CN103362509A - 煤矿近松散含水层开采上限评价及开采危险性评价方法 - Google Patents

Abstract

一种煤矿近松散含水层开采上限评价及开采危险性评价方法，属于煤矿开采的评价方法。在煤矿地质水文地质特征的系统分析基础上，构建煤矿近松散含水层煤层提高开采上限的评价指标体系，包括开采煤层上覆覆岩厚度、松散层底部含水层富水性及其厚度、地质构造、主要隔水层厚度、开采覆岩破坏高度六个主控因素，应用三维GIS对地质数据进行采集、分析，利用ArcGIS的三维分析扩展模块3D Analyst对各个因素进行三维空间量化分析，首先创建TIN三角模型，然后转换为DEM，生成GRID可三维分析计算的数学模型，建立各个主控因素TIN与DEM信息层图。采用三维GIS方法，真实刻画了近松散含水层提高开采上限受控于多因素且具有非常复杂的空间分布特征，解决了开采上限评价预测的难题。

Description

煤矿近松散含水层开采上限评价及开采危险性评价方法

技术领域

本发明涉及一种煤矿开采的评价方法，特别是一种煤矿近松散含水层开采上限评价及开采危险性评价方法。

背景技术

能源是我国可持续发展需要解决的首要瓶颈问题。煤炭在我国一次能源结构中占据主导地位，目前占全部能耗的68.8%，预计2020年仍将占到60%左右，这种格局在21世纪前半叶不会发生实质性变化。我国大部分煤田的水文地质条件都比较复杂，在其煤层的开采过程中会受到较多种水体的威胁，矿井水防治问题是煤矿安全生产以及科学研究中的技术难题。仅2000年来，全国就发生各类突水事故500余起，造成3200多人丧生，直接经济损失高达400多亿元。根据初步的统计，全国受水害威胁的矿井占重点煤矿的48%，受水害威胁的可采储量高达250×10⁸t。从近些年的生产开采情况看，受水害威胁的煤炭每年采出量占总储量的10%。我国仅华东、华北留设的松散层防水煤岩柱就有50亿吨之多，能源紧张的缓解，煤炭资源回采率的最大限度提高，成为了当前煤炭行业的迫切任务，因此提高煤矿的开采上限以及对矿井上部开采水平的水体下、建筑物下和铁路下等“三下”压煤进行开采，对促进煤炭生产效益，提高煤炭资源回采率，缓解能源紧张有重要意义。

我国从上世纪60年代初就己经开始在中、厚松散层下进行防护煤岩柱留设的试采实践与理论技术研究，初步形成理论于70年代中期，如“开采滨河地区含水砂层下两种类型的急倾斜厚煤层试验总结”、“邢台煤矿缩小巨厚冲洪积层防水煤柱试验总结”、“淮河下采煤试验”、“厚含水冲积层下开采厚煤层缩小防水煤柱的初步认识”等。由于部分老矿区的开采资源日渐减少，到上世纪80年代后期，业内的许多专家学者都十分关注煤矿在中、厚松散含水层下采煤提高开采上限的研究，从而尽可能多的达到解放煤炭储量的目的。

因此，如何解决近松散含水层煤层提高开采上限定量评价问题，对提高煤炭资源回收率，缓解能源紧张有重要的指导意义和实用价值。

发明内容

本发明的目的在于，满足中国煤炭工业可持续发展的需求，提供一种煤矿近松散含水层开采上限评价及开采危险性评价方法。

为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：在煤矿地质水文地质特征的系统分析基础上，构建煤矿近松散含水层煤层提高开采上限的评价指标体系，包括开采煤层上覆覆岩厚度、松散层底部含水层富水性及其厚度、地质构造、主要隔水层厚度、开采覆岩破坏高度六个主控因素，应用三维GIS对地质数据进行采集、分析，利用ArcGIS的三维分析扩展模块3D Analyst对各个因素进行三维空间量化分析，首先创建TIN三角模型，然后转换为DEM，生成GRID可三维分析计算的数学模型，建立各个主控因素TIN与DEM信息层图；

