崔俊超,平 宇,郝建卿,任君豪,孟建勇,王心義

(1.河南平煤神馬梁北二井煤業(yè)有限公司,河南 禹州 461670,2.河南理工大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院,河南 焦作 454000;3.煤炭安全生產(chǎn)與清潔高效利用省部共建協(xié)同創(chuàng)新中心,河南 焦作 454000;4.晉能控股集團(tuán)麻家梁煤業(yè)有限責(zé)任公司,山西 朔州 038500)

0 引言

煤炭是我國能源結(jié)構(gòu)的主體,2021年我國能源生產(chǎn)結(jié)構(gòu)中煤炭占67.0%,煤炭消費(fèi)占一次能源消費(fèi)總量的比重為56.0%[1]。華北型煤田主采石炭-二疊紀(jì)煤層,奧陶系或寒武系厚層灰?guī)r含水層普遍發(fā)育,富水性較強(qiáng)且不均一,礦井開采過程中普遍受到底板灰?guī)r含水層水害威脅[2]。因此,客觀準(zhǔn)確地評(píng)價(jià)煤層底板突水危險(xiǎn)性,有利于礦井指定針對性的防治水措施,是保證礦井安全生產(chǎn)的基礎(chǔ)。

近年來,國內(nèi)外相關(guān)學(xué)者針對煤層底板突水危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)開展了大量研究,取得了一系列研究成果。Liu[3]根據(jù)呂溝煤礦的地質(zhì)條件、水文地質(zhì)特征、開采情況三個(gè)方面,確定12個(gè)指標(biāo)因子,基于層次分析法(AHP)及模糊綜合評(píng)價(jià)法,構(gòu)建了充填開采條件下的突水潰砂危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)模型。李博[4]從巖溶發(fā)育程度、含水層巖性組合、地質(zhì)構(gòu)造、含水層水文地質(zhì)參數(shù)和地形地貌5個(gè)方面,確定了12項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo),構(gòu)建了較全面的西南地區(qū)煤層頂板巖溶含水層富水性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。并結(jié)合導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度,確定研究區(qū)頂板突水危險(xiǎn)性等級(jí)。Li[5]利用主成分邏輯回歸分析(PCLRA)和改進(jìn)的層次分析法(IAHP)建立了綜合評(píng)價(jià)模型,以確定每個(gè)突水評(píng)價(jià)指標(biāo)的綜合權(quán)重,并利用GIS疊加法確定了突水風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃。結(jié)果表明此方法相較于突水系數(shù)法具有更高的擬合精度和分辨率。Ruan[6]在綜合分析礦山突水風(fēng)險(xiǎn)因素的基礎(chǔ)上,采用層次分析法對Dempster-Shafer(D-S)綜合規(guī)則進(jìn)行改進(jìn),建立了突水風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)體系,并對王家?guī)X煤礦突水危險(xiǎn)性進(jìn)行了預(yù)測,預(yù)測結(jié)果符合實(shí)際情況。姚輝[7]以河北省華北型煤田東歡坨礦為研究對象,選取含水層性能、隔水層性能、地質(zhì)條件、煤層條件的評(píng)價(jià)因素集,綜合考慮10個(gè)評(píng)價(jià)因素,建立主客觀組合賦權(quán)-加權(quán)秩和比評(píng)價(jià)模型,利用GIS系統(tǒng)對研究區(qū)底板突水危險(xiǎn)性進(jìn)行了分區(qū)。施龍青[8]以現(xiàn)場實(shí)際數(shù)據(jù)為輸入樣本,通過灰狼優(yōu)化算法(GWO)得到Elman神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化的最佳權(quán)重和閾值,建立GWO-Elman神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)底板突水預(yù)測模型,并在此基礎(chǔ)上通過測試樣本輸入模型驗(yàn)證,結(jié)果準(zhǔn)確率達(dá)到100%。

