良庄井田15#煤层底板突水危险性评价

于小鸽 韩 进 王 熙 张 丽 秦道霞

(1.山东科技大学资源与土木工程系，山东省泰安市，271000；2.山东科技大学计算机科学与工程学院，山东省青岛市，266590；3.肥城矿业集团单县能源有限责任公司，山东省荷泽市，247333)

★ 煤矿安全 ★

良庄井田15#煤层底板突水危险性评价

于小鸽1韩 进2王 熙1张 丽1秦道霞3

(1.山东科技大学资源与土木工程系，山东省泰安市，271000；2.山东科技大学计算机科学与工程学院，山东省青岛市，266590；3.肥城矿业集团单县能源有限责任公司，山东省荷泽市，247333)

在分析良庄井田地质资料的基础上，采用I值最大判别原则，最终确定奥灰水压及15#煤层断裂构造复杂程度是影响底板突水危险性划分的重要因素。根据良庄井田地质资料，获得了奥灰水压等值线图、15#煤层断裂构造复杂程度图、15#煤层底板突水系数等值线图,采用信息融合的方法，获得了15#煤层底板突水危险性分区图，与已开采煤层的实际情况相符。

I值最大判别原则 信息融合 底板突水 良庄井田

良庄井田经过半个多世纪的开采，上组煤开采殆尽，下组煤的开采特别是15#煤层的开采受到奥灰含水层的严重威胁。因此对15#煤层底板突水的危险性进行评价具有重要意义。目前，常用的突水危险性预测方法主要是经典理论突水系数法，但由于突水系数法的获取具有时间性和地域性，其预测结果往往与实际情况有不符之处，特别是到了下组煤的开采，奥灰岩溶水水压增大，计算的突水系数值往往超过临近值。在矿井底板水害防治的过程中，出现了许多新理论、新方法。如武强、施龙青、朱宗奎等采用影响底板主控因素的方法，对底板突水的危险性进行分区，但选取的主控因素过多，有些因素对底板突水危险性判别的贡献较小，增加了底板突水危险性预测的困难，影响了判断效果。本文尝试在分析良庄井田地质资料的基础上，根据费歇准则中I值最大判别理论，选取有效的主控因素，结合经典突水系数理论，采用信息融合方法对良庄井田15#煤层的底板突水危险性进行评价。

1 研究区概况

良庄井田位于新汶煤田中部，以断裂构造为主，构造形态为一单斜构造。为全隐蔽的华北型石炭-二叠系井田，含煤地层为石炭-二叠系太原组和山西组。山西组的2#煤层、4#煤层和太原组的6#煤层、11#煤层、13#煤层、15#煤层为可采煤层。井田内的含水层为第四系含水砂砾岩、新近系砾岩、山西组砂岩、太原组第一灰岩和第四灰岩、本溪组徐家庄灰岩和奥陶系灰岩。

15#煤层属于太原组煤层，煤层厚度0.55～2.00 m，平均1.01 m，结构简单，大部分可采，距下伏的徐家庄灰岩(徐灰)、奥陶系灰岩(奥灰)含水层最薄处只有10 m左右，并且开采深度大，水压大，极易发生底板突水事故。因此，对良庄井田15#煤层进行底板突水危险性评价对指导矿井安全生产具有一定意义。

2 15#煤层底板突水影响因素的确定

良庄井田在开采过程中积累了许多地质资料，通过对各个钻孔富水性指数(I1)、奥灰水压值(I2)、15#煤层断层分维值(I3)、15#煤层底至奥灰顶间距(I4)的统计，以突水系数值0.06 MPa/m为分界线，将钻孔原始数据分为两类，见表1，表中A类TS<0.06 MPa/m，B类TS≥0.06 MPa/m。

表1 钻孔原始数据表

分类孔号富水性指数奥灰水压/MPa15#煤层断层分维值15#煤层底至奥灰顶间距/mB类10 224 30 9557 020 265 00 6059 030 284 91 0560 040 427 40 6562 550 264 60 9054 060 295 00 3570 070 244 50 9074 080 306 41 0061 090 183 60 3357 5100 185 60 5572 0110 194 30 2671 0120 183 70 5758 0

