煤層底板突水危險性的地質評價理論與方法

　　4煤層底板突水危險性的地質評價理論與方法

　　4.1引言

　　礦井突水的危險性評價是礦井水害防治的重要基礎和依據。早在20世紀初，國內外學者注意到礦井突水與地質條件的關係，認識到隔水層岩性和厚度及斷裂分布與突水之間的關係，目前的礦井突水危險性評價隻能達到定性的程度，還不能對礦井突水危險性進行定量評價和預測，如何定量評價礦井突水危險性，關鍵是對突水地質因素的定量評價與預測。本課題針對礦井突水地質條件，從礦井突水的水源、通道和介質條件出發，提出了隔水介質條件的非均質性、斷裂構造和地下水賦存條件等因素的分類、分級及其表征參數和量化分析，為礦井突水地質條件評價與預測理論的建立奠定基礎。

　　煤層底板突水危險性評價問題，是一個由多因素影響的具有非確定性的模糊綜合評價問題。關於這方麵，自從美國係統論專家查德教授提出模糊集(Zadeh，1965)概念以來，各國學者對此產生了極大的興趣。我國於70年代中期在氣象、醫學、心理學等學科開始了這方麵的研究工作。而用於地質領域的研究始於80年代初期，首先在找礦、岩石分類等方麵取得了成功的經驗。應用模糊數學理論對煤層底板突水危險性評價也取得了良好的效果，且不斷趨於完善。故本次工作選用模糊綜合評判作為煤層底板突水危險性評價的數學模型。力求為煤層底板突水危險性評價提供科學依據。

　　4.2礦井突水控製因素的分類、分級

　　礦井突水控製因素的分類、分級即反映礦井突水地質條件的複雜性類型。它是針對生產礦井技術管理的特點和需要，按礦井突水地質條件和綜合複雜程度把井田或采區內每一可采煤層逐次分成若幹個塊段，對井田或采區內的塊段所劃分的類別，並認為在同一個塊段內部，其礦井突水地質條件基本相同，屬於同一個等級。其目的在於從地質角度劃分出危險和安全的塊段，促進礦井生產的科學管理和宏觀調控。它是生產部門製定采掘規劃，安排各類采麵接替，選擇采掘方法，考核各項技術經濟指標的重要依據;同時也是地質部門明確地質工作要求，合理配備人員和設備，評定地質工作的數量和質量的重要準則。

　　4.2.1含水層性質及補給條件分類

　　根據《礦井水文地質規程》，從礦井水文地質條件、井巷充水及其相互關係出發，根據含水層性質及補給條件，包括受采掘破壞或影響的含水層性質、富水性、補給條件，單井年平均湧水量和最大湧水量、開采受水害影響程度和防治水工作難易程度等，把含水層性質及補給條件分為四類(如表4-1)。

　　表4-1 含水層性質及補給條件分類表

　　4.2.2 斷裂構造複雜程度分類

　　根據斷裂構造發育程度和工程規模將隔水層劃分為完整結構、塊裂結構、碎裂結構和鬆散結構四類(表4-2)。

　　4.2.3 隔水介質條件分類

　　在水文地質中一般將鑽孔單位湧水量小於0.001L/s.m的岩層視為隔水層。隔水層的阻水性能主要取決於隔水介質條件，包括隔水層的岩性和厚度特征。對於煤係沉積岩石，隔水層岩性主要有泥岩、粉砂岩和砂岩。

　　由於受沉積環境的控製，隔水層岩性在垂向上旋回變化，不同岩性的岩層作有規律的組合，稱層組岩體(簡稱岩體)，因此隔水層岩體力學性質及其穩定性，並不是由一層岩性所能代表的，而是多層岩性的組合。

