CN109359374A - 煤层底板突水评价的二级模糊综合评判方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种煤层底板突水评价的二级模糊综合评判方法，涉及煤矿底板突水评判预测技术领域，本煤层底板突水评价的二级模糊综合评判方法包括以下步骤：步骤一、选取底板突水评价指标；步骤二、将底板突水评价指标划分为连续变量指标和离散变量指标；步骤三、将底板突水的评判危险等级分级；步骤四、建立底板突水评价指标对应各危险等级隶属度计算模型；步骤五、确定底板突水评价指标的权重系数；步骤六、计算底板突水评价指标对应各危险等级隶属度；步骤七、计算煤层底板突水与各危险等级的关联度；步骤八、确定煤层底板突水的危险等级。本发明的有益效果：实现对煤层底板突水准确预测评判。

Description

煤层底板突水评价的二级模糊综合评判方法

技术领域

本发明涉及煤矿底板突水评判预测技术领域，特别是涉及一种煤层底板突水评价的二级模糊综合评判方法。

背景技术

随着浅部煤炭资源的枯竭，目前的煤炭开采转向了深部煤层的开采。深部开采常常伴有高地应力、高地温、高渗透压的“三高”特征和相对复杂的水水文地质条件，使得生产过程中各种灾害事故频发，尤其是底板突水事故。因此，进行提前科学合理的突水危险性预测评价成了预防深部开采底板突水的重要手段。

煤层底板突水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。传统的经验、半经验或统计等模型不能准确预测评价煤层底板突水。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。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个控制底板突水的主控因素。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。目前工程实践技术人员进行了各种底板突水危险性预测的改进，并取得了一定程度的改善。但是，美中不足的是，目前的技术方案大都采用了反演识别或学习训练样本的机器学习方法，其精确度受到样本量大小的影响，或限制了特定条件而不具有普遍适用性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种煤层底板突水评价的二级模糊综合评判方法，解决煤层底板突水预测评判不准确的技术问题。

本发明提供一种煤层底板突水评价的二级模糊综合评判方法，包括以下步骤：

步骤一、选取底板突水评价指标

底板突水评价指标包括一级评价指标和二级评价指标；

一级评价指标包括地质构造B₁、水文地质条件B₂、底板隔水层情况B₃和开采条件B₄；

地质构造B₁包括断裂密度C₁、断层导水性C₂和裂隙发育程度C₃共三个二级评价指标；

水水文地质条件B₂包括承压水水压C₄、含水层水性C₅、岩溶发育情况C₆和强水源补给C₇共四个二级评价指标；

底板隔水层情况B₃包括隔水层厚度C₈、隔水层强度C₉和隔水层完整性C₁₀共三个二级评价指标；

开采条件B₄包括开采厚度C₁₁、开采深度C₁₂、工作面斜长C₁₃和工作面走向长C₁₄共四个二级评价指标；

步骤二、将底板突水评价指标划分为连续变量指标和离散变量指标

连续变量指标包括断裂密度C₁、承压水水压C₄、隔水层厚度C₈、隔水层强度C₉、开采厚度C₁₁、开采深度C₁₂、工作面斜长C₁₃和工作面走向长C₁₄；

离散变量指标包括断层导水性C₂、裂隙发育程度C₃、含水层水性C₅、岩溶发育情况C₆、强水源补给C₇和隔水层完整性C₁₀；

步骤三、将底板突水的评判危险等级分级

底板突水的评判危险等级分为5级，分别对应V＝{易，较易，一般，较难，难}＝{I，II，III，IV，V}；

步骤四、建立底板突水评价指标对应各危险等级隶属度计算模型

连续变量指标的危险等级划分采用单因子量化分级，采用三角模糊数计算模型求解连续变量指标的危险等级隶属度；

采用德尔菲法建立模型求解离散变量指标的危险等级隶属度；

步骤五、确定底板突水评价指标的权重系数

采用层次分析法确定一级评价指标权重矩阵w_B；

步骤六、计算底板突水评价指标对应各危险等级隶属度

采集煤矿煤层底板的各底板突水评价指标的测量值，将各个底板突水评价指标的测量值无量纲处理，由底板突水评价指标对应各危险等级隶属度计算模型计算得到各底板突水评价指标对应各危险等级隶属度；

