任君豪 ,王心義 ,2,3,王 麒 ,王俊智 ,張 波 ,郭水濤
(1.河南理工大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院,河南 焦作 454003;2.中原經(jīng)濟(jì)區(qū)煤層(頁(yè)巖)氣河南協(xié)同創(chuàng)新中心,河南焦作 454003;3.煤炭安全生產(chǎn)與清潔高效利用省部共建協(xié)同創(chuàng)新中心,河南 焦作 454003;4.華北水利水電大學(xué) 地球科學(xué)與工程學(xué)院,河南 鄭州 450045;5.上海亞新建設(shè)工程有限公司,上海 201900;6.中國(guó)平煤神馬集團(tuán)能源化工研究院,河南 平頂山 467000;7.河南焦煤能源有限公司,河南 焦作 454100)
我國(guó)具有較為豐富的化石能源,其中煤炭資源占已探明化石能源的94.3%,地下開(kāi)采的原煤量占煤炭產(chǎn)量的90%[1]?!案幻?、貧油、缺氣”的資源稟賦狀況,決定了今后相當(dāng)長(zhǎng)一個(gè)時(shí)期內(nèi)煤炭依然是國(guó)家能源生產(chǎn)與消費(fèi)的主體[2]。華北型煤田主采石炭二疊紀(jì)煤層,隨著開(kāi)采深度逐漸加大,斷層和褶皺等地質(zhì)構(gòu)造的發(fā)育,以及隔水層單薄且采動(dòng)下容易破裂,下伏高水壓和強(qiáng)富水的灰?guī)r含水層威脅日益嚴(yán)重[3]。如何客觀準(zhǔn)確地評(píng)價(jià)煤層底板突水危險(xiǎn)性以采取針對(duì)性強(qiáng)的防治水對(duì)策,是保障礦井安全生產(chǎn)的基礎(chǔ)。
煤層底板突水危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)是一項(xiàng)涉及構(gòu)造地質(zhì)、煤炭地質(zhì)、水文地質(zhì)、工程地質(zhì)、地質(zhì)力學(xué)、采礦工程、數(shù)學(xué)地質(zhì)和地理信息系統(tǒng)等學(xué)科的工作,國(guó)內(nèi)外眾多專(zhuān)家學(xué)者圍繞這一多因素決策問(wèn)題,開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)、室內(nèi)實(shí)驗(yàn)、理論分析、計(jì)算機(jī)模擬、實(shí)踐應(yīng)用等方面的研究工作。20 世紀(jì)90 年代初,在煤層底板突水和水害防治方面,我國(guó)學(xué)者提出了諸多理論,如“下三帶”理論、“下四帶”理論、“原位張裂與零位破壞”理論、“關(guān)鍵層”理論、“巖水應(yīng)力關(guān)系”理論、“強(qiáng)滲通道”理論等。除以上理論研究,諸多學(xué)者針對(duì)不同的研究對(duì)象,利用不同的指標(biāo)因子,應(yīng)用不同的數(shù)學(xué)方法進(jìn)行了煤層底板突水評(píng)價(jià),形成的方法有突水系數(shù)法[4]、脆弱性指數(shù)法[5]、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法[6]、模糊數(shù)學(xué)法[7]、灰色系統(tǒng)理論法[8]、五圖雙系數(shù)法[9]、主控指標(biāo)法[10]等。突水系數(shù)法以其公式明晰、計(jì)算簡(jiǎn)單、需要指標(biāo)少且容易監(jiān)測(cè)而成為《煤礦防治水細(xì)則》的規(guī)定用法。Zeng Yifan 等[11]在分析確定煤層底板突水主控因素的基礎(chǔ)上,基于GIS 及AHP 法估算各因素的影響權(quán)重,制定煤層的脆弱性分區(qū)圖,建立突水評(píng)價(jià)模型。Wang Xintong等[12]分析了王樓礦的地質(zhì)構(gòu)造、水文地質(zhì)條件、底板隔水狀態(tài)和開(kāi)采條件,基于非線性模糊數(shù)學(xué)法和層次分析法,提出了煤礦底板突水危險(xiǎn)性的非線性模糊區(qū)間評(píng)價(jià)方法,包括多指標(biāo)評(píng)價(jià)體系和計(jì)算模型。