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方新沂王、李、王气Bo Chen Yu邹,Bo, ”定量识别复合地层的抗水能力开采煤层地板”,Geofluids, 卷。2021年, 文章的ID3143024, 14 页面, 2021年。 https://doi.org/10.1155/2021/3143024
定量识别复合地层的抗水能力开采煤层地板
文摘
在煤层开采,地板的耐水性复合地层的关键是确定水灾难发生与否和制定控制对策。以平顶山煤田8号我和Shoushan煤矿为研究对象,塑料的厚度比脆性岩石,核心回收率,有效隔水层厚度,故障的复杂性,综合抗压强度,相当于水阻力系数被选为该指数的因素。决定了每个指标的综合权重系数。通过使用熵权理论。耐水性的J16 - 17在研究区煤层底板岩石组合定量评估使用模糊变量数学模型,分为五个等级:非常弱,弱,中,强,很强。结果表明,J16 - 17煤层底板复合岩层具有较强和很强的耐水地区占总面积的23.64%,中等地区占58.26%,弱者和极度疲弱地区占18.1%。这些结果支持了煤层底板突水灾害的准确评估。
1。介绍
在挖掘的过程中在华北煤田二叠纪石炭纪煤层,奥陶系或厚寒武纪灰岩含水层的突水一直是一个威胁。这些盘子底部通常经验高水压和富含水(1,2]。复合岩层由砂岩、泥岩、薄的石灰岩,薄煤层。厚煤层和石灰石的障碍是抵制高水压力和防止地下水上升。因此,具有十分重要的理论和实践意义进行定量评估的耐水能力复合岩层,可科学地制定预防和控制对策,以减少水损害的程度从突水区。
目前,许多专家和学者开展研究工作的耐水岩层。杨(3)认为,矿山压力的本质是结合水的存在,使得水的岩层有能力抵抗和减压,并提出水阻力系数的概念。钱等。4和苗和钱5)提出的“关键层”理论判断突水从煤炭地板。徐et al。6]根据地板的调查岩性、地层组合关系,和岩溶发育条件一定wellfield建议至少25米的上层寒武纪灰岩可以作为一个不透水层,大大提高了煤层的开采条件。Zhang et al。7]研究了岩层的抗水能力之间的关系和其结构组成和组合形式通过实验室测试,提出结合更好的耐水能力应该从软岩层和替代软、硬岩层。阴和胡8]了结构、地应力和岩石渗透率的影响因素岩层的抗水能力和推断的耐水能力泥岩,粉砂岩、中砂岩和石灰岩范围从大到小。冯et al。9)用实验和数值模拟来研究不同的隔水层的岩性特征的影响在其耐水能力。李等人。10)面临的问题的稳定耐水岩溶隧道岩体,只考虑安全厚度的耐水岩体,并没有考虑关节和岩体的渗透性,具有一定的局限性。太阳et al。11]研究了厚度的影响,层长度、凝聚力和内摩擦角的耐水能力关键复合隔水层和得出结论,可以承受的水压与厚度的二次抛物线关系。厚度越大,抗水能力就越好。徐et al。12]分析了岩性、孔隙结构和渗透性特征峰峰从micro-macro形成规模和抗水能力进行了定量研究。律和谢13和Zhang et al。14)使用统计分析和实验室实验研究岩性组合特征、岩石力学强度,水属性和渗透率煤层覆岩和评估综合耐水能力。王(15]研究了抗水能力的上覆岩层强度、各向异性、流变学、岩石和可扩展性。
如上所示,研究岩层的耐水能力发展从最初考虑单因素如岩石厚度或岩性差异(16- - - - - -20.)等多种因素的综合分析岩性组合、岩体强度,和渗透性,使评价体系越来越完善。然而,由于现场数据不足和难以量化指标因素,现有的评价指标体系往往忽略了地质构造的影响,矿业失败,和不同岩性和岩层的等效水阻力。此外,现有研究成果中,层次分析法和灰色关联法通常用于计算体重指数因素,所以计算结果由主观影响很大的缺点。摘要塑料的厚度比脆性岩石,核心回收率,有效隔水层厚度,故障的复杂性,综合抗压强度,和等效水阻力系数被选为指数因素,涵盖许多影响因素的耐水能力复合地层煤地板上。综合权重由熵权理论克服了传统方法的主观和客观随机性。模糊可变集合理论可以描述事物的特征多个索引因素的共同作用下,实现了定量识别的抗水能力复合岩层。研究结果将提供技术支持从煤矿突水风险的准确评估层。
2。指数的确定因素
2.1。地层结构煤层地板
的面积8号我和我Shoushan,位于平顶山煤田东部,是68.35公里2。目前,主要是J16 - 17煤炭开采。煤层的厚度范围为2 - 3.8米,平均厚度为2.44米。的主要威胁含水层底板的寒武纪灰岩含水层厚度大于200米。煤层和寒武纪灰岩组成的砂质泥岩,medium-fine砂岩,薄煤层、薄的石灰岩,铝土泥岩。地上的岩石结构J16 - 17煤是如图1。厚度是68 - 77 m,平均值是71.3。
