文摘
许多中国山东省西南部深部开采矿井厚松散覆盖层。当附近开采疏松层,有一个水和砂侵入的风险,威胁着矿工的人身安全。突然水和砂侵入的预测困难是由于许多因素的综合影响,影响因素是模糊和随机的。为了解决这个问题,在本文中,一种新的风险评估方法的水和砂侵入提出了基于综合体重和云模型。七个因素选为索引:含水层厚度、砂层的厚度比粘土层,底部粘土层的厚度,煤层厚度,取心收获率的比例,地质构造和基岩厚度。建立了评价指标体系,指标分为三个等级。综合加权法,结合层次分析法(AHP),熵权法(EWM)和最小熵原理,合理分配使用的重量指数。基于云计算的发电机方程,隶属函数。评估对象的评估结果通过结合隶属度和权重的指数。综合weight-cloud模型评估方法应用于风险评估的水和砂侵入6311 - 2工作面Baodian第六矿区的煤矿。 According to the assessment results, the following conclusions can be drawn: (1) the bedrock thickness and the coal seam thickness are the main factors of water and sand inrush under loose layer mining; (2) the assessment results obtained by the comprehensive weight-cloud model method are consistent with the actual situation. The assessment method can provide scientific reference for the safe mining under the thick loose layer in the deep mines of southwest Shandong.
1。介绍
水和砂侵入我的是一种地质灾害,水和沙子混合流体与高含砂量闯进地下工作面和造成财产损失和人员伤亡1]。一些在华北煤田厚松散覆盖层,尤其是山东省西南部的深部开采煤矿。当附近开采疏松层,上部富水砂层很容易水和沙子侵入采矿活动的干扰下,影响矿井的正常生产,造成人员伤亡2,3]。为了减少水和砂侵入灾害的发生,并采取及时有效的措施,有必要提出一种更准确的评估方法的水和砂侵入灾害下松层矿业(4,5]。
专家和学者研究的问题,水和砂侵入通过各种方法(6- - - - - -13]。PFC钟山等人使用软件3 d和软件GID模拟整个过程的水和沙子侵入在预制理想断裂具有不同开口宽度和上覆岩层倾斜角度。他们的分析表明,裂缝的宽度和倾斜角度变化的流模式水沙流侵入和接触力有很大影响的裂缝通道,水的流速,和混合水沙流的时间14]。赵等人研究了上覆地层裂缝发育和分布特征的水沙侵入通道通过仿真实验。他们突水通道的开发过程分为三个阶段:逐步发展的阶段,渗透阶段连接通道的形成,以及水沙的阶段侵入,和分裂的面积上覆岩层断裂和水沙侵入分为三个部分:上覆岩层断裂的区域逐步发展,水沙侵入带和water-sand-intrusion阻塞区(15]。彭等人做了一个综合分析机制的水和砂侵入灾难等许多方面的渠道,水源,水存储空间、电源和地质构造。他们发现水和砂侵入灾难的原因下厚上覆基岩是生成的水裂缝带开采导致水进入岩层之间的分离腔。分离腔的水渗透进入松散地质体和优惠进入工作面立刻沿着集中减少工作面所产生的通道,导致水和砂侵入灾难的发生(16]。张等人建立了砂侵入在骨折的力学模型和分析的极限平衡条件水和沙子侵入骨折。通过实验,定量分析了水和沙子迁移的特点和相关物理参数的变化在不同阶段的水和砂侵入和分裂水和沙子侵入骨折的整个过程分为四个阶段,即起步阶段,连续爆发阶段,淤泥堵塞阶段,突出平衡阶段(17]。马等人建立了一个水沙流阻在骨折模型基于两相流理论,通过实验室试验来验证18]。使用LBM-DEM耦合仿真方法,研究聚氨酯等人的水和沙两相迁移问题单处骨折开放通道模型。他们比较部分流量的变化和砂侵入率在不同边界压力、裂缝宽度,和砂层厚度19]。
