彭慧芳，魏久傳，尹會永，高樹林，吳樹磊

(1.山東科技大學地質(zhì)科學與工程學院，山東青島266590;2.棗莊礦業(yè)集團新安煤業(yè)有限公司，山東棗莊277642;3.山東新巨龍能源有限責任公司，山東菏澤274910)

目前煤層底板突水危險性評價的理論和方法主要包括突水系數(shù)法、“下三帶”理論、原位張裂與零位破壞理論、板模型理論、關鍵層理論、“四帶”劃分理論、神經(jīng)網(wǎng)絡法、多元信息融合法、脆弱性指數(shù)法等［1－6］，但很少是對突水影響因素進行定量評價。本文以新安煤礦16煤開采為例，在綜合考慮含水層富水性、承壓水頭壓力、地質(zhì)構(gòu)造、隔水巖層厚度、采動礦壓等因素的基礎上，采用主成分分析法對底板突水因素進行定量評價，并對底板奧灰突水危險性進行分區(qū)預測，對奧灰水防治具有一定的指導意義。

1 井田水文地質(zhì)概況

井田為隱蔽式石炭二疊系井田。在第四系之下，由老至新發(fā)育著奧陶系下、中統(tǒng)，石炭系中統(tǒng)本溪組、石炭系上統(tǒng)太原組，二疊系下統(tǒng)山西組和石盒子組及侏羅系中、上統(tǒng)三臺組。含煤地層為石炭系上統(tǒng)太原組和二疊系下統(tǒng)山西組。礦井主要可采煤層有山西組的3(3上)、3下煤層，太原組的12中，12下，14，16煤層。

新安煤礦位于滕縣煤田 (北部)的西南部，鄰近張坡斷層。礦井位于滕縣背斜的北翼及北羊莊向斜的南翼，基本為一傾向北西的單斜構(gòu)造。井田內(nèi)部構(gòu)造比較發(fā)育，以中、新生代斷裂為主，并伴有較多的次一級褶皺。斷裂的方向性明顯，主要有NE向和近SN向兩組正斷層，常成地塹、地壘和階梯狀的組合形式。井田內(nèi)早期褶曲為NE走向，并伴有NE向逆斷層，后來受燕山晚期構(gòu)造運動影響，后期SN向斷裂對前期NE向構(gòu)造進行改造將其復合、錯斷，同時產(chǎn)生了少量NW向斷層。

井田內(nèi)主要含水層為第四系砂層、上侏羅統(tǒng)砂礫巖含水層、山西組3煤頂?shù)装迳皫r含水層，太原組三灰、五灰、八灰、九灰、十下灰含水層，本溪組十四灰含水層，奧陶系石灰?guī)r含水層。

2 16煤層底板突水影響因素分析

通過分析，影響16煤層底板突水的主要因素有含水層的富水性、地質(zhì)構(gòu)造、水壓、煤層底板隔水層厚度及采動壓力。

2.1 巖溶含水層富水性

一般用含水層單位涌水量來表示含水層富水性強弱。本礦井由于缺少漏失量及抽水試驗成果資料，因此主要根據(jù)奧灰鉆孔的巖芯特征確定奧灰的富水性。富水性取值1～3。裂隙、巖溶發(fā)育、巖芯破碎時，富水性取3;裂隙較發(fā)育、巖芯較破碎時，富水性取2;巖芯較完整時，富水性取1。巖溶含水層富水性分布圖見圖1。

圖1 富水性分布圖

2.2 地質(zhì)構(gòu)造

褶皺軸部和斷層是底板突水的薄弱地帶，尤其是斷層，宜成為突水通道。斷層的復雜程度用斷層的盒維數(shù)來表示。全井田內(nèi)構(gòu)造的盒維數(shù)在0.7～1.6之間，盒維數(shù)等值線圖見圖2。由圖2看出，礦井中部構(gòu)造較復雜，盒維數(shù)在1.3～1.6之間;礦井南部、北部構(gòu)造簡單，盒維數(shù)小于1。構(gòu)造越復雜的地段，盒維數(shù)越大，突水的可能性就越大。

圖2 盒維數(shù)等值線

2.3 水壓力

水壓與礦壓的共同作用會引起煤層底板隔水層的破壞，從而使部分隔水層失去阻水作用，在水壓的作用下，承壓水涌入礦井而形成突水。本次計算主要考慮含水層的靜水壓力，奧灰水壓主要介于0.07～7.42MPa之間。由圖3可看出，16煤受奧灰水壓的影響程度整體上由東南向西北逐漸增大。