Hu Yanbo 等[13]綜合層次分析法和熵權(quán)法,對(duì)研究區(qū)煤層進(jìn)行了底板突水危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)。靳德武等[14]結(jié)合物探手段與深度學(xué)習(xí)理論,構(gòu)建了煤層底板水害三維監(jiān)測(cè)與智能預(yù)警系統(tǒng),為我國(guó)華北型煤田煤層底板水害監(jiān)測(cè)預(yù)警提供了新的技術(shù)與裝備支撐。
總之,國(guó)內(nèi)外關(guān)于煤層底板突水機(jī)理及預(yù)測(cè)預(yù)警的研究成果較豐富,形成的多種理論和眾多評(píng)價(jià)方法已用于指導(dǎo)礦井底板水害的防治。但目前存在的主要問(wèn)題是,即使同一礦井的同樣數(shù)據(jù),采用不同的評(píng)價(jià)方法其評(píng)價(jià)結(jié)果存在較大差異。因此,開(kāi)展多方法比對(duì)分析研究對(duì)于精準(zhǔn)評(píng)價(jià)煤層底板突水危險(xiǎn)性具有重要意義。
本文以平頂山煤田(以下簡(jiǎn)稱(chēng)平煤)相鄰的二礦、十礦和十二礦為研究對(duì)象,以隔水層厚度、斷層復(fù)雜程度、含水層水壓、含水層單位涌水量、采高等為評(píng)價(jià)因子,分別利用物元可拓、模糊可變集、突變理論、模糊綜合評(píng)判4 種方法,對(duì)煤層底板突水危險(xiǎn)性進(jìn)行評(píng)價(jià),基于專(zhuān)門(mén)構(gòu)建的誤差模型比對(duì)分析多方法的評(píng)價(jià)結(jié)果,遴選適宜的評(píng)價(jià)方法,并在此基礎(chǔ)上劃分帶壓開(kāi)采的底板突水危險(xiǎn)性分區(qū),以期為平煤區(qū)煤礦防治水工作提供參考。
平煤主要開(kāi)采二疊系山西組己組煤和石炭系太原組庚組煤,煤層底板的寒武系石灰?guī)r為巖溶發(fā)育不均一和富水性不均衡的含水層,因補(bǔ)給較充沛且含水層厚度大,水壓較高,是威脅礦井采掘的主要充水水源。目前,二礦開(kāi)采庚組煤,十礦和十二礦開(kāi)采己組煤,其帶壓區(qū)域分布如圖1 所示,綜合柱狀如圖2 所示。
圖1 平煤3 礦帶壓開(kāi)采區(qū)分布Fig.1 Distribution of the mining area under pressure in three coal mines of Pingdingshan Coalfield
圖2 研究區(qū)綜合柱狀圖Fig.2 Comprehensive drill log of the study area
針對(duì)本研究對(duì)象擁有資料的情況和采掘?qū)嶋H,選用隔水層厚度、斷層復(fù)雜程度、含水層水壓、含水層單位涌水量、采高作為評(píng)價(jià)因子。
隔水層厚度指煤層底板與含水層頂板之間的距離,隔水層越厚,底板巖體抵抗突水的性能越好。斷層是煤層底板突水的主要導(dǎo)水通道,斷層復(fù)雜程度越高,發(fā)生突水的可能性越高。含水層水壓是底板突水的驅(qū)動(dòng)力和前提。單位涌水量反映含水層含水介質(zhì)的滲透性強(qiáng)弱及補(bǔ)給條件的良好程度。采高影響著采掘活動(dòng)造成的頂?shù)装鍘r體破壞程度。評(píng)價(jià)指標(biāo)體系如圖3所示。
圖3 突水危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)指標(biāo)Fig.3 Risk assessment index of water inrush
目前,斷層復(fù)雜程度常用分形理論[15-16]來(lái)評(píng)價(jià),分形維數(shù)值越大斷層復(fù)雜程度越高。本文收集的51 個(gè)鉆孔處寒武系灰?guī)r含水層的水壓、單位涌水量、隔水層厚度、采高及計(jì)算的斷層分維值見(jiàn)表1。
