潞寧煤業2#煤層底板突水危險性評價模型研究及應用

尚小平

（潞安集團潞寧煤業有限責任公司，山西 寧武 036700）

1 工程概況

山西潞安集團潞寧煤業有限公司位于寧武縣城西南，井田位于呂梁山北段蘆芽山脈東麓，東依汾河。井田內總體地勢北西高，東南低，地形標高在1575～1675m之間，屬低中山區，井田東側為汾河，南側為汾河支流西馬坊河，井田范圍內含煤地層為侏羅系中統大同組，共有2層可采煤層，自上而下為2、3號煤層。

2#煤層位于大同組上段的三亞段上部，上距云崗組底部K砂巖約15m。煤層厚0.35～6.18m，平均3.28m，煤層頂板巖性多為炭質泥巖、泥巖，底板巖性絕大部分為泥巖，煤層底板直接充水水源是來自大同組的砂巖裂隙水。據勘探試驗資料，含水層以中細粒砂巖為主，單位涌水量0.08～0.256l/s·m，由于煤層富水性強弱不均一，故在煤層底板充水強度大的位置處，會對煤層開采構成一定的威脅，故需采取有效手段對2#煤層底板的底板突水危險性進行有效評價。

2 底板突水模型及評價

2.1 底板突水主控因素

通過對潞寧煤業地質條件及實測資料的詳細分析，確定出2#煤層突水的主控因素有8個，分別為：含水層壓力、富水性、隔水層厚度、斷層褶皺分布、斷層規模指數、破壞帶下脆性巖厚度、陷落柱分布及斷層與褶皺交端點分布，現對八種因素進行概述分析，并進行量化：

1）含水層壓力：煤層底板含水層水壓的大小為底板突水的重要因素之一，隨著含水層水壓的增大，煤層底板發生突水的危險性會逐漸增大，2#煤層底板的水壓在2.4～5.7MPa之間，從研究區域的西北部向東南部總體表現為逐漸減小的趨勢[1]。

2）含水層富水性：底板砂巖含水層為突水的主要水源，2#煤層底板含水層的富水性通過礦井的抽水試驗能夠直接有效的反應出，基于抽水試驗結果對鉆孔的單位涌水量進行插值，進而得到研究區域單位涌水量如圖1所示。

圖1 2#煤層底板研究區域含水層富水量

3）隔水層厚度：底板隔水層一般由幾個不同的巖性組成，需將其轉化為砂巖等效的有效厚度，2#煤層底板研究區域底板隔水層的有效厚度為27～67.5m，隔水層厚度平均值為46m。

4）斷層和褶皺分布：2#煤層底板斷層和褶皺的分布情況如圖2所示，根據斷層及褶皺不同的破壞程度，分別取影響帶和破碎帶量化值為0.7和1。

圖2 2#煤層底板研究區域斷層及褶皺分布

5）斷層規模指數：該項因素是指基于地質構造圖計算得出的斷層斷距和單位面積的長度和，其代表著斷層的發育程度和規模，根據2#煤層底板的勘探地質資料能夠得出該項參數。

6）破壞帶下脆性巖厚度：該項因素在阻止巖層發生突水中起著關鍵作用[2]，根據2#煤層的地質勘探資料可知，2#煤層底板破壞帶脆性巖的厚度在6.6m～38.2m之間。

7）斷層與褶皺交端點分布：在地質構造內部及其端點和交叉點的位置處，其巖體的導水率大于周圍區域，易發生突水現象，基于巖層的破碎程度能夠對該項因素進行量化。

圖3 2#煤層底板研究區域陷落柱分布

8）陷落柱分布：針對巖溶地區，陷落柱為煤層底板突水的主要通道，根據2#煤層地質資料中幾個巖溶陷落柱的描述，并根據沖擊區的破碎程度及導水率對研究區域進行具體量化，基于此能夠得出2#煤層底板研究區域陷落柱的分布如圖3所示，針對緩沖帶對其賦值為0.8，對于柱體區域賦值為1。

2.2 評價模型的建立

根據潞寧煤業2#煤層底板的具體地質條件，擬采用隨機森林的算法對底板突水危險性進行評價，該方法為眾多回回歸樹和許多分類的集合，該方法能夠處理回歸問題和分類數據，在進行回歸數據分析時，其首先利用指數方法確定出根節點的屬性，隨后采用Gini指數Ig對研究對象的純凈度進行測量，Ig的表達式為：

式中：N為葉子數量；pi為樣本屬于第i片葉子的概率；當Ig越小時，樣本越純潔，具體從多個預測屬性中選擇一個或多個屬性組合作為分裂變量，將節點分割為兩個葉節點，重復該過程直至分類樹建立完畢。

