用突水概率指数法预测采场底板突水.pdf

中国矿业大学学报990 50 8 中国矿业大学学报 JO U RNA L O F CH I NA U NI VERSI T Y O F M I NI NG 2 according to the contribution of each factor to water inrush, the weight is given by using probability and statistics or expert experience; then the mathematics model to calculate the probability index of water inrush is established; 3 with the model, the probability index of water inrush of various cases is calculated; 4 on the basis of probability and statistics, the possibility and degree of water inrush of any probability index is predicted. Key words probability index of water inrush, forecast, mining floor 采场底板突水预测预报方法的研究一直是承压水上采煤的重大课题. 6 0 ，7 0 年代，我国水文地质 工作者利用“突水系数”预测底板是否突水；8 0 年代，人们根据“下三带”理论预测底板是否突 水；90 年代，计算机在煤矿底板突水预测中的应用研究广泛开展，如模糊数学法、神经网络法、地 理信息系统和多源信息复合处理法等. 尽管“突水系数”法众多缺陷早已被人们所认识，而且8 0 ，90 年代研究的各种预测采场底板突水的方法明显地优越于“突水系数”法，但是，“突水系数”法迄 今在煤矿水害预测中广泛流行. 究其原因，除了传统习惯势力外，更重要的是该方法简单实用. “下三 带”的概念比较符合煤层采动条件下底板隔水层破坏的实际状况，与应用突水系数作为突水依据相 比有了明显的改进，对底板预测和开采安全性论证、编制开采安全规程、选择适合带压开采的采煤 方法及工作面尺寸等都具有很大的实用价值. 但是，这一方法仍不能清楚地表明各种影响因数与突水 之间的关系，加之测试工作复杂，费用昂贵、数据获取困难，使其在各种不同条件下广泛应用于底 板突水预测受到了限制. 90 年代借助于计算机研究的各种预测采场底板突水的方法除了不成熟外，其 f i l e / / / E| / q k / z g k y d x x b / z g k y 99/ z g k y 990 5/ 990 50 8 . h t m （第 1／5 页）2 0 10 -3-2 3 15 58 13 中国矿业大学学报990 50 8 现场可操作性不强，所以应用也不普遍［1］. 突水概率指数法是一种结合现场实际来预测采场底板突水的一种新方法，它不仅考虑多种因素 对突水的综合影响，而且能够反映研究区的突水规律. 经过计算机程序化后，现场可操作性强，且十 分方便. 然而，应用该方法的前提条件是对研究区的地层、构造及水文特征要有足够的认识和研 究；还要有大量的突水资料. 1 突水概率指数法的基本思路 突水概率指数是指应用赋权的方法，将影响底板突水的各种因素在底板突水中所起的作用进行 定量化，通过一定的数学模型求得的总体量化指数即为突水概率指数. 求突水概率指数的基本步骤为 1 通过大量的突水资料分析，找出导致煤矿底板突水的主要因素，如含水层的富水性、地质构 造发育情况等. 2 找出主要因素的次级影响因素，如影响地质构造发育情况的次级影响因素有断层、褶皱等. 3 找出次级影响因素的基本影响因素, 如断层落差、倾角等. 如果进一步细化，则依次类推. 4 通过突水资料的分类统计求出各种影响因素的概率指数. 例如，以突水通道形式来划分，在 10 0 个突水案例中，有6 0 个是由于断层引起的，有40 个是由于裂隙引起的，则在计算构造概率指数 时，如果是由断层和裂隙两大因素构成，则断层在构造概率指数计算中所占的权重为0 . 6 6 0 ，即 断层指数为0 . 6 ；裂隙在构造概率指数计算中所占的权重为0 . 4 40 ，即裂隙指数为0 . 4. 对于无法通过 突水资料的分类统计求出概率指数的某影响因素，其概率指数由专家打分给定. 例如，含水层的富水 性现场分为强、较强、较弱、弱，专家结合现场经验，给出对应的概率指数为1，0 . 8 ，0 . 6 ，0 . 4. 值得 注意是，应尽量通过突水资料的分类统计求出各种影响因素的概率指数. 5 建立求突水概率指数的数学模型，最简单的是用赋权求和模型. 6 将所有的突水案例带入所建立的数学模型，求各案例的突水概率指数，以案例最小的突水概率指数作为 预测是否会发生突水的标准. 7 根据案例的突水概率指数的统计，求出各种情况下的某突水程度发生的概率. 2 应用实例 结合肥城煤田底板突水实例，具体体会一下突水概率指数法. 肥城煤田受奥灰岩溶水水害威胁十分严重，自 196 5 年开采太原组煤层以来，发生底板突水2 0 0 余次，突水资料十分丰富，长期的生产实践、科研及大放水工 程，对该煤田的地层组合、地质构造及水文地质特征有了较为清楚的认识，具有应用突水概率指数法预测该煤 田底板突水的基础. 以下是求该煤田突水概率指数的流程. 