回风巷老空水突水LR型脆弱性指数预测_周禹良.pdf

青青年年论论坛坛 回风巷老空水突水 LR 型脆弱性指数预测 周禹良1， 2，袁东锋1， 2，贺文1， 2 1. 天地科技股份有限公司 建井研究院，北京 100013; 2. 北京中煤矿山工程有限公司，北京 100013 ［ 摘 要］为了对碾子沟煤矿 1301 回风巷老空水突水危险性进行评估，构建了煤巷老空水突水 LR 型脆弱性指数预测模型。基于罗吉斯回归基本原理并利用样本数据，得到了脆弱性指数与老空水 突水主控因素之间的回归方程。运用突水 LR 型脆弱性指数预测模型对 1301 回风巷老空水突水危险进 行预测，得到了突水脆弱性指数沿回风巷长度方向的变化情况，取突水危险阈值为 0. 5，得到回风巷 存在两段突水危险区，为回风巷安全掘进提供参考。 ［ 关键词］老空水; LR 型脆弱性指数; 突水预测 ［ 中图分类号］ TD745. 21［ 文献标识码］ A［ 文章编号］ 1006- 6225 2016 01- 0108- 03 Forecast of Goaf Water Inrush with LR Type Vulnerability Index in Return- air Roadway ZHOU Yu- liang 1， 2，YUAN Dong- feng1， 2，HE Wen1， 2 1. Institute of Mine Construction，Tiandi Science ＆ Technology Co. ，Ltd. ，Beijing 100013，China; 2. Beijing Zhongmei Mine Engineering Co. ，Ltd. ，100013，China Abstract In order to uate inrush risk of goaf water of 1301 return- air roadway in Nianzigou coal mine，LR type vulnerability index forecast model was proposed for goaf water inrush. A regression equation about vulnerable index‘din’and main control factors of goaf water inrush was put forward on basis of regression principle and sample data，then predicted the inrush risk of goaf water in 1301 re- turn- air roadway with LR type vulnerability index model，the results illustrated that the distribution of inrush vulnerability index that a- long the length direction of return- air roadway，and the maximal value of inrush possibility was 0. 5，two dangerous zones of goaf water inrush existed in return- air roadway，the studying results referenced for return- air roadway safety driving. Keywords goaf water; LR type vulnerable index; water inrush forecast ［ 收稿日期］ 2015 －06 －30［ DOI］ 10. 13532/j. cnki. cn11 －3677/td. 2016. 01. 