CN111724059A - 一种改进的底板突水脆弱性变权评价方法 - Google Patents

一种改进的底板突水脆弱性变权评价方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种改进的底板突水脆弱性变权评价方法，在确定突水脆弱性主控因素、常权权重及主控因素量化归一专题图的基础上，还包括步骤：1、构建状态变权函数，2、确定状态变权函数变权区间阈值，3、确定状态变权函数调权参数。建立了权重调整程度与常权权重大小呈正相关关系的改进的三区间状态变权函数，使得权重调整规律更加符合实际突水规律，首次提出了通过分析各主控因素量化归一值累积频率确定变权区间阈值的方法，使得变权调整区间确定结果更加科学，并给出了可操作性、准确性相对较强的调权参数确定方法，基于以上改进可以大大提高底板突水脆弱性变权评价的科学性、可操作性及准确性。

Description

一种改进的底板突水脆弱性变权评价方法
技术领域
本发明涉及一种煤层底板突水脆弱性评价方法，特别是涉及一种改进的底板突水脆弱性变权评价方法。
背景技术
煤层底板水害防治是矿井水害防治技术领域的难点，由于底板含水层往往水压大、富水性强，且煤层底板构造复杂，底板突水难以提前预知且危害巨大，加上近年来采深的逐渐增加，使得地质及水文条件更加复杂，底板突水的风险性也逐渐增加，为了对底板突水进行提前预测预报，中国矿业大学(北京)的武强院士团队通过几十年来对该问题的深入研究，提出了基于变权理论的突水脆弱性评价方法，该方法通过构建底板突水主控因素指标体系，借助GIS技术对主控因素进行量化与归一，采用多因素决策理论确定各主控因素常权权重，在常权权重的基础上引入了变权理论，使得主控因素权重向量能够随主控因素量化值及其组合状态变化而改变，更加真实的反映了底板突水规律，实现了底板突水的非线性预测评价。
现有的底板突水脆弱性变权评价方法，能够较为真实的反映受控于多因素且具有非常复杂机理及演变过程的煤层底板突水过程，较好的解决了煤层底板突水预测预报难题。
但是，现有的底板脆弱性变权评价方法，存在以下缺陷：一是状态变权函数中将变权区间分为四段，不符合常规对事物大、中、小的认识，而且不同因素的状态变权函数是相同的，使得常权权重大的因素权重调整程度小，常权权重小的因素权重调整程度大，会出现在应用变权理论前后因素权重大小排序出现改变，而这种改变权重排序的现象使得变权与常权的结果出现矛盾；二是通过聚类分析的方法确定区间阈值依据不充分，聚类分析结果只能指示数据聚集程度，不能反映因素状态值的大小关系；三是采用理想变权权重反算调权参数使得操作过程过于繁琐、参数过于依赖理想变权权重，甚至会出现无解的情况。
发明内容
本发明目的在于满足目前对煤层底板突水脆弱性评价的需求，完善现有理论与技术，提高煤层底板突水脆弱性变权评价方法的科学性与实用性，提供了一种改进的底板突水脆弱性变权评价方法。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案来实现的：
一种改进的底板突水脆弱性变权评价方法，该方法在确定突水脆弱性主控因素、常权权重及主控因素量化归一专题图的基础上，还包括以下步骤：
(1)构建状态变权函数；
(2)确定状态变权函数变权区间；
(3)确定状态变权函数调权参数。
本发明进一步的改进在于，步骤(1)中，构建状态变权函数，其表达式如下：
Figure BDA0002544388560000021
式中：x为因素状态值；j为影响因素的序号，Sj(x)为第j个因素的状态变权函数，wj为第j个因素常权权重，c、a1、a2、k为调权参数，其中k又称为常权相关系数，dj1、dj2为第j个因素变权区间阈值，[0,dj1)为惩罚区间，[0,dj2)为不惩罚不激励区间，[dj2,1]为激励区间。
本发明进一步的改进在于，步骤(2)中，确定状态变权函数变权区间，确定时包括以下步骤：
