趙曉光 宋世杰 管園園

(西安科技大學(xué)地質(zhì)與環(huán)境學(xué)院,陜西省西安市,710054)

★節(jié)能與環(huán)保 ★

基于灰色關(guān)聯(lián)度的開采沉陷關(guān)鍵影響因子分析

趙曉光 宋世杰 管園園

(西安科技大學(xué)地質(zhì)與環(huán)境學(xué)院,陜西省西安市,710054)

根據(jù)陜西榆神府礦區(qū)15個(gè)典型礦點(diǎn)的煤炭地質(zhì)賦存條件和開采設(shè)計(jì)方案以及地表巖移觀測數(shù)據(jù),采用灰色關(guān)聯(lián)分析法研究了地表最大下沉系數(shù)與其影響因素之間的關(guān)系。按照灰色關(guān)聯(lián)度大于或等于0.70的原則,確定覆巖綜合普氏硬度、擾動(dòng)系數(shù)、深厚比、采高、覆巖巖層厚度、覆巖土層厚度為榆神府礦區(qū)開采沉陷關(guān)鍵影響因子,為該礦區(qū)的開采沉陷損害控制和評(píng)價(jià)提供科學(xué)依據(jù)。

榆神府礦區(qū) 開采沉陷 灰色關(guān)聯(lián)分析 關(guān)鍵因子 TD167

AbstractBased on the data of the coal occurrence conditions,data of mining p rocess design and data about surface rock disp lacement obtained through observation in 15 typical coalmines in Yu(lin)-Shen(mu)-Fu(gu)coal field,grey correlation degree based analysis is used in a study on the relations betw een the maxim um surface subsidence coefficient and its affecting facto rs.In linew ith the p rincip le of P≥0.70,it is determined that the Protodyakonov coefficient of the overlying strata,disturbance coefficient,dep th-thickness ratio,mining height,thicknessof overlying strata and thicknessof overlying soil are the key factorsaffecting the surface subsidence caused by mining activity in Yu(lin)-Shen(mu)-Fu(gu)coalmining area.

Key wordsYu(lin)-Shen(m u)-Fu(gu)coal mining area,surface subsidence caused by mining,grey correlation analysis,key factor

1 前言

榆神府礦區(qū)作為我國煤炭儲(chǔ)量超千億噸的巨型煤田,在為國民經(jīng)濟(jì)作出突出貢獻(xiàn)的同時(shí),其開采沉陷問題也日趨嚴(yán)重。目前,神華神東公司共形成沉陷面積43.33 km2,占榆林縣沉陷面積的93.3%。本文以榆神府礦區(qū)為研究對(duì)象,在深入分析榆神府礦區(qū)開采沉陷形成機(jī)理的基礎(chǔ)上,運(yùn)用灰色關(guān)聯(lián)理論及分析方法對(duì)該礦區(qū)開采沉陷的關(guān)鍵控制因子進(jìn)行篩選,對(duì)今后開采沉陷的防治提供科學(xué)依據(jù)。

2 榆神府礦區(qū)開采沉陷產(chǎn)生機(jī)理分析

2.1 煤炭賦存條件的特殊性為該礦區(qū)開采沉陷的產(chǎn)生奠定了基礎(chǔ)

榆神府礦區(qū)地質(zhì)構(gòu)造簡單,基本上是一個(gè)向西傾斜的單斜構(gòu)造,傾角僅1°左右,近似水平。礦區(qū)煤層埋藏很淺 (一般在100 m左右)、煤層厚、基巖薄,且為巨厚松散層所覆蓋。因此,隨著淺埋煤層的大規(guī)模開采和工作面的推進(jìn),出現(xiàn)基巖全厚切落和地表非連續(xù)式裂縫破壞情況。與此同時(shí),隨著采空區(qū)面積的逐漸擴(kuò)大,地表各點(diǎn)下沉速度也逐漸增大,而地表風(fēng)積沙土松散層因?yàn)闆]有任何抗變形能力,且對(duì)煤層上覆基巖施加重力,加劇了地表破壞速度和地表塌陷坑、裂縫等非連續(xù)移動(dòng)破壞強(qiáng)度。