029 ［ 基金项目］ 中国煤炭科工集团有限公司青年基金项目 3013QN009 ; 天地科技股份有限公司技术创新基金 KJ －2014 － BJZM －03 ［ 作者简介］ 周禹良 1989 － ，男，四川巴中人，硕士研究生，主要从事煤矿注浆堵水与加固的研究工作。 ［ 引用格式］ 周禹良，袁东锋，贺文 . 回风巷老空水突水 LR 型脆弱性指数预测 ［ J］ ． 煤矿开采，2016，21 1 108 －110. 我国煤矿大多数老空水水害事故发生在回采巷 道掘进工作面 ［1 ］。老空水突水具有来势凶猛、破 坏性强的特点，其水体形状极不规则、静储量常常 较大 ［2 ］。对于年代久远的老空积水区常常因缺乏 准确资料而分布不清，加上不断推进的采掘工作面 与老空水体的空间关系错综复杂，当矿井采掘工作 面接近或揭露老空水水体时，常常引发较大事故。 因此，防止回采巷道掘进工作面老空水水害是煤矿 防治水工作的重点，开展掘进工作面老空水突水预 测技术的研究具有重大的工程价值和现实意义。 当前关于煤矿水害评估与预测方面的研究较 多，如模糊数学法 ［3 ］、人工神经网络法［4 －5 ］、“三 图 － 双预测”法 ［6 ］、“五图 － 双系数”法［7 －8 ］以及 脆弱性指数法 ［9 －11 ］等。但以上研究均是针对煤矿 顶底板水害而进行的，针对回采巷道老空水水害预 测研究还较为缺乏。本文将脆弱性指数法的基本思 想应用于煤矿回采巷道老空水预测，建立了老空水 突水危险 LR 型脆弱性指数预测模型，并将该模型 应用于碾子沟煤矿 1301 工作面回风巷老空水水害 评估。 1煤巷老空水突水主控因素 煤巷老空水突水影响因素体系如图 1 所示，主 要包括 4 个方面，每个主因素包含若干子因素，不 同因素对掘进工作面老空水突水的贡献大小不一。 老空水突水是受到多种因素影响下的非线性动力过 程，通过对我国多年来的大量煤矿掘进巷道老空水 突水案例进行分析总结，从煤巷老空水突水影响因 素体系中提取 5 个突水主控因素老空积水高度、 有效隔水煤柱厚度、有效隔水煤柱强度、埋深、巷 道宽度，分别记作 xi i 1，，5 。 2煤巷老空水突水 LR 型脆弱性指数预测模型 2. 1罗吉斯回归模型 罗吉斯回归 Logistic regression，LR用于因 变量只能取两值的情况 如是与否、有效与无效 801 第 21 卷 第 1 期 总第 128 期 2016 年 2 月 煤矿开采 COAL MINING TECHNOLOGY Vol. 21No. 1 Series No. 128 February2016 图1煤巷老空水突水影响因素体系及主控因素 的回归问题中 ［12 ］。建立回归模型时，首先运用 Logit 变换将因变量转化为目标概率值，然后再进 行回归分析 ［13 －14 ］，LR 模型的表达式为［12 ］ ln p 1 － p α Xβ ε 1 式中，p 为目标事件发生的概率;α 为模型截距; β 为待估计参数; ε 为误差; X 为解释变量。 从式 1可以看出，LR 模型建立了事件发 生的概率和解释变量之间的关系。 2. 2老空水突水 LR 型脆弱性指数法预测模型 为了应用罗吉斯回归建立煤矿回采巷道掘进工 作面老空水突水脆弱性指数法预测模型，设老空水 突水脆性指数 Iv等于煤矿回采巷道掘砌过程中老空 水突水的概率 p，则突水的概率 p 与未突水的概率 1 － p 之比为优势 Odds 。 Odds p 1 － p p － 1 1 1 － p 1 1 － p － 1 2 考虑突水主控因素，对 ln Odds引入类似 多元线性回归的表达式，得到 ln Odds ln p 1 － p b0 b1x1 b5x5 3 式中，b0为截距; bi为系数; xi为突水主控因素，i 1，，5。 通过样本数据，利用罗吉斯回归得到系数 bi的 估计值 b i，从而待预测块段老空水突水危险脆弱 性指数 Iv可表示为 Iv p 1 1 exp － b 0 b 1x1 b 5x5 [] 4 3预测模型的 SPSS 实现 3. 