基于灰色关联与fdahp相结合的煤层底板突水危险性评价方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种基于灰色关联与模糊德尔菲层次分析法（FDAHP)相结合的煤层 底板突水危险性评价方法。
【背景技术】
[0002] 我国是世界上产煤量最多的国家之一，同时我国煤矿地质、水文地质条件十分复 杂，受水害威胁的煤炭储量约占探明储量的30 %，仅华北地区受底板承压水威胁的煤炭储 量约为200亿吨。煤层底板突水问题在我国是一个非常普遍的问题，几乎涉及我国大部分 煤矿区，包括华北型和华南型煤田，其涉及范围之广，水量之大，危害之严重，实为世界罕 见，这也是我国煤田水文地质条件的显著特征之一，现已成为一个关系到能源工业发展亟 待解决的重大课题，由于采场底板突水问题具有极其复杂的机理，再加上地下水运动的隐 蔽性、不能直接观察，故研究难度较大。随着开采深度、开采强度的日益增加，煤田的水文地 质条件越来越复杂，底板承压水对矿井安全生产的威胁日益严重。因此煤层底板突水危险 性评价是关系到煤矿安全生产的关键性问题。
[0003] 在现场实际工作的技术人员及相关管理部门的工作者，普遍采用突水系数法评价 煤矿底板含水突水危险性程度。由于计算简单、应用方便，突水系数法在我国得到了广泛应 用。然而，底板承压含水层突水是受多因素影响的非线性系统，传统的突水系数法所考虑的 突水影响因素极其有限，不能完全描述煤层底板突水受控于多因素且非常复杂的这种非线 性动力现象。
[0004] 中国矿业大学（北京）武强教授在《煤炭学报》期刊2007年第11期，第1121页 至第1126页上公开了一种煤层底板突水评价的新型实用方法II一脆性指数法，该方法以 多源信息集成理论为指导，以GIS为操作平台，在煤层底板突水主控因素分析确定基础上， 经过数据采集、分析和处理，建立各主控因素的子专题层图；应用多源地学数据复合叠加原 理，采用现代线性或非线性数学方法（如ANN、证据权重法、Logistic回归、AHP等），通过模 型的反演识别或学习训练，确定出煤层底板突水的各主控因素对复杂突水过程的"贡献" 或"权重"，建立煤层底板突水预测预报评价模型，然后根据研究区各单元计算的突水脆弱 性指数频率直方图分析，确定突水脆弱性分区阈值，最终对煤层底板突水脆弱性做出科学 的区划和预测预报评价。其中AHP型脆弱性指数法，运用"征集专家评分"的方法，按照1~ 9标度法，对影响因素的相对重要性进行专家打分，没有明确的标准，缺乏严谨的科学分析， 极易造成主观随意性。ANN型脆弱性指数法，根据已经训练和测试后的突水预测模型，对底 板脆弱性指数进行预测，效果极好，但与AHP型脆弱性指数法一样采用频率直方图确定分 区阈值具有一定的盲目性。证据权重法属于数据驱动方法，数据驱动避免了权值选择的主 观性，易于编程，易于组合多图件模式，但是用于分析的证据图层必须是条件独立的，用证 据权重法必须对证据层的相互独立性进行检验，而对于突水危险性的各证据因子（主控因 子）对于突水这一事件来说，是共同作用、相互关联的，就使得证据权重法的实施具有极大 的局限性。此外，以上各种方法，最终均以频率直方图确定分区阈值，而频率直方图仅仅显 示该区脆弱性指数的分布特征，即分布范围的大小，根据其确定底板突水脆弱性分区阈值， 极易脱离矿区实际情况。
[0005] 中国专利CN101894189B公开了一种煤层底板突水评价的新方法，包括以下步骤： (1)煤层底板突水主控因素的数据采集、提取、处理和量化；（2)运用环套理论和技术方法， 采用可拓学方法，确定煤层底板突水的物元模型；（3)确定底板突水物元的经典域模型； (4)确定底板突水物元的节域；(5)根据矿井大量观测数据，结合地质和水文地质资料信 息，获取待评同征物元即采样点的各类数据集；(6)计算待评物元对应各类别等级的关联 度；（7)确定煤层底板突水各主控因素的权重系数；(8)计算待评物元对于不同安全等级的 关联度；(9)确定各待评物兀底板突水的危险性等级，最终对煤层底板突水危险性做出科 学的区划和预测预报评价。该方法从矿井突水实际观测资料出发，确定底板突水物元的经 典域模型和节域，为煤层底板突水提供了一种良好的预测思路。然而该物元经典域划分为 安全区、较安全区、过渡区、较脆弱区和脆弱区5各等级的划分标准没有明确给出，模糊笼 统；另外采用层次分析法确定各主控因素的权重系数，主观性强，缺乏严谨的科学分析，极 易造成脱离客观实际。
