改進(jìn)的煤層底板突水脆弱性評(píng)價(jià)方法
【專利摘要】改進(jìn)的煤層底板突水脆弱性評(píng)價(jià)方法，在確定后的各主控因素“常權(quán)權(quán)重”基礎(chǔ)上，還包括以下步驟：1.確定各主控因素的“變權(quán)權(quán)重”；2.建立基于分區(qū)變權(quán)原理的底板突水脆弱性評(píng)價(jià)模型；3.煤層底板突水脆弱性的評(píng)價(jià)預(yù)測(cè)分區(qū)。首次應(yīng)用分區(qū)變權(quán)原理和模型解決了煤層底板突水脆弱性評(píng)價(jià)預(yù)測(cè)中的關(guān)鍵技術(shù)難題。分區(qū)變權(quán)模型既注重各主控因素對(duì)煤層底板突水的控制作用，也注重各主控因素之間相互關(guān)聯(lián)關(guān)系對(duì)煤層底板突水的控制作用，因而其評(píng)價(jià)思想更加合理，評(píng)價(jià)方法更加先進(jìn)，評(píng)價(jià)結(jié)果更符合生產(chǎn)實(shí)際。使用該方法可以克服評(píng)價(jià)預(yù)測(cè)過(guò)程中每個(gè)主控因素在整個(gè)研究區(qū)只有一個(gè)常權(quán)的缺陷，可大大提高煤層底板突水脆弱性評(píng)價(jià)預(yù)測(cè)的精度。
【專利說(shuō)明】改進(jìn)的煤層底板突水脆弱性評(píng)價(jià)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種煤層底板突水脆弱性評(píng)價(jià)方法，特別是一種基于分區(qū)變權(quán)模型的、改進(jìn)的煤層底板突水脆弱性評(píng)價(jià)方法。
【背景技術(shù)】
[0002]長(zhǎng)期以來(lái)煤炭一直是我國(guó)的主要能源之一，安全高效綠色地進(jìn)行煤炭開(kāi)采是關(guān)系到國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展的大事。然而，我國(guó)煤礦地質(zhì)、水文地質(zhì)條件總體來(lái)講十分復(fù)雜，受水害威脅的煤炭?jī)?chǔ)量約占探明儲(chǔ)量的27%，華北地區(qū)受底板承壓水威脅的煤炭?jī)?chǔ)量約為160億噸。此外，目前不少礦井已進(jìn)入深部開(kāi)采，有些礦井下組煤開(kāi)采標(biāo)高已達(dá)到-600m，最深的已經(jīng)超過(guò)-1000m。煤層底板承受巖溶承壓水的水壓已達(dá)到2.0MPa?8.5MPa，而下組煤層與其下伏的灰?guī)r巖溶含水層之間的隔水層厚度只有l(wèi)(T20m，最大也僅為50nT60m，突水條件明顯增大，突水機(jī)率也明顯增多，突水淹井事故逐年上升。由此可見(jiàn)，煤層底板水害已成為影響制約我國(guó)煤炭安全生產(chǎn)的重大難題之一，對(duì)其進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)與評(píng)價(jià)具有十分重要的理論指導(dǎo)意義和實(shí)用價(jià)值。
[0003]在國(guó)內(nèi)，對(duì)煤層底板突水的預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)研究己有40多年的歷史，在60年代初期，我國(guó)焦作、峰峰、淄博等煤礦區(qū)即已根據(jù)本礦區(qū)開(kāi)采到一定深度時(shí)各礦井底板突水的實(shí)際資料總結(jié)出預(yù)測(cè)底板突水的經(jīng)驗(yàn)公式——突水系數(shù)法；90年代初期又提出了“安全系數(shù)”的概念，形成了“雙系數(shù)”法。一直沿用至今。
[0004]但是煤層底板突水促因眾多，且過(guò)程顯現(xiàn)出一種非常復(fù)雜的非線性動(dòng)態(tài)特征，傳統(tǒng)的突水系數(shù)法所能考慮的突水影響因素極為有限，未能全面描述煤層底板突水這種受控于多因素且具有非常復(fù)雜機(jī)理的非線性動(dòng)力現(xiàn)象，已不能適應(yīng)新的采礦方法和新的水文地質(zhì)環(huán)境條件下的煤層底板突水評(píng)價(jià)。
