CN103995947A

CN103995947A - 改进的煤层底板突水脆弱性评价方法

Info

Publication number: CN103995947A
Application number: CN201310119817.6A
Authority: CN
Inventors: 武强
Original assignee: China University of Mining and Technology Beijing CUMTB
Current assignee: China University of Mining and Technology CUMT; China University of Mining and Technology Beijing CUMTB
Priority date: 2013-04-08
Filing date: 2013-04-08
Publication date: 2014-08-20
Anticipated expiration: 2033-04-08
Also published as: WO2014166244A1; CN103995947B

Abstract

改进的煤层底板突水脆弱性评价方法，在确定后的各主控因素“常权权重”基础上，还包括以下步骤：1.确定各主控因素的“变权权重”；2.建立基于分区变权原理的底板突水脆弱性评价模型；3.煤层底板突水脆弱性的评价预测分区。首次应用分区变权原理和模型解决了煤层底板突水脆弱性评价预测中的关键技术难题。分区变权模型既注重各主控因素对煤层底板突水的控制作用，也注重各主控因素之间相互关联关系对煤层底板突水的控制作用，因而其评价思想更加合理，评价方法更加先进，评价结果更符合生产实际。使用该方法可以克服评价预测过程中每个主控因素在整个研究区只有一个常权的缺陷，可大大提高煤层底板突水脆弱性评价预测的精度。

Description

改进的煤层底板突水脆弱性评价方法

技术领域

本发明涉及一种煤层底板突水脆弱性评价方法，特别是一种基于分区变权模型的、改进的煤层底板突水脆弱性评价方法。

背景技术

长期以来煤炭一直是我国的主要能源之一，安全高效绿色地进行煤炭开采是关系到国民经济和社会发展的大事。然而，我国煤矿地质、水文地质条件总体来讲十分复杂，受水害威胁的煤炭储量约占探明储量的27%，华北地区受底板承压水威胁的煤炭储量约为160亿吨。此外，目前不少矿井已进入深部开采，有些矿井下组煤开采标高已达到-600m，最深的已经超过-1000m。煤层底板承受岩溶承压水的水压已达到2.0MPa~8.5MPa，而下组煤层与其下伏的灰岩岩溶含水层之间的隔水层厚度只有10~20m，最大也仅为50m~60m，突水条件明显增大，突水机率也明显增多，突水淹井事故逐年上升。由此可见，煤层底板水害已成为影响制约我国煤炭安全生产的重大难题之一，对其进行准确预测预报与评价具有十分重要的理论指导意义和实用价值。

在国内，对煤层底板突水的预测预报研究己有40多年的历史，在60年代初期，我国焦作、峰峰、淄博等煤矿区即已根据本矿区开采到一定深度时各矿井底板突水的实际资料总结出预测底板突水的经验公式——突水系数法； 90年代初期又提出了“安全系数”的概念，形成了“双系数”法。一直沿用至今。

但是煤层底板突水促因众多, 且过程显现出一种非常复杂的非线性动态特征, 传统的突水系数法所能考虑的突水影响因素极为有限, 未能全面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, 已不能适应新的采矿方法和新的水文地质环境条件下的煤层底板突水评价。

基于以上原因，中国矿业大学（北京）武强教授早在上世纪九十年代末就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，提出了基于GIS的信息融合型脆弱性指数法，该方法基于多源信息集成理论，以GIS为操作平台，首先确定煤层底板突水各主控因素；其次，采集上述的各主控因素数据、量化指标、建立各主控因素专题图；为了消除主控因素不同量纲的数据对评价结果的影响，需要对数据进行归一化处理，单因素数据经过归一化处理后，运用GIS技术处理归一化数据，作出各单因素归一化专题图；然后，应用数据融合的不同的线性或非线性数学方法，通过模型的反演识别或学习训练，确定出煤层底板突水的各主控因素对复杂突水过程控制的 “权重”，最后，建立煤层底板突水预测预报评价模型，对煤层底板突水脆弱性做出科学的区划和预测预报评价。

