基于多點統(tǒng)計的煤田巖溶塌陷預(yù)測方法研究

陳亞萍

（蘭州資源環(huán)境職業(yè)技術(shù)大學(xué)，甘肅蘭州 730022）

巖溶地貌又稱喀斯特地貌，在我國分布比較廣泛，是以水對碳酸鹽巖、石灰?guī)r、石膏等可溶性巖石的化學(xué)性溶蝕為主，以流水的沖刷、潛蝕為輔而形成的地質(zhì)容貌。由于煤田地下巖溶發(fā)育地區(qū)巖土地質(zhì)結(jié)構(gòu)比較脆弱，再加上人類地質(zhì)活動向地下巖溶發(fā)育地區(qū)巖土地質(zhì)結(jié)構(gòu)施加壓力，導(dǎo)致煤田巖溶塌陷發(fā)生。通常情況下煤田巖溶塌陷具有立即性、隨機性、可預(yù)測性等特點，巖溶塌陷的發(fā)生會影響到煤田開采工程進度和成本，同時也會影響到施工人員人身安全，因此對煤田巖溶塌陷預(yù)測是非常有必要的。現(xiàn)行的預(yù)測方法有基于層次分析法的煤田巖溶塌陷預(yù)測方法，該方法是以層次分析法為理論依據(jù)，根據(jù)煤田巖溶監(jiān)測數(shù)據(jù)對巖溶塌陷發(fā)生概率進行分析。由于傳統(tǒng)方法選取的預(yù)測因子不夠全面，需要對預(yù)測因子進行逐層分析才能得出最終的預(yù)測結(jié)果，預(yù)測過程比較復(fù)雜，導(dǎo)致傳統(tǒng)方法準(zhǔn)確率較低，已經(jīng)無法滿足煤田巖溶塌陷預(yù)測在精度方面的需求，為此提出基于多點統(tǒng)計的煤田巖溶塌陷預(yù)測方法研究。

1 煤田巖溶塌陷形成機理

由于煤田巖溶發(fā)育地區(qū)地質(zhì)環(huán)境不同，誘發(fā)巖溶塌陷的因素不同，會使煤田巖溶發(fā)育地區(qū)產(chǎn)生不同的受力情況，從而導(dǎo)致不同程度的巖溶塌陷發(fā)生。但是通常情況下，煤田巖溶塌陷的發(fā)生與生成主要是受到一種主導(dǎo)機制影響，多種力學(xué)機制相互耦合的結(jié)果。圖1為煤田巖溶塌陷形成機理示意圖。

圖1 煤田巖溶塌陷形成機理示意圖

如上圖所示，煤田巖土覆蓋層下覆含有溶洞或者裂縫的基巖，并且煤田地下水含水層位于該覆蓋層處，煤田地下水地質(zhì)結(jié)構(gòu)與巖土覆蓋層巖溶發(fā)育地質(zhì)結(jié)構(gòu)相互重合，由此構(gòu)成了煤田巖溶塌陷的基本形成條件。在煤田巖土覆蓋層處的溶洞或者裂縫，受到周圍地下水的潛蝕作用影響，溶洞和裂縫面積逐漸增大[1]。

2 基于多點統(tǒng)計的煤田巖溶塌陷預(yù)測方法設(shè)計

2.1 煤田巖溶塌陷預(yù)測因子選取與分析

對煤田巖溶塌陷形成機理分析可以得出，煤田巖溶塌陷影響因素主要包括地下水潛蝕、崩解、真空吸蝕[2-3]，因此選取該三個因素作為煤田巖溶塌陷預(yù)測因子。根據(jù)太沙基平衡原理，導(dǎo)致煤田巖溶塌陷橫向潛蝕作用形成的水力梯度計算如下：

式中，j表示導(dǎo)致煤田巖溶塌陷橫向潛蝕作用形成的水力梯度；G表示煤田巖土覆蓋層土顆粒比重；n表示煤田巖土覆蓋層土體的孔隙度[4]。

由達西定律可知，地下水縱向潛蝕與地下水流速和水力坡度相關(guān)，其計算公式如下：

式中，jz表示煤田巖溶縱向潛蝕力；k表示煤田巖土覆蓋層滲透系數(shù)；s表示煤田巖土覆蓋層地下水流速；d表示煤田巖土覆蓋層縱向水力坡度[5]。根據(jù)煤田巖溶覆蓋層地下水原始流速，計算其煤田巖溶縱向潛蝕動能變化量：

式中，ΔE表示煤田巖溶縱向潛蝕動能變化量；m表示煤田巖土覆蓋層地下水質(zhì)量；v1表示煤田巖土覆蓋層地下水最大流速；v2表示煤田巖土覆蓋層地下水原始流速[6]。