步骤七、计算煤层底板突水与各危险等级的关联度

由各底板突水评价指标对应各危险等级隶属度得到一级评价指标的模糊判断矩阵R,将一级评价指标的模糊判断矩阵R和一级评价指标权重矩阵w_B进行模糊变换得到模糊评价结果D，D＝w_B×R；

步骤八、确定煤层底板突水的危险等级

根据模糊评价结果D和最大隶属度原则，参照底板突水的评判危险等级，得出煤矿煤层底板突水的危险等级。

进一步的，所述三角模糊数计算模型：

底板突水评价指标值与危险等级成负相关的指标c₈、c₉，所述三角模糊数计算模型调整如下：

式中，x_i(i＝1,4,8,9,11,12,13,14)为连续变量指标值，C_i1、C_ij(j＝2,3,4)、C_i5为x_i对应5个危险等级隶属度，a_i1、a_ij(j＝2,3,4)、a_i5为风险等级划分标准值。

与现有技术相比，本发明的煤层底板突水评价的二级模糊综合评判方法及施工方法具有以下特点和优点：

1、本发明的煤层底板突水评价的二级模糊综合评判方法，基于模糊数学理论，能够详实描述煤层底板这种复杂突水机理和受控因素颇多的非线性动力现象，且针对连续变量和离散变量的特征，分别采用三角模糊数和德尔菲法进行危险等级隶属度的求解，较好地解决了煤层底板突水预测评判的难题。

2、本发明的煤层底板突水评价的二级模糊综合评判方法，突破了煤层底板突水评价传统的突水系数法仅能考虑两个控制因素且无影响“权重”概念等重大缺陷的束缚和现有的采用反演识别或学习训练样本的机器学习方法预测精准度及受特定条件限制不具有普遍适用性的问题，采用层次分析和模糊数学理论和方法，真实反映煤层底板突水这种受控于多因素且具有非常复杂形成机理的非线性动力过程。

结合附图阅读本发明的具体实施方式后，本发明的特点和优点将变得更加清楚。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例中煤层底板突水评价的二级模糊综合评判方法的流程图；

图2为本发明实施例中连续变量指标隶属函数图形曲线；

图3为本发明实施例中底板突水评价指标的模型示意图。

具体实施方式

如图1至图3所示，本实施例提供一种煤层底板突水评价的二级模糊综合评判方法，包括以下步骤：

步骤一、选取底板突水评价指标

底板突水评价指标包括一级评价指标和二级评价指标。

一级评价指标包括地质构造B₁、水文地质条件B₂、底板隔水层情况B₃和开采条件B₄。

地质构造B₁以断裂构造为主，是底板突水的主要控制因素，断层破坏了煤层底板的完整性，降低了岩体强度，缩短了含水层水体与底板的距离。地质构造B₁包括断裂密度C₁、断层导水性C₂和裂隙发育程度C₃共三个二级评价指标。

水水文地质条件B₂包括承压水水压C₄、含水层水性C₅、岩溶发育情况C₆和强水源补给C₇共四个二级评价指标。水压是造成底板突水的力学条件，强水源补给则影响突水规模的大小。

底板隔水层是唯一的隔水屏障，阻隔能力体现在隔水层的厚度，岩体的力学性质，隔水层完整性。底板隔水层情况B₃包括隔水层厚度C₈、隔水层强度C₉和隔水层完整性C₁₀共三个二级评价指标。

开采导致原岩应力失衡必然引起煤层底板的破坏。开采条件B₄包括开采厚度C₁₁、开采深度C₁₂、工作面斜长C₁₃和工作面走向长C₁₄共四个二级评价指标。

步骤二、将底板突水评价指标划分为连续变量指标和离散变量指标

连续变量指标包括断裂密度C₁、承压水水压C₄、隔水层厚度C₈、隔水层强度C₉、开采厚度C₁₁、开采深度C₁₂、工作面斜长C₁₃和工作面走向长C₁₄。

离散变量指标包括断层导水性C₂、裂隙发育程度C₃、含水层水性C₅、岩溶发育情况C₆、强水源补给C₇和隔水层完整性C₁₀。

步骤三、将底板突水的评判危险等级分级

底板突水的评判危险等级分为5级，分别对应V＝{易，较易，一般，较难，难}＝{I，II，III，IV，V}。

步骤四、建立底板突水评价指标对应各危险等级隶属度计算模型

连续变量指标的危险等级划分采用单因子量化分级，等级划分见表1，表1中括号内数据为无量纲化标准值。

表1连续变量指标的危险等级划分标准

采用三角模糊数计算模型求解连续变量指标的危险等级隶属度，连续变量指标隶属函数图形曲线如图2所示。

三角模糊数计算模型：

底板突水评价指标值与危险等级成负相关的指标c₈、c₉，三角模糊数计算模型调整如下：

式中，x_i(i＝1,4,8,9,11,12,13,14)为连续变量指标值，C_i1、C_ij(j＝2,3,4)、C_i5为x_i对应5个危险等级隶属度，a_i1、a_ij(j＝2,3,4)、a_i5为风险等级划分标准值。

