CN104268785A - 一种用于深井底板突水风险的分析方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于深井底板突水风险的分析方法，其包括以下步骤：采集深井底板突水之多个主控因素数据的步骤；选取上述深井底板突水之多个主控因素的数据并确定各个主控因素权重的步骤；构建灰色物元深井底板突水风险分析模型的步骤；确定深井底板突水风险分析阈值的步骤；根据多个主控因素的数据、深井底板突水风险分析模型与深井底板突水风险分析阈值分析，获得深井底板突水临界条件的步骤。获得深井底板突水临界条件，给具体的深井开采过程中防止底板突水提供数据基础，进而为提高深井开采的安全性提供技术支持。
Description
技术领域
本发明属于矿山安全分析领域，尤其涉及一种用于深井底板突水风险的分析方法。
背景技术
矿井底板突水风险评估模型应是一个系统性的、包含影响因素的系统。目前常用方法有两种，即“突水系数”和“下三带”理论。现有技术一般从数理统计、水力学和岩体力学、模糊数学、神经网络及多源信息复合处理等方面对底板突水预测预报进行探索，但这些方法还不成熟且应用不广泛。“下三带”理论虽然在采动条件下与矿井底板隔水层破坏实际比较切合，但是其模型还不够完善，加上测试过程复杂，费用花费较多，数据获取存在困难，因此现场应用不广泛。“突水系数法”具有物理概念模型明确，公式计算简单实用的优点，因此被沿用至今。然而“突水系数”在应用过程中尚存在以下主要问题:
(1)一般在工程实际应用中，作为判别矿井底板突水能否发生的指标，突水系数的计算是要综合底板隔水层的厚度及其岩性组合、含水层水压力和矿井水文地质等影响因素确定其取值，但底板突水具有随机性，这使得具有确定取值的突水系数在某些状况下与实际情况相左。
(2)在实验条件下得到的突水系数临界值，具有局限性，束缚了其适用范围。一般在对处于带压开采状态下工作面凭借底板岩性结构、隔水层完整性以及含水层水压力的大小的综合考虑进行求解、估计临界突水系数据，这样得来的经验值不能十分有把握的用于指导实际。
突水系数临界值判别底板能否发生突水时，所得结果缺少完满性，但若要短时间内改进判别式，将诸多影响因素考虑到一个判别式中，这是很难实现的，只有通过长期不断的努力去补充、完善。因此，现有技术有待于更进一步的改进和发展。
发明内容
鉴于上述现有技术的不足，本发明提供的一种用于深井底板突水风险的分析方法。
本发明技术方案包括：
一种用于深井底板突水风险的分析方法，其包括以下步骤：
采集深井底板突水之多个主控因素数据的步骤；
选取上述深井底板突水之多个主控因素的数据并确定各个主控因素权重的步骤；
构建灰色物元深井底板突水风险分析模型的步骤；
确定深井底板突水风险分析阈值的步骤；
根据多个主控因素的数据、深井底板突水风险分析模型与深井底板突水风险分析阈值分析，获得深井底板突水临界条件的步骤。
所述的分析方法，其中，上述多个主控因素数据包括：水文地质状态、导水构造状态、底板隔水层状态、开采状态、深井状态。
所述的分析方法，其中，上述水文地质状态包括含水层水压力、含水层富水性和强水源补给度。
所述的分析方法，其中，上述开采状态包括开采厚度、开采深度、工作面斜长和推进步距。
所述的分析方法，其中，上述深井状态包括高地应力、高岩溶水压、高地温和强采动扰动。
所述的分析方法，其中，上述选取上述深井底板突水之多个主控因素的数据并确定各个主控因素权重的步骤包括：
采用层次分析法确定深井底板突水的主控因素及其权重，通过灰色关联度分析验证所确定的深井底板突水主控因素的正确性，对主控因素进行权重调整。
所述的分析方法，其中，上述层次分析法包括：构建深井底板突水影响因素的层次结构模型、构造判断矩阵、一致性检验；灰色关联度选取主控因素包括：确定关联指标、确定参数序列、计算关联系数、计算关联度以及关联度分析。
所述的分析方法，其中，选取权重排序前六的主控因素，权重排序前六的主控因素为含水层水压、含水层富水性、隔水层厚度、断层的导水性能、开采深度和底板应力状态；再采用灰色关联度分析确定主控因素的关联度并排序，选取关联度排后六的主控因素，后六的主控因素与权重排序前六的主控因素进行对比，验证权重排序前六的主控因素；对确定之权重排序前六的主控因素的权重进行归一化处理，得到主控因素的最终权重。
所述的分析方法，其中，上述构建灰色物元深井底板突水风险分析模型的步骤包括：
按照建立灰色物元矩阵、建立标准样本物元矩阵、构造关联系数灰色物元矩阵、计算关联度物元矩阵和安全度排序的流程对工程样本进行分析，得到工程样本底板突水量的预测值。