表1 指標(biāo)因子賦值結(jié)果Table 1 Quantitative results of index factors
針對(duì)指標(biāo)因子xij,可分別利用層次分析法[17]和灰色關(guān)聯(lián)分析法[18]計(jì)算各指標(biāo)常權(quán)權(quán)重。為克服單一方法確定權(quán)重的局限性,應(yīng)用最小相對(duì)信息熵原理[19]建立優(yōu)化組合賦權(quán)模型以確定復(fù)合權(quán)重其計(jì)算公式為:
求得復(fù)合常權(quán)權(quán)重后,根據(jù)變權(quán)理論[20]可計(jì)算指標(biāo)因子的變權(quán)權(quán)重。計(jì)算公式為:
式中:i為樣本數(shù),i=1,2,···,51;j為指標(biāo)數(shù),j=1,2,···,5;為指標(biāo)常權(quán)權(quán)重;ωij為某樣本指標(biāo)變權(quán)權(quán)重;c、a1、a2、a3為調(diào)權(quán)參數(shù);dj1、dj2、dj3為指標(biāo)變權(quán)區(qū)間閾值;xij為某樣本指標(biāo)因子量化值。
首先確定式(3)中的調(diào)權(quán)參數(shù),利用K-均值聚類(lèi)法將各評(píng)價(jià)指標(biāo)因子數(shù)據(jù)分成4 個(gè)類(lèi)別,確定指標(biāo)因子臨界值,取相鄰2 個(gè)臨界值的均值作為指標(biāo)因子的變權(quán)區(qū)間閾值dj1、dj2、dj3,其變權(quán)區(qū)間見(jiàn)表2。
表2 各指標(biāo)對(duì)應(yīng)的變權(quán)區(qū)間Table 2 Variable weight intervals of each index
根據(jù)九標(biāo)度層次分析法和灰色關(guān)聯(lián)分析法,分別計(jì)算出各指標(biāo)因子的主觀權(quán)重ω1=(0.325 4,0.171 8,0.306 4,0.109 3,0.087 0)和客觀權(quán)重ω2=(0.225 4,0.185 4,0.219 2,0.185 0,0.185 0),按照式(1)得到組合權(quán)重ω0。
鉆孔2-9 歸一后的水壓、單位涌水量、采高、隔水層厚度、斷層分維值為x=(0.096 0,0.783 4,0.242 4,0.576 9,0.573 8),據(jù)表2 計(jì)算結(jié)果,其指標(biāo)因子量化值分別位于懲罰區(qū)間、初激勵(lì)區(qū)間、不激勵(lì)不懲罰區(qū)間、強(qiáng)激勵(lì)區(qū)間、初激勵(lì)區(qū)間。再次利用層次分析法及專(zhuān)家打分法,確定其理想變權(quán)權(quán)重ω=(0.210 0,0.197 4,0.142 7,0.290 0,0.159 9),將x、ω0與ω代入式(2)和式(3),聯(lián)立方程并利用Matlab 軟件可解得c=0.989 9,a1=–3.024 3,a2=0.299 1,a3=0.396 7,確定式(3)中的調(diào)權(quán)參數(shù)。
以鉆孔2-1 為例,歸一化后的指標(biāo)值x=(0.042 1,0.153 2,0.205 3,0.849 7,0.437 6),依據(jù)表2 將x代入式(3),計(jì)算狀態(tài)變權(quán)向量S(X)=(0.176 2,0.146 5,0.141 3,0.357 6,0.145 5),再 將S(X) 和 常 權(quán) 向 量ω0代 入式(2),得到鉆孔2-1 的變權(quán)權(quán)重為ω2-1=(0.182 2,0.151 5,0.146 1,0.369 8,0.150 5)。重復(fù)以上步驟,對(duì)礦井所有鉆孔的變權(quán)權(quán)重進(jìn)行計(jì)算。