采用德尔菲法建立模型求解离散变量指标的危险等级隶属度，模型如表2所示。

表2离散变量隶属度计算模型

步骤五、确定底板突水评价指标的权重系数

采用层次分析法确定一级评价指标权重矩阵w_B。

层次分析法对于由多因素构成的复杂系统问题提供了简便而实用的决策方法，其基本原理是将评价系统的各因素分解成目标、准则、方案等层次，在此基础上进行定量分析。利用层次分析法求取各种评价指标对矿井突水的贡献大小方便、客观，避免了主观因素的影响。

1)评价指标的层次划分

底板突水评价指标划分为4一级评价指标和14个二级评价指标，如图3所示。

2)层次单排序与一致性检验

表3至表7是各层次的判断矩阵,表8是评价指标权重和判断矩阵最大特征值。

表3：一级评价指标判断矩阵

表4：基于B1的二级评价指标判断矩阵

表5：基于B2的二级指标判断矩阵

表6：基于B3的二级评价指标判断矩阵

表7：基于B4的二级评价指标判断矩阵

表8：指标权重和判断矩阵最大特征值

由表8可得一级评价指标权重矩阵w_B和二级评价指标基于一级评价指标的权重矩阵w_c,具体数值如下：

w_B＝(0.365,0.277,0.233,0.125)

w_C1＝(0.26,0.41,0.33)，w_C2＝(0.29,0.17,0.34，0.20)

w_C3＝(0.41,0.26,0.33)，w_C4＝(0.20,0.37,0.28，0.15)

所有判断矩阵的随机一致性比率经计算如下：

CR＝0.017,CR₁＝0.047,CR₂＝0.023,CR₃＝0.047，CR₄＝0.030

根据随机一致性比率CR均小于0.10，认为判断矩阵具有满意的一致性，符合模糊综合评价的评判原则,否则，必须调整矩阵直到一致性满足为止。

步骤六、计算底板突水评价指标对应各危险等级隶属度

采集煤矿煤层底板的各底板突水评价指标的测量值。

根据矿井大量观测数据，结合地质和水文地质资料信息，进行底板突水主控因素的数据采集、处理和量化。

评价煤矿的地质和水文地质资料信息如下：

本实施例采集河南焦作某矿的数据。其工作面内地质构造简单,断裂构造不发育,断裂密度1.54条/km2,没有大于0.5m的断层；底板含水层主要是八灰，含水丰富，水压1.9MPa，岩溶十分发育，具有较强的补给水源；底板岩层裂隙发育，隔水层厚21～36m，岩石破碎，岩层完整性差，强度2.1MPa。主要可采煤层厚5～6m，开采深度500～600m；工作面走向长度为450m，倾斜长度为145m，长壁回采，全陷法控制顶板。根据工程现场的水文地质条件，统计出底板突水评价指标的测量值，将各个底板突水评价指标的测量值无量纲处理，无量纲处理得标准值(表9括号内数据)。由底板突水评价指标对应各危险等级隶属度计算模型计算得到各底板突水评价指标对应各危险等级隶属度，最后计算统计结果如表9所示。

表9评价指标测量值和危险等级隶属度

步骤七、计算煤层底板突水与各危险等级的关联度

由各底板突水评价指标对应各危险等级隶属度得到基于一级评价指标B1、B2、B3、B4的二级评价指标的模糊判断矩阵R1、R2、R3、R4，结果如下：

则一级评价指标的模糊判断矩阵R：

将一级评价指标的模糊判断矩阵R和一级评价指标权重矩阵w_B进行模糊变换得到模糊评价结果D，D＝w_B×R＝(0.3219,0.1780,0.2049,0.1768,0.1248)。