所述的分析方法，其中，上述确定深井底板突水风险分析阈值的步骤包括：运用灰色物元深井底板突水风险分析模型对突水量进行全面的工程样本进行分析，得到各个工程样本的关联值，通过关联值确定深井底板突水风险分析的分区阈值，用于确定信息不全面的工程样本发生底板突水的风险。
本发明提供的一种用于深井底板突水风险的分析方法，对多个主控因素数据、确定各个主控因素权重、构建灰色物元深井底板突水风险分析模型与确定深井底板突水风险分析阈值等参数进行分析，获得深井底板突水临界条件，给具体的深井开采过程中防止底板突水提供数据基础，进而为提高深井开采的安全性提供技术支持。
附图说明
图1为本发明中分析方法的流程示意图。
具体实施方式
本发明提供了一种用于深井底板突水风险的分析方法，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明提供了一种用于深井底板突水风险的分析方法，如图1所示的，其包括以下步骤：
采集深井底板突水之多个主控因素数据的步骤；
选取上述深井底板突水之多个主控因素的数据并确定各个主控因素权重的步骤；
构建灰色物元深井底板突水风险分析模型的步骤；
确定深井底板突水风险分析阈值的步骤；
根据多个主控因素的数据、深井底板突水风险分析模型与深井底板突水风险分析阈值分析，获得深井底板突水临界条件的步骤。
更进一步的，上述多个主控因素数据包括：水文地质状态、导水构造状态、底板隔水层状态、开采状态、深井状态。上述水文地质状态包括含水层水压力、含水层富水性和强水源补给度。上述开采状态包括开采厚度、开采深度、工作面斜长和推进步距。上述深井状态包括高地应力、高岩溶水压、高地温和强采动扰动。
在本发明的另一较佳实施例中，上述选取上述深井底板突水之多个主控因素的数据并确定各个主控因素权重的步骤包括：
采用层次分析法确定深井底板突水的主控因素及其权重，通过灰色关联度分析验证所确定的深井底板突水主控因素的正确性，对主控因素进行权重调整。
并且上述层次分析法包括：构建深井底板突水影响因素的层次结构模型、构造判断矩阵、一致性检验；灰色关联度选取主控因素包括：确定关联指标、确定参数序列、计算关联系数、计算关联度以及关联度分析。
更进一步的，选取权重排序前六的主控因素，权重排序前六的主控因素为含水层水压、含水层富水性、隔水层厚度、断层的导水性能、开采深度和底板应力状态；再采用灰色关联度分析确定主控因素的关联度并排序，选取关联度排后六的主控因素，后六的主控因素与权重排序前六的主控因素进行对比，验证权重排序前六的主控因素；对确定之权重排序前六的主控因素的权重进行归一化处理，得到主控因素的最终权重。
在本发明的另一较佳实施例中个，上述构建灰色物元深井底板突水风险分析模型的步骤包括：
按照建立灰色物元矩阵、建立标准样本物元矩阵、构造关联系数灰色物元矩阵、计算关联度物元矩阵和安全度排序的流程对工程样本进行分析，得到工程样本底板突水量的预测值。
更进一步的，上述确定深井底板突水风险分析阈值的步骤包括：运用灰色物元深井底板突水风险分析模型对突水量进行全面的工程样本进行分析，得到各个工程样本的关联值，通过关联值确定深井底板突水风险分析的分区阈值，用于确定信息不全面的工程样本发生底板突水的风险。
为了更进一步描述本发明的分析方法，以下进行更为详尽的说明。
用于深井底板突水风险的分析方法包括以下步骤：
(1)深井底板突水主要影响因素分析；
(2)选取深井底板突水主控因素并确定各主控因素权重；
(3)构建灰色物元深井底板突水风险评估模型；
(4)确定深井底板突水风险评估阈值；
(5)设计深井底板突水风险评估系统。
下面对各个步骤做进一步的详细介绍。
所述深井底板突水主要影响因素分析包括水文地质、导水构造、底板隔水层、开采条件、深井特征因素。
所述水文地质对矿井底板突水的影响主要是从含水层水压力、含水层富水性和强水源补给程度进行分析。在其他条件一定时，含水层水压力、含水层富水性和强水源补给程度愈差，矿井底板发生突水的可能性就愈小。
所述导水构造作为引起底板发生突水的主要原因，是承压水从工作面底板突水的薄弱面，破坏岩体本身的完整性，成为底板突水优势面。对所述导水构造主要从断层导水性和裂隙发育情况进行分析。在其他条件一定时，断层导水性和裂隙发育情况越差，矿井底板发生突水的可能性就愈小。
所述底板隔水层作为唯一能够阻隔底板突水的因素，其阻隔能力的大小主要取决于隔水层厚度、岩性组合以及底板应力状态。一般来说，所述隔水层厚度越大，岩性组合越合理，底板应力越小，发生底板突水的可能性就越小。
