底板突水影响因素评价新方法——无量纲信息融合法

李忠建，魏久传，尹会永，徐建国，施龙青，张 彬

（1.山东科技大学地质科学与工程学院，山东 青岛266510；2.兖矿集团有限公司，山东 济宁272100；3.山东科技大学信息科学与工程学院，山东 青岛266510）

随着煤田开发范围的扩大、煤矿开采深度的增加，以及煤田水文地质条件的复杂化，煤层底板突水事故时有发生，严重制约了矿井的安全生产。因此，急需对煤层底板突水危险性进行正确评价，而影响底板突水的影响因素众多，如何评价各影响因素的影响程度，是合理评价突水危险性的关键。目前，评价煤层底板突水危险性的理论和方法众多，形成的主要理论和方法有：突水系数法[1]、“下三带”理论[2]、多源信息融合法[3]、神经网络法[4]、“四带”划分理论[5]、脆弱性指数法[6]]等，但均未给出底板突水影响因素的影响程度评价。

多源信息复合，可以把多个相关因素的信息层复合成一个信息层，使所生成的信息存储层中包含所有相关因素的信息，然后构造数学模型，对各个因素的有关数据进行运算和分析。无量纲处理方法，是为消除量纲影响，使评价指标可比、可加。将原始数值经特定运算变换为新值，即通过数学变换消除原始数据量纲影响[7，8]。本文有机融合多源信息复合法和无量纲处理方法，提出了无量纲信息融合法。在系统分析南屯煤矿下组煤开采水文地质资料及底板突水影响因素的基础上，应用无量纲信息融合法评价各影响因素，定量评价各影响因素的影响程度，为正确评价南屯煤矿下组煤开采底板突水危险性评价提供有力依据，对制定奥灰水防治措施具有一定的指导意义，对其他各矿评价底板突水影响因素具有普遍指导意义。

1 矿井地质及水文地质概况

南屯井田为一走向近东西、第四系覆盖的全隐蔽式井田，位于兖州向斜的南翼，总体呈单斜构造，但井田东北部、东部存在多个褶曲，幅度较大的为219号孔附近向斜，其余褶曲幅度均较小。煤层最深处位于井田东北角，东、西、北三面分别被峄山、马家楼和皇甫断层所截，南面为煤层隐伏露头区。

井田主要含煤地层为石炭～二叠系地层，其基底为奥陶系灰岩，煤系之上覆盖有上侏罗统紫红色砂岩和较厚的第四系。井田内地层由上至下为第四系、侏罗系、石炭～二叠系、奥陶系。

井田影响矿井生产主要含水层自上而下为：第四系下组砂层、侏罗系砂岩、3煤顶板砂岩、三灰、十下灰、十三灰、十四灰和奥灰，各含水层主要接受第四系下部孔隙水渗透补给。十三灰和十四灰含水层为下组煤开采时的间接充水含水层。奥灰含水层浅部溶穴裂隙较发育，含水丰富，属溶穴裂隙承压水。奥灰富水性强、水压大，是影响矿井下组煤开采的主要含水层。

2 影响因素分析

我国煤矿突水灾害之所以非常严重，是自然地质条件和人为开采综合影响的结果[9]。影响底板突水的因素是多方面的，主要包括：含水层水头压力、隔水层厚度、地质构造、含水层的富水性、矿山压力及地应力等。如何综合考虑各种影响因素进行突水危险性评价，对安全承压开采起到重要作用。针对南屯煤矿下组煤开采受奥灰岩溶水威胁的实际条件，本文以开采16上煤为例，着重分析奥灰含水层水头压力、隔水层厚度、地质构造、奥灰含水层的富水性等四个影响因素。

2.1 奥灰水压

根据南屯煤矿奥灰观测孔多年水位资料分析，矿区奥灰水位变化较大，多数奥灰观测孔的水位变化趋势基本一致。矿区水压分布特点：对于研究16上煤开采奥灰水压而言，从整体上看，水压由东部至西部渐小，由北部至南部渐小。奥灰水压变化较大：在矿区北部钻孔O2-8附近水压最小，只有4.4 MPa；在矿区北部钻孔O2-10附近水压最大，可达7.9 MPa。水压变化范围：4.4～7.9 MPa，平均水压为5.6 MPa。

2.2 隔水层厚度

根据南屯煤矿钻孔资料统计，16上煤开采奥灰隔水层厚度呈现中部高、四周低的特点。在矿区中部钻孔O2x-6附近，隔水层厚度最大，可达103.7 m；而矿区东部和南部相对较小，东部的钻孔O2-12和南部的钻孔O2-1、O2x-1、O2-6均小于70 m。最小值在钻孔O2-6附近，只有62.7 m。隔水层厚度范围：62.7～103.7 m，平均厚度为75.9 m。

