孫　明，劉業(yè)嬌，鄭文翔，尚　東

(內(nèi)蒙古科技大學(xué)，內(nèi)蒙古 包頭 014010)

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煤層底板突水風(fēng)險(xiǎn)智能灰靶模型的研究

孫明，劉業(yè)嬌，鄭文翔，尚東

(內(nèi)蒙古科技大學(xué)，內(nèi)蒙古 包頭 014010)

摘要：分析煤層底板突水的災(zāi)變過程，以含水層富水程度、含水層平均水壓、隱斷層水文性質(zhì)、隱斷層發(fā)育系數(shù)、隔水層平均厚度和動(dòng)底板巖層組合作為底板突水的風(fēng)險(xiǎn)辨識(shí)指標(biāo)，通過效益型隸屬梯度去除量綱干擾。應(yīng)用灰色關(guān)聯(lián)得到含水層因子、隱斷層因子和隔水層因子，作為煤層底板突水風(fēng)險(xiǎn)的原始成分、必然成分和控制成分。提出煤層底板突水風(fēng)險(xiǎn)的智能灰靶模型，以效果測(cè)度向量區(qū)分安全、隱患和事故狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)了定性結(jié)果和定量賦值的有機(jī)融合。將模型應(yīng)用到實(shí)踐中，結(jié)果基本吻合實(shí)際，為研判復(fù)雜煤層底板突水風(fēng)險(xiǎn)提供一種新思路。

關(guān)鍵詞：煤層底板；突水風(fēng)險(xiǎn)；灰色關(guān)聯(lián)；智能灰靶

許多生產(chǎn)礦井不僅面臨頂板因采空區(qū)積水的透水威脅，而且面臨底板承壓含水層的突水脅迫，同時(shí)回采煤層時(shí)常伴隨有瓦斯或與地下水的涌出危險(xiǎn)，即采掘環(huán)境處于“頂威、底迫、中突”的狀態(tài)[1]。在未來二十年，我國東部礦區(qū)將逐步開采1000～1500m的煤炭資源，大圍巖塑性變形和高能量積聚相伴而生的煤巖動(dòng)力災(zāi)害對(duì)現(xiàn)有的開采技術(shù)、安全措施和研究成果將是一個(gè)非常嚴(yán)峻挑戰(zhàn)[2]。

當(dāng)下，許多研究學(xué)者建立了不同采場(chǎng)底板研判模型，總結(jié)了災(zāi)變過程的控制因素，取得了良好的現(xiàn)場(chǎng)效果。施龍青等人將主成分、粒子群和向量機(jī)結(jié)合在一起評(píng)價(jià)底板突水危險(xiǎn)，指出構(gòu)造主成分及水文地質(zhì)主成分為影響底板是否突水的最主要控制因素[3]。張文泉等人建立了底板突水危險(xiǎn)性的Fisher模型，模型準(zhǔn)確度較高[4]。武強(qiáng)等人以“激勵(lì)”與“懲罰”機(jī)制為指導(dǎo)思想建立了分區(qū)變權(quán)模型，底板脆弱性評(píng)價(jià)結(jié)果比傳統(tǒng)常權(quán)模型效果較好[5]。底板突水危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)模型選擇了底板含水層水壓、煤層采高、隔水層厚度、斷層落差、煤層傾角、斷層距工作面距離[3]。底板突水危險(xiǎn)性的Fisher模型選擇了含水層富水性、水壓、隔水層厚度、斷層導(dǎo)水性、構(gòu)造發(fā)育程度及煤層底板巖性組合[4]。煤層底板突水脆弱性評(píng)價(jià)模型選擇有效隔水層等效厚度、礦壓破壞帶以下脆性巖的厚度、斷層與褶皺分布、斷層與褶皺交點(diǎn)與端點(diǎn)分布、斷層規(guī)模指數(shù)、底板灰?guī)r含水層的富水性和底板灰?guī)r含水層的水壓[5]。

這些研究分析了不同因素在突水演變過程中的耦合作用和影響方式，受限于數(shù)學(xué)模型和原始資料，在一定程度上表現(xiàn)偶然性和隨意性，在挖掘煤層底板突水災(zāi)變信息方面稍顯不足。本文以底板突水風(fēng)險(xiǎn)的辨識(shí)指標(biāo)為基礎(chǔ)，通過灰色關(guān)聯(lián)分析含水層因子、隱斷層因子和隔水層因子，建立煤層底板突水風(fēng)險(xiǎn)的智能灰靶模型，探索準(zhǔn)確識(shí)判工程樣本歸屬的最優(yōu)法則，有效地預(yù)測(cè)煤層底板突水的危險(xiǎn)趨勢(shì)和風(fēng)險(xiǎn)程度。

1確定突水風(fēng)險(xiǎn)的辨識(shí)指標(biāo)體系

1.1選擇底板突水辨識(shí)指標(biāo)