现有技术的脆弱性指数法，能够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。

但是，现有技术的脆弱性指数法，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。

发明内容

本发明目的在于：满足煤炭工业的需求，克服现有技术的不足，提供一种基于分区变权模型的、改进的煤层底板突水脆弱性评价方法。

为了实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：改进的煤层底板突水脆弱性评价方法，在确定后的各主控因素“常权权重”基础上，还包括以下步骤：

1.确定各主控因素的“变权权重”；

2.建立基于分区变权原理的底板突水脆弱性评价模型；

3.煤层底板突水脆弱性的评价预测分区。

由于采用了上述的分区变权原理和“变权权重”评价模型，本发明具有的有益效果在于：首次应用分区变权原理和模型解决了煤层底板突水脆弱性评价预测中的关键技术难题。不仅能够考虑常权模型所能反映的各主控因素在煤层底板突水过程中的权重比例不同的特征，也能考虑常权模型无法刻画的各主控因素在整个研究区不同单元的指标数值状态对煤层底板突水的控制作用，更重要的是可以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，这种作用通过不断调整主控因素在研究区不同单元的权重随其状态值的变化而变化来实现。分区变权模型既注重各主控因素对煤层底板突水的控制作用，也注重各主控因素之间相互关联关系对煤层底板突水的控制作用，因而其评价思想更加合理，评价方法更加先进，评价结果更符合生产实际。使用该方法可以克服评价预测过程中每个主控因素在整个研究区只有一个常权的缺陷，可大大提高煤层底板突水脆弱性评价预测的精度。

附图说明

附图1，本发明改进的煤层底板突水脆弱性评价方法工作流程图；

附图2，5#煤至底板灰岩有效隔水层等效厚度专题图；

附图3，5#煤至底板灰岩矿压破坏带下脆性岩厚度专题图；

附图4，5#煤断层与褶皱分布专题图；

附图5，5#煤断层与褶皱交端点专题图；

附图6，5#煤断层规模指数专题图；

附图7，底板灰岩含水层富水性专题图；

附图8，煤层底板隔水层承受的底板灰岩水压专题图；

附图9，5#煤至底板灰岩有效隔水层等效厚度归一化专题图；

附图10，5#煤至底板灰岩矿压破坏带下脆性岩厚度归一化专题图；

附图11，5#煤断层与褶皱分布归一化专题图；

附图12，5#煤断层与褶皱交端点归一化专题图；

附图13，5#煤断层规模指数归一化专题图；

附图14，底板灰岩含水层富水性归一化专题图；

附图15，煤层底板隔水层承受的底板灰岩水压归一化专题图；

附图16，现有技术的煤层底板突水脆弱性指数评价方法确定“常权权重”工作流程图；

附图17，有效隔水层等效厚度变权权重散点图；

附图18，矿压破坏带下脆性岩厚度变权权重散点图；

附图19，断层与褶皱分布变权权重散点图；

附图20，断层与褶皱交端点分布变权权重散点图；

附图21，断层规模指数变权权重散点图；

附图22，含水层富水性变权权重散点图；

附图23，含水层水压变权权重散点图；

附图24，基于分区变权原理的底板突水脆弱性评价分区图。

具体实施例

参照附图1，改进的煤层底板突水脆弱性评价方法，在确定后的各主控因素“常权权重”基础上，还包括以下步骤：

1.确定各主控因素的“变权权重”；

所述的确定各主控因素的“变权权重”，应用分区变权模型确定各主控因素的“变权权重”；

所述的分区变权模型，表达如下：

S ( X )——m 维分区状态变权向量；

W_{0} = (w_{1}^{(0)}, w_{2}^{(0)}, . . . . . ., w_{m}^{(0)})