2.2。指数因子选择
在煤炭开采过程中,主要因素控制地板的耐水性复合岩层岩性结构、完整、有效的隔水层厚度,断层发育,抗压强度和渗透率。
霁形成煤层的地板是脆性的夹层砂(石灰石)和塑料泥岩。更多的沙子(石灰石)层和更厚的一层,地板更容易受到开挖;而泥岩层取决于弹性变形分解压力负载下,更多和更厚的泥岩层,岩层的耐水性越好。岩性结构通常表现为脆性岩石厚度比塑性岩石厚度了钻孔(塑料脆性岩石的厚度比)。
岩体的完整性表示程度的岩体裂缝的发展。它反映了岩体的渗透率和含水的能力。因此,它是一个重要的指标来评估水岩层的电阻。完整性通常是由核心长度的比值表示形成的厚度(核心回收率)在钻探。复苏越低,越是支离破碎岩石,渗透性越好,含水能力越强。
隔水层的厚度是开采煤层之间的距离和主要威胁含水层,和地板的扰动破坏深度扰动破坏深度开采条件下的煤层。有效隔水层的厚度是两者的区别。根据岩性结构和岩体完整性,有效隔水层越大,抗水压破坏能力越强,和下从地上突水的可能性。
错误和相关的裂缝不仅破坏岩层的完整性也引水渠道很重要。更发达的中断层煤层地板,密集的张性断层,岩层受损越严重,突水发生的频率就越高。一旦突水发生时,水的体积就越大。发展通常是表示出错的复杂性。
岩层抵抗水压的能力密切相关,自己的抗压强度。坚硬的石灰岩和砂岩有很高的抗压强度,但可怜的可塑性和保水能力较差,而软泥岩相反的特征:低抗压强度、良好的塑性,良好的保水能力。的multirock组合煤的抗压强度地板的特点是复合抗压强度。
越渗透复合煤层底板岩层,地下水在同样的上升高度越高水压力和突水的可能性就越大。为了方便统一的比较和分析不同岩性岩石的渗透率,相当于水阻力系数通常是用来表示岩石的渗透率。当每个岩层岩性厚度和等效防水系数是已知的,相当于水阻力系数的复合岩层可以获得为基础确定地板的耐水性的能力。
因此,我们选择了六个因素,包括塑料的厚度比脆性岩石,核心回收率,有效隔水层的厚度,故障的复杂性,复合材料抗压强度和等效水阻力指数因素评价煤层底板岩石的抗水性。
3所示。指数因子量化
3.1。有效隔水层厚度
煤层底板有效隔水层的厚度可以玩水堵塞的作用[21]。计算公式是22] 在哪里不透水层的有效厚度,m;不透水层的总厚度,m;是地板的扰动破坏深度,m;是斜工作面长度,m;煤炭的开采深度层,m;和煤的倾角层。
平均霁组煤层底板的破坏深度扰动的8号我和我Shoushan计算公式(2)如表所示1。
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我们把钻孔1号为例,位于8号煤矿。地板的总厚度岩石的J16 - 17煤的钻是68.14米。首先,地板上岩石的扰动破坏深度20.41米(表1)。然后,根据方程(1),不透水层的有效厚度计算是47.73米。类似地,48个钻孔的有效防水厚度计算,和他们的轮廓(如图2)。
3.2。故障的复杂性
故障的复杂性往往表达的分形维数和分形理论计算23]。分形维数越小,越低的错层的复杂性。 在哪里是恒定的,是分形维数的值。
首先,该地区包含分形按照一定的规则分成几个街区。块包含分形一个接一个,编号和相似比 ,1/2、1/4和1/8,分别。块划分为1,4,16日和64平方电网。计算网格的数量被分形的身体在某段和不同尺度的建立 - - - - - - 双对数坐标系统与公式(3)。然后,拟合直线的斜率和相关系数最小二乘法得到的斜率的绝对值是分形维数的值。
本文根据实际情况,将矿区分为 街区。网格的数量覆盖故障时 ,300、150和75毫米计算先后,结果如表所示2。断层的轮廓分形维数图所示3。
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3.3。复合材料抗压强度
在这项研究中,共计60核心收集来自7个钻孔的J16 - 17煤层底板,包括25泥岩,25砂岩,10石灰石样品。抗压强度的测试结果如表所示3。
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抗压强度是塑料的顺序泥岩<脆性灰岩<脆弱的砂岩。尽管脆性岩石抗压强度高,但容易骨折负荷下,和其耐水性能差,而塑料泥岩展品相反的行为。研究结果表明,当脆性岩石的抗压强度塑性岩石的两倍,后者的抗水能力是前者的2.5 - 3倍24]。根据矿山地质(手动25),为不同的岩石抗压强度的转换系数如表所示4。
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复合材料的抗压强度岩层计算如下: 在哪里复合材料抗压强度的岩层,MPa;各岩层的平均抗压强度,MPa;是各岩层的厚度的比值;和的转换系数是每个岩石的抗压强度层,MPa / m。