上述研究將多種理論和技術(shù)引入煤層底板突水危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)中,為水害預(yù)測技術(shù)的發(fā)展提供了支持。但這些評(píng)價(jià)預(yù)測方法也存在一些問題,如實(shí)際決策系統(tǒng)中指標(biāo)值存在“短板效應(yīng)”,即指標(biāo)值變化時(shí)其權(quán)重亦會(huì)發(fā)生變化;在評(píng)價(jià)體系建立時(shí),因勘探資料的不足,常忽略了煤層底板復(fù)合巖體的巖性組合特征和巖體質(zhì)量指標(biāo);構(gòu)造復(fù)雜程度界定時(shí)僅考慮構(gòu)造軌跡而未涉及構(gòu)造交叉、斷層落差和構(gòu)造性質(zhì)等要素。

針對上述問題,本文基于收集和實(shí)測的地質(zhì)、水文地質(zhì)、工程地質(zhì)資料及鉆孔數(shù)據(jù),結(jié)合組合賦權(quán)法和變權(quán)理論確定指標(biāo)權(quán)重,基于未知測度理論建立煤層底板突水危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)模型。評(píng)價(jià)結(jié)果相較常權(quán)-未知測度理論、區(qū)間變權(quán)-物元可拓兩種模型更加符合礦井水文地質(zhì)條件,并得到實(shí)際開采的良好驗(yàn)證。研究成果可以幫助礦井快速、準(zhǔn)確地識(shí)別底板突水危險(xiǎn)性,并采取針對性的防治水措施。

1 理論與方法

1.1 常權(quán)確定

1.1.1 主觀權(quán)重

層次分析法(AHP)是一種解決多目標(biāo)復(fù)雜問題的定性和定量相結(jié)合進(jìn)行計(jì)算主觀權(quán)重的研究方法[9]。采用5級(jí)標(biāo)度法構(gòu)建判斷矩陣,計(jì)算確定指標(biāo)主觀權(quán)重W1,并對判斷矩陣進(jìn)行一致性檢驗(yàn)[10]。定義一致性指標(biāo)CI:

CI=(λmax-n)/(n-1)

(1)

式中:λmax為判斷矩陣的最大特征根;n為判斷矩陣的階數(shù)。

CR=CI/RI

(2)

式中:RI為判斷矩陣的平均隨機(jī)一致性指標(biāo),RI取值根據(jù)查表確定。

1.1.2 客觀權(quán)重

灰色關(guān)聯(lián)分析法[11]通過計(jì)算比較序列與參考序列之間的關(guān)聯(lián)度來確定指標(biāo)因子的客觀權(quán)重值。首先按式(3)、式(4)對指標(biāo)進(jìn)行歸一化處理:

越小越優(yōu)型指標(biāo):

(3)

越大越優(yōu)型指標(biāo):

(4)

設(shè)各指標(biāo)最大值為參考序列Z=(zj),鉆孔數(shù)據(jù)為比較序列X=(xij)。計(jì)算比較序列與參考序列之間的關(guān)聯(lián)度矩陣D=[dij],其中dij:

(5)

式中:Δij=xij-zj;ρ為分辨系數(shù),ρ∈[0,1],一般情況下,ρ=0.5。

關(guān)聯(lián)度向量γ=(γj)由關(guān)聯(lián)度矩陣D每一列的均值組成,將γ歸一化處理后可得客觀權(quán)重向量W2。

1.1.3 組合賦權(quán)

層次分析法主要取決于決策者的主觀判斷,而灰色關(guān)聯(lián)分析法主要受指標(biāo)值的統(tǒng)計(jì)特征影響。根據(jù)最小相對信息熵原理,建立優(yōu)化組合賦權(quán)模型,利用拉格朗日乘子法[12]確定主、客觀權(quán)重的組合權(quán)重W0,可以一定程度上削弱兩種方法的弊端,計(jì)算公式為:

(6)

1.2 區(qū)間變權(quán)

常權(quán)權(quán)重是現(xiàn)在多數(shù)評(píng)價(jià)模型中使用的權(quán)重。但在實(shí)際情況中,指標(biāo)因子的突變會(huì)改變其對于決策目標(biāo)的影響程度,即“短板效應(yīng)”。為客觀反映指標(biāo)因子異常對評(píng)價(jià)結(jié)果的影響程度,變權(quán)理論應(yīng)運(yùn)而生[13]。

