于小鴿 韓 進(jìn) 王 熙 張 麗 秦道霞

(1.山東科技大學(xué)資源與土木工程系，山東省泰安市，271000；2.山東科技大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院，山東省青島市，266590；3.肥城礦業(yè)集團(tuán)單縣能源有限責(zé)任公司，山東省荷澤市，247333)

★ 煤礦安全 ★

良莊井田15#煤層底板突水危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)

于小鴿1韓 進(jìn)2王 熙1張 麗1秦道霞3

(1.山東科技大學(xué)資源與土木工程系，山東省泰安市，271000；2.山東科技大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院，山東省青島市，266590；3.肥城礦業(yè)集團(tuán)單縣能源有限責(zé)任公司，山東省荷澤市，247333)

在分析良莊井田地質(zhì)資料的基礎(chǔ)上，采用I值最大判別原則，最終確定奧灰水壓及15#煤層斷裂構(gòu)造復(fù)雜程度是影響底板突水危險(xiǎn)性劃分的重要因素。根據(jù)良莊井田地質(zhì)資料，獲得了奧灰水壓等值線圖、15#煤層斷裂構(gòu)造復(fù)雜程度圖、15#煤層底板突水系數(shù)等值線圖,采用信息融合的方法，獲得了15#煤層底板突水危險(xiǎn)性分區(qū)圖，與已開采煤層的實(shí)際情況相符。

I值最大判別原則 信息融合 底板突水 良莊井田

良莊井田經(jīng)過半個(gè)多世紀(jì)的開采，上組煤開采殆盡，下組煤的開采特別是15#煤層的開采受到奧灰含水層的嚴(yán)重威脅。因此對15#煤層底板突水的危險(xiǎn)性進(jìn)行評(píng)價(jià)具有重要意義。目前，常用的突水危險(xiǎn)性預(yù)測方法主要是經(jīng)典理論突水系數(shù)法，但由于突水系數(shù)法的獲取具有時(shí)間性和地域性，其預(yù)測結(jié)果往往與實(shí)際情況有不符之處，特別是到了下組煤的開采，奧灰?guī)r溶水水壓增大，計(jì)算的突水系數(shù)值往往超過臨近值。在礦井底板水害防治的過程中，出現(xiàn)了許多新理論、新方法。如武強(qiáng)、施龍青、朱宗奎等采用影響底板主控因素的方法，對底板突水的危險(xiǎn)性進(jìn)行分區(qū)，但選取的主控因素過多，有些因素對底板突水危險(xiǎn)性判別的貢獻(xiàn)較小，增加了底板突水危險(xiǎn)性預(yù)測的困難，影響了判斷效果。本文嘗試在分析良莊井田地質(zhì)資料的基礎(chǔ)上，根據(jù)費(fèi)歇準(zhǔn)則中I值最大判別理論，選取有效的主控因素，結(jié)合經(jīng)典突水系數(shù)理論，采用信息融合方法對良莊井田15#煤層的底板突水危險(xiǎn)性進(jìn)行評(píng)價(jià)。

1 研究區(qū)概況

良莊井田位于新汶煤田中部，以斷裂構(gòu)造為主，構(gòu)造形態(tài)為一單斜構(gòu)造。為全隱蔽的華北型石炭-二疊系井田，含煤地層為石炭-二疊系太原組和山西組。山西組的2#煤層、4#煤層和太原組的6#煤層、11#煤層、13#煤層、15#煤層為可采煤層。井田內(nèi)的含水層為第四系含水砂礫巖、新近系礫巖、山西組砂巖、太原組第一灰?guī)r和第四灰?guī)r、本溪組徐家莊灰?guī)r和奧陶系灰?guī)r。