以1号钻孔的8号矿为例,泥岩厚度比率,石灰石、砂岩是58.61%,31.57%,和9.83%,分别。复合抗压强度计算通过使用方程(4)结合表3和4为4.87 MPa。遵循同样的步骤,48个钻孔的复合抗压强度,和等值线(如图4)。
图显示的抗压强度16 - 17煤层底板复合岩层是4.00 - -7.43 MPa,平均值是5.71 MPa。目前,水压力寒武纪灰岩的研究区域是0.38 - -4.94 MPa,平均值是2.63 MPa。复合岩层在其自然状态下可以完全抵抗水压力。然而,缺点和矿业的影响下,煤层底板岩石的防水性能将显著降低,这显示了耐水性的多因素评价的必要性的能力。
3.4。相当于水阻力系数
指的是现有文献[26- - - - - -28),不同岩石的等效水阻力系数表中列出5。
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复合岩层的等效水阻力系数计算如下(28]: 在哪里相当于水阻力系数;是各岩层的厚度的比值;和的转换价值相当于水阻力系数。
根据钻探和岩层厚度显示表中列出的等效水阻力系数值5,相当于水阻力系数复合岩层的J16 - 17煤层底板在48钻孔。轮廓图所示5。
3.5。指标因素集
塑料的厚度比脆性岩石和核心回收率可以根据钻井计算披露信息。六个指标因素的量化值48水井对应表所示2。为了对应岩层,耐水性的评价断层复杂因素的价值是作为分形维数的倒数。
4所示。体重指数的因素
是很重要的选择一个科学的数学方法来确定指标因素的权重。指的是现有研究成果(29日],本文选择nine-scale层次分析法和灰色关联分析计算主观和客观权重,然后又给确定综合权重。
4.1。主观权重
层次分析法建立层次结构模型,构造判断矩阵,计算每个因素的权重的影响总体目标(30.,31日]。如表所示6,目标层的评价煤层的抗水性地板。准则层指标因素分为3类,和方案层包括6个指标因素。
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从标准水平,指专家意见来构造二级指标,地质构造的判断矩阵和干扰破坏,耐压力和渗透率,岩性组合和水阻塞性能
计算特征向量 。 ;它满足一致性条件。
同样,判断矩阵的六个指标因素
计算特征向量 , , 。 ;它满足一致性条件。
6个指标因素的权重
通过计算 ,它满足一致性条件,表明所构造的判断矩阵是合理的。六个指标因素的主观权重如表所示7。
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4.2。目标体重
目标体重可以利用灰色关联分析方法计算。根据指数因子值对应于48水井(表2整个参考序列),(32方法如下:
初始值的处理(33),可以进一步计算关联度:
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4.3。综合权重
根据主观和客观权重,可以使用以下公式计算综合权重(35]: 在哪里和分别是主观和客观权重。进一步应用熵权理论可以计算相对熵值: 在哪里 相对熵的吗和 ,和的数量指标。
六个指标的综合权重因素由公式(11)如表所示9。的相对熵综合权重的主观和客观权重可以通过公式计算(12)(如表所示10)。
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显然,相对熵小于0.1,倾向于0,这表明综合体重之间的一致性和主观和客观权重高36]。即全面体重可以有效地将主观和客观权重,和它的重量分布更为科学、合理。
5。防水层的识别能力
5.1。模型建立
5.1.1。水平矩阵建立
根据现有的指数因子数据,参照现有的研究结果(37),water-insulation容量复合地层的煤层地板可分为五个等级,即极度疲弱(我),弱(II),中等(3),强大的(IV),很强的(V)。
假设因素是一项指标的平均值和均方差 ,根据识别区间均值-方差方法,可以建立五个层次组成。的计算公式如下:
标准区间矩阵的六个指数因素五水平可以确定对应:
该指数因子矩阵构造成范围
该指数因子矩阵
5.1.2中。级别特征值确定
钻孔,相对偏差矩阵和相对隶属矩阵可以通过比较获得六个指标因素的量化值与相应的数据矩阵 , ,和(38,39]。对于钻孔1,矩阵的相对差异
相对隶属矩阵