在保證突水信息完整準(zhǔn)確的前提下，本文選取了含水層富水程度、含水層平均水壓、隱斷層水文性質(zhì)、隱斷層發(fā)育系數(shù)、隔水層平均厚度和動(dòng)底板巖層組合作為煤層底板突水風(fēng)險(xiǎn)的辨識(shí)指標(biāo)。其中，含水富水程度和平均水壓是底板突水風(fēng)險(xiǎn)的的前提條件和主要力源；隱斷層水文性質(zhì)和發(fā)育系數(shù)是底板突水風(fēng)險(xiǎn)的控制因素和主導(dǎo)因子；隔水層平均厚度和動(dòng)底板巖層組合是底板突水風(fēng)險(xiǎn)的阻抗指標(biāo)和輔助誘因。

本文通過“效益型”隸屬梯度剔除辨識(shí)指標(biāo)的量綱背景，即“越大越好型”且以0.1、0.5和0.9表示，具體含義見表1，參考文獻(xiàn)[3，6]，原始數(shù)據(jù)見表2。其中，煤礦實(shí)際類型區(qū)分如下：安全狀態(tài)，表示煤層突水風(fēng)險(xiǎn)較低且安全生產(chǎn)潛力較大；隱患狀態(tài)，表示小型突水可能發(fā)生但礦井抗災(zāi)救災(zāi)能力較大；事故狀態(tài)，表示大型突水課程且造成礦井重大經(jīng)濟(jì)損失。

表1　辨識(shí)指標(biāo)的隸屬梯度

表2　突水風(fēng)險(xiǎn)的原始數(shù)據(jù)

1.2灰色關(guān)聯(lián)分析原始數(shù)據(jù)

具體計(jì)算結(jié)果見表3，分別為綜合關(guān)聯(lián)度和貢獻(xiàn)權(quán)重值。其中，歸屬物質(zhì)方面的含水層富水程度和含水層平均水壓的權(quán)重之和為0.39，作為影響底板突水風(fēng)險(xiǎn)的原始成分或主導(dǎo)成分，構(gòu)成含水層因子或第一因子。動(dòng)底板巖層組合和隔水層平均厚度權(quán)重之和為0.32，作為影響底板突水風(fēng)險(xiǎn)的控制成分和阻抗成分，構(gòu)成隔水層因子或第二因子。隱斷層水文性質(zhì)和隱斷層發(fā)育系數(shù)的權(quán)重之和為0.29，作為影響底板突水風(fēng)險(xiǎn)的必然成分或催化成分，構(gòu)成隱斷層因子或第三因子。

表3　灰色關(guān)聯(lián)的計(jì)算結(jié)果

2構(gòu)建底板突水風(fēng)險(xiǎn)的灰靶模型

2.1底板突水風(fēng)險(xiǎn)灰靶模型

灰靶模型的臨界值取零點(diǎn)，臨界向量均取0.5，指標(biāo)權(quán)重取表3，測(cè)度矩陣見表4，計(jì)算結(jié)果見表5。從效果測(cè)度向量看，安全和隱患型樣本的效果測(cè)度向量均小于零點(diǎn)，呈“脫靶”狀態(tài)；危險(xiǎn)型樣本的效果測(cè)度向量大于零點(diǎn)，呈“中靶”狀態(tài)。根據(jù)效果測(cè)度向量，筆者提出了劃分底板突水風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)的規(guī)則：(-1，-0.5]表征安全狀態(tài)，(-0.5，0]表征隱患狀態(tài)，(0，1]表征事故狀態(tài)。

2.2實(shí)際應(yīng)用智能灰靶模型

山東新汶礦業(yè)集團(tuán)潘西礦潘西煤礦自1985年以來，先后發(fā)生中等以上底板突水22次，突水量從162m3/h至1020m3/h，隨著開采水平的加深，突水頻率增大，突水量也迅速增加。自1997年以來，突水量均在600m3/h以上，突水水源基本為奧灰水。該礦5101回采工作面，底板發(fā)育有奧陶系灰?guī)r且為強(qiáng)含水層，斷層構(gòu)造比較發(fā)育，既含水又導(dǎo)水，平均水壓2.3MPa，底板內(nèi)有多層0.5m以下的煤層，經(jīng)“鉆孔雙端封堵測(cè)漏裝置”測(cè)得底板有效隔水層厚度為24m，具體見圖1[9]。

表4　一致效果的測(cè)度矩陣

表5　模型結(jié)果與突水風(fēng)險(xiǎn)

山東肥城礦業(yè)集團(tuán)陶陽礦由于水文地質(zhì)條件復(fù)雜，水害事故時(shí)有發(fā)生，1971～1990年僅底板突水就有8次，其中每小時(shí)涌水量1000 m3以上的2次。1985年8月8日，9507回采作面底板突水，每小時(shí)平均涌水量5000 m3，最高達(dá)17900 m3，中一井全部被淹，1986年2月恢復(fù)生產(chǎn)，損失2611萬元。該礦9903回采工作面，底板含水層為靜儲(chǔ)量且屬于中含水層，水頭壓力0.6MPa，裂隙屬于阻水類型，最大落差為10m，與煤層相距48m，底板隔水關(guān)鍵層為細(xì)粒砂巖。