　　隔水層岩性、厚度及其組合，既能通過礦山壓力分布，又能通過岩體強度來影響突水危險性。從岩性角度，可將隔水層岩性分為泥岩為主型、砂岩為主型和砂泥岩複合型。在隔水性能方麵泥岩為主型表現為塑性，隔水性能好，從泥岩封蓋能力的實驗分析表明，平均滲透率為0.089×10-3,平均孔隙度為1.97%，平均突破壓力為20.6MPa，平均擴散係數為1.33×10-5，說朋該區泥岩具有較強的封蓋能力。砂岩為主型表現為脆性，隔水性能較差;而砂泥岩複合型處於兩者之間。岩性不同則隔水性能不同。

　　表4-2 隔水層結構分類依據及其力學特征

　　岩體結構類型 斷裂

　　發育程度 結構體特 征 斷裂麵

　　特征 地質構造

　　特征 岩體變形

　　破壞特征 力學模型 隔水性能

　　完整結構 結構麵不發育，1～2組，規則，結構麵間距2m，RQD為75%～100%，或值為0.75～1.0

　　巨塊狀，結構體尺寸大於或相當於工程尺寸 無或偶見III、IV級和V級結構麵，結構麵閉合，粗糙無充填 地質構造變動小(輕微)，節理不發育，斷裂構造複雜程度為Ⅰ類 脆性破壞和剪切破壞，少量沿沉積結構麵分離 連續介質 隔水性能好

　　塊裂結構 結構麵較發育，2～3組，呈X型，較規則，結構麵間距1～2m，RQD為50%～75%，或值為 0.50～0.75 大塊狀，結構體尺寸小於工程尺寸，但屬於同一量級 II、III級結構麵為主，IV、V級不太發育，至少有一組軟弱結構麵，張開，粗糙，有充填 地質構造變動較大(較重)，位於斷層或褶曲軸的鄰近地段，可有小斷層，節理較發育，斷裂構造複雜程度為II類 壓縮變形量大，沿弱麵剪切破壞 非連續介質 隔水性能取決於斷裂結構麵封閉性

　　碎裂結構 結構麵發育，3～5組，不規則，呈X型或米字型，結構麵間距0.1～1m，RQD為25%～50%，或 值為 0.25～0.50 碎塊狀，結構體尺寸遠小於工程尺寸，屬於次一量級 II、III、IV、V級結構麵都存在，且IV、V級發育，結構麵張開或閉合，光滑不一 地質構造變動強烈(嚴重)，位於褶曲軸部或斷層影響帶內，軟岩多見扭曲拖拉現象，小斷層，節理發育，斷裂構造複雜程度為III類 壓縮變形量大，整體強度低，岩體塑性變形強，時間效應明顯，沿弱麵剪切破壞和塑性破壞 似連續介質 地下水作用較強烈，隔水性能較差

　　鬆散結構 結構麵很發育，5組以上，雜亂，結構麵間距 0.1m,RQD為0～25%，或值為0～0.25 碎屑狀和顆粒狀 斷層破碎帶內岩體或采動冒落帶岩體，裂隙密集，無序塊狀夾泥，呈鬆散狀 地質構造變動很強烈，位於斷層破壞帶內，岩體破碎呈塊狀，碎石角粒狀，有的甚至粉末泥土狀，節理很發育，斷裂構造複雜程度為IV類 壓縮變形量大，時間效應明顯，似土狀，結構體張破壞和滾動，主要表現為塑性破壞 鬆散連續介質 地下水作用更為強烈，隔水性能極差

　　注： RQD—岩石質量指標。是根據鑽孔岩芯完整程度判斷岩石質量和岩體完整性的指標，用下式表示：RQD=()×100%，為10cm以上岩芯的累積長度，L為鑽孔全長。

　　Kv—岩體完整性係數。Kv=(為岩體聲波速度，為岩石聲波速度)。

　　對於隔水層組采用泥岩百分比含量(K)來表示隔水岩層岩性特征：

　　K= (4-1)

　　式中 為開采煤層與主要充水含水層之間各泥岩層厚度之和(單位為m);

