CN103761448B - 煤层底板突水变权脆弱性评价法中调权参数的确定方法 - Google Patents

Abstract

煤层底板突水变权脆弱性评价法中调权参数的确定方法，在确定矿区各主控因素及常权权重的基础上，还包括以下步骤：1.状态变权向量公式的构建；2.选取或给定符合约束条件的一个评价单元；3.确定选定评价单元的理想变权权重值；4.根据求参数模型求解调权参数值。首次提出了在应用变权模型进行煤层底板突水脆弱性评价预测中调权参数的确定方法。该方法先设定选取的评价单元的理想变权权重值，然后采用构建的求参数模型对调权参数进行求解。经实际应用检验，该方法确定的调权参数可以有效的反应多种主控因素指标数值在不同组合状态水平下对底板突水的控制作用，符合决策者的评价偏好，可有效的提高煤层底板突水脆弱性评价预测的精度。

Description

煤层底板突水变权脆弱性评价法中调权参数的确定方法

所属技术领域

本发明涉及一种煤层底板突水脆弱性评价中的参数确定方法，尤其是一种基于变权模型的煤层底板突水变权脆弱性评价法中调权参数的确定方法。

背景技术

煤炭资源的安全高效开采是我国能源安全的重要保障。但是由于我国的复杂的水文地质条件。矿山水害尤其是底板突水危害依然严重的威胁了我国煤炭的开采。威胁着我国大约27%的已探明煤炭储量，仅在华北地区受到底板突水威胁的煤炭储量就有大约160亿吨。此外，近年来我国煤矿的开采逐渐的向深部发展，有些开采时间长的老矿区开采深度已经超过了1000m，形成了深部开采的高地应力区，同时所开采煤层的底板所承受的岩溶承压含水层的水压也越来越大。突水机率也明显增多，突水淹井事故逐年上升，严重制约了我国的煤矿开采。由此可见，采取有效的防治措施，来解放受水害威胁的煤炭储量，保障煤矿安全生产，对于国家经济的健康，稳定发展有着重要的现实意义。

煤层底板突水是人为采掘工程活动导致煤层围岩体应力场能量释放、煤层底板隔水岩体结构破坏、矿井局部充水水文地质条件突变的一种地下岩体失稳现象，是一种受控于多因素影响且具有非常复杂形成机理的非线性动力现象。由于现代数学还未能用一个确定性数学方程详实地描述这种机理复杂且受控因素颇多的非线性动力现象，因而经验、半经验或统计等模型是刻画这种非线性动力现象的主要方法，如1964年焦作矿区水文地质大会借鉴匈牙利韦格弗伦斯相对系数概念(隔水层厚度与水压力之比)提出的突水系数评价法，由于该方法物理概念简单，计算方便，现场易于操作，因而一直是我国煤层底板突水评价的主要方法。但是，该方法仅考虑充水含水层水压和煤层底板隔水岩段厚度这2个控制底板突水的影响因素，虽经几次修改完善，但仍未能摆脱仅考虑这2个控制因素且无影响“权重”概念等重大缺陷。显然，该方法所能考虑的突水控制因素极为有限，未能描述煤层底板突水这种受控于多因素且具有非常复杂机理的非线性动力现象，歪曲了煤层底板十分复杂的突水机理，已不能适应新的采矿方法和新的地质环境条件下的煤层底板突水评价。

为了解决煤层底板突水预测预报评价难题，本发明人—中国矿业大学（北京）武强教授致力于研究基于多源信息集成理论和“环套理论”，并采用具有强大空间数据统计分析处理功能的地理信息系统(GIS)与线性或非线性数学方法的集成技术，对煤层底板突水进行了研究，并于2007年曾系统地建立了能够全面真实反映煤层底板复杂突水机理和演变过程的底板突水的主控指标体系，详细论述了体系中各突水主控因素在矿井突水过程中的作用方式与特征。但是，这种详实系统地分析确定控制煤层底板突水的主控因素，正确建立煤层底板突水的物理概念模型，完成了解决底板突水预测预报评价难题的第一步；于2009年提出了一种能够真实描述受控于多因素影响且具有非常复杂形成机理的非线性动力现象的煤层底板突水的数学模型和评价方法，该数学模型和评价方法在现场工程实际应用中能够概念清晰明确，计算程序简单实用，易于现场工程技术人员掌握，操作便利的现代先进的数学模型和评价方法，完成系统地解决煤层底板突水预测预报评价难题的关键的第二步和第三步；比较真实反映受控于多因素影响且具有非常复杂机理和演变过程的煤层底板突水,较好地解决了煤层底板突水预测预报难题。

