一种基于综合指数法的三维空间充填效果评价方法

本发明涉及矿业工程领域，具体涉及一种基于综合指数法的三维空间充填效果评价方法。

背景技术：

随着我国东部地区煤炭资源的大量开采，剩余煤炭资源多为“三下压煤”，大量优质煤炭资源急需充填开采，为了在提高采出率的同时延长矿井服务年限，充分贯彻绿色发展的战略目标，因此亟需从充填体、工作面围岩及地面三个方面对采煤作业面地下三维空间的充填效果进行综合评价，综合考虑各种影响因素准确分析三维空间的充填效果，为充填开采的安全生产提供更加科学有效的判断依据。

技术实现要素：

本发明旨在解决上述问题，提出了一种基于综合指数法的三维空间充填效果评价方法。该方法从充填体、工作面围岩以及地面三个方面对三维空间的充填效果进行综合评价，充分考虑各种因素对三维空间充填效果的影响，有利于三维空间充填效果的准确评价，为充填开采的安全生产提供了有效的判断依据。

本发明采用以下的技术方案：

一种基于综合指数法的三维空间充填效果评价方法，具体包括以下步骤：

步骤1，选取充填体充填质量、覆岩运动程度和地表变形特征作为三维空间充填效果评价参数，根据采煤工作面三维空间充填稳定后的现场实际测量结果、钻孔电视资料和地表监测结果，确定充填体充填质量、覆岩运动程度和地表变形特征；

步骤2，根据获得的充填体充填质量、覆岩运动程度和地表变形特征，分别确定影响充填体充填质量、覆岩运动程度和地表变形特征的影响因素，得到三维空间充填效果评价参数的影响因素；

所述充填体充填质量受等价采厚、充填结石体的物理力学特征和充填程度的影响，其中，等价采厚的影响因素包括顶板超前下沉量、欠接顶量和充填体压实量，充填结石体的物理力学特征的影响因素包括抗压强度、弹性模量和孔隙度，充填程度的影响因素包括充填体应力、顶底板移近量和巷道两帮移近量；

所述覆岩运动程度受顶板离层裂隙、工作面侧向支承压力和工作面超前支承压力的影响，其中，顶板离层裂隙的影响因素包括空间裂隙相对面积比、顶板岩层裂隙漏失量和顶板岩层相对位移量，工作面侧向支承压力的影响因素包括孔深5m处的侧向支承压力、孔深10m处的侧向支承压力和孔深15m处的侧向支承压力，工作面超前支承压力的影响因素包括距离工作面20m处的工作面超前支承压力、距离工作面40m处的工作面超前支承压力和距离工作面60m处的工作面超前支承压力；

所述地表变形特征的影响因素包括地表下沉、地表倾斜变形、地表水平移动、曲率和地表水平变形；

步骤3，基于综合指数熵权法，结合三维空间充填稳定后的现场实际测量结果，分别计算三维空间充填效果评价参数中各影响因素的权重；

步骤4，根据三维空间充填效果评价参数中各影响因素的权重，构建三维空间充填开采评价函数；

步骤5，根据现场实际测量结果、钻孔电视资料和地表监测结果，利用三维空间充填开采评价函数计算三维空间的充填开采评价结果θ，并根据充填开采评价结果对三维空间的充填效果进行评价。

优选地，所述步骤3中，三维空间充填效果评价参数中各影响因素的权重计算公式，如式(1)所示：

其中，

式中，yij为三维空间充填效果评价参数中第i个参数中第j个影响因素所占的比重；m为影响因素总数；ej为第i个参数中第j个影响因素的信息熵；k为常数，wj表示第i个参数中第j个影响因素的权重。

优选地，所述步骤4中，具体包括以下步骤：

步骤4.1，构建充填体充填质量评价函数α，如式(5)所示：

α＝α等价+α物理+α充填(5)

其中，等价采厚的隶属度α等价如式(6)所示：

式中，α超前为顶板超前下沉量的隶属度，α欠接为欠接顶量的隶属度，α压实为充填体压实量的隶属度；a1为顶板超前下沉量的权重，a2为欠接顶量的权重，a3为充填体压实量的权重；h为开采厚度，单位为m；δh超前为顶板超前下沉量，单位为m；δh欠接为欠接顶量，单位为m；δh压实为充填体压实量，单位为m；

充填结石体物理力学特征的隶属度α物理如式(7)所示：

式中，αr为抗压强度的隶属度，αe为弹性模量的隶属度，αn为孔隙率的隶属度；b1为抗压强度的权重，b2为弹性模量的权重，b3为孔隙率的权重；r结石为充填结石体的抗压强度，单位为mpa；r煤为煤的抗压强度，单位为mpa；e结石为充填结石体的弹性模量，单位为mpa；n结石为充填结石体的孔隙率；n煤为煤的孔隙率；

