礦井突水水源快速判別信息輔助決策系統在馬蘭礦的研發應用

薛道成

(山西焦煤西山煤電集團公司,山西省太原市,030053)

礦井突水水源快速判別信息輔助決策系統在馬蘭礦的研發應用

薛道成

(山西焦煤西山煤電集團公司,山西省太原市,030053)

介紹了礦井突水水源快速判別信息輔助決策系統的構成及功能,并結合馬蘭礦的水文地質資料,建立了馬蘭礦礦井突水水源快速判別信息輔助決策系統。為驗證模型的可靠性,將標準水樣作為待測水樣,用模糊綜合評判法、灰色關聯法、模糊識別法、神經網絡法和聚類分析法5種數學方法進行回代試驗,結果表明,模糊綜合評判和聚類分析的效果較好,故確定用以上模型對馬蘭礦未知水樣進行識別。

礦井水害 突水事故 水源快速判別信息輔助決策系統 馬蘭礦

西山煤電(集團)股份有限公司馬蘭礦存在礦井突水的安全隱患,嚴重威脅著煤礦安全生產。近幾年來,通過水樣化驗確定出水水源一般需3～5天,不能及時地提出有針對性的防治措施。為了能在出水時快速準確地確定出水水源,及時采取有效的預防和補救措施,減少礦井的水害損失,馬蘭礦建立了礦區礦井突水水源快速判別信息輔助決策系統。該系統的建立,對提高礦井防治水決策的能力和水平具有極其重要的意義和實用價值。

1 系統概況

當礦井開采時,由于采動引起巖層產生大量的裂隙,導致各含水層水力相對平衡狀態被打破,進而產生涌水。礦井一旦涌水,首要的工作是迅速準確地判斷充水水源,以便采取相應的措施進行防治,減少和避免淹井等重大事故發生。

煤礦突水事故分析中,水化學方法是研究煤田各含水層地下水質的主要方法之一,同時也是判別礦井突水水源的重要手段。長期以來,水質判別是按表面特征定性判定的,其結論往往爭議較大,無法滿足現場技術決策的要求。隨著計算機技術的應用和普及,建立水化學數據庫,開發配套的突水水源判別模式軟件,已成為煤礦生產單位的迫切需要,也是現代礦井地質保障系統的一個重要組成部分。水的化學性質及成分是一個較為復雜的系統,綜合了水質物理參數、化學離子組成、微量元素含量及其它特征(如穩定同位素和放射性同位素等)。生產礦井中的涌水有多種形式,如井筒淋水、頂板出水、底板冒水、巷道裂隙噴水和掘進巷道涌水等,這些水通常來自不同的含水層,必然具有不同的水化學特征。實踐證明:在水質分析中對水中最基本的24項指標做檢測是必要的,也是合理的。以此為基礎,建立水化學數據庫,開發礦井突水多功能快速分析系統,在技術上是可行的。

2 系統的研發

2.1 技術路線

為了圓滿實現該系統的研發,解決實際生產問題,收集了大量的相關資料,采取了如下詳細的技術路線,見圖1。

圖1 技術路線圖

(1)通過對礦區相關資料的收集與整理,弄清區域地質構造特征及水文地質條件,掌握與課題有關的某些水文地質化學背景值,了解含水層地層巖性及地下水賦存規律。

(2)查明礦區各主要突水含水層的地下水物理性質(礦化度、p H值等)及水化學成分(Ca2+、K++Na+、M g2+、Cl-、SO42-、HCO3-)的分布特征,找出各層的特征離子。

(3)構建水化學基礎數據庫,實現水化學基礎數據庫對水化學數據的錄入、修改、查詢與報表等功能。通過數據庫方式可有效地將研究區的歷史數據進行動態管理,以便對井下突水事件進行分析與決策。

(4)依據水文地質條件、富水性等基礎信息,以常規水化學數據為因子,建立突水水源判別模型。

(5)進行系統各個功能模塊的編寫,實現其運行功能。

(6)實現突水水源判別系統,并進行測試、優化和完善。

2.2 系統開發流程

按照系統開發思路,制定系統開發流程,見圖2。

圖2 系統開發流程

2.3 系統組織結構

按照結構化和模塊化的原則,將突水水源判別系統設計成多個相對獨立、功能單一的功能模塊。系統包括突水水源判別、水化學分析、空間信息管理、空間分析和數據管理5個主要的功能模塊,每個模塊下面又有若干子模塊,見圖3。