根據(jù)變權(quán)理論,按照指標(biāo)值大小將指標(biāo)區(qū)間劃分為“懲罰”、“不激勵(lì)不懲罰”、“初激勵(lì)”和“強(qiáng)激勵(lì)”區(qū)間,當(dāng)指標(biāo)量化值位于其中某一區(qū)間時(shí),其權(quán)重值會(huì)得到相應(yīng)的增大或減小。區(qū)間變權(quán)向量S=[sij]如下式[14]:

(7)

則變權(quán)權(quán)重wij:

(8)

1.3 未知測度理論

未確知測度理論是一種不同于灰色信息、隨機(jī)信息和模糊信息的不確定性信息。測度函數(shù)的表達(dá)形式有很多種,主要包括直線型、指數(shù)函數(shù)型和二次函數(shù)型等,上述函數(shù)表達(dá)式都建立在“非負(fù)、歸一、可加”的基礎(chǔ)上[15]。本文采用應(yīng)用廣泛、計(jì)算簡單的直線型未確知測度函數(shù),計(jì)算樣本的單指標(biāo)測度評(píng)價(jià)矩陣和多指標(biāo)測度向量,最后依照置信度準(zhǔn)則進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。

設(shè)某評(píng)價(jià)對象U有m個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo),分別用x1,x2,…,xm表示,則指標(biāo)空間記為X={x1,x2,…,xm},xj表示第j個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的測量值。對xj有k(1,2,…,p)個(gè)評(píng)價(jià)等級(jí)C1,C2,…,Cp,評(píng)價(jià)等級(jí)空間記為V={C1,C2,…,Cp}。設(shè)第k級(jí)比k+1級(jí)強(qiáng),即Ck>Ck+1,如果存在C1>C2>…>Cp,則稱{C1,C2,…,Cp}是評(píng)價(jià)空間V的一個(gè)有序分割類。

1.3.1 單指標(biāo)測度函數(shù)

單指標(biāo)未確知測度是整個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系中不可再分的因素,若令μk=μ(x∈Ck)表示評(píng)價(jià)指標(biāo)x屬于第k個(gè)評(píng)價(jià)等級(jí)Ck的程度,且μ滿足非負(fù)性、歸一性、可加性,則稱μjk為單指標(biāo)的未確知測度,矩陣(μk)m×p為單指標(biāo)評(píng)價(jià)矩陣。

各指標(biāo)的未確知測度值,需要通過具體的測度函數(shù)和該指標(biāo)的實(shí)際測量值計(jì)算得出,直線測度函數(shù)的表達(dá)式為:

(9)

(10)

式中:x為某單指標(biāo)的實(shí)際測量值;μk(x)、μk+1(x)分別為該測量值x屬于Ck和Ck+1等級(jí)的測度;ak、ak+1分別為Ck、Ck+1等級(jí)上的中間值。特殊的,當(dāng)x≤a1或x≥ap時(shí),μk(x)=1。

1.3.2 多指標(biāo)綜合測度向量

令μk=μ(U∈Ck)表示評(píng)價(jià)對象U屬于第k個(gè)評(píng)價(jià)等級(jí)的程度,則有式(11)。

μk=∑wj×μjk

(11)

式中:wj為評(píng)價(jià)指標(biāo)xj在評(píng)價(jià)指標(biāo)體系中的權(quán)重。

μjk滿足0≤μjk≤1及Σμjk=1未確知測度條件,式(11)為評(píng)價(jià)對象U的多指標(biāo)綜合測度向量。

1.3.3 置信度識(shí)別準(zhǔn)則

為了給評(píng)價(jià)對象進(jìn)行最后的結(jié)果評(píng)價(jià),引入置信度識(shí)別準(zhǔn)則[16],可以克服最大隸屬度原則的缺點(diǎn):設(shè)λ為置信度(λ>0.5,常取λ=0.6或0.7),若C1>C2>…>Cp,且令:

(12)

則認(rèn)為評(píng)價(jià)對象U屬于第k0個(gè)評(píng)價(jià)等級(jí)Ck0。

2 工程應(yīng)用

2.1 研究區(qū)概況

研究礦井為我國某典型華北型煤田礦井,目前主采二疊系山西組4號(hào)煤層,產(chǎn)量1 000萬t/a。井田內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造以斷層為主,煤層下伏充水水源為奧陶系上馬家溝組巖溶水,水壓在3.32～6.03 MPa之間,平均水壓4.67 MPa。隔水層主要為砂-泥巖互層的復(fù)合巖體,厚度107.50～148.82 m,平均121.03 m。研究礦井的工作面布置、構(gòu)造展布、鉆孔分布如圖1,綜合地質(zhì)柱狀圖如圖2。

