武 強(qiáng)邊 凱李飛飛錢增江馮 玉劉金國(guó)劉 伯

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)地球科學(xué)與測(cè)繪工程學(xué)院,北京市海淀區(qū),100083; 2.開灤(集團(tuán))有限責(zé)任公司,河北省唐山市,063018)

基于不同無量綱方法的煤層底板突水主控指標(biāo)研究?

武 強(qiáng)1邊 凱1李飛飛1錢增江2馮 玉2劉金國(guó)2劉 伯2

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)地球科學(xué)與測(cè)繪工程學(xué)院,北京市海淀區(qū),100083; 2.開灤(集團(tuán))有限責(zé)任公司,河北省唐山市,063018)

針對(duì)不同的煤層底板突水主控指標(biāo)無量綱化方法會(huì)得到具有一定差異的突水危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)結(jié)果,對(duì)各種常見的指標(biāo)無量綱化處理方法進(jìn)行了整理和歸類。以開灤礦區(qū)趙各莊礦最深水平煤層底板突水主控指標(biāo)數(shù)據(jù)為例,根據(jù)各個(gè)指標(biāo)值的屬性特點(diǎn),應(yīng)用不同的無量綱化方法得到了不同的煤層底板突水危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)結(jié)果,對(duì)各無量綱化處理結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析。結(jié)果表明,不同無量綱化方法對(duì)綜合評(píng)價(jià)結(jié)果的總體趨勢(shì)一致,局部區(qū)域存在差異。最后,以Spearman等級(jí)相關(guān)系數(shù)進(jìn)行無量綱化方法的優(yōu)選,對(duì)比分析得出平均化處理方法更加科學(xué)合理。

煤層底板突水 脆弱性評(píng)價(jià) 主控指標(biāo) 無量綱化

1 概述

近幾年來,隨著煤礦開采深度的不斷增加,“三高”(高水壓、高礦壓、高地溫)問題嚴(yán)重威脅著深部煤炭資源的安全開采。因此,如何科學(xué)合理的對(duì)煤層底板突水危險(xiǎn)性進(jìn)行評(píng)價(jià),將對(duì)防治水害事故,實(shí)現(xiàn)深部煤層的安全開采具有重要指導(dǎo)意義。

近年來,我國(guó)眾多學(xué)者在研究煤層底板突水評(píng)價(jià)方法研究上取得了重大進(jìn)展,其中主要有突水系數(shù)法、“下三帶”理論、關(guān)鍵層理論、巖－水應(yīng)力關(guān)系法以及脆弱性指數(shù)法等。20世紀(jì)90年代末,中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)在考慮煤層底板突水眾多主控因素相互復(fù)雜作用關(guān)系和相對(duì)權(quán)重比例,提出了基于GIS的多元信息融合的脆弱性指數(shù)法,該方法能夠反映煤層底板突水在各個(gè)主控因素的綜合影響下的復(fù)雜非線性突水過程機(jī)理,很好地解決了煤層底板突水預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)難題。和其它評(píng)價(jià)方法一樣,脆弱性指數(shù)法在煤層底板突水評(píng)價(jià)應(yīng)用過程中處于不斷發(fā)展完善階段。在基于變權(quán)理論的煤層底板突水脆弱性評(píng)價(jià)中,應(yīng)用變權(quán)分區(qū)模型能很好地解決傳統(tǒng)常權(quán)評(píng)價(jià)模型存在的單一主控指標(biāo)因素在研究區(qū)因水文地質(zhì)條件變化引起其指標(biāo)值突變對(duì)煤層底板突水的控制和影響特征,解決了煤層底板突水脆弱性評(píng)價(jià)預(yù)測(cè)中的一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)難題。