——任一常权向量；

W(X)——m 维分区变权向量。

所述的应用分区变权模型确定煤层底板突水主控因素的“变权权重”，具体包括以下步骤：

（1）构建状态变权向量；

（2）对各主控因素的权重实施分区变权处理与计算。

所述的构建状态变权向量，包括以下步骤：

（1）构建与煤层底板突水控制因素变化规律相符合的状态变权向量公式；

（2）确定状态变权向量公式中的参数值；

（3）确定经过归一化处理的变权区间及阈值。

[001]2.建立基于分区变权原理的底板突水脆弱性评价模型；

所述的基于分区变权原理的煤层底板突水脆弱性评价模型，表达如下：

VI——脆弱性指数；

w_i——影响因素变权向量；

f_i(x,y)——单因素影响值函数；

(x,y)——地理坐标；

w⁽⁰⁾ ——任一常权向量；

S ( X )——m 维分区状态变权向量。

3.煤层底板突水脆弱性的评价预测分区

所述的煤层底板突水脆弱性的评价预测分区，是根据上述的基于分区变权原理的煤层底板突水脆弱性评价模型的计算结果，通过对研究区各单元计算的突水脆弱性指数值的频率直方图或自然断裂法分析，合理确定突水脆弱性的分区阈值，最终生成煤层底板突水脆弱性的评价分区图，对煤层底板突水脆弱性做出基于分区变权原理的科学区划和预测预报评价。

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，对该矿区5^#煤底板突水危险性进行脆弱性评价分区和预测预报。

现有技术的煤层底板突水脆弱性指数评价方法，基于信息融合方法的“常权权重”确定，包括以下步骤：

1.确定评价区底板突水主控因素

根据评价区实际的矿井充水条件和目前水文地质勘探程度以及资料情况，选取了以下7个因素作为影响煤层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

2.建立评价区主控因素指标量化及专题图

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。

3.建立数据归一化及单因素归一化专题图

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。运用GIS技术处理归一化数据，作出的各单因素归一化专题图见附图9-15。

4.利用层次分析法（AHP）确定评价区各主控因素的“常权权重”

参照附图16，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，作为模型的目标层（A层次）；承压含水层、地质构造、底板隔水层决定了突水的可能性，但其影响方式还需通过与其相关的具体因素来体现，这是解决问题的中间环节，亦即模型的准则层（B层次）；各个具体的主控因素指标构成了本模型的决策层（C层次），通过对该层次问题的决策，最终达到所要求解的目标。

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”

本发明改进的煤层底板突水脆弱性评价方法，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：

5.确定各主控因素的“变权权重”；

应用分区变权模型确定煤层底板突水主控因素的“变权权重”，具体包括以下步骤：

（1）构建状态变权向量

①构建与煤层底板突水控制因素变化规律相符合的状态变权向量公式；

根据分析，确定与5^#煤层底板突水各主控因素变化规律相符合的状态变权向量公式：

S_{j} (x) = \{\begin{matrix} e^{a_{1} (d_{1} - x)} + c - 1, & x &Element; [0, d_{1}) \\ c, & x &Element; [d_{1}, d_{2}) \\ e^{a_{2} (x - d_{2})} + c - 1, & x &Element; [d_{2}, d_{3}) \\ e^{a_{3} (x - d_{3})} + e^{a_{2} (d_{3} - d_{2})} + c - 2, & x &Element; [d_{3}, 1] \end{matrix}

其中C为调节水平，a₁、a₂、a₃为待确定的参数，d₁、d₂、d₃为变权区间的阈值；

②确定状态变权向量公式中的参数值；

经过分析与计算，确定C=0.2,a₁=0.15,a₂=0.15,a₃=0.3。

③确定经过归一化处理的变权区间及阈值。

经过归一化处理后，确定的变权区间及阈值如表2:

表2各主控因素经归一化处理后的变权区间及阈值

（2）对评价区各主控因素的权重进行分区变权处理与计算

结合上述的煤层底板突水各主控因素变化规律相符合的状态变权向量公式，按照分区变权模型公式，建立5#煤层底板突水主控因素的分区变权模型。然后采用研发的分区变权模型求解软件，对各主控因素变权权重进行求解，得出在考虑各因素状态值的组态水平基础上，随因素状态值的变化而变化的主控因素权重值见表3,各主控因素变权权重变化趋势见散点图（附图17-23）。