现有技术的脆弱性指数法，尚存在以下缺陷：各主控因素“权重”的确定，采用的是信息融合方法，“权重”一旦确定后，无论主控因素在研究区的指标数值如何变化，出现多大幅度的突变情况，权重数值在整个研究区均是固定不变，即：现有技术的煤层底板突水脆弱性指数评价方法，是一种基于信息融合方法的“常权权重”模型。这种基于信息融合方法的“常权权重”底板突水脆弱性评价模型，无法刻画各单一主控因素在研究区因水文地质条件变化引起其指标数值突变而造成对煤层底板突水的控制与影响特征，也不能揭示出各主控因素在研究区因其指标数值突变而对煤层底板突水控制与影响的“激励”与“惩罚”机制，更不能反映多个主控因素在多种组合变化状态下其相对重要性与偏好性以及他们对煤层底板突水的控制与影响作用。

经过长期的研究和实践，本发明人于近期提出了利用基于变权模型的脆弱性指数法对煤层底板突水进行预测评价方法，并已经提交了专利申请。基于变权模型的脆弱性指数法对煤层底板突水进行预测评价方法与现有的的基于常权模型的评价方法相比较，可以克服常权模型评价中各因素只有一个固定权重的缺陷，可以有效的刻画各单一主控因素在研究区因水文地质条件变化引起其指标数值突变而造成对煤层底板突水的控制与影响特征，也能反映多个主控因素在多种组合变化状态下其相对重要性与偏好性以及他们对煤层底板突水的控制与影响作用。

但是，在应用变权模型对煤层底板突水危险性进行预测评价时，构建状态变权向量的关键一步是要对模型中的调权参数进行确定，这些参数能够对权重的变权效果进行控制和调节，起到相应的“惩罚”“激励”作用。然而变权模型中调权参数的确定是该技术的一个难点，目前尚无统一的分析确定方法。

发明内容

本发明目的在于：满足煤炭工业的需求，完善现有技术，提供一种基于变权模型的煤层底板突水变权脆弱性评价法中调权参数的确定方法，完成系统地解决利用变权模型进行底板突水预测预报的关键难题。

为了实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：煤层底板突水变权脆弱性评价法中调权参数确定方法，在确定各主控因素及常权权重的基础上，还包括以下步骤：

1.状态变权向量公式的构建；

2.选取或给定符合约束条件的一个评价单元；

3.确定选定评价单元的理想变权权重值；

4.根据求参数模型求解调权参数值。

由于采用了上述的煤层底板突水变权脆弱性评价法中调权参数的确定方法，本发明具有的有益效果在于：首次确定了在应用变权模型进行煤层底板突水预测预报中调权参数的确定方法，构建了求解煤层底板突水变权模型中调权参数的数学模型，经过工程验证，该模型确定的参数符合权重变化需要，能够有效的考虑多种主控因素指标数值在不同组合状态水平情况下的作用，可有效的提高煤层底板突水脆弱性评价预测的精度，能够有效地对因素权重的变权效果进行控制。

附图说明

附图1，本发明煤层底板突水变权脆弱性评价法中调权参数的确定方法工作流程图；

附图2，煤层底板隔水层承受的底板灰岩水压专题图；

附图3，5#煤至底板灰岩有效隔水层等效厚度专题图；

附图4，5#煤至底板灰岩矿压破坏带下脆性岩厚度专题图；

附图5，底板灰岩含水层富水性专题图；

附图6，5#煤断层规模指数专题图；

附图7，5#煤断层与褶皱分布专题图；

附图8，5#煤断层与褶皱交端点专题图；

具体实施例

实施例1

参照附图1，本发明煤层底板突水变权脆弱性评价法中调权参数的确定方法，在确定各主控因素的基础上，还包括以下步骤：

1.状态变权向量公式的构建；

所述的状态变权向量公式的构建，表达如下：

$S_j\left(x\right)=\left\{\begin{array}{cc}{e}^{a_1(d_{j_1}-x)}+c-1,& x\∈[0,d_{j1})\\ c,& x\∈[d_1,d_{j2})\\ e^{a_2(x-d_{j2})}+c-1,& x\∈[d_{j2},d_{j3})\\ e^{a_3(x-d_{j3})}+e^{a_2(d_{j3}-d_{j2})}+c-2,& x\∈[d_{j3},1]\end{array}\right.$