所述开采条件对底板突水的影响作用主要从开采厚度、开采深度、工作面斜长和推进步距四方面进行分析。在其他条件一定时，开采厚度越厚、开采深度越深、工作面斜长越长、推进步距越大，底板突水的可能就越大。
所述深井特征因素主要体现在：高地应力、高岩溶水压、高地温和强采动扰动。所述深井特征因素是随开采深度逐渐变化的主要原因。
所述选取深井底板突水主控因素并确定各主控因素权重包括：
采用层次分析法确定深井底板突水的主控因素及其权重，通过灰色关联度分析验证所确定的深井底板突水主控因素的正确性，对主控因素进行权重调整。其中层次分析法步骤包括：构建深井底板突水影响因素的层次结构模型、构造判断矩阵、一致性检验；灰色关联度选取主控因素步骤包括：确定关联指标、确定参数序列、计算关联系数、计算关联度以及关联度分析。根据深井底板突水影响因素分析，确定风险评估所需指标。采用层次分析法并结合专家打分法确定各个指标因素权重并排序，选取权重排序前六的指标因素作为所述主控因素，即含水层水压、含水层富水性、隔水层厚度、断层的导水性能、开采深度和底板应力状态。再采用灰色关联度分析确定各个指标因素的关联度并排序，选取关联度后六的指标因素作为主控因素，与先前所述主控因素进行对比，验证先前所述主控因素选取的合理性和准确性。对确定的六大主控因素的权重进行归一化处理，得到主控因素的最终权重，依次为：含水层水压0.2169；含水层富水性0.1182；隔水层厚度0.1092；断层导水性0.1041；底板应力状态0.1502；开采深度0.1170。
所述构建灰色物元深井底板突水风险评估模型包括：
为了便于分析，构建隶属度函数对所述主控因素进行量化、处理，确定评判依据。运用灰色物元模型，按照建立灰色物元矩阵、建立标准样本物元矩阵、构造关联系数灰色物元矩阵、计算关联度物元矩阵和安全度排序这五个步骤对工程样本进行评估，即可得到工程样本的安全度排序，得到工程样本底板突水量的预测值。
所述确定深井底板突水风险评估阈值包括：
运用构建的灰色物元深井底板突水风险评估模型对突水量等信息全面的工程样本进行评估，可得到各个工程样本的关联度，即k值。通过实际工程应用确定深井底板突水风险评估的分区阈值：当k≤0.70时，采煤工作面发生大型突水或是特大型突水的风险很大，是深井底板突水的危险区；当0.70≤k≤0.90时，工作面有发生小型或中型突水，是深井底板突水的脆弱区，可以通过提高安全潜力转危为安；当k≥0.90时，工作面是深井底板突水安全区，可用于确定信息不全面的工程样本发生底板突水的风险。
所述深井底板突水风险评估系统包括：
通过对深井底板突水评估系统需求的分析，可有针对性的对系统功能进行设计，采用VB编程深井底板突水风险评估系统。该系统的主要功能应由深井底板突水影响因素分析、底板突水量预测、防治底板突水措施三大部分组成。其中，系统核心是突水量的预测；基于GM(1,1)模型的深井底板突水因素分析为底板突水量的预测提供信息的同时，也为防治底板突水措施的制定提供了依据。
本发明中未述及的部分采用或借鉴已有技术即可实现。
其有益效果如下：
与现有的矿井底板突水风险评估方法相比，本发明分析方法在从水文地质、导水构造、底板隔水层、开采条件和深井特征因素五方面详尽分析了矿井底板突水的主要影响因素，含水层水压、含水层富水性、强水源补给情况、隔水层厚度、隔水层岩性组合、裂隙发育情况、断层导水性、底板应力状态、开采深度、开采厚度、工作面斜长、工作面推进距离。
采用层次分析法和灰色关联度分析相结合的方法，选取并验证了深井底板突水主控因素，含水层水压、含水层富水性、隔水层厚度、断层导水性、底板应力状态和开采深度；确定深井底板突水各主控因素的权重，含水层水压0.2169；含水层富水性0.1182；隔水层厚度0.1092；断层导水性0.1041；底板应力状态0.1502；开采深度0.1170。
构建隶属度函数对主控因素进行量化、处理，确定评判依据。运用灰色物元模型，按照建立灰色物元矩阵、建立标准样本物元矩阵、构造关联系数灰色物元矩阵、计算关联度物元矩阵和安全度排序这五个步骤对工程样本进行评估，可得到工程样本的安全度排序，得到工程样本底板突水量的预测值。
通过运用构建的深井底板突水风险评估模型对突水量等信息全面的工程样本进行评估，可得到各个工程样本的关联度，即k值。通过实际工程应用确定深井底板突水风险评估的分区阈值：当k≤0.70时，采煤工作面发生大型突水或是特大型突水的风险很大，是深井底板突水的危险区；当0.70≤k≤0.90时，工作面有发生小型或中型突水，是深井底板突水的脆弱区，可以通过提高安全潜力转危为安；当k≥0.90时，工作面是深井底板突水安全区，可用于确定信息不全面的工程样本发生底板突水的风险。