所述的GIS是Geographic Information System的简写，是一种基于熵值-三维地理信息系统方法。

所述的3D Analyst是ArcGIS软件3D分析模块，提供了强大的、先进的三维可视化、三维分析和表面建模工具。

所述的ArcGIS是Esri公司开发的一套完整的GIS平台产品。

所述的TIN是不规则三角网，由不规则空间取样点和断线要素得到的一个对表面的近似表示，包括点和与其相邻的三角形之间的拓扑关系。

所述的GRID是一种基于GIS平台的可视化栅格数据。

所述的DEM是一种基于GIS平台的三维分析数据，数字高程模型，以高程表达地面起伏形态的数字集合。

近松散含水层开采上限评价的三维GIS方法，包括以下步骤：

1、在煤矿地质水文地质特征的系统分析基础上，结合现有采矿条件，构建煤矿近松散含水层煤层提高开采上限的评价指标体系，包括开采煤层上覆覆岩厚度、松散层底部含水层富水性及其厚度、地质构造、主要隔水层厚度、开采覆岩破坏高度六个主控因素；

2、采用现场或室内试验对各个主控因素进行测试预测，以三维GIS为操作平台，对地质数据进行采集、分析，并采用非线性数学分析对地质构造进行量化分析；

3、基于多源地学信息融合理论，应用三维GIS对数据进行转换处理，利用ArcGIS的三维分析扩展模块3D Analyst对各个因素进行三维空间量化分析，首先创建TIN三角模型，然后转换为DEM，生成GRID可三维分析计算的数学模型，建立各个主控因素TIN与DEM信息层图；

4、应用多源地学数据的熵值，构建各个主控因素对近松散含水层煤层提高开采上限影响程度的评估设计方案，对采集的数据进行归一化，建立基于VB的熵值数学模型对各个数据关系应用VB进行编程量化计算分析，具体见下式，

式中，x_ij为第j项指标的第i个数值；E_e为熵值和；e_j第j项因子的熵值；i表示第j项指标的第i个数值；g_j为第j项指标的差异系数；w_j为j项指标的权重；p_ij为第j项因子影响下该指标的比重；

使各个主控因素能够在同一水平上进行比较分析，根据评价指标在评价指标体系中的重要程度求出各个主控因素的权重系数；

5、对各个主控因素的DEM信息层进行归一化，处理数学模型如下式，

$\left\{\begin{array}{c}{x}^{\′}=-x_i\\ y=\frac{(x-\mathrm{MinValue})}{(\mathrm{MaxValue}-\mathrm{MinValue})}\end{array}\right.$

式中，x’为正向量化后的数据；x_i为采集到的各负相关因素的原始数；x、y分别为转换前、后的值；MaxValue、MinValue分别为样本的最大值和最小值；

利用GIS的空间分析功能，对各个主控因素的DEM信息层，根据权重进行叠加复合分析，获得近松散含水层煤层提高开采上限的综合评价分区图，最终对近松散含水层煤层提高开采上限做出科学的区划和评价。

有益效果，由于采用了上述的“近松散含水层开采上限评价的三维GIS方法”，满足中国煤炭工业可持续发展的需求。提供一种从构建近松散含水层煤层提高开采上限的安全评价指标体系，到煤层开采危险性定量分区的评价预测方法，本发明具有：

1、由于目前对近松散含水层开采上限评价的研究，尚未提出一个能够详细描述近松散含水层提高开采上限受控因素颇多的确定性的数学方程与模型，因而应用多源地学信息融合理论，采用具有强大空间数据统计分析功能的三维GIS与地学数据熵值相结合方法，提出近松散含水层开采上限评价的三维GIS方法，较好地解决了近松散含水层开采上限评价预测的难题。

2、突破了近松散含水层开采上限评价传统的仅根据规程定性或半定量的评价方法，考虑因素较少且无影响“权重”概念等重大缺陷的束缚，采用三维GIS方法，真实地刻画了近松散含水层提高开采上限受控于多因素且具有非常复杂的空间分布特征，为近松散含水层开采上限评价提供了完善的新方法。