　　為開采煤層與主要充水含水層之間總厚度。

　　根據K值的大小將隔水岩層岩性分為三類，為泥岩為主型、砂岩為主型和砂泥岩複合型(如表4-3)。

　　表4-3 隔水岩層岩性類型

　　頂板岩體岩性類型 K值(%) 主要岩性 主要岩相

　　泥岩為主型 65 砂泥岩、粉砂質泥岩和煤層 主要為泛濫平原、沼澤相和泥炭沼澤相、瀉湖海灣相沉積等

　　砂泥岩複合型 35～65 粉砂岩、粉砂質泥岩和泥岩 主要為分流間灣、泛濫平原和天然堤相沉積等

　　砂岩為主型 35 砂岩、粉砂岩和石灰岩 主要為分流河道、河口沙壩和決口扇及小型水道相或淺海相沉積等

　　4.2.4突水地質條件危險性評價分類

　　根據突水地質條件，即含水層性質條件、斷裂構造條件和隔水介質條件條件複合後方能確定突水地質條件危險性的等級。

　　將隔水介質條件和斷裂構造條件複合，也就是根據隔水層的岩性和結構特征，將隔水層的隔水性能分為四類(表4-5)。

　　(1)隔水性能好(I)：包括泥岩為主型完整結構、砂泥岩複合型完整結構和泥岩為主型塊裂結構。

　　(2)隔水性能中等(II)：包括泥岩為主型完整結構、砂泥岩複合型塊裂結構和砂岩為主型碎裂結構。

　　(3)隔水性能差(III)：包括泥岩為主型塊裂結構、砂泥岩複合型碎裂結構和泥岩為主型碎裂結構。

　　(4)隔水性能極差(IV)：包括砂岩為主型鬆散結構、砂泥岩複合型鬆散結構和泥岩為主型鬆散結構。

　　表4-5隔水介質條件和斷裂構造條件複合表

　　隔水介質條件

　　斷裂構造條件 泥岩為主型 砂泥岩複合型 砂岩為主型

　　完整結構 Ⅰ Ⅰ II

　　塊裂結構 Ⅰ II III

　　碎裂結構 II III III

　　鬆散結構 Ⅳ Ⅳ Ⅳ

　　然後再與含水層條件複合，複合後構成突水地質條件危險性的等級，並劃分為安全(Ⅰ)、中等安全(II)、安全差(III)和安全極差(Ⅳ)四類，如表4-6所示。

　　安全(Ⅰ)：采掘工程一般不受水害影響;防治水工作簡單。

　　中等安全(II)：采掘工程受水害影響，但不威脅礦井安全生產;防治水工作簡單或易於進行。

　　安全性差(III)：采掘工程、礦井安全受水害威脅;防治水工程量較大，難度較高，防治水的經濟技術效果較差。

　　安全性極差(Ⅳ)：礦井突水頻繁，來勢凶猛，含泥砂率高，采掘工程、礦井安全受水害嚴重威脅;防治水工程量大，難度高，往往難以治本，或防治水的經濟技術效果極差

　　表4-6 突水地質條件危險性評價分類表

　　隔水性能

　　含水層條件

　　隔水性能好(Ⅰ) 隔水性能中等(II) 隔水性能差(III) 隔水性能極差(Ⅳ)

　　簡單 Ⅰ Ⅰ Ⅰ II

　　中等 Ⅰ II III III

　　複雜 II III Ⅳ Ⅳ

　　極複雜 II III Ⅳ Ⅳ

　　4.3 煤層底板突水危險性評價因素

　　由於影響煤層底板突水的地質因素很多，應通過分析突水地質條件，如含水層性質及補給條件、斷裂構造條件、隔水介質條件及其它開采地質條件的各個子因素，組成評價指標係統。由於評價工作是立足於采前的地質勘探資料和煤炭開采過程中的開采資料，因此確定子因素是要考慮其具有：(1)可行性，能從勘探資料確定;(2)代表性，能憑幾個子因素反映實際突水地質條件;(3)獨立性，各子因素基本不會重複影響。