15#煤層屬于太原組煤層，煤層厚度0.55～2.00 m，平均1.01 m，結(jié)構(gòu)簡單，大部分可采，距下伏的徐家莊灰?guī)r(徐灰)、奧陶系灰?guī)r(奧灰)含水層最薄處只有10 m左右，并且開采深度大，水壓大，極易發(fā)生底板突水事故。因此，對良莊井田15#煤層進(jìn)行底板突水危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)對指導(dǎo)礦井安全生產(chǎn)具有一定意義。

2 15#煤層底板突水影響因素的確定

良莊井田在開采過程中積累了許多地質(zhì)資料，通過對各個(gè)鉆孔富水性指數(shù)(I1)、奧灰水壓值(I2)、15#煤層斷層分維值(I3)、15#煤層底至奧灰頂間距(I4)的統(tǒng)計(jì)，以突水系數(shù)值0.06 MPa/m為分界線，將鉆孔原始數(shù)據(jù)分為兩類，見表1，表中A類TS<0.06 MPa/m，B類TS≥0.06 MPa/m。

表1 鉆孔原始數(shù)據(jù)表

分類孔號(hào)富水性指數(shù)奧灰水壓/MPa15#煤層斷層分維值15#煤層底至奧灰頂間距/mB類10 224 30 9557 020 265 00 6059 030 284 91 0560 040 427 40 6562 550 264 60 9054 060 295 00 3570 070 244 50 9074 080 306 41 0061 090 183 60 3357 5100 185 60 5572 0110 194 30 2671 0120 183 70 5758 0

2.1 I值最大判別原則

式中：I——費(fèi)歇準(zhǔn)則判別值；

yAi——樣本A中的第i個(gè)樣本；

yBi——樣本B中的第i個(gè)樣本；

nA——樣本A的個(gè)數(shù)；

為節(jié)約資源，將同桌兩人分為一組，分發(fā)一份實(shí)物樣品，樣品量以夠用為度，樣品種類盡量滿足常用需求。以班級(jí)為單位購買塑料封口袋，學(xué)期初組織課代表和班干部統(tǒng)一發(fā)放中藥樣品，學(xué)生自行裝袋，建立口袋標(biāo)本。

nB——樣本B的個(gè)數(shù)。

若僅考慮一個(gè)變量xj時(shí)，由式(2)獲得:

(2)

式中：xAij——A類中第i個(gè)樣品的第j個(gè)變量的取值；

xBij——B類中第i個(gè)樣品的第j個(gè)變量的取值。

顯然，Ij越大的變量，分辨母體的能力越強(qiáng)。

2.2 變量的選取

(1)計(jì)算各變量內(nèi)平均值和類內(nèi)離差平方和：

計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 各變量平均值和類內(nèi)離差平方和

(2)計(jì)算各變量的I值：

(5)

計(jì)算得：I1=0.0002,I2=0.4577，I3=0.00147，I4=0.0002。

根據(jù)建立判別函數(shù)應(yīng)滿足I最大原則選取變量，Ij越大的變量，對判別底板是否突水貢獻(xiàn)越大。本文選取Ij>0.001的變量，即選取奧灰水壓和斷層的分維值作為底板突水危險(xiǎn)性評(píng)判的標(biāo)準(zhǔn)。

3 基于多元信息融合的底板突水性預(yù)測

選取奧灰水壓、斷層分維值及突水系數(shù)，利用信息融合的方法對15#煤層底板危險(xiǎn)性進(jìn)行評(píng)價(jià)，如圖1所示。

根據(jù)奧灰鉆孔統(tǒng)計(jì)資料，利用surfer軟件繪制奧灰水壓等值線圖，如圖2所示。采用信息融合的方法將斷層分維及斷層影響因子評(píng)價(jià)結(jié)果進(jìn)行疊加融合，獲得較為準(zhǔn)確的斷裂構(gòu)造復(fù)雜程度分區(qū)圖，如圖3所示。

圖1 多源信息融合原則示意圖

圖2 奧灰水壓等值線圖

圖3 斷裂構(gòu)造復(fù)雜程度分區(qū)

