于為雁，魏久傳，于建龍

(1.中國礦業(yè)大學(xué)銀川學(xué)院，寧夏 銀川　750021；2.山東科技大學(xué)地質(zhì)科學(xué)與工程學(xué)院，山東 青島　266590；3.山東省核工業(yè)二七三地質(zhì)大隊(duì)，山東 棲霞　265300)

南屯煤礦17煤底板奧灰突水危險(xiǎn)性綜合評(píng)價(jià)

于為雁1，魏久傳2，于建龍3

(1.中國礦業(yè)大學(xué)銀川學(xué)院，寧夏 銀川750021；2.山東科技大學(xué)地質(zhì)科學(xué)與工程學(xué)院，山東 青島266590；3.山東省核工業(yè)二七三地質(zhì)大隊(duì)，山東 棲霞265300)

針對(duì)南屯煤礦17煤開采中可能出現(xiàn)的底板奧灰突水問題，應(yīng)用模糊-突水系數(shù)法和無量綱信息融合法進(jìn)行綜合預(yù)測評(píng)價(jià)。評(píng)價(jià)結(jié)果確定了17煤奧灰含水層突水危險(xiǎn)性分區(qū)和各影響因素的影響程度。突水危險(xiǎn)區(qū)主要在礦區(qū)的東北部，安全區(qū)在礦區(qū)的西部邊界位置，其余地區(qū)為突水較危險(xiǎn)區(qū)；采深和含水層水壓為17煤開采底板突水危險(xiǎn)性的主要影響因素。

底板突水；模糊-突水系數(shù)法；無量綱信息融合法；南屯煤礦

引文格式：于為雁，魏久傳，于建龍.南屯煤礦17煤底板奧灰突水危險(xiǎn)性綜合評(píng)價(jià)[J].山東國土資源，2015,31(10)：62-64.YUweiyan，WEIjiuchuan，YUjianlong.ComprehensiveEvaluationofOrdovicianWaterInrushofNo.17CoalLayerFloorinNantunCoalMine[J].ShandongLandandResources, 2015,31(10):62-64.

傳統(tǒng)的煤層底板突水危險(xiǎn)性分析方法主要有：“下三帶”理論[1]、突水系數(shù)法[2]、“四帶”劃分理論[3]、脆弱性指數(shù)法[4]、多源信息融合法[5]等。且隨著軟件技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展，煤層底板突水危險(xiǎn)性的分析出現(xiàn)了許多新方法：人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法[6]、支持向量機(jī)法(SVM)[7-8]、Fisher判別法等[9]。前述理論方法只是通過不同的方式定性評(píng)價(jià)突水危險(xiǎn)性，卻沒有定量判斷各種因素對(duì)突水危險(xiǎn)性的影響程度。該文采用模糊-突水系數(shù)法確定17煤底板突水危險(xiǎn)性分區(qū)；然后通過無量綱信息融合法評(píng)價(jià)所選取影響因素對(duì)底板突水危險(xiǎn)性的貢獻(xiàn)大小[10]，從而有針對(duì)性的做好水害防治措施。

1　研究區(qū)地質(zhì)及水文地質(zhì)概況

南屯井田位于兗州煤田向斜S翼，總體呈單斜構(gòu)造，井田東北部—東部存在多個(gè)褶曲，幅度較大的為井田東北部的219向斜，其余褶曲幅度均較小。地層自上而下分別為第四系、侏羅系、二疊系、石炭系和奧陶系。主要含煤地層為二疊紀(jì)山西組和石炭-二疊紀(jì)太原組，煤系和煤層沉積穩(wěn)定，為華北型含煤建造，含煤地層在井田內(nèi)起伏不大。

兗州煤田為一不完整的向斜盆地，東部為嶧山斷裂，西、北、南部為奧灰隱伏露頭。盆地內(nèi)除第四系外，其他含水層補(bǔ)給、徑流、排泄條件均不好。對(duì)煤礦生產(chǎn)有影響的主要含水層自上而下為：第四系下組砂礫層孔隙承壓含水層，侏羅系底部砂巖孔隙裂隙含水層，山西組3煤頂部砂巖裂隙承壓含水層，太原組三灰、十下灰及本溪組十四灰溶裂隙承壓含水層，奧陶系石灰?guī)r巖溶裂隙承壓含水層。上述含水層煤系基底奧灰中等富水，含水量和水壓較大。