2.2 煤田巖溶塌陷預(yù)測因子數(shù)據(jù)采集

對于煤田巖溶塌陷的預(yù)測是以上文選取的預(yù)測因子的真實數(shù)據(jù)為依據(jù)，此次根據(jù)實際需求，利用可控源音頻大地電磁法對預(yù)測因子數(shù)據(jù)進行采集[9]。利用地下煤田巖溶區(qū)域內(nèi)地下水、巖土等不同介質(zhì)的導(dǎo)電率，測量一次場電位與磁場強度變化，根據(jù)卡格尼阿理論，計算出煤田巖溶區(qū)域內(nèi)不同介質(zhì)的電阻率，其計算公式如下：

式中，emin表示電磁信號最小收發(fā)距離；emax表示磁信號最大收發(fā)距離；I表示V8多功能電磁儀供電電流；dl表示V8多功能電磁儀供電偶極長度；β表示V8多功能電磁儀測線角度；Rmin表示在給定噪聲下V8多功能電磁儀磁探頭能觀測到的最小電場。根據(jù)上述公式計算結(jié)果設(shè)定V8多功能電磁儀電磁信號收發(fā)距離參數(shù)，為后續(xù)基于多點統(tǒng)計分析煤田巖溶塌陷概率提供數(shù)據(jù)依據(jù)。

2.3 基于多點統(tǒng)計估算煤田巖溶塌陷概率

以采集到的預(yù)測因子數(shù)據(jù)作為數(shù)據(jù)依據(jù)，利用多點統(tǒng)計方法對預(yù)測因子進行分析，將煤田巖溶塌陷作為多點統(tǒng)計的“數(shù)據(jù)事件”，公式表示如下：

式中，d(u)表示多點統(tǒng)計數(shù)據(jù)事件，即煤田巖溶塌陷；i(ua)表示數(shù)據(jù)模板上向量所在位置的狀態(tài)值；SKa表示數(shù)據(jù)模板上的向量屬性；a表示可取的狀態(tài)值數(shù)量。

2.4 預(yù)估煤田巖溶塌陷程度及危險性

此次結(jié)合實際需求，對于描述煤田巖溶塌陷程度設(shè)定了一級、二級、三級、四級五級五個等級，多點統(tǒng)計分析結(jié)果在0%～20%，發(fā)生煤田巖溶塌陷可能性非常小，塌陷程度為一級，所帶來的危險性也非常低；多點統(tǒng)計分析結(jié)果在20%～40%，發(fā)生煤田巖溶塌陷可能性比較小，塌陷程度為二級，所帶來的危險性也比較低；多點統(tǒng)計分析結(jié)果在40%～60%。

3 實驗論證分析

以某煤田巖溶為實驗對象，該煤田巖溶區(qū)域面積為1 643.16m2，溶洞數(shù)量為25個，裂縫數(shù)量為43條，巖溶巖土結(jié)構(gòu)為蜂窩狀、支架狀，巖土成分為蒙脫石、石英石，熔巖發(fā)育區(qū)域經(jīng)常發(fā)生塌陷，利用設(shè)計方法與傳統(tǒng)方法對該煤田巖溶塌陷進行預(yù)測。實驗準(zhǔn)備了五臺V8多功能電磁儀，布置了10條測線，100個測點，測線方位為110°，測線長度為1 250m，測點間距為45m，V8多功能電磁儀供電偶極位于測線以南大約5.5km 的地方，供電偶極極長為985m，根據(jù)式（8）計算出電磁信號最小收發(fā)距離為154m，電磁信號最大收發(fā)距離975m，結(jié)合實際情況將電磁信號收發(fā)間距參數(shù)設(shè)定為462m。將該煤田巖溶發(fā)育區(qū)域分成8個測區(qū)，利用V8多功能電磁儀測量的相關(guān)數(shù)據(jù)總量為364.52GB，具體如表2所示。

根據(jù)表1對預(yù)測因子與子因子進行計算和分析，并建立數(shù)據(jù)模板與二維訓(xùn)練圖像，對每個測區(qū)煤田巖溶塌陷概率進行計算，最終確定塌陷程度和危險性。實驗對每個測區(qū)進行巖溶塌陷預(yù)測，使用OHSF 軟件對兩種方法預(yù)測結(jié)果與實際情況進行對比分析，計算出兩種方法準(zhǔn)確率，將其作為檢驗兩種方法可行性的指標(biāo)，具體如表2所示。

表1 煤田巖溶觀測數(shù)據(jù)表

表2 兩種方法準(zhǔn)確率對比（%）

從表2可以看出，設(shè)計方法預(yù)測準(zhǔn)確率均在99%以上，預(yù)測結(jié)果基本與實際情況相符，遠高于傳統(tǒng)方法，因此實驗結(jié)果證明了設(shè)計方法具有較高的預(yù)測精度，在該方面優(yōu)于傳統(tǒng)方法，更適用于煤田巖溶塌陷預(yù)測。

4 結(jié)束語

煤田巖溶塌陷預(yù)測是確保煤田開采工作安全有序進行的重要保障，此次針對傳統(tǒng)方法在實踐中存在的問題，利用多點統(tǒng)計方法提出了一個新的媒體巖溶塌陷預(yù)測思路，并利用實驗論證了該思路的可行性與可靠性，此次研究對提高煤田巖溶塌陷預(yù)測精度具有重要的現(xiàn)實意義。