内蒙古某矿底板突水危险性评价研究

2023-09-11张代军

华北科技学院学报 2023年4期

张代军,王旭

(1. 河北省唐山市开滦林西矿业有限公司,河北唐山 130200;2. 华北科技学院,安全工程学院,北京东燕郊 065201)

0 引言

近些年,随着煤炭开采向深部发展,煤层底板引发的水害问题日益突出。在煤矿水害防治过程中,底板突水危险性评价至关重要[1,2]。目前底板突水是一种受控于多种因素影响的结果,因此建立新的评价体系模型至关重要。国内诸多学者针对这一现象,选取不同的因素指标结合数学模型,建立评价模型对底板突水危险性评价。武强[3]利用脆弱性评价模型评价突水危险性;尹尚先[4]基于现场实测数据,评估底板带压突水危险性;胡晓红等[5]基于AHP结合随机森林,建立煤层底板预测模型;刘伟韬等[6,7]采用主成分分析和logistics回归分析,得到各主控因素影响模型;赵东云等[8]建立MapObjects-ANN模型对底板突水危险性进行评价;徐维等[1]利用灰色系统理论,研究煤层底板突水危险性。这些理论和方法都为底板突水防治提供参考价值,但单一因素或单一层次(突水系数)评价模型,其预测结果在一定程度上存在误差[9-12]。本文在前人研究的基础上,以内蒙古某矿为背景,选取相应水文指标,利用特征值组合权重法对底板突水危险性进行评价,基于特征值组合权重法与突水系数评价等单一评价体系结果对比分析,遴选适宜该矿的评价方法,为底部突水危险性评价模型提供新思想新方法,为类似矿井防治水工作提供参考价值。

1 底板突水主要因素

底板突水的主要因素包括:含水层性能、构造影响、采动破坏和隔水层性能[13-15]等四个方面。

(1) 含水层性能

含水层是影响底板突水的主要因素,是矿井突水的来源。含水层决定着矿井突水量大小。选取富水性、渗透性和水压等指标对含水层性能进行描述。

(2) 构造影响

断裂构造是影响底板突水的主要因素,由于岩层出现断裂导致应力集中,造成岩石破碎易形成导水通道。断裂构造破坏岩层的稳定性和完整性,沟通含水层与含水层,含水层与隔水层,缩短含水层与煤层之间的距离,为矿井突水提供导水通道。选取断裂构造复杂程度和断层规模指数等指标对断裂构造影响进行描述。

(3) 采动覆岩破坏

采动覆岩破坏是底板突水的诱因。煤层开采底板卸压,底板先压缩后膨胀,造成隔水层发生破坏。选取埋深、煤厚和底板破坏带高度等指标对采动破坏进行描述。

(4) 隔水层性能

隔水层性能研究对煤层底板突水防治至关重要,隔水层性能越好,矿井突水强度越弱。选取隔水层厚度、等效隔水层和脆塑岩性比等指标对隔水层性能进行描述。

2 层次分析法—变异系数分析法理论

采用层次分析法计算专家评价的主观权重,变异系数分析法计算数据客观权重,结合特征值理论兼顾主观因素和客观因素得到综合权重,最后用特征值组合权重法对底板突水危险性进行综合评价。

2.1 层次分析法和变异系数法

(1) 层次分析法(AHP)

20世纪,美国T.L. Saaty教授将定量定性结合在一起的一种决策分析计算方法即层次分析法[16]。层次分析法的原理是通过降维,将多数变量转化成综合变量,从而简化抓住事情本质。计算方法如下:

① 邀请水文地质专家,根据专家打分,建立模糊判断矩阵(见表1)。

表1 判断矩阵对应表

② 确定各因素权重与检验。

③ 根据判断矩阵形成对应的特征向量,并对两者一致性进行检验见式(1)～(3)。若结果CR<0.1通过一致性检验。根据专家经验判断矩阵确定因素重要性并计算权重见式(4)。

Aω=λmaxω

(1)

式中,ω为λmax对应的特征向量。

(2)

式中,n为矩阵阶数;C1为一致性指标。

(3)

式中,n为矩阵阶数;CR为查表随机一致性指标。

(4)

式中,n为矩阵阶数;aij为矩阵判别数据,WI为权重值。

(2)变异系数法[17]

变异系数法通过因素间差异性和关联性确定因素权重,有效反应因素之间的差距[15]。计算方法如下:

① 因素实际值标准化。

② 计算因素变异系数

③ 加权平均法

④ 确定变量的权重。

(5)

(6)

2.2 特征值权重计算理论

特征值权重法具有考虑因素之间相关性,因素的贡献度以综合考虑因素,在一定程度上提高组合权重的准确性和稳定性。利用特征值权重将两种方法进行组合,建立最优判别模型,在一定程度上减少误差,增加预测模型的准确性[17,18]。组合步骤如下:

(1) 收集因素的权重,并计算它们的协方差矩阵。假设有n个因素,则协方差矩阵为一个n×n的矩阵,其中每个元素表示两个因素之间的协方差。

(2) 对协方差矩阵进行特征值分解,找到其特征值和对应的特征向量。

(3) 将特征值进行标准化处理。

(4) 根据特征向量和标准化后的特征值计算每个因素的权重。

(7)

3 评价模型的建立与应用

3.1 评价体系建立

结合内蒙古某矿地质、水文资料和采掘特点,拟从含水层性能、隔水层性能、采动影响和地质条件四类,选取因素(如图1所示)。各因素运用surfer克里金插值法[11]进行插值绘图(如图2所示)。根据图1建立评价体系。

图1 主控因素图

图2 因素分布图

(1) 富水性:是指含水量的大小,具有非均质性与地下水补径排有关。根据收集的资料绘制富水性(如图2(a)所示),由图可知工作面富水性自西向东依次减弱。

(2) 渗透性:是指岩层间透水能力的大小,与岩层组合方式、岩层性质和颗粒大小有关。绘制渗透性(如图2(b)所示),由图可知工作面渗透性中间高,两侧低。

(3) 水压:是指底板突水的动力,具有破坏隔水层能力。通过对水文地质资料的分析,绘制水压(如图2(c)所示),由图可知工作面整体压力呈现“几”字形状,逐步递增。

(4) 构造复杂程度:是指应用分行理论对矿区地质构造进行定量评价。根据矿井地质报告,利用CAD绘图软件将工作面分成若干格,获取相应数据,绘制构造复杂程度(如图2(d)所示)。

(5) 断层规模指数:断层大小、断层组合形式影响断层规模指数。绘制断层规模指数图(如图2(e)所示)。

(6) 埋深:随着深度的增加,原岩应力增加。(如图2(f)所示)

(7) 采煤厚度:根据采煤厚度绘制采煤厚度图(如图2(g)所示)。

(8) 底板破坏带高度:随着深度的增加,原岩应力增加见式(8)。

h=0.0085H+0.1665α+0.1079L-4.3579

(8)

式中,L为工作面斜长,m;H为开采深度,m;α为开采煤层倾角;h为底板破坏深度,m。

根据公式绘制底板破坏高度(如图2(h)所示),发现工作面整体破坏程度大于30m,隔水层厚度在30～40m之间。

(9) 隔水层厚度:作为《防治水细则》中矿井底板突水的重要参考指标。根据所得数据绘制隔水层厚度(如图2(i)所示),发现工作面隔水层厚度均处于30 ～40m之间,局部超过40m。

(10) 等效隔水层厚度:是指隔绝水层的能力,与隔水层岩性及力学特性有关(如图2(j)所示)。

(11) 岩脆塑性比:是隔水层岩性和力学强度的相关指标。岩层排列组合方式越复杂,脆塑岩性比低,岩层间裂隙越多,渗透性越大,突水危险性越大(如图2(k)所示)。

以层次分析法、变异系数法及特征值权重计算理论三种方法,建立不同的评价模型,遴选适合该矿区底板突水模型。运用AHP法确定各因素主观权重,运用变异系数法确定各因素客观权重,然后根据特征值权重计算各因素综合权重。

3.2 模型建立与对比

煤矿工作面采用走向长壁后退式、综采放顶煤一次采全高工艺、垮落法管理顶板。煤层底板标高846.6～858.1m,底板以泥岩、砂岩互层为主,奥灰水头压力0.24MPa。工作面底板距奥灰顶界面44.5m。因此,需要对工作面进行底板突水评价与评估。根据某矿工作面涌水量计算结果,煤矿开采煤层时,位于西南部观6孔统降单位涌水量为0.2301L/(s·m),观9孔统降单位涌水量为0.1123L/(s·m)。根据涌水量数据可知,随着岩溶含水岩组埋深增加,富水性有逐渐变弱的规律。总的来说东部浅埋区岩溶较发育,向西南深埋区岩溶发育变差。往西南随埋深增加,富水性逐渐减弱。需要注意,该矿未发生突水事故,唯一透水事件发生在打钻过程中,且透水位置位于矿井西中部地区。

根据德尔菲法对因素数据划分为四个等级区间,见表2。利用评价体系建立相关的评估模型,并与矿井实际情况对比遴选适合该矿的底板突水评估模型。

表2 危险性区间

3.2.1 突水系数分析底板突水危险性

根据《煤矿防治水细则》规定,计算突水系数并绘制突水系数图,如图3所示。

图3 突水系数评价图

计算公式如下:

T=P/M

(9)