基于K-均值聚類(lèi)分析結(jié)果,將煤層底板突水危險(xiǎn)性劃分為4 個(gè)等級(jí),級(jí)別越高突水危險(xiǎn)性越大,即Mi={Ⅰ級(jí),Ⅱ級(jí),Ⅲ級(jí),Ⅳ級(jí)}={安全區(qū),低威脅區(qū),高威脅區(qū),危險(xiǎn)區(qū)}。
對(duì)指標(biāo)因子量化值進(jìn)行歸一化處理,并根據(jù)物元可拓理論[21]構(gòu)建對(duì)應(yīng)于4 個(gè)突水危險(xiǎn)性等級(jí)經(jīng)典域Rj(j=1,2,3,4)、節(jié)域Rp和待評(píng)物元R0。經(jīng)典域指各指標(biāo)對(duì)應(yīng)4 個(gè)等級(jí)的區(qū)間,根據(jù)表2,其經(jīng)典域?yàn)椋?/p>
節(jié)域即指標(biāo)量化值的變化范圍,經(jīng)過(guò)歸一化處理后為:
待評(píng)物元指某鉆孔的各指標(biāo)量化值,針對(duì)鉆孔10-1,其待評(píng)物元為:
基于5 個(gè)指標(biāo)因子的變權(quán)權(quán)重和待評(píng)物元矩陣,按照物元可拓模型可求得鉆孔10-1 對(duì)應(yīng)于4 個(gè)等級(jí)的貼近度為:
選擇貼近度最高值為評(píng)價(jià)結(jié)果,即鉆孔10-1 處的煤層底板突水危險(xiǎn)性為等級(jí)Ⅱ,屬于低威脅區(qū)。
根據(jù)模糊可變集理論[22],每個(gè)等級(jí)區(qū)間由“吸引域”及“排斥域”組成,“吸引域”[a,b]為表2 中各等級(jí)上下界,“排斥域”[c,d]中的c為上一等級(jí)的區(qū)間下界,d為下一等級(jí)的區(qū)間上界,M為[a,b]區(qū)間中點(diǎn)值?;贙-均值聚類(lèi)分析結(jié)果,5 個(gè)評(píng)價(jià)因子對(duì)應(yīng)于4 個(gè)等級(jí)的識(shí)別區(qū)間[c,d]、[a,b],區(qū)間中點(diǎn)值M以矩陣Iab、Icd、IM表達(dá)如下:
依據(jù)鉆孔10-1 五個(gè)評(píng)價(jià)因子的實(shí)際值和[c,d]、[a,b]及M的位置關(guān)系,計(jì)算得到相對(duì)隸屬度矩陣μA(u)[23]:
將相對(duì)隸屬度矩陣μA(u)與對(duì)應(yīng)的變權(quán)權(quán)重復(fù)合運(yùn)算,求到綜合相對(duì)隸屬度。再將綜合相對(duì)隸屬度歸一化處理,分別與相對(duì)應(yīng)的等級(jí)相乘并求和,得到級(jí)別特征值H。不同參數(shù)組合下的級(jí)別特征值及均值見(jiàn)表3。
表3 不同參數(shù)條件下的計(jì)算結(jié)果Table 3 Calculation results under different parameter conditions
根據(jù)研究區(qū)的實(shí)際情況并參照相關(guān)研究成果[24],利用級(jí)別特征值H劃定的煤層底板突水危險(xiǎn)性分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)為:Ⅰ級(jí),H<1.5 為安全區(qū);Ⅱ級(jí),1.5≤H<2.5 為低威脅區(qū);Ⅲ級(jí),2.5≤H<3.5 為高威脅區(qū);Ⅳ級(jí),3.5≤H<4.5 為危險(xiǎn)區(qū)。基于此確定10-1 鉆孔處底板突水危險(xiǎn)性屬于低威脅區(qū),即為等級(jí)Ⅱ。
隸屬函數(shù)的確定是突變理論[25]綜合評(píng)價(jià)至關(guān)重要的環(huán)節(jié),確定隸屬函數(shù)的方法有多種,總體上可分為專(zhuān)家確定法、借用已有“客觀”尺度法、模糊統(tǒng)計(jì)法、對(duì)比排序法、綜合加權(quán)法、基本概念擴(kuò)充法等6 類(lèi)。這里采用模糊統(tǒng)計(jì)法中的梯形模糊隸屬函數(shù)C(x),結(jié)合均值?均方差法確定參數(shù)α和β。