充填程度的隶属度α充填如式(8)所示：

式中，为充填体应力的隶属度，为顶底板移近量的隶属度，为巷道两帮移近量的隶属度；c1为充填体应力的权重，c2为顶底板移近量的权重，c3为巷道两帮移近量的权重；为监测到的最大应力，单位为mpa；为工作面处的垂直地应力，单位为mpa；h为开采厚度，单位为m；δh顶底为顶底板移近量，单位为m；w为巷道宽度，单位为m；δw两帮为巷道两帮移近量，单位为m；

步骤4.2，构建覆岩运动程度评价函数β，如式(9)所示：

β＝β离层+β侧向+β超前(9)

其中，顶板离层裂隙β离层的隶属度如式(10)所示：

式中，βs为空间裂隙相对面积比的隶属度，βv为顶板岩层裂隙漏失量的隶属度，βl为顶板岩层相对位移量的隶属度；d1为空间裂隙相对面积比的权重，d2为顶板岩层裂隙漏失量的权重，d3为顶板岩层相对位移量的权重；s钻孔为两带内的钻孔表面积，单位为m²；s裂隙为两带内的裂隙表面积，单位为m²；vmax为两带内的阶段最大漏失量，单位为m³；v平均为两带内的阶段平均漏失量，单位为m³；l为两带高度，单位为m；l相对为两带内相对位移量之和，单位为m；

工作面侧向支承压力β侧向的隶属度如式(11)所示：

式中，β5为孔深5m处侧向支承压力的隶属度，β10为孔深10m处侧向支承压力的隶属度，β15为孔深15m处侧向支承压力的隶属度；e1为孔深5m处侧向支承压力的权重，e2为孔深10m处侧向支承压力的权重，e3为孔深15m处侧向支承压力的权重；pmax为最大侧向支承压力，单位为mpa；p5为孔深5m处的侧向支承压力，单位为mpa；p10为孔深10m处的侧向支承压力，单位为mpa；p15为孔深15m处的侧向支承压力，单位为mpa；

工作面超前支承压力β超前的隶属度如式(12)所示：

式中，βc20为距离采煤工作面20m处超前支承压力的隶属度，βc40为距离采煤工作面40m处超前支承压力的隶属度，βc60为距离采煤工作面60m处超前支承压力的隶属度；f1为距离采煤工作面20m处超前支承压力的权重，f2为距离采煤工作面40m处超前支承压力的权重，f3为距离采煤工作面60m处超前支承压力的权重；nmax为最大超前支承压力，单位为mpa；n20为距离采煤工作面20m处的超前支承压力，单位为mpa；n40为距离采煤工作面40m处的超前支承压力，单位为mpa；n60为距离采煤工作面60m处的超前支承压力，单位为mpa；

步骤4.3，构建地表变形特征评价函数γ，如式(13)所示：

式中，γ下沉为地表下沉的隶属度，γ倾斜为地表倾斜的隶属度，γ水平为地表水平移动的隶属度，γ曲率为曲率的隶属度，γ变形为地表水平变形的隶属度；g为地表下沉的权重，h为地表倾斜的权重，i为地表水平移动的权重，j为曲率的权重，k为地表水平变形的权重；hmax为地表最大下沉量，单位为m；h为开采厚度，单位为m；εmax为地表最大水平变形量，单位为m；fmax为地表最大倾斜值；

步骤4.4，基于充填体充填质量评价函数α、覆岩运动程度评价函数β和地表变形特征评价函数γ，构建三维空间充填开采评价函数，如式(14)所示：

θ＝α+β+γ(14)

式中，θ为三维空间的充填开采评价结果。

优选地，所述步骤4.2中，两带为三维空间开采后因覆岩破坏和移动而形成的冒落带和裂隙带。

优选地，所述步骤5中，当0.9≤θ＜1时，三维空间的充填效果评价为优秀；当0.8≤θ＜0.9时，三维空间的充填效果为良好；当0.7≤θ＜0.8时，三维空间的充填效果为一般；当0.6≤θ＜0.7时，三维空间的充填效果为差；当θ＜0.6时，三维空间充填不合格。

优选地，所述步骤5中，当三维空间的充填效果评价为优秀或良好时，可以对三维空间进行正常开采；当三维空间的充填效果评价为一般时，需要对三维空间中的部分充填区域改进，提高充填质量；当三维空间的充填效果评价为差时，需要对三维空间中的部分生产区域停工改进，在保证工作面能够安全生产的前提下，三维空间才能复工复产；当三维空间的充填效果评价为不合格时，需要对三维空间中的所有工作区域停工停产，并对三维空间内的所有工作区域进行全面检查，对三维空间进行二次充填待生产区域围岩稳定后，经相关部门批准才能复工复产。