煤層底板突水脆弱性評(píng)價(jià)模型是一個(gè)多指標(biāo)、分層次的綜合評(píng)價(jià)模型,在煤層底板突水脆弱性評(píng)價(jià)過程中,評(píng)價(jià)結(jié)果的準(zhǔn)確性不僅取決于評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重的合理選取,也取決于評(píng)價(jià)指標(biāo)無量綱化方法選取的合理性與科學(xué)性。目前,在對(duì)煤層底板突水相關(guān)評(píng)價(jià)方法上,無論是傳統(tǒng)常權(quán)分區(qū)評(píng)價(jià)模型還是改進(jìn)之后的變權(quán)分區(qū)評(píng)價(jià)模型在對(duì)各主控指標(biāo)值無量綱化處理上都是采用單一的選取指標(biāo)值數(shù)據(jù)歸一化的處理方法,即在評(píng)價(jià)過程中不考慮評(píng)價(jià)指標(biāo)值的屬性特點(diǎn)和取值范圍,均將歸一化區(qū)間設(shè)置為[0,1]的值,這一方法顯然不太合理。此外,歸一化公式的分母僅與原始指標(biāo)的最大值和最小值有關(guān),這就造成當(dāng)指標(biāo)值的最大值與最小值之差很大時(shí),得到的評(píng)價(jià)值就會(huì)過小,相當(dāng)于變相降低了指標(biāo)的重要性;反之亦然,這將會(huì)影響到最終綜合評(píng)價(jià)結(jié)果的準(zhǔn)確性。

因此,本次研究以開灤礦區(qū)趙各莊礦最深水平為例,在對(duì)其煤層底板脆弱性評(píng)價(jià)方法上,不僅要考慮傳統(tǒng)常權(quán)分區(qū)評(píng)價(jià)模型中權(quán)重不變對(duì)綜合評(píng)價(jià)結(jié)果準(zhǔn)確性的影響,也要選用多種無量綱方法對(duì)指標(biāo)值進(jìn)行量化處理,然后在綜合評(píng)價(jià)過程中根據(jù)評(píng)價(jià)對(duì)象的屬性特點(diǎn)和評(píng)價(jià)模型的需要對(duì)無量綱方法進(jìn)行比較和優(yōu)選,選取一種適合評(píng)價(jià)模型的無量綱方法,最后應(yīng)用到評(píng)價(jià)模型中,從而使得評(píng)價(jià)結(jié)果更加科學(xué)合理。

2 研究區(qū)概況

開灤趙各莊礦十四水平為開平煤田的最深開采水平,埋藏深度已經(jīng)達(dá)到1254 m,是全國(guó)典型的最深開采礦井之一,礦井水文地質(zhì)屬極復(fù)雜類型。隨著開采水平加深,煤層底板水壓增大、圍巖壓力增大、構(gòu)造變化等諸多地質(zhì)環(huán)境的變化,煤層底板突水幾率也隨之增加。

趙各莊礦十三水平在東翼1石門開采過程中,大巷曾發(fā)生嚴(yán)重底鼓,并伴有頂部淋水和底部滲水現(xiàn)象,被迫停產(chǎn),進(jìn)行注漿封堵、加固。雖未發(fā)生水害事故,但為下一步的防治水工作敲響了警鐘。目前,十四水平的井底車場(chǎng)已基本完工,東西翼正在施工大巷。因此,對(duì)十四水平煤層底板突水危險(xiǎn)性進(jìn)行預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)對(duì)礦井的安全生產(chǎn)具有重要的指導(dǎo)作用。

3 煤層底板突水主控指標(biāo)及其無量綱化

3.1 煤層底板突水主控指標(biāo)的確定

根據(jù)開灤趙各莊礦實(shí)際水文地質(zhì)勘探資料以及影響突水的各個(gè)因素進(jìn)行分析,選取奧陶系灰?guī)r含水層水壓、奧陶系灰?guī)r含水層富水性、底板隔水層有效厚度、奧灰頂部古風(fēng)化殼厚度、斷層與褶皺分布、斷層交點(diǎn)和端點(diǎn)的分布、斷層規(guī)模指數(shù)7個(gè)指標(biāo)作為影響煤層底板奧灰含水層突水的主控指標(biāo)。

