基于模糊集对分析法的底板突水危险性评价研究
矿井底板突水危险性评价方法综述
用多源信息复合的方法评价底板突水.王长申、孙亚军等将
[13]
[12]
事故树分析应用于煤矿突水危险
评价。高延法等
[1]
开发了底板突水危险性评价专家系统，使底板突水危险性评价具备了智能化特征。孟召
平等 提出的底板突水地质评价。 综合上述各种评价方法可以看出，底板突水危险性评价首先要确定控制突水的主要因素；然后应用现 代多源信息集成理论和数学理论，建立能够真实描述底板突水的数学模型和评价方法，利用计算机技术将 评价结果可视化； 最后要使得建立的模型和评价方法能够应用于工程实践中， 且概念清晰， 程序简单实用， 操作便利。
������ ℎ
[14]
。
式中，h 为开采煤层与主要充水含水层之间各泥岩厚度之和（m） ；H 为开采煤层与主要充水含水层之间总 厚度（m） 。根据 K 值的大小将煤层底板隔水岩层岩性分为三类，K≥65%为泥岩为主型，35%~65%为砂泥 岩复合型，K＜35%为砂岩为主型。 根据煤层及其底板断裂构造发育程度和工程规模将煤层底板岩层划分为完整结构、块裂结构、碎裂结 构和松散结构四类。 一般来讲， 如果地层因受力弯曲变形越严重， 其破裂程度可能越大， 曲率值也应越高。 因此曲率可以评价因构造弯曲作用而产生的纵张裂缝的发育情况。计算曲率的方法很多，比如主曲率法。 过曲面上某个点上具有无穷个正交曲率，其中存在一条曲线使得该曲线的曲率为极大，这个曲率为极大值 Kmax，垂直于极大曲率面的曲率为极小值 Kmin，这两个曲率属性为主曲率。他们代表着法曲率的极值。其 中极大主曲率的计算方法如下[15]：
2
；
式中：A=2 dx 2 ；B=2 dy 2 ；C=2 dxdy ；D=dx ；E=dy ；z(x，y)=Ax 2 +By 2 +Cxy+Dx+Ey+F 是构造曲面方程。 基于极大主曲率划分煤层底板岩体结构见表 1。
运用突水系数法和模糊聚类法综合评价煤层底板突水危险性
１ 突水因素分析
底板 突水危 险性 评 价 是 一个 涉 及 到 水 文 地 质 、 工程 地质 、 开采条 件 、 岩石力 学 等诸 多 因素 的复杂 问 题 ¨ 。影 响底 板 突水 的因素 主要包 括 ： 质 构造 、 地 底
质 构造 等 ， 价底 板 突水 危 险 性 时 必 须 充分 考 虑 这 评
基金项 目： 国家 自然科学基金 重点资助项 目（ ０３ ０ ０ ； ５ ５ ９ ８ ） 山东省 自然科 学基金资助项 目（ ２ ｏ Ｆ ６ ； Ｙ ０ ７ ４ ） 教育部博 士学科
点专 项 科 研 基 金 资助 项 目（０ ７４ ４ｏ ） ２０ ｏ ２０ ５
突水 系数越 小 ， 水 危 险 性越 小 ； 突 突水 系数 越 大 ， 突 水危 险性越 大 。突水 系数计 算公 式如 下 ：
收 稿 日期 ：０ ９— ４—０ ；０ ９—１ ２ｏ ０ １２０ ０—１ 订 ５修
（ Ｓ 理论 、 Ｋ） 板模型理论 、 神经网络法 、 多源信息融合 法等 Ｊ 。其 中 ， 用 较 为 简 单 与实 用 的是 突水 系 应
数法 。用 突水 系 数法 评 价 煤 层 底 板 突水 危 险性 时 ，
性和岩层组合、 构造系数 、 透水性能和原岩应力等。
承压 水压 力对底 板 隔水层 的作 用 主要 表现 为压 裂扩 容作用 和渗水 软化 作用 Ｊ 。压裂 扩容 作 用是 指
２ 突 水 系数 法 分 析
目前 ， 煤 层 底 板 突 水 危 险性 的理 论 和 方 法 评价
承压水在小 裂 隙 中进 一 步 压 裂岩 体 ， 原有 裂 隙 扩 使
作者简介 ： 李忠建（ ９３ ） １８ 一 ，男 ，浙江永 嘉人 ， 士研 究 博
五图-双系数法在煤矿突水评价中的应用
五图-双系数法在煤矿突水评价中的应用易伟欣【摘要】为安全开采受承压水威胁的一1煤层,分析了郑州矿区大平煤矿主要底板突水因素,并用单一突水系数公式对底板突水进行了预测分区.研究表明,用单一的突水系数公式来预测突水事故并不准确.在突水系数法的基础上,把含水层奥灰岩富水区、矿山压力、大中型断层、小断层密集带等主要突水因素考虑进去,对突水系数法进行修正,用五图-双系数法对大平矿底板突水进行预测分区,其预测结果可以指导煤矿安全开采.【期刊名称】《河南理工大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2013(032)005【总页数】5页(P556-560)【关键词】一1煤层;突水因素;突水系数;五图-双系数法【作者】易伟欣【作者单位】河南理工大学资源环境学院,河南焦作454000【正文语种】中文【中图分类】P641.461为防止发生煤层底板突水事故，煤矿开采前需进行底板突水危险性评价与预测，划分出突水危险区、威胁区、安全区，指导矿井煤层安全开采.在《煤矿防治水规定》中，对底板是否突水的评价方法较多，有突水系数法、脆弱性指数法、地理信息系统法，等等.但在实际应用过程中，以上方法所需数据和参数需通过专门的勘探手段或者实验获得.故本文讨论一种五图-双系数法，直接利用煤矿开采中常用的基本地质资料和数据，对煤层底板是否突水进行评价.郑州矿区大平煤矿由于主采的二1煤层可采储量减少，被评为轻度危机矿山.为解决今后的生存和发展问题，计划开采二1煤层下部的一1煤层，一1煤层的间接底板为较厚的奥陶系灰岩，普遍认为是一个强含水层.但是，一1煤层直接底板本溪组铝土质泥岩隔水层在本区平均厚度只有9.05 m，有些地方更薄甚至消失，而奥灰含水层的水头标高为210 m,开采一1煤层属于典型的带压开采.在高水压、薄隔水层下开采，很有可能发生一1煤层底板突水事故.近年来，对带压开采的底板突水机理和突水因素的研究比较多，普遍认为，带压开采下煤层是否突水主要和含水层发育情况、矿山压力、构造、隔水层发育情况[1]有关.底板水来源于底板下部的奥陶系灰岩含水层中，灰岩是一种可溶解岩，在地下水和CO2的共同作用下，溶解形成岩溶孔洞、裂隙等构成水源的赋存空间，含水层的岩溶发育情况控制着底板水赋存与运移，水源是矿井突水的前提，查明了奥陶系灰岩的岩溶发育规律就能有效防治底板水，含水层的岩溶发育情况在所有的底板突水影响因素中为主要因素，在底板突水评价中占的权重应最大.通过归纳总结大平矿钻孔资料，认为大平矿奥陶系灰岩岩溶发育程度很不均一，垂向上：有的区段钻孔一揭露奥陶系灰岩就大量涌水或漏水，例如矿区西部0702孔在马家沟灰岩底部(标高+7.02 m)大量漏水，另有不少钻孔显示奥灰顶面12 m范围内被铝土质黏土充填，基本无水；有的区段进入奥灰40 m以下才打到富水段，例如，1001孔在冶里组顶部(标高为-40.43 m)遇溶洞，大量漏水，水位标高为+208.63 m，单位涌水量为7.216 L/(s·m)，渗透系数为7.85 m/d.1201孔于标高-40.15 m(冶里组)见溶洞和裂隙，钻孔漏水量9～10.80 m3/h.