式中,T为突水系数,MPa/m;P为底板隔水层的水压,MPa;M为底板隔水层有效厚度,m。

由图3可知矿区整体突水系数小于0.065MPa ,局部大于0.06MPa ,位与矿区的西北部,当开采西北部,注意矿井可能存在突水情况。矿区西部属于危险区,其他区域位于安全区域,与前文矿井实际情况存在一定的差异,本次评价结果误差较大。根据矿井实际涌水量以及矿井突水事件分析,突水系数评价底板突水危险性不适合当前开采的方式,迫切需要一种适合当前条件下底板突水危险性评价模型。

3.2.2 层次分析法分析底板突水危险性

层次分析法可以较好解决因素之间关联性,根据式(1)～(4),计算结果见表3。邀请数位专家选取‘0～10’数字对照钻孔测量实测值进行评分(见表4)。根据表5主观权重表,将评分最终结果结合K-means算法,对区域进行等级划分,绘制底板突水危险性主观评价图(如图4所示)。根据图4可知,工作面自西向东底板突水危险性依次减弱,矿区工作面南部、东部属于较安全区域,危险区域位于矿区工作面西部,但评价结果与前文矿井工作面实际情况存在差异,说明层次分析法,在一定程度上具有局限性,专家的主观思想影响评价模型,忽略矿井数据的客观性,造成部分数据在底板危险性评价体系模型中失真。

图4 主观评价图

表3 层次分析法模糊矩阵

表4 专家打分矩阵

表5 主观权重赋权表

3.2.3 变异系数分析底板突水危险性

为了研究煤矿底板突水的危险性,我们选取前文提到的变异系数法作为客观评价体系的研究分析方法,使用统计学软件对原始数据进行赋权,结合式(5)～(6)进行权重计算。该客观评价体系考虑了指标间的差异性和关联性,并根据各自的属性进行了评价。我们在表6中给出了赋权的计算结果。根据表6客观权重表,对照钻孔测量实测数据进行评价,将最终结果运用K-means算法对区域进行等级划分,绘制底板突水危险性客观评价图(图5)。由图5可知,矿区自西向东矿区底板危险性依次减弱,矿区南部、东部属于较安全区域,危险区域位于矿区西北部,部分区域的划分边界与实际矿井情况不符,说明客观评价分析法,存在一定的局限性,客观数据具有较高的真实性和独立性,忽略因素之间的联系,导致部分地区底板危险性评价存在失真。

图5 客观评价图

表6 客观权重赋权表

3.2.4 底板突水危险性综合评价体系-突水脆弱性指数模型

每种评价体系的建立,推动“带压开采”理论体系的完善,但随着技术不断发展,主观、客观评价赋权值差异变化大,单因素权重评价体系准确性和有效性降低,需要建立新的评价体系,提高预测模型的有效性。引入武强[19]院士的脆弱性指数模型,根据表5、表6计算权重值代入式(7),计算结果见表7,按照运用K-means算法结合评价模型如下:

表7 综合权重赋权表

(10)

式中,VI为模型指标指数;ni为综合权重系数;fi为专家评分;x,y为坐标变量。

根据计算绘制区域图如图6所示。由图6可知安全区、较安全区、较危险区和危险区面积比例10.43%、41.16%、33.96%和14.45%,矿区危险性评价整体自西向东依次递减,本模型是根据多个指标共同作用,充分利用各指标之间的相关性和差异性,为矿井底板突水预测提供新的方法和思路。根据图6与前文矿井涌(突)水和钻孔实际情况对比分析,底板突水危险性综合评价体系-突水脆弱性指数模型较其他评估模型更贴近实际情况,综合评估模型可作为该矿底板突水危险性模型。

图6 综合评价分析图

根据评价区图和权重表,可以看出断裂构造和岩层特性是影响底板危险性评价的主要因素之一,其它因素包括隔水层厚度、岩层渗透性以及富水性等。评价区域主要分为危险区、较危险区、较安全区和安全区。危险区主要分布在西部地区呈环状,隔水层厚度相比较厚,但由于该区域地质构造复杂、断层发育导致有效隔水层厚度、脆塑岩比降低,岩层间出现裂隙,形成导水通道,易引发突水事故。较危险区主要分布矿区北部,断层构造影响较小,底板破坏深度较小,富水性较强,较容易引发突水。较安全区主要分布较危险区域以下,该区域构造影响大,富水性一般。渗透系数较小,该区域可能因受采动影响,诱发底板突水。安全区主要位于南部地区,该区域隔水层厚度高、岩石脆塑性强,构造较复杂,富水性一般,渗透性一般。西部安全区域因有效隔水层厚度高,富水性弱,岩石脆塑性强造成该区域发生突水事故概率低,故本区域评价为安全区域。

综上所述, 底板突水危险性综合评价体系-突水脆弱性指数模型,考虑多种因素之间联系与独立性,应用信息更具体。基于综合评价体系与单一评估体系对比分析,相比较而言综合评价体系评估模型具有更高的准确性和科学性。