常見(jiàn)的突變類(lèi)型有折疊突變、尖點(diǎn)突變、燕尾突變、蝴蝶突變等,本文根據(jù)控制變量的個(gè)數(shù),引入折疊型突變與尖點(diǎn)型突變進(jìn)行分析。以鉆孔10-1 為例,具體計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4。
表4 突水危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)指標(biāo)及結(jié)果Table 4 Water inrush risk assessment indexes and results
參考國(guó)內(nèi)外研究成果[26],定義突變理論綜合評(píng)價(jià)的等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)為:Ⅰ級(jí),0.9
模糊綜合評(píng)判法是[27]一種使模糊不清的評(píng)價(jià)因子有效量化的常規(guī)方法?;贙-均值聚類(lèi)分析結(jié)果,設(shè)定底板突水威脅性模糊綜合評(píng)價(jià)集V={Ⅰ級(jí),Ⅱ級(jí),Ⅲ級(jí),Ⅳ級(jí)}={安全區(qū),低威脅區(qū),高威脅區(qū),危險(xiǎn)區(qū)},然后將5 個(gè)評(píng)價(jià)因子代入隸屬度函數(shù)γ(x):
得到模糊矩陣F,針對(duì)鉆孔10-1 有:
利用加權(quán)平均型算子,進(jìn)行模糊矩陣F和權(quán)重ω矩陣的復(fù)合運(yùn)算,得到區(qū)間隸屬度向量B:
根據(jù)最大隸屬度原則確定模糊綜合評(píng)價(jià)模型的評(píng)價(jià)等級(jí)。顯然,鉆孔10-1 屬于等級(jí)Ⅰ,即為低威脅區(qū)。
利用上述4 種方法可評(píng)價(jià)51 個(gè)鉆孔處的煤層底板突水危險(xiǎn)性,其中Ⅰ級(jí)為安全區(qū)、Ⅱ級(jí)為低威脅區(qū)、Ⅲ級(jí)為高威脅區(qū)、Ⅳ級(jí)為危險(xiǎn)區(qū),結(jié)果列于表5,對(duì)應(yīng)的煤層底板突水危險(xiǎn)性分區(qū)如圖4 所示。
表5 不同方法的底板突水危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)結(jié)果Table 5 Risk assessment results by different methods
平煤二礦開(kāi)采石炭系太原組庚組煤,煤層底板隔水層平均厚度為24.1 m,31 采區(qū)工作面平均寬度為180 m,按照《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開(kāi)采規(guī)程》[28]建議的底板擾動(dòng)破壞深度公式:
式中:h為底板擾動(dòng)破壞深度,m;L為工作面寬度,m。
計(jì)算可得二礦31 采區(qū)底板擾動(dòng)破壞深度最大為20.12 m,二礦庚組煤有效隔水層厚度見(jiàn)表6。
由表6 可以看出,庚-31060 工作面附近6 個(gè)鉆孔的有效隔水層厚度均小于0,底板擾動(dòng)破壞裂隙可能會(huì)直接溝通下伏寒武系崮山組厚層灰?guī)r含水層,其發(fā)生底板突水的可能性極高,即突水危險(xiǎn)性應(yīng)在高威脅區(qū)以上。模糊綜合評(píng)判的評(píng)價(jià)結(jié)果中,庚-31060 工作面高威脅區(qū)面積占比僅12.6%,低威脅區(qū)和安全區(qū)面積占比為87.4%,較實(shí)際情況明顯偏低,說(shuō)明該方法不適用于二礦。
表6 二礦有效隔水層厚度Table 6 Effective aquiclude thickness of No.2 Coal Mine
十礦己三采區(qū)北部的己-33200 工作面回采至中部地段時(shí),曾發(fā)生水量160 m3/h 的底板寒武系灰?guī)r含水層涌水,對(duì)工作面回采造成了較大的影響。而物元可拓法將該工作面中部以東地段定義為安全區(qū),出現(xiàn)了較嚴(yán)重的誤判,說(shuō)明該方法并不適用十礦。
