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      基于AHP熵值法的煤層底板突水預(yù)測評(píng)價(jià)

      2019-01-02 03:28:40鄭潔銘張成行祝漢京徐智敏
      中國煤炭 2018年12期
      關(guān)鍵詞:數(shù)法突水斷層

      王 鑫 鄭潔銘 張成行 祝漢京 徐智敏

      (1.中國礦業(yè)大學(xué),江蘇省徐州市,221116;2.永煤集團(tuán)新橋煤礦,河南省永城市,476600)

      我國煤炭開采經(jīng)常受到礦井水害的影響,煤礦頂?shù)装宓耐凰鹿适瞧渲斜容^常見的。在煤礦水害防治過程中,煤層底板的突水預(yù)測評(píng)價(jià)至關(guān)重要。針對(duì)煤層底板突水的評(píng)價(jià),在揭示煤層底板突水機(jī)理方面,國內(nèi)外專家和學(xué)者開展了大量研究,李白英教授提出了“下三帶”理論,錢鳴高等教授則提出“關(guān)鍵層”理論等;在方法上主要有斯列薩列夫公式法、突水系數(shù)法、脆弱性指數(shù)法等多種方法,這些方法在我國的煤炭開采過程中起到了巨大的作用。煤層底板突水受到多重因素的控制,而且也不是簡單的線性關(guān)系,在實(shí)際情況中依然需要結(jié)合水文地質(zhì)情況進(jìn)行判斷。近幾年,熵值法在其他領(lǐng)域得到了充分的使用,我國眾多學(xué)者對(duì)熵值法的應(yīng)用有了較多的研究,但是在煤層底板預(yù)測評(píng)價(jià)上使用較少,其客觀賦權(quán)也為預(yù)測評(píng)價(jià)的準(zhǔn)確性提供保障。本文以新橋礦2107工作面底板突水預(yù)測評(píng)價(jià)為例,應(yīng)用熵值法,考慮多因素對(duì)煤層底板突水的影響,利用勘探中得到的客觀數(shù)據(jù)確定每個(gè)因素的權(quán)重,進(jìn)而計(jì)算出評(píng)價(jià)值,繪制突水危險(xiǎn)性等值線圖,使評(píng)價(jià)更加精準(zhǔn)、客觀、直觀。這將對(duì)煤層底板突水的評(píng)價(jià)有著重要意義。

      1 熵值法基本理論

      1.1 評(píng)估方法

      熵是源于熱力學(xué)的一個(gè)物理概念,后由香農(nóng)(C. E. Shannon)引入信息論。一般認(rèn)為,信息熵值越高,系統(tǒng)結(jié)構(gòu)越均衡,差異越?。环粗?,信息熵越低,系統(tǒng)結(jié)構(gòu)越是不均衡,差異越大。所以,可以根據(jù)熵值大小,計(jì)算出權(quán)重。熵值法計(jì)算出的權(quán)重能盡可能消除確定權(quán)重時(shí)的人為主觀因素。具體的評(píng)價(jià)過程如下:

      (1)構(gòu)建原始指標(biāo)數(shù)據(jù)矩陣:m個(gè)待評(píng)方案,n項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo),形成原始指標(biāo)數(shù)據(jù)矩陣X={Xij}m×n(0≤i≤m,0≤j≤n),則Xij為第i個(gè)待評(píng)方案第j個(gè)指標(biāo)的指標(biāo)值。

      (3)計(jì)算評(píng)價(jià)指標(biāo)的熵值:ej=-k∑yijlnyij,令k=1/lnm,則ej=(-1/lnm)∑yijlnyij。

      (4)計(jì)算評(píng)價(jià)指標(biāo)的差異性系數(shù):gj=1-ej。

      (5)計(jì)算權(quán)重:wj=gj/∑gj。

      1.2 評(píng)估指標(biāo)

      影響煤層底板突水的因子眾多且復(fù)雜,新橋煤礦同樣具有很復(fù)雜的水文地質(zhì)條件,根據(jù)評(píng)價(jià)煤層底板突水時(shí)所考慮因素,構(gòu)建了2107工作面煤層底板突水的綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。第一級(jí),指標(biāo)層(A)是最終的評(píng)價(jià)結(jié)果,反映該工作面突水危險(xiǎn)性的大?。欢?jí)指標(biāo)層(B)是突水因素的直接影響指標(biāo);三級(jí)指標(biāo)層(C)是對(duì)二級(jí)指標(biāo)的進(jìn)一步細(xì)化,包括含水層水壓、單位涌水量、隔水層有效厚度、斷層個(gè)數(shù)、構(gòu)造交點(diǎn)和端點(diǎn)個(gè)數(shù)、斷層規(guī)模指數(shù)等幾個(gè)方面。煤層底板突水的綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)如圖1所示。在這6個(gè)指標(biāo)中,斷層規(guī)模指數(shù)反映斷層尺度和發(fā)育程度的指標(biāo),其公式為:

      式中:F——斷層規(guī)模指數(shù);

      Hi——第i個(gè)斷層的落差,m;

      Li——第i個(gè)斷層的走向長度,m;

      n——研究區(qū)內(nèi)斷層的個(gè)數(shù),個(gè);

      S——研究區(qū)的面積,m2。

      圖1 煤層底板突水的綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)圖

      2 研究區(qū)概況

      新橋煤礦北部與西部由正斷層組成隔水邊界,南部的正斷層沿北西向延伸,成為良好的隔水邊界;東界為露頭地段,灰?guī)r分布面積有限,上覆巨厚地層。新生界底部普遍發(fā)育隔水段,有效地阻隔了上部水的垂直下滲,使本井田形成北、西、南三面封閉較好,上部受阻的獨(dú)特的水文地質(zhì)特征。煤層底板含水層為太原組灰?guī)r10~12層,基底為奧陶系石灰?guī)r。基底奧陶系灰?guī)r與2107工作面的隔水層厚度平均有141.79 m,奧陶水對(duì)煤層底板的威脅較小。新橋礦2107工作面水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)如圖2所示。太灰水對(duì)2107工作面的開采有較大威脅。

      圖2 新橋礦2107工作面水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)圖

      2107工作面位于呈南北向、長約1000 m的寬緩向斜,地層傾角約0°~10°。在2107工作面內(nèi)發(fā)育有多條小斷層,查明為正斷層。煤層底板太原組灰?guī)r含水層距離煤層近,中間夾雜砂巖較薄,隔水性差且構(gòu)造發(fā)育。2107工作面所處區(qū)域水文地質(zhì)條件復(fù)雜,受到水害威脅較大且較為緊迫。

      3 熵值法預(yù)測評(píng)價(jià)2107工作面底板突水危險(xiǎn)性

      熵值法預(yù)測評(píng)價(jià)底板突水危險(xiǎn)性時(shí),根據(jù)勘探數(shù)據(jù),工作面進(jìn)一步細(xì)致劃分為多個(gè)小區(qū)域。2107工作面布置有3條勘探線、4個(gè)主要鉆孔,周邊有大量水文觀測孔。劃分區(qū)域時(shí),將主要鉆孔置于小區(qū)域的中心位置。根據(jù)觀測孔的數(shù)據(jù),將鉆孔與觀測孔水位變化規(guī)律一致的劃分為同一個(gè)區(qū)域。分界線的方向幾乎平行于勘探線方向,在水文地質(zhì)條件復(fù)雜的地區(qū)進(jìn)一步細(xì)致劃分。最終,2107工作面劃分成5個(gè)大的區(qū)域,如圖3所示。根據(jù)煤層底板突水的主要影響因素,統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),建立原始矩陣。

      在突水危險(xiǎn)性預(yù)測評(píng)價(jià)中,含水層水壓、單位涌水量、斷層個(gè)數(shù)、構(gòu)造交點(diǎn)和端點(diǎn)、斷層規(guī)模指數(shù)為正向指標(biāo),隔水層有效厚度則為負(fù)向指標(biāo)。首先確定每個(gè)指標(biāo)的權(quán)重,再利用權(quán)重計(jì)算評(píng)價(jià)值。正向指標(biāo)有利于評(píng)價(jià)值增大,而負(fù)向指標(biāo)則相反。運(yùn)用正向指標(biāo)和負(fù)向指標(biāo)分別進(jìn)行計(jì)算,得出其評(píng)價(jià)矩陣,最終計(jì)算出最終的評(píng)價(jià)值。2107工作面煤層底板突水能力綜合測度指標(biāo)體系見表1。計(jì)算式為:

      式中:fi——第i個(gè)分區(qū)的評(píng)價(jià)值;

      wj——第j項(xiàng)指標(biāo)權(quán)重;