其中c、a₁、a₂、a₃为调权参数。d_j1、d_j2、d_j3为第j个因素变权区间阈值。

2.选取或给定符合约束条件的一个评价单元；

所述的选取或给定符合约束条件的一个评价单元，在已知变权区间阈值的条件下，选定的评价单元应满足的约束条件如下：因素状态值分别为x₁、x₂、x₃、x₄、x₅、x₆、x₇，其中x₁和x₅位于惩罚区间，x₂、x₆、x₇位于不惩罚不激励区间，x₃位于初激励区间，x₄位于强激励区间。同时因素常权权重值已知。

3.确定选定评价单元的理想变权权重值；

所述的确定选定评价单元的理想变权权重值，其确定方法可以综合考虑各因素指标值的作用及咨询相关专家确定，也可根据决策者的决策态度确定。

4.根据求参数模型求解调权参数值。

所述的根据求参数模型求解调权参数值，表达如下：

$a_1=\frac{1}{(d_{11}-x_1)}\ln [\frac{w_1{w}_2^0-w_2{w}_1^0}{w_2{w}_1^0}c+1]$

$a_2=\frac{1}{(x_3-d_{32})}\ln [\frac{w_3{w}_2^0-w_2{w}_3^0}{w_2{w}_3^0}c+1]$

$a_3=\frac{1}{(x_4-d_{43})}\ln [\frac{w_4{w}_2^0-w_2{w}_4^0}{w_2{w}_4^0}c+2-{(\frac{w_3{w}_2^0-w_2{w}_3^0}{w_2{w}_3^0}c+1)}^{\frac{(d_{43}-d_{42})}{(x_3-d_{32})}}]$

$k_{1}c={(k_{2}c+1)}^{k_3}-1;$

其中 $k_1=\frac{w_2^0-w_2^0(w_1+w_2+w_3+w_4)-w_2(w_5^0+w_6^0+w_7^0)}{w_2{w}_5^0};k_2=\frac{w_1{w}_2^0-w_2{w}_1^0}{w_2{w}_1^0};$ x₁、x₂、x₃、x₄、x₅、x₆、x₇为因素指标值；d₁₁、d₁₂、d₁₃，d₂₁、d₂₂、d₂₃，…d₇₁、d₇₂、d₇₃为变权区间阈值；w₁ ⁰、w₂ ⁰、w₃ ⁰、w₄ ⁰、w₅ ⁰、w₆ ⁰、w₇ ⁰为因素常权权重值；w₁、w₂、w₃、w₄、w₅、w₆、w₇为因素变权权重值。

实施例2

根据某矿区目前存在的严重底板突水问题和相关资料，本发明煤层底板突水变权脆弱性评价法中调权参数的确定方法，首先对该矿区5#的各主控因素“常权权重”进行确定：

1.确定评价区底板突水主控因素并对数据进行处理；

根据评价区水文地质情况，结合以往的评价经验选取了以下七个因素作为影响灰岩底板突水的主要控制因素：（1）有效隔水层等效厚度；（2）矿压破坏带以下脆性岩的厚度；（3）断层与褶皱分布；（4）断层与褶皱交点与端点分布；（5）断层规模指数；（6）底板灰岩含水层的富水性；（7）底板灰岩含水层的水压。

根据该矿区大量地质和水文地质勘探钻孔和抽水试验资料等，采集5#煤层底板突水各主控因素原始数据，进行插值计算处理进而生成属性数据库，建立各主控因素专题图。各主控因素生成的相应专题图见附图2-8。同时单因素数据经过归一化处理后，即可建立各单因素属性数据库。

