矿井底板突水危险性评价方法综述

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用多源信息复合的方法评价底板突水.王长申、孙亚军等将
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事故树分析应用于煤矿突水危险
评价。高延法等
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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。
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。
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。
表1 参数 基于最大主曲率的煤层底板岩体结构分级表 分级依据 ＜1.0 极大主曲率 K/(× 10-4/m-1) 1.0~2.0 2.0~4.0 ≥4.0 分级 完整结构 快裂结构 碎裂结构 松散结构
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2. 底板突水危险性评价进展
矿井底板突水是采掘工程活动导致煤层围岩体应力场能量释放、煤层底板隔水岩体结构破坏、矿井局 部充水水文地质条件突变的一种地下岩体失稳现象，是一种受控于多因素影响且具有非常复杂机理的非线 性动力现象 （武强等， 2007） 。 20 世纪 80 年代以后， 许多新理论、 新方法开始应用与矿井突水预测和评价， 大体可分为两类， 一种是条件分析法， 即根据工作面的水文地质条件， 预测工作面有无突水发生的可能性， 这种方法通常是分采区或采面进行的， 侧重于定性分析； 另一种是模型拟合法， 包括统计模型、 GIS 模型、 模糊综合评判模型等，这些方法在不同程度上具有定量的特点。尤其以 GIS 为工作平台，利用其强大的空 间分析等功能，建立多因素突水评价模型，对突水进行危险性评价，取得了显著进展。 施龙青等 提出了突水概率指数法预测突水的可能性及突水程度。刘伟韬等将层次分析与模糊综合评 价相结合进行底板突水危险性评价 。王连国、宋扬 用数量化理论研究了矿井突水危险性评价问题。武 强等 ~ 系统地建立了能够全面真实反映煤层底板复杂突水机理和演变过程的底板突水的主控指标体系， 详细论述了体系中各突水主控因素在矿井突水过程中的作用方式与特征， 采用 GIS 与现代线性或非线性数 学方法(如 ANN、 证据权重法、 Logistic 回归、 AHP 等)耦合的方法， 提出了底板突水评价的脆弱性指数法。 尹会永等
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。对从属于相同一级指标的二级指标进行两两比较，对一级指标也进行两两比较，比较其重要程
度，分别构建一级指标和二级指标的判断矩阵。对每一个成对比较矩阵，利用求合法计算最大特征值和对 应特征向量。最后对判断矩阵进行一致性检验，使得不一致程度在容许范围内，这样计算结果才会基本合 理。 4）综合评价 构建二级指标模糊判别矩阵������������������ （i=1,2,3,4）如下，其中 k 是第 i 个一级指标下的第 k 个二级指标， ������������kj （j=1,2,3,4,5）是第 k 个指标对第 j 个突水危险性等级的隶属度。
1 d2 z
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2）煤层底板隔水层隔水性能评价 根据隔水层的岩性和结构特征，将隔水层的隔水性能分为四类（表 2） 。
表 2 隔水层隔水性能分类表 断裂结构条件 2/6 隔水介质条件
矿井底板突水危险性评价方法综述 泥岩为主型 完整结构 快裂结构 碎裂结构 松散结构 Ⅰg Ⅰg Ⅱg Ⅲg 砂泥岩为主型 Ⅰg Ⅱg Ⅲg Ⅳg 砂岩为主型 Ⅱg Ⅲg Ⅳg Ⅳg
注：隔水性能好（Ⅰg） ；隔水性能中等（Ⅱg） ；隔水性能差（Ⅲg） ；隔水性能极差（Ⅳg） 。
3）煤层底板隔水层抗水压能力评价 考虑煤层底板隔水层岩性和突水系数将隔水层抗水压能力分为四类（表 3） 。
表 3 隔水层抗水压能力分类表 突水系数 ＜0.025 0.025~0.05 0.05~0.15 ≥00.15 隔水介质条件 泥岩为主型 Ⅰk Ⅰk Ⅱk Ⅲk 砂泥岩为主型 Ⅰk Ⅱk Ⅲk Ⅳk 砂岩为主型 Ⅱk Ⅲk Ⅳk Ⅳk
