基于多點統計的煤田巖溶塌陷預測方法研究

陳亞萍

（蘭州資源環境職業技術大學，甘肅蘭州 730022）

巖溶地貌又稱喀斯特地貌，在我國分布比較廣泛，是以水對碳酸鹽巖、石灰巖、石膏等可溶性巖石的化學性溶蝕為主，以流水的沖刷、潛蝕為輔而形成的地質容貌。由于煤田地下巖溶發育地區巖土地質結構比較脆弱，再加上人類地質活動向地下巖溶發育地區巖土地質結構施加壓力，導致煤田巖溶塌陷發生。通常情況下煤田巖溶塌陷具有立即性、隨機性、可預測性等特點，巖溶塌陷的發生會影響到煤田開采工程進度和成本，同時也會影響到施工人員人身安全，因此對煤田巖溶塌陷預測是非常有必要的。現行的預測方法有基于層次分析法的煤田巖溶塌陷預測方法，該方法是以層次分析法為理論依據，根據煤田巖溶監測數據對巖溶塌陷發生概率進行分析。由于傳統方法選取的預測因子不夠全面，需要對預測因子進行逐層分析才能得出最終的預測結果，預測過程比較復雜，導致傳統方法準確率較低，已經無法滿足煤田巖溶塌陷預測在精度方面的需求，為此提出基于多點統計的煤田巖溶塌陷預測方法研究。

1 煤田巖溶塌陷形成機理

由于煤田巖溶發育地區地質環境不同，誘發巖溶塌陷的因素不同，會使煤田巖溶發育地區產生不同的受力情況，從而導致不同程度的巖溶塌陷發生。但是通常情況下，煤田巖溶塌陷的發生與生成主要是受到一種主導機制影響，多種力學機制相互耦合的結果。圖1為煤田巖溶塌陷形成機理示意圖。

圖1 煤田巖溶塌陷形成機理示意圖

如上圖所示，煤田巖土覆蓋層下覆含有溶洞或者裂縫的基巖，并且煤田地下水含水層位于該覆蓋層處，煤田地下水地質結構與巖土覆蓋層巖溶發育地質結構相互重合，由此構成了煤田巖溶塌陷的基本形成條件。在煤田巖土覆蓋層處的溶洞或者裂縫，受到周圍地下水的潛蝕作用影響，溶洞和裂縫面積逐漸增大[1]。

2 基于多點統計的煤田巖溶塌陷預測方法設計

2.1 煤田巖溶塌陷預測因子選取與分析

對煤田巖溶塌陷形成機理分析可以得出，煤田巖溶塌陷影響因素主要包括地下水潛蝕、崩解、真空吸蝕[2-3]，因此選取該三個因素作為煤田巖溶塌陷預測因子。根據太沙基平衡原理，導致煤田巖溶塌陷橫向潛蝕作用形成的水力梯度計算如下：

式中，j表示導致煤田巖溶塌陷橫向潛蝕作用形成的水力梯度；G表示煤田巖土覆蓋層土顆粒比重；n表示煤田巖土覆蓋層土體的孔隙度[4]。

由達西定律可知，地下水縱向潛蝕與地下水流速和水力坡度相關，其計算公式如下：

式中，jz表示煤田巖溶縱向潛蝕力；k表示煤田巖土覆蓋層滲透系數；s表示煤田巖土覆蓋層地下水流速；d表示煤田巖土覆蓋層縱向水力坡度[5]。根據煤田巖溶覆蓋層地下水原始流速，計算其煤田巖溶縱向潛蝕動能變化量：

式中，ΔE表示煤田巖溶縱向潛蝕動能變化量；m表示煤田巖土覆蓋層地下水質量；v1表示煤田巖土覆蓋層地下水最大流速；v2表示煤田巖土覆蓋層地下水原始流速[6]。

2.2 煤田巖溶塌陷預測因子數據采集

對于煤田巖溶塌陷的預測是以上文選取的預測因子的真實數據為依據，此次根據實際需求，利用可控源音頻大地電磁法對預測因子數據進行采集[9]。利用地下煤田巖溶區域內地下水、巖土等不同介質的導電率，測量一次場電位與磁場強度變化，根據卡格尼阿理論，計算出煤田巖溶區域內不同介質的電阻率，其計算公式如下：

