近松散含水层下采煤安全熵值模糊综合评判.doc

眉题3文章编号: 1001-1986(2012)04-0043-04近松散含水层下采煤安全性熵值模糊综合评判杨滨滨，隋旺华(中国矿业大学深部岩土力学与地下工程国家重点实验室，资源与地球科学学院，江苏 徐州 221008)摘要: 基于模糊数学理论，通过统计经验数据，采用熵值法对影响近松散含水层安全开采的关键因素赋权，利用GIS定量确定各个因素的隶属度，构造了基于熵值的模糊综合评判模型。以山东某矿六采区01工作面开采为例，选择覆岩厚度、断层构造、第四系底部粘土层厚度、底部含水层的单位涌水量、煤层开采厚度、导水裂隙带高度6个影响因素为评判指标，确定了可行性程度的评判集：较低，低，中等，高，很高，依据水体下开采的有关安全规程，采用GIS方法确定了各个因素的隶属度，并利用历史开采经验数据确定各个影响因素的权重。对该工作面近松散含水层下开采的评判结果表明，该工作面控制采高为2 m时开采是安全可行的，开采过程中针对薄弱环节采取了相应措施，没有发生突水溃砂事件，初步验证了该模糊综合评判模型的实用性。关 键 词：水体下采煤；松散含水层；导水裂隙带；熵值法；模糊综合评判中图分类号：TD12 文献标识码：A DOI: 10.3969/j.issn.1001-1986.2012.04.010A fuzzy comprehensive evaluation of coal mining near unconsolidated aquifersYANG Binbin，SUI Wanghua(State Key Laboratory for Geomechanics and Deep Underground Engineering, School of Resources and Geosciences, China University of Mining and Technology, Xuzhou 221008, China)Abstract: Based on fuzzy mathematic theory and related statistical data, the entropy weight method was used to evaluate the weights of the key factors affecting the mining safety under unconsolidated aquifers. Moreover, GIS was applied to determine each factors membership degree, therefore a fuzzy comprehensive evaluation model was established based on entropy weight. In the panel No. 01 of a coal mine in Shandong Province, six factors were chosen as evaluation indexes, including the thickness of overburden rock, fault structure, the thickness of the lowermost Quaternary clay, the specific capacity of the bottom sand aquifers, the thickness of mining and the height of water flowing fractured zone. The evaluation set of the degree of feasibility was determined as lower, low, medium, high, very high. According to the related codes for mining safety under water bodies, each factors membership was determined by GIS and each factors weight was deducted from case history mining data. A comprehensive evaluation for the mining safety under the unconsolidated aquifers shows that it is feasible when the extraction height is 2.00 m for the panel. No. 01 by taking appropriate