隨機森林的預測模型中的兩個重要參數為：分離節點數m和分類樹的數量k，具體隨機森林算法的實現步驟如下：

1）首先采用Bootstrap重采樣的方法從原始數據集X中抽取k個樣本。

2）針對這k個樣本，分別創建k個末剪枝的分類樹，針對分類樹的每一個節點，需從M個屬性中選取m個屬性作為內部節點，隨后基于Gini指數原則，選擇一個最優的屬性作為分裂變量，使樹枝逐漸生長，基于此得出的分類樹不需要修剪，得出的每個節點純度最小，會得出k個分類樹。

3）基于得出的k個分類樹，對于任何一個決策均采用多數投票的方式確定出最終的分類結果。

具體隨機森林的原理圖如圖4所示。

圖4 隨機森林的原理示意圖

在進行2#煤層底板突水危險性評價時，需先選取訓練樣本，進而建立處樣本數據庫，現選取華北地區41個現場實測的數據，基于涌水量對突水風險的等級進行量化，隨后對8個底板突水的主控因素進行分級[3-4]，得出風險等級的分類系統如表1所示，表1中將底板突水的危險性劃分為5個等級，分別為危險區、較危險區、過渡區、較安全區和相對安全區。

表1 底板突水8個主控因素風險等級

在對2#煤層底板進行突水性評價時，本次的主控因素有8個，為提高模型的精度，需對參數m和k進行優化，得到最優的m值，分別計算得到m=2和m=3時，隨機森林模型的誤差如圖5所示，從圖中能夠看出，當k值為100時，此時OOB的誤差已經逐漸趨于穩定，在m=3時，此時誤差處于較低的水平，在0.14附近，基于此分析可知隨機森林的模型對2#煤層底板突水危險性的預測精度能夠達到86%，模型合理，確定出合理的優化參數組合為：m=3，k=100。

圖5 隨機森林模型的OOB誤差

3 評價結果分析

為有效準確打得分析研究2#煤層底板突水風險主控因素間的空間差異，將研究區域劃分為30m×30m的方形網格，確定研究區域的面積為117.1km2，并在此劃分的基礎上建立隨機森林模型，具體應用于每個研究區域，進而有效的得出每個網格的風險等級，具體基于隨機森林的模型得出的2#煤層底板突水風險分區如圖6所示。

圖6 2#煤層底板隨機森林風險分析圖

通過具體分析圖6可知，2#煤層底板研究區域內煤層底板突水的危險性呈現出由東部向西部過渡的趨勢，研究區域風險性從四周向中心逐漸增大，；另外根據圖中能夠看出較危險區域和危險區域主要集中分布在褶皺、陷落柱和斷層較為發育的區域處，較危險和危險區域的面積占到總體面積的28.1%。

在2#煤層底板的研究區域內，較危險區域和過渡區集中在礦井的中心的西南部，該區域含水層的水壓力基本處于4.5～5MPa之間，且隔水層的厚度基本在30m左右，厚度較低，另外破壞帶脆性巖石厚度也較小，在15～20m的范圍內，且存在著小型的構造分布在該區域。針對該部分區域重視加強地質構造的勘探，尤其應確保在構造的交端區域沒有涌水預兆出現。

危險區域主要分布在鉆孔 P302、PZK505和PZK507的附近區域，據水壓專題圖和相關勘探資料可知，該部分含水層的水壓為研究區域中水壓最大的，其含水層的水壓值均大于5MPa，并且該部分區域的地質構造較為發育，富水性較高，存在著如F164和F73這種斷距較大的斷層，另外陷落柱也大部分分布在該區域，針對該區域應實時注意煤層底板突水的危險性，在必要時采用疏水降壓的方式以降低煤層底板受到的壓力，保障該區域煤層底板的安全。

較安全區域和相對安全區域的面積占到53.38km2，這些區域的地質條件相對簡單，含水層富水性較差，這些區域主要分布在研究區域的東部，少量分布在西部，針對這些區域需加強地質鉆孔水量、水位和水壓的連續觀測作業。

4 結 論

根據2#煤層底板巖層的具體地質及水文條件，確定出底板突水的八個主控因素，采用隨機森林的算法建立2#煤層底板突水危險性的預測模型，根據模型的分析結果將2#煤層底板研究區域發生底板突水危險性劃分危險區、較危險區、過渡區，較安全區和相對安全區，并具體給出每個區域的位置和應采用的對應措施，以保障2#煤層底板的安全。