面積均位于10.117 3～18.201 1 m2/g 區(qū)間內，說明了L5～L7灰?guī)r段相較于其他巖性，其復合比表面積一致性更高。

2.2.2 縫隙體積

縫隙體積分維是描述巖石縫隙結構特性的一個重要參數(shù)，反映了巖樣縫隙內在多孔介質形狀的不規(guī)則性?？p隙體積為單位質量巖樣的縫隙體積，其值越大，說明測試巖樣內部縫隙空間越大[28]。根據(jù)N2吸附試驗測試的57 塊巖樣縫隙體積，進一步可得7 個鉆孔各層位的復合縫隙體積，其二維核密度見圖8。

圖8 復合巖層縫隙體積核密度Fig.8 Volume nuclear density of crevice in composite strata

由圖8 可知，不同鉆孔不同層段的復合縫隙體積具有差異性，表現(xiàn)了含煤地層不同巖性巖層縫隙體積的不均一性。其中砂巖段復合縫隙體積全部位于1.47%～2.44%區(qū)間內，說明了砂巖段相較于其他巖性，其復合縫隙體積一致性更高。

2.3 基于分形理論的指標因子

受儀器、巖樣及環(huán)境等多種因素的影響，現(xiàn)有測試儀器難以達及整個巖樣內部，亦即所測試參數(shù)一般都是在巖樣表面或淺表層進行的。一般來說，巖石縫隙走向和傾向具有連續(xù)性和延展性，亦即縫隙發(fā)育表現(xiàn)較強的自相似特點。分形理論的分維值可以較好地表征參數(shù)的自相似性，分維值越大，說明參數(shù)在巖樣表面和內部的一致性越強?？傊?，分形理論分維值可以有效刻畫參數(shù)“由表及里”的關聯(lián)性。

2.3.1 縫隙面積分維值

針對制取的巖樣，采用“小島法”分形模型[29]，繪制FESEM 圖像上巖石縫隙周長（Y）和縫隙面積（X）的擬合曲線，其冪函數(shù)方程為：

式中：D為巖石面積分形維數(shù)；n為分形系數(shù)；Y為縫隙周長，μm；X為縫隙面積，μm2。

復合巖層的面積分維值按下式計算：

式中：D為復合巖層縫隙面積分維值；Di為巖石縫隙面積分維值；Ti為巖石厚度占比。

以樣本7-2-2 為例，倍鏡×500 下巖石縫隙周長和縫隙面積關系如圖9 所示，擬合的冪函數(shù)方程為Y=1.254 6X0.7323。顯然，縫隙面積分維值D=1.464 5、分形系數(shù)n=0.8。不同倍數(shù)下7-2-2 樣本的縫隙面積分維值見表3，同理可得到其他巖樣的縫隙分維值。

表3 7-2-2 樣本縫隙面積分維值Table 3 7-2-2 sample of fractal dimension of sample gap area

圖9 面積-周長法不同擬合方程及方差Fig.9 Different fitting equations and variance of area perimeter method

以7 號鉆孔砂巖段“7-2”為例，其樣本7-2-1 和7-2-2 厚度比分別為77.31%、22.69%，利用式（6）計算“7-2”層位復合面積分維值為1.265 5。同理，可得7 個鉆孔不同層位的縫隙面積分維值，其分布情況如圖10 所示。顯然，不同鉆孔不同層段的復合縫隙面積分維值具有差異性。

圖10 復合巖層縫隙面積分維值核密度Fig.10 Fractal dimension value nuclear density of crevice area in composite strata

2.3.2 縫隙體積分維值

根據(jù)Hausdorff 理論[30]，建立煤層巖石中縫隙半徑r與體積S之間的分形模型[31]：

其中，K=(D?3)lnrmax為常量。

以樣本“5-1-1”為例，其lnS-lnr散點圖如圖11所示。顯然，其縫隙體積分形維數(shù)D=1.429 2、rmax=12.767 8。線性相關系數(shù)平均在 0.85 以上，相關性較好。說明了Hausdorff 理論分形模型求取的縫隙體積分維值可靠性較高。

圖11 巖樣5-1-1 ln S-ln r 散點圖Fig.11 ln S-ln r scatter diagram of 5-1-1 rock sample

同理，可得到57 塊樣本的縫隙體積分維值，進一步可得7 個鉆孔各層位的復合縫隙體積分維值，其分布情況如圖12 所示。

圖12 復合巖層體積分維值核密度Fig.12 Volume fractal dimension value nuclear density of composite strata

3 復雜程度判識

參考文獻[32]，利用熵權理論及數(shù)據(jù)本身的客觀屬性計算客觀權重，基于TOPSIS 理論定量評價復合巖層縫隙微觀結構復雜程度。

3.1 權重確定

針對7 個鉆孔4 個巖段的6 個指標因子值（表6），可計算其熵值Ej[33]：

Ej處理后進一步計算[33]得到指標的差異系數(shù)Gj：

然后可求得6 個指標因子的權重Wj：

3.2 復雜程度定義

首先基于客觀權重可得到的加權標準化矩陣Y：

其中，yij=rij×wj，wj為6 個因子的權重；n為評價對象個數(shù)，m為每個對象的指標個數(shù)。

進一步處理得到理想解和負理想解[34]：

最后可求得[32]復合巖層微觀縫隙結構的復雜程度貼近值Ci：

式中，0 ≤Ci≤1，Ci→1表明評價對象復雜程度越高。

利用式（10）求得的7 個鉆孔4 個巖段復合巖層微觀縫隙結構的復雜程度貼近值，計算結果見表4。

表4 復合巖層縫隙結構復雜程度Table 4 Complexity of crevice structure in composite strata

7 個鉆孔4 個巖段微觀縫隙結構復雜程度等級定義見表4 和圖13 所示。復雜程度等級越高，其巖樣內部縫隙越發(fā)育。

圖13 鉆孔復合巖層微觀縫隙結構復雜程度對比Fig.13 Comparison of complexity of micro-fissure structure in borehole composite strata

