一种基于全耦合分析的矿区底板断层突水定量评价方法与流程

本发明属于矿山安全技术领域，具体涉及一种基于全耦合分析的矿区底板断层突水定量评价方法。

背景技术：

在地下开采过程中，底板和处于底板围岩中的断层受采动应力重分布的影响会发生应力状态的改变，应力状态改变带来的断层或者底板渗透性的突变，使本身非导水的断层变为导水断层或者使原来导水性低的断层变为强导水断层，这样的导水断层若与底板的含水层相连发生水力联系，便会形成突水通道引发工作面或者巷道突然的突(涌)水事故。

断层引发的突(涌)水是一种严重的煤矿地质灾害，从中国的煤矿开采历史来看，每年各地矿井开采中都发生了大量的地下突水事故，造成了大量的人员伤亡和设备的淹没，给国家的经济造成了巨大的损失。从目前的开采现状来看，随着我国矿井开采深度的逐年增大，矿井水文地质条件将会更加复杂，开采对围岩的扰动作用将会越来越大，今后我国矿井开采中发生水灾的可能性只会越来越大。因此，在开采前对矿井的突水可能性进行准确的定量评价将显得越发重要。

目前，国内针对矿井突水评价的方法众多，最简单直接的突水指数法，以层次分析法为基础的脆弱性指数法，基于神经网络模型、模糊数学分析、地理信息系统技术建立起来的很多其他的评价方法等。总体来看，目前矿井突水评价方法虽然众多，但这些方法基本都是将底板或者顶板视为一个整体对象来进行构建的，单独的以断层为对象构建矿井底板突水风险评价的方法目前还没有。另外，这些方法在进行突水评价模型构建的时候，把每个主控因素都考虑为独立的个体，并没有考虑到各个主控因素之间的相互作用和相互影响，这是不合理的，构建出来的评价模型并不能准确的评价矿区突水危险性的真实水平。

技术实现要素：

针对目前矿井底板突水风险评价模型中存在的问题，本发明的目的在于提供一种全新的基于全耦合分析的矿区底板断层突水评价方法，它具有将底板断层突水危险性定量化，直观化形象化的特点。

为了达到上述目的，本发明提供以下技术方案：一种基于全耦合分析的矿区底板断层突水定量评价方法，包括以下步骤：

(1)根据煤层底板断层突水的一级主控因素：底板含水层水力特性、底板隔水层阻水能力、煤层赋存条件、地质断层分布复杂性及开采扰动强度，提取对应的矿井底板断层采动突水二级主控因素；

(2)依据步骤(1)中所提取出的二级主控因素构建对应的相互作用矩阵，利用构建的相互作用矩阵对提取的各二级主控因素进行全耦合分析；

(3)依据全耦合分析中各主控因素的相互作用强度对相互作用矩阵进行数值编码，依据编码结果获得每个二级主控因素的权重；

(4)依据各二级主控因素权重建立矿区局部底板断层突水系数计算方法；

(5)运用离散点插值方法对各局部底板断层突水系数进行样条插值，绘制出整个矿区的底板断层突水风险等值线分布图。

优选的方案，所述步骤(1)中，二级主控因素包括：含水层富水性，含水层水压，隔水层厚度，隔水层岩性，煤层开采深度，断层分布复杂性，含水层充水性质。

优选的方案，所述步骤(2)中，相互作用矩阵的具体构造形式为：各二级主控因素分别列于矩阵的主对角线上，矩阵的非主对角元素表示各个二级主控因素之间的相互影响，矩阵中的行表示该行的主控因素对其对其他主控因素的影响，矩阵中的列表示其他主控因素对该列所对应的主控因素的影响。

优选的方案，所述步骤(2)中，全耦合分析的方式为：分别对任意两个主对角线上的二级主控元素进行一对一相互影响分析，分析两个元素之间是否存在相互作用，相互关联的关系。

优选的方案，所述步骤(3)中，矩阵的编码方式采用半专家定量编码方法，编码规则如下：

a.如果两个主控因素之间不存在相互影响，编码为0；

b.如果两个主控因素之间存在弱相互影响，编码为1；

c.如果两个主控因素之间存在中等程度相互影响，编码为2；

d.如果两个主控因素之间存在强相互影响，编码为3；

e.如果两个主控因素之间存在关键性决定性的相互影响，编码为4。

优选的方案，所述步骤(3)中，二级主控因素的权重获得方式为：首先将每个主控元素在矩阵中所在的行和列的编码值相加，相加的结果越大说明该主控因素对其他主控因素或被其他主控因素影响的程度越大，该主控因素就越重要，权重越大。

