基于不同無量綱方法的煤層底板突水主控指標研究?

武 強邊 凱李飛飛錢增江馮 玉劉金國劉 伯

(1.中國礦業(yè)大學(北京)地球科學與測繪工程學院,北京市海淀區(qū),100083; 2.開灤(集團)有限責任公司,河北省唐山市,063018)

基于不同無量綱方法的煤層底板突水主控指標研究?

武 強1邊 凱1李飛飛1錢增江2馮 玉2劉金國2劉 伯2

(1.中國礦業(yè)大學(北京)地球科學與測繪工程學院,北京市海淀區(qū),100083; 2.開灤(集團)有限責任公司,河北省唐山市,063018)

針對不同的煤層底板突水主控指標無量綱化方法會得到具有一定差異的突水危險性評價結果,對各種常見的指標無量綱化處理方法進行了整理和歸類。以開灤礦區(qū)趙各莊礦最深水平煤層底板突水主控指標數(shù)據(jù)為例,根據(jù)各個指標值的屬性特點,應用不同的無量綱化方法得到了不同的煤層底板突水危險性評價結果,對各無量綱化處理結果進行了對比分析。結果表明,不同無量綱化方法對綜合評價結果的總體趨勢一致,局部區(qū)域存在差異。最后,以Spearman等級相關系數(shù)進行無量綱化方法的優(yōu)選,對比分析得出平均化處理方法更加科學合理。

煤層底板突水 脆弱性評價 主控指標 無量綱化

1 概述

近幾年來,隨著煤礦開采深度的不斷增加,“三高”(高水壓、高礦壓、高地溫)問題嚴重威脅著深部煤炭資源的安全開采。因此,如何科學合理的對煤層底板突水危險性進行評價,將對防治水害事故,實現(xiàn)深部煤層的安全開采具有重要指導意義。

近年來,我國眾多學者在研究煤層底板突水評價方法研究上取得了重大進展,其中主要有突水系數(shù)法、“下三帶”理論、關鍵層理論、巖－水應力關系法以及脆弱性指數(shù)法等。20世紀90年代末,中國礦業(yè)大學(北京)在考慮煤層底板突水眾多主控因素相互復雜作用關系和相對權重比例,提出了基于GIS的多元信息融合的脆弱性指數(shù)法,該方法能夠反映煤層底板突水在各個主控因素的綜合影響下的復雜非線性突水過程機理,很好地解決了煤層底板突水預測預報難題。和其它評價方法一樣,脆弱性指數(shù)法在煤層底板突水評價應用過程中處于不斷發(fā)展完善階段。在基于變權理論的煤層底板突水脆弱性評價中,應用變權分區(qū)模型能很好地解決傳統(tǒng)常權評價模型存在的單一主控指標因素在研究區(qū)因水文地質(zhì)條件變化引起其指標值突變對煤層底板突水的控制和影響特征,解決了煤層底板突水脆弱性評價預測中的一個關鍵技術難題。

煤層底板突水脆弱性評價模型是一個多指標、分層次的綜合評價模型,在煤層底板突水脆弱性評價過程中,評價結果的準確性不僅取決于評價指標權重的合理選取,也取決于評價指標無量綱化方法選取的合理性與科學性。目前,在對煤層底板突水相關評價方法上,無論是傳統(tǒng)常權分區(qū)評價模型還是改進之后的變權分區(qū)評價模型在對各主控指標值無量綱化處理上都是采用單一的選取指標值數(shù)據(jù)歸一化的處理方法,即在評價過程中不考慮評價指標值的屬性特點和取值范圍,均將歸一化區(qū)間設置為[0,1]的值,這一方法顯然不太合理。此外,歸一化公式的分母僅與原始指標的最大值和最小值有關,這就造成當指標值的最大值與最小值之差很大時,得到的評價值就會過小,相當于變相降低了指標的重要性;反之亦然,這將會影響到最終綜合評價結果的準確性。