圖3 奧灰水壓等值線

2.4 隔水巖層厚度

通過對新安煤礦鉆孔資料的統(tǒng)計，繪制了隔水層厚度等值線圖，見圖4。由圖4可以看出，16煤至奧灰隔水層厚度主要表現(xiàn)為南部較大，中部、西北部較小的特點。隔水層厚度越大，突水的可能性越小。16煤至奧灰隔水層厚度介于41.97～73.30m，平均53.85m。位于井田南部的鉆孔57－1隔水層厚度最大，可達73.30m。位于井田中部的鉆孔49－4隔水層厚度最小，為41.97m。

圖4 隔水層厚度等值線

2.5 采動礦壓

礦壓主要是在隔水層上部形成礦壓破壞帶，從而影響隔水層的有效厚度，為發(fā)生突水創(chuàng)造條件。采動礦壓用采動破壞帶深度表示，采用《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規(guī)程》中的公式來計算采動破壞帶深度。底板破壞深度等值線圖見圖5。

3 主成分分析法簡介

主成分分析法是一種簡化數(shù)據(jù)集的技術，旨在利用降維的思想，將原始變量重新組合轉(zhuǎn)化為少數(shù)幾個綜合指標即主成分。其中每個主成分之間互不相關，且每個主成分都是原始變量的線形組合。

主成分分析法的數(shù)學模型如下［7］:

圖5 底板破壞深度等值線

式中 a1i，a2i，…，api(i=1，…，m )為X的協(xié)方差陣特征值對應的特征向量;X1，X2，…，Xp是原始數(shù)據(jù)經(jīng)過標準化處理的值。

本文主要利用SPSS軟件進行主成分分析，自動生成因子載荷陣B，從而得到主成分得分系數(shù)矩陣 (BTB－1·BT，矩陣各點即為 (1) 式中的 a1i，a2i，…，api(i=1，…，n，n ≤m )。按照特征根大于1，或累計貢獻率大于85%的原則選取m個主成分，確定得分系數(shù)。因子i在m個主成分中的系數(shù)與各主成分方差貢獻率之積求和，取絕對值得到該因子的權重［8］，數(shù)學表達式如下:

式中 gq為 q主成分的方差的貢獻率，aqi(q=1，2，…m )為i因子在q主成分中的系數(shù);Wi為i因子權重。

對m項因子權重進行歸一化處理得到各因子的權重向量W。

4 底板突水影響因素的定量評價

含水層富水性是底板突水的基礎因素，也是發(fā)生底板突水的前提條件。本礦井由于缺少漏失量及抽水試驗成果資料，因此根據(jù)華北型煤田眾多突水資料、專家經(jīng)驗和新安煤礦的實際生產(chǎn)情況，確定富水性的權重為0.5。其他4個突水影響因素 (構(gòu)造、水壓力、隔水層厚度、采動礦壓)的權重通過主成分分析法確定。

采用SPSS軟件對影響16煤開采底板奧灰突水的構(gòu)造、水壓力、隔水層厚度、采動礦壓等4個因素進行主成分分析，結(jié)果見表1。

根據(jù)主成分分析法的原理，按照特征根大于1，或累計貢獻率大于85%的原則選取m個主成分，確定得分系數(shù)。由表1可知，4個主成分中F1，F(xiàn)2的特征根均大于1且累計貢獻率為85.3%，故選取主成分F1，F(xiàn)2。運用SPSS軟件運算得到主成分F1，F(xiàn)2的得分系數(shù)矩陣，見表2。［0.5，0.042，0.221，0.020，0.217］由評價結(jié)果可知:新安煤礦16煤開采時奧灰底板突水影響因素的重要性次序為:含水層富水性＞含水層水壓＞采動礦壓＞地質(zhì)構(gòu)造＞隔水層厚度。

表1 總方差解釋

表2 主成分得分系數(shù)矩陣

5 底板突水危險性的定量預測

5.1 數(shù)據(jù)標準化

由于各個影響因素的量綱不同，不利于進行評判，因此，需要對各個影響因素進行標準化處理。本次評價利用極差標準化法，根據(jù)公式 (3)將數(shù)據(jù)歸一到 ［0.1，0.9］之間。