根据模糊变量的原则设置,相对隶属矩阵和相应的综合权重结合基于需求,和分级特征值在不同参数可以获得。 在哪里 ; 的数量指标; ; 成绩是评价指标的数量;评价指标的重量(如表所示9);的相对隶属度吗th指数等级下 ;和和分别优化标准和距离参数,通常采取值1和2。
级别特征值的均值为3.8091。同样,其他钻孔的等级特征的平均值可以计算如表所示11(注意:和是模糊变量的复合操作的参数集)。
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5.2。防水能力分区
根据研究区域的水文地质条件和他人的研究成果38),相对应的特征值阈值水平五水绝缘能力如表所示12。
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根据特征值48钻探水平8号我和Shoushan我列在表中11,抗水能力等级可以由分类标准表12。的值也列在表中11。相应的分区的耐水能力复合地层的煤层底板J16 - 17如图6。
统计分析表明,强和很强的耐水地区占总面积的23.64%。中等面积占58.26%,弱者和极度疲弱地区占18.1%。水介质绝缘能力是相对较高的,弱者和很弱的区域相对较小。
6。讨论
它可以从层次分析法的计算过程指标因素的权重的确定取决于专家意见或分数,结果很容易受主观影响的专家。灰色关联方法是基于实际的钻井数据来确定权重;它可以避免的影响评估者的主观意愿,但灰色关联分析方法使用相同的重量计算最优解时,很难反映评价的优化。与前两种方法相结合,综合体重由熵权法不仅可以减少人为因素的干扰,也充分反映实际的领域,和它的结果更科学、可靠。
在目前矿山开挖项目,抗水能力通常被认为是根据隔水层的厚度。从表可以看出238号的耐水有效厚度,40和41是55.25米,79.58米,75.73米,分别。在此基础上,认为,水的阻力38号附近的岩层钻孔低于40和41钻探。事实上,水井附近Huoyan断层的存在40和41不仅降低了煤层与含水层之间的距离(39),但也破坏了煤层底板的完整性40- - - - - -42]。与此同时,它还改变了地下水的迁移特征(43),大大减少了水岩层的电阻。本文确定的耐水能力的岩层钻孔38号是V类,和岩层的水井40和41号是我(表类11),也就是说,钻孔38号的耐水能力大于水井Nos。40和41。结果是可信的。
从图可以看出6水阻力位复合岩层的特征值的煤层地板在西方Shoushan我和八号我以上的东南2.5,水阻力是相对强劲。因此,地板在煤矿突水的可能性相对较小。8号的采矿活动我和Shoushan我主要进行地区的强大和介质水的阻力。的13230、13250、13260、13270、13290和13310的工作面临着8号我已经停止开采。12010年,12030年、12050年和12070年工作的面孔Shoushan我已经停止开采。
在这些工作没有底板突水事故的脸,这表明,评价结果与实际情况有很好的一致性。
7所示。结论
(1)基于多个影响因素的综合分析水阻力的J16 - 17平顶山煤田煤层地板复合岩石8号我和Shoushan矿山,我们选择塑料的厚度比脆性岩石,核心回收率,有效隔水层厚度,故障的复杂性,综合抗压强度,相当于水阻力系数作为评价指标因素。它提供了一个保证识别的复合岩石的水阻力层煤层地板上(2)基于层次分析法和灰色关联分析,主观和客观权重的指数因素定义。熵权理论用于确定综合权重。基于模糊可变集合理论,构造水阻力评价的数学模型,和J16 - 17煤炭地板定量识别。煤层底板的抗水性复合岩层分为五个等级:非常弱,弱、中、强,很强,奠定了基础的准确评估从煤层底板突水风险(3)和很强的耐水能力强的地区的J16 - 17我8号煤层底板复合岩石和Shoushan矿山占总面积的23.64%,中等面积占58.26%,弱者和极度疲弱地区占18.1%。中防水能力占比较高的地区,软弱,和很弱的地区相对较小。耐水性的准确评价和分区容量指示的方向我采取有针对性的措施,以防止和控制地板水灾害(4)综合指数的重量因素由熵权理论降低了人为因素的干扰水平。模糊可变集合理论实现了定量评价水阻力的多个索引因素的综合作用下岩石。现场实际开挖结果证明了评价结果的可靠性。它提供了一种参考方法准确区分岩石的抗水性
数据可用性
使用的数据来支持本研究的结果包括在本文中。
的利益冲突
作者宣称没有利益冲突。
确认
这项工作得到了国家自然科学基金(41802186和41802186),创新的科技人才队伍建设项目河南省(CXTD2016053)和专项资金河南省高等教育基础科学研究基金(NSFRF200103)。
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