基于灰色模糊法的煤层底板突水危险性评价

李 岩，李光霁，2，周盛全

(1.安徽省煤田地质局第三勘探队， 安徽宿州234000； 2.安徽理工大学地球与环境学院， 安徽淮南232001； 3.安徽理工大学土木建筑学院，安徽淮南232001)

基于灰色模糊法的煤层底板突水危险性评价

李 岩1，李光霁1，2，周盛全3

(1.安徽省煤田地质局第三勘探队， 安徽宿州234000； 2.安徽理工大学地球与环境学院， 安徽淮南232001； 3.安徽理工大学土木建筑学院，安徽淮南232001)

灰色模糊理论逐渐成为煤层底板灰岩水突水危险性评价应用广泛的方法,基于煤层底板突水影响因素的确定，综合考虑地质构造发育、岩溶裂隙、含、隔水层发育与灰岩含水层厚度5个主控因素作为具体指标，对孙疃煤矿矿10煤层底板突水危险性进行评价，并对比以往生产揭露情况与分区结果，验证了分区的合理性。

灰色模糊评价； 底板突水； 叠加分析； 孙疃煤矿

1 引言

底板突水是影响煤矿安全开采的重要因素，其预测与评价方法众多，如突水系数-涌水量法、脆弱性指数法、五图-双预测法等[1-4]。这些评价方法虽各有特点，但均存在一些自身的缺点和不足。例如模糊数学方法的评价结果是由评价参数中某一隶属度最大者或权重最大者决定的，却忽略了其余“次要”参数的作用，可能出现不合理结果。在实际的煤层开采过程中，底板含水层因受局部地质因素影响而使得其变化具有明显的灰色性，而灰色系统化理论[5]在处理复杂的非线性和不确定性的问题上具有明显的优势。以孙疃煤矿10煤层底板为例，在对底板含水层水文地质条件分析的基础上，结合灰色系统理论和模糊综合评价法对10煤突水危险性进行评价，为煤层安全开采提供地质依据。

2 孙疃矿10煤层底板突水影响因素的确定

在煤矿实际开采中地质构造、岩溶发育、底板隔水层发育、底板含水层发育等对底板突水都有较大影响。综合孙疃煤矿10煤底板的实际情况，选择并统计孙疃煤矿10煤底板的含水层厚度、岩溶发育程度、断层发育指标、10煤至太原组一灰间的砂岩含量以及隔水层厚度等做为底板评价块段的突水危险性评价指标[5]，采用灰色理论与模糊数学相结合建立模型，并基于此对孙疃煤矿10煤底板太原组灰岩突水危险性进行了评价。在研究影响因素与底板突水的关系之前，根据影响因素的本身特性和对底板突水影响大小进行科学量化，转化为定量因素。

含水层厚度：由勘探及生产阶段的钻孔资料统计与分析，得到孙疃煤矿10煤底板太原组一～四灰含水层总厚度为9.89～25.03 m，平均厚度约20 m。

岩心采取率：勘探和生产钻孔的灰岩岩心采取率的高低，在一定程度上可以表示岩体破碎度的大小，进而反映裂隙的发育，以及灰岩含水层富水性的好坏，孙疃煤矿钻探共有35个孔钻透太原组一灰。

断裂分维值：10煤底板的断裂分维值是在底板等高线图中通过不同评价块段统计计算出来的数值指标，其含义表示10煤底板断裂的长度和密度情况，分维值可以反映断裂与其分支对底板岩体的切割破坏程度。

底板砂岩含量：底板砂岩含量是指10煤底板至太原组一灰顶范围内的砂岩含量，又称砂岩率，可以在一定程度反映岩层的储水量与富水性。

底板有效隔水层厚度：底板有效隔水层厚度越大，一定程度上反映底板阻水能力越强，反之阻水能力越小，突水危险性越强。底板有效隔水层厚度是五项指标中最为重要影响最大的一个，评价结果分区验证时需要考虑实际揭露的有效隔水层的厚度值，本次评价选取的孙疃煤矿10煤底板各项指标以及各评价块段指标计算值见表1所示。

表1 各块段评价指标统计表

3 底板突水危险性评价

在权重计算时综合考虑灰色关联分析法的“因素权重”和模糊聚类分析法的“程度权重”相结合的双权重思想，将此方法应用到煤矿底板突水危险性的评价中。本次将研究区孙疃煤矿10煤底板划分为60个单元，利用插值法等计算方法统计出每个块段单元的断裂分维值，底板含水层的厚度，太原组一灰岩心采取率，底板砂岩含量以及有效隔水层厚度作为研究对象。

