基于灰色关联度的开采沉陷关键影响因子分析

赵晓光 宋世杰 管园园

(西安科技大学地质与环境学院,陕西省西安市,710054)

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基于灰色关联度的开采沉陷关键影响因子分析

赵晓光 宋世杰 管园园

(西安科技大学地质与环境学院,陕西省西安市,710054)

根据陕西榆神府矿区15个典型矿点的煤炭地质赋存条件和开采设计方案以及地表岩移观测数据,采用灰色关联分析法研究了地表最大下沉系数与其影响因素之间的关系。按照灰色关联度大于或等于0.70的原则,确定覆岩综合普氏硬度、扰动系数、深厚比、采高、覆岩岩层厚度、覆岩土层厚度为榆神府矿区开采沉陷关键影响因子,为该矿区的开采沉陷损害控制和评价提供科学依据。

榆神府矿区 开采沉陷 灰色关联分析 关键因子 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

榆神府矿区作为我国煤炭储量超千亿吨的巨型煤田,在为国民经济作出突出贡献的同时,其开采沉陷问题也日趋严重。目前,神华神东公司共形成沉陷面积43.33 km2,占榆林县沉陷面积的93.3%。本文以榆神府矿区为研究对象,在深入分析榆神府矿区开采沉陷形成机理的基础上,运用灰色关联理论及分析方法对该矿区开采沉陷的关键控制因子进行筛选,对今后开采沉陷的防治提供科学依据。

2 榆神府矿区开采沉陷产生机理分析

2.1 煤炭赋存条件的特殊性为该矿区开采沉陷的产生奠定了基础

榆神府矿区地质构造简单,基本上是一个向西倾斜的单斜构造,倾角仅1°左右,近似水平。矿区煤层埋藏很浅 (一般在100 m左右)、煤层厚、基岩薄,且为巨厚松散层所覆盖。因此,随着浅埋煤层的大规模开采和工作面的推进,出现基岩全厚切落和地表非连续式裂缝破坏情况。与此同时,随着采空区面积的逐渐扩大,地表各点下沉速度也逐渐增大,而地表风积沙土松散层因为没有任何抗变形能力,且对煤层上覆基岩施加重力,加剧了地表破坏速度和地表塌陷坑、裂缝等非连续移动破坏强度。

2.2 煤矿开采设计条件是影响矿区开采沉陷的重要因素

采深、采厚是影响采动地表沉陷破坏的重要因素,这两个因素的比值,即深厚比 (H/m)又决定着开采煤层上覆岩层移动破坏的特征与范围。一般来讲,在榆神府矿区浅部开采,深厚比小于30～40时,地表沉陷呈非连续移动变形破坏形态;深厚比大于30～40时,开采地表沉陷呈连续移动破坏形态。但是在特殊的地层条件下,特别是地表基岩较薄、松散层厚度较大的条件下,深厚比更大时,地表才呈现连续移动沉陷盆地现象,否则地表将出现密度较大的台阶割裂式破坏裂缝现象。

开采方法也是影响开采地表沉陷破坏的重要因素。在榆神府矿区,目前的开采方法有两大类:一类是综合机械化长壁式大采高开采方法,主要用于神东公司在神府矿区的5大矿井及个别的地方国有煤矿;另一类是柱式短壁式开采方法,主要用于地方煤矿和小煤矿。长壁综采引起地表出现大面积的沉陷,当深厚比比较小时,地表会呈现非连续移动破坏,当深厚比比较大时,地表呈现连续移动变形沉陷盆地。所以开采引起地表大范围、高密度的割裂裂缝破坏及塌陷坑破坏是必然的。

此外,工作面走向长、工作面倾向长、宽深比、初长比等开采设计条件也对开采沉陷产生一定影响。

3 开采沉陷关键影响因子的灰色关联分析

3.1 影响因子选取

在已有研究成果和广泛咨询专家的基础上,依据榆神府矿区开采沉陷产生机理,从煤炭赋存条件和开采设计条件两个角度出发,选择了倾角、采深、岩层厚度、土层厚度、土岩比、覆岩综合普氏硬度、扰动系数、工作面倾向长、井田面积、宽深比、采高、深厚比、工作面走向长、开采强度、回采率15个影响因子。并在榆神府矿区选择15个煤矿作为样点,采集相关数据资料。运用统计软件SPSS16.0对15个样点的原始数据进行主成分分析,结果见表1和表2。

