一种用于深井底板突水风险程度的判别方法

摘要

本发明公开了一种深井底板突水风险程度的判别方法，属于矿山安全分析领域。其首先采集影响底板突水的多个主控因素，然后根据主控因素权重选择评价指标，确定评价指标的隶属度函数，再结合实际矿井突水情况，选择底板风险程度明显的案例，并对其样本数据做归一化处理，运用MATLAB程序对案例进行分类，构建底板突水危险程度案列数据库；最后输入待测底板危险程度的评价指标数据来确定待测底板的突水危险等级。本发明方法可以对多个主控因素进行评价，为提高深井开采的安全性提供了技术支持。

说明书

技术领域

本发明属于矿山安全分析领域，具体涉及一种用于深井底板突水风险程度的判别方法。

背景技术

煤层底板突水是一个比较复杂的过程，是人为采掘工程活动导致煤层围岩体应力场能量释放、煤层底板隔水岩体破坏、矿井局部充水水文地质条件突变的一种岩体失稳现象。目前，深井底板突水风险程度的安全评价方法一般从数理统计、水力学、模糊数学、灰色理论、神经网络等方面对底板突水危险程度进行评价，但这些方法还不成熟，且多以单一运算为主，不能形成深井底板突水风险案例数据库。

目前现有技术中有关矿井底板突水风险程度判别方法主要有“突水系数法”、“下三带”理论和“下四带理论”，然而，这些底板突水评价还存在以下主要问题：

(1)“下三带”理论和“下四带”理论在采动条件下的矿井底板隔水层破坏情况和实际情况比较吻合，但是由于现场实测费用较高、操作程序较复杂、数据获取较困难，因此没有被现场广泛应用。

(2)“突水系数法”因其物理概念简单，计算方便，因而一直是我国煤层底板突水评价的方法，但此方法仅考虑含水层水压和底板隔水层总厚度两个影响因素，未能体现煤层底板突水受控于多因素影响且具有非常复杂机理的非线性动力现象。

以模糊数学、灰色关联度、神经网络等理论或交叉理论为基础的煤层底板突水评价方法，多以单一运算为主，没有形成底板突水风险案例库，不能将现有的突水案例加以利用，造成资源的浪费。

发明内容

针对上述现有技术中存在的技术问题，本发明提供了一种深井底板突水风险程度的判别方法，该方法可以对多个主控因素进行评价，为提高深井开采的安全性提供了技术支持。

其技术解决方案包括：

一种深井底板突水风险程度的判别方法，依次包括以下步骤：

a采集影响底板突水的多个主控因素数据，所述主控因素包括含水层水压、断层导水性、隔水层厚度、工作面斜长、强水源补给度、开采深度和煤层倾角；

b根据主控因素权重选择几个评价指标，并确定每个评价指标的隶属度函数；

c根据实际矿井突水情况，选取多个底板突水危险程度明显的样本数据，运用MATLAB模糊C-均值综合分析法对其进行分类，将底板突水危险程度分为不突水、一般突水和严重突水三类，其中，MATLAB模糊C-均值综合分析法计算方法如下：

c₁初始化：取模糊加权指数m＝2，聚类的类别数C(2≤C≤n)，n为数据样本点的个数，迭代停止阈值ε，初始的聚类中心值P⁽⁰⁾,以及迭代次数l＝0；

c₂计算由隶属度的值所组成的划分矩阵U^(l)；

对于任意的i,k，如果d_ik^(l)>0,则

${\mu }_{ik}=\frac{1}{\underset{j=1}{\overset{c}{\Sigma }}{\left(\frac{d_{ik}}{d_{jk}}\right)}^{\frac{2}{m-1}}}$

对于任意的i,r，如果d_ik^(l)＝0，则

μ_ir^(l)＝1,且j≠r时，μ_ij^(l)＝0；

c₃更新聚类中心值：

$P_j^{(j+1)}=\frac{\underset{k=1}{\overset{n}{\Sigma }}{\left({{\mu }_{ik}}^m\right)}^{(l+1)}{x}_k}{\underset{k=1}{\overset{n}{\Sigma }}{\left({{\mu }_{ik}}^m\right)}^{l+1}}$

c₄若||P^l+1-P^l||<ε，则算法停止，否则转到步骤c₂；

d根据步骤c的分类情况，将得到的数据存入底板突水危险程度案例数据库；

e将待测底板危险状况的评价指标数据输入到数据库中，运用步骤c所述的MATLAB模糊C-均值综合分析法计算，根据所述底板突水危险程度案例数据即可确定底板突水危险情况。

作为本发明的一个优选方案，步骤b中，根据主控因素权重选择4个评价指标。

作为本发明的另一个优选方案，步骤c中，选取6个底板突水危险程度明显的样本数据。

本发明所带来的有益技术效果：

本发明提供的一种用于深井底板突水风险程度的判别方法，对多个主控因素确定，根据主控因素的重要度选取评价指标，对实际突水风险情况明显的矿井进行分类，根据分类情况构建底板突水风险程度数据库，将待评价矿井底板突水评价指标输入数据库，确定矿井底板突水风险级别，进而为提高深井开采的安全性提供技术支持。