      評(píng)價(jià)值是評(píng)價(jià)危險(xiǎn)性的指標(biāo);評(píng)價(jià)值越高,突水可能性越大。2107工作面5個(gè)區(qū)域底板突水經(jīng)計(jì)算得出最終評(píng)價(jià)值分別為0.24、0.14、0.58、0.31、0.14,熵值法預(yù)測評(píng)價(jià)結(jié)果如圖4所示。由圖4可知,3號(hào)區(qū)域評(píng)價(jià)值達(dá)到0.58,相對(duì)最高,極易突水;4號(hào)區(qū)域評(píng)價(jià)值為0.31,相對(duì)也較高,易發(fā)生突水;5號(hào)區(qū)域西部評(píng)價(jià)值為0.2~0.3,容易導(dǎo)致突水,東部則較好;2號(hào)區(qū)域不易突水。在后續(xù)的開采過程中,3號(hào)區(qū)域和4號(hào)區(qū)域的注漿量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其他區(qū)域,符合熵值法的計(jì)算結(jié)果。

      4 熵值法與其他方法的比較

      在預(yù)測評(píng)價(jià)底板突水中,突水系數(shù)法是最為常見的一種的評(píng)價(jià)方法。利用突水系數(shù)法對(duì)2107工作面進(jìn)行評(píng)價(jià),并生成突水系數(shù)等值線圖,見圖5。突水系數(shù)法評(píng)價(jià)結(jié)果:1號(hào)、3號(hào)、4號(hào)和5號(hào)區(qū)域的評(píng)價(jià)值大于0.06,超出臨界值:2號(hào)區(qū)域并未超過臨界值。

      圖3 2107工作面分區(qū)圖

      系統(tǒng)層子系統(tǒng)層指標(biāo)層熵值差異性系數(shù)權(quán)重2107工作面底板突水能力含水層地質(zhì)構(gòu)造隔水層水壓0.660.340.22單位涌水量0.730.270.18斷層個(gè)數(shù)0.70.30.19構(gòu)造交點(diǎn)和端點(diǎn)個(gè)數(shù)0.840.160.1斷層規(guī)模指數(shù)0.820.180.12有效厚度0.710.290.19

      圖4 2107工作面熵值法預(yù)測評(píng)價(jià)結(jié)果圖

      圖5 2107工作面突水系數(shù)法預(yù)測評(píng)價(jià)結(jié)果圖

      熵值法和突水系數(shù)法評(píng)價(jià)結(jié)果進(jìn)行比較可以發(fā)現(xiàn):突水系數(shù)法與熵值法在評(píng)價(jià)結(jié)果有一致性,1號(hào)、3號(hào)、4號(hào)區(qū)域的評(píng)價(jià)結(jié)果都是較為危險(xiǎn),熵值法的評(píng)價(jià)有一定準(zhǔn)確性;兩個(gè)評(píng)價(jià)結(jié)果在5號(hào)區(qū)域呈現(xiàn)出差異,這是因?yàn)橥凰禂?shù)法標(biāo)準(zhǔn)的不同,5號(hào)區(qū)域構(gòu)造簡單,突水系數(shù)小于0.1為安全;從視覺上,熵值法的評(píng)價(jià)結(jié)果可以在圖上直觀體現(xiàn),減少了得出評(píng)價(jià)值后結(jié)合其他因素的評(píng)價(jià)過程;熵值法評(píng)價(jià)時(shí)考慮多因素的共同作用效果,對(duì)于每一個(gè)因素所占權(quán)重,客觀求解,有利于評(píng)價(jià)結(jié)果的準(zhǔn)確性,熵值法評(píng)價(jià)結(jié)果更加精細(xì),可以更加有針對(duì)性地開展煤礦防治水工作,節(jié)約成本,有利于煤礦安全生產(chǎn)。

      5 結(jié)論

      (1)新橋煤礦2107工作面用熵值法進(jìn)行預(yù)測評(píng)價(jià)得出3號(hào)區(qū)域評(píng)價(jià)值最大,相對(duì)危險(xiǎn)性大,2號(hào)區(qū)域與5號(hào)區(qū)域東側(cè)評(píng)價(jià)值較低,危險(xiǎn)性較小。

      (2)將熵值法與傳統(tǒng)的突水系數(shù)法進(jìn)行比較,兩種方法預(yù)測評(píng)價(jià)上具有一致性,體現(xiàn)熵值法的預(yù)測評(píng)價(jià)是準(zhǔn)確的。熵值法評(píng)價(jià)基于客觀勘探資料,且考慮多因素對(duì)底板突水的影響,評(píng)價(jià)更精細(xì),主觀人為因素影響較小。

      (3)熵值法評(píng)價(jià)結(jié)果具有直觀性,能夠降低預(yù)測評(píng)價(jià)之后的工作量,有效提高煤礦礦井水害防治的工作。

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