　　根據開灤礦區典型煤層底板突水地質條件，我們提出煤層底板突水因素的表征參數(如表4-7)。

　　表4-7 　礦井突水因素的表征參數

　　第一層次 第二層次 第三層次

　　因素 權重

　　煤層底板突水因素的表征參數(u) 含水層條件(u1) 1/3 直接補給條件(u11)

　　含水層厚度(u12)

　　含水層的導水性(u13)

　　鑽孔單位湧水量(u14)

　　疏水效果(u15)

　　礦井湧水量(u16)

　　斷裂構造條件(u2) 1/3 斷裂的組數(u21)

　　斷裂密度 (u22)

　　最大主曲率(u23)

　　斷裂強度係數 (u24)

　　斷裂結構麵形態(u25)

　　斷裂結構麵的張開度(u26)

　　結構麵充填膠結情況 (u27)

　　岩溶陷落柱(u28)

　　隔水介質條件(u3) 1/3 隔水層厚度(u31)

　　隔水層的分層係數(u32)

　　泥岩百分比含量(u33)

　　水壓與隔水層厚度比(u34)

　　4.3.1含水層性質及補給條件(u1)

　　(1)直接補給條件(u11)

　　直接補給條件是指對井田或斷塊內主要充水含水層的直接補給情況。它影響著礦井湧水量的大小及穩定性，要在詳盡的構造、岩性和人為因素分析的基礎上劃分為：阻水邊界、弱補給邊界、中等補給邊界和強補給邊界。

　　表4-8 直接補給條件分級表

　　參數 分級依據 分級

　　直接補給條件 阻水邊界，斷層稀少 簡單

　　弱補給邊界，斷層較少 中等

　　中等補給邊界，斷層較多 複雜

　　強補給邊界，導水裂隙發育 極複雜

　　(2)含水層厚度(u12)

　　含水層厚度是反映含水層賦存形態和幾何特征指標，含水層富水性與含水層厚度、岩性、斷裂密度及性質等密切相關，一般情況下含水層富水性與含水層厚度呈正相關性。

　　表4-9含水層厚度分級表

　　參數 分級依據/m 分級

　　第四係衝積層含水層 <100 較小

　　100~200 中等

　　200~300 較大

　　≥300 大

　　砂岩裂隙承壓含水層 <20 較小

　　20~40 中等

　　40~60 較大

　　≥60 大

　　灰岩岩溶含水層 <10 較小

　　10~20 中等

　　20~30 較大

　　≥30 大

　　(3)含水層的導水性(u13)

　　含水層的導水性也是反映含水層富水性的一個指標，可用導水係數(T)表示：，

　　(4-5)

　　式中;K為滲透係數,m/d;M為含水層厚度，m

　　表4-10含水層的導水性分級表

　　參數 分級依據 分級

　　含水層的導水性T (m2/d) <30 富水性差

　　30-60 富水性中等

　　60-120 富水性好

　　≥120 富水性極好

　　(4)鑽孔單位湧水量(u14)

　　鑽孔單位湧水量是是評價含水層富水性的指標，以口徑91mm，抽水水位降深10m為準。根據鑽孔單位湧水量的大小劃分含水層的富水性。

　　表4-11 鑽孔單位湧水量分級表

　　參數 分級依據 分級

　　鑽孔單位湧水量q (L/s.m) <0.1 簡單

　　0.1-2.0 中等

　　2.0-10 複雜

　　≥10 極複雜

　　(5)疏水效果(u15)

　　疏水效果指主要向礦井充水含水層的單位壓力的湧水量q(湧水量Q與水壓P的比值);或單位湧水量的水位降低值h(水位降低值S與湧水量Q的比值).