由表1 鉆孔可以看出,十二礦平均水壓為十礦的1.74 倍,而平均隔水層厚度僅為十礦的1.10 倍,且十二礦構(gòu)造較十礦更為發(fā)育,理論上十二礦的突水危險(xiǎn)性高于十礦。但突變理論界定的十二礦安全區(qū)面積占比37.9%,十礦安全區(qū)面積占比僅為4.43%,十二礦安全區(qū)面積占比遠(yuǎn)大于十礦,說(shuō)明突變理論的評(píng)價(jià)結(jié)果偏離實(shí)際,本方法不適用于十二礦。
綜上所述,4 種方法中模糊可變集的評(píng)價(jià)結(jié)果與實(shí)際情況最為吻合。該方法合理判斷了二礦及十二礦的高突水威脅性,對(duì)涌水的十礦己-33200 工作面也做出了精準(zhǔn)的預(yù)測(cè)。模糊可變集法為平煤二礦、十礦、十二礦煤層底板突水危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)最為適宜的方法,其評(píng)價(jià)結(jié)果的分區(qū)情況如圖4b 所示,分區(qū)面積及其占比見(jiàn)表7。
表7 分區(qū)面積及其所占帶壓區(qū)比例Table 7 Zoning areas and the proportions in the pressure zones
圖4 不同評(píng)價(jià)方法的分區(qū)結(jié)果Fig.4 Zoning results of different evaluation methods
突變理論的分級(jí)結(jié)果偏低,可以推測(cè)是突變理論低估了部分指標(biāo)的影響程度。模糊綜合評(píng)判法及物元可拓法的分級(jí)結(jié)果偏低,原因可能是指標(biāo)分區(qū)不夠精確,導(dǎo)致對(duì)較大指標(biāo)的相對(duì)隸屬度計(jì)算偏小。模糊可變集理論基于“吸引域”及“排斥域”確定指標(biāo)分區(qū)閾值,指標(biāo)分區(qū)結(jié)果較物元可拓法、模糊綜合評(píng)判法更精細(xì),相對(duì)隸屬度計(jì)算中優(yōu)化準(zhǔn)則參數(shù)k與距離參數(shù)P的不同組合,可以更合理地表征指標(biāo)因子與煤層底板突水之間復(fù)雜的非線性關(guān)系。
a.遴選隔水層厚度、斷層復(fù)雜程度、含水層水壓、含水層單位涌水量、采高為指標(biāo)因子,應(yīng)用變權(quán)理論確定了各指標(biāo)因子的權(quán)重,分別利用物元可拓法、模糊可變集理論、突變理論和模糊綜合評(píng)判法評(píng)價(jià)了平煤二礦、十礦和十二礦煤層底板突水危險(xiǎn)性,并劃分了突水危險(xiǎn)性等級(jí)。
b.對(duì)比實(shí)際開(kāi)采情況,模糊可變集理論的評(píng)價(jià)結(jié)果與實(shí)際情況最為吻合,該方法對(duì)安全區(qū)、低威脅區(qū)的識(shí)別更準(zhǔn)確,合理判斷了二礦及十二礦的高突水威脅性,對(duì)涌水的十礦己-33200 工作面也做出了精準(zhǔn)的預(yù)測(cè),是最適宜研究區(qū)的底板突水危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)方法。
c.相較于物元可拓法、突變理論、模糊綜合評(píng)判法,模糊可變集理論的指標(biāo)分區(qū)構(gòu)建及隸屬度計(jì)算更為精細(xì)合理,更好地表征了指標(biāo)因子與煤層底板突水之間復(fù)雜的非線性關(guān)系,評(píng)價(jià)結(jié)果較符合實(shí)際情況,對(duì)礦井采掘時(shí)采取針對(duì)性強(qiáng)的防治水對(duì)策具有一定價(jià)值。
d.模糊可變集理論評(píng)價(jià)結(jié)果表明,二礦、十礦、十二礦帶壓區(qū)內(nèi)安全區(qū)占比分別為4.08%、14.30%、0,低威脅區(qū)占比分別為76.91%、83.14%、85.78%,高威脅區(qū)占比分別為19.01%、2.56%、14.22%,研究區(qū)內(nèi)暫無(wú)危險(xiǎn)區(qū)。