2.1 I值最大判别原则

式中：I——费歇准则判别值；

yAi——样本A中的第i个样本；

yBi——样本B中的第i个样本；

nA——样本A的个数；

为节约资源，将同桌两人分为一组，分发一份实物样品，样品量以够用为度，样品种类尽量满足常用需求。以班级为单位购买塑料封口袋，学期初组织课代表和班干部统一发放中药样品，学生自行装袋，建立口袋标本。

nB——样本B的个数。

若仅考虑一个变量xj时，由式(2)获得:

(2)

式中：xAij——A类中第i个样品的第j个变量的取值；

xBij——B类中第i个样品的第j个变量的取值。

显然，Ij越大的变量，分辨母体的能力越强。

2.2 变量的选取

(1)计算各变量内平均值和类内离差平方和：

计算结果见表2。

表2 各变量平均值和类内离差平方和

(2)计算各变量的I值：

(5)

计算得：I1=0.0002,I2=0.4577，I3=0.00147，I4=0.0002。

根据建立判别函数应满足I最大原则选取变量，Ij越大的变量，对判别底板是否突水贡献越大。本文选取Ij>0.001的变量，即选取奥灰水压和断层的分维值作为底板突水危险性评判的标准。

3 基于多元信息融合的底板突水性预测

选取奥灰水压、断层分维值及突水系数，利用信息融合的方法对15#煤层底板危险性进行评价，如图1所示。

根据奥灰钻孔统计资料，利用surfer软件绘制奥灰水压等值线图，如图2所示。采用信息融合的方法将断层分维及断层影响因子评价结果进行叠加融合，获得较为准确的断裂构造复杂程度分区图，如图3所示。

图1 多源信息融合原则示意图

图2 奥灰水压等值线图

图3 断裂构造复杂程度分区

由图2可以看出，Ⅰ区奥灰水压小于1 MPa；Ⅱ区奥灰水压为1～3 MPa；Ⅲ区奥灰水压为3～5 MPa；Ⅳ区奥灰水压大于5 MPa。整体上看，随着埋深的增加，奥灰的水压逐渐增大。井田内奥灰水压变化较大，在井田范围西南部及西部煤层埋深较浅区域水压最小，随着埋深的增加，越往中部、北部附近，水压越大。

由图3可以看出，1区为简单构造区，属于较安全区，区域范围较大，该区域几乎没有大的断层发育，构造交点和端点也少；2区为中等构造区，该区域偶尔发育有大断层，但数量较少，区域中构造交叉点和端点发育程度一般，断层规模和发育程度中等，岩体破碎程度中等；3区为复杂构造区，该区域大断层密集，断层数量较多，断层的规模及发育程度较好，区域中构造交点及端点较多，该区岩体较为破碎，导水性较强。

根据钻孔资料绘制出15#煤层奥灰突水系数等值线图，如图4所示。采用信息融合方法将奥灰含水层水压、断裂构造复杂程度分区图及15#煤层奥灰突水系数等值线图进行叠加，获得15#煤层底板突水危险性分区图，如图5所示。

由图4可以看出，将奥灰的底板突水系数分为两个区域，Ⅰ区突水系数小于0.06 MPa/m；Ⅱ区突水系数大于0.06 MPa/m。

由图5可以看出：

1区为安全区：位于井田的西北部、东部及南部部分区域，构造不发育，奥灰水压较弱。

2区为较安全区：主要位于井田的西南部和北部及东部的部分区域，该地区构造发育程度一般，几乎不发育大断层，奥灰水压小及中等，发生突水的危险性较小。

3区为危险区：主要分布在井田的北部和西部，该地区构造发育，发育有大断层，奥灰水压中等，具有一定突水危险性，特别是断层导水引发的突水事故。

4区为极危险区：分布在井田西部及东部的一小块区域，该处构造较发育，发育有很多大断层，且断层相交，奥灰水压较大，极易发生突水。

基于多源信息融合的突水危险性综合评价图中各区的分布情况，与已开采的煤层的实际情况基本相符，说明对于良庄煤矿含水层水压、断裂构造复杂程度分区及突水系数的定性的信息融合可以比较准确的反映其底板突水危险性的分布。对于预防煤层底板徐、奥灰突水具有较好的指导意义。