measures targeting on some unsafe factors. No serious disturbances and accidents such as groundwater inrush and quicksand have happened during mining and the applicability of the fuzzy evaluation method has been verified preliminarily. Key words: coal mining under water body; unconsolidated aquifers; water flowing fractured zone; entropy weight; fuzzy compoprehensive evaluation 第4期杨滨滨等: 近松散含水层下采煤安全性熵值模糊综合评判 47 目前近松散层下煤层开采安全性的评判主要根据煤矿防治水规定1和建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程2，以定性和半定量为主，但是，随着开采上限的提高，上覆覆岩厚度越来越薄，开采条件越来越复杂，采用传统的方法往往受限制，精确性不高3。近松散含水层下安全开采是一个受多种因素影响的复杂系统，在进行可行性分析和开采上限评判时，要考虑多个因素的影响4，如覆岩厚度、开采厚度、导水裂隙带高度等等，但是，各种因素对安全开采的影响不是一种确定性关系，而是一种模糊性的关系。模糊综合评判方法是在模糊环境下，考虑多种因素的影响，为了某种目的对一事物做出综合评判的方法。可对上述因素对安全开采的影响做出评判，并确定安全开采的可行性程度。在煤矿安全、生产等方面有许多学者对模糊评判方法做了研究。陈致远等5用模糊综合评判法对矿井排水系统的安全性进行了评判，为对该系统开展有效的安全管理提供了依据；王旭等6利用模糊综合评判法建立了多层次煤矿安全评判体系，得出煤矿的安全等级；石红红等7采用模糊综合评判方法对矿山安全生产能力进行评判；康恩胜等8应用改进模糊数学综合评判方法对矿井水做了综合评判。这些方法的成功应用为本文提供了重要的参考，本文利用GIS定量确定各个因素的隶属度，通过统计数据采用熵值法计算权重，采用模糊综合评判方法对近松散层下安全开采可行性进行综合评判，为近松散含水层下采煤安全性评判提供一种新的途径。1 模糊综合评判法模糊综合评判法，是应用模糊关系合成的原理，从多个因素对被评判事物进行综合评判，特点在于对被评判对象有唯一的评判值，不受评判对象集合的影响，可对各个指标进行定量评判，并可通过统计历史数据来定量计算各个影响指标的权重，对评判对象进行定量评判。本文采用该方法计算评判近松散含水层安全开采的可行性，该方法计算评判步骤如下。a. 确定评判因素集因素集是以影响评判对象的各种因素为元素所组成的一个集合9，设为U=u1，u2，un。U为刻画评判对象的n种因素，即评判指标。根据各个矿区多年开采经验，选取影响近松散层安全开采的因素，即评判因素集为U=覆岩厚度，断层构造影响，第四系底部粘土层厚度，底部含水层的单位涌水量，煤层开采高度，导水裂隙带高度10-14。b. 确定综合评判的评语集评语集是对各种指标做出可能结果的集合，设为V=v1，v2，v3，vn。V为刻画每一因素所处的状态的n种决断即评判等级，n为评语个数，一般划分为35个等级。本文根据实际情况确定了5个安全开采的可行性程度等级，即评语集V=较低，低，中等，高，很高。c. 确定因素权向量评判中，权重是表征因素相对重要性大小的量度值。如果不能较客观的确定权重可能会使评判结果严重失真甚至可能导致评判者的错误判断。本文通过统计经验数据，利用熵值法定量地确定了评判因素的权重。各因素的权重集合即权向量用A=(a1，a2，a3，ai)表示，其中ai0，且ai=1，它反映对诸因素的一种权衡。d. 进行单因素模糊评判及构造评判矩阵首先对因素集中的单因素Ui(i=1，2，3，n)做单因素评判，从因素Ui对评判等级Vj的隶属度为Rij，可以得出第i个因素Ui的单因素评判集：Ri=(Ri1，Ri2，Rin)。而此过程中，隶属度的确定是至关重要的，本文运用GIS，结合矿区的实际情况，采用面积元的方法在平面上来确定因素的隶属度。最后，由n个因素的评判集合构造出一个总的评判矩阵R。即每一个被评判对象确定了从U到V得模糊关系矩阵R。e. 进行模糊合成和作出评判引入评判集V上的一个模糊子集B，称评判集，即B=( b1，b2，b3，bn)。令B=A*R(*为算子符号)，此即为模糊综合评判模型。为了使评判结果清晰，采用信息集中原则，按百分制打分，信息集中公式：(1) 其中CT为相应因素级分，根据最后得分S，对照划分区间可以评判出安全开采的可行性程度。