潞宁煤业2#煤层底板突水危险性评价模型研究及应用

尚小平

（潞安集团潞宁煤业有限责任公司，山西 宁武 036700）

1 工程概况

山西潞安集团潞宁煤业有限公司位于宁武县城西南，井田位于吕梁山北段芦芽山脉东麓，东依汾河。井田内总体地势北西高，东南低，地形标高在1575～1675m之间，属低中山区，井田东侧为汾河，南侧为汾河支流西马坊河，井田范围内含煤地层为侏罗系中统大同组，共有2层可采煤层，自上而下为2、3号煤层。

2#煤层位于大同组上段的三亚段上部，上距云岗组底部K砂岩约15m。煤层厚0.35～6.18m，平均3.28m，煤层顶板岩性多为炭质泥岩、泥岩，底板岩性绝大部分为泥岩，煤层底板直接充水水源是来自大同组的砂岩裂隙水。据勘探试验资料，含水层以中细粒砂岩为主，单位涌水量0.08～0.256l/s·m，由于煤层富水性强弱不均一，故在煤层底板充水强度大的位置处，会对煤层开采构成一定的威胁，故需采取有效手段对2#煤层底板的底板突水危险性进行有效评价。

2 底板突水模型及评价

2.1 底板突水主控因素

通过对潞宁煤业地质条件及实测资料的详细分析，确定出2#煤层突水的主控因素有8个，分别为：含水层压力、富水性、隔水层厚度、断层褶皱分布、断层规模指数、破坏带下脆性岩厚度、陷落柱分布及断层与褶皱交端点分布，现对八种因素进行概述分析，并进行量化：

1）含水层压力：煤层底板含水层水压的大小为底板突水的重要因素之一，随着含水层水压的增大，煤层底板发生突水的危险性会逐渐增大，2#煤层底板的水压在2.4～5.7MPa之间，从研究区域的西北部向东南部总体表现为逐渐减小的趋势[1]。

2）含水层富水性：底板砂岩含水层为突水的主要水源，2#煤层底板含水层的富水性通过矿井的抽水试验能够直接有效的反应出，基于抽水试验结果对钻孔的单位涌水量进行插值，进而得到研究区域单位涌水量如图1所示。

图1 2#煤层底板研究区域含水层富水量

3）隔水层厚度：底板隔水层一般由几个不同的岩性组成，需将其转化为砂岩等效的有效厚度，2#煤层底板研究区域底板隔水层的有效厚度为27～67.5m，隔水层厚度平均值为46m。

4）断层和褶皱分布：2#煤层底板断层和褶皱的分布情况如图2所示，根据断层及褶皱不同的破坏程度，分别取影响带和破碎带量化值为0.7和1。

图2 2#煤层底板研究区域断层及褶皱分布

5）断层规模指数：该项因素是指基于地质构造图计算得出的断层断距和单位面积的长度和，其代表着断层的发育程度和规模，根据2#煤层底板的勘探地质资料能够得出该项参数。

6）破坏带下脆性岩厚度：该项因素在阻止岩层发生突水中起着关键作用[2]，根据2#煤层的地质勘探资料可知，2#煤层底板破坏带脆性岩的厚度在6.6m～38.2m之间。

7）断层与褶皱交端点分布：在地质构造内部及其端点和交叉点的位置处，其岩体的导水率大于周围区域，易发生突水现象，基于岩层的破碎程度能够对该项因素进行量化。

图3 2#煤层底板研究区域陷落柱分布

8）陷落柱分布：针对岩溶地区，陷落柱为煤层底板突水的主要通道，根据2#煤层地质资料中几个岩溶陷落柱的描述，并根据冲击区的破碎程度及导水率对研究区域进行具体量化，基于此能够得出2#煤层底板研究区域陷落柱的分布如图3所示，针对缓冲带对其赋值为0.8，对于柱体区域赋值为1。

2.2 评价模型的建立

根据潞宁煤业2#煤层底板的具体地质条件，拟采用随机森林的算法对底板突水危险性进行评价，该方法为众多回回归树和许多分类的集合，该方法能够处理回归问题和分类数据，在进行回归数据分析时，其首先利用指数方法确定出根节点的属性，随后采用Gini指数Ig对研究对象的纯净度进行测量，Ig的表达式为：

