回风巷老空水突水LR型脆弱性指数预测

周禹良，袁东锋，贺　文

(1.天地科技股份有限公司 建井研究院，北京 100013；2.北京中煤矿山工程有限公司，北京 100013)



青年论坛

回风巷老空水突水LR型脆弱性指数预测

周禹良1,2，袁东锋1,2，贺文1,2

(1.天地科技股份有限公司 建井研究院，北京 100013；2.北京中煤矿山工程有限公司，北京 100013)

[摘要]为了对碾子沟煤矿1301回风巷老空水突水危险性进行评估，构建了煤巷老空水突水LR型脆弱性指数预测模型。基于罗吉斯回归基本原理并利用样本数据，得到了脆弱性指数与老空水突水主控因素之间的回归方程。运用突水LR型脆弱性指数预测模型对1301回风巷老空水突水危险进行预测，得到了突水脆弱性指数沿回风巷长度方向的变化情况，取突水危险阈值为0.5，得到回风巷存在两段突水危险区，为回风巷安全掘进提供参考。

[关键词]老空水；LR型脆弱性指数；突水预测

我国煤矿大多数老空水水害事故发生在回采巷道掘进工作面[1]。老空水突水具有来势凶猛、破坏性强的特点，其水体形状极不规则、静储量常常较大[2]。对于年代久远的老空积水区常常因缺乏准确资料而分布不清，加上不断推进的采掘工作面与老空水体的空间关系错综复杂，当矿井采掘工作面接近或揭露老空水水体时，常常引发较大事故。因此，防止回采巷道掘进工作面老空水水害是煤矿防治水工作的重点，开展掘进工作面老空水突水预测技术的研究具有重大的工程价值和现实意义。

当前关于煤矿水害评估与预测方面的研究较多，如模糊数学法[3]、人工神经网络法[4-5]、“三图-双预测”法[6]、“五图-双系数” 法[7-8]以及脆弱性指数法[9-11]等。但以上研究均是针对煤矿顶底板水害而进行的，针对回采巷道老空水水害预测研究还较为缺乏。本文将脆弱性指数法的基本思想应用于煤矿回采巷道老空水预测，建立了老空水突水危险LR型脆弱性指数预测模型，并将该模型应用于碾子沟煤矿1301工作面回风巷老空水水害评估。

1煤巷老空水突水主控因素

煤巷老空水突水影响因素体系如图1所示，主要包括4个方面，每个主因素包含若干子因素，不同因素对掘进工作面老空水突水的贡献大小不一。老空水突水是受到多种因素影响下的非线性动力过程，通过对我国多年来的大量煤矿掘进巷道老空水突水案例进行分析总结，从煤巷老空水突水影响因素体系中提取5个突水主控因素：老空积水高度、有效隔水煤柱厚度、有效隔水煤柱强度、埋深、巷道宽度，分别记作xi(i=1,…,5)。

图1　煤巷老空水突水影响因素体系及主控因素

2煤巷老空水突水LR型脆弱性指数预测模型

2.1罗吉斯回归模型

罗吉斯回归(Logistic regression，LR)用于因变量只能取两值的情况(如是与否、有效与无效)的回归问题中[12]。建立回归模型时，首先运用Logit变换将因变量转化为目标概率值，然后再进行回归分析[13-14]，LR模型的表达式为[12]：

(1)

式中，p为目标事件发生的概率；α为模型截距；β为待估计参数；ε为误差；X为解释变量。

从式(1)可以看出，LR模型建立了事件发生的概率和解释变量之间的关系。

2.2老空水突水LR型脆弱性指数法预测模型

为了应用罗吉斯回归建立煤矿回采巷道掘进工作面老空水突水脆弱性指数法预测模型，设老空水突水脆性指数Iv等于煤矿回采巷道掘砌过程中老空水突水的概率p，则突水的概率p与未突水的概率1-p之比为优势(Odds)。

(2)

考虑突水主控因素，对ln(Odds)引入类似多元线性回归的表达式，得到：

2.4.2 相似度评价 采用《中药色谱指纹图谱相似度评价系统（2004 A）》，以生成的HPLC对照指纹图谱为对照，进行整体相似度评价。结果显示，69批药材样品中，除6批的相似度小于0.900外，其余63批的相似度均大于0.900，表明大部分药材样品间差异较小、质量稳定性较好，详见表3。

(3)

式中，b0为截距；bi为系数；xi为突水主控因素，i=1，…，5。

(4)

3预测模型的SPSS实现

3.1煤巷老空水突水案例基本资料

根据《中国煤矿水害防治技术》[1]和国家安全生产监督管理总局透水事故查询网站[15]，共收集2006-2014年全国煤矿重特大老空水水害案例36起。由于部分老空水突水案例发生在回采工作面，同时一些较早的突水事故调查报告难以收集，最终可供使用的案例资料仅有23个。

3.2样本SPSS的LR结果

统计软件SPSS广泛应用于数据管理、统计分析、图表分析、输出管理等领域[16]。SPSS for Windows是一个组合式软件包，其集数据录入、整理、分析功能于一身。利用该软件对案例资料进行罗吉斯回归，从而得到各主控因素的权重估计值，回归数据如表1所示。

表1　老空水突水危险LR型脆弱性预测模型SPSS回归结果

根据表1回归结果，可建立以下线性关系:

ln(Odds)=-20.6555+5.5229x1-16.0634x2-5.2531x3+0.0383x4+2.9597x5

(5)

