基于灰色模糊法的煤層底板突水危險性評價

李 巖，李光霽，2，周盛全

(1.安徽省煤田地質(zhì)局第三勘探隊， 安徽宿州234000； 2.安徽理工大學(xué)地球與環(huán)境學(xué)院， 安徽淮南232001； 3.安徽理工大學(xué)土木建筑學(xué)院，安徽淮南232001)

基于灰色模糊法的煤層底板突水危險性評價

李 巖1，李光霽1，2，周盛全3

(1.安徽省煤田地質(zhì)局第三勘探隊， 安徽宿州234000； 2.安徽理工大學(xué)地球與環(huán)境學(xué)院， 安徽淮南232001； 3.安徽理工大學(xué)土木建筑學(xué)院，安徽淮南232001)

灰色模糊理論逐漸成為煤層底板灰?guī)r水突水危險性評價應(yīng)用廣泛的方法,基于煤層底板突水影響因素的確定，綜合考慮地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育、巖溶裂隙、含、隔水層發(fā)育與灰?guī)r含水層厚度5個主控因素作為具體指標(biāo)，對孫疃煤礦礦10煤層底板突水危險性進(jìn)行評價，并對比以往生產(chǎn)揭露情況與分區(qū)結(jié)果，驗證了分區(qū)的合理性。

灰色模糊評價； 底板突水； 疊加分析； 孫疃煤礦

1 引言

底板突水是影響煤礦安全開采的重要因素，其預(yù)測與評價方法眾多，如突水系數(shù)-涌水量法、脆弱性指數(shù)法、五圖-雙預(yù)測法等[1-4]。這些評價方法雖各有特點(diǎn)，但均存在一些自身的缺點(diǎn)和不足。例如模糊數(shù)學(xué)方法的評價結(jié)果是由評價參數(shù)中某一隸屬度最大者或權(quán)重最大者決定的，卻忽略了其余“次要”參數(shù)的作用，可能出現(xiàn)不合理結(jié)果。在實(shí)際的煤層開采過程中，底板含水層因受局部地質(zhì)因素影響而使得其變化具有明顯的灰色性，而灰色系統(tǒng)化理論[5]在處理復(fù)雜的非線性和不確定性的問題上具有明顯的優(yōu)勢。以孫疃煤礦10煤層底板為例，在對底板含水層水文地質(zhì)條件分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合灰色系統(tǒng)理論和模糊綜合評價法對10煤突水危險性進(jìn)行評價，為煤層安全開采提供地質(zhì)依據(jù)。

2 孫疃礦10煤層底板突水影響因素的確定

在煤礦實(shí)際開采中地質(zhì)構(gòu)造、巖溶發(fā)育、底板隔水層發(fā)育、底板含水層發(fā)育等對底板突水都有較大影響。綜合孫疃煤礦10煤底板的實(shí)際情況，選擇并統(tǒng)計孫疃煤礦10煤底板的含水層厚度、巖溶發(fā)育程度、斷層發(fā)育指標(biāo)、10煤至太原組一灰間的砂巖含量以及隔水層厚度等做為底板評價塊段的突水危險性評價指標(biāo)[5]，采用灰色理論與模糊數(shù)學(xué)相結(jié)合建立模型，并基于此對孫疃煤礦10煤底板太原組灰?guī)r突水危險性進(jìn)行了評價。在研究影響因素與底板突水的關(guān)系之前，根據(jù)影響因素的本身特性和對底板突水影響大小進(jìn)行科學(xué)量化，轉(zhuǎn)化為定量因素。

含水層厚度：由勘探及生產(chǎn)階段的鉆孔資料統(tǒng)計與分析，得到孫疃煤礦10煤底板太原組一～四灰含水層總厚度為9.89～25.03 m，平均厚度約20 m。

巖心采取率：勘探和生產(chǎn)鉆孔的灰?guī)r巖心采取率的高低，在一定程度上可以表示巖體破碎度的大小，進(jìn)而反映裂隙的發(fā)育，以及灰?guī)r含水層富水性的好壞，孫疃煤礦鉆探共有35個孔鉆透太原組一灰。