附图说明

下面结合附图对本发明做进一步说明：

图1为本发明判别方法的流程图。

具体实施方式

本发明提出了一种用于深井底板突水风险程度的判别方法，为了使本发明的优点、技术方案更加清楚、明确，下面结合具体实施例对本发明做详细说明。

实施例1：

用于深井底板突水风险程度的判别方法，如图1所示的，包括以下步骤：

步骤一、采集影响底板突水的多个主控因素数据，分别包括：水文地质条件、导水构造状态、底板隔水层状态、开采状态和深井状态；

步骤二、根据专家打分方式，计算分析各因素的权重大小，选择等4个因素作为此次底板突水危险程度的评价指标；

步骤三、根据专家打分计算各因素的权重大小，含水层水压0.24、隔水层厚度0.20、断层导水性0.16、工作面斜长0.14、强水源补给度0.10、开采深度0.09、煤层倾角0.07，重要度程度顺序如下：含水层水压>隔水层厚度>断层导水性>工作面斜长>强水源补给度>开采深度>煤层倾角，选择含水层水压、隔水层厚度、断层导水性、工作面斜长等4个主控因素作为此次底板突水危险程度的评价指标；

步骤四、上述含水层水压、隔水层厚度、断层导水性、工作面斜长这4个评价指标的隶属度函数分别为：

隔水层厚度的隶属度函数为：

$A_1=\left(\begin{array}{cc}1& h\le 10m\\ 1-\frac{h}{120}& 10m<h\le 120m\\ 0& h>120m\end{array}\right)$

上式中，h—底板隔水层厚度；

含水层水压的隶属度函数为：

$A_2=\left(\begin{array}{cc}0& j\le 2MPa\\ \frac{p-2}{8}& 2MPa<j\le 10MPa\\ 1& 10MPa<j\end{array}\right)$

上式中，j—底板含水层水压；

工作面斜长的隶属度函数为：

$A_3=\left(\begin{array}{cc}0& k\le 50m\\ \frac{k-50}{120}& 50m<k\le 170m\\ 1& 170m<k\end{array}\right)$

上式中，k—工作面斜长；

步骤五、选取现实中6个底板突水危险程度明显的样本数据，运用MATLAB模糊C-均值综合分析法对其进行分类，将底板突水危险程度分为不突水、一般突水和严重突水三类；

上述6个底板突水危险程度明显的样本数据如表1所示：

表1底板突水样本数据

6个底板突水危险程度明显的样本数据归一化处理后的数据如表2所示：

表2底板突水归一化处理数据

上述MATLAB模糊C-均值综合分析法的程序语言为：

[center,U,obj_fcn]＝fcm(x,3)；

maxU＝max(U)；

index1＝find(U(1,:)＝＝maxU)

index2＝find(U(2,:)＝＝maxU)

index3＝find(U(3,:)＝＝maxU)。

计算方法如下：

第一步、初始化：取模糊加权指数m＝2，聚类的类别数C(2≤C≤n)，n为数据样本点的个数，迭代停止阈值ε，初始的聚类中心值P⁽⁰⁾,以及迭代次数l＝0；

第二步、计算由隶属度的值所组成的划分矩阵U^(l)；

对于任意的i,k，如果d_ik^(l)>0,则

${\mu }_{ik}=\frac{1}{\underset{j=1}{\overset{c}{\Sigma }}{\left(\frac{d_{ik}}{d_{jk}}\right)}^{\frac{2}{m-1}}}$

对于任意的i,r，如果d_ik^(l)＝0，则

μ_ir^(l)＝1,且j≠r时，μ_ij^(l)＝0；

第三步、更新聚类中心值：

$P_j^{(j+1)}=\frac{\underset{k=1}{\overset{n}{\Sigma }}{\left({{\mu }_{ik}}^m\right)}^{(l+1)}{x}_k}{\underset{k=1}{\overset{n}{\Sigma }}{\left({{\mu }_{ik}}^m\right)}^{l+1}}$

第四步、若||P^l+1-P^l||<ε，则算法停止，否则转到第二步；

根据上述MATLAB运行结果并结合矿井实际突水情况得出，样本5和样本6为不突水，样本3和样本4为一般突水，样本1和样本2为严重突水。

步骤六、根据分类情况，将6个底板突水危险案例构建成底板突水危险程度数据库。

步骤七、将待测底板危险状况的评价指标数据输入到数据库中，运用MATLAB模糊C-均值综合分析法，确定底板突水危险情况。

上述步骤七中MATLAB模糊C-均值综合分析法的程序语言为：

e＝ones(3,1)*x1；

f＝(center-e)'

ff＝sum(f.^2)；

[min1,index]＝min(ff)；

disp(['此底板危险的类别为',num2str(index),'类'])

计算方法与步骤五相同。

检测结果：待测样本的数据是含水层水压7MPa，断层导水性0.5，隔水层厚度30m，工作面斜长110m，将待测样本底板数据输入数据库中，得出此样本底板突水情况为一般突水。

实施例2：

与实施例1不同之处在于：步骤五中选取现实中9个底板突水危险程度明显的样本数据，9个底板突水危险程度明显的样本数据如表3所示，后续的归一化处理方法等与实施例1类似。

表3底板突水样本数据

需要说明的是，本发明所例举的多个主控因素不仅仅局限于含水层水压、断层导水性、隔水层厚度、工作面斜长、强水源补给度、开采深度和煤层倾角，在本说明书的教导下本领域技术人员所做出的任何等同方式，或明显变型方式均应在本发明的保护范围内。