2.4 系統功能

在計算機軟、硬件的支持下,建立一個以煤礦井下突水水源快速判別為中心,以實現水質數據的瀏覽、管理、查詢、統計和輸出主要功能,并結合各種數學方法和模型的水源判別模型,該系統提高了突水水源判別的效率,可以直接提供突水水源信息服務和輔助決策支持等功能。

圖3 系統結構圖

3 系統的仿真應用

結合馬蘭礦的地質資料和收集的水文地質資料,建立了馬蘭礦礦井突水水源快速判別信息輔助決策系統。

3.1 突水水樣類別的劃分和判別指標的選取

根據含水介質性質特征,馬蘭井田可劃分為四大含水巖組、即松散巖類孔隙水含水巖組、碎屑巖類裂隙水含水巖組和碎屑巖類夾層間巖溶裂隙含水巖組,碳酸鹽巖類巖溶裂隙水含水巖組。

本次選取了K++Na+、Ca2+、M g2+、HCO3-、SO42-及Cl-等化學指標的毫克當量為影響因素,根據現有水樣資料,選取礦區內水質數據作為水源判別的源數據。這些被選取的水樣能較好地反映采樣點處地下水水文地球化學特征,是采樣點處的典型水樣。將資料錄入系統基礎數據庫中,分別采用模糊綜合評判法、神經網絡法、灰色關聯法、模糊識別法和聚類分析法建模。

在馬蘭礦區選取21個水樣作為源數據中突水水源判別的背景值。其中奧灰水水樣8個,頂板灰巖水樣7個,第四系水樣4個,頂板裂隙砂巖水樣2個。

3.2 數學模型判別的結果

根據上述數學模型,用VB6.0開發了“馬蘭礦區礦井突水水源快速判別信息輔助決策系統”。該系統根據各種數學模型的原理進行了建模。為驗證模型的可靠性,本系統實現了生成水質報告功能,即將標準水樣中的每一個水樣作為待測水樣,用各個數學方法進行回代試驗,試驗結果比較理想。試驗結果見表1。

通過上表可以看出在馬蘭礦突水水源判別中,模糊綜合評判和聚類分析的效果較好些,可以利用以上模型對馬蘭礦未知水樣進行識別。

模型建立成功之后,嘗試將該系統應用于井田內18306工作面的涌水水源判別。選取1個2009年2月6日18306工作面一突水點作為涌水水源水樣(水質分析報告見表2),進行快速判別。所得判別結果見表3。

表1 數學模型判別正確率結果

表2 水質分析報告

表3 突水水源判別結果

可以看到幾種方法判別效果比較理想。可以利用該系統對馬蘭礦的突水水源進行快速判別。

4 結論

(1)在計算機的支持下,建立突水水源快速判別系統,為煤礦的安全生產提供了保障和支持。

(2)利用水化學數據判別礦井突水水源,具有簡便、快速、經濟的特點,是常規水文地質調查和分析的重要補充。

(3)通過大量試驗證明,馬蘭礦礦井突水水源快速判別信息輔助決策系統能夠快速、準確地確定礦井突水水源,極大地提高了礦井開采過程中的經濟效益以及安全經濟效益,具有良好的安全可靠性及方便的可操作性。該項技術的成功運用必將大幅減少煤礦水害事故的發生。對于其它類似條件的煤礦,該系統提供了一條有益的思路。

Application of information-aided decision system for source of m ine water inrush rapid determination to Malan Coal Mine

Xue Daocheng
(Xishan Coal Electricity Group Co.,Ltd.,Shanxi Coking Coal Group Co.,Ltd.,Taiyuan,Shanxi 030053,China)

The information-aided decision system for rapid determination of source of mine water inrush was introduced.The system was set up for Malan Coal Mine based on the geological information and hydrological data.In order to verify the reliability of the system,the standard water sample was taken as the test sample,and the five mathematical techniques were used for backtracking test including fuzzy comprehensive evaluation,grey correlation method,fuzzy recognition method,neural network method,and clustering analysis.The results showed that fuzzy comprehensive evaluation and clustering analysis could bring out the satisfied results,so they were used to analyze the unknown water samples from Malan Coal Mine.

mine water disaster,water inrush accident,information-aided decision system for water source rapid determination,Malan Coal Mine

TD745

B

薛道成(1962-),男,1981年畢業于大同煤校綜采專業,高級工程師,長期從事采煤、掘進的技術管理工作,現任山西焦煤西山煤電集團公司總經理。

(責任編輯 梁子榮)