由圖2可以看出，Ⅰ區(qū)奧灰水壓小于1 MPa；Ⅱ區(qū)奧灰水壓為1～3 MPa；Ⅲ區(qū)奧灰水壓為3～5 MPa；Ⅳ區(qū)奧灰水壓大于5 MPa。整體上看，隨著埋深的增加，奧灰的水壓逐漸增大。井田內(nèi)奧灰水壓變化較大，在井田范圍西南部及西部煤層埋深較淺區(qū)域水壓最小，隨著埋深的增加，越往中部、北部附近，水壓越大。

由圖3可以看出，1區(qū)為簡單構(gòu)造區(qū)，屬于較安全區(qū)，區(qū)域范圍較大，該區(qū)域幾乎沒有大的斷層發(fā)育，構(gòu)造交點(diǎn)和端點(diǎn)也少；2區(qū)為中等構(gòu)造區(qū)，該區(qū)域偶爾發(fā)育有大斷層，但數(shù)量較少，區(qū)域中構(gòu)造交叉點(diǎn)和端點(diǎn)發(fā)育程度一般，斷層規(guī)模和發(fā)育程度中等，巖體破碎程度中等；3區(qū)為復(fù)雜構(gòu)造區(qū)，該區(qū)域大斷層密集，斷層數(shù)量較多，斷層的規(guī)模及發(fā)育程度較好，區(qū)域中構(gòu)造交點(diǎn)及端點(diǎn)較多，該區(qū)巖體較為破碎，導(dǎo)水性較強(qiáng)。

根據(jù)鉆孔資料繪制出15#煤層奧灰突水系數(shù)等值線圖，如圖4所示。采用信息融合方法將奧灰含水層水壓、斷裂構(gòu)造復(fù)雜程度分區(qū)圖及15#煤層奧灰突水系數(shù)等值線圖進(jìn)行疊加，獲得15#煤層底板突水危險(xiǎn)性分區(qū)圖，如圖5所示。

由圖4可以看出，將奧灰的底板突水系數(shù)分為兩個(gè)區(qū)域，Ⅰ區(qū)突水系數(shù)小于0.06 MPa/m；Ⅱ區(qū)突水系數(shù)大于0.06 MPa/m。

由圖5可以看出：

1區(qū)為安全區(qū)：位于井田的西北部、東部及南部部分區(qū)域，構(gòu)造不發(fā)育，奧灰水壓較弱。

2區(qū)為較安全區(qū)：主要位于井田的西南部和北部及東部的部分區(qū)域，該地區(qū)構(gòu)造發(fā)育程度一般，幾乎不發(fā)育大斷層，奧灰水壓小及中等，發(fā)生突水的危險(xiǎn)性較小。

3區(qū)為危險(xiǎn)區(qū)：主要分布在井田的北部和西部，該地區(qū)構(gòu)造發(fā)育，發(fā)育有大斷層，奧灰水壓中等，具有一定突水危險(xiǎn)性，特別是斷層導(dǎo)水引發(fā)的突水事故。

4區(qū)為極危險(xiǎn)區(qū)：分布在井田西部及東部的一小塊區(qū)域，該處構(gòu)造較發(fā)育，發(fā)育有很多大斷層，且斷層相交，奧灰水壓較大，極易發(fā)生突水。

基于多源信息融合的突水危險(xiǎn)性綜合評(píng)價(jià)圖中各區(qū)的分布情況，與已開采的煤層的實(shí)際情況基本相符，說明對于良莊煤礦含水層水壓、斷裂構(gòu)造復(fù)雜程度分區(qū)及突水系數(shù)的定性的信息融合可以比較準(zhǔn)確的反映其底板突水危險(xiǎn)性的分布。對于預(yù)防煤層底板徐、奧灰突水具有較好的指導(dǎo)意義。