3.2 各主控指標(biāo)專題圖的建立

煤層底板突水主控指標(biāo)的單因素專題圖是綜合評(píng)價(jià)結(jié)果的基礎(chǔ)。根據(jù)開灤趙各莊礦收集的大量地質(zhì)與水文地質(zhì)勘探資料,將評(píng)價(jià)區(qū)12－2＃煤層底板突水主控因素原始數(shù)據(jù)生成數(shù)據(jù)庫(kù),進(jìn)行插值計(jì)算處理,建立各主控因素專題圖,如圖1所示。

3.3 主控指標(biāo)的無量綱化處理

3.3.1 煤層底板突水主控指標(biāo)的一致化處理

在多指標(biāo)綜合評(píng)價(jià)中,各個(gè)指標(biāo)都具有各自不同的屬性,根據(jù)指標(biāo)性質(zhì)及表現(xiàn)形式的不同,綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)可分為正向指標(biāo)、逆向指標(biāo)和適度指標(biāo)3種類型。其中,正向指標(biāo)與綜合評(píng)價(jià)結(jié)果呈正相關(guān)性,逆向指標(biāo)與其呈負(fù)相關(guān)性,適度指標(biāo)與綜合評(píng)價(jià)結(jié)果的相關(guān)性不明確。因此在綜合評(píng)價(jià)過程中,逆向指標(biāo)和適度指標(biāo)需進(jìn)行預(yù)處理,即指標(biāo)的一致化處理。

開灤趙各莊礦十四水平評(píng)價(jià)區(qū)12－2＃煤層底板突水脆弱性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系中,從指標(biāo)性質(zhì)來分析,奧陶系灰?guī)r含水層水壓、奧陶系灰?guī)r含水層富水性、斷層和褶皺分布、斷層交點(diǎn)和端點(diǎn)的分布、斷層規(guī)模指數(shù)5個(gè)指標(biāo)屬于正向指標(biāo),其與煤層底板突水呈正相關(guān)性,即指標(biāo)值越大對(duì)煤層底板突水促進(jìn)作用越大;隔水層有效厚度和古風(fēng)化殼厚度屬于逆向指標(biāo),其指標(biāo)值越大對(duì)煤層底板突水阻礙作用越大。因此在對(duì)各主控指標(biāo)值進(jìn)行無量綱化處理時(shí),首先要對(duì)隔水層有效厚度和古風(fēng)化殼厚度這兩個(gè)逆向指標(biāo)按式(1)進(jìn)行指標(biāo)的正向化處理。

圖1 底板突水各主控因素專題圖

式中:Xij——原始指標(biāo)值;

Yij——正向化指標(biāo)值。

3.3.2 煤層底板突水主控指標(biāo)的無量綱化處理

本次研究中主要選取極差法(式2)、比重法(式3)、極小化法(式4)、平均化法(式5)4種無量綱化方法對(duì)各一致化處理后的突水主控指標(biāo)進(jìn)行無量綱化處理:

(1)極差法:

(2)比重法:

(3)極小化:

(4)平均化:

式中:xij——第i個(gè)對(duì)象的第j個(gè)指標(biāo)的實(shí)際值;

yij——第i個(gè)對(duì)象的第j個(gè)指標(biāo)的無量化值。

4 基于多種無量綱化方法的煤層底板突水危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)

4.1 構(gòu)建層次結(jié)構(gòu)模型

根據(jù)對(duì)影響趙各莊礦12－2＃煤層底板突水的主要控制因素的分析,將研究對(duì)象劃分為3個(gè)層次。層次結(jié)構(gòu)模型如圖2所示。