1煤巷老空水突水案例基本资料 根据 中国煤矿水害防治技术 ［1 ］和国家安全 生产监督管理总局透水事故查询网站 ［15 ］，共收集 2006 －2014 年全国煤矿重特大老空水水害案例 36 起。由于部分老空水突水案例发生在回采工作面， 同时一些较早的突水事故调查报告难以收集，最终 可供使用的案例资料仅有 23 个。 3. 2样本 SPSS 的 LR 结果 统计软件 SPSS 广泛应用于数据管理、统计分 析、图表分析、输出管理等领域 ［16 ］。SPSS for Win- dows 是一个组合式软件包，其集数据录入、整理、 分析功能于一身。利用该软件对案例资料进行罗吉 斯回归，从而得到各主控因素的权重估计值，回归 数据如表 1 所示。 表 1老空水突水危险 LR 型脆弱性预测模型 SPSS 回归结果 回归系 数 bi 标准误 差 S. E. Wald 卡 方值 检验概率 值 Sig. 常量－20. 655524. 30420. 7220. 042 水头高度5. 52294. 64741. 4120. 023 煤柱厚度－16. 063413. 37421. 4440. 023 煤柱强度－5. 25314. 57001. 3210. 025 埋深0. 03830. 03860. 9860. 032 跨度2. 95973. 44080. 7400. 039 根据表 1 回归结果，可建立以下线性关系 ln Odds － 20. 6555 5. 5229x1－ 16. 0634x2 － 5. 2531x3 0. 0383x4 2. 9597x5 5 将式 5代入式 4 得到煤矿回采巷道老 空水突水危险脆弱性指数 Iv的预测公式为 Iv 1/ 1 exp［－ － 20. 6555 5. 5229x1－ 16. 0634x2－ 5. 2531x3 0. 0383x4 2. 9597x5 {} ］ 6 4工程实践 4. 1碾子沟煤矿工程概况 碾子沟煤矿存在 20 世纪 90 年代炮采形成的小 窑老空区，同时与邻矿开采界限不清。根据原设 计，首采工作面布置紧靠保护煤柱边界线，走向北 北东，如图 2 所示。在矿井筹建过程中，工业广场 发生了 2 次大规模地面塌陷。经勘探，发现工业广 场下伏早期房柱式开采遗留的采空区。副斜井施工 过程中在斜长 414 ～554m 直接揭露老空区，在 634 ～554m穿越采空区裂缝带，这两段均出现较大涌 水，水色浑浊，挂红现象显著，为明显的老空水特 征。根据以上情况推测 1301 回风巷及切眼很可能 受老空水水害威胁。补充勘探圈定 1301 回风巷北 侧存在 2 个异常区，因此对回风巷进行老空水突水 危险性预测十分必要。 4. 21301 回风巷突水主控因素 根据补充勘探资料得到积水区边界两端水头， 假设积水水头按线性分布，有效隔水煤岩柱厚度为 老空水体与回采巷道的距离减去实体煤破坏深度和 901 周禹良等 回风巷老空水突水 LR 型脆弱性指数预测2016 年第 1 期 图 2碾子沟煤矿 1301 采面位置 巷道开掘破坏深度。回采巷道受老空积水区威胁部 分为回风巷 135 ～ 535m 段。如图 3 所示，为了进 行老空水突水危险脆弱性指数预测，将该段沿其长 度方向划分为 47 个块段，每个块段长 10m，各个 块段老空水体与回风巷的距离及水头高度为该块段 上的均值。老空积水区侧煤壁破坏深度取理论计算 与数值模拟最大值，为 11m。回风巷围岩破坏深度 取理论计算与数值模拟最大值，为 3. 1m。 图 3回风巷北侧老空水积水情况 4. 31301 回风巷突水危险 LR 型脆弱性指数预测 结果 考虑老空积水区侧和巷道开掘侧围岩破坏深度 后，每个块段所对应的老空水突水主控因素 老 空积水高度、有效隔水煤柱厚度、有效隔水煤柱强 度、埋深、巷道宽度对应取值记为 xi。将 xi输入 公式 6 ，得到各个块段对应的老空水突水危险 LR 型脆弱性指数。沿回风巷长度方向 LR 型脆弱 性指数的变化如图 4 所示。 图41301 工作面老空水突水危险 LR 型脆弱性指数预测结果 脆弱性指数越大，突水可能性越大。