4 結(jié)論

(1)根據(jù)I最大值挑選變量，對奧灰富水性指數(shù)、奧灰水壓、15#煤層斷層復(fù)雜程度及15#煤層至奧灰頂間距4項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行篩選，最終選定奧灰水壓、15#煤層斷層復(fù)雜程度對底板突水危險(xiǎn)性進(jìn)行評(píng)價(jià)。

(2)采用信息融合的方法將奧灰水壓、15#煤層斷層復(fù)雜程度及突水系數(shù)進(jìn)行融合，獲得良莊井田15#煤層底板突水危險(xiǎn)性分區(qū)圖，與已開采煤層的實(shí)際情況基本相符。

[1] 喬偉,李文平,趙成喜.煤礦底板突水評(píng)價(jià)突水系數(shù)-單位涌水量法[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2009(12)[2] 武強(qiáng),劉守強(qiáng),賈國凱.脆弱性指數(shù)法在煤層底板突水評(píng)價(jià)中的應(yīng)用[J].中國煤炭,2010(6)

[3] 施龍青,譚希鵬,王娟等.基于PCA_Fuzzy_PSO_SVC的底板突水危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)[J]. 煤炭學(xué)報(bào),2015(1)

[4] 朱宗奎,徐智敏,孫亞軍等.基于無量綱多源信息融合的底板突水危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)方法研究[J].采礦與安全工程學(xué)報(bào),2013(6)

[5] 劉磊,于小鴿,王丹丹等.基于灰色理論的底板突水危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)[J].礦業(yè)安全與環(huán)保,2016(5)

[6] 李博,武強(qiáng).煤層底板突水變權(quán)脆弱性評(píng)價(jià)模型參數(shù)靈敏度分析[J].采礦與安全工程學(xué)報(bào), 2015(6)

[7] 張文泉,張廣鵬,李偉等.煤層底板突水危險(xiǎn)性的Fisher判別分析模型[J].煤炭學(xué)報(bào),2013(10)

EvaluationonfloorwaterinrushriskofNo. 15coalseaminLiangzhuangcoalfield

Yu Xiaoge1, Han Jin2, Wang Xi1, Zhang Li1, Qin Daoxia3

(1. Department of Resource and Civil Engineering, Shandong University of Science and Technology, Taian, Shandong 271000, China; 2. College of Computer Science and Engineering, Shandong University of Science and Technology, Qingdao, Shandong 266590, China; 3.Feicheng Mining Group Shanxian Energy Co., Ltd., Heze, Shandong 247333, China)

Based on the analysis of geological data of Liangzhuang coal field, the maximum I value discrimination principle was used to determine the Ordovician limestone water pressure and the complexity of No. 15 coal seam fault structure, which was an important factor affecting the water inrush risk division of the floor. According to the geological data, the Ordovician limestone water pressure isoline map, the No. 15 coal seam fracture structure complexity diagram and the No. 15 coal seam floor water inrush coefficient contour map were obtained. By using the method of information fusion, the risk zoning map of water inrush from No. 15 coal seam floor was carried out, which was consistent with the actual situation of mined coal seam.

the maximum I value discrimination principle, information fusion, floor water inrush, Liangzhuang coal field

TD742.2

A

國家自然科學(xué)基金(41572244)，山東省自然科學(xué)基金(ZR2015DM013)，山東省泰安市科技局項(xiàng)目資助(2016GX0038)

于小鴿，韓進(jìn)，王熙等. 良莊井田15#煤層底板突水危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)[J].中國煤炭，2017,43(11)：87-90，96.

Yu Xiaoge, Han Jin, Wang Xi, et al. Evaluation on floor water inrush risk of No. 15 coal seam in Liangzhuang coal field [J]. China Coal, 2017，43(11):87-90，96.

于小鴿(1981-)，女，講師，主要研究方向?yàn)榈V井水害防治。

(責(zé)任編輯 張艷華)