表3 各主控因素“变权权重”值

注：因数据量较大（约为13000行）在此只选取部分数据供参考

6.建立评价区5#煤层底板突水脆弱性评价模型

利用GIS 的强大信息融合及数据处理功能,将归一化处理后的各主控因素进行复合叠加分析。结合上述的基于分区变权原理的煤层底板突水脆弱性评价模型公式，根据分区变权模型确定影响5^#煤层底板突水的各主控因素的变权权重, 将复合叠加后产生的新图形重建拓扑形成新的拓扑关系属性表, 建立基于分区变权原理的5^#煤层底板突水脆弱性评价模型如下：

VI——脆弱性指数;

w_i——影响因素变权向量；

f_i(x,y)——单因素影响值函数；

(x,y)——地理坐标；

w⁽⁰⁾——任一常权向量；

S ( X )——m 维分区状态变权向量。

7. 5#煤层底板突水脆弱性评价分区

根据自然断裂法对5^#煤层底板突水脆弱性指数进行处理，可以得到五级分级结果。各分级阈值分别为0.591137、0.506855、0. 427520、0.344868。脆弱性指数越大，突水的可能性也就越大。根据分级阈值将研究区域划分为五个区域：

VI＞0.591137突水脆弱区

0.506855＜VI≤0.591137 突水较脆弱区

0. 427520＜VI≤0.506855 突水过渡区

0.344868＜VI≤0. 427520 突水较安全区

VI≤0.344868突水相对安全区

根据分区阈值对评价区5^#煤层底板灰岩突水脆弱性进行脆弱性分区，最终得出基于分区变权原理的底板突水脆弱性评价预测图，见附图24。

Claims

1.改进的煤层底板突水脆弱性评价方法，在确定后的各主控因素“常权权重”基础上，其特征在于：还包括以下步骤：

（1）确定各主控因素的“变权权重”；

（2）建立基于分区变权原理的底板突水脆弱性评价模型；

（3）煤层底板突水脆弱性的评价预测分区。

2.根据权利要求1所述的改进的煤层底板突水脆弱性评价方法，其特征在于：所述的确定各主控因素的“变权权重”，应用分区变权模型确定各主控因素的“变权权重”。

3.根据权利要求2所述的改进的煤层底板突水脆弱性评价方法，其特征在于：所述的分区变权模型，表达如下：

S ( X )——m 维分区状态变权向量；

W_{0} = (w_{1}^{(0)}, w_{2}^{(0)}, . . . . . ., w_{m}^{(0)})

——任一常权向量；

W(X)——m 维分区变权向量。

4.根据权利要求2所述的改进的煤层底板突水脆弱性评价方法，其特征在于：所述的应用分区变权模型确定煤层底板突水主控因素的“变权权重”，具体包括以下步骤：

（1）构建状态变权向量；

（2）对各主控因素的权重实施分区变权处理与计算。

5.根据权利要求4所述的改进的煤层底板突水脆弱性评价方法，其特征在于：所述的构建状态变权向量，包括以下步骤：

（2）确定状态变权向量公式中的参数值；

（3）确定经过归一化处理的变权区间及阈值。

6.根据权利要求1所述的改进的煤层底板突水脆弱性评价方法，其特征在于：所述的基于分区变权原理的煤层底板突水脆弱性评价模型，表达如下：

VI——脆弱性指数；

w_i——影响因素变权向量；

f_i(x,y)——单因素影响值函数；

(x,y)——地理坐标；

w⁽⁰⁾——任一常权向量；

S ( X )——m 维分区状态变权向量。

7.根据权利要求1所述的改进的煤层底板突水脆弱性评价方法，其特征在于：所述的煤层底板突水脆弱性的评价预测分区，是根据上述的基于分区变权原理的煤层底板突水脆弱性评价模型的计算结果，通过对研究区各单元计算的突水脆弱性指数值的频率直方图或自然断裂法分析，合理确定突水脆弱性的分区阈值，最终生成煤层底板突水脆弱性的评价分区图，对煤层底板突水脆弱性做出基于分区变权原理的科学区划和预测预报评价。