向下延深奥陶系灰岩溶裂隙越来越少，地下水赋存空间明显减少.在水平方向上：钻孔资料显示，大平矿奥陶系灰岩质地较纯，岩溶发育相对较好，岩溶可见率达到23%，钻孔岩芯中只见有0.10～0.60 m的小溶洞、溶孔,灰岩中溶蚀裂隙、溶孔普遍发育，但是，赋存大量地下水的大溶洞没有发现.岩溶的整体发育规律与构造有很大关系，大平井田构造特征为一轴向近东西的向斜构造，大平井田奥灰含水层的水位在+200～220 m之间，均是南高北低，从南向北径流，到井田东部在折向东，因此，井田向斜北翼水量富于南翼，东部富于西部.这一特点二1煤层回采过程中已经证实.此外，奥灰在向斜的北翼特别是西北部岩溶发育，富水性强.根据大平矿大量钻孔岩心资料、水文、电法勘探资料，表明一1煤层间接底板奥陶系灰岩含水层在垂向、水平方向上具有分带和分区性，并且做出了大平矿奥陶系灰岩含水层富水区带划分图(图略).含水层的发育情况是决定底板突水水量大小、突水时间长短的基本条件.矿山压力为底板突水提供动力，由于煤层采空、顶板放顶，产生采动矿压，使底板岩层的完整性、连续性被破坏，产生大量裂隙、裂缝，导致地下水沿着裂缝、裂隙涌入.底板破坏带的深度主要与煤层开采深度、工作面尺寸、开采方法有关，关系最密切的是工作面尺寸.自然条件不变的情况下，工作面尺寸越大，采动压力越大，底板破坏深度也越大.底板破坏带深度可根据段水云经验公式计算，即0.044 8 α-0.311 3 f，式中:h1为底板破坏带深度，m；L为工作面的倾斜长度，m，选择L为40～120 m；H为煤层开采深度，m；f为底板岩层的坚固系数.在突水系数公式的计算中，一1煤层开采厚度为1.04 m，开采水平分成+150～+100 m，+100～+50 m，+50～±0……-200～-250 m等8个水平.对于选定的工作面斜长来说，公式中L，α，f是已知参数，只有H是变量，因此，破坏带深度实际上是开采深度的函数，两者为线性关系.根据公式计算结果，得出各不同开采斜长的底板保护层破坏深度等值线图(图略).在所有的突水因素中，只有隔水层起着抑制底板水突出的作用.底板水是否突出，隔水层的发育情况至关重要.隔水层厚度越大，岩层强度越大，抵抗底板水突出的能力就越大.大平矿一1煤层的直接底板主要为铝土质泥岩，平均厚度很薄，为9.05 m，厚度发育不均，厚的达20多m,薄的直接缺失.另外，铝土质泥岩岩体为软弱岩层，强度低，抵抗地下高水压的能力有限.整体来说，由于大平矿一1煤层直接底板厚度薄、强度低，增加了一1煤层底板水突出的危险性.根据钻孔数据统计，得出大平矿本溪组铝土质泥岩隔水层厚度等值线图(图略)，从图1中可以看出，铝土质泥岩的厚度分布没有规律，并没有随着深度的加深而变厚的特点，也没有表现出在某一区域厚度大，某一区域厚度小的现象.一1煤层底板隔水层除了铝土质泥岩外，还包括其间所夹薄层灰岩，由于隔水层的岩体强度不同，组合岩性不同，其抵抗水压的性能也不同.等值隔水层是指质量不同而单位厚度相同的两个岩层，在相同的水文地质边界条件下，阻隔水作用相同.隔水层的真正隔水能力，取决于等值隔水层厚度.在煤矿防治水规定中，把1 m厚的泥岩岩层隔水能力作为标准单位隔水层厚度，则铝土质泥岩等值系数为1，当中夹杂的灰岩、砂岩、砾岩等强度较大的岩层取1.3.根据钻孔资料统计，12A-补3，10A-补56这2个钻孔的铝土质泥岩中分别夹有厚度不等的灰岩，由于其厚度薄、不含水且夹杂在铝土质泥岩中，与泥岩一样起着隔水作用.灰岩强度大，隔水性能好，其等值系数取1.3.另外，根据岩芯试样的矿物与化学成分分析结果、奥陶系灰岩露头观察结果和对钻孔岩芯数据统计，铝土质泥岩下部也就是奥陶系顶部有平均厚度为12m的灰岩.由于裂隙、孔洞被上部的泥岩充填，后期被压实、胶结，孔隙度小、致密，具有高强度和低渗透性.由于与铝土质泥岩一样起着隔水作用，可作为隔水层计算其等值隔水层厚度[3-4].根据隔水层的实际厚度和等值系数，等值隔水层厚度计算公式为式中：MD为等值隔水层厚度，m；di为等值系数，铝土质泥岩取1，其他岩类取1.3；Mi为某一岩层的实际厚度.用目前煤炭系统公认的突水系数法[5-6]，对开采一1煤层开采突水危险性进行评价，划分出安全区、威胁区和危险区.根据2009年新颁布的《煤矿防治水规定》中突水系数计算公式为式中：Ts为突水系数，MPa/m；p为底板隔水层承受的水压，MPa；M为底板隔水层厚度，m.该公式虽然简单实用，但很难反映出煤矿实际开采中复杂的底板突水因素和突水机理，所以在《煤矿防治水规定释义》中，提出了可以根据矿区的实际对突水系数公式进行修正的观点，目前常用的突水系数公式为[7-8]式中：MD为有效等值隔水层厚度，m；h1为底板导水破坏深度，m；h3为底板承压水导升高度，m.依据大平矿打到奥灰的47个钻孔、电法勘探等资料的数据，分别对水压p、有效等值隔水层厚度MD、底板导水破坏深度及承压水导升高度h1与h3进行取值和公式计算(略)，得出突水系数Ts.另外，2009年《煤矿防治水规定》还规定了可以用脆弱性指数法、五图-双系数法等方法对煤层底板水害进行评价.其中，五图是指底板保护层破坏深度等值线图、底板保护层厚度等值线图、煤层底板以上水头等值线图、有效保护层厚度等值线图、带压开采评价图.双系数是指带压系数和突水系数.实质上五图-双系数法是把公式Ts=p/(MD-h1-h3)用图件的方式直观表达出来，其参与评价的突水因素是一样的.根据试验结果，每米铝土质泥岩能降低奥灰水水头32 m，相当于能抵抗0.3MPa/m的水头压力.在煤矿开采中，出于安全考虑，实际岩层突水系数取值小于试验值.根据相近矿区河北峰峰、井陉与河南焦作一1煤层底板突水系数的经验值，临界突水系数取0.05～0.1，最小值0.05为临界突水系数，如计算出的突水系数Ts小于0.05，划分为安全区，突水系数Ts大于0.1的区域评价为突水危险区[9-10].鉴于突水系数取值偏于保守，将突水系数Ts为0.05～0.1划分为威胁区.根据突水系数法，得出大平矿一1煤层单一突水系数法突水预测分区图(图略)，结果表明，整个矿区全为突水危险区，无法安全开采，但这个预测结果和大平矿实际水文地质条件情况并不符合，主要原因是由于p取统一的水头压力，导致相应的Ts值偏大.另外，单一突水系数法没有把主要导致突水的因素——富水区分布、大中型突水断层、小断层密集带等都考虑进去，导致预测结果失真.在突水系数公式中，突水系数法把导致底板突水的影响因素如水压、隔水层厚度、隔水层强度、开采水平与采长等都考虑到了，所以突水系数是突水评价综合分区的主要参考依据.但是，突水系数公式中的水压p的取值是根据现在的奥灰水位标高+210 m，把下部奥陶系灰岩看成是一个统一含水层，水压分布均一，水压随开采深度的加深而变大这一观点而取值的.