一种煤层底板突水危险性评价方法
【技术领域】
[0001] 本发明提供一种煤层底板突水的评价方法，尤其涉及一种煤层底板突水危险性评 价方法。
【背景技术】
[0002] 矿井突水灾害预防一直是我国煤矿安全的重大研宄课题，煤层底板突水是煤矿突 水事故的主要形式，合理科学的评价煤层底板突水是保证煤矿安全生产的重要前提。
[0003] 多年来，许多学者对煤层底板突水的评价方法做了大量的研宄，提出了许多比较 可行理论，如"多源信息融合法"、"脆弱性指数法"、"偏最小二乘回归法"等。
[0004] 但是，这些评价方法存在诸多方面的不足，主要表现为：一是，对煤层底板突水影 响因素的影响程度的定量分析、评价较少；二是，底板突水评价结果不直观；更为重要的 是，上述方法均不能实现对煤层底板突水事前较为准确的预测和评价，或多或少地均存在 可靠性偏低的缺陷或不足。
[0005] 如何进行科学准确的煤层底板突水风险性评估，并且将这种风险性评估结果量 化，更加形象、直观地表现出来，为煤矿安全生产提供可靠的指导，已经成为本领域技术人 员一直渴望解决的技术问题。
【发明内容】
[0006] 本发明的目的是，提供一种煤层底板突水危险性评价方法，其具有底板突水影响 因素指标定量化、底板突水区域的形象、直观的技术特点。
[0007] 本发明为实现上述目的所采用的技术方案是，一种煤层底板突水危险性评价方 法，其特征在于，包括以下步骤：
[0008] 第一步，进行指标分级，分级原则如下：将地质构造、水文地质条件、底板隔水层和 开采条件确定为一级指标；
[0009] 然后，将上述4项一级指标细分为17项二级指标，具体为：
[0010] 将地质构造分为3项二级指标，分别为：断裂导水性、断裂密度和裂隙发育程度；
[0011] 将水文地质条件分为5项二级指标，分别为：含水层富水性、承压水水压、岩溶发 育程度、强水源补给程度和承压水导升高度；
[0012] 将底板隔水层分为3项二级指标，分别为：有效隔水层厚度、隔水层完整性和隔水 层岩性组合；
[0013] 将开采条件分为6项二级指标，分别为：工作面斜长，推进速度、开采厚度、开采深 度、煤层倾角和采空区处理方式；
[0014] 第二步，获取上述17项二级指标的基础数据；
[0015] 第三步，对上述17项二级指标的基础数据进行R、S型主成分综合分析，步骤如下： 先进行R型主成分分析，然后进行S型主成分分析；
[0016] 最后，取R型和S型主成分分析的各指标的权重的算数平均值作为综合主成分分 析值并进行大小排序，取排序的前6项，即获得6项主控因素及其权重；
[0017] 第四步，根据确定出的6项主控因素及其权重，进行底板突水危险性评估，评估方 法按如下的突水危险性评估运算公式进行运算， η
[0018] p = Yj^rxi >
[0019] 上式中：
[0020] P表示底板突水危险值；
[0021] ai(其中，i = 1~6)表示第i个主控因素的权重；
[0022] Xi (其中，i = 1~6)表示第i个主控因素归一化后的值；
[0023] 第五步，依据GIS空间分析法分别建立上述的6项主控因素专题图，具体方法如 下：将矿井巷道布置CAD图导入GIS中，在GIS中选择所需研宄的工作面，再将调查的主控 因素的各基础数据导入GIS中，得到该6项主控因素专题图；
[0024] 第六步，将上述6项主控因素专题图按照上述突水危险性评估运算公式进行图层 叠加，从中直观看出底板突水危险性的高低区域，得到底板突水危险性分布图，并依据所得 到的底板突水危险性分布图判断煤层底板突水的危险区域，完成煤层底板突水危险性评 价。
[0025] 上述技术方案直接带来的技术效果是，通过主成分分析法与GIS空间分析法相结 合，进行煤层底板突水危险性评价，一方面，可以更加形象直观地反映出煤层底板突水的危 险性区域和等级，便于开采过程中事先预防、处理；另一方面，可以简化危险性评价过程。为 更好地理解这一点，现简要说明如下：
[0026] 1、由于煤层底板突水机理的复杂性及其过程的非线性动力性，所以影响底板突水 因素众多。而变量太多，将增加煤层底板突水危险性分析的难度和复杂性。
[0027] 上述技术方案通过运用主成分分析法，从众多影响因素中筛选出主控因素，并且 根据突水危险性评估运算公式将各基础数据将主控因素定量化（得到底板突水危险值）， 从而较好地实现了煤层底板突水由传统的定性评价转化为定量评价。
[0028] 2、结合GIS空间分析法，依据GIS研宄范围，再将调查的主控因素的各基础数据导 入GIS中，得到各项主控因素专题图，从而可以形象、直观地凸显煤层底板突水危险性的高 低区域，藉此确定底板突水危险性区域，进而对煤矿安全生产和防治水工作起到可靠的指 导作用。
[0029] 优选为，上述的17项二级指标的基础数据的R、S型主成分综合分析是按如下步骤 进行的：
[0030] (I)R型主成分分析：先将基础数据转化为标准化数据，求数据的相关矩阵，进而 求相关矩阵的特征根和特征向量；
[0031] 然后，用标准化数据与各个特征向量相乘求得各个指标因素的权重；
[0032] (2)S型主成分分析：先将基础数据转换为中心化数据，求数据的协方差矩阵，进 而求协方差矩阵的特征根和特征向量；
[0033] 再用所得到的中心化数据与各个特征向量相乘，得到各指标因素的权重；
[0034] (3)综合主成分分析：
[0035] 取R型和S型主成分分析所得到的各指标的权重的算术平均值作为综合主成分分 析值，并进行大小排序，从而获得主控因素。
[0036] 该优选技术方案直接带来的技术效果是，主成分分析法是一种多元统计分析方 法，主要起降维和简化数据结构的作用。其中，R型分析是指从原数据的相关矩阵R出发的 主成分分析；S型分析是指从原数据的协方差矩阵S出发的主成分分析。R型和S型主成分 分析因为矩阵的不同，两种分析方法计算结果有一定差异，很难区分哪一种方法相对更加 合理，但如果两种方法结合起来研宄确定煤层底板突水主控因素及其权重值，其结果将更 具有合理性和说服力，最终可以得到底板突水危险性分布图，从该图中直观看出底板突水 危险性的高低区域，从而判断煤层底板突水的危险区域。
[0037] 进一步优选，上述17项二级指标的基础数据是按如下方法获取的：
[0038] 断裂密度、承压水水压、承压水导升高度、有效隔水层厚度、工作面斜长，推进速 度，开采厚度，开采深度和煤层倾角共9项二级指标的基础数据是通过实地勘探得到的；
[0039] 断裂导水性、裂隙发育程度、含水层富水性、岩溶发育程度、强水源补给程度、隔水 层完整性、隔水层岩性组合和采空区处理方式，共8项二级指标基础数据，是从矿井近三年 的原始统计数据中，分别取各自对应项的加权平均值得到的。
[0040] 该优选技术方案直接带来的技术效果是，将实地勘探与原始统计数据相结合，一 是有效利用矿井近三年的原始统计