圖2 底板突水脆弱性評(píng)價(jià)層次分析結(jié)構(gòu)模型

4.2 構(gòu)建判斷矩陣

根據(jù)對(duì)影響趙各莊礦12－2＃煤層底板突水因素的分析,采用專家打分法以及現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)對(duì)各影響指標(biāo)進(jìn)行評(píng)分。在底板突水脆弱性評(píng)價(jià)(A)這一目標(biāo)下,構(gòu)造各準(zhǔn)則層的相對(duì)重要性的兩兩比較判斷矩陣(B)和(C),進(jìn)而進(jìn)行層次分析及一致性檢驗(yàn)。表1為層次總排序表,經(jīng)過計(jì)算,判斷矩陣均可以滿足一致性檢驗(yàn)。

表1 層次總排序表

4.3 專題圖的復(fù)合疊加

在進(jìn)行多因素?cái)M和分析之前,首先必須進(jìn)行復(fù)合疊加處理,把各個(gè)有關(guān)因素的信息存儲(chǔ)層復(fù)合成一個(gè)信息存儲(chǔ)層,使所生成的信息存儲(chǔ)層中包含所有相關(guān)因素的信息。這里復(fù)合疊加處理實(shí)質(zhì)上就是把各單因素消除量綱后的無量綱化專題圖配準(zhǔn)合成一個(gè)新的圖形并重建拓?fù)湫纬尚碌耐負(fù)潢P(guān)系屬性表。

4.4 脆弱性評(píng)價(jià)模型的建立

引入脆弱性指數(shù)VI(Vulnerability Index)的初始模型來對(duì)煤層底板突水脆弱性進(jìn)行評(píng)價(jià)。脆弱性指數(shù)定義為某一地區(qū)的某一地段的某一柵格位置上的各種影響因素對(duì)其產(chǎn)生的疊加影響總和。脆弱性指數(shù)可用以下模型式表示:

式中:VI——脆弱性指數(shù);

Wk——影響因素權(quán)重;

fk(x,y)——單因素影響值函數(shù);

n——影響因素的個(gè)數(shù)。

由表1和式(6)可以得出趙各莊礦12－2＃煤層底板奧陶系灰?guī)r含水層突水脆弱性評(píng)價(jià)模型:

4.5 不同無量綱化處理下煤層底板突水脆弱性評(píng)價(jià)分區(qū)

通過自然分級(jí)法對(duì)煤層底板脆弱性指數(shù)進(jìn)行處理,可以得到在各無量綱方法處理下的煤層底板突水脆弱性分級(jí)最佳的五級(jí)分級(jí)結(jié)果(相對(duì)安全區(qū)、較安全區(qū)、過渡區(qū)、較脆弱區(qū)、脆弱區(qū))。不同無量化方法處理下12－2＃煤層底板突水脆弱性評(píng)價(jià)分區(qū)情況如圖3所示。脆弱性指數(shù)值越大,突水的可能性越大。

4.6 不同無量綱化處理下煤層底板評(píng)價(jià)結(jié)果對(duì)比分析

在常權(quán)分區(qū)評(píng)價(jià)模型中,由于選取的指標(biāo)體系和各個(gè)指標(biāo)值的權(quán)重是固定不變的,因此,綜合評(píng)價(jià)結(jié)果的差異性就表現(xiàn)在對(duì)指標(biāo)值選取的無量化方法的不同上。由圖3可以看出,整體上4種無量綱化處理對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果的總體趨勢(shì)是一致的,局部區(qū)域有差異。研究區(qū)西翼由東Ⅲ斷層往西其底板突水脆弱性均表現(xiàn)為逐漸加強(qiáng)的趨勢(shì),東翼由Ⅷ斷層往東其突水危險(xiǎn)性均表現(xiàn)為逐漸增強(qiáng)的趨勢(shì);在構(gòu)造影響區(qū)域突水危險(xiǎn)性均較強(qiáng)。局部差異性主要表現(xiàn)在極差化處理得到的綜合評(píng)價(jià)結(jié)果在研究區(qū)東翼的2號(hào)石門以東區(qū)域,東Ⅲ斷層與東Ⅷ斷層之間構(gòu)造影響區(qū)域以及西翼最西端均表現(xiàn)為較脆弱區(qū),而其他3種無量化處理的結(jié)果表現(xiàn)為過渡區(qū)或較安全區(qū);比重法、極小化和平均化處理得到的綜合評(píng)價(jià)結(jié)果更加能夠凸顯構(gòu)造對(duì)評(píng)價(jià)分區(qū)的影響,主要變現(xiàn)為構(gòu)造處突水危險(xiǎn)性最大,以斷層為中心向兩邊突水危險(xiǎn)性減弱;通過對(duì)上述4種評(píng)價(jià)分區(qū)圖效果的對(duì)比分析可以看出,比重法、極小化和平均化3種無量綱化處理方法得到的評(píng)價(jià)分區(qū)圖效果整體一致性最好,極差化較差。