圖1 礦井采掘平面示意圖

圖2 礦井綜合地質(zhì)柱狀圖

圖3 突水危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)體系

2.2 評(píng)價(jià)體系建立

為綜合考慮含水層水文地質(zhì)特征、隔水層工程地質(zhì)特征及軟弱結(jié)構(gòu)面發(fā)育特征,本文選取水壓、單位涌水量、隔水層厚度、隔水層巖體質(zhì)量、層理面數(shù)量、泥巖占比、構(gòu)造復(fù)雜程度量化值7個(gè)因子作為評(píng)價(jià)預(yù)測底板突水危險(xiǎn)性的主控指標(biāo)。

2.2.1 含水層水壓

煤層底板含水層水壓是底板突水的動(dòng)力來源。根據(jù)研究區(qū)水文地質(zhì)鉆孔資料及奧灰含水層長期觀測孔資料,奧陶系灰?guī)r含水層水壓呈現(xiàn)西南部較高,東北部較低的分布特征,如圖4a。

圖4 指標(biāo)因子量化值分布趨勢

2.2.2 單位涌水量

單位涌水量反映含水層的富水性,單位涌水量越大,含水層富水性越強(qiáng),補(bǔ)給條件越好。根據(jù)礦井歷次抽水試驗(yàn)資料,繪制的奧灰含水層單位涌水量等值線圖如圖4b。

2.2.3 有效隔水層厚度

隔水層厚度指煤層底板與含水層頂板之間的距離,是反映隔水層隔水性能的關(guān)鍵指標(biāo)。開采活動(dòng)會(huì)對底板巖體造成擾動(dòng)破壞,有效隔水層厚度是煤層底板隔水層厚度減去底板擾動(dòng)破壞深度的值。考慮麻家梁煤礦4號(hào)煤層傾角較緩,為5°～30°,工作面斜長一般小于200 m,且采高為5 m左右,故選取底板擾動(dòng)破壞深度經(jīng)驗(yàn)公式[17]為:

h=0.700 7+0.107 9L

(13)

式中:h為底板擾動(dòng)破壞深度,m;L為工作面斜長,m。

經(jīng)計(jì)算,研究區(qū)范圍有效隔水層厚度分布如圖4c。

2.2.4 泥巖占比

泥巖是具有良好隔水性能的塑性巖石,隔水層巖體中的泥巖占比一定程度上影響著隔水層的隔水性能[18]。根據(jù)井田地質(zhì)資料及鉆探成果,研究礦井4號(hào)煤隔水層主要由砂巖和泥巖組成,其泥巖占比分布趨勢如圖4d。

2.2.5 巖體質(zhì)量

按照《煤礦床水文地質(zhì)、工程地質(zhì)及環(huán)境地質(zhì)勘察評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》[19]規(guī)定,隔水層巖體質(zhì)量常用指標(biāo)M法來表征。M值越大,巖體越不容易發(fā)生塑性破壞,隔水性能越強(qiáng)。M值計(jì)算式為:

(14)

式中:Rc指巖塊飽和軸向抗壓強(qiáng)度,MPa/cm2;RQD指巖石質(zhì)量指標(biāo),%。

RQD是指鉆探過程中,每次進(jìn)尺中等于或大于10 cm的柱狀巖芯累計(jì)長度與每個(gè)鉆進(jìn)回次進(jìn)尺之比,即:

(15)

式中:n指大于等于10 cm的巖芯數(shù)量;li指大于等于10 cm的巖芯長度,m;L指鉆孔或掃描線長度,m。

研究礦井共20個(gè)鉆孔施工工程中進(jìn)行了取芯及巖樣物理力學(xué)參數(shù)測定,據(jù)此繪制的M值等值線如圖4e。

2.2.6 層理面數(shù)量

層理面是隔水層巖體中的原生軟弱結(jié)構(gòu)面,已有研究[20]顯示,在相同厚度相同傾角的砂泥巖復(fù)合巖體中,層理面越多,層厚越小,巖體越易發(fā)生形變與破壞。根據(jù)鉆孔資料,隔水層層理面數(shù)量等值線圖如圖4f。

