基于主成分分析法的煤层底板突水影响因素评价

基于主成分分析法的煤层底板突水影响因素评价

煤层底板的应急问题一直是限制煤矿安全生产的一个难题，关系到煤矿的长期发展和矿工的生命周期。因此,对煤层底板突水危险性进行客观、准确评价对指导煤矿安全生产具有重要的现实意义。目前,煤层底板突水评价方面的理论与方法众多,主要有:“下三带”理论、突水系数法、“四带”划分理论、多源信息融合法、脆弱性指数法等,但对突水影响因素的影响程度的定量评价却很少。由于煤层底板突水是各种影响因素综合作用的结果,因此,如何评价各影响因素的影响程度,是准确评价突水危险性的关键。本文引入主成分分析法,定量评价底板突水影响因素影响程度。主成分分析法可以最大限度地保留原有信息,对多维变量进行最佳的综合与简化,并能摒弃传统经验法和回归法确定权重不足的问题,避免主观随意性。因此,运用主成分分析法定量评价各影响因素的影响程度,为客观评价兖州矿区下组煤开采底板突水危险性提供有力依据,对制定奥灰水防治措施具有重要的指导意义。1矿区地质条件兖州矿区为一轴向NEE、向东倾伏的不完整向斜盆地。区内构造以北东向褶皱构造,北西、北东东和近南北向断层为主体。区内大中型断层不甚发育,主体向斜内部次级断层较少。矿区属华北石炭—二叠系含煤建造,其基底为奥陶系灰岩。主要地层有奥陶系、石炭系、二叠系、侏罗系、下第三系和第四系。主采煤层为上组煤(山西组2号、3号和太原组6号),下组煤(太原组16上、17)。兖州矿区为一相对独立的水文地质单元,影响矿区生产的主要含水层为:第四系下组砂砾层、侏罗系底部砂岩、3层顶板砂岩、三灰、十下灰、十四灰和奥灰。矿区内除第四系上组砂岩和浅部奥灰富水性强,补给条件好外,其余各含水层皆以静储量为主,补给、径流、排泄条件均不良。矿井水文地质类型大多为中等型。2岩性结构及工矿地质条件影响底板突水的因素是多方面的,主要包括:地质构造、含水层的富水性、含水层水头压力、隔水层厚度、底板岩层岩性及其组合特征、矿山压力及地应力等。如何衡量各影响因素对底板突水的影响程度,是准确判断煤层底板突水的关键。针对兖州矿区下组煤开采受奥灰水威胁的实际情况,本文以开采17煤为例,重点分析以下4个主要影响因素,即:奥灰含水层水头压力、隔水层厚度、地质构造、奥灰含水层富水性。2.1奥灰水压分布特点根据兖州矿区奥灰观测孔多年水位资料分析,奥灰水位基本处于稳定状态,变化不明显,多数奥灰观测孔水位变化趋势基本一致。矿区内奥灰水压总体上随埋深增加而增大。矿区水压分布特点:整体上,17煤受奥灰水压影响程度由东至西渐小,由北至南渐小。奥灰水压变化较大:最大水压值在东滩煤矿钻孔补45附近,可达8.8MPa。最小水压值在杨村煤矿钻孔220及O-3附近,只有1.8MPa。水压变化范围:1.8~8.8MPa,平均水压为4.2MPa。2.2西部相对较小的特点根据兖州矿区钻孔资料统计,17煤至奥灰隔水层厚度呈现中、南部较大,北、东和西部相对较小的特点。最大隔水层厚度在矿区中部钻孔L14-1附近,可达102.29m;最小隔水层厚度在北部钻孔O2-15附近,只有25.59m。隔水层厚度变化范围:25.59~102.29m,平均厚度为62.61m。2.3地堑、断裂带兖州矿区位于鲁西南断陷东缘,为一轴向北东,向东倾伏的不完整向斜构造,地层倾角较平缓,平均在10°左右。其东端被峄山断层切割,南、北面分别为两个近东西向的地堑构造。北部为汶泗断层与郓城断层所控制的汶上—宁阳地堑构造;南部为菏泽断层、凫山断层与单县断层所控制的成武—鱼台构造。矿区内发育北东向的褶皱构造,并伴有穹窿构造。断裂构造主要以北西、北东东和近南北向为主。从整体上看,煤田内部大中型断层不甚发育,主体向斜内部次级断层比较少,刺级褶皱较多。区内有岩浆岩侵入,并且岩性单一,全为橄榄辉长岩。发现6个陷落柱。2.4矿井水源矿区浅部奥灰及较大断层带内溶穴、裂隙较发育,富水性中等丰富;深部奥灰富水性差。