建立模型时以断裂分维值作为组序列(X0≡{X0(1),X0(2),…，X0(n)})，底板隔水层厚度(X1)、砂岩率(X2)、岩心采取率(X3)、含水层厚度(X4)作为子序列。对数据进行归一化处理后再根据Xi与X0在的关联度计算公式：

Δi(k)=|X0(k)-Xi(k)| ，ρ为分辨率系数(本次研究选取 =0.5)。则关联度系数γi为：

将孙疃煤矿10煤底板划分块段n为60，对结果进行单位化，得到因素权重αi和各因素灰色关联度值，见表2。

表2 灰色关联度分析结果

本次评价的因素集可表示为U={u1，u2，u3，u4,u5}。对评价指标的具体数据结果进行灰色模糊法的统计分析，通过计算机软件计算得出孙疃煤矿10煤底板突水危险性等级的评价标准,见表3。

设评语集为V={v1,v2,v3,v4，v5}，其中，v1表示安全区；v2表示底板相对安全区；v3表示底板突水威胁区；v4底板突水危险区。把研究区各块段的参数带入模糊评价函数得出在第i个块段中，第j个因素属于级别k的聚类系数。再分别求出该评价块段相对于四类等级的聚类系数值σ1[1]、σ1[2]、σ1[3]、σ1[4]，同理求出σ1[2]、σ1[3]、σ1[4]的值，选取四类聚类系数的最大值所对应的等级作为该评价块段的突水危险性等级。

表3 评价指标等级划分标准

4 底板突水危险性分区

根据灰色模糊评价法计算出的60个评价块段聚类系数值，确定出孙疃煤矿10煤底板突水危险性的四个等级的取值范围，其中，安全区：σ≤0.22；相对安全区： 0.22<σ≤0.28；威胁区：0.28<σ≤0.34；危险区：σ>0.34，得出10煤底板危险性分区的预测结果，再根据所划分块段作出孙疃煤矿10煤底板突水危险性预测的分区图，如图1所示。

图1 孙疃煤矿10煤底板突水预测分区图

由图1的预测分区图可知，孙疃煤矿10煤底板太原组突水危险性等级主要有三个等级，即突水危险区、突水威胁区和相对安全区。其中的相对安全区和突水威胁区又占到整个矿区10煤底板面积的80%左右。孙疃煤矿10煤底板的突水危险区主要分布在靠近张家断层(56号块段)区域和近刘家断层(32号块段)附近以及断裂构造较发育部位；安全区主要分布于单元37、38及附近区域；其它区域内相对安全区和威胁区相比面积相同。虽然评价结果41至49块段点处于相对安全区，但是因为该范围内的底板有效隔水层的厚度相对较小，而且断裂构造相对较为发育，因此在此类块区域需重点进行探查分析。

5 结论

通过对孙疃煤矿10煤层底板突水危险性的模糊评价，将10煤底板突水危险性影响因素无量纲化后选取因素权重相比较，确定并研究了影响孙疃煤矿10煤层底板太原组灰岩突水的主要因素即：断裂分维值、含水层厚度、有效隔水层厚度、灰岩岩心采取率、底板砂岩含量。文章将灰色理论的量化结果与模糊数学的综合评判法相结合，既能克服因传统评价方法中的专家个人见解偏差，又能避免单纯的数学方法中的模糊不确定性带来的不准确性和产生的误差，把灰色模糊法应用到煤矿煤层底板灰岩水突出危险的综合评价，并与实际的勘查和以往生产揭露情况进行了对比，分区评价结果切合实际。

[1] 杨晓彤.杨柳煤矿太原组灰岩含水层富水性特征及突水危险性评价[M].淮南：安徽理工大学, 2014.

[2] 杨华泽, 郭琳, 王腾辉.杨柳煤矿太原组灰岩含水层突水危险性评价[J].地下水, 2015(2):49-52.

[3] 郑飞.孙疃矿104采区底板灰岩含水层富水性特征及安全评价[M].淮南：安徽理工大学, 2013.

[4] 张忠文.青东煤矿10煤层底板岩体结构特征及突水危险性研究[M].淮南：安徽理工大学, 2014.

[5] 陶军.浅谈煤层底板突水理论研究现状[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

安徽省高校自然科学基金(项目编号：KJ2016SD19)

李岩(1981-)男，安徽五河人，工程师，研究方向为工程地质勘探，电话：13955708255。

TD745

B

1671-4733(2016)06-0008-03

10.3969/j.issn.1671-4733.2016.06.003