优选的方案，所述步骤(4)中，局部矿区突水系数的计算方法为：首先根据中国各矿区整体的水文地质条件，岩层岩性，开采深度，煤层赋存条件等对各二级主控因素进行分级，在此基础上对实际所评价矿区的各二级主控因素进行对照评级，将对照评级结果与各主控因素的权重相乘便获得对应的突水系数。

本发明所提出的基于全耦合分析的矿区底板断层突水定量评价方法具有以下优点：

1)本发明提出的模型在不仅考虑了含水层富水性，充水性，采动应力扰动强度，煤层底板阻水性，同时也考虑了断层分布的复杂性，更真实客观的反应了矿山水文地质环境的复杂性。

2)本发明在进行评价建模的过程中摒弃了过去的方法中把每个主控因素独立考虑的做法，提出了通过相互作用矩阵编码的方式来反映主控因素之间的相互作用关系，每个主控因素的权重是以其与其他主控因素相互作用的强度来得出的，所以更客观的反应了每个主控因素在突水模型中的作用。

3)本发明构建的模型最终可以得到整个矿区断层突水危险性分布的等值线图，能够直观形象地对矿区的突水危险性进行分区。

附图说明

图1为本发明一种基于全耦合分析的矿区底板断层突水定量评价方法的流程图。

图2为本实施例中构建的相互作用矩阵及对应的全耦合分析。

图3为本实施例中的底板断层突水风险等值线分布图。

具体实施方式

下面结合具体实施例和附图对本发明进行进一步说明：

下面以某矿区为例，采用本发明一种基于全耦合分析的矿区底板断层突水定量评价方法，如图1所示，包括以下步骤：

步骤一、依据所评价矿区的水文地质条件，煤层赋存条件，底板岩性和断层分布情况为基础，选取出对应的七个二级主控因素，分别编号为p1-p7：含水层富水性(p1)，含水层水压(p2)，隔水层厚度(p3)，隔水层岩性(p4)，煤层开采深度(p5)，断层分布复杂性(p6)，含水层充水性质(p7)；

步骤二、由步骤一提取出来的七个二级主控因素(p1-p7)为基础构建相互作用矩阵，利用构建的相互作用矩阵对提取的各二级主控因素进行全耦合分析，构建的相互作用矩阵及对应的全耦合分析见图2；

步骤三、依据全耦合分析中各主控因素的相互作用强度对相互作用矩阵进行数值编码，本实施例中使用半专家数值编码方法，编码规则为：如果两个主控因素之间不存在相互影响，编码为0；如果两个主控因素之间存在弱相互影响，编码为1；如果两个主控因素之间存在中等程度相互影响，编码为2；如果两个主控因素之间存在强相互影响，编码为3；如果两个主控因素之间存在关键性决定性的相互影响，编码为4(具体的数值编码见表1)；

表1底板断层突水相互作用矩阵半专家法数值编码

依据编码结果获得每个二级主控因素的权重，具体的计算公式如下：

式(1)中wi表示所计算的第i个主控因素权重，ci表示第i个主控因素对其他主控因素的影响，ei表示其他主控因素对第i个主控因素的影响；

另外，在具体计算突水指数的过程中需要将权重进行归一化处理，归一化处理公式如下：

式(2)中si表示归一化后的因素权重，本式中的分母代表二级主控因素的分级级数，主控因素具体的分级情况见表2，本实施例中七个主控因素的权值计算结果见表3；

表2二级主控因素分级表

表3各二级主控因素权值计算

步骤四、依据本实施例矿区具体的水文地质条件，岩层岩性，开采深度，煤层赋存条件等对各二级主控因素进行对照评级(参照表2中的二级主控因素分级表进行对照评级)，并将对照评级结果与各主控因素的权重相乘便获得对应的突水系数，表4所示为本实施例中对矿区所选12个水文地质钻孔的对照评级结果和突水系数计算结果；

表4矿区水文地质钻孔的对照评级结果和突水系数计算结果

步骤五、运用离散点插值方法对各局部底板断层突水系数进行样条插值，绘制出整个矿区的底板断层突水风险等值线分布图，本实施例中的断层突水风险等值线分布图见图3。

以上列举的应用实例只对本发明做具体说明，通过实施例对本发明进行具体描述，实施例只用于对本发明进行进一步说明，而不是对本发明保护范围的限定，该领域的技术人员可以根据本发明做出一些非本质的改进和调整。