新陽井田礦井突水灰色風(fēng)險性評價研究

周科

（中國煤炭地質(zhì)總局水文地質(zhì)工程地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)勘查院，河北 邯鄲 056004）

新陽井田礦井突水灰色風(fēng)險性評價研究

周科

（中國煤炭地質(zhì)總局水文地質(zhì)工程地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)勘查院，河北 邯鄲 056004）

摘要：為了研究山西新陽井田上組煤頂板及下組煤底板突水水害問題，通過統(tǒng)計(jì)分析以往井田內(nèi)突水實(shí)例，采用風(fēng)險率和風(fēng)險度評價與灰色評價理論相結(jié)合的方法建立統(tǒng)計(jì)學(xué)模型，對上組煤頂板及下組煤底板的突水風(fēng)險率和突水風(fēng)險度進(jìn)行預(yù)測評價，評價結(jié)果表明井田下組煤發(fā)生底板突水的風(fēng)險大于上組煤發(fā)生頂板突水的風(fēng)險。

關(guān)鍵詞：突水風(fēng)險性；突水風(fēng)險率；突水風(fēng)險度

新陽井田地處郭莊泉域巖溶水系統(tǒng)北部徑流區(qū)，井田內(nèi)第四系、新近系松散巖類孔隙含水巖組在較大的河谷區(qū)厚度大、富水性強(qiáng)，對煤礦開采影響較大，為上組煤頂板的主要充水含水層；奧陶系峰峰組巖溶裂隙含水層水壓大、富水性強(qiáng)，在斷層破碎帶及斷層發(fā)育部位對下組煤開采影響大，為下組煤底板主要突水水源［1-5］。評價井田上組煤頂板及下組煤底板的突水風(fēng)險率和突水風(fēng)險度對新陽井田礦井防治水工作有著現(xiàn)實(shí)指導(dǎo)意義。

對于礦井突水危險性評價以往多側(cè)重于區(qū)域上的劃分，例如劃分井田內(nèi)的突水危險區(qū)域和較安全區(qū)域等，但礦方在制定防治水系統(tǒng)升級改造時，往往在安全生產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)建設(shè)兩方面都進(jìn)行考慮，在現(xiàn)有的防治水系統(tǒng)下，今后發(fā)生突水的概率及突水后的危害程度有多大，這將是礦方制定防治水規(guī)劃的一個重要考慮因素。本文將灰色風(fēng)險評價理論運(yùn)用到礦井突水危險性的風(fēng)險評價中，建立數(shù)學(xué)模型分析井田今后的突水風(fēng)險概率和風(fēng)險程度［6-12］，為礦井防治水工作提供量化的依據(jù)。

1　灰色風(fēng)險性評價模型建立

在礦井巷道開拓或采掘過程中，由于導(dǎo)水?dāng)鄬印⑾萋渲⒉蓜訉?dǎo)水破壞等因素都可以導(dǎo)致礦井突水，在導(dǎo)水?dāng)鄬用芗⒉蓜訉?dǎo)水破壞活動強(qiáng)烈、奧陶系水頭壓力較大、奧陶系巖溶裂隙富水性強(qiáng)的地方，我們認(rèn)為這些區(qū)域是突水危險性大的區(qū)域，但在這些區(qū)域內(nèi)，未來會發(fā)生突水的可能性有多少，在現(xiàn)有的排水系統(tǒng)條件下，如果發(fā)生突水那么發(fā)生突水的程度有多大，這就需要評價發(fā)生突水的風(fēng)險率和風(fēng)險度。風(fēng)險率是災(zāi)害出現(xiàn)概率的度量；風(fēng)險度是災(zāi)害的危害程度。對于礦井突水危險性來說，突水風(fēng)險率就是指礦井發(fā)生突水事故的可能性有多大，突水風(fēng)險度就是指如果礦井發(fā)生了突水事故，突水事故造成的危害程度有多大。