奥灰含水层最厚达750m,浅灰—青灰色,质纯致密坚硬,属溶穴裂隙承压含水层。矿区内单位涌水量0.00209~11.079L/s·m,矿化度0.35~2.948g/L,水质类型为HCO3·SO4–Ca·Mg,SO4·HCO3–Ca·Mg,SO4–Ca·Mg型。矿区南部水位偏低,西北部水位偏高。富水性趋势为由煤田外围到中心呈逐渐减弱分布。该含水层是下组煤开采时的主要防治对象。3主要成分的分析3.1主成分分析的基本思想主成分分析法研究如何在损失很少信息的前提下通过少数几个主成分来解释多变量方差,且彼此独立。3.1.1a确定参数式中,a1i,a2i,····,api〔i=1,···,m〕X的协方差阵特征值对应的特征向量,ZX1,ZX2,…,ZXp是原始数据经过标准化处理的值。A=(aij)p×m=(a1,a2,…am),R·ai=λiai,R为相关系数矩阵,λi,ai是相应的特征值和单位特征向量,λ1≥λ2≥…≥λp≥0。F1代表第1主成分,其方差最大,包含信息最多。若第1主成分不足以代表原来p个指标的信息时,再考虑选用F2即第2个线性组合。为有效反映更多信息,F1已有的信息就不再出现在F2中,即Cov(F1,F2)=0,称F2为第2主成分,依次类推。3.1.2相关系数矩阵的计算和主成分得分系数(1)对原始数据进行标准化处理,主要是为了排除数量级和量纲不同带来的影响。式中,xij为第i个指标第j个样本的原始数据;xi和σi分别为第i个指标的样本均值和标准差。(2)根据标准化后的数据表x*ijp×n计算相关系数矩阵R=rijp×n。(3)计算R的特征值、特征值贡献率和累计贡献率。(4)确定主成分个数、表达式和特征向量,计算影响因素的权重。本文利用SPSS软件进行主成分分析得到因子载荷阵B,〔BTB〕-1·BT即为主成分得分系数矩阵,矩阵各点即(1)式中的a1i,a2i,…,api(i=1,…,n,n≤m)。按照特征根大于1的原则选取m个主成分后,从而确定得分系数。因子i在m个主成分中的系数与各主成分方差贡献率之积求和后,取绝对值即为该因子的权重,即:设主成分q的方差的贡献率为gq,i因子在主成分q中的系数为aqi(q=1,2,…m),则i因子权重为Wi。归一处理后即可得各因子的权重向量W主,用此公式对评价因素进行评价。3.2主成分分析结果结合兖矿的资料,以17煤开采受奥灰突水影响为例,采用主成分分析法对底板突水的主要影响因素的影响程度进行评价。(1)主要影响因素为:奥灰含水层水头压力隔水层厚度、地质构造和奥灰含水层的富水性4个因素为主要影响因素(其中地质构造复杂程度按照分维值法获取,奥灰含水层富水性按照单位涌水量获得)。(2)主成分分析过程:采用SPSS软件对影响煤层底板突水的4个因素进行主成分分析,评价结果见表1和表2。根据表1可知,4个主成分解释方差的贡献率分别为45.030%,33.004%,15.582%,6.384%第1、第2主成分特征根大于1,且解释方差的累积贡献率为78.034%,已包含了评价中所需大部分信息。故选用第1、第2个主成分即可。再次调用SPSS软件对表2中的第1、第2主成分因子载荷阵进行运算得到主成分得分系数矩阵如表3。由公式4可得:同理可得:W富水性=0.226,W隔水层厚度=0.297,W水压=0.339。归一化后,得各影响因素的权重向量即(W地质构造,W富水性,W隔水层厚度,W水压)=(0.217,0.205,0.270,0.308)。因此W水压>W隔水层厚度>W地质构造>W富水性。从以上评价结果看出:在兖州矿区,17煤开采奥灰底板突水影响因素的重要性次序为:奥灰含水层水头压力>隔水层厚度>地质构造>奥灰含水层富水性。因此,奥灰含水层水头压力在众多因素中占主导作用,而奥灰含水富水性影响作用最小。究其原因,在于整个矿区奥灰的富水性大部分地区都较弱。4主成分分析法的应用(1)对兖州矿区下组煤开采底板突水主要影响因素进行了分