2.2.7 構(gòu)造復(fù)雜程度

地質(zhì)構(gòu)造在煤層底板突水中起著關(guān)鍵作用,巖體中斷層或褶皺越復(fù)雜,其隔水能力越差,發(fā)生底板突水的可能性越大。以往構(gòu)造復(fù)雜程度常根據(jù)構(gòu)造軌跡,利用分形維數(shù)[21]來定量評(píng)價(jià)。但由于分形維數(shù)計(jì)算時(shí)未考慮構(gòu)造性質(zhì)、交叉復(fù)合特性、斷層落差等要素,致使所界定的構(gòu)造復(fù)雜程度難以精準(zhǔn)展現(xiàn)構(gòu)造的影響程度。

這里將研究區(qū)劃分為87個(gè)1 000 m×1 000 m的單元(圖5),融合單元中的構(gòu)造交點(diǎn)數(shù)F1、斷層平均落差F2、分形維數(shù)F3、導(dǎo)水性能F4,來評(píng)估構(gòu)造復(fù)雜程度F。

圖5 研究區(qū)單元?jiǎng)澐旨熬幪?hào)

不同性質(zhì)構(gòu)造的導(dǎo)水性能F4可利用模糊語氣算子理論[22]進(jìn)行定義。逆斷層因受水平方向最大主應(yīng)力的擠壓作用[23],其破碎帶充填程度及泥質(zhì)含量往往高于正斷層,導(dǎo)水性能一般較正斷層更弱,且區(qū)內(nèi)褶皺均為兩翼傾角2°～9°的寬緩褶皺,軸部巖體破壞程度更弱。因此確定正斷層、逆斷層、褶皺的相對導(dǎo)水性能語氣算子為{‘Same’,‘Slightly’,‘More obviously’},相對導(dǎo)水性能量化值為K=(1.0,0.667,0.429),F4即為塊段內(nèi)各構(gòu)造導(dǎo)水性能量化值之和。

利用層次分析法[9]確定F1、F2、F3、F4的權(quán)重向量為Wf=(0.237,0.099,0.446,0.218),線性加權(quán)后得到塊段的構(gòu)造復(fù)雜程度F其分布趨勢如圖4g。

2.3 權(quán)重確定

結(jié)合專家意見及研究區(qū)地質(zhì)特征,確定比較矩陣R:

經(jīng)過主觀、客觀權(quán)重耦合計(jì)算,得到指標(biāo)常權(quán)權(quán)重如表1。

表1 常權(quán)計(jì)算結(jié)果 %

利用SPSS軟件的K-均值聚類法[24]將各指標(biāo)值分為4類,以相鄰類別臨界值之間的均值作為變權(quán)區(qū)間閾值,即“懲罰”、“不激勵(lì)不懲罰”、“初激勵(lì)”、“強(qiáng)激勵(lì)”區(qū)間,如表2。

表2 變權(quán)區(qū)間閾值

鉆孔S1的指標(biāo)向量為Xs1=(0.664 2,0.040 4,0.554 9,0.442 2,0.363 0,0.128 2,0.086 1),確定其理想變權(quán)權(quán)重為W=(0.231 9,0.055 3,0.169 2,0.093 4,0.072 4,0.220 2,0.157 6)。將Xs1、W0及W代入式(7)和式(8),利用MATLAB軟件計(jì)算得調(diào)權(quán)參數(shù)c=0.502 5,a1=0.083 7,a2=0.841 5,a3=0.813 6。再將各鉆孔指標(biāo)向量進(jìn)行循環(huán)運(yùn)算,得到各鉆孔變權(quán)權(quán)重,如表3。

表3 部分鉆孔變權(quán)權(quán)重

2.4 模型構(gòu)建與評(píng)價(jià)