表1中反映了每个因子的特征值、占方差百分比及累计贡献率3个属性。按照主成分对应特征值必须大于1的提取原则,前5个因子被确定为主成分因子。也就是说,在15个影响因子中,存在5个主成分,它们累计贡献率达到86.19%,根据主成分累计贡献率大于85%的原则,可以认定这5个主成分几乎能包含原始指标的全部信息。

表2反映了原始变量与各主成分之间的相关程度。由相关程度可以确定各主成分与原始因子的关系。主成分与原始因子相关系数绝对值大于0.7可视为相关程度较高。因此通过分析可以得到:第一主成分与深厚比、采高、采深相关较高;第二主成分与扰动系数、工作面走向长、开采强度相关较高;第三主成分与岩层厚度、覆岩综合普氏硬度、土层厚度、土岩比相关较高;第四主成分与工作面倾向长度、宽深比、井田面积相关较高;第五主成分与倾角、回采率相关较高。

表1 方差分解主成分提取分析表

表2 初始因子载荷矩阵数据表

依据上述结果,从地质赋存条件和煤矿开采设计条件两个角度,最终确定两大类10个影响因子,见表3。

表3 开采沉陷影响因子表

3.2 灰色关联分析

3.2.1 基本原理

灰色关联分析主要用于分析系统各因素之间随时间变化的动态关系及其特征,从而找到系统的主要因素。在系统发展过程中,如果两个因素变化的态势基本一致,即同步变化程度较高,则认为这两个因素的关系密切,或关联度大;否则称其关联度小。因此关联度是对系统各因素之间关联程度的定量描述。

3.2.2 原始数据采集

依据表3中影响因子,对榆神府矿区15个典型矿点进行原始数据采集,同时将地表最大下沉系数 X0一并汇总于表4。

表4 榆神府矿区开采沉陷影响因素原始数据表

3.2.3 过程及结果

以表4中数据构造原始数据矩阵,对榆神府矿区开采沉陷影响因素进行灰色关联分析。其中,因为地表最大下沉系数 X0是表征开采沉陷强度的最主要指标之一,所以,本次分析以地表最大下沉系数为母因素;以 X1～X10为子因素进行分析。

求得关联度:

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。

排出关联序: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:覆岩综合普氏硬度>扰动系数>深厚比>采高>覆岩岩层厚度>覆岩土层厚度>工作面倾向长>煤层倾角>宽深比>工作面走向长。

4 结论

(1)与地表最大下沉系数关联度最大的是覆岩综合普氏硬度和扰动系数,分别为0.87、0.85;其次是深厚比、采高、覆岩岩层厚度、覆岩土层厚度、工作面倾向长、煤层倾角,关联度分别为0.77、0.73、0.72、0.70、0.66、0.65;而工作面走向长、宽深比的关联度相对较小,其中工作面走向长的关联度最小,为0.59。

(2)从关联度大小和排序来看,覆岩综合普氏硬度、扰动系数与地表最大下沉系数的关联度仅差0.02,对开采沉陷的影响相当,都为最重要影响因素,说明煤层覆岩的力学特征和煤矿开采强度在较大程度上决定了开采沉陷的损害程度,前者体现了矿区自身地质环境抗损害的能力,后者体现了人类活动对矿区地质环境的损害强度;深厚比与地表最大下沉系数关系密切,说明利用深厚比可以比较准确地反映和描述开采沉陷的损害形式和程度,这一结果与前人研究一致;覆岩的岩层厚度和土层厚度与地表最大下沉系数的关联度都超过或达到70%,表明开采沉陷损害的程度不仅与覆岩力学特征有关,还与覆岩的结构有着比较密切的关系;工作面的大小和煤层自身的倾角与地表最大下沉系数的关联度都超过了60%,同样是不可忽视的影响因素。

(3)按照突出重要因素的原则和要求,本文将灰色关联度G大于或等于0.70为标准,确定覆岩综合普氏硬度、扰动系数、深厚比、采高、覆岩岩层厚度、覆岩土层厚度为榆神府矿区开采沉陷关键影响因子。

(4)本文从煤炭赋存条件和开采设计基本参数的角度,确定了榆神府煤矿区开采沉陷关键影响因子,为选取榆神府矿区开采沉陷损害评价指标提供了重要参考和科学依据。同时由于这些主要影响因素计算参数的易得性,也为快速便捷评价煤矿区开采沉陷损害程度提供新的思路。

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(责任编辑 张艳华)

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)

赵晓光 (1965-),男,西安科技大学地质与环境学院院长,教授,博士生导师,主要从事水土环境工程、矿山环境保护与生态恢复领域的教学和研究工作。

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