　　表4-12 含水層疏水效果分級表

　　參數 分級依據 分級

　　q:(m3/min.MPa) h:(m/m3.min)

　　疏水效果 <6.8 15 簡單

　　6.8-10.2 10-15 中等

　　10.2-30.6 3.3-10 複雜

　　≥30.6 <3.3 極複雜

　　(6)礦井湧水量(u16)

　　礦井湧水量是指礦井開采過程中，必須疏放的水量，即正常湧水量。

　　表4-13礦井湧水量分級表

　　參數 分級依據 分級

　　礦井湧水量(m3/min) <10 簡單

　　10-30 中等

　　30-60 複雜

　　≥60 極複雜

　　4.3.2斷裂構造條件(u2)

　　(1)斷裂的組數(u21)

　　斷裂的組數是指一定麵積內(統計單元內)的斷裂組數，反映了斷裂的發育密集程度，斷裂組數越多，斷裂構造越複雜，反之越簡單。

　　表4-14斷裂的組數分級表

　　參數 分級依據 分級

　　斷裂的組數(組) <2 簡單

　　2-3 中等

　　3-6 複雜

　　≥6 極複雜

　　(2)斷裂密度 (u22)

　　斷裂密度u23是指單位麵積內斷裂條數，直觀地反映斷裂發育程度，統計時可以按斷裂性質、規模分別計算。表達式為：

　　(4-6)

　　式中：N-斷裂條數，條;

　　S-統計麵積，km2

　　表4-15斷裂密度分級表

　　參數 分級依據 分級

　　斷裂密度(條/ km2) <2 簡單

　　2-8 中等

　　8-12 複雜

　　≥12 極複雜

　　(3)最大主曲率(u23)

　　曲率是反映線或麵彎曲程度的特征量，一般來講，地層在構造應力作用下發生彎曲變形，變形越大，彎曲程度越高，曲率也越大，破裂作用相應增大，因此地層曲率在一定程度上控製了地層斷裂發育程度。根據該原理，通過求取地層主曲率，進而實現評價地層斷裂發育程度及其滲透性的目的。

　　表4-16最大主曲率分級表

　　參數 分級依據 分級

　　最大主曲率K (10-4/m) <0.5 簡單

　　0.5-1.5 中等

　　1.5-2.5 複雜

　　≥2.5 極複雜

　　(4)斷裂強度係數 (u24)

　　斷裂強度指數是單位麵積內所有斷層的落差與長度乘積之和，其綜合反映斷層規模和發育程度。其表達式為：

　　(4-7)

　　式中：Li-斷層水平延展長度，m; Hi-斷層落差，m。

　　如果斷層落差不清的情況下，可采用斷層長度指標，它是指一定麵積內(統計單元內)的斷層長度之和，反映了斷層的發育密集程度，斷層越多越長，斷層構造越複雜，反之越簡單。在工程平麵圖、煤層底板等高線圖上，斷層長度易於測量。

　　(4-8)

　　式中： L------長度之和，km

　　N---------區內的斷層條數，條

　　l----------區內各條斷層的長度，km

　　表4-17 斷裂強度係數分級表

　　參數 分級依據 分級

　　斷裂強度係數 <3 簡單

　　3-7 中等

　　7-13 複雜

　　≥13 極複雜

　　(5)斷裂結構麵形態(u25)

　　結構麵的形態可以用側壁的起伏形態及粗糙度來反映。結構麵側壁的起伏形態分為：平直的、波狀的、鋸齒狀的、台階狀的和不規則狀的。

　　側壁的起伏程度可用起伏角(i)表示。

　　(4-9)

　　式中：h為結構麵起伏的高度(m);L為結構麵起伏的波長(m)。

　　結構麵的粗糙度用粗糙度係JRC(joint roughness coefficient)表示。隨粗糙度的增大，結構麵的摩擦角也增大。根據標準粗糙度剖麵將結構麵的粗糙度係數劃分為10級。

　　(6)斷裂結構麵的張開度(u26)

　　結構麵的張開度是指結構麵兩壁麵間的垂直距離。結構麵兩壁麵一般不是緊密接觸，使結構麵實際接觸麵積減少，導致結構麵粘聚力降低和滲透性增大。

　　表4-18斷裂結構麵的張開度分級表

　　參數 分級依據 分級

　　描述 結構麵張開度(mm)