该方法构建了煤矿近松散含水层煤层提高开采上限的评价指标体系，并构建了各个主控因素对近松散含水层煤层提高开采上限影响程度的评估设计方案，对近松散含水层煤层提高开采上限做出科学的区划和评价，真实地刻画了近松散含水层提高开采上限受控于多因素且具有非常复杂的空间分布特征，为近松散含水层开采上限评价提供了完善的新方法，较好地解决了近松散含水层开采上限评价预测的难题。

附图说明

图1是本发明近松散含水层开采上限评价的三维GIS方法工作流程图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明作详细的描述：

实施例1：本发明是一种近松散含水层开采上限评价的三维GIS新型实用方法的具体实施技术方案，在煤矿地质水文地质特征的系统分析基础上，构建煤矿近松散含水层煤层提高开采上限的评价指标体系，包括开采煤层上覆覆岩厚度、松散层底部含水层富水性及其厚度、地质构造、主要隔水层厚度、开采覆岩破坏高度六个主控因素，应用三维GIS对地质数据进行采集、分析，利用ArcGIS的三维分析扩展模块3D Analyst对各个因素进行三维空间量化分析，首先创建TIN三角模型，然后转换为DEM，生成GRID可三维分析计算的数学模型，建立各个主控因素TIN与DEM信息层图；

所述的GIS是Geographic Information System的简写，是一种基于熵值-三维地理信息系统方法。

所述的3D Analyst是ArcGIS软件3D分析模块，提供了强大的、先进的三维可视化、三维分析和表面建模工具。

所述的ArcGIS是Esri公司开发的一套完整的GIS平台产品。

所述的TIN是不规则三角网，由不规则空间取样点和断线要素得到的一个对表面的近似表示，包括点和与其相邻的三角形之间的拓扑关系。

所述的GRID是一种基于GIS平台的可视化栅格数据。

所述的DEM是一种基于GIS平台的三维分析数据，数字高程模型，以高程表达地面起伏形态的数字集合。

近松散含水层开采上限评价的三维GIS方法，包括以下步骤：

1.构建煤矿近松散含水层煤层提高开采上限的评价指标体系

在煤矿地质水文地质特征的系统分析基础上，结合现有采矿条件，建立了包括开采煤层上覆覆岩厚度，松散层底部含水层富水性及其厚度，地质构造，主要隔水层厚度，开采覆岩破坏高度等能够全面真实反映近松散含水层提高开采上限的主控指标体系，详细论述体系中各主控因素在近松散含水层开采上限三维GIS评价中的作用方式和空间特征。

2.应用三维GIS对地质数据进行采集、分析

采用现场或室内试验对各个主控因素进行测试预测，采用现场水文地质钻探方法获得近松散含水层煤层上覆覆岩厚度数据，含水层厚度，隔水层厚度。采用水文地质钻探，现场抽水、注水或放水试验获得松散层底部含水层富水性，并确定水体采动等级。采用非线性数学分析方法对地质构造进行量化分析。采用规程公式计算，相似材料模拟，类比分析，现场实测方法确定覆岩破坏高度。

3.建立各个主控因素TIN与DEM信息层图

应用三维GIS的3D Analyst模块对采集的数据进行三维可视化分析，首先创建TIN三角模型，然后转换为DEM，生成GRID可三维分析计算的数学模型，建立各个主控因素TIN与DEM信息层图，获得各个主控因素的TIN与DEM量化信息层图。

4.构建各个主控因素对近松散含水层煤层提高开采上限影响程度的评估设计方案

对采集的数据进行归一化，应用多源地学数据的熵值，建立基于VB的熵值数学模型对各个数据关系应用VB进行编程量化计算分析，具体见下式，其中x_ij为第j项指标的第i个数值，E_e为熵值和，e_j第j项因子的熵值，i表示第j项指标的第i个数值；g_j为第j项指标的差异系数，w_j为j项指标的权重，p_ij为第j项因子影响下该指标的比重，