因此,本次研究以開灤礦區(qū)趙各莊礦最深水平為例,在對其煤層底板脆弱性評價方法上,不僅要考慮傳統(tǒng)常權分區(qū)評價模型中權重不變對綜合評價結果準確性的影響,也要選用多種無量綱方法對指標值進行量化處理,然后在綜合評價過程中根據(jù)評價對象的屬性特點和評價模型的需要對無量綱方法進行比較和優(yōu)選,選取一種適合評價模型的無量綱方法,最后應用到評價模型中,從而使得評價結果更加科學合理。

2 研究區(qū)概況

開灤趙各莊礦十四水平為開平煤田的最深開采水平,埋藏深度已經(jīng)達到1254 m,是全國典型的最深開采礦井之一,礦井水文地質(zhì)屬極復雜類型。隨著開采水平加深,煤層底板水壓增大、圍巖壓力增大、構造變化等諸多地質(zhì)環(huán)境的變化,煤層底板突水幾率也隨之增加。

趙各莊礦十三水平在東翼1石門開采過程中,大巷曾發(fā)生嚴重底鼓,并伴有頂部淋水和底部滲水現(xiàn)象,被迫停產(chǎn),進行注漿封堵、加固。雖未發(fā)生水害事故,但為下一步的防治水工作敲響了警鐘。目前,十四水平的井底車場已基本完工,東西翼正在施工大巷。因此,對十四水平煤層底板突水危險性進行預測預報對礦井的安全生產(chǎn)具有重要的指導作用。

3 煤層底板突水主控指標及其無量綱化

3.1 煤層底板突水主控指標的確定

根據(jù)開灤趙各莊礦實際水文地質(zhì)勘探資料以及影響突水的各個因素進行分析,選取奧陶系灰?guī)r含水層水壓、奧陶系灰?guī)r含水層富水性、底板隔水層有效厚度、奧灰頂部古風化殼厚度、斷層與褶皺分布、斷層交點和端點的分布、斷層規(guī)模指數(shù)7個指標作為影響煤層底板奧灰含水層突水的主控指標。

3.2 各主控指標專題圖的建立

煤層底板突水主控指標的單因素專題圖是綜合評價結果的基礎。根據(jù)開灤趙各莊礦收集的大量地質(zhì)與水文地質(zhì)勘探資料,將評價區(qū)12－2＃煤層底板突水主控因素原始數(shù)據(jù)生成數(shù)據(jù)庫,進行插值計算處理,建立各主控因素專題圖,如圖1所示。

3.3 主控指標的無量綱化處理

3.3.1 煤層底板突水主控指標的一致化處理

在多指標綜合評價中,各個指標都具有各自不同的屬性,根據(jù)指標性質(zhì)及表現(xiàn)形式的不同,綜合評價指標可分為正向指標、逆向指標和適度指標3種類型。其中,正向指標與綜合評價結果呈正相關性,逆向指標與其呈負相關性,適度指標與綜合評價結果的相關性不明確。因此在綜合評價過程中,逆向指標和適度指標需進行預處理,即指標的一致化處理。

開灤趙各莊礦十四水平評價區(qū)12－2＃煤層底板突水脆弱性評價指標體系中,從指標性質(zhì)來分析,奧陶系灰?guī)r含水層水壓、奧陶系灰?guī)r含水層富水性、斷層和褶皺分布、斷層交點和端點的分布、斷層規(guī)模指數(shù)5個指標屬于正向指標,其與煤層底板突水呈正相關性,即指標值越大對煤層底板突水促進作用越大;隔水層有效厚度和古風化殼厚度屬于逆向指標,其指標值越大對煤層底板突水阻礙作用越大。因此在對各主控指標值進行無量綱化處理時,首先要對隔水層有效厚度和古風化殼厚度這兩個逆向指標按式(1)進行指標的正向化處理。

圖1 底板突水各主控因素專題圖

式中:Xij——原始指標值;

Yij——正向化指標值。

3.3.2 煤層底板突水主控指標的無量綱化處理

本次研究中主要選取極差法(式2)、比重法(式3)、極小化法(式4)、平均化法(式5)4種無量綱化方法對各一致化處理后的突水主控指標進行無量綱化處理:

(1)極差法:

(2)比重法:

(3)極小化:

(4)平均化:

式中:xij——第i個對象的第j個指標的實際值;

yij——第i個對象的第j個指標的無量化值。

4 基于多種無量綱化方法的煤層底板突水危險性評價

4.1 構建層次結構模型

根據(jù)對影響趙各莊礦12－2＃煤層底板突水的主要控制因素的分析,將研究對象劃分為3個層次。層次結構模型如圖2所示。

圖2 底板突水脆弱性評價層次分析結構模型

4.2 構建判斷矩陣

根據(jù)對影響趙各莊礦12－2＃煤層底板突水因素的分析,采用專家打分法以及現(xiàn)場生產(chǎn)實踐經(jīng)驗對各影響指標進行評分。在底板突水脆弱性評價(A)這一目標下,構造各準則層的相對重要性的兩兩比較判斷矩陣(B)和(C),進而進行層次分析及一致性檢驗。表1為層次總排序表,經(jīng)過計算,判斷矩陣均可以滿足一致性檢驗。

表1 層次總排序表

4.3 專題圖的復合疊加

在進行多因素擬和分析之前,首先必須進行復合疊加處理,把各個有關因素的信息存儲層復合成一個信息存儲層,使所生成的信息存儲層中包含所有相關因素的信息。這里復合疊加處理實質(zhì)上就是把各單因素消除量綱后的無量綱化專題圖配準合成一個新的圖形并重建拓撲形成新的拓撲關系屬性表。

4.4 脆弱性評價模型的建立

引入脆弱性指數(shù)VI(Vulnerability Index)的初始模型來對煤層底板突水脆弱性進行評價。脆弱性指數(shù)定義為某一地區(qū)的某一地段的某一柵格位置上的各種影響因素對其產(chǎn)生的疊加影響總和。脆弱性指數(shù)可用以下模型式表示:

式中:VI——脆弱性指數(shù);

Wk——影響因素權重;

fk(x,y)——單因素影響值函數(shù);

n——影響因素的個數(shù)。

由表1和式(6)可以得出趙各莊礦12－2＃煤層底板奧陶系灰?guī)r含水層突水脆弱性評價模型:

4.5 不同無量綱化處理下煤層底板突水脆弱性評價分區(qū)

通過自然分級法對煤層底板脆弱性指數(shù)進行處理,可以得到在各無量綱方法處理下的煤層底板突水脆弱性分級最佳的五級分級結果(相對安全區(qū)、較安全區(qū)、過渡區(qū)、較脆弱區(qū)、脆弱區(qū))。不同無量化方法處理下12－2＃煤層底板突水脆弱性評價分區(qū)情況如圖3所示。脆弱性指數(shù)值越大,突水的可能性越大。

4.6 不同無量綱化處理下煤層底板評價結果對比分析

在常權分區(qū)評價模型中,由于選取的指標體系和各個指標值的權重是固定不變的,因此,綜合評價結果的差異性就表現(xiàn)在對指標值選取的無量化方法的不同上。由圖3可以看出,整體上4種無量綱化處理對評價結果的總體趨勢是一致的,局部區(qū)域有差異。研究區(qū)西翼由東Ⅲ斷層往西其底板突水脆弱性均表現(xiàn)為逐漸加強的趨勢,東翼由Ⅷ斷層往東其突水危險性均表現(xiàn)為逐漸增強的趨勢;在構造影響區(qū)域突水危險性均較強。局部差異性主要表現(xiàn)在極差化處理得到的綜合評價結果在研究區(qū)東翼的2號石門以東區(qū)域,東Ⅲ斷層與東Ⅷ斷層之間構造影響區(qū)域以及西翼最西端均表現(xiàn)為較脆弱區(qū),而其他3種無量化處理的結果表現(xiàn)為過渡區(qū)或較安全區(qū);比重法、極小化和平均化處理得到的綜合評價結果更加能夠凸顯構造對評價分區(qū)的影響,主要變現(xiàn)為構造處突水危險性最大,以斷層為中心向兩邊突水危險性減弱;通過對上述4種評價分區(qū)圖效果的對比分析可以看出,比重法、極小化和平均化3種無量綱化處理方法得到的評價分區(qū)圖效果整體一致性最好,極差化較差。