(201)获得各区域全部主控因素归一化数据表；
(202)绘制各因素归一值数据频率及累积频率分布图；
(203)确定各因素变权区间阈值。
本发明进一步的改进在于，步骤(201)中，具体过程为根据各主控因素量化归一专题图借助ArcGIS软件进行“联合”操作，将各专题图进行叠加，生成具有全部主控因素的“联合评价图”，“联合评价图”在各主控因素专题图划分单元的基础上将研究区切割为大小不一的区域，每个区域都含有全部主控因素的量化归一值，即构建出了主控因素量化归一数据库，之后，将该数据库通过ArcGIS的导出数据功能将该数据库导出成txt文件，通过excel软件打开该txt文件，获得研究区各区域全部主控因素归一值数据表。
本发明进一步的改进在于，步骤(202)中，绘制归一值数据频率及累计频率分布图，具体过程为根据各区域全部主控因素归一值数据表分因素统计各归一值对应的频率，将小于某一值的所有频率进行累加获得某一归一值对应的累积频率数据，并绘制成各因素归一值累积频率分布图。
本发明进一步的改进在于，步骤(203)中，确定变权区间阈值，具体过程为分析累积频率分布图，以累积频率33％为界限确定惩罚区间与不惩罚不激励区间阈值dj1，以累积频率67％为界限确定不惩罚不激励区间与激励区间阈值dj2。
本发明进一步的改进在于，步骤(3)中，确定状态变权函数调权参数，包括以下步骤：
(301)初步给定调权参数；
(302)确定最终调权参数。
本发明进一步的改进在于，步骤(301)中，初步给定调权参数，具体过程为根据以往调权参数确定经验初步给出c、a1、a2、k四个调权参数。
本发明进一步的改进在于，步骤(302)中，最终确定调权参数，具体过程为根据初步给定的调权参数进行底板突水脆弱性变权评价，通过实际突水位置对评价结果进行验证，若不满足实际情况则调整调权参数，重新进行突水脆弱性变权评价，通过实际突水位置验证最终确定变权参数。
本发明至少具有如下有益的技术效果：
本发明由于采用了改进的底板突水脆弱性变权评价方法，将状态变权函数变权区间调整为三段，更加符合常规对事物大、中、小的认识，在状态变权函数中加入了常权权重及“常权相关系数”，使得每个因素的变权调整规律都不同，而且能够实现常权权重大的因素变权调整程度大、常权权重小的因素权重调整程度小，避免了出现常权权重小的因素变权权重反而比常权权重大的因素变权权重大的现象；首次提出了通过分析各因素归一值累积频率确定变权区间阈值的方法，将出现频率小的值划分为大值或小值，对其进行惩罚或者激励处理，而出现频率大的归一值划分为中值，对其进行不激励不惩罚处理，更加符合实际情况；在确定调权参数时采用先根据经验初步给定，之后根据验证情况进行调整的方法，提高了调权参数确定方法的可操作性与准确性，避免了单纯依赖理想变权权重的调权参数确定方式存在的计算困难、主观性强的问题，通过以上改进大大提升了底板突水脆弱性变权评价方法的科学性、可操作性及准确性。
附图说明
图1为本发明的实施步骤图。
图2为本发明实施例提供的含水层水压累积频率分布图。
图3为本发明实施例提供的断层规模指数累积频率分布图。
图4为本发明实施例提供的等效厚度累积频率分布图。
图5为本发明实施例提供的构造分布累积频率分布图。
图6为本发明实施例提供的含水层富水性累积频率分布图。
图7为本发明实施例提供的脆性岩厚度累积频率分布图。
图8为本发明实施例提供的构造端交点累积频率分布图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明做出进一步的说明。
根据某矿存在的底板水害威胁问题及相关资料，对该矿煤层底板突水脆弱性进行评价。
现有的底板突水脆弱性变权评价方法，包括以下步骤：
1.确定突水脆弱性主控因素
根据对研究区实际地质及水文地质条件资料的分析，选取以下7个因素作为底板突水脆弱性评价的主控因素：①含水层的水圧、②含水层富水性、③脆性岩厚度、④等效厚度、⑤构造分布、⑥构造端交点、⑦断层规模指数。