[0006] 中国专利申请CN103995947A公开了一种改进的煤层底板突水脆弱性评价方法， 该方法在确定后的各主控因素"常权权重"基础上，还包括以下步骤：（1)确定各主控因素 的"变权权重"；(2)建立基于分区变权原理的底板突水脆弱性评价模型；（3)煤层底板突水 脆弱性的评价预测分区；首次应用分区变权原理和模型解决了煤层底板突水脆弱性评价预 测中的关键技术难题。然而该方法存在以下不足："常权权重"依据AHP赋值法，没有明确 的标准，缺乏严谨的科学分析，极易造成主观随意性；采用频率直方图或自然断裂法确定分 区阈值，未与实际突水案例相结合，极易造成脱离客观实际。
[0007] 中国专利申请CN104766242A公开了一种煤层底板突水危险性评价方法，采用主 成成分分析法与GIS空间分析法相结合，依次对煤层底板突水影响因素指标进行分级、获 取分级后的17项指标的基础数据、对基础数据进行R、S型主成分综合分析，筛选出主控因 素、根据确定的主控因素，建立突水危险性评估公式、依据GIS空间分析法建立主控因素专 题图，最后将各专题图按照突水危险性评估公式进行叠加，得出底板突水危险性专题图，以 实现对煤层底板突水危险性作出准确可靠的量化评价。该方法采用主成分分析获得前6项 主控因素及其权重的方法存在很大的弊端。因为主成分分析法是用降维的思想，将原先变 量重新组合成一组新的相互无关的少数几个综合指标，提高数据质量，有效减小主控因素 对突水作用的重叠性，另外主成分法的原始数据是根据主控因素本身进行分析的，与突水 大小相关性不大；从该专利实施例中可以看出，利用主成分方法确定权重大小，并根据权重 选取的前6项（工作面斜长、有效隔水层厚度、承压水导生高度、隔水层完整性、裂隙发育程 度、承压水水压）不符合客观实际，因为含水层富水性是底板突水的先决条件，没有水是不 可能发生突水事件的。
【发明内容】
[0008] 本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，满足华北型煤田煤炭工业可持续性 发展的需求，提供一种基于灰色关联与模糊德尔菲层次分析法（FDAHP)相结合的煤层底板 突水危险性评价方法。
[0009] 为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：
[0010] -种基于灰色关联与FDAHP相结合的煤层底板突水危险性评价方法，
[0011] (1)确定煤层底板突水的主控因素；
[0012] (2)数据采集及标准化处理，并建立煤层底板突水的各主控因素专题图；
[0013] (3)采用灰色关联和FDAHP的指标赋权法，确定各主控因素对底板突水控制的"权 重"；
[0014] (4)建立煤层底板突水危险性指数模型，计算煤层底板突水危险性指数；
[0015] (5)模型检验；
[0016] (6)确定突水危险性分区阈值；
[0017] (7)对煤层底板突水危险性进行划分，作出科学评价。
[0018] 所述步骤⑴的主控因素，包括：
[0019] ①地质构造；
[0020] ②有效隔水层厚度；
[0021] ③矿压破坏带下脆性岩厚度百分比；
[0022] ④钻孔涌水量；
[0023] ⑤含水层厚度；
[0024] ⑥含水层水压。
[0025] 进一步地，所述的地质构造为断层强度指数。
[0026] 进一步地，所述的地质构造为断层交点和尖灭点密度。
[0027] 进一步地，所述的地质构造为褶皱轴分维值。
[0028] 所述步骤（2)的数据采集，是指采集各钻孔处的各主控因素数据，还包括收集突 水点资料并采集各突水点处的各主控因素数据。
[0029] 所述步骤（2)的数据标准化处理，具体为：
[0030] 对于正向因素，按照以下公式进行标准化处理：
[0034] 式中：Ah为归一化处理后的数据；Vl，^分别为归一化范围的上限和下限，分别取 0.9、0. 1 ;&为采集到的原始数据；min(Xh)为各主控因素量化值的最小值；max(Xh)为各主 控因素量化值的最大值，n为样本个数。
[0035] 所述步骤（3)的灰色关联和FDAHP的指标赋权法，包括以下步骤：
[0036] 1)建立比较判断矩阵
[0037] ①首先利用灰色关联分析法，计算各突水案例（作为"客观专家"）的各主控因素 与最大突水量的关联系数，为了与专家调查法的1~9级标度法取值范围一致，将关联系数 乘以9进行转化，作为各主控因素对煤层底板突水的"客观"影响程度；
[0038] ②运用德尔菲专家调查法，征集和咨询各领域现场专家及科研研究者的意见，按 照美国运筹学家T.L.Saaty创立的1~9标度法，对每个因素所起作用的大小进行相对 重要性评价，给出每个因素的量化分值，作为各主控因素对煤层底板突水的"主观"影响程 度；
[0039] ③根据"客观"影响程度和"主观"影响程度，根据下式建立两两比较判断矩阵：
[0040]
[0041] 式中：?= (VC#表因素i和j相对重要程度的判断,C1X,为某一"专家"对因 素i和j的赋值；
[0042] 2)建立群体的模糊判断矩阵
[0043] 采用模糊