[0005]基于以上原因，中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)武強(qiáng)教授早在上世紀(jì)九十年代末就致力于研究基于多源信息集成理論和“環(huán)套理論”，并采用具有強(qiáng)大空間數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析處理功能的地理信息系統(tǒng)(GIS)與線性或非線性數(shù)學(xué)方法的集成技術(shù)，對(duì)煤層底板突水進(jìn)行了研究，提出了基于GIS的信息融合型脆弱性指數(shù)法，該方法基于多源信息集成理論，以GIS為操作平臺(tái)，首先確定煤層底板突水各主控因素；其次，采集上述的各主控因素?cái)?shù)據(jù)、量化指標(biāo)、建立各主控因素專題圖；為了消除主控因素不同量綱的數(shù)據(jù)對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果的影響，需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理，單因素?cái)?shù)據(jù)經(jīng)過(guò)歸一化處理后，運(yùn)用GIS技術(shù)處理歸一化數(shù)據(jù)，作出各單因素歸一化專題圖；然后，應(yīng)用數(shù)據(jù)融合的不同的線性或非線性數(shù)學(xué)方法，通過(guò)模型的反演識(shí)別或?qū)W習(xí)訓(xùn)練，確定出煤層底板突水的各主控因素對(duì)復(fù)雜突水過(guò)程控制的“權(quán)重”，最后，建立煤層底板突水預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)評(píng)價(jià)模型，對(duì)煤層底板突水脆弱性做出科學(xué)的區(qū)劃和預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)評(píng)價(jià)。
[0006]現(xiàn)有技術(shù)的脆弱性指數(shù)法，能夠比較真實(shí)反映受控于多因素影響且具有非常復(fù)雜機(jī)理和演變過(guò)程的煤層底板突水，較好地解決了煤層底板突水預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)難題。
[0007]但是，現(xiàn)有技術(shù)的脆弱性指數(shù)法，存在以下缺陷:各主控因素“權(quán)重”的確定，采用的是信息融合方法，“權(quán)重”一旦確定后，無(wú)論主控因素在研究區(qū)的指標(biāo)數(shù)值如何變化，出現(xiàn)多大幅度的突變情況，權(quán)重?cái)?shù)值在整個(gè)研究區(qū)均是固定不變，即:現(xiàn)有技術(shù)的煤層底板突水脆弱性指數(shù)評(píng)價(jià)方法，是一種基于信息融合方法的“常權(quán)權(quán)重”模型。這種基于信息融合方法的“常權(quán)權(quán)重”底板突水脆弱性評(píng)價(jià)模型，無(wú)法刻畫各單一主控因素在研究區(qū)因水文地質(zhì)條件變化引起其指標(biāo)數(shù)值突變而造成對(duì)煤層底板突水的控制與影響特征，也不能揭示出各主控因素在研究區(qū)因其指標(biāo)數(shù)值突變而對(duì)煤層底板突水控制與影響的“激勵(lì)”與“懲罰”機(jī)制，更不能反映多個(gè)主控因素在多種組合變化狀態(tài)下其相對(duì)重要性與偏好性以及他們對(duì)煤層底板突水的控制與影響作用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明目的在于:滿足煤炭工業(yè)的需求，克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種基于分區(qū)變權(quán)模型的、改進(jìn)的煤層底板突水脆弱性評(píng)價(jià)方法。
[0009]為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用了以下技術(shù)方案:改進(jìn)的煤層底板突水脆弱性評(píng)價(jià)方法，在確定后的各主控因素“常權(quán)權(quán)重”基礎(chǔ)上，還包括以下步驟:
1.確定各主控因素的“變權(quán)權(quán)重”；
2.建立基于分區(qū)變權(quán)原理的底板突水脆弱性評(píng)價(jià)模型；
3.煤層底板突水脆弱性的評(píng)價(jià)預(yù)測(cè)分區(qū)。
[0010]由于采用了上述的分區(qū)變權(quán)原理和“變權(quán)權(quán)重”評(píng)價(jià)模型，本發(fā)明具有的有益效果在于:首次應(yīng)用分區(qū)變權(quán)原理和模型解決了煤層底板突水脆弱性評(píng)價(jià)預(yù)測(cè)中的關(guān)鍵技術(shù)難題。不僅能夠考慮常權(quán)模型所能反映的各主控因素在煤層底板突水過(guò)程中的權(quán)重比例不同的特征，也能考慮常權(quán)模型無(wú)法刻畫的各主控因素在整個(gè)研究區(qū)不同單元的指標(biāo)數(shù)值狀態(tài)對(duì)煤層底板突水的控制作用，更重要的是可以考慮多種主控因素指標(biāo)數(shù)值在不同組合狀態(tài)水平情況下的作用，這種作用通過(guò)不斷調(diào)整主控因素在研究區(qū)不同單元的權(quán)重隨其狀態(tài)值的變化而變化來(lái)實(shí)現(xiàn)。分區(qū)變權(quán)模型既注重各主控因素對(duì)煤層底板突水的控制作用，也注重各主控因素之間相互關(guān)聯(lián)關(guān)系對(duì)煤層底板突水的控制作用，因而其評(píng)價(jià)思想更加合理，評(píng)價(jià)方法更加先進(jìn)，評(píng)價(jià)結(jié)果更符合生產(chǎn)實(shí)際。使用該方法可以克服評(píng)價(jià)預(yù)測(cè)過(guò)程中每個(gè)主控因素在整個(gè)研究區(qū)只有一個(gè)常權(quán)的缺陷，可大大提高煤層底板突水脆弱性評(píng)價(jià)預(yù)測(cè)的精度。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0011]附圖1，本發(fā)明改進(jìn)的煤層底板突水脆弱性評(píng)價(jià)方法工作流程圖；
附圖2，5#煤至底板灰?guī)r有效隔水層等效厚度專題圖；
附圖3，5#煤至底板灰?guī)r礦壓破壞帶下脆性巖厚度專題圖；
附圖4，5#煤斷層與褶皺分布專題圖；
附圖5，5#煤斷層與褶皺交端點(diǎn)專題圖；
附圖6，5#煤斷層規(guī)模指數(shù)專題圖；
附圖7，底板灰?guī)r含水層富水性專題圖；
附圖8，煤層底板隔水層承受的底板灰?guī)r水壓專題圖；
附圖9，5#煤至底板灰?guī)r有效隔水層等效厚度歸一化專題圖；附圖10，5#煤至底板灰?guī)r礦壓破壞帶下脆性巖厚度歸一化專題圖；
附圖11，5#煤斷層與褶皺分布?xì)w一化專題圖；
附圖12，5#煤斷層與褶皺交端點(diǎn)歸一化專題圖；
附圖13，5#煤斷層規(guī)模指數(shù)歸一化專題圖；
附圖14，底板灰?guī)r含水層富水性歸一化專題圖；
附圖15，煤層底板隔水層承受的底板灰?guī)r水壓歸一化專題圖；
附圖16，現(xiàn)有技術(shù)的煤層底板突水脆弱性指數(shù)評(píng)價(jià)方法確定“常權(quán)權(quán)重”工作流程圖； 附圖17，有效隔水層等效厚度變權(quán)權(quán)重散點(diǎn)圖；
附圖18，礦壓破壞帶下脆性巖厚度變權(quán)權(quán)重散點(diǎn)圖；
附圖19，斷層與褶皺分布變權(quán)權(quán)重散點(diǎn)圖；
附圖20，斷層與褶皺交端點(diǎn)分布變權(quán)權(quán)重散點(diǎn)圖；
附圖21，斷層規(guī)模指數(shù)變權(quán)權(quán)重散點(diǎn)圖；
附圖22，含水層富水性變權(quán)權(quán) 重散點(diǎn)圖；
附圖23，含水層水壓變權(quán)權(quán)重散點(diǎn)圖；
附圖24，基于分區(qū)變權(quán)原理的底板突水脆弱性評(píng)價(jià)分區(qū)圖。
具體實(shí)施例
[0012]參照附圖1，改進(jìn)的煤層底板突水脆弱性評(píng)價(jià)方法，在確定后的各主控因素“常權(quán)權(quán)重”基礎(chǔ)上，還包括以下步驟:
[0013]1.確定各主控因素的“變權(quán)權(quán)重”；
所述的確定各主控因素的“變權(quán)權(quán)重”，應(yīng)用分區(qū)變權(quán)模型確定各主控因素的“變權(quán)權(quán)
重”；
所述的分區(qū)變權(quán)模型，表達(dá)如下:
【權(quán)利要求】
1.改進(jìn)的煤層底板突水脆弱性評(píng)價(jià)方法，在確定后的各主控因素“常權(quán)權(quán)重”基礎(chǔ)上，其特征在于:還包括以下步驟: (1)確定各主控因素的“變權(quán)權(quán)重”； (2)建立基于分區(qū)變權(quán)原理的底板突水脆弱性評(píng)價(jià)模型； (3)煤層底板突水脆弱性的評(píng)價(jià)預(yù)測(cè)分區(qū)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的改進(jìn)的煤層底板突水脆弱性評(píng)價(jià)方法，其特征在于:所述的確定各主控因素的“變權(quán)權(quán)重”，應(yīng)用分區(qū)變權(quán)模型確定各主控因素的“變權(quán)權(quán)重”。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的改進(jìn)的煤層底板突水脆弱性評(píng)價(jià)方法，其特征在于:所述的分區(qū)變權(quán)模型，表達(dá)如下:
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的改進(jìn)的煤層底板突水脆弱性評(píng)價(jià)方法，其特征在于:所述的應(yīng)用分區(qū)變權(quán)模型確定煤層底板突水主控因素的“變權(quán)權(quán)重”，具體包括以下步驟: (1)構(gòu)建狀態(tài)變權(quán)向量； (2)對(duì)各主控因素的權(quán)重實(shí)施分區(qū)變權(quán)處理與計(jì)算。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的改進(jìn)的煤層底板突水脆弱性評(píng)價(jià)方法，其特征在于:所述的構(gòu)建狀態(tài)變權(quán)向量，包括以下步驟: (O構(gòu)建與煤層底板突水控制因素變化規(guī)律相符合的狀態(tài)變權(quán)向量公式； (2)確定狀態(tài)變權(quán)向量公式中的參數(shù)值； (3)確定經(jīng)過(guò)歸一化處理的變權(quán)區(qū)間及閾值。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的改進(jìn)的煤層底板突水脆弱性評(píng)價(jià)方法，其特征在于:所述的基于分區(qū)變權(quán)原理的煤層底板突水脆弱性評(píng)價(jià)模型，表達(dá)如下:
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的改進(jìn)的煤層底板突水脆弱性評(píng)價(jià)方法，其特征在于:所述的煤層底板突水脆弱性的評(píng)價(jià)預(yù)測(cè)分區(qū)，是根據(jù)上述的基于分區(qū)變權(quán)原理的煤層底板突水脆弱性評(píng)價(jià)模型的計(jì)算結(jié)果，通過(guò)對(duì)研究區(qū)各單元計(jì)算的突水脆弱性指數(shù)值的頻率直方圖或自然斷裂法分析，合理確定突水脆弱性的分區(qū)閾值，最終生成煤層底板突水脆弱性的評(píng)價(jià)分區(qū)圖，對(duì)煤層底板 突水脆弱性做出基于分區(qū)變權(quán)原理的科學(xué)區(qū)劃和預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)評(píng)價(jià)。
【文檔編號(hào)】G06F19/00GK103995947SQ201310119817
【公開(kāi)日】2014年8月20日 申請(qǐng)日期:2013年4月8日 優(yōu)先權(quán)日:2013年4月8日
【發(fā)明者】武強(qiáng) 申請(qǐng)人:中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)