式中，emin表示電磁信號最小收發距離；emax表示磁信號最大收發距離；I表示V8多功能電磁儀供電電流；dl表示V8多功能電磁儀供電偶極長度；β表示V8多功能電磁儀測線角度；Rmin表示在給定噪聲下V8多功能電磁儀磁探頭能觀測到的最小電場。根據上述公式計算結果設定V8多功能電磁儀電磁信號收發距離參數，為后續基于多點統計分析煤田巖溶塌陷概率提供數據依據。

2.3 基于多點統計估算煤田巖溶塌陷概率

以采集到的預測因子數據作為數據依據，利用多點統計方法對預測因子進行分析，將煤田巖溶塌陷作為多點統計的“數據事件”，公式表示如下：

式中，d(u)表示多點統計數據事件，即煤田巖溶塌陷；i(ua)表示數據模板上向量所在位置的狀態值；SKa表示數據模板上的向量屬性；a表示可取的狀態值數量。

2.4 預估煤田巖溶塌陷程度及危險性

此次結合實際需求，對于描述煤田巖溶塌陷程度設定了一級、二級、三級、四級五級五個等級，多點統計分析結果在0%～20%，發生煤田巖溶塌陷可能性非常小，塌陷程度為一級，所帶來的危險性也非常低；多點統計分析結果在20%～40%，發生煤田巖溶塌陷可能性比較小，塌陷程度為二級，所帶來的危險性也比較低；多點統計分析結果在40%～60%。

3 實驗論證分析

以某煤田巖溶為實驗對象，該煤田巖溶區域面積為1 643.16m2，溶洞數量為25個，裂縫數量為43條，巖溶巖土結構為蜂窩狀、支架狀，巖土成分為蒙脫石、石英石，熔巖發育區域經常發生塌陷，利用設計方法與傳統方法對該煤田巖溶塌陷進行預測。實驗準備了五臺V8多功能電磁儀，布置了10條測線，100個測點，測線方位為110°，測線長度為1 250m，測點間距為45m，V8多功能電磁儀供電偶極位于測線以南大約5.5km 的地方，供電偶極極長為985m，根據式（8）計算出電磁信號最小收發距離為154m，電磁信號最大收發距離975m，結合實際情況將電磁信號收發間距參數設定為462m。將該煤田巖溶發育區域分成8個測區，利用V8多功能電磁儀測量的相關數據總量為364.52GB，具體如表2所示。

根據表1對預測因子與子因子進行計算和分析，并建立數據模板與二維訓練圖像，對每個測區煤田巖溶塌陷概率進行計算，最終確定塌陷程度和危險性。實驗對每個測區進行巖溶塌陷預測，使用OHSF 軟件對兩種方法預測結果與實際情況進行對比分析，計算出兩種方法準確率，將其作為檢驗兩種方法可行性的指標，具體如表2所示。

表1 煤田巖溶觀測數據表

表2 兩種方法準確率對比（%）

從表2可以看出，設計方法預測準確率均在99%以上，預測結果基本與實際情況相符，遠高于傳統方法，因此實驗結果證明了設計方法具有較高的預測精度，在該方面優于傳統方法，更適用于煤田巖溶塌陷預測。

4 結束語

煤田巖溶塌陷預測是確保煤田開采工作安全有序進行的重要保障，此次針對傳統方法在實踐中存在的問題，利用多點統計方法提出了一個新的媒體巖溶塌陷預測思路，并利用實驗論證了該思路的可行性與可靠性，此次研究對提高煤田巖溶塌陷預測精度具有重要的現實意義。