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������������11 ������������12 ������������13 ������������14 ������������15 ������������21 ������������22 ������������23 ������������24 ������������25 ������������������ = …… ������������k1 ������������k2 ������������k3 ������������k4 ������������k5 根据二级指标权重向量 Wi 和判别矩阵������������������ ， 利用合成运算法则得到一级指标模糊综合评判结果������������������ 如下： ������������������ =Wi·������������������ = ������������1 … ������������������ T·������������������ = ������������1 ������������2 ������������3 ������������4 ������������5 根据一级指标模糊综合评判结果������������������ 构建一级指标综合判别矩阵 BU 如下： ������������1 ������11 ������12 ������13 ������14 ������15 ������������ ������2 ������2 ������2 ������2 ������2 ������������ = 2 = 1 2 3 4 5 ������������3 ������31 ������32 ������33 ������34 ������35 ������������4 ������41 ������42 ������43 ������44 ������45 根据一级指标权重向量 W 和判别矩阵������������ ，利用合成运算法则得到最终的模糊综合评判结果D如下： D=W· ������������ = ������1 … ������������ T· ������������ = ������1 ������2 ������3 ������4 ������5 根据最大隶属度原则，判断底板突水危险性，比如������1 最大，则评价结果便是突水危险性非常高，以此 类推。 5）该评价方法的优缺点 矿井底板突水的因素影响具有多面性和不确定性，且兼有定性和定量的特征，该方法将多种因素分层 次，并通过隶属函数计算各因素与突水的隶属度，通过 AHP 分层计算各级指标的权重，较好地解决了不 确定因素的处理问题，降低了赋权的主观性。评价结果是一个向量，包含的信息比较丰富，可以进一步加 工，得到参考信息。 在不同矿区隶属函数的选择及其合理性仍需讨论研究，数据归一化处理可能造成影响程度失真。
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3. 两种突水危险性评价方法简介
3.1 煤层底板突水危险性地质评价 煤层底板突水危险性地质评价是在突水系数法的基础上，通过对煤层底板岩性和结构的分析，建立评 价隔水层隔水性能和抗水压能力的岩性-结构分类，根据隔水性能和抗水压能力建立煤层底板突水危险性 等级分类，利用 GIS 空间分析得到突水危险性评价图 1）煤层底板隔水层岩性结构分类 对于煤系沉积岩石，隔水层岩性主要有砂岩为主型、砂泥岩复合型和泥岩为主型。泥岩为主型表现为 塑性，隔水性能好但力学强度相对较低，抗水压能力较低。砂岩为主型表现为脆性，隔水性能较差但力学 强度相对较高，抗水压能力较强。而砂泥岩复合型处于两者之间。对于煤层底板沉积岩层采用泥岩百分比 含量（K）来表示隔水岩层岩性特征 K= × 100%
注：安全（Ⅰ） ；中等安全（Ⅱ） ；安全差（Ⅲ） ；安全极差（Ⅳ） 。
5）该评价方法的优缺点 该方法的创新点在于用泥岩百分比含量量化隔水层岩性，用极大主曲率量பைடு நூலகம்隔水层构造，建立基于岩 性-结构的煤层底板突水危险性评价理论和方法，使得对复杂的水文地质条件评价更趋于合理和可靠。 该方法中的分级标准是根据专家经验获得的，具有一定的主观性和随意性，且只适用于开滦范各庄煤 田，若应用于其他地质条件不同的煤田则需要重新分级。 该方法只考虑了地质条件而未考虑开采对隔水层底板的扰动破坏，因此在开采条件下其分级标准还需 要进一步验证和调整。 3.2 基于 AHP 的二级模糊综合评价 模糊综合评价法是一种基于模糊数学的综合评标方法。该综合评价法根据模糊数学的隶属度理论把定 性评价转化为定量评价，即用模糊数学对受到多种因素制约的事物或对象做出一个总体的评价。它具有结 果清晰，系统性强的特点，能较好地解决模糊的、难以量化的问题，适合各种非确定性问题的解决。二级 指建立二级指标体系。 1）建立评价指标体系