如上所述,研究人员已经取得了许多成就在水和砂侵入机制。然而,突然水和砂侵入的预测困难是由于许多因素的综合影响,影响因素是模糊和随机的。为了解决这个问题,水和砂侵入的风险评估方法提出了基于综合体重和云模型。隶属度函数从正常变成云发生器方程是用来计算隶属度的指数。结合层次分析法、熵权法和最小熵原理来计算综合指数的重量。基于隶属度和综合重量、水和砂侵入的风险评估对象的评估,希望它能提供新的思路和方法预防和控制水和砂侵入灾害。评估过程如图1。
2。概述研究的区域
选择第六Baodian煤矿矿区为研究区。水井的范围和位置附近的第六个矿区图所示2。Baodian煤矿位于兖州地区,山东济宁城市。第六届西部矿区位于Baodian煤矿。结构是由兖州煤业向斜,娘家姓的轴向方向,东北倾斜。有一个小南湖向斜北的第六个矿区。南方的开发范围Baochang背斜。断层罢工主要是东北。
第六个矿区是一个完全隐藏华北石炭二叠纪煤田。从旧到新奥陶系地层(O2)、石炭纪(C),二叠纪(P)、侏罗纪(J3)和第四纪(Q)。以下是详细描述:(1)中下游奥陶纪(O2、1):它是煤系地层的地下室,由灰色和灰白色石灰岩所笼罩(2)石炭纪(C):上石炭系太原组是由深色gray-grayish黑色泥岩、铝土泥岩、粉砂岩,medium-coarse砂岩,石灰岩的划分的层。其中,第十的厚度降低石灰石和第三个石灰岩是大型和地平线是稳定的,这是第六个矿区的辅助标志层(3)二叠纪(P):山西形成是第六个矿区的主要含煤地层。它是在南方厚在北方但是薄。它由灰白色中,粗砂岩,灰色粉砂岩,泥岩,铝土泥岩和煤层。其中,3号煤层是主要的可开采的煤层,具有完整的接触底层的地层(4)侏罗纪(J3):上层成员是灰绿色,灌木medium-fine砂岩。中间的成员是宽松的红色砂岩。下一节是棕红色粉砂岩。这是分布在一个非常小的范围在东部第六矿区的一部分。这是角度不整合接触潜在的煤层(5)第四纪(问):薄在东部和西部厚,薄在南方,在北方和厚。它由砂土、粘土砂粘土层,和中、粗砂层
在所有地层,主要含煤地区石炭系和二叠系地层的山西太原形成,属于华北地区含煤岩系的类型。主要煤层是3号煤层的厚度约7.86 ~ 10.02米,平均厚度约为9.00 m。煤层的厚度是稳定的,和煤层的埋藏深度约为200 ~ 390米。
主要含水层影响生产的3号煤层在第六矿区从上到下是第四纪上的砾石含水层组,第四纪低的砾石含水层组和砂岩含水层的屋顶和地板3号煤层。其中,煤层开采的直接充水含水层是砂岩含水层的屋顶和地板3号煤层和第四纪的砾石含水层组低,间接充水含水层是第四纪的砾石含水层组低(当砂岩含水层的屋顶3号煤层的直接充水含水层)。除了第四纪上的砾石含水层组,其余含水层主要是静态储备,和补给、径流、排泄条件差。随着采矿活动的发展,在第四纪砂层的水位较低组逐年缓慢下降,和砂岩的水位3号煤层的屋顶显著下降。
3所示。评价方法
3.1。层次分析法
美国运营研究员Saaty提出著名的层次分析法(AHP)在1970年代早期。层次分析法是一种决策方法分解元素相关的决策为目标,标准,计划,和其他级别,在此基础上,进行定性和定量分析(20.]。
权重确定方法,层次分析法是常用的矿井水灾害领域的,比如水丰度评估和底板突水风险评估(21- - - - - -23]。本文改进的层次分析法和三个尺度是用来计算重量。