但相邻矿井王庄矿开采一1煤层揭露表明,一1煤层下部奥陶系灰岩富水性极不均一,采掘生产过程中,多次直接揭露奥陶系灰岩,并没有突水现象；大平矿开采二1煤时也具有相同的特点，也就是p值在同一开采水平不可能是一个统一值，在岩溶不发育、不富水、连通性不好的奥陶系灰岩地段p值甚至为0.p值的取值随开采深度的加深而变大这一方法是错误的，p值要通过奥陶系灰岩富水区的划分结果来修正.相邻矿井王庄矿开采一1煤期间共发生过4次底板奥灰突水[11]，4次底板突水通道都是小断层密集带，其中1999年5月31号发生的45081工作面突水事故的最大涌水量为324 m3/h，揭露落差为14 m的F8断层导致出水，矿井总涌水量接近最大排水能力，严重威胁矿井安全生产.小断层密集带是导致一1煤层底板突水的主要因素，突水系数法计算时并没有把这因素考虑进去.另外,大中型断层的透水性也是突水的主要影响因素.因此，在综合突水预测分区中，大中型透水断层、小断层密集带也作为主要考虑因素.底板保护层的厚度是抵抗承压水突水的关键，开采条件不一样，矿山压力对底板的破坏程度也不一样，所以突水危险性分区时需要考虑不同的开采斜长底板保护层破坏深度.本文借用了《煤矿防治水规定》中五图-双系数概念，但此五图与《煤矿防治水规定》中的五图内容不同.据上文所述，单一的突水系数法同样也无法反映出煤矿开采中复杂的突水机理和突水因素.所以,在突水机理分析的基础上，充分考虑导致大平矿开采一1煤层突水的三大主要因素,把大平矿富水区带图、大中型断层、小断层密集带发育图、不同工作面斜长底板保护层破坏深度等值线图、单一突水系数法突水预测分区图拟合在一起，得到突水危险性分区评价预测图，此谓五图.另外,双系数-矿压系数(与开采水平与工作面斜长有关)、突水系数已直接体现在五图中.其中，三大主要因素根据水文地质条件分3个等级，不同的等级赋予0,1,2这3个值，把突水系数小于0.05时取为0，突水系数0.05～0.1时取为1，突水系数大于0.1时取为2；弱富水区取为0，中等富水区取为1，强富水区取为2；构造简单区取为0，小构造发育区取1，小构造发育和边部靠近大断层区取为2.突水区域的取值在0～3为安全区;3～5为威胁区;大于5为危险区，结果见图2.根据五图-双系数法,划分结果是如下.(1)+120 m水平以上基本为安全区.在井田的浅部,由于小型构造不发育、富水性弱,安全区相应地向深部延伸.但是，区内有密集小断层和靠近井田边界断层处为突水威胁区.(2)+120 m水平以下基本上为危险区.因为突水系数大，强富水区带多、大中型断层多、小断层密集带发育.(3)无中间过渡地带突水威胁区.此结果表明，五图-双系数法突水分区评价和单一突水系数法评价结果不同，解放了浅部+120 m水平以上受水威胁的煤炭资源.(1)研究表明，用单一的突水系数法预测底板突水结果与煤矿实际水文地质情况不符，所以在大平矿开采一1煤层的突水预测分区中，对单一的突水系数法进行了修正，全面考虑了导致一1煤层底板突水的主要因素，用五图-双系数拟合法重新划定了底板突水安全区、威胁区和危险区.五图基本上是使用煤矿开采中的基本地质图件，直观方便实用，预测分区结果也更符合煤矿实际水文地质条件.(2)在突水系数公式中，p值的取值最重要.通过煤矿中常用的水文勘探手段，就可以查清含水层赋水情况，从而对p值进行正确的取值，可以修正突水系数公式中p值偏差太大的问题.大平矿对预测分区结果高度认同，根据预测分区成果开采了部分浅部+120 m水平以上一1煤.在开采过程中，涌水量一般较小，最大不超过100 m3/h，一般为5～30 m3/h.涌水方式以片状淋水、滴水为主，少量呈小股流水.初期一般水量较小，然后急剧增大至峰值，很快又衰减至某一稳定水量，说明消耗的是静水储量.据水样分析，涌水来源于顶板砂岩段裂隙水，无一1煤层底板奥陶系灰岩水突出，说明预测结果正确.【相关文献】[1] 徐星，吴金刚，张惠聚.赵家寨二1煤底板突水影响因素分析与防治建议[J].煤矿安全，2011(9)：151-153.[2] 李普山，胡城，黄存捍.平顶山煤田两翼矿区断层突水危险性分类研究[J].煤炭工程，2012(7)：78-80.[3] 白喜庆，白海波，沈智慧.新驿煤田奥灰顶部相对隔水性及底板突水危险性评价[J].岩石力学与工程学报，2009，28(2)：273-280.[4] 缪协兴，白海波.华北奥陶系顶部碳酸岩层隔水特性及分布规律[J].煤炭学报，2011，36(2)：185-193.[5] 李本军，刘海新，刘晓威.突水系数法在煤矿深部开采中的应用[J].河北工程大学学报：自然科学版，2011，28(3)：68-70.[6] 王计堂，王秀兰.突水系数法分析预测煤层底板突水危险性的探讨[J].煤炭科学技术，2011，39(7)：106-111.[7] 田干.突水系数计算公式的演变及实验研究[J].煤炭工程，2010(5)：99-102.[8] 贺志宏.地下水突水系数在安全开采评价中的应用缺陷[J].地下水，2012，34(2)：35-37.[9] 丁自伟，赵志强，高洋.赵各庄矿深部开采底板突水特征及防治技术[J].煤炭工程，2010(12)：72-75.[10] 李龙清，王永洪，刘金辉.京府八尺沟矿8～(-2)煤层底板突水危险性分析[J].中国煤炭，2010，36(2)：94-96.[11] 刘丙申，侯宏亮，郭绪华.对王庄煤矿一1煤45081工作面运输巷突水的认识[J].中州煤炭，1999(6)：24-25.。
巴拉素煤矿先期开采地段顶板涌(突)水危险性评价及防治措施
巴拉素煤矿先期开采地段顶板涌(突)水危险性评价及防治措施方刚【摘要】陕北侏罗纪煤田内各矿井多年来受煤层顶板水害影响严重.为有效遏制该类水害威胁打好基础,以巴拉素煤矿先期开采地段为例,结合充水含水层厚度、岩心采取率、渗透系数、单位涌水量和物探工程成果等多元地学信息,采用“三图-双预测法”,通过叠加分析,最终得到煤层顶板涌(突)水条件综合分区图.研究表明:直罗组含水层水将为研究区全区未来开采的主要充水水源,其相对富水的中西部及东部区域,即为研究区顶板涌(突)水的威胁地段.针对矿井未来面临的水害问题,提出相应合理有效的防治措施.【期刊名称】《煤矿安全》【年(卷),期】2018(049)012【总页数】6页(P189-193,199)【关键词】物探工程;空间叠加分析;层次分析法;危险性评价;顶板水害【作者】方刚【作者单位】西安科技大学地质与环境学院,陕西西安 710054;中煤科工集团西安研究院有限公司,陕西西安 710054;陕西省煤矿水害防治技术重点实验室,陕西西安 710077【正文语种】中文【中图分类】TD745+.2陕北侏罗纪煤田的煤质优良、资源丰富，经几十载始终占据我国重要的煤炭生产地位。
但在近些年来，区内建设、生产的矿井均或多或少地受到各种类水害影响，如顶板水害、煤层水害、烧变岩水害、老空水害等[1-2]，而顶板水害作为陕北侏罗纪煤田普遍存在的防治水顽疾，则不同程度的威胁着区内每个矿井的安全。