圖3 不同無量化方法處理下12－2＃煤層底板突水脆弱性評價分區(qū)圖

5 無量綱方法的比較與優(yōu)選

在本次評價過程中,由于采用了相同的指標評價體系以及常權分區(qū)評價模型,因此,綜合評價結果的差異性就排除了評價指標和權重差異性的影響,其評價結果的差異性僅變現(xiàn)在無量綱方法選擇上的不同。

在多指標綜合評價中,由于選用不同的無量綱化方法會產(chǎn)生不同的評價值,從而得到相應的等級排序。由于每種無量綱方法得出的結論往往有偏差,任何一種無量綱化方法得出的等級排序,其結果都難以使人信服。鑒于此,本次評價研究采用斯皮爾曼(Spearman)等級相關系數(shù)(簡稱等級相關系數(shù),用rs表示)對各個無量綱方法進行綜合評價所得到的脆弱性指數(shù)值的等級排序與合理等級排序進行相關性分析,以此進行無量化方法的優(yōu)選。

設對某一綜合評價的兩種排序(排序結果為由好到壞)分布為X和Y。X的等級排序為X＝{X1,X2,…,Xn},Y的等級排序為Y＝{Y1,Y2,…,Yn},n為評價對象的總數(shù)。X和Y的等級相關系數(shù)為:

當rs＞0,則認為X與Y正相關,rs越大表示正相關程度越高;當rs＜0,則認為X與Y負相關,rs越小表示正相關程度越不高;當X與Y存在完全的線性相關關系;當rs＝0,可以認為X與Y不相關。

各種無量綱方法得到的綜合評價的排序結果與合理排序都有著極高的相關性,其中平均化等級排序與合理排序的相關性最高,相關系數(shù)為0.998,其次是極小化處理方法得到的排序結果與合理排序的相關系數(shù)為0.996,接下來是比重法等級排序與合理排序的相關系數(shù)為0.981,而極差化處理方法得到的排序結果和合理排序的相關系數(shù)為0.979,相關性相對較低。相關性越高說明此無量綱方法得到的綜合評價結果越好,因此,可以得出結論,平均化處理得到的綜合評價結果最好。

6 結論

(1)綜合分析了影響開灤趙各莊礦最深水平12－2＃煤層首采區(qū)底板突水的主控因素,確定了影響評價區(qū)煤層底板奧灰含水層的主控因素,根據(jù)各個指標值的屬性特點,采用多種無量綱化方法對各個指標值進行量化,結果表明,不同的無量綱化處理方法會得到不同的綜合評價結果。

(2)將已量化的各指標值應用于常權分區(qū)模型對評價區(qū)煤層進行脆弱性評價,反映出不同無量綱化方法對綜合評價結果的影響,通過對不同無量綱化處理方法的煤層底板突水脆弱性綜合分區(qū)結果的對比分析,結果表明,整體上看4種無量綱化處理對評價結果的總體趨勢是一致的,局部區(qū)域有差異;比重法、極小化和平均化3種無量綱化處理方法得到的評價分區(qū)圖效果整體一致性最好,極差化較差。

(3)對基于無量綱化與常權分區(qū)模型的綜合評價結果應用Spearman等級相關系數(shù)進行無量綱化方法對比優(yōu)選,從而得到一種最適合評價模型的無量綱化處理方法,結果表明,4種無量綱化方法得到的綜合評價的排序結果與合理排序都有著極高的相關性,其中平均化等級排序與合理排序的相關性最高,相關系數(shù)為0.998,因此,可以得出結論,平均化處理得到的綜合評價結果最好。