2.2 煤礦開采設(shè)計(jì)條件是影響礦區(qū)開采沉陷的重要因素

采深、采厚是影響采動(dòng)地表沉陷破壞的重要因素,這兩個(gè)因素的比值,即深厚比 (H/m)又決定著開采煤層上覆巖層移動(dòng)破壞的特征與范圍。一般來講,在榆神府礦區(qū)淺部開采,深厚比小于30～40時(shí),地表沉陷呈非連續(xù)移動(dòng)變形破壞形態(tài);深厚比大于30～40時(shí),開采地表沉陷呈連續(xù)移動(dòng)破壞形態(tài)。但是在特殊的地層條件下,特別是地表基巖較薄、松散層厚度較大的條件下,深厚比更大時(shí),地表才呈現(xiàn)連續(xù)移動(dòng)沉陷盆地現(xiàn)象,否則地表將出現(xiàn)密度較大的臺(tái)階割裂式破壞裂縫現(xiàn)象。

開采方法也是影響開采地表沉陷破壞的重要因素。在榆神府礦區(qū),目前的開采方法有兩大類:一類是綜合機(jī)械化長壁式大采高開采方法,主要用于神東公司在神府礦區(qū)的5大礦井及個(gè)別的地方國有煤礦;另一類是柱式短壁式開采方法,主要用于地方煤礦和小煤礦。長壁綜采引起地表出現(xiàn)大面積的沉陷,當(dāng)深厚比比較小時(shí),地表會(huì)呈現(xiàn)非連續(xù)移動(dòng)破壞,當(dāng)深厚比比較大時(shí),地表呈現(xiàn)連續(xù)移動(dòng)變形沉陷盆地。所以開采引起地表大范圍、高密度的割裂裂縫破壞及塌陷坑破壞是必然的。

此外,工作面走向長、工作面傾向長、寬深比、初長比等開采設(shè)計(jì)條件也對(duì)開采沉陷產(chǎn)生一定影響。

3 開采沉陷關(guān)鍵影響因子的灰色關(guān)聯(lián)分析

3.1 影響因子選取

在已有研究成果和廣泛咨詢專家的基礎(chǔ)上,依據(jù)榆神府礦區(qū)開采沉陷產(chǎn)生機(jī)理,從煤炭賦存條件和開采設(shè)計(jì)條件兩個(gè)角度出發(fā),選擇了傾角、采深、巖層厚度、土層厚度、土巖比、覆巖綜合普氏硬度、擾動(dòng)系數(shù)、工作面傾向長、井田面積、寬深比、采高、深厚比、工作面走向長、開采強(qiáng)度、回采率15個(gè)影響因子。并在榆神府礦區(qū)選擇15個(gè)煤礦作為樣點(diǎn),采集相關(guān)數(shù)據(jù)資料。運(yùn)用統(tǒng)計(jì)軟件SPSS16.0對(duì)15個(gè)樣點(diǎn)的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行主成分分析,結(jié)果見表1和表2。

表1中反映了每個(gè)因子的特征值、占方差百分比及累計(jì)貢獻(xiàn)率3個(gè)屬性。按照主成分對(duì)應(yīng)特征值必須大于1的提取原則,前5個(gè)因子被確定為主成分因子。也就是說,在15個(gè)影響因子中,存在5個(gè)主成分,它們累計(jì)貢獻(xiàn)率達(dá)到86.19%,根據(jù)主成分累計(jì)貢獻(xiàn)率大于85%的原則,可以認(rèn)定這5個(gè)主成分幾乎能包含原始指標(biāo)的全部信息。

表2反映了原始變量與各主成分之間的相關(guān)程度。由相關(guān)程度可以確定各主成分與原始因子的關(guān)系。主成分與原始因子相關(guān)系數(shù)絕對(duì)值大于0.7可視為相關(guān)程度較高。因此通過分析可以得到:第一主成分與深厚比、采高、采深相關(guān)較高;第二主成分與擾動(dòng)系數(shù)、工作面走向長、開采強(qiáng)度相關(guān)較高;第三主成分與巖層厚度、覆巖綜合普氏硬度、土層厚度、土巖比相關(guān)較高;第四主成分與工作面傾向長度、寬深比、井田面積相關(guān)較高;第五主成分與傾角、回采率相關(guān)較高。

