一種煤層底板突水危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明提供一種煤層底板突水的評(píng)價(jià)方法，尤其涉及一種煤層底板突水危險(xiǎn)性評(píng) 價(jià)方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 礦井突水災(zāi)害預(yù)防一直是我國(guó)煤礦安全的重大研宄課題，煤層底板突水是煤礦突 水事故的主要形式，合理科學(xué)的評(píng)價(jià)煤層底板突水是保證煤礦安全生產(chǎn)的重要前提。
[0003] 多年來，許多學(xué)者對(duì)煤層底板突水的評(píng)價(jià)方法做了大量的研宄，提出了許多比較 可行理論，如"多源信息融合法"、"脆弱性指數(shù)法"、"偏最小二乘回歸法"等。
[0004] 但是，這些評(píng)價(jià)方法存在諸多方面的不足，主要表現(xiàn)為：一是，對(duì)煤層底板突水影 響因素的影響程度的定量分析、評(píng)價(jià)較少；二是，底板突水評(píng)價(jià)結(jié)果不直觀；更為重要的 是，上述方法均不能實(shí)現(xiàn)對(duì)煤層底板突水事前較為準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)和評(píng)價(jià)，或多或少地均存在 可靠性偏低的缺陷或不足。
[0005] 如何進(jìn)行科學(xué)準(zhǔn)確的煤層底板突水風(fēng)險(xiǎn)性評(píng)估，并且將這種風(fēng)險(xiǎn)性評(píng)估結(jié)果量 化，更加形象、直觀地表現(xiàn)出來，為煤礦安全生產(chǎn)提供可靠的指導(dǎo)，已經(jīng)成為本領(lǐng)域技術(shù)人 員一直渴望解決的技術(shù)問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的目的是，提供一種煤層底板突水危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)方法，其具有底板突水影響 因素指標(biāo)定量化、底板突水區(qū)域的形象、直觀的技術(shù)特點(diǎn)。
[0007] 本發(fā)明為實(shí)現(xiàn)上述目的所采用的技術(shù)方案是，一種煤層底板突水危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)方 法，其特征在于，包括以下步驟：
[0008] 第一步，進(jìn)行指標(biāo)分級(jí)，分級(jí)原則如下：將地質(zhì)構(gòu)造、水文地質(zhì)條件、底板隔水層和 開采條件確定為一級(jí)指標(biāo)；
[0009] 然后，將上述4項(xiàng)一級(jí)指標(biāo)細(xì)分為17項(xiàng)二級(jí)指標(biāo)，具體為：
[0010] 將地質(zhì)構(gòu)造分為3項(xiàng)二級(jí)指標(biāo)，分別為：斷裂導(dǎo)水性、斷裂密度和裂隙發(fā)育程度；
[0011] 將水文地質(zhì)條件分為5項(xiàng)二級(jí)指標(biāo)，分別為：含水層富水性、承壓水水壓、巖溶發(fā) 育程度、強(qiáng)水源補(bǔ)給程度和承壓水導(dǎo)升高度；
[0012] 將底板隔水層分為3項(xiàng)二級(jí)指標(biāo)，分別為：有效隔水層厚度、隔水層完整性和隔水 層巖性組合；
[0013] 將開采條件分為6項(xiàng)二級(jí)指標(biāo)，分別為：工作面斜長(zhǎng)，推進(jìn)速度、開采厚度、開采深 度、煤層傾角和采空區(qū)處理方式；
[0014] 第二步，獲取上述17項(xiàng)二級(jí)指標(biāo)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)；
[0015] 第三步，對(duì)上述17項(xiàng)二級(jí)指標(biāo)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行R、S型主成分綜合分析，步驟如下： 先進(jìn)行R型主成分分析，然后進(jìn)行S型主成分分析；
[0016] 最后，取R型和S型主成分分析的各指標(biāo)的權(quán)重的算數(shù)平均值作為綜合主成分分 析值并進(jìn)行大小排序，取排序的前6項(xiàng)，即獲得6項(xiàng)主控因素及其權(quán)重；
[0017] 第四步，根據(jù)確定出的6項(xiàng)主控因素及其權(quán)重，進(jìn)行底板突水危險(xiǎn)性評(píng)估，評(píng)估方 法按如下的突水危險(xiǎn)性評(píng)估運(yùn)算公式進(jìn)行運(yùn)算， η
[0018] p = Yj^rxi >
[0019] 上式中：
[0020] P表示底板突水危險(xiǎn)值；
[0021] ai(其中，i = 1~6)表示第i個(gè)主控因素的權(quán)重；
[0022] Xi (其中，i = 1~6)表示第i個(gè)主控因素歸一化后的值；
[0023] 第五步，依據(jù)GIS空間分析法分別建立上述的6項(xiàng)主控因素專題圖，具體方法如 下：將礦井巷道布置CAD圖導(dǎo)入GIS中，在GIS中選擇所需研宄的工作面，再將調(diào)查的主控 因素的各基礎(chǔ)數(shù)據(jù)導(dǎo)入GIS中，得到該6項(xiàng)主控因素專題圖；
[0024] 第六步，將上述6項(xiàng)主控因素專題圖按照上述突水危險(xiǎn)性評(píng)估運(yùn)算公式進(jìn)行圖層 疊加，從中直觀看出底板突水危險(xiǎn)性的高低區(qū)域，得到底板突水危險(xiǎn)性分布圖，并依據(jù)所得 到的底板突水危險(xiǎn)性分布圖判斷煤層底板突水的危險(xiǎn)區(qū)域，完成煤層底板突水危險(xiǎn)性評(píng) 價(jià)。