2.确定各主控因素常权权重
根据对各主控因素的分析，将各主控因素分为三个层次，建立层次分析模型，收集专家对各因素相对重要程度的判断，建立各层次的判断矩阵，采用层次分析法确定出了各主控因素的常权权重见表1。
表1各主控因素常权权重
Figure BDA0002544388560000051
3.建立各主控因素量化归一专题图
根据研究区钻探、抽水试验、物探等地质及水文地质资料，通过信息采集与量化，获得各主控因素量化数据，采用极大值法与极小值法对不同因素进行归一化，借助GIS技术建立各主控因素量化归一专题图。
如图1所示，本发明提供的改进的底板突水脆弱性变权评价方法，在上述确定常权权重及主控因素量化归一专题图的基础上，还包括以下步骤：
4.构建状态变权函数
根据对底板突水特征的分析将变权区间分为惩罚区间、不惩罚不激励区间、激励区间，将状态变权函数中加入了常权权重及“常权相关系数k”，状态变权函数如下：
Figure BDA0002544388560000061
式中：x为因素状态值；j为影响因素的序号，Sj(x)为第j个因素的状态变权函数，wj为第j个因素常权权重，c、a1、a2、k为调权参数，其中k又称为常权相关系数，dj1、dj2为第j个因素变权区间阈值，[0,dj1)为惩罚区间，[0,dj2)为不惩罚不激励区间，[dj2,1]为激励区间。
5.确定状态变权函数变权区间
(1)获得各区域全部主控因素归一值数据表
根据各主控因素量化归一专题图借助ArcGIS软件进行“联合”操作，将各专题图进行叠加，生成具有全部主控因素的“联合评价图”，“联合评价图”在各主控因素专题图划分单元的基础上将研究区切割为将研究区切割为大小不等的区域，此时每个区域都含有7个因素的量化归一值，并将该数据通过ArcGIS的导出数据功能导出成txt文件，通过excel软件打开该txt文件，获得各区域全部主控因素归一值数据表见表2。
表2各主控因素归一值数据表
Figure BDA0002544388560000062
Figure BDA0002544388560000071
注：数据较多仅截取部分供参考。
(2)绘制各因素归一值数据频率及累积频率分布图
根据研究区7个主控因素归一值数据表分因素单独统计各归一值对应的频率，之后计算小于某一归一值对应的累积频率数据，并绘制成各因素累积频率分布图见图2～8。
(3)确定各因素变权区间阈值
分析累积频率分布图，以累积频率33％为界限确定惩罚区间与不惩罚不激励区间阈值dj1，以累积频率67％为界限确定不惩罚不激励区间与激励区间阈值dj2，各因素变权区间确定结果见表3。
表3各主控因素变权区间
Figure BDA0002544388560000081
6.确定状态变权函数调权参数
根据咨询专家结合调权参数限定条件将c、a1、a2、k四个调权参数的数值分别初步赋值为0.5、1、2、0.2，经对评价结果的反复验证，调整调权参数获得了最终的调权参数见表4。
表4调权参数
变权参数 c a<sub>1</sub> a<sub>2</sub> k
数值 0.3 1.5 2.5 0.1
现有的底板突水脆弱性变权评价方法，还包括以下步骤：
7.建立变权模型确定变权向量
根据变权理论建立变权模型如下，将状态变权函数与主控因素归一值数据表导入该模型内即可获得基于变权理论的各区域变权权重。
Figure BDA0002544388560000082
式中：w(x)为变权权重，S(x)为m维状态变权函数，W0＝(w1,w2,…,wm)为常权向量；m为影响因素的个数；j＝1，2，…，7。
8.建立突水脆弱性变权评价模型并进行评价与分区
根据变权模型结合脆弱性评价方法建立突水脆弱性评价模型如下：
Figure BDA0002544388560000091
式中：VI—脆弱性指数；fi(x,y)—单因素影响值函数；(x,y)—地理坐标；wi—任一常权向量；S(x)—m维状态变权向量；m为影响因素的个数；j＝1，2，…，7。