目前，对矿井开采地段提前进行顶板涌（突）水危险性评价，并提出相应的针对性防治措施，是合理有效遏制区内各煤矿顶板水害发生的主要手段之一[3-4]。
武强教授[5-7]等提出的“三图-双预测法”对于煤层顶板含水层涌（突）水危险性评价现在国内外防治该类水害问题方面应用较为普遍，其效果良好。
之后还有诸多学者[8-11]不断深化研究，并结合各自现场需求，将该方法继续发展、提升。
巴拉素煤矿位于陕北侏罗纪煤田榆横矿区（北区）内，现矿井处于基建阶段，首次在其先期开采地段开展煤层顶板含水层涌（突）水危险性评价，对于区内大型矿井的防治水工作具有重要的指导意义，同时也为矿井及周边条件类似煤矿面临的水害问题提供参考。
刘店煤矿10煤层底板正常块段突水危险性分析
摘 要 ： 分 析刘店煤 矿地 质及 其水 文地 质 的基 础 上 ， 用 Ｆ Ａ 在 使 Ｌ Ｃ软件 在开 采效 应作 用下对 １ 煤 层 ０ 底 板 太原 组 石 灰岩 含 水 层承 压 水是 否突破 隔水 层进 行 了数 值模 拟 研 究 ； 用板 模 型 理论 预 测 突水 性 。 使 最 终得 出“ 灰水 ” 太 水压 高 、 板 隔水 层 薄 ， 于承压 水 上“ 限开 采” 态 ， 底 处 超 状 突水是 可 能 的。 关键 词 ： Ｌ Ｃ； Ｆ Ａ 数值 模拟 ；太 灰水” “ 中 图分类 号 ： Ｄ ４ Ｔ ７１ 文献 标识 码 ： Ａ 文章 编号 ：０ ８ ４ ５ ２０ ）５—０４ １０ —４ ９ （０ ８０ ０ ２—０ ３
仅在 局部 不 大 于 ０ １ ａｍ， 水 的可 能 性 不 大 ， ．５ Ｐ／ 突 在 大部分地 区和 一６ ０ｍ水 平 以 下 开 采 值 均 大 于 ５ ０ １ ａｍ， ．５Ｐ ／ 故其 突 水 的 可 能性 增 大 。而 受 断层 影 响
的各孑 ， 论 在 任 何 水 平 开 采 ， Ｌ无 其 值 均 远 大 于
随着煤 矿 生 产 规模 的 扩 大 以 及 开 采 深 度 的 加 大 ， 矿水 害 已成 为 煤 矿 安 全 生 产 的 重要 问题 。刘 煤 店煤 矿为在 建 矿井 ， 井 田地 层 受 多 次 构 造 运 动 的 其
２ 数 值 模 拟 预 测 底 板 突 水 性
２ １ 计算 模型 的建 立 ．
维普资讯
２０ 年 ｌ 月 ０８ Ｏ
矿 业 安 全 与 环 保
第 ３ 卷第 ５ ５ 期
刘 店 煤矿 １ 层 底 板 正 常 块 段 Ｏ煤 突 水 危 险 性 分 析
韩 东亚 姚 多喜 鲁海峰 许 明能 ， ， ，
新集三矿1煤层底板突水评价研究
（） １ 主要 隔水层 。
（０— ０ ） 而下部全倒转翼倾 向南 ， ６ ９。， 倾角变化大 ， 多为
２ ３ 。小断层较发育 ， 多集 中于倒转翼 （一 ６ ｍ） ０～ ０ ， 且 ４０ 轴部 附近。
１２ 主 要 含 水 层 ．
根据表 １分析 可知 ， 孔 见水位 置大部 分位 于 ３ 钻 灰 的中下段（ 区域 ２灰缺失 ） 少 部分位 于 １灰且 出 本 ，
隔 水层 厚 度 （ ｍ） 泥 岩 砂 岩 眇质 泥 岩
６２ ． ９７ ． ｌ． １５ ７５ ． １ ． ４８ ３４ ． ３６ ． ４
ｓ ａ ，ｗ ｔｒ ｌ ｎ ａ ｔｒ ｎ ｔｒ ｇ ｔ ｅ ｓ ｓｉ ｔｓｔ ｅ ｒｌ ｔ ｎ ｈ ｐ ｏ ｅｈ ｒ ｏ ｔｒｂ ｒｔ ｇ ａ ｄ ｄ ｅ ｃ ｉ ｅｆ ｃｏ ａ ｄ ｐ ｏ ｉ ｅ ｖｄ ｎ ｅｆ ｒｔ ｅ ｅｍ ａ ｅ ｆｌ ｇ ｆｃ ｏ ｓａ ｄ ｗａ ｅ ｔ ｈ ｎ ｓ ，ｅ ｔ ｉｉ ｉ ｍａ ｅ ｈ ｅ ａｉ ｓ ｉ ｆｔ ａ ｍ ｆ ｏ ｈ ｗａ ｅ ｕ ｉ ｎ ｅ ｐ ｉ ｌｎ ｔ ｒ， ｎ ｒｖ ｄ ｓｅ ｉ ｅ ｃ ｓ ｎ ｎ ａ ｏ ｈ ｍｅ ｓ ｒ ｆｐ ｅ ｅ ｔ ｇ ａ ｄ ｃ ｒｎ ｈ ｔ ｒ ａｍ ｆｍｉ ｉ ｇ． ａ ｕ ｅ ｏ ｒ ｖ ｎ ｉ ｎ ｕ ｉ ｇ ｔ ｅ ｗａｅ —ｈ ｒ ｏ ｎ ｎ ｎ Ｋｅ ｒ ｓ ｄ ｐ ｉ ｃ ｉ ｅ ｃ ａ ｎ ｗａ ｅ ｕ ｔ ｇ ｙ ｗｏ ｄ ｅ ｎ ｌ ｏ ｌｍｉ ｅ 、 突水危险性及其与急倾斜因素的关 系进行研究分析， １煤底板防治水措 施提供依据。 为 关键词 急倾斜 煤矿 突水
文 献标 识 码 Ｂ
中 囤分 类 号 Ｔ ７５ ． ｌ Ｄ ４ ２
Ｓｕ ｙｏ ａｅ ｕ ｓ ｎ ｏ １ ｏ ｌ ｅ ｍ ｌｏ ｈ ｈｒ ｏ ｌ ｎ ｆ ｎｉ ｔｄ ｆ ｔｒＢ ｒｔ ｇｆ ｍ ＃Ｃ ａ ａ Ｆｏ ｒｉ Ｔ ｅＴ ｉｄ Ｃ ａ ｅｏ ｊ Ｗ ｉ ｒ Ｓ ｎ Ｍｉ Ｘｉ
突水系数法评价煤层底板突水危险性的临界值探讨
突水系数临界值Ｔ ，（ Ｐ／ ｓ Ｍａ ／ ｍ）
图 １ Ｔ ， 临 界值 变 化 预 测 准 确 率走 势 图 ｓ随
１０ ０ ９ ０
— —
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一
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八
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、 瓣器 磊
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∞ ∞ ∞ 加 ∞∞ ∞ ∞ 加 ｍ Ｏ
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表 １２ 、 中突水系数计算公式为 ：ｓ ＰＭ， ＝ Ｔ。 ／ ２ ＝ Ｐ（ ｈ ／Ｍ— ｏ式 中 ， 。 为突水 系数 ， ａ Ｐ为 、 ： ＭＰ／ ｍ； 作用于工作面底板上的水压值 ， Ｐ ； Ｍ ａＭ为煤层底 板 至 含 水 层 顶 板 距 离 ，Ｉｈ 为 底 板 矿 压 破 坏 深 Ｉ； Ｔ
要 ］ 突水 系数 法 因其 数据 易得 、操 作 简便 等优 点在 我 国各 地煤 矿评 价底 板 突水危 险性 中被广 泛使 用 ， 多 学者也 对其 计算公 式进 行 了深入研 究和优 化 。而 突水 系数 临界 很 值 研 究 尚不够 深入 ， 多是 凭经验 获得 。本 文从 数理 统计 的 角度 出发 ， 集一 些 突水 收 工作 面和安 全 工作 面的 突水 资料 ， 其进 行数 理 统计分 析 ， 出突水 系数 临界值 越 对 得 大 ， 突水 工作 面预 测准确 率越 低 、 全 工作 面预 测 准确 率越 高的 关 系 ， 煤矿 防 而 安 为 治水 工作 提供 了一 个研 究思路 。 ［ 键词 ］ 突水 系数 ； 关 临界值 ； 理统 计 数 ［ 中图分类号］Ｔ ７５［ Ｄ ４ 文献标识码 】Ｂ ［ 文章编号 ］１７ ＿ ４ （ １） ６ ３ ６２９ ３ ００ ２ ０ ４ ９ ２ ｏ
值 ， 以确定煤 层底板 水压 的安全 水头值 。 藉