本发明具有如下有益效果：

1、本发明方法基于现场实际测量结果、钻孔电视资料和地表监测结果，综合考虑影响三维空间充填效果的影响因素，建立三维空间充填开采评价函数，通过计算各影响因素的权重及其隶属度，叠加后得到三维空间的充填开采评价结果，该充填开采评价结果更加符合三维空间充填后的实际情况，参照性强、可信度高，具有较强的实际应用价值。

2、本发明方法从充填体、工作面围岩以及地面三个方面对三维空间的充填效果进行综合评价，充分考虑了多种因素对三维空间充填效果的影响，实现了对三维空间充填效果的准确评价，为充填开采的安全生产提供了有效的判断依据，有利于复杂地质条件下矿产的高效开发和安全开采。

附图说明

图1为三维空间充填效果评价参数影响因素的示意图。

具体实施方式

下面结合附图和某碳酸岩区块例井为例，对本发明的具体实施方式做进一步说明：

以采煤作业后的充填采煤工作面为例，采用本发明提出的一种基于综合指数法的三维空间充填效果评价方法，如图1所示，具体包括以下步骤：

步骤1，选取充填体充填质量、覆岩运动程度和地表变形特征作为三维空间充填效果评价参数，根据采煤工作面三维空间充填稳定后的现场实际测量结果、钻孔电视资料和地表监测结果，确定充填体充填质量、覆岩运动程度和地表变形特征。

步骤2，根据获得的充填体充填质量、覆岩运动程度和地表变形特征，分别确定影响充填体充填质量、覆岩运动程度和地表变形特征的影响因素。

结合现场实际测量结果、钻孔电视资料和地表监测结果，分别对充填体充填质量、覆岩运动程度和地表变形特征的影响因素进行分析，如图1所示，得到充填体充填质量受等价采厚、充填结石体的物理力学特征和充填程度的影响，其中，等价采厚受顶板超前下沉量、欠接顶量和充填体压实量的影响，充填结石体的物理力学特征受抗压强度、弹性模量和孔隙度的影响，充填程度受充填体应力、顶底板移近量和巷道两帮移近量的影响；覆岩运动程度受顶板离层裂隙、工作面侧向支承压力和工作面超前支承压力的影响，其中，顶板离层裂隙受空间裂隙相对面积比、顶板岩层裂隙漏失量和顶板岩层相对位移量的影响，工作面侧向支承压力受孔深5m处的侧向支承压力、孔深10m处的侧向支承压力和孔深15m处的侧向支承压力的影响，工作面超前支承压力受距离工作面20m处的工作面超前支承压力、距离工作面40m处的工作面超前支承压力和距离工作面60m处的工作面超前支承压力的影响；地表变形特征的影响因素受地表下沉、地表倾斜变形、地表水平移动、曲率和地表水平变形的影响。

由此可得，三维空间充填效果评价参数的影响因素包括顶板超前下沉量、欠接顶量、充填体压实量、抗压强度、弹性模量、孔隙度、充填体应力、顶底板移近量、巷道两帮移近量、空间裂隙相对面积比、顶板岩层裂隙漏失量、顶板岩层相对位移量、孔深5m处的侧向支承压力、孔深10m处的侧向支承压力、孔深15m处的侧向支承压力、距离工作面20m处的工作面超前支承压力、距离工作面40m处的工作面超前支承压力、距离工作面60m处的工作面超前支承压力、地表下沉、地表倾斜变形、地表水平移动、曲率和地表水平变形。

步骤3，基于综合指数熵权法，结合三维空间充填稳定后的现场实际测量结果，利用公式(1)至公式(3)，分别计算三维空间充填效果评价参数中各影响因素的权重。

计算得到顶板超前下沉量的权重a1＝3％，欠接顶量的权重a2＝3％，充填体压实量的权重a3＝4％；抗压强度的权重b1＝3％，弹性模量的权重b2＝1％，孔隙度的权重b3＝1％；充填体应力的权重c1＝3％、顶底板移近量的权重c2＝4％、巷道两帮移近量的权重c3＝3％；空间裂隙相对面积比的权重d1＝7％、顶板岩层裂隙漏失量的权重d2＝7％、顶板岩层相对位移量的权重d3＝5％；孔深5m处侧向支承压力的权重e1＝1％、孔深10m处侧向支承压力的权重e2＝1％、孔深15m处侧向支承压力的权重e3＝1％；距离工作面20m处工作面超前支承压力的权重f1＝1％、距离工作面40m处工作面超前支承压力的权重f2＝1％、距离工作面60m处工作面超前支承压力的权重f3＝1％；地表下沉的权重g＝15％、地表倾斜变形的权重h＝10％、地表水平移动的权重i＝5％、曲率的权重j＝10％和地表水平变形的权重k＝10％。