2.确定各主控因素常权权重；

根据影响5#煤层底板灰岩突水的各主要控制因素分析，将研究对象划分为3个层次。灰岩底板突水脆弱性评价是这一问题的最终目的，采用层次分析法，最终确定的各主控因素的常权权重值见表1：

表1影响5^#煤层底板灰岩突水各主控因素的“常权权重”

本发明煤层底板突水变权脆弱性评价法中调权参数的确定方法，在上述确定后的各主控因素“常权权重”基础上，还包括以下步骤：

3.状态变权向量公式的构建；

经过分析确定研究区变权区间见表2：

表2各主控因素变权区间

4.选取或给定符合约束条件的一个评价单元；

在评价区选定一评价单元，该单元有4个因素：含水层水压、断层规模指数、有效隔水层等效厚度、断层与褶皱分布，指标值分别位于不同的变权区间，含水层富水性位于惩罚区间，其他指标值都位于不惩罚不激励区间，指标值见下表3：

表3评价单元指标值

主控因素	含水层水压	断层规模指数	有效隔水层等效厚度	断层与褶皱分布
					归一化后指标值	0.166	0.287	0.7555	1
主控因素	含水层富水性	矿压破坏带下脆性岩厚度	断层与褶皱交点与端点分布
					归一化后指标值	0.017	0.72	0

5.确定选定评价单元的理想变权权重值；

综合考虑各因素指标值的作用及咨询相关专家，利用层次分析法确定该评价单元7个因素的变权权重。所确定的含水层水压、断层规模指数、有效隔水层等效厚度、断层与褶皱分布4个因素的变权权重在该组指标值状态水平下的权重值见表4：

表4评价单元权重值

主控因素	含水层水压	断层规模指数	有效隔水层等效厚度	断层与褶皱分布
					权重	0.258	0.04329	0.22858	0.23049

在这里要说明的是所构建的4个因素的理想变权权重值，可以采用多种方法建立，只要符合实际情况和决策者的评价偏好就可以。

6.根据求参数模型求解调权参数值。

我们可以计算出：c=1.46,a₁=0.90,a₂=0.90,a₃=1.63。

Claims (4)

1.煤层底板突水变权脆弱性评价法中调权参数的确定方法，在确定各主控因素及常权权重的基础上，其特征在于：还包括以下步骤： 

(1)状态变权向量公式的构建；所述的状态变权向量公式的构建，表达如下： 

其中c、a₁、a₂、a₃为调权参数。d_j1、d_j2、d_j3为第j个因素变权区间阈值； 

(2)选取或给定符合约束条件的一个评价单元； 

(3)确定选定评价单元的理想变权权重值； 

(4)根据求参数模型求解调权参数值，求参数模型表达如下： 

其中 x₁、x₂、x₃、x₄、x₅、x₆、x₇为因素指标值；d₁₁、d₁₂、d₁₃，d₂₁、 d₂₂、d₂₃，…d₇₁、d₇₂、d₇₃为变权区间阈值；为因素常权权重值；w₁、w₂、w₃、w₄、w₅、w₆、w₇为因素变权权重值。 

2.根据权利要求1所述的煤层底板突水变权脆弱性评价法中调权参数的确定方法，其特征在于：所述的选取或给定符合约束条件的一个评价单元，在已知变权区间的条件下，选定的评价单元应满足的约束条件如下：因素指标值分别为x₁、x₂、x₃、x₄、x₅、x₆、x₇，其中x₁和x₅位于惩罚区间，x₂、x₆、x₇位于不惩罚不激励区间，x₃位于初激励区间，x₄位于强激励区间，同时因素常权权重值w₁ ⁰、w₂ ⁰、w₃ ⁰、w₄ ⁰、w₅ ⁰、w₆ ⁰、w₇ ⁰已知。 

3.根据权利要求1所述的煤层底板突水变权脆弱性评价法中调权参数的确定方法，其特征在于：所述的确定选定评价单元的理想变权权重值，其确定方法为咨询相关专家及根据决策者的决策态度确定。 

4.根据权利要求1所述的煤层底板突水变权脆弱性评价法中调权参数的确定方法，其特征在于：所述的确定选定评价单元的理想变权权重值，其确定方法为根据层次分析法确定。