4 结论

(1)根据I最大值挑选变量，对奥灰富水性指数、奥灰水压、15#煤层断层复杂程度及15#煤层至奥灰顶间距4项指标进行筛选，最终选定奥灰水压、15#煤层断层复杂程度对底板突水危险性进行评价。

(2)采用信息融合的方法将奥灰水压、15#煤层断层复杂程度及突水系数进行融合，获得良庄井田15#煤层底板突水危险性分区图，与已开采煤层的实际情况基本相符。

[1] 乔伟,李文平,赵成喜.煤矿底板突水评价突水系数-单位涌水量法[J].岩石力学与工程学报,2009(12)[2] 武强,刘守强,贾国凯.脆弱性指数法在煤层底板突水评价中的应用[J].中国煤炭,2010(6)

[3] 施龙青,谭希鹏,王娟等.基于PCA_Fuzzy_PSO_SVC的底板突水危险性评价[J]. 煤炭学报,2015(1)

[4] 朱宗奎,徐智敏,孙亚军等.基于无量纲多源信息融合的底板突水危险性评价方法研究[J].采矿与安全工程学报,2013(6)

[5] 刘磊,于小鸽,王丹丹等.基于灰色理论的底板突水危险性评价[J].矿业安全与环保,2016(5)

[6] 李博,武强.煤层底板突水变权脆弱性评价模型参数灵敏度分析[J].采矿与安全工程学报, 2015(6)

[7] 张文泉,张广鹏,李伟等.煤层底板突水危险性的Fisher判别分析模型[J].煤炭学报,2013(10)

EvaluationonfloorwaterinrushriskofNo. 15coalseaminLiangzhuangcoalfield

Yu Xiaoge1, Han Jin2, Wang Xi1, Zhang Li1, Qin Daoxia3

(1. Department of Resource and Civil Engineering, Shandong University of Science and Technology, Taian, Shandong 271000, China; 2. College of Computer Science and Engineering, Shandong University of Science and Technology, Qingdao, Shandong 266590, China; 3.Feicheng Mining Group Shanxian Energy Co., Ltd., Heze, Shandong 247333, China)

Based on the analysis of geological data of Liangzhuang coal field, the maximum I value discrimination principle was used to determine the Ordovician limestone water pressure and the complexity of No. 15 coal seam fault structure, which was an important factor affecting the water inrush risk division of the floor. According to the geological data, the Ordovician limestone water pressure isoline map, the No. 15 coal seam fracture structure complexity diagram and the No. 15 coal seam floor water inrush coefficient contour map were obtained. By using the method of information fusion, the risk zoning map of water inrush from No. 15 coal seam floor was carried out, which was consistent with the actual situation of mined coal seam.

the maximum I value discrimination principle, information fusion, floor water inrush, Liangzhuang coal field

TD742.2

A

国家自然科学基金(41572244)，山东省自然科学基金(ZR2015DM013)，山东省泰安市科技局项目资助(2016GX0038)

于小鸽，韩进，王熙等. 良庄井田15#煤层底板突水危险性评价[J].中国煤炭，2017,43(11)：87-90，96.

Yu Xiaoge, Han Jin, Wang Xi, et al. Evaluation on floor water inrush risk of No. 15 coal seam in Liangzhuang coal field [J]. China Coal, 2017，43(11):87-90，96.

于小鸽(1981-)，女，讲师，主要研究方向为矿井水害防治。

(责任编辑 张艳华)