2.3 地质构造

南屯井田位于兖州向斜南翼，总体呈向北倾的单斜构造。煤层最深处位于井田东北角，东、西、北三面分别被峄山、马家楼和皇甫断层所截，南面为煤层隐伏露头区。全井田波状起伏和宽缓褶曲比较发育。地层倾角变化，一方面由浅部向深部逐渐增大，另一方面，向东部也逐渐增大。总的来说，井田中西部构造比较简单，断层稀少，一般发育次一级褶曲及小断层，而井田东部构造复杂，断裂发育，断差也大，断层走向多变，并伴有较大幅度的褶曲。褶曲轴向呈北东东至近东西向，与区域褶曲轴向基本一致。

2.4 奥灰富水性

井田奥灰富水性强、水压大，是影响矿井下组煤开采的主要含水层。区域厚度450～750m，浅灰～灰褐色，质纯致密坚硬，顶部夹铝质泥岩，浅部溶穴裂隙较发育，含水丰富，属溶穴裂隙承压水，煤田内单位涌水量0.00209～1.855L/s·m，矿化度0.35～2.948g/L，水质类型为HCO3-·SO42-—Ca2+·Mg2+、SO42-·HCO3-—Ca2+·Mg2+和 SO42-—Na+·Mg2+型，该含水层是下组煤开采时的主要防治对象。

3 无量纲信息融合法评价

3.1 数据标准化

由于各个影响因素的量纲不同，不利于评判，因此需对影响因素进行标准化处理。数据标准化方法有很多种[10]，本次评价利用极差标准化法，将各数据统一在 [0，1]之间。

极差标准化公式为：

式中：xij为 某 因 子 的 实 测 值；max｛ xij｝ （或min｛ xij｝ ）表示同一因子实测值中的最大 （或最小）值。

3.2 多因素定量评价

（1）主要影响因素为：奥灰含水层水头压力、隔水层厚度、地质构造和奥灰含水层的富水性的基础上，利用公式 （1）分别对各影响因素各数据进行标准化处理，然后分别作出各等值线图。评价地质构造复杂程度，首先应用分维值进行量化处理，将矿区按经纬网格划分为64c m×64c m （即1600 m×1600 m）的块段，共24个。在每个块段内，对矿区内落差H＞10 m的断层进行统计，得到r=32c m、16c m、8c m时的N （r）值，将其投放到l g N （r）-l g r坐标系中，得一拟和直线。用最小二乘法解算拟和直线的斜率，其绝对值即为所求块段的相似维，即：

把块段的分维值赋给该块段的中心点，然后再对数据进行标准化处理，绘制出等值线图。

（2）利用突水系数法计算南屯煤矿突水系数（Ts），绘制出矿区16上煤开采奥灰突水系数等值线图 （图1），并对其进行危险性分区评价。评价标准为：安全区：Ts＜0.06 MPa；较危险区：0.06 MPa＜Ts≤0.10 MPa；危险区：Ts＞0.10 MPa。

（3）图1将突水系数＞0.10 MPa的危险区面积与各影响因素等值线图进行信息融合处理，得到危险区与各影响因素信息融合图 （图2，以危险区与水压信息融合图为例）。利用下述公式计算各比重图影响因子：

式中：F-影响因子；Ki-等值线权值；Si-等值线分面积。

同样可以得到 E隔水层厚度=5113448，F富水性=6465882.8，F地质构造=5877643.2 （表1）。因此，F水压＞F富水性＞F地质构造＞F隔水层厚度。

从上述评价结果、图2和表1可以看出：在南屯矿区，16上煤开采奥灰底板突水影响因素的重要性次序为：奥灰含水层水压＞奥灰含水层富水性＞地质构造＞隔水层厚度。因此，奥灰含水层水压在众多因素中占主导作用，而隔水层厚度影响作用最小，究其原因，在于整个矿区隔水层厚度都较大。

图1 矿区危险性分区评价图

图2 危险区与水压信息融合图

表1 影响因子面积表

4 结论

（1）对南屯煤矿下组煤开采底板突水进行了危险性分区评价，并分析了主要影响因素。主要影响因素有：奥灰含水层水头压力、隔水层厚度、地质构造、奥灰含水层的富水性。

（2）在多源信息复合的基础上，提出评价突水影响因素影响程度的新方法——无量纲信息融合法。对影响因素给出了定量评价，确定了其影响程度。

（3）无量纲信息融合法定量评价影响因素的影响程度科学可靠，为正确评价底板突水危险性提供有力依据，对制定底板岩溶水防治措施有一定的指导意义。