圖3 不同無量化方法處理下12－2＃煤層底板突水脆弱性評(píng)價(jià)分區(qū)圖

5 無量綱方法的比較與優(yōu)選

在本次評(píng)價(jià)過程中,由于采用了相同的指標(biāo)評(píng)價(jià)體系以及常權(quán)分區(qū)評(píng)價(jià)模型,因此,綜合評(píng)價(jià)結(jié)果的差異性就排除了評(píng)價(jià)指標(biāo)和權(quán)重差異性的影響,其評(píng)價(jià)結(jié)果的差異性僅變現(xiàn)在無量綱方法選擇上的不同。

在多指標(biāo)綜合評(píng)價(jià)中,由于選用不同的無量綱化方法會(huì)產(chǎn)生不同的評(píng)價(jià)值,從而得到相應(yīng)的等級(jí)排序。由于每種無量綱方法得出的結(jié)論往往有偏差,任何一種無量綱化方法得出的等級(jí)排序,其結(jié)果都難以使人信服。鑒于此,本次評(píng)價(jià)研究采用斯皮爾曼(Spearman)等級(jí)相關(guān)系數(shù)(簡(jiǎn)稱等級(jí)相關(guān)系數(shù),用rs表示)對(duì)各個(gè)無量綱方法進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)所得到的脆弱性指數(shù)值的等級(jí)排序與合理等級(jí)排序進(jìn)行相關(guān)性分析,以此進(jìn)行無量化方法的優(yōu)選。

設(shè)對(duì)某一綜合評(píng)價(jià)的兩種排序(排序結(jié)果為由好到壞)分布為X和Y。X的等級(jí)排序?yàn)閄＝{X1,X2,…,Xn},Y的等級(jí)排序?yàn)閅＝{Y1,Y2,…,Yn},n為評(píng)價(jià)對(duì)象的總數(shù)。X和Y的等級(jí)相關(guān)系數(shù)為:

當(dāng)rs＞0,則認(rèn)為X與Y正相關(guān),rs越大表示正相關(guān)程度越高;當(dāng)rs＜0,則認(rèn)為X與Y負(fù)相關(guān),rs越小表示正相關(guān)程度越不高;當(dāng)X與Y存在完全的線性相關(guān)關(guān)系;當(dāng)rs＝0,可以認(rèn)為X與Y不相關(guān)。

各種無量綱方法得到的綜合評(píng)價(jià)的排序結(jié)果與合理排序都有著極高的相關(guān)性,其中平均化等級(jí)排序與合理排序的相關(guān)性最高,相關(guān)系數(shù)為0.998,其次是極小化處理方法得到的排序結(jié)果與合理排序的相關(guān)系數(shù)為0.996,接下來是比重法等級(jí)排序與合理排序的相關(guān)系數(shù)為0.981,而極差化處理方法得到的排序結(jié)果和合理排序的相關(guān)系數(shù)為0.979,相關(guān)性相對(duì)較低。相關(guān)性越高說明此無量綱方法得到的綜合評(píng)價(jià)結(jié)果越好,因此,可以得出結(jié)論,平均化處理得到的綜合評(píng)價(jià)結(jié)果最好。