表1 方差分解主成分提取分析表

表2 初始因子載荷矩陣數(shù)據(jù)表

依據(jù)上述結(jié)果,從地質(zhì)賦存條件和煤礦開采設(shè)計(jì)條件兩個(gè)角度,最終確定兩大類10個(gè)影響因子,見表3。

表3 開采沉陷影響因子表

3.2 灰色關(guān)聯(lián)分析

3.2.1 基本原理

灰色關(guān)聯(lián)分析主要用于分析系統(tǒng)各因素之間隨時(shí)間變化的動(dòng)態(tài)關(guān)系及其特征,從而找到系統(tǒng)的主要因素。在系統(tǒng)發(fā)展過程中,如果兩個(gè)因素變化的態(tài)勢(shì)基本一致,即同步變化程度較高,則認(rèn)為這兩個(gè)因素的關(guān)系密切,或關(guān)聯(lián)度大;否則稱其關(guān)聯(lián)度小。因此關(guān)聯(lián)度是對(duì)系統(tǒng)各因素之間關(guān)聯(lián)程度的定量描述。

3.2.2 原始數(shù)據(jù)采集

依據(jù)表3中影響因子,對(duì)榆神府礦區(qū)15個(gè)典型礦點(diǎn)進(jìn)行原始數(shù)據(jù)采集,同時(shí)將地表最大下沉系數(shù) X0一并匯總于表4。

表4 榆神府礦區(qū)開采沉陷影響因素原始數(shù)據(jù)表

3.2.3 過程及結(jié)果

以表4中數(shù)據(jù)構(gòu)造原始數(shù)據(jù)矩陣,對(duì)榆神府礦區(qū)開采沉陷影響因素進(jìn)行灰色關(guān)聯(lián)分析。其中,因?yàn)榈乇碜畲笙鲁料禂?shù) X0是表征開采沉陷強(qiáng)度的最主要指標(biāo)之一,所以,本次分析以地表最大下沉系數(shù)為母因素;以 X1～X10為子因素進(jìn)行分析。

求得關(guān)聯(lián)度:

G(0,1)=0.65;G(0,2)=0.70;G(0,3)= 0.72;G(0,4)=0.87;G(0,5)=0.73;G(0,6)= 0.77;G(0,7)=0.66;G(0,8)=0.59;G(0,9)= 0.62;G(0,10)=0.85。

排出關(guān)聯(lián)序:G(0,4)>G(0,10)>G(0,6)> G(0,5)>G(0,3)>G(0,2)>G(0,7)>G(0,1) >G(0,9)>G(0,8),即:覆巖綜合普氏硬度>擾動(dòng)系數(shù)>深厚比>采高>覆巖巖層厚度>覆巖土層厚度>工作面傾向長>煤層傾角>寬深比>工作面走向長。

4 結(jié)論

(1)與地表最大下沉系數(shù)關(guān)聯(lián)度最大的是覆巖綜合普氏硬度和擾動(dòng)系數(shù),分別為0.87、0.85;其次是深厚比、采高、覆巖巖層厚度、覆巖土層厚度、工作面傾向長、煤層傾角,關(guān)聯(lián)度分別為0.77、0.73、0.72、0.70、0.66、0.65;而工作面走向長、寬深比的關(guān)聯(lián)度相對(duì)較小,其中工作面走向長的關(guān)聯(lián)度最小,為0.59。