灰色系統(tǒng)理論是充分利用已知信息用離散數(shù)據(jù)建立微分方程的一種方法。灰色理論系統(tǒng)是用來解決由已知事件來量化推測未知事件的方法，尤其可以解決信息數(shù)量少或信息不確定的問題，目前已廣泛運(yùn)用于自然科學(xué)、社會科學(xué)領(lǐng)域。灰色系統(tǒng)在地質(zhì)科學(xué)中應(yīng)用也相當(dāng)廣泛，其被廣泛運(yùn)用于儲量評價、水文預(yù)測預(yù)報等。

本次評價將風(fēng)險率和風(fēng)險度的概念與灰色評價理論相結(jié)合，運(yùn)用灰色理論及統(tǒng)計(jì)學(xué)模型對上組煤頂板及下組煤底板的突水風(fēng)險率和突水風(fēng)險度進(jìn)行預(yù)測評價。

突水事件可能由一種或多種因素所導(dǎo)致，其可以被看做一種隨機(jī)事件，我們可以建立關(guān)于突水事件的風(fēng)險率和風(fēng)險度的模型。

發(fā)生突水的隨機(jī)事件A的概率P（A）可以表達(dá)為：

（1）如果A為突水事件，事件A的風(fēng)險率為A事件的概率，即：

（2）如果A為安全事件，則事件A風(fēng)險率公式為：

FP=1-P（A），

期望值公式為：

或

式中：xi，P（xi）為離散風(fēng)險變量及相應(yīng)概率；f（x）為連續(xù)風(fēng)險變量的密度函數(shù)。

標(biāo)準(zhǔn)差計(jì)算公式為：

風(fēng)險度計(jì)算公式為：

2　灰色風(fēng)險率計(jì)算

我們把風(fēng)險率和風(fēng)險度的計(jì)算納入灰色系統(tǒng)中得到灰色風(fēng)險分析模型。突水事件?的概率P（）的表達(dá)式為：

或

3　灰色風(fēng)險度計(jì)算

或

其方差公式為：

其中

灰色突水事件A?的灰色風(fēng)險度公式為：

4　突水灰色風(fēng)險評價

新陽煤礦在采的煤層有上組煤1號、2號、3號煤層，下組煤9號、10號、11號煤層，上組煤主要受頂板突水的威脅，下組煤主要受底板突水的威脅，本次為了更加準(zhǔn)確地預(yù)測井田突水風(fēng)險性，將上組煤突水風(fēng)險性和下組煤突水風(fēng)險性分開評價。

4.1上組煤頂板突水風(fēng)險性評價

為了評價礦井突水危險區(qū)上組煤頂板突水的風(fēng)險，我們統(tǒng)計(jì)了在巷道掘進(jìn)和工作面開采過程中發(fā)生的上組煤頂板突水事件，根據(jù)統(tǒng)計(jì)，受小斷層或采動導(dǎo)水破壞帶的影響，頂板常見小于10m3/h的突水，但這些小型突水基本不會對礦井安全造成影響；受較大斷層或?qū)严队绊懀敯蹇梢姶笥?0m3/h小于50 m3/h的突水事件，根據(jù)發(fā)生位置和情況不同，一般不會對礦井安全造成影響或個別地方影響較大，但仍在可控范圍內(nèi)；受較大斷層或?qū)严队绊懀敯迮家姶笥?0m3/h小于100m3/h的突水事件，根據(jù)發(fā)生位置和情況不同，一般影響較大但可控或個別會造成突水事故；受大斷層或異常導(dǎo)水裂隙影響，頂板少見大于100 m3/h小于200 m3/h的突水事件或大于200 m3/h的突水事件，這些事件均可造成突水事故。應(yīng)用灰色風(fēng)險計(jì)算模型對新陽井田上組煤頂板突水影響程度作出評價，見表1。

表1 頂板突水量區(qū)間及其概率

根據(jù)危險區(qū)以往發(fā)生上組煤頂板突水的實(shí)際情況統(tǒng)計(jì)，定義底板突水灰色事件。

A?=（0，0）/6+（0，0.5）/30+（0.5，1）/80+（1，1）/150+ （1，1）/300.