　　斷裂結構麵的張開度 很緊密 <0.1 閉合的

　　緊密 0.1-0.25

　　部分張開 0.25-0.5 裂開的

　　裂開 0.5-2.5

　　較開的 2.5-5.0

　　中等寬的 5.0-10 張開的

　　寬的 10-50

　　很寬的 50-100

　　極寬的 100-1000 似洞穴的

　　似洞穴的 ≥1000

　　(7)結構麵充填膠結情況 (u27)

　　結構麵膠結後力學性質有所增強，Fe質膠結的強度最高，泥質與易溶鹽類膠結的結構麵強度最低，且抗水性差。未膠結的結構麵，力學性質取決於其充填情況，可分為：薄膜充填、斷續充填、連續充填及厚層充填4類：1)薄膜充填是結構麵兩壁附著一層極薄的礦物膜，厚度多小於1mm，多明顯降低結構麵的強度。2)斷續充填結構麵的力學性質與充填物性質、壁岩性質及結構麵的形態有關。3)連續充填結構麵的力學性質主要取決於充填物性質。4)厚層充填結構麵的力學性質很差，主要取決於充填物性質，岩體往往易於沿這種結構麵滑移而失穩。

　　(8) 岩溶陷落柱(u28)

　　岩溶陷落柱是開采煤層與含水層之間的特殊導水通道，也是最難防治的充水因素。岩溶陷落柱溝通各含水層造成極複雜的水文地質條件，並能直接將奧灰水導入煤係地層給礦井安全造成極大的威脅。

　　以開灤範各莊井田揭露的14個陷落柱情況看，陷落柱內部的充水和導水情況不同，大致可分為三種類型：

　　(1) 全充水型：陷落柱內充填物未被壓實，水力聯係好，溝通了幾個含水層，奧灰水直接導通到陷落柱上部，采掘工程一旦揭露就會發生突水，水量大而穩定，長疏不衰。如一水平北翼運輸大巷所揭露的2#陷落柱，開始揭露湧水量達7.2米3/分鍾，水壓1.76MPa，連續五年湧水量保持在3.0米3/分鍾以上;2171綜采工作麵揭露的9#陷落柱，1984年6月2日發生特大突水，高峰期11小時平均突水量高達2053米3/分鍾，穩定水量300米3/分鍾左右;在208原皮帶巷施工的平7號探水孔於1990年6月25日鑽進到43.12米時揭露10#陷落柱突然湧水，高峰期湧水量為26.68米3/分鍾，至今平7孔湧水量仍穩定在17米3/分鍾左右。2#、9#、10#陷落柱為全充水類型。

　　(2) 邊緣充水型：陷落柱內充填物壓實緊密，風化程度強，柱內水力聯係不好，隻是陷落柱邊緣發育的次生裂隙充水。采掘工程揭露時一般以滴、淋水或湧水為充水形式，湧水量不大，主要疏降煤係含水層水，經過一段時間的疏放，湧水量大幅度減少或疏幹。1#、3#、5#、6#、8#、12#陷落柱為邊緣充水類型。

　　(3) 疏幹型：陷落柱內充填物壓實緊密，風化程度極強，邊緣裂隙水已被疏幹，揭露時有少量滴水、小淋水或無水，采掘工程可以由柱內通過。如2104開拓掌通過4#陷落柱時，柱內充填物壓實緊密，柱內及邊緣裂隙已疏幹無水;2172板層綜采工作麵回采時遇7#陷落柱，柱內無水，采麵直接采過陷落柱。4#、7#、11#陷落柱為疏幹類型。

　　總之，岩溶陷落柱溝通各含水層造成極複雜的水文地質條件，並能直接將奧灰水導入煤係地層給礦井安全造成極大的威脅。從已揭露的陷落柱的情況看，陷落柱的導水程度是不同的。以全充水型陷落柱導水最強，對礦井安全威脅最大。搞清岩溶陷落柱的分布及其導水性是防治水工作的重要任務。

　　4.3.3隔水介質條件(u3)

　　(1)隔水層厚度(u31)