2 . 1 突水概率指数 突水概率各指数如下所示 E PWW PSS PRR PPP PGG . 0 . 5，0 . 3，0 . 1，0 . 0 5，0 . 0 5分别为权重PW，PS，PR，PP，PG的数值，由专家给出. 它们反映了影响肥城煤田底板 突水的主要因素含水层的富水性、煤田构造、底板隔水层、水压及矿山压力在底板突水中所起的作用大小. 1 构造指数 f i l e / / / E| / q k / z g k y d x x b / z g k y 99/ z g k y 990 5/ 990 50 8 . h t m （第 2 ／5 页）2 0 10 -3-2 3 15 58 13 中国矿业大学学报990 50 8 S PFF PJJ ， F p h h p n n p c c p r r ， J p o o p g g ， PF，PJ以及正、逆、多条、单条、 7 0 ， 7 0 的指数由突水案例给出；h ， n ，c ，r ，o ，g 以及级别划分指数由专 家给出. 2 富水性指数 级别划分指数由专家给出. 3 隔水层指数 t ，b ，d 以及其他指数根据资料分析给出. 4 水压指数 f i l e / / / E| / q k / z g k y d x x b / z g k y 99/ z g k y 990 5/ 990 50 8 . h t m （第 3／5 页）2 0 10 -3-2 3 15 58 13 中国矿业大学学报990 50 8 级别划分根据案例分析给出. 5 矿压指数 d ，f 等指数由案例分析给出. 2 . 2 程序框图 通过编程求出所有突水案例的突水概率指数，其程序图如图1所示 图1 突水概率指数和谐框图 Fi g . 1 Fl o w c h a r t o f p r o g r a m f o r w a t e r b u r s t p r o b a b i l i t y 根据该程序计算结果得出0 . 7 2 是肥城煤田矿井发生突水的最小突水概率指数，且当突水概率指数大于0 . 8 时，大、中型的突水概率为7 5，其预报准确率为91％. 实践证明，这一方法在肥城煤田底板突水预测预报中简 单易行，准确率较高. 3 讨 论 利用突水概率指数预测煤矿底板突水的准确性及可靠性受到两个重要因素影响一是影响底板突水的各种 因素，二是计算突水概率指数的数学模型. 不同区域的煤田影响底板突水的因素是不一样的，即使一样，各种因素在不同的煤田中所占的权重也不会 f i l e / / / E| / q k / z g k y d x x b / z g k y 99/ z g k y 990 5/ 990 50 8 . h t m （第 4／5 页）2 0 10 -3-2 3 15 58 13 中国矿业大学学报990 50 8 一样. 例如，在构造简单的煤田，构造因素在底板突水中所起的作用有可能不如矿山压力因素所起的作用大，则 前者在突水概率指数计算中所占的权重就不如后者. 此外，影响某一突水因素的次级参数的选择，必须具体问题具体分析. 例如，在本例中，在考虑隔水层的厚 度参数时，之所以取18 m 为厚度权重1. 0 和0 . 4的界线，是因为在该煤田下组煤 10 2煤层 隔水底板的平均厚度为 18 m ，而该煤田的防治水工作主要是针对下组煤的开采进行的. 计算突水概率指数的数学模型在不同的煤田其表达方式不一定相同，甚至同一个煤田不同的水文地质单元 也不一样. 一个计算突水概率指数的数学模型的最终确定，必须经过多次调整和验证. 所建立的计算突水概率指 数的数学模型是否合理的判断方法是将现有的突水案例带入数学模型，检查所得的结果与实际是否相符. 例 如，在肥城煤田当突水概率指数大于0 . 8 时，突水量为大、中型突水的概率为7 5，如果这一预报的准确率还不 到50 ，则反映计算突水概率指数的数学模型不合理，需要修改. 因此，在某个具体煤田得出的预报底板是否突水的突水概率指数判断值并不具有普遍的意义. 但是，作为一 种方法，利用突水概率指数法预测预报底板突水却具有普遍意义. 4 结 论 1 突水概率指数法既不是纯粹的概率统计法，也不是完全的专家经验法，它是一种集两者为一体的、既不 失其理论基础、也符合现场实际的新方法. 2 计算具体某一煤矿突水概率指数所需的参数虽然较多，但易获取，因此，实用性较强，特别形成应用软 件后，运算变得十分便捷. 3 该方法在肥城煤田底板突水预测预报中运用比较成功，然而，要使该方法进一步完善，还需做更深入的 工作. 在工作中得到了肥城矿业集团的于树春副总工程师及王则才、张希诚、尹万才等工程师的热情支持和帮 助，在此向他们致谢. *国家自然科学基金资助项目（597 7 40 0 1） 第一作者简介 施龙青，男，196 4年生，博士研究生，副教授 作者单位施龙青 韩 进 宋 扬（山东矿业学院矿山压力研究所 山东泰安 2 7 10 19） 张伯平 泰安市广播电视发射台 山东泰安 2 7 10 0 0 ） 张希平 卜昌森 肥城矿业集团 山东肥城 2 7 16 0 0 参 考 文 献 1 王永红，沈 文．中国煤矿水害预防及治理．北京煤炭工业出版社，1996 . 2 52 ～2 53 收稿日期1999-12 -2 9 f i l e / / / E| / q k / z g k y d x x b / z g k y 99/ z g k y 990 5/ 990 50 8 . h t m （第 5／5 页）2 0 10 -3-2 3 15 58 13