模糊数学在煤矿突水水源判别中的应用
。
［4 － 8 ］
模糊综合评判法
（ 1） xi si
－ －
模糊综合评判法是利用模糊变换原理和最大隶 属度原则， 考虑与被评价事物相关的各i 个评价因子的权重数，
， si
应用·实践
为第 i 个评价因子评价标准的平均值或参考标准 － 1 m s i = ∑s ij ； x i 为第 i 个评价因子的实测值。 值， m j =1 a2 ， …， 得到归一化处理后的权数矩阵 A = （ a1 ， an ） 。 1． 3 建立单因素评判矩阵 应用模糊数学的基本概念， 确定每一个评价因 子隶属于评价等级集合中不同评价等级的程度 ， 称 为隶属度， 以 r ij 表示。评价因子集合 U 中的全部指 标隶属度的合成， 即为单因素评价矩阵。 隶属度通 过隶属函数计算求得。 x i ≤ s i， j － 1 或 x i ≥ s i， j +1 0 x i － s i， j －1 s i， j － 1 ≤ x i ≤ s i， j s i， j － s i， j－i r ij = j + 1 － xi s i， s i， j ≤ x i ≤ s i， j +1 s i， j + 1 － s i， j 1 x i = s i， j
井下采矿活动导致开采矿体顶底板岩层发生不 进而导致附近含水层与采掘 同程度的变形或破坏， 场所沟通， 引起矿井突水。 防治矿井突水首先要确 这样才能及时采取有针对性的防治措 定突水水源， 施， 减少或避免矿井水害事故的发生 ， 减少对煤矿安 全生产带来的影响和危害。 具有突水可能的含水层往往有几个， 各含水层 水质特征界限很不明显， 具有一定的模糊性， 很难根 据单因素进行准确无误的判别， 模糊综合评判法能 较好地解决这个问题。根据矿井含水层以及矿井突 水的水化学分析资料， 进行模糊综合评判， 可以准确 地判别矿井突水水源。 经过实践证明， 模糊综合评 判法于水质分析以及水源判别中取得了良好的效 果 1
南屯煤矿下组煤开采底板突水危险性评价
２１ 年第５ ００ 期
总第９ 期 ８
南 屯煤矿 下 组煤 开 采 底板 突水 危险性评 价
刘 劲
（ 屯 煤矿 ．山 东 邹 城 ２ ３ １ 南 ７ ５ ５）
摘 要 通 过 对 南 屯 井 田下 组 煤 水 文 地 质 条 件 、 水 因素 的分 析 ， 合 考 虑 地 质 构造 、 采 对 底 板 的破 充 综 开 坏， 隔水 层 的 阻 水 能 力 及 承 压 水 导 升 高 度 等 因素 ， 用 突水 系 数 法 进 行 了底 板 突 水 危 险 性 评 价 ， 制 了 ｌ 利 绘 ６ 上 煤 、７煤 奥 灰 突水 系 数 等 值 线 分 区 图， １ 结果 表 明 ， 井 田东 部 、 北 部 １ 本 东 ６上 、７煤 的 十 四灰 、 灰 突 水 系 １ 奥 数超 过 ０１ ａ 属 突水 较 危 险 区 。 为 以后 的矿 井 防治 水 工 作 及 确 保 下 组煤 安全 生产 提 供 依 据 。 ． ＭＰ ／ ｍ， 关 键 词 下 组 煤 ； 板 ；突水 系数 ； 水 危 险 性 ； 价 底 突 评 中 图 分 类 号 ：Ｄ ４ ＋ Ｔ ７ ２． １ 文献 标 志码 ： Ａ 文章 编 号 ：０ ９ ０ ９ （０ ０】５ ０ ３ — ２ １０ — ７ ７ ２ １ ０ — ０ ７ ０
是底 板 突 水 的 力 源 之 一 ， 先 决 条 件 ， 压 是 造 成 底 板 突 水 的 是 矿
＝
点 。水文地质勘探 表明 ，奥灰含水层 为含水弱至 中等 的含水
层 ， 储 量 大 ， 易 疏 干 。 所 以 奥 灰 水 有 可 能 通 过 断 层 或 裂 隙 静 不 突入 矿 井 ， 为 底 板 突 水 的最 终 水 源 ， 灰 是 下 组 煤 开 采 主 要 成 奥
底板隐伏陷落柱突水危险性的力学分析
论Ｉ ６ ； 尹 尚先等将 陷落柱突水通道概化为柱体 突 水通道模式 ， 建立了厚壁筒力学模型 ， 依据极 限平
衡原 理 提 出相 应 的突水 理论 判 据 ； 许进 鹏 等分 析 了弱径 流条件 下 陷落柱柱 体活 化导水 机 制及判 据＿ ９ ］ 。 文 章在 上述研 究 的基础上 ， 利用 弹性 力学 的
圆板固支边界条件下的应力值 ：
图 ４ 隔水 层 应 力 随隔 水 层 厚 度 的 变化 规 律
ｆ ＝ ｝ （ ） 簪ｚ ｝ （ ） 簪ｚ
ｌ ＝ ０
废 板 隐 伏 陷 落 槿 突 水 危 险 性 的 力 学 分 析
冯春 学
（ 山西 潞 安 集 团 司马 煤 业 有 限公 司 ， 山西 长 治 ０ ４ ６ ０ ０ ０ ）
［ 摘
要 ］ 为 了有 效 防治 陷落柱 突水 ，利 用 弹性 薄板理 论 建立底 板 隐伏 陷落柱 突水 危 险性 的 力学模 型 ， 分析 了隔水 层应 力 与 陷落 柱 直径 、 隔水 层厚 度 、 隔水层 岩 性和 含 水层 水 压之 间的关 系。 研究表明， 底板 隐伏陷落柱突水不仅与煤层采动有 关， 陷落柱直径、 隔水层厚度 、 含 水层 水压和 底板岩 石 的岩性 也是影 响 陷落柱 突水 的主要 因素 。 ［ 关键词］ 隔水层 ； 陷落柱 ； 突水 ； 薄板理论 ［ 中图分类 号 ］Ｔ Ｄ１ ６ ３［ 文献标 识码 ］Ｂ ［ 文章编 号 ］
岩层上 ； ②符合薄板理论假设 ； ③隔水层是连续完 整、 不 透水 、 各 向同性 的岩石 材料 。 根 据假设 条 件 ，建 立 四周 固支 和简 支 的 圆形
薄板理 论计算 模 型 ， 如图 ２ 、 ３ 所示。 。
针对陷落柱突水造成的巨大经济损失 ，我国
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㊀第４７卷第２期煤炭科学技术Ｖｏｌ ４７㊀Ｎｏ ２㊀㊀２０１９年２月ＣｏａｌＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ㊀Ｆｅｂ.２０１９㊀移动扫码阅读陈雪锋ꎬ苗永春ꎬ陈文涛.基于模糊集对分析法的底板突水危险性评价研究[Ｊ].煤炭科学技术ꎬ２０１９ꎬ４７(２):２１８－２２３.ｄｏｉ:１０ １３１９９/ｊ ｃｎｋｉ ｃｓｔ ２０１９ ０２ ０３５ＣＨＥＮＸｕｅｆｅｎｇꎬＭＩＡＯＹｏｎｇｃｈｕｎꎬＣＨＥＮＷｅｎｔａｏ ＳｔｕｄｙｏｎｅｖａｌｕａｔｉｏｎｏｆｍｉｎｅｆｌｏｏｒｗａｔｅｒｉｎｒｕｓｈｄａｎｇｅｒｂａｓｅｄｏｎＦｕｚｚｙＳｅｔＰａｉｒＡｎａｌｙｓｉｓＭｅｔｈｏｄ[Ｊ].ＣｏａｌＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙꎬ２０１９ꎬ４７(２):２１８－２２３.ｄｏｉ:１０ １３１９９/ｊ ｃｎｋｉ ｃｓｔ ２０１９ ０２ ０３５基于模糊集对分析法的底板突水危险性评价研究陈雪锋１ꎬ苗永春２ꎬ陈文涛３(１.北京科技大学土木与资源工程学院ꎬ北京㊀１０００８３ꎻ２.