由此得到，充填体充填质量的权重为25％，其中，等价采厚的权重为10％，充填结石体的物理力学特征的权重为5％，充填程度的权重为10％；覆岩运动程度的权重为25％，其中，顶板离层裂隙的权重为19％，工作面侧向支承压力的权重为3％，工作面超前支承压力的权重为3％；地表变形特征的权重为50％，其中，地表下沉的权重为15％、地表倾斜变形的权重为10％，地表水平移动的权重为5％，曲率的权重为10％，地表水平变形的权重为10％。

步骤4，根据三维空间充填效果评价参数中各影响因素的权重，构建三维空间充填开采评价函数，具体包括以下步骤：

步骤4.1，构建充填体充填质量评价函数α，如式(5)所示：

α＝α等价+α物理+α充填(5)

其中，

α物理＝(0.03r结石/r煤+0.01e结石/e煤+0.01n结石/n煤)×100％(16)

式中，α等价为等价采厚的隶属度，α物理为充填结石体物理力学特征的隶属度，α充填为充填程度的隶属度；h为开采厚度，单位为m；δh超前为顶板超前下沉量，单位为m；δh欠接为欠接顶量，单位为m；δh压实为充填体压实量，单位为m；r结石为充填结石体的抗压强度，单位为mpa；r煤为煤的抗压强度，单位为mpa；e结石为充填结石体的弹性模量，单位为mpa；n结石为充填结石体的孔隙率；n煤为煤的孔隙率；为监测到的最大应力，单位为mpa；为工作面处的垂直地应力，单位为mpa；δh顶底为顶底板移近量，单位为m；w为巷道宽度，单位为m；δw两帮为巷道两帮移近量，单位为m。

步骤4.2，构建覆岩运动程度评价函数β，如式(9)所示：

β＝β离层+β侧向+β超前(9)

其中，

式中，β离层为顶板离层裂隙的隶属度，βs为空间裂隙相对面积比的隶属度，β侧向为工作面侧向支承压力的隶属度；s钻孔为冒落带和裂隙带内的钻孔表面积，单位为m²；s裂隙为冒落带和裂隙带内的裂隙表面积，单位为m²；vmax为冒落带和裂隙带内的阶段最大漏失量，单位为m³；v平均为冒落带和裂隙带内的阶段平均漏失量，单位为m³；l为冒落带和裂隙带的高度，单位为m；l相对为冒落带和裂隙带内相对位移量之和，单位为m；pmax为最大侧向支承压力，单位为mpa；p5为孔深5m处的侧向支承压力，单位为mpa；p10为孔深10m处的侧向支承压力，单位为mpa；p15为孔深15m处的侧向支承压力，单位为mpa；nmax为最大超前支承压力，单位为mpa；n20为距离采煤工作面20m处的超前支承压力，单位为mpa；n40为距离采煤工作面40m处的超前支承压力，单位为mpa；n60为距离采煤工作面60m处的超前支承压力，单位为mpa。

步骤4.3，构建地表变形特征评价函数γ，如式(13)所示：

式中，hmax为地表最大下沉量，单位为m；h为开采厚度，单位为m；εmax为地表最大水平变形量，单位为m；fmax为地表最大倾斜值。

步骤4.4，基于充填体充填质量评价函数α、覆岩运动程度评价函数β和地表变形特征评价函数γ，构建三维空间充填开采评价函数，如式(14)所示：

θ＝α+β+γ(14)

式中，θ表示充填开采评价结果。

步骤5，根据三维空间充填开采评价函数，计算得到三维空间的充填开采评价结果θ，并根据充填开采评价结果对三维空间的充填效果进行评价。

当0.9≤θ＜1时，三维空间的充填效果评价为优秀；当0.8≤θ＜0.9时，三维空间的充填效果为良好；当0.7≤θ＜0.8时，三维空间的充填效果为一般；当0.6≤θ＜0.7时，三维空间的充填效果为差；当θ＜0.6时，三维空间充填不合格。

当三维空间的充填效果评价为优秀或良好时，三维空间可以正常开采；当三维空间的充填效果评价为一般时，需要对三维空间进行改进，提高部分充填区域的充填质量；当三维空间的充填效果评价为差时，需要对三维空间中的部分生产区域停工改进，在保证工作面能够安全生产的前提下，才能对三维空间复工复产；当三维空间的充填效果评价为不合格时，三维空间中的所有工作区域需要停工停产，通过对三维空间内的所有工作区域进行全面检查，对三维空间进行二次充填，待生产区域围岩稳定后，经相关部门批准后三维空间才能复工复产。

当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。