斷裂分維值：10煤底板的斷裂分維值是在底板等高線圖中通過不同評價塊段統(tǒng)計計算出來的數(shù)值指標(biāo)，其含義表示10煤底板斷裂的長度和密度情況，分維值可以反映斷裂與其分支對底板巖體的切割破壞程度。

底板砂巖含量：底板砂巖含量是指10煤底板至太原組一灰頂范圍內(nèi)的砂巖含量，又稱砂巖率，可以在一定程度反映巖層的儲水量與富水性。

底板有效隔水層厚度：底板有效隔水層厚度越大，一定程度上反映底板阻水能力越強(qiáng)，反之阻水能力越小，突水危險性越強(qiáng)。底板有效隔水層厚度是五項指標(biāo)中最為重要影響最大的一個，評價結(jié)果分區(qū)驗證時需要考慮實(shí)際揭露的有效隔水層的厚度值，本次評價選取的孫疃煤礦10煤底板各項指標(biāo)以及各評價塊段指標(biāo)計算值見表1所示。

表1 各塊段評價指標(biāo)統(tǒng)計表

3 底板突水危險性評價

在權(quán)重計算時綜合考慮灰色關(guān)聯(lián)分析法的“因素權(quán)重”和模糊聚類分析法的“程度權(quán)重”相結(jié)合的雙權(quán)重思想，將此方法應(yīng)用到煤礦底板突水危險性的評價中。本次將研究區(qū)孫疃煤礦10煤底板劃分為60個單元，利用插值法等計算方法統(tǒng)計出每個塊段單元的斷裂分維值，底板含水層的厚度，太原組一灰?guī)r心采取率，底板砂巖含量以及有效隔水層厚度作為研究對象。

建立模型時以斷裂分維值作為組序列(X0≡{X0(1),X0(2),…，X0(n)})，底板隔水層厚度(X1)、砂巖率(X2)、巖心采取率(X3)、含水層厚度(X4)作為子序列。對數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理后再根據(jù)Xi與X0在的關(guān)聯(lián)度計算公式：

Δi(k)=|X0(k)-Xi(k)| ，ρ為分辨率系數(shù)(本次研究選取 =0.5)。則關(guān)聯(lián)度系數(shù)γi為：

將孫疃煤礦10煤底板劃分塊段n為60，對結(jié)果進(jìn)行單位化，得到因素權(quán)重αi和各因素灰色關(guān)聯(lián)度值，見表2。

表2 灰色關(guān)聯(lián)度分析結(jié)果

本次評價的因素集可表示為U={u1，u2，u3，u4,u5}。對評價指標(biāo)的具體數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行灰色模糊法的統(tǒng)計分析，通過計算機(jī)軟件計算得出孫疃煤礦10煤底板突水危險性等級的評價標(biāo)準(zhǔn),見表3。

設(shè)評語集為V={v1,v2,v3,v4，v5}，其中，v1表示安全區(qū)；v2表示底板相對安全區(qū)；v3表示底板突水威脅區(qū)；v4底板突水危險區(qū)。把研究區(qū)各塊段的參數(shù)帶入模糊評價函數(shù)得出在第i個塊段中，第j個因素屬于級別k的聚類系數(shù)。再分別求出該評價塊段相對于四類等級的聚類系數(shù)值σ1[1]、σ1[2]、σ1[3]、σ1[4]，同理求出σ1[2]、σ1[3]、σ1[4]的值，選取四類聚類系數(shù)的最大值所對應(yīng)的等級作為該評價塊段的突水危險性等級。

表3 評價指標(biāo)等級劃分標(biāo)準(zhǔn)

4 底板突水危險性分區(qū)

根據(jù)灰色模糊評價法計算出的60個評價塊段聚類系數(shù)值，確定出孫疃煤礦10煤底板突水危險性的四個等級的取值范圍，其中，安全區(qū)：σ≤0.22；相對安全區(qū)： 0.22<σ≤0.28；威脅區(qū)：0.28<σ≤0.34；危險區(qū)：σ>0.34，得出10煤底板危險性分區(qū)的預(yù)測結(jié)果，再根據(jù)所劃分塊段作出孫疃煤礦10煤底板突水危險性預(yù)測的分區(qū)圖，如圖1所示。

