薛道成

(山西焦煤西山煤電集團(tuán)公司,山西省太原市,030053)

礦井突水水源快速判別信息輔助決策系統(tǒng)在馬蘭礦的研發(fā)應(yīng)用

薛道成

(山西焦煤西山煤電集團(tuán)公司,山西省太原市,030053)

介紹了礦井突水水源快速判別信息輔助決策系統(tǒng)的構(gòu)成及功能,并結(jié)合馬蘭礦的水文地質(zhì)資料,建立了馬蘭礦礦井突水水源快速判別信息輔助決策系統(tǒng)。為驗證模型的可靠性,將標(biāo)準(zhǔn)水樣作為待測水樣,用模糊綜合評判法、灰色關(guān)聯(lián)法、模糊識別法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法和聚類分析法5種數(shù)學(xué)方法進(jìn)行回代試驗,結(jié)果表明,模糊綜合評判和聚類分析的效果較好,故確定用以上模型對馬蘭礦未知水樣進(jìn)行識別。

礦井水害 突水事故 水源快速判別信息輔助決策系統(tǒng) 馬蘭礦

西山煤電(集團(tuán))股份有限公司馬蘭礦存在礦井突水的安全隱患,嚴(yán)重威脅著煤礦安全生產(chǎn)。近幾年來,通過水樣化驗確定出水水源一般需3～5天,不能及時地提出有針對性的防治措施。為了能在出水時快速準(zhǔn)確地確定出水水源,及時采取有效的預(yù)防和補救措施,減少礦井的水害損失,馬蘭礦建立了礦區(qū)礦井突水水源快速判別信息輔助決策系統(tǒng)。該系統(tǒng)的建立,對提高礦井防治水決策的能力和水平具有極其重要的意義和實用價值。

1 系統(tǒng)概況

當(dāng)?shù)V井開采時,由于采動引起巖層產(chǎn)生大量的裂隙,導(dǎo)致各含水層水力相對平衡狀態(tài)被打破,進(jìn)而產(chǎn)生涌水。礦井一旦涌水,首要的工作是迅速準(zhǔn)確地判斷充水水源,以便采取相應(yīng)的措施進(jìn)行防治,減少和避免淹井等重大事故發(fā)生。

煤礦突水事故分析中,水化學(xué)方法是研究煤田各含水層地下水質(zhì)的主要方法之一,同時也是判別礦井突水水源的重要手段。長期以來,水質(zhì)判別是按表面特征定性判定的,其結(jié)論往往爭議較大,無法滿足現(xiàn)場技術(shù)決策的要求。隨著計算機技術(shù)的應(yīng)用和普及,建立水化學(xué)數(shù)據(jù)庫,開發(fā)配套的突水水源判別模式軟件,已成為煤礦生產(chǎn)單位的迫切需要,也是現(xiàn)代礦井地質(zhì)保障系統(tǒng)的一個重要組成部分。水的化學(xué)性質(zhì)及成分是一個較為復(fù)雜的系統(tǒng),綜合了水質(zhì)物理參數(shù)、化學(xué)離子組成、微量元素含量及其它特征(如穩(wěn)定同位素和放射性同位素等)。生產(chǎn)礦井中的涌水有多種形式,如井筒淋水、頂板出水、底板冒水、巷道裂隙噴水和掘進(jìn)巷道涌水等,這些水通常來自不同的含水層,必然具有不同的水化學(xué)特征。實踐證明:在水質(zhì)分析中對水中最基本的24項指標(biāo)做檢測是必要的,也是合理的。以此為基礎(chǔ),建立水化學(xué)數(shù)據(jù)庫,開發(fā)礦井突水多功能快速分析系統(tǒng),在技術(shù)上是可行的。

2 系統(tǒng)的研發(fā)

2.1 技術(shù)路線

為了圓滿實現(xiàn)該系統(tǒng)的研發(fā),解決實際生產(chǎn)問題,收集了大量的相關(guān)資料,采取了如下詳細(xì)的技術(shù)路線,見圖1。

