基于灰色模糊法的煤層底板突水危險性評價

李 巖，李光霽，2，周盛全

(1.安徽省煤田地質局第三勘探隊， 安徽宿州234000； 2.安徽理工大學地球與環境學院， 安徽淮南232001； 3.安徽理工大學土木建筑學院，安徽淮南232001)

基于灰色模糊法的煤層底板突水危險性評價

李 巖1，李光霽1，2，周盛全3

(1.安徽省煤田地質局第三勘探隊， 安徽宿州234000； 2.安徽理工大學地球與環境學院， 安徽淮南232001； 3.安徽理工大學土木建筑學院，安徽淮南232001)

灰色模糊理論逐漸成為煤層底板灰巖水突水危險性評價應用廣泛的方法,基于煤層底板突水影響因素的確定，綜合考慮地質構造發育、巖溶裂隙、含、隔水層發育與灰巖含水層厚度5個主控因素作為具體指標，對孫疃煤礦礦10煤層底板突水危險性進行評價，并對比以往生產揭露情況與分區結果，驗證了分區的合理性。

灰色模糊評價； 底板突水； 疊加分析； 孫疃煤礦

1 引言

底板突水是影響煤礦安全開采的重要因素，其預測與評價方法眾多，如突水系數-涌水量法、脆弱性指數法、五圖-雙預測法等[1-4]。這些評價方法雖各有特點，但均存在一些自身的缺點和不足。例如模糊數學方法的評價結果是由評價參數中某一隸屬度最大者或權重最大者決定的，卻忽略了其余“次要”參數的作用，可能出現不合理結果。在實際的煤層開采過程中，底板含水層因受局部地質因素影響而使得其變化具有明顯的灰色性，而灰色系統化理論[5]在處理復雜的非線性和不確定性的問題上具有明顯的優勢。以孫疃煤礦10煤層底板為例，在對底板含水層水文地質條件分析的基礎上，結合灰色系統理論和模糊綜合評價法對10煤突水危險性進行評價，為煤層安全開采提供地質依據。

2 孫疃礦10煤層底板突水影響因素的確定

在煤礦實際開采中地質構造、巖溶發育、底板隔水層發育、底板含水層發育等對底板突水都有較大影響。綜合孫疃煤礦10煤底板的實際情況，選擇并統計孫疃煤礦10煤底板的含水層厚度、巖溶發育程度、斷層發育指標、10煤至太原組一灰間的砂巖含量以及隔水層厚度等做為底板評價塊段的突水危險性評價指標[5]，采用灰色理論與模糊數學相結合建立模型，并基于此對孫疃煤礦10煤底板太原組灰巖突水危險性進行了評價。在研究影響因素與底板突水的關系之前，根據影響因素的本身特性和對底板突水影響大小進行科學量化，轉化為定量因素。

含水層厚度：由勘探及生產階段的鉆孔資料統計與分析，得到孫疃煤礦10煤底板太原組一～四灰含水層總厚度為9.89～25.03 m，平均厚度約20 m。

巖心采取率：勘探和生產鉆孔的灰巖巖心采取率的高低，在一定程度上可以表示巖體破碎度的大小，進而反映裂隙的發育，以及灰巖含水層富水性的好壞，孫疃煤礦鉆探共有35個孔鉆透太原組一灰。

斷裂分維值：10煤底板的斷裂分維值是在底板等高線圖中通過不同評價塊段統計計算出來的數值指標，其含義表示10煤底板斷裂的長度和密度情況，分維值可以反映斷裂與其分支對底板巖體的切割破壞程度。

底板砂巖含量：底板砂巖含量是指10煤底板至太原組一灰頂范圍內的砂巖含量，又稱砂巖率，可以在一定程度反映巖層的儲水量與富水性。

底板有效隔水層厚度：底板有效隔水層厚度越大，一定程度上反映底板阻水能力越強，反之阻水能力越小，突水危險性越強。底板有效隔水層厚度是五項指標中最為重要影響最大的一個，評價結果分區驗證時需要考慮實際揭露的有效隔水層的厚度值，本次評價選取的孫疃煤礦10煤底板各項指標以及各評價塊段指標計算值見表1所示。

表1 各塊段評價指標統計表

3 底板突水危險性評價

在權重計算時綜合考慮灰色關聯分析法的“因素權重”和模糊聚類分析法的“程度權重”相結合的雙權重思想，將此方法應用到煤礦底板突水危險性的評價中。本次將研究區孫疃煤礦10煤底板劃分為60個單元，利用插值法等計算方法統計出每個塊段單元的斷裂分維值，底板含水層的厚度，太原組一灰巖心采取率，底板砂巖含量以及有效隔水層厚度作為研究對象。

建立模型時以斷裂分維值作為組序列(X0≡{X0(1),X0(2),…，X0(n)})，底板隔水層厚度(X1)、砂巖率(X2)、巖心采取率(X3)、含水層厚度(X4)作為子序列。對數據進行歸一化處理后再根據Xi與X0在的關聯度計算公式：