6 結(jié)論

(1)綜合分析了影響開灤趙各莊礦最深水平12－2＃煤層首采區(qū)底板突水的主控因素,確定了影響評(píng)價(jià)區(qū)煤層底板奧灰含水層的主控因素,根據(jù)各個(gè)指標(biāo)值的屬性特點(diǎn),采用多種無量綱化方法對(duì)各個(gè)指標(biāo)值進(jìn)行量化,結(jié)果表明,不同的無量綱化處理方法會(huì)得到不同的綜合評(píng)價(jià)結(jié)果。

(2)將已量化的各指標(biāo)值應(yīng)用于常權(quán)分區(qū)模型對(duì)評(píng)價(jià)區(qū)煤層進(jìn)行脆弱性評(píng)價(jià),反映出不同無量綱化方法對(duì)綜合評(píng)價(jià)結(jié)果的影響,通過對(duì)不同無量綱化處理方法的煤層底板突水脆弱性綜合分區(qū)結(jié)果的對(duì)比分析,結(jié)果表明,整體上看4種無量綱化處理對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果的總體趨勢(shì)是一致的,局部區(qū)域有差異;比重法、極小化和平均化3種無量綱化處理方法得到的評(píng)價(jià)分區(qū)圖效果整體一致性最好,極差化較差。

(3)對(duì)基于無量綱化與常權(quán)分區(qū)模型的綜合評(píng)價(jià)結(jié)果應(yīng)用Spearman等級(jí)相關(guān)系數(shù)進(jìn)行無量綱化方法對(duì)比優(yōu)選,從而得到一種最適合評(píng)價(jià)模型的無量綱化處理方法,結(jié)果表明,4種無量綱化方法得到的綜合評(píng)價(jià)的排序結(jié)果與合理排序都有著極高的相關(guān)性,其中平均化等級(jí)排序與合理排序的相關(guān)性最高,相關(guān)系數(shù)為0.998,因此,可以得出結(jié)論,平均化處理得到的綜合評(píng)價(jià)結(jié)果最好。

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Research on a major index of water inrush from coal seam floor based on different dimensionless methods

Wu Qiang1,Bian Kai1,Li Feifei1,Qian Zengjiang2,Feng Yu2,Liu Jinguo2,Liu Bo2
(1．College of Geoscience and Surveying Engineering,China University of Mining and Technology, Beijing,Haidian,Beijing 100083,China; 2．Kailuan Group Co．,Ltd．,Tangshan,Hebei 063018,China)

In view of the different assessments of a major index of water inrush from coal seam floor obtained by different nondimensionalization methods,the common methods were summarized and classified．The major index of water inrush from the deepest level of coal seam floor in Zhaogezhuang coal mine in Kailuan mining area being taken as an example,the different assessment results of water inrush from coal seam floor were obtained by different nondimensionalization methods according to the characteristics of each index value．The comparison shows that the overall trend of different results is consistent except for partial differences in some areas．Finally,the nondimensionalization methods were optimized using Spearman rank correlation coefficient,and the comparative analysis shows that the equalization method is more scientific and reasonable．

water inrush from coal-seam floor,vulnerability assessment,major control index,nondimensionalization

TD745.2

A

武強(qiáng)(1959－),男,內(nèi)蒙古呼和浩特人,教授,博士生導(dǎo)師,從事礦井水害防治、水資源等方向研究工作。

(責(zé)任編輯 張艷華)

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(41272276, 41430318),教育部創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)(IRT1085),煤炭資源與安全開采國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室自主研究課題,中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)資助項(xiàng)目(2010YD02),“十二五”國(guó)家科技重大專項(xiàng)資助項(xiàng)目(2011ZX05060－06),“十二五”國(guó)家科技計(jì)劃資助項(xiàng)目(2012BAB12B03－03)