顯然，7 個鉆孔4 個巖段中，復合巖層微觀縫隙結構的極簡單、簡單、中等、復雜、極復雜等級占比分別為25.00%、21.43%、39.29%、7.14%、7.14%。中等程度以下占比85.72%，表明研究地段己16-17煤層與寒武系灰?guī)r之間復合巖層的微觀縫隙結構不太復雜，但均質性不一。

3.3 討 論

為便于定量化對比，將極簡單、簡單、中等、復雜、極復雜分別賦值為1、2、3、4、5，具體見表5，則不同鉆孔不同層位微觀縫隙結構復雜程度的定量化值見表6、表7。

表5 鉆孔復合巖層復雜程度分級閾值Table 5 Classification threshold of complex degree of borehole composite strata

表6 復合巖層縫隙結構復雜程度量化值Table 6 Quantitative value of complex degree of crevice structure in composite strata

表7 層位量化均值Table 7 Quantitative value of horizon

由表6、表7 可以看出，7 個鉆孔的復合巖層微觀縫隙結構復雜程度量化平均值在2-3.5 區(qū)間范圍內，以5 號鉆孔為最高，1 號和4 號鉆孔為最低。由圖1b 可以看出：1 號鉆孔和4 號鉆孔周圍沒有斷層經(jīng)過，取心巖段的完整性較好，其量化平均值也最小，為2；3 號鉆孔和6 號鉆孔分別靠近張溝向斜和白石山背斜，其量化平均值為2.25；2 號鉆孔在任莊正斷層上，其量化平均值為2.5；7 號鉆孔位于白石溝正斷層和李口向斜復合部位，其量化平均值為3；5 號鉆孔位置地質構造相對復雜，經(jīng)過囊郟二號正斷層、張莊正斷層、西長橋向斜，現(xiàn)場取心的破碎程度也較大，所以量化平均值最大，為3.5?？傊?，復合巖層微觀縫隙結構復雜程度與巖層破碎程度密切相關。

4 個巖段相比，巖層微觀縫隙結構復雜程度量化平均值自大至小的順序，依次為L1～L2灰?guī)r段、L5～L7灰?guī)r段、砂巖段、鋁土質泥巖段，亦即灰?guī)r>砂巖>泥巖。實際上，同等巖性、水動力和地質構造條件下，灰?guī)r層內部縫隙較發(fā)育，泥巖層內部縫隙不發(fā)育，而砂巖層內部縫隙發(fā)育程度弱于灰?guī)r、強于泥巖，因此巖層微觀縫隙結構復雜程度較好地反映了巖層縫隙發(fā)育程度。另外，L1～L2位于L5～L7灰?guī)r上部，前者承受的上部巖層壓力小于后者，同等條件下，L1～L2灰?guī)r縫隙發(fā)育程度強于L5～L7灰?guī)r。

總之，利用熵權法-TOPSIS 模型，基于多指標因子的巖層微觀縫隙結構復雜程度定量評價，精準刻畫了不同巖性巖層縫隙發(fā)育程度，為巖層含隔水層性能科學判識奠定了基礎。

4 結 論

1）在系統(tǒng)分析3 個礦井己16～17 煤層底板復合巖層微觀結構復雜程度多重影響因素的基礎上，選擇復合巖層面積縫隙率、等效縫隙直徑、縫隙面積分維值、比表面積、縫隙體積分維值為評價的指標因子，為判識煤層底板復合巖層微觀縫隙結構復雜程度提供了保證。

2）基于熵權法-TOPSIS 模型，定量識別了己16～17煤層底板復合巖層的微觀縫隙結構復雜程度，7 個鉆孔4 個巖段中，微觀縫隙結構極簡單、簡單、中等、復雜、極復雜等級占比分別為25.00%、21.43%、39.29%、7.14%、7.14%，研究地段復合巖層的微觀縫隙結構相對不復雜。

3）4 個巖段相比，巖層微觀縫隙結構復雜程度量化均值排序為：L1～L2灰?guī)r段>L5～L7灰?guī)r段>砂巖段>鋁土質泥巖段，直觀地表征了平頂山煤田己組煤底板復合巖層縫隙結構的發(fā)育特征，對精準刻畫復合巖層的含隔水層性能具有重要地指導意義。

4）熵權理論確定的指標因子權重降低了人為因素的干擾水平，TOPSIS 理論實現(xiàn)了多指標因子作用下的復合巖層微觀縫隙結構復雜程度定量評價，為精準刻畫煤層底板不同巖性巖層縫隙發(fā)育程度和含隔水層性能提供了可借鑒的方法。