2　評(píng)價(jià)方法的應(yīng)用

根據(jù)南屯煤礦17煤開采的實(shí)際情況，將其底板突水的影響因素選取為：水壓、隔水層厚度、煤層采深、含水層富水性。

2.1模糊-突水系數(shù)法

第一步：數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化。在實(shí)際問題中，不同的數(shù)據(jù)一般有不同的量綱，為了使不同的量綱也能進(jìn)行比較，通常需要對(duì)數(shù)據(jù)做適當(dāng)?shù)淖儞Q。就是要根據(jù)模糊矩陣的要求，將數(shù)據(jù)壓縮到區(qū)間[0,1]上。第二步：標(biāo)定(建立模糊相似矩陣)。夾角余弦法所謂標(biāo)定就是按照某個(gè)準(zhǔn)則或者方法，算出衡量被分類對(duì)象xi與xj，之間相似系數(shù)rij從而確定論域U上的模糊關(guān)系矩陣[11]。第三步：聚類(求動(dòng)態(tài)聚類圖)。根據(jù)標(biāo)定所得的模糊相似矩陣R′，還要將其改造成模糊等價(jià)矩陣R*。然后根據(jù)不同的分類數(shù)，就可得到不同的聚類圖。對(duì)所取影響因素進(jìn)行歸一化處理后，得到數(shù)據(jù)如表1所示。

表1　17煤聚類參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)(無量綱)

對(duì)上面所列數(shù)據(jù)直接利用matlab軟件編程分別求其相似矩陣R′和等價(jià)矩陣R*，并進(jìn)行聚類分析，畫出聚類分析圖(圖1)。

圖1　聚類分析圖

將聚類分析結(jié)果與用突水系數(shù)法所做分類結(jié)果進(jìn)行綜合分析，得綜合分析表2。

2.2無量綱信息融合法

(1)因?yàn)榍懊鎸?duì)所選取的影響因素已經(jīng)做了歸一化處理，所以直接應(yīng)用上面數(shù)據(jù)分別作出各等值線圖。

(2)前面已經(jīng)做了突水危險(xiǎn)性分區(qū)，所以直接將突水系數(shù)>0.1MPa/m的危險(xiǎn)區(qū)面積與各影響因素等值線圖進(jìn)行信息融合處理，得到危險(xiǎn)區(qū)與各影響因素信息融合圖(圖2)。

表2　17煤底板奧灰突水評(píng)價(jià)

圖2　危險(xiǎn)區(qū)與采深信息融合圖

利用下述公式計(jì)算各比重圖影響因子：

式中：F為影響因子；Ki為等值線權(quán)值；Si為等值線分面積。各影響因子面積如表3所示。F水壓=0.5×60940.3+0.6×436451.7+0.7×406829.3+0.8×408342.5+0.9×623731.1+1×1014107.9=2479261.57

同理可得：F厚度=1056391.23；F采深=2553769.19；F富水性=292821.27。因此，F(xiàn)采深>F水壓>F厚度>F富水性。

可以看出，在南屯礦區(qū)，17煤開采奧灰底板突水影響因素的重要性次序?yàn)椋?7煤采深>奧灰含水層水壓>隔水層厚度>奧灰含水層富水性。因此，17煤采深和奧灰含水層水壓在眾多因素中占主導(dǎo)作用，含水層富水性影響作用最小。說明隨著開采深度的增加，采深和含水層水壓等外部因素影響作用逐漸明顯，含水層本身性質(zhì)的影響開始減弱。

表3　影響因子面積

3　結(jié)論

(1)通過模糊-突水系數(shù)法，綜合多種影響因素共同分析，確定了17煤底板奧灰突水危險(xiǎn)性的合理分區(qū)：突水系數(shù)<0.06的區(qū)域在礦區(qū)的西部邊界位置，突水系數(shù)>0.1的區(qū)域在礦區(qū)的東北部區(qū)域，突水系數(shù)介于兩者之間的區(qū)域幾乎占據(jù)了礦區(qū)面積的3/4，分布在礦區(qū)的中部及東部區(qū)域。

(2)通過無量綱信息融合法，確定了各影響因素的重要性次序：17煤采深>奧灰含水層水壓>隔水層厚度>奧灰含水層富水性。說明隨著開采深度的增加，采深和含水層水壓等因素成為影響煤層底板突水危險(xiǎn)性的關(guān)鍵因素，這對(duì)深部煤層開采過程中有針對(duì)性的底板突水危險(xiǎn)性防治提供了依據(jù)。

(3)該文通過模糊-突水系數(shù)法和無量綱信息融合法的有機(jī)結(jié)合，較全面的分析了17煤開采底板奧灰突水危險(xiǎn)性問題。

[1]李白英.預(yù)防礦井底板突水的“下三帶”理論及其發(fā)展與應(yīng)用[J].山東科技大學(xué)學(xué)報(bào)〔自然科學(xué)版),1999,18(4):11-18.