同理可得:W水壓力=0.325，W隔水層厚度=0.029，W采動礦壓=0.320

對上述因子進行歸一化處理，得到權重向量:W=

由表2及公式 (1)得到主成分的表達式:

由公式 (2)可得各因子的權重:

式中，Ai為標準化處理后的數(shù)據(jù);a，b分別為歸一化范圍的下限和上限，此處分別取0.1和0.9;min(xi)，max(xi)分別為各影響因素量化值的最小值和最大值。

5.2 建立突水模型

突水模型包含影響突水的各個主要因素，每個因素在模型中實質(zhì)上就是一個變量。本次研究通過將標準化數(shù)據(jù)與主成分分析法確定的權重進行加權求和來建立突水模型。運算所得數(shù)據(jù)值即為突水指數(shù)。突水指數(shù)越大，突水的可能性就越大。根據(jù)突水指數(shù)的大小選取適當?shù)拈撝?，把礦區(qū)分為安全區(qū)、較危險區(qū)及危險區(qū)。

本次綜合考慮富水性、構(gòu)造、水壓力、隔水層厚度、采動礦壓等因素，構(gòu)建了底板突水危險性模型，見公式 (4)。

式中，D為突水指數(shù);K為富水性指數(shù)標準化值;F為盒維數(shù)標準化值;P為水壓力標準化值;M為隔水層厚度;h為底板破壞深度。將標準化后各值代入式 (4)，計算得到突水指數(shù)D。

5.3 16煤層底板突水危險性評價分區(qū)

根據(jù)突水模型，結(jié)合礦井實際水文地質(zhì)資料，對16煤開采時奧灰突水危險性進行分區(qū)。突水指數(shù)的范圍在0.11～0.89之間。突水指數(shù)小于0.45時為突水安全區(qū)，突水指數(shù)介于0.45～0.65時為突水較危險區(qū)，突水指數(shù)大于0.65時為危險區(qū)。據(jù)此繪制了16煤底板突水危險性分區(qū)圖，見圖6。

圖6 16煤底板突水危險性分區(qū)

由圖6可以看出:井田西北部區(qū)域處在突水危險區(qū)范圍內(nèi);井田中部為突水較危險區(qū);井田東部為安全區(qū)。

6 結(jié)論

(1)在綜合考慮含水層富水性、地質(zhì)構(gòu)造、承壓水頭壓力、隔水巖層厚度、采動礦壓等因素的基礎上，采用主成分分析法對各突水影響因素進行了定量評價，建立了煤層底板突水模型。

(2)根據(jù)突水模型及礦井實際水文地質(zhì)資料，對16煤開采時奧灰突水危險性進行分區(qū)。

(3)煤層底板突水危險性評價分區(qū)結(jié)果，對于指導16煤的安全開采，制定水害防治措施提供了依據(jù)。

［1］施龍青，韓 進.底板突水機理及預測預報［M］.徐州:中國礦業(yè)大學出版社，2004.

［2］張心彬，程久龍，李 麗，等.多源信息融合技術在礦井奧灰突水預測中的應用［J］.測繪科學，2006，31(6).

［3］廖 巍，周榮義，李樹清.基于小波神經(jīng)網(wǎng)絡的煤層底板突水非線性預測方法研究 ［J］.中國安全科學學報，2006，16(11):24－28.

［4］武 強，張志龍，張生元，等.煤層底板突水評價的新型實用方法Ⅱ:脆弱性指數(shù)法［J］.煤炭學報，2007，32(11).

［5］于小鴿，施龍青，魏久傳，等.采場底板“四帶”劃分理論在底板突水評價中的應用［J］.山東科技大學學報 (自然科學版)，2006，25(4):14－17.

［6］尹會永，魏久傳，李子林，等.潘西煤礦斷裂構(gòu)造突水機制探討［J］.山東科技大學學報 (自然科學版)，2007，26(4):30－33.

［7］陳書琴，許秋瑾.主成分分析賦權及其在水質(zhì)評價灰色模型中的應用 ［J］.昆明理工大學學報 (理工版)，2008，33(2):77－80.

［8］李娜娜，施龍青，李忠建，等.主成分分析法在底板突水影響因素評價中的應用［J］.煤礦開采，2011，16(2).