将主控因素归一值数据表代入该模型内，即可获得各区域突水脆弱性指数，根据自然间断点分级方法将研究区分为五个脆弱性评价等级。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则内，所做的修改、等同代换等，均应包含在本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种改进的底板突水脆弱性变权评价方法，其特征在于，该方法在确定突水脆弱性主控因素、常权权重及主控因素量化归一专题图的基础上，还包括以下步骤：
(1)构建状态变权函数；
(2)确定状态变权函数变权区间；
(3)确定状态变权函数调权参数。
2.根据权利要求1所述的一种改进的底板突水脆弱性变权评价方法，其特征在于，步骤(1)中，构建状态变权函数，其表达式如下：
Figure FDA0002544388550000011
式中：x为因素状态值；j为影响因素的序号，Sj(x)为第j个因素的状态变权函数，wj为第j个因素常权权重，c、a1、a2、k为调权参数，其中k又称为常权相关系数，dj1、dj2为第j个因素变权区间阈值，[0,dj1)为惩罚区间，[0,dj2)为不惩罚不激励区间，[dj2,1]为激励区间。
3.根据权利要求1所述的一种改进的底板突水脆弱性变权评价方法，其特征在于，步骤(2)中，确定状态变权函数变权区间，确定时包括以下步骤：
(201)获得各区域全部主控因素归一化数据表；
(202)绘制各因素归一值数据频率及累积频率分布图；
(203)确定各因素变权区间阈值。
4.根据权利要求3所述的一种改进的底板突水脆弱性变权评价方法，其特征在于，步骤(201)中，具体过程为根据各主控因素量化归一专题图借助ArcGIS软件进行“联合”操作，将各专题图进行叠加，生成具有全部主控因素的“联合评价图”，“联合评价图”在各主控因素专题图划分单元的基础上将研究区切割为大小不一的区域，每个区域都含有全部主控因素的量化归一值，即构建出了主控因素量化归一数据库，之后，将该数据库通过ArcGIS的导出数据功能将该数据库导出成txt文件，通过excel软件打开该txt文件，获得研究区各区域全部主控因素归一值数据表。
5.根据权利要求4所述的一种改进的底板突水脆弱性变权评价方法，其特征在于，步骤(202)中，绘制归一值数据频率及累计频率分布图，具体过程为根据各区域全部主控因素归一值数据表分因素统计各归一值对应的频率，将小于某一值的所有频率进行累加获得某一归一值对应的累积频率数据，并绘制成各因素归一值累积频率分布图。
6.根据权利要求5所述的一种改进的底板突水脆弱性变权评价方法，其特征在于，步骤(203)中，确定变权区间阈值，具体过程为分析累积频率分布图，以累积频率33％为界限确定惩罚区间与不惩罚不激励区间阈值dj1，以累积频率67％为界限确定不惩罚不激励区间与激励区间阈值dj2。
7.根据权利要求1所述的一种改进的底板突水脆弱性变权评价方法，其特征在于，步骤(3)中，确定状态变权函数调权参数，包括以下步骤：
(301)初步给定调权参数；
(302)确定最终调权参数。
8.根据权利要求7所述的一种改进的底板突水脆弱性变权评价方法，其特征在于，步骤(301)中，初步给定调权参数，具体过程为根据以往调权参数确定经验初步给出c、a1、a2、k四个调权参数。
9.根据权利要求8所述的一种改进的底板突水脆弱性变权评价方法，其特征在于，步骤(302)中，最终确定调权参数，具体过程为根据初步给定的调权参数进行底板突水脆弱性变权评价，通过实际突水位置对评价结果进行验证，若不满足实际情况则调整调权参数，重新进行突水脆弱性变权评价，通过实际突水位置验证最终确定变权参数。
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