取突水危 险阈值 Iv为 0. 5［10 －11 ］，则可以看出回风巷存在两 处老空水突水危险区，分别位于回风巷长度 165 ～ 285m 和 455 ～475m 范围内。 5结论 1建立了 LR 型脆弱性指数预测模型，该模 型考虑了煤巷老空水突水 5 个主控因素 老空积水 高度、有效隔水煤柱厚度、有效隔水煤柱强度、埋 深、巷道宽度。脆弱性指数越大，突水可能性越 大。 2利用 SPSS 软件，由样本资料得到了 LR 型脆弱性指数与主控因素之间的非线性回归公式， 该公式能够较好地描述各因素对突水的非线性影 响。 3运用预测模型得到了 1301 回风巷老空水 突水脆弱性指数沿巷道长度方向的变化曲线，取危 险性阈值为 0. 5，根据预测结果回风巷存在两个老 空水突水危险区，分别位于回风巷 165 ～ 285m 和 455 ～474m 范围内。 ［ 参考文献］ ［ 1］ 国家煤矿安全监察局 . 中国煤矿水害防治技术 ［M］ ．徐州 中国矿业大学出版社，2011. ［ 2］ 曹思华 . 远距离超前探放老空水 ［J］．煤矿开采，2007，12 4 68 －69. ［ 3］ 李加祥 . 用模糊数学预测煤层底板的突水 ［J］． 山东矿业学 院学报，1990，9 1 5 －10. ［ 4］ 王连国，宋扬 . 煤层底板突水组合人工神经网络预测 ［J］． 岩土工程学报，2001，23 4 502 －505. ［ 5］ 姜成志，张绍兵 . 建立在神经网络基础上的煤矿突水预测模 型 ［ J］ ． 黑龙江科技学院学报，2006，16 1 8 －11. ［ 6］ 武强，黄晓玲，董东林，等 . 评价煤层顶板涌 突 水条件 的“三图双预测法”［ J］ ． 煤炭学报，2000，25 1 60 － 65. ［ 7］ 易伟欣 . 五图 － 双系数法在煤矿突水评价中的应用 ［J］．河 南理工大学学报 自然科学版 ，2013，32 5 556 －560. ［ 8］ 国家安全生产监督管理总局，国家煤矿安全监察局 . 煤矿防 治水规定 ［ M］ ． 北京 煤炭工业出版社，2009. ［ 9］ 武强，王金华，刘东海，等 . 煤层底板突水评价的新型实 用方法Ⅳ 基于 GIS 的 AHP 型脆弱性指数法应用 ［J］． 煤炭 学报，2009，34 2 233 －238. ［ 10］ 武强，张志龙，张生元，等 . 煤层底板突水评价的新型实 用方法 Ⅱ 脆弱性指数法 ［J］ ．煤炭学报，2007，32 11 1121 －1126. ［ 11］ 李建林，张洪云，王心义，等 . 脆弱性指数法在煤层底板突 水预测中的应用与建议 ［J］ ．煤炭学报，2014，39 4 725 －730. 下转 79 页 011 总第 128 期煤矿开采2016 年第 1 期 5非开采影响因素分析 该区房屋均为多户、低层民用建筑物，基础埋 深仅局限于地表表土层，地基土的含水量主要取决 于大气降水或地表生活用水的补充，局部地基土含 水量的变化使地基土的密实度发生变化，可使地基 土局部出现不均匀沉降，对房屋的上部结构构成不 利影响。施工时大面积的混凝土不留缝分段浇筑， 也可能引起前、后浇筑时接缝处出现裂缝。对于一 般现浇屋面，砂浆找平层会出现裂缝，通常在 5 ～ 6 年均会出现渗漏现象。在房屋屋顶养花、种草、 建造水池等，如没有特殊的防水、防渗及局部的结 构措施，不仅会增加房屋的局部载荷、而且也恶化 了一般混凝土材料的使用环境，也可使楼面出现裂 缝、渗漏等现象; 窗户过大或者窗洞过梁断面高度 较小，也易使窗户产生弯曲变形等。 6结束语 通过上述分析可知，煤矿开采和井下爆破未波 及到村庄房屋，开采不对该区域的房屋造成破坏影 响。煤矿 1131 工作面采动后导水裂缝带上方有厚 层隔水层，波及不到冲积含水层。采动和疏排水对 居民房屋区域地表水未造成影响。村庄房屋损坏特 征不符合采动损害影响特征，与煤矿开采、煤矿疏 排水和爆破无直接因果关系。 ［ 参考文献］ ［ 1］ 中华人民共和国国务院 . 