圖1 孫疃煤礦10煤底板突水預(yù)測分區(qū)圖

由圖1的預(yù)測分區(qū)圖可知，孫疃煤礦10煤底板太原組突水危險性等級主要有三個等級，即突水危險區(qū)、突水威脅區(qū)和相對安全區(qū)。其中的相對安全區(qū)和突水威脅區(qū)又占到整個礦區(qū)10煤底板面積的80%左右。孫疃煤礦10煤底板的突水危險區(qū)主要分布在靠近張家斷層(56號塊段)區(qū)域和近劉家斷層(32號塊段)附近以及斷裂構(gòu)造較發(fā)育部位；安全區(qū)主要分布于單元37、38及附近區(qū)域；其它區(qū)域內(nèi)相對安全區(qū)和威脅區(qū)相比面積相同。雖然評價結(jié)果41至49塊段點(diǎn)處于相對安全區(qū)，但是因為該范圍內(nèi)的底板有效隔水層的厚度相對較小，而且斷裂構(gòu)造相對較為發(fā)育，因此在此類塊區(qū)域需重點(diǎn)進(jìn)行探查分析。

5 結(jié)論

通過對孫疃煤礦10煤層底板突水危險性的模糊評價，將10煤底板突水危險性影響因素?zé)o量綱化后選取因素權(quán)重相比較，確定并研究了影響孫疃煤礦10煤層底板太原組灰?guī)r突水的主要因素即：斷裂分維值、含水層厚度、有效隔水層厚度、灰?guī)r巖心采取率、底板砂巖含量。文章將灰色理論的量化結(jié)果與模糊數(shù)學(xué)的綜合評判法相結(jié)合，既能克服因傳統(tǒng)評價方法中的專家個人見解偏差，又能避免單純的數(shù)學(xué)方法中的模糊不確定性帶來的不準(zhǔn)確性和產(chǎn)生的誤差，把灰色模糊法應(yīng)用到煤礦煤層底板灰?guī)r水突出危險的綜合評價，并與實(shí)際的勘查和以往生產(chǎn)揭露情況進(jìn)行了對比，分區(qū)評價結(jié)果切合實(shí)際。

[1] 楊曉彤.楊柳煤礦太原組灰?guī)r含水層富水性特征及突水危險性評價[M].淮南：安徽理工大學(xué), 2014.

[2] 楊華澤, 郭琳, 王騰輝.楊柳煤礦太原組灰?guī)r含水層突水危險性評價[J].地下水, 2015(2):49-52.

[3] 鄭飛.孫疃礦104采區(qū)底板灰?guī)r含水層富水性特征及安全評價[M].淮南：安徽理工大學(xué), 2013.

[4] 張忠文.青東煤礦10煤層底板巖體結(jié)構(gòu)特征及突水危險性研究[M].淮南：安徽理工大學(xué), 2014.

[5] 陶軍.淺談煤層底板突水理論研究現(xiàn)狀[J].科技信息,2010(34):754.

Water Inrush Risk Evaluation of Coal Seam Floor Based on Grey Fuzzy Theory

LI Yan1,LI Guangji1,2,ZHOU Shengquan3

(1.Third prospecting team of Anhui Coal Geology Bureau, SuzhouJiangsu234000; 2. Department of Earth and Environment, Anhui University of Science and Technology, HuainanAnhui232001;3.Department of Civil Engineering and Architecture, Anhui University of Science and Technology, HuainanAnhui232001)

This paper introduces a comprehensive method to evaluate the coal seam floor water inrush risk based on grey fuzzy theory. Water inrush risk evaluation of the No.10 coal seam at Yangliu mine was studied with 5 main controlling factors of water inrush: the geological structure, karst fissures, the growth of aquifer, the growth of aquifuge, and the thickness of limestone aquifer as evaluation indexes. The result was compared with previous disclosure processes. It was proved that divisions are reasonable.

grey fuzzy comprehensive evaluation; water inrush from seam floor； overlay analysis；Suntuan coalmine

2016-11-20

安徽省高校自然科學(xué)基金(項目編號：KJ2016SD19)

李巖(1981-)男，安徽五河人，工程師，研究方向為工程地質(zhì)勘探，電話：13955708255。

TD745

B

1671-4733(2016)06-0008-03

10.3969/j.issn.1671-4733.2016.06.003