步骤八、确定煤层底板突水的危险等级

根据模糊评价结果D和最大隶属度原则，参照底板突水的评判危险等级，得出该煤矿煤层底板突水的危险等级为“易”，即该煤矿工作面容易发生底板突水,与工作面的工程实际情况相符。

本实施例的煤层底板突水评价的二级模糊综合评判方法，基于模糊数学理论，能够详实描述煤层底板这种复杂突水机理和受控因素颇多的非线性动力现象，且针对连续变量和离散变量的特征，分别采用三角模糊数和德尔菲法进行危险等级隶属度的求解，较好地解决了煤层底板突水预测评判的难题。

本实施例的煤层底板突水评价的二级模糊综合评判方法，突破了煤层底板突水评价传统的突水系数法仅能考虑两个控制因素且无影响“权重”概念等重大缺陷的束缚和现有的采用反演识别或学习训练样本的机器学习方法预测精准度及受特定条件限制不具有普遍适用性的问题，采用层次分析和模糊数学理论和方法，真实反映煤层底板突水这种受控于多因素且具有非常复杂形成机理的非线性动力过程。

当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种煤层底板突水评价的二级模糊综合评判方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、选取底板突水评价指标

底板突水评价指标包括一级评价指标和二级评价指标；

一级评价指标包括地质构造B₁、水文地质条件B₂、底板隔水层情况B₃和开采条件B₄；

地质构造B₁包括断裂密度C₁、断层导水性C₂和裂隙发育程度C₃共三个二级评价指标；

水水文地质条件B₂包括承压水水压C₄、含水层水性C₅、岩溶发育情况C₆和强水源补给C₇共四个二级评价指标；

底板隔水层情况B₃包括隔水层厚度C₈、隔水层强度C₉和隔水层完整性C₁₀共三个二级评价指标；

开采条件B₄包括开采厚度C₁₁、开采深度C₁₂、工作面斜长C₁₃和工作面走向长C₁₄共四个二级评价指标；

步骤二、将底板突水评价指标划分为连续变量指标和离散变量指标

连续变量指标包括断裂密度C₁、承压水水压C₄、隔水层厚度C₈、隔水层强度C₉、开采厚度C₁₁、开采深度C₁₂、工作面斜长C₁₃和工作面走向长C₁₄；

离散变量指标包括断层导水性C₂、裂隙发育程度C₃、含水层水性C₅、岩溶发育情况C₆、强水源补给C₇和隔水层完整性C₁₀；

步骤三、将底板突水的评判危险等级分级

底板突水的评判危险等级分为5级，分别对应V＝{易，较易，一般，较难，难}＝{I，II，III，IV，V}；

步骤四、建立底板突水评价指标对应各危险等级隶属度计算模型

连续变量指标的危险等级划分采用单因子量化分级，采用三角模糊数计算模型求解连续变量指标的危险等级隶属度；

采用德尔菲法建立模型求解离散变量指标的危险等级隶属度；

步骤五、确定底板突水评价指标的权重系数

采用层次分析法确定一级评价指标权重矩阵w_B；

步骤六、计算底板突水评价指标对应各危险等级隶属度

采集煤矿煤层底板的各底板突水评价指标的测量值，将各个底板突水评价指标的测量值无量纲处理，由底板突水评价指标对应各危险等级隶属度计算模型计算得到各底板突水评价指标对应各危险等级隶属度；

步骤七、计算煤层底板突水与各危险等级的关联度

由各底板突水评价指标对应各危险等级隶属度得到一级评价指标的模糊判断矩阵R,将一级评价指标的模糊判断矩阵R和一级评价指标权重矩阵w_B进行模糊变换得到模糊评价结果D，D＝w_B×R；

步骤八、确定煤层底板突水的危险等级

根据模糊评价结果D和最大隶属度原则，参照底板突水的评判危险等级，得出煤矿煤层底板突水的危险等级。

2.根据权利要求1所述的煤层底板突水评价的二级模糊综合评判方法，其特征在于，所述三角模糊数计算模型：

底板突水评价指标值与危险等级成负相关的指标c₈、c₉，所述三角模糊数计算模型调整如下：

式中，x_i(i＝1,4,8,9,11,12,13,14)为连续变量指标值，C_i1、C_ij(j＝2,3,4)、C_i5为x_i对应5个危险等级隶属度，a_i1、a_ij(j＝2,3,4)、a_i5为风险等级划分标准值。