通过对深井底板突水评估系统需求的分析，可有针对性的对系统功能进行设计。其主要功能应由深井底板突水影响因素分析、底板突水量预测、防治底板突水措施三大部分组成。其中，本发明分析方法的核心是突水量的预测；基于GM(1,1)模型的深井底板突水因素分析为底板突水量的预测提供信息的同时，也为防治底板突水措施的制定提供了依据。
尽管本文中较多的使用了诸如突水风险评估、主控因素、阈值等术语，但并不排除使用其它术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便地描述和解释本发明的本质；把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。
当然，以上说明仅仅为本发明的较佳实施例，本发明并不限于列举上述实施例，应当说明的是，任何熟悉本领域的技术人员在本说明书的教导下，所做出的所有等同替代、明显变形形式，均落在本说明书的实质范围之内，理应受到本发明的保护。
Claims (10)
1.一种用于深井底板突水风险的分析方法，其包括以下步骤：
采集深井底板突水之多个主控因素数据的步骤；
选取上述深井底板突水之多个主控因素的数据并确定各个主控因素权重的步骤；
构建灰色物元深井底板突水风险分析模型的步骤；
确定深井底板突水风险分析阈值的步骤；
根据多个主控因素的数据、深井底板突水风险分析模型与深井底板突水风险分析阈值分析，获得深井底板突水临界条件的步骤。
2.根据权利要求1所述的分析方法，其特征在于，上述多个主控因素数据包括：水文地质状态、导水构造状态、底板隔水层状态、开采状态、深井状态。
3.根据权利要求2所述的分析方法，其特征在于，上述水文地质状态包括含水层水压力、含水层富水性和强水源补给度。
4.根据权利要求2所述的分析方法，其特征在于，上述开采状态包括开采厚度、开采深度、工作面斜长和推进步距。
5.根据权利要求2所述的分析方法，其特征在于，上述深井状态包括高地应力、高岩溶水压、高地温和强采动扰动。
6.根据权利要求1所述的分析方法，其特征在于，上述选取上述深井底板突水之多个主控因素的数据并确定各个主控因素权重的步骤包括：
采用层次分析法确定深井底板突水的主控因素及其权重，通过灰色关联度分析验证所确定的深井底板突水主控因素的正确性，对主控因素进行权重调整。
7.根据权利要求6所述的分析方法，其特征在于，上述层次分析法包括：构建深井底板突水影响因素的层次结构模型、构造判断矩阵、一致性检验；灰色关联度选取主控因素包括：确定关联指标、确定参数序列、计算关联系数、计算关联度以及关联度分析。
8.根据权利要求7所述的分析方法，其特征在于，选取权重排序前六的主控因素，权重排序前六的主控因素为含水层水压、含水层富水性、隔水层厚度、断层的导水性能、开采深度和底板应力状态；再采用灰色关联度分析确定主控因素的关联度并排序，选取关联度排后六的主控因素，后六的主控因素与权重排序前六的主控因素进行对比，验证权重排序前六的主控因素；对确定之权重排序前六的主控因素的权重进行归一化处理，得到主控因素的最终权重。
9.根据权利要求1所述的分析方法，其特征在于，上述构建灰色物元深井底板突水风险分析模型的步骤包括：
按照建立灰色物元矩阵、建立标准样本物元矩阵、构造关联系数灰色物元矩阵、计算关联度物元矩阵和安全度排序的流程对工程样本进行分析，得到工程样本底板突水量的预测值。
10.根据权利要求9所述的分析方法，其特征在于，上述确定深井底板突水风险分析阈值的步骤包括：运用灰色物元深井底板突水风险分析模型对突水量进行全面的工程样本进行分析，得到各个工程样本的关联值，通过关联值确定深井底板突水风险分析的分区阈值，用于确定信息不全面的工程样本发生底板突水的风险。
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| WO2004083128A1 (en) * | 2003-03-20 | 2004-09-30 | Vartech, B.V. | Apparatus and method for performing deep well wet oxidation |
-
2014
- 2014-09-10 CN CN201410459354.2A patent/CN104268785A/zh active Pending
Patent Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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