2 工程实例2.1 某矿六采区01工作面水文地质条件某矿位于山东省济宁市，属于山东省兖州煤田的西南隅，为隐伏的石炭系、二叠系煤田。地层由新到老分别是第四系(Q)、侏罗系(J)、二叠系(P)、石炭系(C)和奥陶系(O)等。该矿六采区南部区域基岩面标高为-104.37 -123.50 m，上覆第四系厚度为145.00165.00 m，钻孔揭露平均厚度155.10 m。上覆基岩厚度在20.0032.60 m，厚度较薄。第四系底部粘土层普遍分布，天然状态下具有较好的隔水性能。与下伏地层呈角度不整合接触关系。第四系下组的底部含水层的单位涌水量在0.11 L/(sm)左右，富水性为中等，将构成本区3号煤层开采的水害威胁，但该区01工作面上覆第四系底部粘土厚度313 m，分布普遍，是该工作面3号煤层安全开采的有利因素。根据勘探资料得各个影响因素的具体数值(表1，图1)。2.2 模糊综合评判计算2.2.1 确定各评判因子隶属度及构造评判矩阵根据评语集V= 较低，低，中等，高，很高， 钻孔单位涌水量是含水层富水性的划分标准，而富水性等级决定了是否留设防水煤岩柱，第四系底部含水层的富水性是本区近松散层开采中是否发生突表1 某矿六采区01面安全开采主要影响因素Table 1 The main factors affecting mining safety of the panel No. 01 in the District No. 6 of a coalmine覆岩厚度/m第四系底部粘土层厚度/m底部含水层的单位涌水量 /(L(sm)-1)导水裂隙带高度/m断层最大断距/m采高/m2032.63130.0230.1118.8872图1 底部含水层的单位涌水量(a)、第四系底部粘土层厚度(b)、覆岩厚度(c)分区图Fig. 1 Distribution of the specific water influw, thickness of the Quaternary bottom clay, and thickness of overburden水溃砂的基础因素，根据煤矿防治水规定1底部含水层的单位涌水量大于0.1 L/(sm)时含水层富水性为中等，需要留设防水煤岩柱，且基岩厚度小于20 m，不允许开采。本矿覆岩岩性以软岩和中硬偏软的岩石为主，根据本矿实测的导水裂隙带和采高比值计算，3号煤开采高度为1.6 m、1.8 m和2.0 m时，覆岩导水裂隙带高度分别为15.10 m、16.99 m和18.88 m。根据实际情况以及评语集划分的5个等级，以公差为5的倍数的均匀分布划分面积区间(表2)。运用GIS在对单个因素作为一个信息层进行处理，同时建立属性数据库文件，并对此工作面进行网格化，如图1，总面积为S，取值Rik，Rik=Sk/S(Sk表示第i个因素在第k等级中所占的面积)，根据GIS信息层中指标归属等级区域的面积值，分别计底部含水层的单位涌水量、第四系底部粘土层厚度、覆岩厚度3个因素的隶属度。计算得到：R1=(0，0.479，0.289，0.036，0.196)；R2=(0，0.371，0.582，0.046，0)；R3=(0，0.026，0.149，0.716，0.108)。断层断距因素隶属度的确定可根据实际断层断距以及断层密度进行确定，本工作面共有4个断层，断距分别为0.7 m，1 m，1 m，7 m，而采厚为1.6 m、1.8 m和2.0 m时，覆岩破坏高度为15.10 m、16.99 m和18.88 m，对照表2可得其隶属度分别为R4=(0.25，0，0，0.5，0.25)；R5=(0，0.33，0.67，0，0)；R6=(0，0.33，0.67，0，0)。由此得到评判矩阵R。2.2.2 用熵值法确定评判因素的权重在多因素评判中，因不同因素在评判中的实际作用不同，所以取不同的权值。本文通过统计本矿以及具有相似地质条件的临近矿区资料(表3)，并采用熵值法模型计算每个因素的权重。在信息论中，熵是对不确定性的一种度量。信息量越大，不确定性就越小，熵也就越小；信息量越小，不确定性越大，熵也越大。根据熵的特性，可以通过计算熵值来判断一个事件的随机性及无序程度，也可以用熵值来判断某个指标的离散程度，指标的离散程度越大，该指标对综合评判的影响越大。具体计算如下：a. 计算第j项因子影响下该指标的比重。(2)b. 计算第j项因子的熵值结果(表4)。(3) 式中 k0，。c. 计算第j项指标的差异系数。对于第j项指标，指标Xij的差异越大，对安全开采的影响也就越大，熵值就越小。定义差异系数：(4)式中 ，。d. 求权重(表5)。