中国安全生产科学研究院ꎬ北京㊀１０００１２ꎻ３.北京城市系统工程研究中心ꎬ北京㊀１０００８９)摘㊀要:为了对底板突水等级进行科学合理的评价ꎬ建立基于模糊集对分析法的底板突水危险性评价模型ꎮ首先ꎬ从地质构造㊁水文地质条件㊁底板隔水层条件㊁开采条件４个方面选取断裂密度㊁褶皱㊁断层导水性等１３个指标构建底板突水危险性评价指标体系ꎻ其次ꎬ按照现有常用底板突水等级分类ꎬ将底板突水危险性分为４个等级ꎻ再次ꎬ通过各指标实际数值与１级标准比照求出各指标模糊联系度ꎬ并采取信息熵确定各指标权重ꎬ从而求出样本模糊联系度ꎻ最后ꎬ利用最大隶属度原则进行评价判断ꎮ该模型应用于肥城矿区５个地段ꎬ应用结果表明:基于模糊集对分析法的底板突水危险性评价模型能够与基于未确知测度理论的底板突水评价结果以及实际情况均能完全一致ꎬ能够应用于底板突水危险性评价中ꎮ关键词:底板突水ꎻ危险性评价ꎻ信息熵ꎻ模糊集对分析法中图分类号:ＴＤ７４５㊀㊀㊀文献标志码:Ａ㊀㊀㊀文章编号:０２５３－２３３６(２０１９)０２－０２１８－０６ＳｔｕｄｙｏｎｅｖａｌｕａｔｉｏｎｏｆｍｉｎｅｆｌｏｏｒｗａｔｅｒｉｎｒｕｓｈｄａｎｇｅｒｂａｓｅｄｏｎＦｕｚｚｙＳｅｔＰａｉｒＡｎａｌｙｓｉｓＭｅｔｈｏｄＣＨＥＮＸｕｅｆｅｎｇ１ꎬＭＩＡＯＹｏｎｇｃｈｕｎ２ꎬＣＨＥＮＷｅｎｔａｏ３(１.ＳｃｈｏｏｌｏｆＣｉｖｉｌａｎｄＲｅｓｏｕｒｃｅＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇꎬＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＢｅｉｊｉｎｇꎬＢｅｉｊｉｎｇ㊀１０００８３ꎬＣｈｉｎａꎻ２.ＣｈｉｎａＡｃａｄｅｍｙｏｆＳａｆｅｔｙＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙꎬＢｅｉｊｉｎｇ㊀１０００１２ꎬＣｈｉｎａꎻ３.ＢｅｉｊｉｎｇＲｅｓｅａｒｃｈＣｅｎｔｅｒｏｆＵｒｂａｎＳｙｓｔｅｍＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇꎬＢｅｉｊｉｎｇ㊀１０００８９ꎬＣｈｉｎａꎻ)Ａｂｓｔｒａｃｔ:ＩｎｏｒｄｅｒｔｏｒｅａｌｉｚｅａｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃｒａｔｉｏｎａｌｅｖａｌｕａｔｉｏｎｏｎｔｈｅｆｌｏｏｒｗａｔｅｒｉｎｒｕｓｈｇｒａｄｅꎬｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｅｎｔｒｏｐｙｗｅｉｇｈｔｍｅｔｈｏｄａｎｄｔｈｅＦｕｚｚｙＳｅｔｐａｉｒＡｎａｌｙｓｉｓＭｅｔｈｏｄꎬａｄａｎｇｅｒｅｖａｌｕａｔｉｏｎｍｏｄｅｌｏｆｆｌｏｏｒｗａｔｅｒｉｎｒｕｓｈｗａｓｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ.Ｆｉｒｓｔｌｙꎬｆｒｏｍｔｈｅｆｏｕｒａｓｐｅｃｔｓꎬｏｆｔｈｅｇｅｏｌｏｇ￣ｉｃａｌｓｔｒｕｃｔｕｒｅꎬｈｙｄｒｏｇｅｏｌｏｇｉｃａｌｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓꎬｆｌｏｏｒｉｓｏｌａｔｅｄｌａｙｅｒｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓｉｎｔｈｅｆｌｏｏｒａｎｄｍｉｎｉｎｇｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓꎬｔｈｉｒｔｅｅｎｉｎｄｅｘｅｓｏｆｔｈｅｆｒａｃｔｕｒｅｄｅｎｓｉｔｙꎬｆｏｌｄꎬｆａｕｌｔｈｙｄｒａｕｌｉｃｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙａｎｄｏｔｈｅｒｓｗｅｒｅｓｅｌｅｃｔｅｄｔｏｅｓｔａｂｌｉｓｈｔｈｅｅｖａｌｕａｔｉｏｎｉｎｄｅｘｓｙｓｔｅｍｏｆｔｈｅｆｌｏｏｒｗａｔｅｒｉｎｒｕｓｈ.Ｓｅｃｏｎｄ￣ｌｙꎬａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｈｅｃｌａｓｓｉｆｉｃａｔｉｏｎｏｆｔｈｅａｖａｉｌａｂｌｅｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌｆｌｏｏｒｗａｔｅｒｉｎｒｕｓｈｇｒａｄｅｓꎬｔｈｅｄａｎｇｅｒｓｏｆｆｌｏｏｒｗａｔｅｒｉｎｒｕｓｈｗｅｒｅｄｉｖｉｄｅｄｉｎｔｏ４ｇｒａｄｅｓ.Ｔｈｉｒｄｌｙꎬｗｉｔｈｔｈｅｃｏｍｐａｒｉｓｏｎｂｅｔｗｅｅｎｔｈｅａｃｔｕａｌｖａｌｕｅｏｆｅａｃｈｉｎｄｅｘｗｉｔｈｔｈｅｆｉｒｓｔ－ｇｒａｄｅｓｔａｎｄａｒｄꎬａｆｕｚｚｙｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎｄｅｇｒｅｅｏｆｅａｃｈｉｎｄｅｘｗａｓｃａｌｃｕｌａｔｅｄ.Ａｎｄｔｈｅｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎｅｎｔｒｏｐｙｗａｓａｐｐｌｉｅｄｔｏｄｅｔｅｒｍｉｎｅｅａｃｈｉｎｄｅｘａｎｄｔｈｕｓｔｈｅｆｕｚｚｙｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎｄｅｇｒｅｅｏｆｓａｍｐｌｅｗａｓｃａｌｃｕｌａｔｅｄ.Ｆｉｎａｌｌｙꎬｔｈｅｍａｘｉｍｕｍｓｕｂｏｒｄｉｎａｔｅｄｅｇｒｅｅｐｒｉｎｃｉｐｌｅｗａｓａｐｐｌｉｅｄｔｏｔｈｅｅｖａｌｕａｔｉｏｎａｎｄｊｕｄｇｍｅｎｔ.ＴｈｅｍｏｄｅｌｗａｓａｐｐｌｉｅｄｔｏｆｉｖｅｓｅｃｔｉｏｎｓｏｆＦｅｉｃｈｅｎｇＭｉｎｉｎｇＡｒｅａａｎｄｔｈｅｓｔｕｄｙｒｅｓｕｌｔｓｈｏｗｅｄｔｈａｔｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｔｈｅｏｒｙｏｆＦｕｚｚｙＳｅｔＰａｉｒＡｎａｌｙｓｉｓꎬｔｈｅｄａｎｇｅｒｅｖａｌｕａ￣ｔｉｏｎｍｏｄｅｌｏｆｔｈｅｆｌｏｏｒｗａｔｅｒｉｎｒｕｓｈｃｏｕｌｄｈａｖｅｔｈｅｆｕｌｌｓａｍｅｔｏｔｈｅｅｖａｌｕａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｓｏｆｔｈｅｆｌｏｏｒｗａｔｅｒｉｎｒｕｓｈｅｖａｌｕａｔｉｏｎｂａｓｅｄｏｎｕｎａｓｃｅｒ￣ｔａｉｎｅｄｍｅａｓｕｒｅｔｈｅｏｒｙａｓｗｅｌｌａｓｔｈｅａｃｔｕａｌｓｉｔｕａｔｉｏｎａｎｄｃｏｕｌｄｂｅａｐｐｌｉｅｄｔｏｔｈｅｅｖａｌｕａｔｉｏｎｏｆｗａｔｅｒｉｎｒｕｓｈｄａｎｇｅｒｏｆｆｌｏｏｒ.