由灰色風(fēng)險率計(jì)算公式

由

由

由計(jì)算可知，新陽井田在上組煤頂板突水風(fēng)險率為0.225，即頂板發(fā)生突水的可能性為22.5%；突水風(fēng)險度為0.556，即發(fā)生突水后造成事故的可能性為55.6%。

4.2下組煤底板突水風(fēng)險性評價

為了評價礦井突水危險區(qū)下組煤底板的突水風(fēng)險，我們統(tǒng)計(jì)了在巷道掘進(jìn)和工作面開采過程中發(fā)生的底板突水事件，根據(jù)統(tǒng)計(jì)，受小斷層或采動導(dǎo)水破壞帶的影響，底板常見小于10 m3/h的突水，但這些小型突水基本不會對礦井安全造成影響；受較大斷層或?qū)严队绊懀装蹇梢姶笥?0m3/h小于100m3/h的突水事件，根據(jù)發(fā)生位置和情況不同，一般不會對礦井安全造成影響或個別地方影響較大，但仍在可控范圍內(nèi)；受較大斷層或?qū)严队绊懀装迮家姶笥?00m3/h小于200m3/h的突水事件，根據(jù)發(fā)生位置和情況不同，一般影響較大但可控或個別會造成突水事故；受大斷層或異常導(dǎo)水裂隙影響，底板少見大于200m3/h小于400m3/h的突水事件或大于400m3/h的突水事件，這些突水事件均可造成突水事故。應(yīng)用灰色風(fēng)險計(jì)算模型對新陽井田下組煤底板帶壓區(qū)內(nèi)受奧陶系灰?guī)r發(fā)生突水影響程度作出評價，見表2。

表2　底板突水量區(qū)間及其概率

根據(jù)危險區(qū)以往發(fā)生底板突水的實(shí)際情況統(tǒng)計(jì)，定義底板突水灰色事件?。

由灰色風(fēng)險率計(jì)算公式

由

由

由計(jì)算可知，新陽井田在下組煤底板帶壓區(qū)內(nèi)，突水風(fēng)率為0.35，即底板發(fā)生突水的可能性為35%；突水風(fēng)險度為0.633 2，即發(fā)生突水后造成事故的可能性為63.32%。因此井田發(fā)生底板突水的風(fēng)險是較大的。

5　結(jié)論

本論文應(yīng)用灰色風(fēng)險評價模型對井田上組煤頂板及下組煤底板突水進(jìn)行了突水風(fēng)險性和突水風(fēng)險度的評價。根據(jù)評價，新陽井田在上組煤頂板突水風(fēng)險率為0.225；突水風(fēng)險度為0.556。新陽井田在下組煤底板突水風(fēng)險率為0.35；突水風(fēng)險度為0.633 2。井田下組煤發(fā)生底板突水的風(fēng)險大于上組煤發(fā)生頂板突水的威脅，因此如在防治水預(yù)算有限的情況下，防治水規(guī)劃中應(yīng)優(yōu)先加強(qiáng)下組煤底板突水的防治。

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（編輯：楊鵬）

中圖分類號：TD 713

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1672-5050（2016）03-017-05

DOI：10.3969/j.cnki.issn1672-5050sxm t.2016.06.005

收稿日期：2016-01-18

作者簡介：周科（1984-），男，山東肥城人，碩士，工程師，從事水文地質(zhì)勘探研究。

Grey-risk Assessment ofW ater Inrush in Xinyang M ine

ZHOU Ke
（Geoexploration Institute of Hydrogeological Engineering and Geological Environment，China National Administration of Coal Geology，Handan 056004，China）

Abstract：The water inrush of the roof of upper coal group and the floor of lower coal group in Xinyangwas studied.By statistic analysis on previouswater inrush cases，risk rate and degree evaluation and grey evaluationwere combined toestablish a statisticmodel，which wasused to predictand assess the water inrush risk rate and degree of the roof of the upper group and the floor of the lower group.The evaluation showed that the floorwater inrush riskwas larger than the roofwater inrush risk.

Keywords：water inrush risk；water inrush risk rate；water inrush risk degree