圖1 技術(shù)路線圖

(1)通過對礦區(qū)相關(guān)資料的收集與整理,弄清區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造特征及水文地質(zhì)條件,掌握與課題有關(guān)的某些水文地質(zhì)化學(xué)背景值,了解含水層地層巖性及地下水賦存規(guī)律。

(2)查明礦區(qū)各主要突水含水層的地下水物理性質(zhì)(礦化度、p H值等)及水化學(xué)成分(Ca2+、K++Na+、M g2+、Cl-、SO42-、HCO3-)的分布特征,找出各層的特征離子。

(3)構(gòu)建水化學(xué)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫,實現(xiàn)水化學(xué)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫對水化學(xué)數(shù)據(jù)的錄入、修改、查詢與報表等功能。通過數(shù)據(jù)庫方式可有效地將研究區(qū)的歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行動態(tài)管理,以便對井下突水事件進(jìn)行分析與決策。

(4)依據(jù)水文地質(zhì)條件、富水性等基礎(chǔ)信息,以常規(guī)水化學(xué)數(shù)據(jù)為因子,建立突水水源判別模型。

(5)進(jìn)行系統(tǒng)各個功能模塊的編寫,實現(xiàn)其運行功能。

(6)實現(xiàn)突水水源判別系統(tǒng),并進(jìn)行測試、優(yōu)化和完善。

2.2 系統(tǒng)開發(fā)流程

按照系統(tǒng)開發(fā)思路,制定系統(tǒng)開發(fā)流程,見圖2。

圖2 系統(tǒng)開發(fā)流程

2.3 系統(tǒng)組織結(jié)構(gòu)

按照結(jié)構(gòu)化和模塊化的原則,將突水水源判別系統(tǒng)設(shè)計成多個相對獨立、功能單一的功能模塊。系統(tǒng)包括突水水源判別、水化學(xué)分析、空間信息管理、空間分析和數(shù)據(jù)管理5個主要的功能模塊,每個模塊下面又有若干子模塊,見圖3。

2.4 系統(tǒng)功能

在計算機軟、硬件的支持下,建立一個以煤礦井下突水水源快速判別為中心,以實現(xiàn)水質(zhì)數(shù)據(jù)的瀏覽、管理、查詢、統(tǒng)計和輸出主要功能,并結(jié)合各種數(shù)學(xué)方法和模型的水源判別模型,該系統(tǒng)提高了突水水源判別的效率,可以直接提供突水水源信息服務(wù)和輔助決策支持等功能。

圖3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3 系統(tǒng)的仿真應(yīng)用

結(jié)合馬蘭礦的地質(zhì)資料和收集的水文地質(zhì)資料,建立了馬蘭礦礦井突水水源快速判別信息輔助決策系統(tǒng)。

3.1 突水水樣類別的劃分和判別指標(biāo)的選取

根據(jù)含水介質(zhì)性質(zhì)特征,馬蘭井田可劃分為四大含水巖組、即松散巖類孔隙水含水巖組、碎屑巖類裂隙水含水巖組和碎屑巖類夾層間巖溶裂隙含水巖組,碳酸鹽巖類巖溶裂隙水含水巖組。

本次選取了K++Na+、Ca2+、M g2+、HCO3-、SO42-及Cl-等化學(xué)指標(biāo)的毫克當(dāng)量為影響因素,根據(jù)現(xiàn)有水樣資料,選取礦區(qū)內(nèi)水質(zhì)數(shù)據(jù)作為水源判別的源數(shù)據(jù)。這些被選取的水樣能較好地反映采樣點處地下水水文地球化學(xué)特征,是采樣點處的典型水樣。將資料錄入系統(tǒng)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫中,分別采用模糊綜合評判法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、灰色關(guān)聯(lián)法、模糊識別法和聚類分析法建模。