針對研究礦井水文地質(zhì)特征,將其突水危險(xiǎn)性分為4個(gè)等級(jí),級(jí)別越高,突水危險(xiǎn)性越強(qiáng),即Y={Ⅰ級(jí),Ⅱ級(jí),Ⅲ級(jí),Ⅳ級(jí)}={弱,較弱,較強(qiáng),強(qiáng)},各指標(biāo)的分級(jí)區(qū)間閾值沿用表2分析結(jié)果,即懲罰區(qū)間對應(yīng)Ⅰ級(jí),不激勵(lì)不懲罰區(qū)間對應(yīng)Ⅱ級(jí),初激勵(lì)區(qū)間對應(yīng)Ⅲ級(jí),強(qiáng)激勵(lì)區(qū)間對應(yīng)Ⅳ級(jí)。

根據(jù)未知測度理論,首先確定等級(jí)中點(diǎn)值矩陣A=[ajk]:

根據(jù)單指標(biāo)測度基本理論中的式(9)、式(10)和矩陣A構(gòu)建單指標(biāo)測度函數(shù),如圖6。

圖6 單指標(biāo)測度函數(shù)

以鉆孔S1為例,將指標(biāo)向量Xs1帶入到單指標(biāo)測度函數(shù)中,得到其單指標(biāo)測度矩陣為:

則據(jù)式(11),鉆孔S1的多指標(biāo)綜合測度向量為μk=(0.464 9,0.215 1,0.290 7,0.029 4)。根據(jù)置信度識(shí)別原則,置信度λ取0.6,對鉆孔S1有C1+C2=0.679 9>0.6,k0=2,即鉆孔S1處的底板突水危險(xiǎn)性為Ⅱ級(jí),危險(xiǎn)性較弱。同理計(jì)算可得其它鉆孔處的多指標(biāo)綜合測度向量和突水危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)結(jié)果。

3 結(jié)果對比與分析

根據(jù)評(píng)價(jià)結(jié)果繪制研究區(qū)煤層底板突水危險(xiǎn)性分區(qū)圖,如圖7。同時(shí)繪制常權(quán)-未知測度理論、變權(quán)-物元可拓法[25]的評(píng)價(jià)分區(qū)結(jié)果,如圖8、圖9。

圖7 區(qū)間變權(quán)-未知測度評(píng)價(jià)分區(qū)圖

圖8 常權(quán)-未知測度評(píng)價(jià)分區(qū)圖

圖9 區(qū)間變權(quán)-物元可拓評(píng)價(jià)分區(qū)圖

結(jié)合鉆探資料分析:一采區(qū)14101-1工作面西側(cè)的63141鉆孔、63218鉆孔處有效隔水層厚度分別為84.52 m、86.16 m,遠(yuǎn)低于礦井均值97.35 m且接近最小值82.63 m;兩鉆孔隔水層層理面數(shù)量分別為79、80,遠(yuǎn)大于礦區(qū)均值50.54;加之此處斷層密集發(fā)育,構(gòu)造復(fù)雜程度較高,隔水層阻隔水能力遭到嚴(yán)重削弱,更易發(fā)生底板突水。礦井東南角水壓整體偏大,而有效隔水層厚度整體偏小,如B4005鉆孔處水壓達(dá)5.95 MPa(礦區(qū)最大值6.0 MPa),有效隔水層厚度為次小值83.67 m,致使此處較其它區(qū)域具有更強(qiáng)的突水危險(xiǎn)性。

實(shí)際開采過程中,2020年4月開始回采的一采區(qū)14104-1工作面,出現(xiàn)過煤層底板奧陶系灰?guī)r含水層涌水量突然增大現(xiàn)象。其主要原因是工作面西側(cè)發(fā)育有DF9、DF8、F4等多個(gè)斷層,其中DF9斷層落差達(dá)40 m,導(dǎo)通了下伏奧灰含水層。斷層的集中發(fā)育削弱了底板巖體的穩(wěn)定性及隔水性能,隔水層在下伏含水層水壓的作用下發(fā)生破壞,形成了導(dǎo)水通道。