Ｋｅｙｗｏｒｄｓ:ｆｌｏｏｒｗａｔｅｒｉｎｒｕｓｈꎻｅｖａｌｕａｔｉｏｎｏｎｄａｎｇｅｒｓꎻｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎｅｎｔｒｏｐｙꎻＦｕｚｚｙＳｅｔＰａｉｒＡｎａｌｙｓｉｓ收稿日期:２０１７－１２－１１ꎻ责任编辑:曾康生基金项目:国家科技支撑计划资助项目(２０１５ＢＡＫ１６Ｂ０３)ꎻ国家自然科学基金资助项目(５１５７４０１７)作者简介:陈雪锋(１９８２ )ꎬ男ꎬ安徽安庆人ꎬ博士研究生ꎮＥ－ｍａｉｌ:ｃｈｅｎｘｕｅｆｅｎｇｘｉａｏ＠ｓｉｎａ.ｃｏｍ０㊀引㊀㊀言煤炭资源是我国的主要资源ꎬ其在发电㊁供暖㊁工业原材料等诸多领域得到广泛应用ꎬ且在未来数百年间仍然不可替代ꎮ然而ꎬ伴随着煤炭行业的快速发展ꎬ各类重特大事故频繁发生ꎬ其中突水事故发８１２陈雪锋等:基于模糊集对分析法的底板突水危险性评价研究２０１９年第２期生次数和死亡人数仅次于瓦斯事故ꎬ给国家造成的直接经济损失一直位于首位ꎮ因此ꎬ研究有效的突水事故危险性评价方法ꎬ一直是矿井水地质工作者的努力方向[１]ꎮ有关统计资料表明:在煤矿的各类突水事故中ꎬ底板突水事故占突水事故的５０％ꎬ是最常见的水害类型之一ꎮ为了不断减少乃至从根本上解决底板突水危险性问题ꎬ确保人们的生命和财产安全ꎬ许多学者从不同角度提出了多种底板突水危险性评价方法ꎬ如突水系数法㊁脆弱性指数㊁人工神经网络方法㊁支持向量机法㊁专家系统评判法和距离判别分析法等[２－７]ꎬ但由于煤层底板突水问题的复杂性和不确定性ꎬ突水影响因素与突水量等级之间的模糊性等ꎬ使得这些方法均有各自的适用条件和局限性[８]ꎮ集对分析法是于１９８９年提出的一种处理不确定性问题的系统分析方法[９]ꎬ其核心思想是把不确定性与确定性问题视为一个既确定又不确定的同异反系统进行分析和数学处理[１０]ꎬ能够很好地解决各种影响因素的不确定性问题ꎻ同时ꎬ在集对分析法中ꎬ通过引入模糊联系度概念ꎬ形成模糊集对分析法ꎬ则能解决上述诸多方法存在的局限性[１１]ꎮ鉴于此ꎬ笔者将模糊集对分析法应用于底板突水危险性评价ꎬ并通过工程实例验证方法的正确性ꎬ以丰富和发展现有的底板突水危险性评价方法和手段ꎬ为同类工程提供借鉴和参考ꎮ１㊀模糊集对分析法１.１㊀模糊集对分析法原理设评价对象组成集合ＧＸ１ꎬＸ２ꎬ ꎬＸｎ{}(ｎ＝１ꎬ２ꎬ ꎬＮꎬＮ为指标总数)ꎬＸｎ为指标ꎬ评价等级标准为Ｓｋ(ｋ＝１ꎬ２ꎬ ꎬＫꎬＫ为等级标准数)ꎬ第ｋ级标准表示为集合Ｂｋꎮ评价对象集合Ｇ与评价等级标准Ｂｋ可以构成一个集对ＨＧꎬＢｋ()ꎬ对于该集对采取符号量化处理ꎮ设集合Ｇ与Ｂｋ对应的符号元素中ꎬ符号相同的个数记作Ｏꎬ相差１个等级的个数记为Ｐ１ꎬ相差两个等级的个数记为Ｐ２ꎬ ꎬ相差Ｋ－２级的个数记为ＰＫ－２ꎬ相差Ｋ－１的个数记为Ｑꎬ由此可得到集对ＨＧꎬＢｋ()的Ｋ元联系度[１２]为μＧ~Ｂｋ＝ａ＋ｂ１ｉ１＋ｂ２ｉ２＋ ＋ｂＫ－２ｉＫ－２＋ｃｊ(１)其中:ａ＝Ｏ/Ｎꎬ表示Ｇ与Ｂｋ的同一度ꎻｂ１＝Ｐ１/Ｎꎬｂ２＝Ｐ２/Ｎꎬ ꎬｂＫ－２＝ＰＫ－２/Ｎꎬ称为差异度分量ꎬ表示差异度的不同级别ꎻｃ＝Ｑ/Ｎꎬ表示Ｇ与Ｂｋ的对立度ꎻｉ１ꎬｉ２ꎬ ꎬｉＫ－２称为差异度分量系数ꎬ可由均匀取值法确定ꎬ计算公式为:ｉｋ＝１－２ｋ/Ｋ－１()(ｋ＝１ꎬ２ꎬ ꎬＫ)ꎻｊ＝－１ꎬ称为对立系数ꎮａ越接近于１ꎬ表明２个集合的关系越趋向于同一ꎻｃ越接近于１ꎬ表明２个集合的关系越趋向于对立ꎻ对于ａꎬｂꎬｃ而言ꎬ满足归一化条件[１２－１４]ꎬ即ａ＋ｂ１＋ｂ２＋ ＋ｂＫ－２＋ｃ＝１ꎮ１.２㊀指标联系度计算设评价指标体系中所有的指标Ｘｎ(ｎ＝１ꎬ２ꎬ ꎬＮ)构成一个集合Ａｎꎬ某指标的第ｋ级标准看作Ｂｋ(ｋ＝１ꎬ２ꎬ ꎬＫ)ꎮ将Ａｎ与Ｂｋ组成一个集对ꎬ定义为ＨＡｎꎬＢｋ()ꎮ对于给定的Ｎ个评价指标和Ｋ个等级标准ꎬ在计算集对ＨＡｎꎬＢｋ()的联系度μＡｎ~Ｂｋ时ꎬ存在评价结论难以辨识㊁信息重合等问题ꎬ而μＡｎ~Ｂ１包含的信息最完整ꎬ即将Ｂｋ特定为某指标１级评价标准构成的集合Ｂ１[１２]ꎬ因此ꎬ只需计算ＨＡｎꎬＢ１()的Ｋ元模糊联系度μＡｎ~Ｂ１即可ꎬ计算公式如下:１)对于越大越优型指标(正向指标)ꎬ当Ｋ>２时ꎬ集对ＨＡｎꎬＢ１()(ｎ＝１ꎬ２ꎬ ꎬＮ)的Ｋ元联系度为μＡｎ~Ｂ１＝１＋０ｉ１＋０ｉ２＋ ＋０ｉＫ－２＋０ｊꎬ２Ｘｎ－Ｓ１－Ｓ２Ｓ１－Ｓ２＋２Ｓ１－２ＸｎＳ１－Ｓ２ｉ１＋０ｉ２＋ ＋０ｉＫ－２＋０ｊ０＋２Ｘｎ－Ｓ２－Ｓ３Ｓ１－Ｓ３ｉ１＋Ｓ１＋Ｓ２－２ＸｎＳ１－Ｓ３ｉ２＋ ＋０ｉＫ－２＋０ｊ⋮０＋０ｉ１＋０ｉ２ ＋２Ｘｎ－２ＳＫ－１ＳＫ－２－ＳＫ－１ｉＫ－２＋ＳＫ－１＋ＳＫ－２－２ｘｔＳＫ－２－ＳＫ－１ｊ０＋０ｉ１＋０ｉ２＋ ＋０ｉＫ－２＋１ｊìîíïïïïïïïïïïïïïïＸｎȡＳ１Ｓ１＋Ｓ２２ɤＸｎ<Ｓ１㊀Ｓ２＋Ｓ３２ɤＸｎ<Ｓ１＋Ｓ２２ＳＫ－１ɤＸｎ<ＳＫ－２＋ＳＫ－１２Ｘｎ<ＳＫ－１(２)㊀㊀２)对于越小越优型指标(负向指标)ꎬ集对ＨＡｎꎬＢ１()(ｎ＝１ꎬ２ꎬ ꎬＮ)的Ｋ元联系度为:９１２２０１９年第２期煤炭科学技术第４７卷μＡｎ~Ｂ１＝１＋０ｉ１＋０ｉ２＋ ＋０ｉＫ－２＋０ｊꎬＳ１＋Ｓ２－２ＸｎＳ２－Ｓ１＋２Ｘｎ－２Ｓ１Ｓ２－Ｓ１ｉ１＋０ｉ２＋ ＋０ｉＫ－２＋０ｊ０＋Ｓ２＋Ｓ３－２ＸｎＳ３－Ｓ１ｉ１＋２Ｘｎ－Ｓ１－Ｓ２Ｓ３－Ｓ１ｉ２＋ ＋０ｉＫ－２＋０ｊ⋮０＋０ｉ１＋ ＋２ＳＫ－１－２ＸｎＳＫ－１－ＳＫ－２ｉＫ－２＋２Ｘｎ－ＳＫ－１－ＳＫ－２ＳＫ－１－ＳＫ－２ｊ０＋０ｉ１＋０ｉ２＋ ＋０ｉＫ－２＋１ｊìîíïïïïïïïïïïïïïïＸｎɤＳ１Ｓ１<ＸｎɤＳ１＋Ｓ２２㊀Ｓ１＋Ｓ２２<ＸｎɤＳ２＋Ｓ３２ＳＫ－２＋ＳＫ－１２<ＸｎɤＳＫ－１Ｘｎ>ＳＫ－１(３)１.３㊀指标权重的熵权法确定利用熵权法确定指标权重ꎬ能够将指标权重确定的主观性降至最低ꎬ故笔者采取熵权法求权重ꎬ具体步骤如下[１５]:步骤１:设有ｕ个评价对象ꎬ每个评价对象有ｖ个指标ꎬ则构建原始判断矩阵Ｄ为Ｄ＝ｄｓｔ[]ｕˑｖ(ｓ＝１ꎬ２ꎬ ꎬｕꎻｔ＝１ꎬ２ꎬ ꎬｖ)(４)式中:ｄｓｔ为第ｓ个评价对象第ｔ个指标ꎮ步骤２:计算第ｓ个评价对象第ｔ个指标的比重ｆｓｔ为ｆｓｔ＝ｄｓｔ/ðｕｓ＝１ｄｓｔ(５)步骤３:计算第ｔ个指标的熵值ｅｔ为ｅｔ＝－１ｌｎｕðｕｓ＝１ｆｓｔｌｎｆｓｔ(６)步骤４:计算指标的差异系数ｈｔ为ｈｔ＝１－ｅｔ(ｔ＝１ꎬ２ꎬ ꎬｖ)(７)步骤５:对ｈｔ进行归一化处理ꎬ得出各指标的熵权ｗｔ为ｗｔ＝ｈｔ/ðｖｔ＝１ｈｔ(８)１.４㊀样本联系度计算设评价样本的集合为Ｍꎬ所有指标１级评价标准集合为Ｚꎬ则集对Ｈ＝(ＭꎬＺ)的Ｋ元联系度[１１ꎬ１２]可定义为μＭ~Ｚ＝ðＮｎ＝１ｗｎａｎ＋ðＮｎ＝１ｗｎｂｎꎬ１ｉ１＋ðＮｎ＝１ｗｎｂｎꎬ２ｉ２＋ ＋ðＮｎ＝１ｗｎｂｎꎬＫ－２ｉＫ－２＋ðＮｎ＝１ｗｎｃｎｊ(９)式中:ｗｎ为指标ｎ(ｎ＝１ꎬ２ꎬ ꎬＮ)的权重ꎮ令Ｆ０＝ðＮｎ＝１ｗｎａｎꎬＦ１＝ðＮｎ＝１ｗｎｂｎꎬ１ꎬ ꎬＦＫ－１＝ðＮｎ＝１ｗｎｂｎꎬＫ－２ꎬＦＫ＝ðＮｎ＝１ｗｎｃｎꎬ则式(９)可变为μＭ~Ｚ＝Ｆ０＋Ｆ１ｉ１＋Ｆ２ｉ２＋ ＋ＦＫ－２ｉＫ－２＋ＦＫｊ(１０)式中:Ｆ１为评价样本隶属于Ｓ１等级程度ꎻＦ２为评价样本隶属于Ｓ２等级程度ꎻ ꎻＦＫ为评价样本隶属于ＳＫ级程度ꎮ１.