传统的AHP需要判断矩阵的一致性检查。本文改进的三个层次分析法用于重量计算,与传统层次分析法优化利用最优传递矩阵的性质,所以它自然满足一致性。它可以大大减少迭代次数,使主观因素分析,从而减少了系统误差。
假设有底层指标在一定上层指标,每个指标的重要性在同一水平上比较根据专家咨询、比较矩阵 建立了通过以下方程:
因为矩阵满足 和 ,这是一个反对称矩阵;然后,根据最优传递矩阵的原理,最优传递矩阵的矩阵应当符合方程(2)。
由于最优传递矩阵的属性,不需要一致性检验。的方程的重量索引的如下:
最后,根据方程(4),计划水平的重量标准水平和标准水平的客观水平的重量计算,分别之后,权重向量 计划的水平目标水平,计划的指数水平。
3.2。熵权法
作为一个重量计算法、熵权法(EWM)已经被应用于多因素指标权重的计算(24- - - - - -27]。
假设有样本,每个样本都有索引、原始矩阵 可以,在哪里表示数据的索引的样本 。
然后,根据原始矩阵 ,归一化矩阵 计算。
越大的阳性指标更好的指标,计算公式如下:
负索引更好的指标越小,计算公式如下:
根据归一化矩阵 ,计算比例的索引数据的示例:
然后,计算所有索引的熵,熵值的计算公式索引的是
计算所有指标的熵权,熵权的计算公式索引的是
最后,得到权重向量 。
3.3。全面的重量
每个重量计算方法都有自己的适用范围,有时,常常需要使用各种各样的方法来测量相同的重量数据,以便全面体重具有更高的性能,能够反映真正的数据的特征。本文根据最小熵原理、流程权重向量由层次分析法确定权重向量由熵权法来确定综合权重向量(28,29日]。计算过程如下:
3.4。云模型
云模型是一种基于模糊集理论和概率的不确定的认知模型的概念,这是刘等人提出的。27]。云模型可以用来处理之间的不确定性转换定性概念和定量描述和已广泛应用于算法改进,模拟、风险评估、地质预测,挖掘等领域30.- - - - - -33]。转换过程的定量数据(数据)影响因素定性概念(风险等级),云模型可以更好地处理随机性和模糊性的影响,从而使评价结果更科学、准确。
正常的云是一个重要的云模型基于正态分布和高斯隶属函数。因为预期值曲线的影响因素在自然科学主要是正态分布或seminormal分布(34),本文使用正态云模型来评估水和砂侵入的风险。
假设一组 一个域,定性概念域的定义是 。对于任何属于 ,存在一个随机数属于 。的集合被称为隶属度的属于 ,如果满足
如果满足 和 ,的分布在被称为正常云,每个被称为云下降。前,和他的数值特征定性概念,其中前女友表示期望,在代表熵,他代表hyperentropy。如果这三个数值特征的定性概念是已知的,正常的云发生器可以用来生成正态云。流程如下:
步骤1。生成一个随机数在正常En的期望值和标准差。
步骤2。生成一个随机数前的期望值和标准差 。
步骤3。计算通过方程(12)和云滴的隶属度定性概念的生成。
步骤4。重复步骤3互译,直到云滴的数量符合要求。
数值计算的特征( 和 )和指数属于风险等级如下。
假设的上下边界值指数属于风险等级是和 ,然后
由于边界值从一个到另一个地方,应该属于成绩年级(32),所以
的大小根据确定的模糊性和随机性的特定情况下,和的值是0.1倍(35]。
一些学者使用云模型得到隶属度通过使用云发生器随机生成云滴,然后获得平均隶属度(33]。用此方法获得的隶属度有一定程度的波动,导致相同的计算过程也可能无法获得评估结果。为了获得一个稳定的隶属度,获得的隶属函数是基于方程(12)。隶属函数如下所示: 在哪里代表指数的值和代表了隶属度的指数属于风险等级 。
隶属度矩阵 评估的对象了,索引的数量,风险等级的数量。