(6)

4工程实践

4.1碾子沟煤矿工程概况

碾子沟煤矿存在20世纪90年代炮采形成的小窑老空区，同时与邻矿开采界限不清。根据原设计，首采工作面布置紧靠保护煤柱边界线，走向北北东，如图2所示。在矿井筹建过程中，工业广场发生了2次大规模地面塌陷。经勘探，发现工业广场下伏早期房柱式开采遗留的采空区。副斜井施工过程中在斜长414～554m直接揭露老空区，在634～554m穿越采空区裂缝带，这两段均出现较大涌水，水色浑浊，挂红现象显著，为明显的老空水特征。根据以上情况推测1301回风巷及切眼很可能受老空水水害威胁。补充勘探圈定1301回风巷北侧存在2个异常区，因此对回风巷进行老空水突水危险性预测十分必要。

图2　碾子沟煤矿1301采面位置

4.21301回风巷突水主控因素

根据补充勘探资料得到积水区边界两端水头，假设积水水头按线性分布，有效隔水煤岩柱厚度为老空水体与回采巷道的距离减去实体煤破坏深度和巷道开掘破坏深度。回采巷道受老空积水区威胁部分为回风巷135～535m段。如图3所示，为了进行老空水突水危险脆弱性指数预测，将该段沿其长度方向划分为47个块段，每个块段长10m，各个块段老空水体与回风巷的距离及水头高度为该块段上的均值。老空积水区侧煤壁破坏深度取理论计算与数值模拟最大值，为11m。回风巷围岩破坏深度取理论计算与数值模拟最大值，为3.1m。

图3　回风巷北侧老空水积水情况

4.31301回风巷突水危险LR型脆弱性指数预测结果

考虑老空积水区侧和巷道开掘侧围岩破坏深度后，每个块段所对应的老空水突水主控因素(老空积水高度、有效隔水煤柱厚度、有效隔水煤柱强度、埋深、巷道宽度)对应取值记为xi。将xi输入公式(6)，得到各个块段对应的老空水突水危险LR型脆弱性指数。沿回风巷长度方向LR型脆弱性指数的变化如图4所示。

图4　1301工作面老空水突水危险LR型脆弱性指数预测结果

脆弱性指数越大，突水可能性越大。取突水危险阈值Iv为0.5[10-11]，则可以看出回风巷存在两处老空水突水危险区，分别位于回风巷长度165～285m和455～475m范围内。

5结论

(1)建立了LR型脆弱性指数预测模型，该模型考虑了煤巷老空水突水5个主控因素：老空积水高度、有效隔水煤柱厚度、有效隔水煤柱强度、埋深、巷道宽度。脆弱性指数越大，突水可能性越大。

(2)利用SPSS软件，由样本资料得到了LR型脆弱性指数与主控因素之间的非线性回归公式，该公式能够较好地描述各因素对突水的非线性影响。

(3)运用预测模型得到了1301回风巷老空水突水脆弱性指数沿巷道长度方向的变化曲线，取危险性阈值为0.5，根据预测结果回风巷存在两个老空水突水危险区，分别位于回风巷165～285m和455～474m范围内。

[参考文献]

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[5]姜成志，张绍兵.建立在神经网络基础上的煤矿突水预测模型[J].黑龙江科技学院学报，2006，16(1)：8-11.

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[15]国家安全生产监督管理总局.事故查询[EB/OL].http://media.chinasafety.gov.cn:8090/iSystem/shigumain.jsp.

[16]陈胜可.SPSS统计分析从入门到精通[M].北京：清华大学出版社，2012.

[责任编辑：张玉军]

Forecast of Goaf Water Inrush with LR Type Vulnerability Index in Return-air Roadway

ZHOU Yu-liang1,2，YUAN Dong-feng1,2，HE Wen1,2

(1.Institute of Mine Construction，Tiandi Science & Technology Co.，Ltd.，Beijing 100013， China；2.Beijing Zhongmei Mine Engineering Co.，Ltd.，100013，China)

Abstract：In order to evaluate inrush risk of goaf water of 1301 return-air roadway in Nianzigou coal mine，LR type vulnerability index forecast model was proposed for goaf water inrush.A regression equation about vulnerable index ‘din’ and main control factors of goaf water inrush was put forward on basis of regression principle and sample data，then predicted the inrush risk of goaf water in 1301 return-air roadway with LR type vulnerability index model，the results illustrated that the distribution of inrush vulnerability index that along the length direction of return-air roadway，and the maximal value of inrush possibility was 0.5，two dangerous zones of goaf water inrush existed in return-air roadway，the studying results referenced for return-air roadway safety driving.

Keywords：goaf water；LR type vulnerable index；water inrush forecast

[中图分类号]TD745.21

[文献标识码]A

[文章编号]1006-6225(2016)01-0108-03

[作者简介]周禹良(1989-)，男，四川巴中人，硕士研究生，主要从事煤矿注浆堵水与加固的研究工作。

[基金项目]中国煤炭科工集团有限公司青年基金项目(3013QN009)；天地科技股份有限公司技术创新基金(KJ-2014-BJZM-03)

[收稿日期]2015-06-30

[DOI]10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2016.01.029

[引用格式]周禹良，袁东锋，贺文.回风巷老空水突水LR型脆弱性指数预测[J].煤矿开采，2016，21(1)：108-110.