５㊀评价等级的确定对上文计算结果ꎬ采取最大隶属度准则进行判断ꎬ即:Ｈｋ＝ｍａｘＦ１ꎬＦ２ꎬ ꎬＦＫ()(１１)其中:Ｈｋ为属性测度ꎬ利用式(１１)判断评价样本所属的等级ꎬ即样本属于Ｈｋ对应的Ｓｋ(ｋ＝１ꎬ２ꎬ ꎬＫ)等级[１６]ꎮ２㊀应用实例肥城矿区是一向北倾斜的单斜构造ꎬ以断裂构造为主ꎬ其次是褶曲构造ꎬ断裂带内岩土完整性较差ꎬ因而岩土隔水性能较差ꎬ容易形成突水通道ꎬ矿区主要含水层为奥陶系灰岩ꎬ厚度大ꎬ岩溶十分发育ꎬ静水储量大ꎬ地表强水源补给充足ꎮ相关资料表明:肥城煤矿是全国煤矿水害事故发生最多的矿区之一ꎬ自１９６５年开采至今发生２９０多次出水ꎬ出水量高于６０ｍ３/ｈ的１４９次ꎬ高于６００ｍ３/ｈ的２２次严重威胁了矿井安全[１７]ꎮ结合肥城矿区的水文地质条件㊁自然环境因素及底板自身的结构条件等状况ꎬ选取有关地段参数[１７]ꎬ具体见表１ꎬ对上文的底板突水危险性评价模型进行应用ꎬ以验证模型的有效性ꎮ２.１㊀构建底板突水危险性评价指标体系采掘过程中ꎬ造成底板突水是多种因素综合作用的结果ꎮ笔者在前人研究成果的基础上[１８－１９]ꎬ从地质构造㊁水文地质条件㊁底板隔水层条件㊁开采条件四个方面选取断裂密度㊁褶皱㊁断层导水性等１３个指标(分别用Ｘ１ꎬＸ２ꎬ ꎬＸ１３表示)构建底板突水危险性评价指标体系ꎬ具体如图１所示ꎮ０２２陈雪锋等:基于模糊集对分析法的底板突水危险性评价研究２０１９年第２期图１㊀底板突水危险性评价指标体系Ｆｉｇ.１㊀Ｒｉｓｋａｓｓｅｓｓｍｅｎｔｉｎｄｅｘｅｓｓｙｓｔｅｍｏｆｆｌｏｏｒｗａｔｅｒｉｎｒｕｓｈ２.２㊀确定底板突水危险性评价标准参考有关文献[２０]ꎬ将底板突水等级分为极易突水㊁较易突水㊁突水性一般和突水性较低四个等级ꎬ分别记为Ｓ１ꎬＳ２ꎬＳ３ꎬＳ４ꎮ由于评价指标分为定量指标和定性指标两种ꎬ对于定量指标ꎬ采取实测值进行底板突水评价ꎬ定量指标及其分级标准见表２ꎻ对于定性指标ꎬ采取赋值法进行底板突水评价ꎬ定性指标及其分级标准见表３ꎮ２.３㊀计算指标联系度以样本１为例ꎬ由公式(２)和(３)计算指标联系度ꎬ即μＸ１~Ｓ１＝１＋０ｉ１＋０ｉ２＋０ｊꎻμＸ２~Ｓ１＝１＋０ｉ１＋０ｉ２＋０ｊꎻμＸ３~Ｓ１＝０＋０ｉ１＋０.８８ｉ２＋０.１２ｊꎻμＸ４~Ｓ１＝１＋０ｉ１＋０ｉ２＋０ｊꎻμＸ５~Ｓ１＝０＋０ｉ１＋０.７ｉ２＋０.３ｊꎻμＸ６~Ｓ１＝１＋０ｉ１＋０ｉ２＋０ｊꎻμＸ７~Ｓ１＝１＋０ｉ１＋０ｉ２＋０ｊꎻ表２㊀底板突水评价的定量指标及分级标准Ｔａｂｌｅ２㊀Ｑｕａｎｔｉｔａｔｉｖｅａｓｓｅｓｓｍｅｎｔｉｎｄｅｘｅｓａｎｄｇｒａｄｉｎｇｓｔａｎｄａｒｄｏｆｆｌｏｏｒｗａｔｅｒｉｎｒｕｓｈ影响程度分级地质构造断层导水性Ｘ１/％断裂密度Ｘ３/(条 ｋｍ－２)水文地质条件水压Ｘ５/ＭＰａ隔水层参数抗拉强度Ｘ９/ＭＰａ平均厚度Ｘ１０/ｍ完整性Ｘ１１/(条 ｍ－３)开采参数采高Ｘ１２/ｍ采深Ｘ１３/ｍＳ１>５０>３>３<１<３０>２０>３>８００Ｓ２３０~５０２~３２~３１~２３０~５０１０~２０２~３６００~８００Ｓ３１０~３０１~２１~２２~３５０~７０３~１０１~２４００~６００Ｓ４<１０<１<１>３>７０<３<１<４００１２２２０１９年第２期煤炭科学技术第４７卷μＸ８~Ｓ１＝１＋０ｉ１＋０ｉ２＋０ｊꎻμＸ９~Ｓ１＝１＋０ｉ１＋０ｉ２＋０ｊμＸ１０~Ｓ１＝０＋０ｉ１＋０.２ｉ２＋０.８ｊꎻμＸ１１~Ｓ１＝０＋０.５ｉ１＋０.５ｉ２＋０ｊμＸ１２~Ｓ１＝０＋０ｉ１＋０ｉ２＋１ｊꎻμＸ１３~Ｓ１＝０＋０ｉ１＋０.８３ｉ２＋０.１７ｊ２.４㊀计算底板突水危险性评价指标权重根据公式(４)－(８)ꎬ计算指标权重为Ｗ＝ｗ１ꎬｗ２ꎬ ꎬｗ１３()＝(０.０５２６ꎬ０.０７６８ꎬ０.０８２３ꎬ０.０６６５ꎬ０.０８７５ꎬ０.０６１５ꎬ０.０７５５ꎬ０.０７００ꎬ０.０８７５ꎬ０.０８６８ꎬ０.０８６４ꎬ０.０８３６ꎬ０.０８２７)２.５㊀计算样本联系度根据公式(９)ꎬ计算得μＭ~Ｚ＝０.４９０４＋０.０４３２ｉ１＋０.２６２８ｉ２＋０.２０２９２.６㊀利用识别度准则判断底板突水等级利用最大隶属度准则ꎬ根据式(１１)ꎬＨｋ＝ｍａｘ０.４９０４ꎬ０.０４３２ꎬ０.２６２８ꎬ０.２０２９()＝０.４９０４ꎬ即样本１底板突水等级为 极易突水 ꎬ这与基于未确知测度理论的底板突水危险性评判结果以及实际情况都是完全一致的[１３]ꎮ同理ꎬ将模型应用到样本２㊁３㊁４和５ꎬ结果分别为Ｓ２㊁Ｓ２㊁Ｓ２和Ｓ３等级ꎬ与基于未确知测度理论的底板突水危险性评判结果以及实际情况均一致[１７]ꎬ从而证明了评价模型的有效性ꎮ３㊀结㊀㊀论１)基于模糊集对分析法的底板突水危险性评价模型包括构建指标体系㊁确定评价标准㊁计算指标联系度㊁计算指标权重㊁计算样本联系度和利用识别度准则判断底板突水危险性等级７个步骤ꎮ２)模糊集对分析法应用于肥城矿区底板突水危险性实例ꎬ结果表明:该模型评价结果与基于未确知测度理论评价模糊和实际情况均完全一致ꎬ从而证明了模型的有效性ꎬ可应用于底板突水危险性评价中ꎮ参考文献(Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅｓ):[１]㊀刘雪艳ꎬ张雪英ꎬ李凤莲.基于万有引力的煤层底板突水预测算法[Ｊ].煤炭学报ꎬ２０１５ꎬ４０(Ｓ２):４５８－４６３.ＬＩＵＸｕｅｙａｎꎬＺＨＡＮＧＸｕｅｙｉｎｇꎬＬＩＦｅｎｇｌｉａｎ.Ｇｒａｖｉｔａｔｉｏｎａｌｆｏｒｃｅｂａｓｅｄｃｏａｌｆｌｏｏｒｗａｔｅｒｉｎｒｕｓｈｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎａｌｇｏｒｉｔｈｍ[Ｊ].ＪｏｕｒｎａｌｏｆＣｈｉｎａＣｏａｌＳｏｃｉｅｔｙꎬ２０１５ꎬ４０(Ｓ２):４５８－４６３.[２]㊀施龙青ꎬ韩㊀进ꎬ宋㊀杨ꎬ等.用突水概率指数法预测采场底板突水[Ｊ].中国矿业大学学报ꎬ１９９９ꎬ２８(５):４４２－４４４.ＳＨＩＬｏｎｇｑｉｎｇꎬＨＡＮＪｉｎꎬＳＯＮＧＹａｎｇꎬｅｔａｌ.Ｆｏｒｅｃａｓｔｏｆｗａｔｅｒｉｎｒｕｓｈｆｒｏｍｍｉｎｉｎｇｆｌｏｏｒｗｉｔｈｐｒｏｂａｂｉｌｉｔｙｉｎｄｅｘｅｓ[Ｊ].ＪｏｕｒｎａｌｏｆＣｈｉｎａＵ￣ｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＭｉｎｉｎｇ﹠Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙꎬ１９９９ꎬ２８(５):４４２－４４４.[３]㊀武㊀强ꎬ张志龙ꎬ张生元ꎬ等.煤层底板突水评价的新型实用方法Ⅱ 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