將工程樣本帶入決策模型，潘西礦5101回采工作面的最終結(jié)果為0.57，表示“中靶”即事故狀態(tài)，應(yīng)加強(qiáng)危機(jī)意識(shí)和技術(shù)革新，積極與相關(guān)高?？蒲性核归_項(xiàng)目科研和技術(shù)攻關(guān)，以三維高密度探水技術(shù)和微地震監(jiān)測(cè)斷層漸變并注漿加固底板危險(xiǎn)隱患區(qū)域，局部地段注漿堵水，切斷其與其他含水層的補(bǔ)給關(guān)系，逐步構(gòu)建本地區(qū)數(shù)字礦山與礦井充水條件可視化分析平臺(tái)。潘西煤礦19煤距奧灰含水層60m，巖性主要為泥巖、粉砂巖、黏土巖和石灰?guī)r，中夾徐、草灰，徐草灰總厚度在15m左右，其間為6m左右黏土巖。因此，潘西煤礦19煤底板具備有效隔水層的潛力。陶陽礦9903回采工作面的最終結(jié)果為-0.70，表示“脫靶”即安全狀態(tài)，堅(jiān)持正規(guī)循環(huán)作業(yè)和牢固樹立安全觀念、應(yīng)急救援預(yù)案，改造底板有效隔水層，擴(kuò)大隔水巖組厚度和阻水能力，局部地段疏水降壓開采，以疏堵結(jié)合為指導(dǎo)思想實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)高效生產(chǎn)。

3結(jié)論

1)選擇了含水層富水程度、含水層平均水壓、隱斷層水文性質(zhì)、隱斷層發(fā)育系數(shù)、隔水層平均厚度和采底板巖層組合，采用“效益型”隸屬梯度模糊化，歸納出含水層因子、隱斷層因子和隔水層因子，相對(duì)突破了突水系數(shù)法的狹隘信息量

圖1　鉆孔雙端封堵測(cè)漏裝置

2)建立了煤層底板突水風(fēng)險(xiǎn)的智能灰靶決策模型，提出了底板突水的安全、隱患和事故等級(jí)的劃分規(guī)則，相對(duì)客觀反映了底板突水危險(xiǎn)的不同狀態(tài)。該模型初步綜合了定性指標(biāo)和定量數(shù)值，提高了煤層底板突水危險(xiǎn)預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性和實(shí)用性。

3)將工程樣本帶入智能灰靶決策模型，潘西礦5101回采工作面的最終結(jié)果為0.57，表示“中靶”即事故狀態(tài)，陶陽礦9903回采工作面的最終結(jié)果為-0.70，表示“脫靶”即安全狀態(tài)，計(jì)算結(jié)果符合實(shí)際且模型比較準(zhǔn)確有效。

參考文獻(xiàn)

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收稿日期：2015-09-14

基金項(xiàng)目：內(nèi)蒙古自治區(qū)高等學(xué)校科學(xué)研究項(xiàng)目資助(編號(hào)：NJZY148)；內(nèi)蒙古科技大學(xué)創(chuàng)新基金-科研啟動(dòng)基金資助(編號(hào)：2015QDL02)

作者簡(jiǎn)介：孫明(1983-)，男，山東泰安人，講師，碩士研究生，從事煤礦安全與災(zāi)害防治方面的研究。

中圖分類號(hào)：TD263

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1004-4051(2016)07-0087-05

Research into intelligent grey target model of coal seam floor groundwater inrush risk

SUN Ming，LIU Ye-jiao，ZHENG Wen-xiang，SHANG Dong

(Inner Mongolia University of Science and Technology，Baotou 014010，China)

Abstract:To analyse the catastrophe process of groundwater inrush from coal seam floor，the identifying index are composed of aquifer watery degree，aquifer average pressure，hidden fault hydrological properties，hidden fault development coefficient，water-resisting layer average thickness and mining floor strata combination，the dimensional disturbance are deleted by benefit membership gradient.By grey correlation，aquifer factor，hidden fault factor and water-resisting layer factor are composition of the ancient，the necessary and the control to groundwater inrush from coal seam mining floor.The intelligent grey target model of groundwater inrush risk from coal seam floor is taken out.The effect measure vector is to distinguish three different circumstances of the safe，the hidden and the accident，which is organic integration of qualitative result and quantitative valuation.Some cases were forecasted by the model and the results were basically excellent，so the model can precisely evaluate the complex groundwater inrush risk.

Key words：coal seam floor；groundwater inrush risk；grey correlation；intelligent grey target