[1] 趙鐵錘.華北地區(qū)奧灰水綜合防治技術[M].北京:煤炭工業(yè)出版社,2006

[2] 武強,金玉潔.華北型煤田礦井防治水決策系統(tǒng)[M].北京:煤炭工業(yè)出版社,1995

[3] 武強,張志龍等.煤層底板突水評價的新型實用方法Ⅰ——主控指標體系的建設[J].煤炭學報,2007 (1)

[4] 武強,張志龍等.煤層底板突水評價的新型實用方法Ⅱ——脆弱性指數(shù)法[J].煤炭學報,2007(11)

[5] 武強,解淑寒等.煤層底板突水評價的新型實用方法Ⅲ——基于GIS的ANN型脆弱性指數(shù)法應用[J].煤炭學報,2007(12)

[6] 武強,王金華等.煤層底板突水評價的新型實用方法Ⅳ:基于GIS的AHP型脆弱性指數(shù)法應用[J].煤炭學報,2009(2)

[7] 武強,張波等.煤層底板突水評價的新型實用方法Ⅴ:基于GIS的ANN型、證據(jù)權型、Logistic回歸型脆弱性指數(shù)法的比較[J].煤炭學報,2013(1)

[8] 武強,劉守強等.脆弱性指數(shù)法在煤層底板突水評價中的應用[J].中國煤炭,2010(6)

[9] 武強,李博等.基于分區(qū)變權模型的煤層底板突水脆弱性評價——以開灤蔚州典型礦區(qū)為例[J].煤炭學報,2013(9)

[10] 李博.基于變權理論的煤層底板突水脆弱性評價—以蔚礦為例[D].北京:中國礦業(yè)大學(北京), 2014

[11] 葉宗裕.關于多指標綜合評價中指標正向化和無量綱化方法的選擇[J].浙江統(tǒng)計,2003(4)

[12] 丁劍潔.相關性分析技術在軟件度量中的應用[J].陜西教育學院學報,2008(24)

[13] 焦立新.評價指標標準化處理方法的探討[J].安徽農(nóng)業(yè)技術師范學院學報,1999(13)

[14] 張衛(wèi)華,靳翠翠.多指標綜合評價方法及方法優(yōu)選研究[J].統(tǒng)計與咨詢,2007(1)

Research on a major index of water inrush from coal seam floor based on different dimensionless methods

Wu Qiang1,Bian Kai1,Li Feifei1,Qian Zengjiang2,Feng Yu2,Liu Jinguo2,Liu Bo2
(1．College of Geoscience and Surveying Engineering,China University of Mining and Technology, Beijing,Haidian,Beijing 100083,China; 2．Kailuan Group Co．,Ltd．,Tangshan,Hebei 063018,China)

In view of the different assessments of a major index of water inrush from coal seam floor obtained by different nondimensionalization methods,the common methods were summarized and classified．The major index of water inrush from the deepest level of coal seam floor in Zhaogezhuang coal mine in Kailuan mining area being taken as an example,the different assessment results of water inrush from coal seam floor were obtained by different nondimensionalization methods according to the characteristics of each index value．The comparison shows that the overall trend of different results is consistent except for partial differences in some areas．Finally,the nondimensionalization methods were optimized using Spearman rank correlation coefficient,and the comparative analysis shows that the equalization method is more scientific and reasonable．

water inrush from coal-seam floor,vulnerability assessment,major control index,nondimensionalization

TD745.2

A

武強(1959－),男,內(nèi)蒙古呼和浩特人,教授,博士生導師,從事礦井水害防治、水資源等方向研究工作。

(責任編輯 張艷華)

國家自然科學基金資助項目(41272276, 41430318),教育部創(chuàng)新團隊(IRT1085),煤炭資源與安全開采國家重點實驗室自主研究課題,中央高校基本科研業(yè)務費資助項目(2010YD02),“十二五”國家科技重大專項資助項目(2011ZX05060－06),“十二五”國家科技計劃資助項目(2012BAB12B03－03)