从而使得各个主控因素能够在同一水平上进行比较分析，根据评价指标在评价指标体系中的重要程度求出各个主控因素的权重系数。

5.对近松散含水层煤层提高开采上限做出科学的区划和评价

对各个主控因素的DEM信息层进行归一化处理，处理数学模型如下式，其中x’为正向量化后的数据；x_i为采集到的各负相关因素的原始数，x、y分别为转换前、后的值，MaxValue、MinValue分别为样本的最大值和最小值；

$\left\{\begin{array}{c}{x}^{\′}=-x_i\\ y=\frac{(x-\mathrm{MinValue})}{(\mathrm{MaxValue}-\mathrm{MinValue})}\end{array}\right.$

利用GIS的空间分析功能，对各个主控因素的DEM信息层，根据权重进行叠加复合分析，获得近松散含水层煤层提高开采上限的综合评价分区图，最终对近松散含水层煤层提高开采上限做出科学的区划和评价。

Claims (1)

1.一种煤矿近松散含水层开采上限评价及开采危险性评价方法，其特征是：在煤矿地质水文地质特征的系统分析基础上，构建煤矿近松散含水层煤层提高开采上限的评价指标体系，包括开采煤层上覆覆岩厚度、松散层底部含水层富水性及其厚度、地质构造、主要隔水层厚度、开采覆岩破坏高度六个主控因素，应用三维GIS对地质数据进行采集、分析，利用ArcGIS的三维分析扩展模块3D Analyst对各个因素进行三维空间量化分析，首先创建TIN三角模型，然后转换为DEM，生成GRID可三维分析计算的数学模型，建立各个主控因素TIN与DEM信息层图；

近松散含水层开采上限评价的三维GIS方法，包括以下步骤：

1、在煤矿地质水文地质特征的系统分析基础上，结合现有采矿条件，构建煤矿近松散含水层煤层提高开采上限的评价指标体系，包括开采煤层上覆覆岩厚度、松散层底部含水层富水性及其厚度、地质构造、主要隔水层厚度、开采覆岩破坏高度六个主控因素；

2、采用现场或室内试验对各个主控因素进行测试预测，以三维GIS为操作平台，对地质数据进行采集、分析，并采用非线性数学分析对地质构造进行量化分析；

3、基于多源地学信息融合理论，应用三维GIS对数据进行转换处理，利用ArcGIS的三维分析扩展模块3D Analyst对各个因素进行三维空间量化分析，首先创建TIN三角模型，然后转换为DEM，生成GRID可三维分析计算的数学模型，建立各个主控因素TIN与DEM信息层图；

4、应用多源地学数据的熵值，构建各个主控因素对近松散含水层煤层提高开采上限影响程度的评估设计方案，对采集的数据进行归一化，建立基于VB的熵值数学模型对各个数据关系应用VB进行编程量化计算分析，具体见下式，

式中，x_ij为第j项指标的第i个数值；E_e为熵值和；e_j第j项因子的熵值；i表示第j项指标的第i个数值；g_j为第j项指标的差异系数；w_j为j项指标的权重；p_ij为第j项因子影响下该指标的比重；

使各个主控因素能够在同一水平上进行比较分析，根据评价指标在评价指标体系中的重要程度求出各个主控因素的权重系数；

5、对各个主控因素的DEM信息层进行归一化，处理数学模型如下式，

$\left\{\begin{array}{c}{x}^{\′}=-x_i\\ y=\frac{(x-\mathrm{MinValue})}{(\mathrm{MaxValue}-\mathrm{MinValue})}\end{array}\right.$

式中，x′为正向量化后的数据；x_i为采集到的各负相关因素的原始数；x、y分别为转换前、后的值；MaxValue、MinValue分别为样本的最大值和最小值；

利用GIS的空间分析功能，对各个主控因素的DEM信息层，根据权重进行叠加复合分析，获得近松散含水层煤层提高开采上限的综合评价分区图，最终对近松散含水层煤层提高开采上限做出科学的区划和评价。

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