为了发现评估对象风险等级的隶属度,有必要用隶属度指数与风险等级相对应的评估对象的指标权重,并将它们添加,以便获得隶属度评价对象的风险等级。
综合权向量结合会员矩阵评估对象的获取矩阵 。
在方程(17),代表了风险等级评估对象的成员 。然后,根据最大隶属度原则,风险等级对应于最大隶属度是突水风险等级评估的对象。
4所示。准备评估
4.1。索引选择
水和沙子的发生侵入矿业在松层取决于各种影响因素的综合效应。根据水文地质数据在第六Baodian煤矿矿区,本文选择7个影响因素,即,含水层厚度( ),砂层的厚度比粘土层( ),底部粘土层的厚度( ),煤层厚度( ),核心的比例恢复( ),地质构造( ),和基岩厚度( ),作为索引。这些因素可以分为松散的特征层和岩层的特点。层次结构系统的水和砂侵入指数矿业在松层下的矿业松层如图3。(1)含水层厚度( )。一般来说,在松散含水层层主要是砂层。厚含水层可以存储更多的地下水,矿业的影响下,有一个更大的水和砂侵入的可能性(36](2)砂层的厚度比粘土层( )。骨折的砂层具有强大的蓄水和水的电导率,而粘土层具有一定的耐水和沙子。砂层的厚度比松层第四纪粘土层的低组决定了水和砂侵入的风险(3)底部粘土层的厚度( )。粘土层底部的松层是一个功能强大的屏障,直接阻碍了向下渗流和侵入上层含水层的水和沙子。底部的厚粘土层,越有可能将减少水和砂侵入的可能性在煤炭资源开发36](4)煤层厚度( )。屋顶的高度下降区,煤层开采造成的破裂带与累计开采煤层的厚度。一般来说,累积开采的煤层厚度越大,越高的屈服区和断裂带的屋顶。采矿,有必要设置防砂煤岩柱来避免过多的水和砂侵入由于过度的屈服区高度和断裂带。因为3号煤是主要的可开采的煤层在第六矿区,本文使用3号煤层的厚度而不是累计开采厚度指数(37](5)核心的比例恢复( )。核心的完整性在钻井岩石破碎的程度有关。的核心基石相对完整,表明基岩破碎程度低,是一种有效的阻水层。水和砂侵入的可能性较低,当矿业(38](6)地质构造( )。地质构造的发展程度可以通过密度表示的缺点,断层下降,关节,密度等与发达地区地质结构具有较高的水和砂侵入的风险。根据实际开采经验和地质资料,地质构造发展的程度划分,和方程如下39]: (7)基岩厚度( )。基岩厚而稳定,断裂带不能发展到含水层,水和砂侵入的风险很低。如果薄基岩或失踪,含水层的破裂带的发展,水和砂侵入的风险很高(33,40]
4.2。风险等级
水和砂侵入的风险分为三个等级,即低风险(我),中等风险(2),和高(3)风险。相应的年级我的情况是疏松层的底部含水层工作面开采的影响,以及水和砂侵入采矿过程中不会发生。II级的对应情况是疏松层的底部含水层有一定影响开采的工作面。例如,工作面的屋顶通常显示了水浸出的现象,和工作面涌水量的变化很大;开采过程中,可能发生突然水和砂侵入。相应的三级的情况是疏松层的底部含水层有很大影响开采的工作面。当屋顶压力,工作面涌水量的变化很大,有一个伟大的可能性突然水和沙采矿过程中侵入。根据工程经验,每个索引分为间隔根据风险等级,如表所示1。
4.3。重量计算
分析和统计的基础上,在研究区水文地质数据和钻孔数据,28个钻孔数据收集样本,如表所示2如图,钻孔位置2。
咨询和分析后,本文认为发生的水和砂侵入,在标准水平,岩石的特征层大于松层的特点。宽松的特征层,该指数权重降序排列的含水层厚度( ),底部粘土层的厚度( ),和砂层的厚度比粘土层( )。岩石的特征层,该指数权重降序排列的基岩厚度( ),煤层厚度( ),核心的比例恢复( ),和地质构造( )。比较矩阵标准水平和比较矩阵和计划水平得到如下:
权重向量根据方程(计算4)。根据表中的数据2,权向量是由熵权方法,然后,综合权重向量通过方程(10)。分析了权向量 ,底部粘土层的厚度( ),煤层厚度( ),和基岩厚度( )产生更大的影响水和砂侵入的风险。在权向量 ,含水层厚度( ),煤层厚度( ),和基岩厚度( )更大。结合权重由三种方法,可以得出结论,煤层厚度( )和基岩厚度( )的主要影响因素是水和砂侵入。三种方法的指数权重如表所示3和图4。
4.4。数值特征
根据风险等级范围和钻孔样本数据(表2),通过使用方程(13)和(14),数值特征(前女友,和他)的每个索引属于风险等级,II, III确定,如表所示4。
根据正常的云的生成过程和数值特征,每个索引的正常云(图生成属于每个风险等级5)。每个正常的云的云滴的数量是1000。正常的云可以代表的隶属度分布指数属于一个特定的风险等级。
(一)
(b)
(c)
(d)
(e)
(f)
(g)
从图可以看出5,前确定风险等级的中心点的位置正常的云;在确定风险等级的范围正常的云。En越大,越大风险水平正常云范围。他决定不连续性的正常云的风险等级。当他的比例很小,正常的云的分布与正态分布曲线。当他的比例很大,正常色散的云大。
5。通过应用验证
6311 - 2工作面位于Baodian煤矿的西部,和南方的工作面接近的露头区3号煤层风成氧化带的第六个矿区。3号煤层工作面开采,煤层的厚度约为8.12 ~ 9.16米,平均约为8.64 m。第四纪降低集团是由灰绿色,灰色黄色、灰白色粘土;粘土砾石;和沙子。较低的主要含水层组粘土碎石和砾石层。
的煤层工作面是一个单斜结构和属于Baojiachang背斜的北翼。小二次开发宽,温柔的折叠在工作面。的最大涌水量6311 - 2工作面在开采是24米3/ h, 18.9米3在正常条件下/ h。工作面涌水量的基本上是开采后的进水量和水流入生产过程中。工作面不显示本地过度突水和间隔,没有水和沙子侵入灾难发生。
根据相应的地质报告,确定工作面(索引数据的表5),通过使用方程(15)- (17)计算隶属度属于每个风险等级根据工作面工作面临的索引数据。根据计算结果(表6),6311 - 2工作面临的最大隶属度为0.3610,和水和沙子侵入风险等级对应最大隶属度是年级的我,这意味着水和砂侵入不会发生在矿业。这个工作面临的实际开采过程没有水和砂侵入,这是符合综合weight-cloud模型的预测评估方法。这个结果说明了该方法的可行性。
6。结论
减少影响因素的随机性和模糊性的风险预测的水和砂侵入并更好地评估水和砂侵入的风险短途开采煤矿厚松层下,本文提出了一种新的风险评估方法基于全面的水和砂侵入重量和云模型。方法应用于风险评估的水和砂侵入6311 - 2工作面Baodian第六矿区的煤矿。以下结论的研究:(1)分析权重由层次分析法、熵加权方法,并综合加权法,基岩厚度的重量和煤层厚度都是排名前三的三个权重。可以认为在七个指标影响突水的危险和砂侵入,基岩厚度和煤层厚度更大影响突水的危险和沙子侵入,是主要的影响因素(2)综合weight-cloud模型方法应用于评估的风险水和沙子涌入工作面,评估结果与实际情况是一致的。这表明综合weight-cloud模型方法具有良好的预测性能和下安全开采提供了科学依据厚松层深矿井山东西南部(3)综合weight-cloud模型方法是基于现有的示例数据。样品的数量,选择索引和风险等级的划分区间对评估结果有一定的影响的方法。针对复杂的水和砂侵入在近距离挖掘厚松层,为了获得更准确的预测结果,需要收集更多的工程实例和样本数据,以提高精度的方法
数据可用性
所有数据、模型或代码生成或使用期间的研究可从相应的作者的请求。
的利益冲突
作者宣称没有利益冲突。
确认
论文的作者致以感激感谢中国国家自然科学基金(批准号51774199)为其提供相关支持和Baodian煤矿地质资料。