式中：N为叶子数量；pi为样本属于第i片叶子的概率；当Ig越小时，样本越纯洁，具体从多个预测属性中选择一个或多个属性组合作为分裂变量，将节点分割为两个叶节点，重复该过程直至分类树建立完毕。

随机森林的预测模型中的两个重要参数为：分离节点数m和分类树的数量k，具体随机森林算法的实现步骤如下：

1）首先采用Bootstrap重采样的方法从原始数据集X中抽取k个样本。

2）针对这k个样本，分别创建k个末剪枝的分类树，针对分类树的每一个节点，需从M个属性中选取m个属性作为内部节点，随后基于Gini指数原则，选择一个最优的属性作为分裂变量，使树枝逐渐生长，基于此得出的分类树不需要修剪，得出的每个节点纯度最小，会得出k个分类树。

3）基于得出的k个分类树，对于任何一个决策均采用多数投票的方式确定出最终的分类结果。

具体随机森林的原理图如图4所示。

图4 随机森林的原理示意图

在进行2#煤层底板突水危险性评价时，需先选取训练样本，进而建立处样本数据库，现选取华北地区41个现场实测的数据，基于涌水量对突水风险的等级进行量化，随后对8个底板突水的主控因素进行分级[3-4]，得出风险等级的分类系统如表1所示，表1中将底板突水的危险性划分为5个等级，分别为危险区、较危险区、过渡区、较安全区和相对安全区。

表1 底板突水8个主控因素风险等级

在对2#煤层底板进行突水性评价时，本次的主控因素有8个，为提高模型的精度，需对参数m和k进行优化，得到最优的m值，分别计算得到m=2和m=3时，随机森林模型的误差如图5所示，从图中能够看出，当k值为100时，此时OOB的误差已经逐渐趋于稳定，在m=3时，此时误差处于较低的水平，在0.14附近，基于此分析可知随机森林的模型对2#煤层底板突水危险性的预测精度能够达到86%，模型合理，确定出合理的优化参数组合为：m=3，k=100。

图5 随机森林模型的OOB误差

3 评价结果分析

为有效准确打得分析研究2#煤层底板突水风险主控因素间的空间差异，将研究区域划分为30m×30m的方形网格，确定研究区域的面积为117.1km2，并在此划分的基础上建立随机森林模型，具体应用于每个研究区域，进而有效的得出每个网格的风险等级，具体基于随机森林的模型得出的2#煤层底板突水风险分区如图6所示。

图6 2#煤层底板随机森林风险分析图

通过具体分析图6可知，2#煤层底板研究区域内煤层底板突水的危险性呈现出由东部向西部过渡的趋势，研究区域风险性从四周向中心逐渐增大，；另外根据图中能够看出较危险区域和危险区域主要集中分布在褶皱、陷落柱和断层较为发育的区域处，较危险和危险区域的面积占到总体面积的28.1%。

在2#煤层底板的研究区域内，较危险区域和过渡区集中在矿井的中心的西南部，该区域含水层的水压力基本处于4.5～5MPa之间，且隔水层的厚度基本在30m左右，厚度较低，另外破坏带脆性岩石厚度也较小，在15～20m的范围内，且存在着小型的构造分布在该区域。针对该部分区域重视加强地质构造的勘探，尤其应确保在构造的交端区域没有涌水预兆出现。

危险区域主要分布在钻孔 P302、PZK505和PZK507的附近区域，据水压专题图和相关勘探资料可知，该部分含水层的水压为研究区域中水压最大的，其含水层的水压值均大于5MPa，并且该部分区域的地质构造较为发育，富水性较高，存在着如F164和F73这种断距较大的断层，另外陷落柱也大部分分布在该区域，针对该区域应实时注意煤层底板突水的危险性，在必要时采用疏水降压的方式以降低煤层底板受到的压力，保障该区域煤层底板的安全。

较安全区域和相对安全区域的面积占到53.38km2，这些区域的地质条件相对简单，含水层富水性较差，这些区域主要分布在研究区域的东部，少量分布在西部，针对这些区域需加强地质钻孔水量、水位和水压的连续观测作业。

4 结 论

根据2#煤层底板岩层的具体地质及水文条件，确定出底板突水的八个主控因素，采用随机森林的算法建立2#煤层底板突水危险性的预测模型，根据模型的分析结果将2#煤层底板研究区域发生底板突水危险性划分危险区、较危险区、过渡区，较安全区和相对安全区，并具体给出每个区域的位置和应采用的对应措施，以保障2#煤层底板的安全。