在馬蘭礦區(qū)選取21個水樣作為源數(shù)據(jù)中突水水源判別的背景值。其中奧灰水水樣8個,頂板灰?guī)r水樣7個,第四系水樣4個,頂板裂隙砂巖水樣2個。

3.2 數(shù)學(xué)模型判別的結(jié)果

根據(jù)上述數(shù)學(xué)模型,用VB6.0開發(fā)了“馬蘭礦區(qū)礦井突水水源快速判別信息輔助決策系統(tǒng)”。該系統(tǒng)根據(jù)各種數(shù)學(xué)模型的原理進(jìn)行了建模。為驗證模型的可靠性,本系統(tǒng)實現(xiàn)了生成水質(zhì)報告功能,即將標(biāo)準(zhǔn)水樣中的每一個水樣作為待測水樣,用各個數(shù)學(xué)方法進(jìn)行回代試驗,試驗結(jié)果比較理想。試驗結(jié)果見表1。

通過上表可以看出在馬蘭礦突水水源判別中,模糊綜合評判和聚類分析的效果較好些,可以利用以上模型對馬蘭礦未知水樣進(jìn)行識別。

模型建立成功之后,嘗試將該系統(tǒng)應(yīng)用于井田內(nèi)18306工作面的涌水水源判別。選取1個2009年2月6日18306工作面一突水點作為涌水水源水樣(水質(zhì)分析報告見表2),進(jìn)行快速判別。所得判別結(jié)果見表3。

表1 數(shù)學(xué)模型判別正確率結(jié)果

表2 水質(zhì)分析報告

表3 突水水源判別結(jié)果

可以看到幾種方法判別效果比較理想。可以利用該系統(tǒng)對馬蘭礦的突水水源進(jìn)行快速判別。

4 結(jié)論

(1)在計算機的支持下,建立突水水源快速判別系統(tǒng),為煤礦的安全生產(chǎn)提供了保障和支持。

(2)利用水化學(xué)數(shù)據(jù)判別礦井突水水源,具有簡便、快速、經(jīng)濟的特點,是常規(guī)水文地質(zhì)調(diào)查和分析的重要補充。

(3)通過大量試驗證明,馬蘭礦礦井突水水源快速判別信息輔助決策系統(tǒng)能夠快速、準(zhǔn)確地確定礦井突水水源,極大地提高了礦井開采過程中的經(jīng)濟效益以及安全經(jīng)濟效益,具有良好的安全可靠性及方便的可操作性。該項技術(shù)的成功運用必將大幅減少煤礦水害事故的發(fā)生。對于其它類似條件的煤礦,該系統(tǒng)提供了一條有益的思路。

Application of information-aided decision system for source of m ine water inrush rapid determination to Malan Coal Mine

Xue Daocheng
(Xishan Coal Electricity Group Co.,Ltd.,Shanxi Coking Coal Group Co.,Ltd.,Taiyuan,Shanxi 030053,China)

The information-aided decision system for rapid determination of source of mine water inrush was introduced.The system was set up for Malan Coal Mine based on the geological information and hydrological data.In order to verify the reliability of the system,the standard water sample was taken as the test sample,and the five mathematical techniques were used for backtracking test including fuzzy comprehensive evaluation,grey correlation method,fuzzy recognition method,neural network method,and clustering analysis.The results showed that fuzzy comprehensive evaluation and clustering analysis could bring out the satisfied results,so they were used to analyze the unknown water samples from Malan Coal Mine.

mine water disaster,water inrush accident,information-aided decision system for water source rapid determination,Malan Coal Mine

TD745

B

薛道成(1962-),男,1981年畢業(yè)于大同煤校綜采專業(yè),高級工程師,長期從事采煤、掘進(jìn)的技術(shù)管理工作,現(xiàn)任山西焦煤西山煤電集團(tuán)公司總經(jīng)理。

(責(zé)任編輯 梁子榮)