(5)表2 某矿六采区01面安全开采评判因素指标Table 2 The evaluation factors for mining safety in the panel No.1安全分级覆岩厚度/m第四系底部粘土层厚度/m底部含水层的单位涌水量/(L(sm)-1)断层断距/m采厚/m覆岩破坏/m较低150.15102.525低15205100.10.1551022.52025中等202510150.050.1251.521520高2530152000.050211.51015很高302000110表3 部分矿区影响因素统计数据Table 3 Statistical data of factors in some coal mines矿区工作面覆岩厚度/m第四系底部粘土层厚度/m底部含水层的单位涌水量 /(L(sm)-1)导水裂隙带高度/m断层最大断距/m采高/m鲍店煤矿5306(2)44.621.120.16692.37.55祁东煤矿32227010.0415022.6太平煤矿6301641.60.2784.18.5太平煤矿8301341.50.1981751.8表4 各个因素的熵值Table 4 The entropy values因子熵值ej因子熵值ej覆岩厚度0.972 3断层最大断距0.912 3第四系底部粘土层厚度0.986 5采高0.872 0底部含水层单位涌水量0.914 9导水裂隙带高度0.918 7表5 各个因素的权重Table 5 The weight of each factor因子权值wj因子权值wj覆岩厚度0.073 4断层最大断距0.223 4第四系底部粘土层厚度0.034 3采厚0.234 1底部含水层单位涌水量0.222 1导水裂隙带高度0.212 0表6 开采安全评判等级Table 6 The assessment grade for mining safety可行性分级较低低中等高很高系统安全得分4040596069709090100由此得到各因素的权重集合的模糊集A=(0.073 4，0.034 3，0.222 1，0.223 4，0.234 1，0.212 0)。2.2.3 安全开采可行性模糊综合评判由评判集B=( b1，b2，b3，b4，b5)。B=A*R(*为算子符号)，求得B=(0.055 8，0.256 8，0.394 0， 0.173 8，0.107 3)。B为评判安全开采可行性程度的综合评判结果矩阵，为其隶属于不同质量级别的隶属度；b1，b2，b3，b4，b5分别为隶属于较低，低，中等，高，很高的隶属度；A为评判因子的权值矩阵；R为评判矩阵。根据信息集中原则，取C=(30，45，65，80，95)，由式(1)求得S=62.939 4，并适当调整影响因素划分区间，重复上述过程，可得S1=62.934，S2=63.045，S3=62.968，可见结果变化不明显。根据表6评判结果可行性为中等，即01工作面在薄基岩等关键因素影响下采厚2 m时安全开采是可行的。但在开采过程中要采取必要安全措施：保证防水煤岩柱高度，顺槽煤岩柱不够的必须按设计煤柱尺寸改道，在断层发育和裂隙发育造成煤体破碎的地方必须留设断层煤柱15，保持工作面疏排水系统畅通无阻。截止2011年3月，该工作面经回采完毕，上顺槽安全回采410 m，下顺槽回采458 m，顶板垮落正常，工作面顶板仅有少量淋水，涌水量一般06 m3/h，回采过程对第四系底部含水层没有产生大的扰动影响，也没有发生突水溃砂事件。实际开采情况证明，该评判结果较为准确可靠。(下转第51页)(上接第46页)3 结 论a. 基于熵值模糊综合评判理论，选择覆岩厚度，断层构造影响，第四系底部粘土层厚度，底部含水层的单位涌水量，煤层开采高度，导水裂隙带高度为6个影响因子，作为近松散含水层安全开采的评判指标。b. 根据统计本矿其他采区及具有相似水文地质工程地质条件的相邻矿区开采经验资料，运用熵值法确定了每个评判因子的权重。c. 以某矿近松散层下开采为例，根据勘探资料确定上述6个评判因素的具体量值，并根据有关水体下开采的规程，采用GIS方法确定了模糊关系矩阵即评判矩阵；最后通过模糊合成做出综合评判，评判结果该区01工作面安全开采可行性为中等，并根据评判结果采取了相应措施，保证了01工作面的安全回采，也证明了本评判方法的可行性。参考文献1 国家安全生产监督管理总局. 煤矿防治水规定S. 北京：煤炭工业出版社，2000：225245. 2 国家煤炭工业局. 建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程S. 北京：煤炭工业出版社，2000：225245 3 董青红，满海英，郭典伟. 厚松散层下近风化带保水采煤的GIS研究J. 中国矿业大学学报，2004，33(2)：190192.4 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