国家中长期科学和技术发展规划纲 要 20062020 年［ Z］． 2006. 2. ［ 2］ 张华兴 . 煤矿开采损害的评价与防护 ［J］．煤矿开采，2015， 20 3 1 －2，20. ［ 3］ 国家煤炭工业局 . 建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设 与压煤开采规程 ［ M］ ． 北京 煤炭工业出版社，2000. ［ 4］ 何国清，杨伦，凌赓娣，等 . 矿山开采沉陷学 ［M］ ． 徐 州 中国矿业大学出版社，1991. ［ 5］ 国家标准局 . 爆破安全规程 GB 6722 －2011［M］ ．北 京 中国标准出版社，2011. ［责任编辑 李青 檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿 ］ 上接 92 页 采相对于下行开采，能够显著降低二层煤的危险 性。 ［ 参考文献］ ［ 1］ 潘一山，李忠华，章梦涛 . 我国冲击地压分布、类型、机理 及防治研究 ［J］ ．岩石力学与工程学报，2003，22 11 1844 －1851. ［ 2］ 汪理全，李中颃 . 煤层 群上行开采技术 ［M］ ．北京煤 炭工业出版社，1995. ［ 3］ 刘天泉 . 用垮落法上行开采的可能性 ［J］ ．煤炭学报，1981， 3 1 18 －28. ［ 4］ 张宏伟，韩军，海立鑫，等 . 近距煤层群上行开采技术研 究 ［J］． 采矿与安全工程学报，2013，30 1 63 －67. ［ 5］ 尚志伟，孙喜庆，刘延飞 . 反程序开采方式的探讨 ［J］ ．煤 炭技术，2002，21 11 27 －29. ［ 6］ 蒋金泉，孙春江，尹增德，等 . 深井高应力难采煤层上行卸 压开采的研究与实践 ［ J］． 煤炭学报，2004，29 1 1 －6. ［ 7］ 夏均民，张开智 . 冲击倾向性理论在工程实践中的应用 ［J］ ． 矿山压力与顶板管理，2003 4 97 －100. ［ 8］ 杜计平，汪理全 . 煤矿特殊开采方法 ［M］ ． 徐州 中国矿业 大学出版社，2003. ［ 9］ 孙中辉，王怀新，刘瑞举 . 深井近距离倾斜煤层上行开采技 术探讨 ［ J］ ． 矿山压力与顶板管理，2002 3 70 －71，74. ［ 10］ 姜耀东，王涛，陈涛，等 . “两硬”条件正断层影响下 的冲击地压发生规律研究 ［ J］ ． 岩石力学与工程学报，2013， 32 2 3712 －3718. ［ 11］ 姜福兴，杨淑华，成云海，等 . 煤矿冲击地压的微地震监测 研究 ［ J］． 地球物理学报，2006，49 5 1511 －1516. ［ 12］ 张东，成云海，胡兆锋，等 . 基于微地震监测的华丰煤矿 深孔爆破防冲技术 ［J］ ．中国安全科学学报，2012，22 11 126 －131. ［ 13］ 王平，姜福兴，王存文，等 . 冲击地压的应力增量预报方 法 ［ J］ ． 煤炭学报，2010，35 S1 5 －9. ［ 14］ 赵阳升，梁纯升，刘成丹 . 钻屑法测量围岩压力的探索 ［J］ ． 岩土工程学报，1987，9 2 104 －110. ［ 15］ 陈峰，潘一山，李忠华，等 . 利用钻屑法对卸压钻孔措施 效果的分析评价 ［J］ . 岩土工程学报，2013，35 S2 266 －270. ［ 15］ 陈峰，潘一山，李忠华，等 . 基于钻屑法的冲击地压危险 性检测研究 ［J］ . 中国地质灾害与防治学报，2013，24 2 116 －119.［责任编辑 潘俊锋 檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿 ］ 上接 110 页 ［ 12］ 王济川 . logistic 回归模型 方法与应用 ［M］ ．北京高等 教育出版社，2001. ［ 13］ Pradhan B. 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