由圖中可以看出,常權(quán)-未知測度理論模型在一采區(qū)14101-1工作面附近構(gòu)造密集發(fā)育、隔水層巖體完整性較差的情況下,不能夠調(diào)整隔水層厚度、層理面數(shù)量和構(gòu)造復(fù)雜程度的指標(biāo)權(quán)重,造成對14101-1工作面附近的突水危險(xiǎn)性造成了誤判;而變權(quán)-物元可拓模型中,指標(biāo)因子對各隸屬區(qū)間的隸屬關(guān)系為“非此即彼”的關(guān)系,即相較于未知測度理論不能體現(xiàn)指標(biāo)因子的模糊性與不確定性,因此造成評(píng)價(jià)結(jié)果整體偏高。區(qū)間變權(quán)-未知測度模型的評(píng)價(jià)結(jié)果與實(shí)際開采情況基本相符,且精準(zhǔn)判別了14104-1工作面的底板突水危險(xiǎn)性,評(píng)價(jià)體系的構(gòu)建、指標(biāo)權(quán)重的確定及評(píng)價(jià)結(jié)果更加合理、準(zhǔn)確。

無論是開采實(shí)際還是模型評(píng)價(jià)結(jié)果,都指示出研究區(qū)內(nèi)煤層底板突水危險(xiǎn)性主要受到構(gòu)造的影響。斷層、褶皺等軟弱結(jié)構(gòu)面的發(fā)育會(huì)導(dǎo)致隔水層巖體中發(fā)育大量裂隙,誘發(fā)次生破壞,直接或間接地提供煤層底板突水導(dǎo)水通道,在礦井生產(chǎn)過程中應(yīng)特別注意斷層的探查工作,尤其在斷層集中發(fā)育的區(qū)域。

區(qū)間變權(quán)-未知測度理論模型的評(píng)價(jià)結(jié)果中,突水危險(xiǎn)性為弱的區(qū)域面積最小,占比為2.26%,主要集中在礦井中部的3406、J1、J2孔附近,以及礦井東北角小部分區(qū)域。突水危險(xiǎn)性較弱的區(qū)域面積最大,占比54.81%,主要分布于一采區(qū)北部、三采區(qū)、四采區(qū)東部、五采區(qū)西部、六采區(qū)、七采區(qū)東部。突水危險(xiǎn)性較強(qiáng)的區(qū)域占比為38.05%,主要分布于一采區(qū)南部,二采區(qū)、四采區(qū)西部、五采區(qū)中部和七采區(qū)西部。突水危險(xiǎn)性為強(qiáng)的區(qū)域占比為4.88%,主要集中在一采區(qū)14101-1工作面西南側(cè)和礦井東南角。

4 結(jié)語

(1)結(jié)合層次分析法、灰色關(guān)聯(lián)分析及最組合賦權(quán)法,確定評(píng)價(jià)指標(biāo)組合常權(quán)W0=(0.194 2 0.057 5,0.179 6,0.099 2,0.076 5,0.228 4,0.164 7),基于區(qū)間變權(quán)理論確定各指標(biāo)因子的變權(quán)權(quán)重。

(2)將4號(hào)煤底板突水危險(xiǎn)性分為弱,較弱,較強(qiáng),強(qiáng)四個(gè)等級(jí),構(gòu)建區(qū)間變權(quán)-未知測度綜合評(píng)價(jià)模型,對研究區(qū)內(nèi)各鉆孔處的底板突水危險(xiǎn)性進(jìn)行定量分析與評(píng)價(jià),并繪制分區(qū)圖。

(3)與常權(quán)-未知測度理論、區(qū)間變權(quán)-物元可拓兩種模型的評(píng)價(jià)結(jié)果對比顯示,區(qū)間變權(quán)-未知測度理論的權(quán)重確定、隸屬度計(jì)算更加合理,評(píng)價(jià)結(jié)果更加符合礦井地質(zhì)條件及開采實(shí)際。

(4)評(píng)價(jià)結(jié)果顯示,研究區(qū)內(nèi)底板突水危險(xiǎn)性為弱、較弱、較強(qiáng)、強(qiáng)的區(qū)域面積占比分別為2.26%,54.81%,38.05%,4.88%,底板突水危險(xiǎn)性總體上較弱,危險(xiǎn)性強(qiáng)的區(qū)域集中一采區(qū)14101-1工作面西南側(cè)和礦井東南角,礦井生產(chǎn)過程中應(yīng)特別注意斷層的探查工作,尤其在斷層集中發(fā)育的區(qū)域。