(2)從關(guān)聯(lián)度大小和排序來看,覆巖綜合普氏硬度、擾動(dòng)系數(shù)與地表最大下沉系數(shù)的關(guān)聯(lián)度僅差0.02,對(duì)開采沉陷的影響相當(dāng),都為最重要影響因素,說明煤層覆巖的力學(xué)特征和煤礦開采強(qiáng)度在較大程度上決定了開采沉陷的損害程度,前者體現(xiàn)了礦區(qū)自身地質(zhì)環(huán)境抗損害的能力,后者體現(xiàn)了人類活動(dòng)對(duì)礦區(qū)地質(zhì)環(huán)境的損害強(qiáng)度;深厚比與地表最大下沉系數(shù)關(guān)系密切,說明利用深厚比可以比較準(zhǔn)確地反映和描述開采沉陷的損害形式和程度,這一結(jié)果與前人研究一致;覆巖的巖層厚度和土層厚度與地表最大下沉系數(shù)的關(guān)聯(lián)度都超過或達(dá)到70%,表明開采沉陷損害的程度不僅與覆巖力學(xué)特征有關(guān),還與覆巖的結(jié)構(gòu)有著比較密切的關(guān)系;工作面的大小和煤層自身的傾角與地表最大下沉系數(shù)的關(guān)聯(lián)度都超過了60%,同樣是不可忽視的影響因素。

(3)按照突出重要因素的原則和要求,本文將灰色關(guān)聯(lián)度G大于或等于0.70為標(biāo)準(zhǔn),確定覆巖綜合普氏硬度、擾動(dòng)系數(shù)、深厚比、采高、覆巖巖層厚度、覆巖土層厚度為榆神府礦區(qū)開采沉陷關(guān)鍵影響因子。

(4)本文從煤炭賦存條件和開采設(shè)計(jì)基本參數(shù)的角度,確定了榆神府煤礦區(qū)開采沉陷關(guān)鍵影響因子,為選取榆神府礦區(qū)開采沉陷損害評(píng)價(jià)指標(biāo)提供了重要參考和科學(xué)依據(jù)。同時(shí)由于這些主要影響因素計(jì)算參數(shù)的易得性,也為快速便捷評(píng)價(jià)煤礦區(qū)開采沉陷損害程度提供新的思路。

[1]Liu Baochen,Lin Dezhang.The app lication of stochastic medium theo ry to the p roblem of surfacemovements due to open pit mining.Chap ter 16 of“Stability in Surface M ining Volume 3”.New Yo rk:[s.n.],1982

[2]郭文兵,鄧喀中,白云峰.受斷層影響地表移動(dòng)規(guī)律的研究 [J].遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào),2000(6)

[3]劉寶琛,廖國華.煤礦地表移動(dòng)的基本規(guī)律 [M].北京:中國工業(yè)出版社,1965

[4]何國清,楊倫,凌賡娣等.礦山開采沉陷學(xué) [M].徐州:中國礦業(yè)大學(xué)出版社,1991

[5]吳立新,王金莊.建 (構(gòu))筑物下壓煤條帶開采理論與實(shí)踐 [M].徐州:中國礦業(yè)大學(xué)出版社,1994

[6]余學(xué)義,張恩強(qiáng).開采損害學(xué) [M].北京:煤炭工業(yè)出版社,2004

[7]夏玉成,杜榮軍,孫學(xué)陽.銅川礦區(qū)采煤沉陷的對(duì)應(yīng)分析及其回歸預(yù)計(jì) [J].煤炭科學(xué)技術(shù),2008(10)

[8]孫學(xué)陽,夏玉成.銅川礦區(qū)采煤沉陷主要控制因素分析 [J].礦業(yè)研究與開發(fā),2008(5)

(責(zé)任編輯 張艷華)

Analysis of key Influencing Factorsof M ining Subsidence with grey A grey correlation degree based analysisof the key factors influencing surface subsidence caused bymining

Zhao Xiaoguang,Song Shijie,Guan Yuanyuan

(College of Geology and Environment,Xi’an University of Science and Technology,Xi’an,Shaanxip rovince 710054,China)

趙曉光 (1965-),男,西安科技大學(xué)地質(zhì)與環(huán)境學(xué)院院長,教授,博士生導(dǎo)師,主要從事水土環(huán)境工程、礦山環(huán)境保護(hù)與生態(tài)恢復(fù)領(lǐng)域的教學(xué)和研究工作。

A