[0025] 上述技術(shù)方案直接帶來的技術(shù)效果是，通過主成分分析法與GIS空間分析法相結(jié) 合，進(jìn)行煤層底板突水危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)，一方面，可以更加形象直觀地反映出煤層底板突水的危 險(xiǎn)性區(qū)域和等級(jí)，便于開采過程中事先預(yù)防、處理；另一方面，可以簡(jiǎn)化危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)過程。為 更好地理解這一點(diǎn)，現(xiàn)簡(jiǎn)要說明如下：
[0026] 1、由于煤層底板突水機(jī)理的復(fù)雜性及其過程的非線性動(dòng)力性，所以影響底板突水 因素眾多。而變量太多，將增加煤層底板突水危險(xiǎn)性分析的難度和復(fù)雜性。
[0027] 上述技術(shù)方案通過運(yùn)用主成分分析法，從眾多影響因素中篩選出主控因素，并且 根據(jù)突水危險(xiǎn)性評(píng)估運(yùn)算公式將各基礎(chǔ)數(shù)據(jù)將主控因素定量化（得到底板突水危險(xiǎn)值）， 從而較好地實(shí)現(xiàn)了煤層底板突水由傳統(tǒng)的定性評(píng)價(jià)轉(zhuǎn)化為定量評(píng)價(jià)。
[0028] 2、結(jié)合GIS空間分析法，依據(jù)GIS研宄范圍，再將調(diào)查的主控因素的各基礎(chǔ)數(shù)據(jù)導(dǎo) 入GIS中，得到各項(xiàng)主控因素專題圖，從而可以形象、直觀地凸顯煤層底板突水危險(xiǎn)性的高 低區(qū)域，藉此確定底板突水危險(xiǎn)性區(qū)域，進(jìn)而對(duì)煤礦安全生產(chǎn)和防治水工作起到可靠的指 導(dǎo)作用。
[0029] 優(yōu)選為，上述的17項(xiàng)二級(jí)指標(biāo)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的R、S型主成分綜合分析是按如下步驟 進(jìn)行的：
[0030] (I)R型主成分分析：先將基礎(chǔ)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)，求數(shù)據(jù)的相關(guān)矩陣，進(jìn)而 求相關(guān)矩陣的特征根和特征向量；
[0031] 然后，用標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)與各個(gè)特征向量相乘求得各個(gè)指標(biāo)因素的權(quán)重；
[0032] (2)S型主成分分析：先將基礎(chǔ)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為中心化數(shù)據(jù)，求數(shù)據(jù)的協(xié)方差矩陣，進(jìn) 而求協(xié)方差矩陣的特征根和特征向量；
[0033] 再用所得到的中心化數(shù)據(jù)與各個(gè)特征向量相乘，得到各指標(biāo)因素的權(quán)重；
[0034] (3)綜合主成分分析：
[0035] 取R型和S型主成分分析所得到的各指標(biāo)的權(quán)重的算術(shù)平均值作為綜合主成分分 析值，并進(jìn)行大小排序，從而獲得主控因素。
[0036] 該優(yōu)選技術(shù)方案直接帶來的技術(shù)效果是，主成分分析法是一種多元統(tǒng)計(jì)分析方 法，主要起降維和簡(jiǎn)化數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的作用。其中，R型分析是指從原數(shù)據(jù)的相關(guān)矩陣R出發(fā)的 主成分分析；S型分析是指從原數(shù)據(jù)的協(xié)方差矩陣S出發(fā)的主成分分析。R型和S型主成分 分析因?yàn)榫仃嚨牟煌?，兩種分析方法計(jì)算結(jié)果有一定差異，很難區(qū)分哪一種方法相對(duì)更加 合理，但如果兩種方法結(jié)合起來研宄確定煤層底板突水主控因素及其權(quán)重值，其結(jié)果將更 具有合理性和說服力，最終可以得到底板突水危險(xiǎn)性分布圖，從該圖中直觀看出底板突水 危險(xiǎn)性的高低區(qū)域，從而判斷煤層底板突水的危險(xiǎn)區(qū)域。
[0037] 進(jìn)一步優(yōu)選，上述17項(xiàng)二級(jí)指標(biāo)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)是按如下方法獲取的：
[0038] 斷裂密度、承壓水水壓、承壓水導(dǎo)升高度、有效隔水層厚度、工作面斜長(zhǎng)，推進(jìn)速 度，開采厚度，開采深度和煤層傾角共9項(xiàng)二級(jí)指標(biāo)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)是通過實(shí)地勘探得到的；
[0039] 斷裂導(dǎo)水性、裂隙發(fā)育程度、含水層富水性、巖溶發(fā)育程度、強(qiáng)水源補(bǔ)給程度、隔水 層完整性、隔水層巖性組合和采空區(qū)處理方式，共8項(xiàng)二級(jí)指標(biāo)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，是從礦井近三年 的原始統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)中，分別取各自對(duì)應(yīng)項(xiàng)的加權(quán)平均值得到的。
[0040] 該優(yōu)選技術(shù)方案直接帶來的技術(shù)效果是，將實(shí)地勘探與原始統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)相結(jié)合，一 是有效利用礦井近三年的原始統(tǒng)計(jì)