Δi(k)=|X0(k)-Xi(k)| ，ρ為分辨率系數(本次研究選取 =0.5)。則關聯度系數γi為：

將孫疃煤礦10煤底板劃分塊段n為60，對結果進行單位化，得到因素權重αi和各因素灰色關聯度值，見表2。

表2 灰色關聯度分析結果

本次評價的因素集可表示為U={u1，u2，u3，u4,u5}。對評價指標的具體數據結果進行灰色模糊法的統計分析，通過計算機軟件計算得出孫疃煤礦10煤底板突水危險性等級的評價標準,見表3。

設評語集為V={v1,v2,v3,v4，v5}，其中，v1表示安全區；v2表示底板相對安全區；v3表示底板突水威脅區；v4底板突水危險區。把研究區各塊段的參數帶入模糊評價函數得出在第i個塊段中，第j個因素屬于級別k的聚類系數。再分別求出該評價塊段相對于四類等級的聚類系數值σ1[1]、σ1[2]、σ1[3]、σ1[4]，同理求出σ1[2]、σ1[3]、σ1[4]的值，選取四類聚類系數的最大值所對應的等級作為該評價塊段的突水危險性等級。

表3 評價指標等級劃分標準

4 底板突水危險性分區

根據灰色模糊評價法計算出的60個評價塊段聚類系數值，確定出孫疃煤礦10煤底板突水危險性的四個等級的取值范圍，其中，安全區：σ≤0.22；相對安全區： 0.22<σ≤0.28；威脅區：0.28<σ≤0.34；危險區：σ>0.34，得出10煤底板危險性分區的預測結果，再根據所劃分塊段作出孫疃煤礦10煤底板突水危險性預測的分區圖，如圖1所示。

圖1 孫疃煤礦10煤底板突水預測分區圖

由圖1的預測分區圖可知，孫疃煤礦10煤底板太原組突水危險性等級主要有三個等級，即突水危險區、突水威脅區和相對安全區。其中的相對安全區和突水威脅區又占到整個礦區10煤底板面積的80%左右。孫疃煤礦10煤底板的突水危險區主要分布在靠近張家斷層(56號塊段)區域和近劉家斷層(32號塊段)附近以及斷裂構造較發育部位；安全區主要分布于單元37、38及附近區域；其它區域內相對安全區和威脅區相比面積相同。雖然評價結果41至49塊段點處于相對安全區，但是因為該范圍內的底板有效隔水層的厚度相對較小，而且斷裂構造相對較為發育，因此在此類塊區域需重點進行探查分析。

5 結論

通過對孫疃煤礦10煤層底板突水危險性的模糊評價，將10煤底板突水危險性影響因素無量綱化后選取因素權重相比較，確定并研究了影響孫疃煤礦10煤層底板太原組灰巖突水的主要因素即：斷裂分維值、含水層厚度、有效隔水層厚度、灰巖巖心采取率、底板砂巖含量。文章將灰色理論的量化結果與模糊數學的綜合評判法相結合，既能克服因傳統評價方法中的專家個人見解偏差，又能避免單純的數學方法中的模糊不確定性帶來的不準確性和產生的誤差，把灰色模糊法應用到煤礦煤層底板灰巖水突出危險的綜合評價，并與實際的勘查和以往生產揭露情況進行了對比，分區評價結果切合實際。

[1] 楊曉彤.楊柳煤礦太原組灰巖含水層富水性特征及突水危險性評價[M].淮南：安徽理工大學, 2014.

[2] 楊華澤, 郭琳, 王騰輝.楊柳煤礦太原組灰巖含水層突水危險性評價[J].地下水, 2015(2):49-52.

[3] 鄭飛.孫疃礦104采區底板灰巖含水層富水性特征及安全評價[M].淮南：安徽理工大學, 2013.

[4] 張忠文.青東煤礦10煤層底板巖體結構特征及突水危險性研究[M].淮南：安徽理工大學, 2014.

[5] 陶軍.淺談煤層底板突水理論研究現狀[J].科技信息,2010(34):754.

Water Inrush Risk Evaluation of Coal Seam Floor Based on Grey Fuzzy Theory

LI Yan1,LI Guangji1,2,ZHOU Shengquan3

(1.Third prospecting team of Anhui Coal Geology Bureau, SuzhouJiangsu234000; 2. Department of Earth and Environment, Anhui University of Science and Technology, HuainanAnhui232001;3.Department of Civil Engineering and Architecture, Anhui University of Science and Technology, HuainanAnhui232001)

This paper introduces a comprehensive method to evaluate the coal seam floor water inrush risk based on grey fuzzy theory. Water inrush risk evaluation of the No.10 coal seam at Yangliu mine was studied with 5 main controlling factors of water inrush: the geological structure, karst fissures, the growth of aquifer, the growth of aquifuge, and the thickness of limestone aquifer as evaluation indexes. The result was compared with previous disclosure processes. It was proved that divisions are reasonable.

grey fuzzy comprehensive evaluation; water inrush from seam floor； overlay analysis；Suntuan coalmine

2016-11-20

安徽省高校自然科學基金(項目編號：KJ2016SD19)

李巖(1981-)男，安徽五河人，工程師，研究方向為工程地質勘探，電話：13955708255。

TD745

B

1671-4733(2016)06-0008-03

10.3969/j.issn.1671-4733.2016.06.003