一种贯通型断层突水危险性量化评价方法

技术领域

本发明涉及矿井水害防治技术领域，特别是一种贯通型断层突水危险性量化评价方法。

背景技术

导致煤层底板突水的关键性因素即为断层构造突水，断层的存在有时破坏地层完整性，甚至会使开采煤层与含水层对接，增大突水风险。并且断层还起到联通作用，是潜在的天然充水通道。随着上组煤炭资源的开采殆尽，许多矿区开始了对下组煤的采掘，其不仅面临采空区积水等水害问题，还需应对高承压奥灰水的威胁。从以往底板突水事故原因分析，煤层底板突水事故大多数与断层等构造存在直接关联。尤其贯通型断层在峰峰矿区地质结构中普遍存在，此类断层底板易受采动影响，导致断层活化引发承压水沿断层活化带上升，一旦诱发下组煤失稳破坏，将打破岩溶水系统平衡，引起地表水与地下水流失。尤其是复杂地质构造条件下不同断层组合类型突水机理复杂。

因此，研究并揭示贯通型断层底板突水机理，对其进行相关突水危险性评价具有非常重要的实际意义和能源战略意义。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种贯通型断层突水危险性量化评价方法。

为达到上述目的，本发明是按照以下技术方案实施的：

一种贯通型断层突水危险性量化评价方法，包括以下步骤：

S1、基于灰色关联度理论，以水文地质条件、开采条件、断层条件为评价准则；选取含水层富水性与承压水水压为水文地质条件；断层落差、倾角作为断层条件；煤层厚度、煤层倾角、工作面尺寸、开采埋深、底板破坏带深度作为开采条件，以该9项指标为决策因素；依据行业规范将贯通型断层突水危险性划分为：高危险(I)、相对危险(II)、安全(III)、相对安全(IV)共4个等级；

S2、依据层次分析法，以贯通型断层带突水危险性评价为目标层；开采条件、断层条件等为准则层，各决策因素为决策层，构建层次结构模型，并计算出各指标权重；

S3、对各指标采用均值化进行无量纲处理，以三项评价准则的各指标权重为参考序列，以三项评价准则的等级标准为比较序列，计算三项评价准则指标的关联系数；

S4、结合AHP层次分析法确定的各权重指标和三项评价准则指标的关联系数，计算三项评价准则指标的灰色加权关联度，以计算出的灰色加权关联度大小建立评价对象关联序列，依据最大关联度法则，关联度越大，与等级关联程度越好，据此判定出评价贯通型断层的突水危险性等级。

进一步地，所述步骤S1中，行业规范将贯通型断层突水危险性划分如下：

进一步地，所述步骤S3中无量纲处理的计算公式为：

式中：x(k)-待评价样本无量纲化值；x

得到各指标的矩阵如下：

进一步地，所述步骤S3中，三项评价准则指标的关联系数的计算公式如下：

式中：ξ(k)-对应最优指标关联系数；ρ-分辨系数，值越小分辨力越大，以往研究结果表明：ρ小于等于0.5463时，分辨力最佳。

进一步地，所述步骤S4中，三项评价准则指标的灰色加权关联度的计算公式如下：

式中：w

与现有技术相比，本发明以灰色关联度确定指标关联性，采用层次分析法确定各主控因素权重，两种方法的互补结合有效处理了各因素之间的不确定性关系；形成了“预测评价-定量评级-模拟实验与分析”的贯通型断层突水危险性三级辨识，揭示了贯通型断层突水模式特征与机理；当工作面回采至断层时，可用于微观定量评价断层带发生突水危险性。

附图说明

图1为本发明实施例构建的层次结构模型图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步的详细说明。此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定发明。

本实施例以辛安矿F55-1断层为例，走向59°，倾角75°，落差120m，临近工作面为112124掘进工作面，工作面长度110～125m，煤层平均厚度4.5m，煤层倾角15°，煤层埋深317m。该工作面接触贯通型断层带指标参数如表1所示。

表1

针对上述辛安矿F55-1断层，本实施例提供了一种贯通型断层突水危险性量化评价方法，包括以下步骤：

(1)基于灰色关联度理论，以水文地质条件、开采条件、断层条件为评价准则；选取含水层富水性与承压水水压为水文地质条件；断层落差、倾角作为断层条件；煤层厚度、煤层倾角、工作面尺寸、开采埋深、底板破坏带深度作为开采条件，以该9项指标为决策因素；依据行业规范将贯通型断层突水危险性划分为：高危险(I)、相对危险(II)、安全(III)、相对安全(IV)共4个等级，如表2所示。

表2

(2)依据层次分析法，以贯通型断层带突水危险性评价为目标层；开采条件、断层条件等为准则层，各决策因素为决策层，构建层次结构模型如图1所示，层次分析法的打分标准是依照1～5标度方法，形成专家对各影响因素的评判集，由此构建辛安矿煤层底板岩溶水突水层次分析法判断矩阵。各层权值计算如表3所示，包含检验指标与判断矩阵一致性，是层次模型合理与否的依据。

表3

判断矩阵中，Cl与CR值皆小于0.1，判断矩阵可通过一致性检验，从而可计算出各指标权重，如表4所示。

表4

(3)对各指标采用均值化进行无量纲处理得到如表5的结果，无量纲处理的计算公式为：

式中：x(k)-待评价样本无量纲化值；x

表5

以表5所示的三项评价准则的各指标权重为参考序列，以表2所示的三项评价准则的等级标准为比较序列，计算三项评价准则指标的关联系数，三项评价准则指标的关联系数的计算公式如下：

式中：ξ(k)-对应最优指标关联系数；ρ-分辨系数，值越小分辨力越大，以往研究结果表明：ρ小于等于0.5463时，分辨力最佳；三项评价准则指标及关联系数表示如下：

(4)结合AHP层次分析法确定的各权重指标和三项评价准则指标的关联系数，计算三项评价准则指标的灰色加权关联度，三项评价准则指标的灰色加权关联度的计算公式如下：

式中：w

通过计算得到：r

r

r

说明断层条件危险等级为II级，开采条件危险等级为IV级。

所得该贯通型断层带突水危险性等级关联度为：

综合评价结果最大关联度r

综上所述，本发明以灰色关联度确定指标关联性，采用层次分析法确定各主控因素权重，两种方法的互补结合有效处理了各因素之间的不确定性关系；形成了“预测评价-定量评级-模拟实验与分析”的贯通型断层突水危险性三级辨识，揭示了贯通型断层突水模式特征与机理；当工作面回采至断层时，可用于微观定量评价断层带发生突水危险性。

本发明的技术方案不限于上述具体实施例的限制，凡是根据本发明的技术方案做出的技术变形，均落入本发明的保护范围之内。