[2]魏久傳,李白英.承壓水上采煤安全性評(píng)價(jià)[J].煤田地質(zhì)與勘探,2000,(4):57-59.

[3]施龍青，韓進(jìn).開采煤層底板“四帶”劃分理論與實(shí)踐[J].中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2005,42(1):16-23.

[4]武強(qiáng),張志龍,張生元，等.煤層底板突水評(píng)價(jià)的新型實(shí)用方法Ⅱ——脆弱性指數(shù)法[J].煤炭學(xué)報(bào),2007,32(11):1121-1126.

[5]李麗，程久龍.基于信息融合的礦井底板突水預(yù)測[J].煤炭學(xué)報(bào),2006,31(5)：623-626.

[6]楊志磊,孟祥瑞,王向前，等.基于GA—BP網(wǎng)絡(luò)模型的煤礦底板突水非線性預(yù)測評(píng)價(jià)[J].煤礦安全,2013,44(2):36-39.

[7]秦潔璇,李翠平,李仲學(xué)，等.基于支持向量回歸機(jī)的礦井突水量預(yù)測[J].中國安全科學(xué)學(xué)報(bào),2013,23(5):114-119.

[8]高衛(wèi)東,王正帥.基于粒子群優(yōu)化支持向量機(jī)的煤層底板突水量等級(jí)預(yù)測[J].煤田地質(zhì)與勘探,2012,40(6):44-47.

[9]陳凱,董青紅,杜占吉，等.基于Fisher判別法的煤層底板突水預(yù)測模型及其應(yīng)用[J].煤礦安全.2013,44(2):32-35.

[10]李忠建,魏久傳,尹會(huì)永，等.底板突水影響因素評(píng)價(jià)新方法—無量綱信息融合法[J].中國礦業(yè),2010,19(1):95-113.

[11]劉雙躍,陳麗娜,王娟，等.基于模糊聚類分析和模糊模式識(shí)別的煤層底板突水區(qū)域預(yù)測[J].礦業(yè)安全與環(huán)保,2013,40(2):85-88.

ComprehensiveEvaluationofOrdovicianWaterInrushofNo.17CoalLayerFloorinNantunCoalMine

YUWeiyan1，WEIJiuchuan2，YUJianlong3

(1.YinchuanCollegeofChinaUniversityofMiningandTechnology,YinchuanNingxia750021,China;2.GeologicalScienceandEngineeringCollegeofShandongUniversityofScienceandTechnology,ShandongQingdao266590,China; 3.No. 273GeologicalBrigadeofNuclearIndustry,ShandongQixia265300,China)

PointingtothepossibilityofwaterinrushinNo.17coalfloorinOrdovicianlimestonewhenmininginnantuncoalmine,byusingthefuzzy-burstingwatercoefficientlawandimensionlessinformationfusion,comprehensivelypredictionandevaluationhavebeencarriedout.RiskzoningofOrdovicianlimestoneaquiferwaterinrushhasbeenclassifiedandthedegreeofinfluencefactorshasbeendetermined.Themostdangerouswaterinrushareasmainlydistributedinthenortheasternpartofcoalmine,safeareasmainlydistributedinthewesternboundaryofthemine,andtherestareasarethemoredangerousareas.TheminingdepthandaquiferwaterpressurearethemainfactorsofthedangerofwaterinrushintheprocessofNo.17coalmining.

Waterinrushfromfloor;fuzzy-burstingwatercoefficientlaw;dimensionlessinformationfusion;Nantuncoalmine

2014-10-23；

2014-12-05；編輯：曹麗麗

于為雁(1988—)，男，山東聊城人，教師，主要從事水工環(huán)地質(zhì)調(diào)查與災(zāi)害防治；E-mail：yuwydyx@126.com

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