　　在水文地質中一般將鑽孔單位湧水量小於0.001L/s.m的岩層視為隔水層。隔水層的阻水性能不但與岩性有關，還與其厚度相關，隨著隔水層厚度的增加隔水性能增強。

　　(2)隔水層的分層係數(u32)

　　岩層麵本身屬於一種軟弱麵，在煤炭開采過程中，沿層麵易發生破壞，岩層層數越多，其隔水層的整體性就越差，因而易發生剪切破壞。隔水層的分層係數是根據隔水層的分層層數與其厚度的比值，將隔水層的分層層數劃分為單一泥岩層型、單一粉砂岩層(或砂岩層)型、砂泥岩組合型，不同類型具有不同的隔水性能。

　　表4-19隔水層的分層係數分級表

　　參數 分級依據 分級

　　隔水層的分層係數(層/m) 砂泥岩組合≥4 好

　　砂泥岩組合1-3 中等

　　單一泥岩層 較差

　　單一粉砂岩層(或砂岩層) 差

　　(3)泥岩百分比含量(u33)

　　如上所述，對於隔水層組采用泥岩百分比含量(K)來表示隔水岩層岩性特征。

　　表4-20泥岩百分比含量分級表

　　參數 分級依據 分級

　　泥岩百分比含量(%) 65 好

　　35-65 中等

　　35-10 較差

　　10 差

　　(4)水壓與隔水層厚度比(u34)

　　開采煤層承受的水壓與煤層到主要含水層間相對隔水層厚度之比。當水壓與隔水層厚度比值小於突水係數時，可以安全回采，否則應采取防治水措施保證安全生產。

　　我國學者早在1964年就開始了底板突水規律的研究，並在焦作水文會戰中，以煤科總院西安分院為代表，提出了采用突水係數作為預測預報底板突水與否的標準。突水係數就是單位隔水層所能承受的極限水壓值，即：

　　(4-10)

　　式中： Ts—突水係數;P—含水層水壓，MPa;h—隔水層厚度，m。

　　表4-21水壓與隔水層厚度比分級表

　　參數 分級依據 分級

　　水壓與隔水層厚度比(MPa/m) <0.025 安全性好

　　0.025-0.05 安全中等

　　0.05-0.15 有危險

　　≥0.15 極有危險

　　突水係數在數值上相當於“相對隔水層厚度”的倒數。由於最先提出的突水係數法沒有考慮礦壓和岩性組合對底板破壞的影響，70~80年代，煤科院西安分院水文所曾先後兩次對突水係數的表達式進行了修改。在考慮礦壓破壞因素時，從隔水層厚度中減去了礦壓對底板的破壞深度;在考慮岩性組合時，引用了匈牙利學者的“等值隔水層厚度”的概念對公式進行了修正，即：

　　(4-11)

　　式中： hi—隔水層第i分層厚度，m;

　　ai—隔水層第i等效厚度的換算係數;

　　hp—礦壓對底板的破壞深度，m。

　　我國部分礦區根據曆次突水實例的分析得出的臨界突水係數值如表4-22所示。在上述突水係數概念指導下，淄博、肥城、井陘、邯鄲、峰峰、焦作等礦區采用帶壓開采方法采出了大量的煤炭。

　　表4-22 部分礦壓臨界突水係數的經驗值

　　礦區 臨界突水係數值 MPa/.m

　　峰峰 0.066~0.076

　　邯鄲 0.066~0.100

　　焦作 0.060~0.100

　　淄博 0.060~0.140

　　井陘 0.060~0.150

　　由於突水係數物理概念比較確定，公式簡單實用，在煤礦生產實踐中預測煤層底板突水和在一定水壓條件下進行帶壓開采，解放受承壓水威脅的煤炭資源起了積極作用，所以一直沿用至今。但是，由於突水係數僅僅考慮了采動破壞、水壓、岩性等因素的影響，而對作為層狀岩體的煤層底板結構特征、開采麵積、邊界條件等均未作分析。而且臨界突水係數值是已知突水資料的經驗統計值，它主要反映的是近地表的斷層、構造薄弱地帶的突水條件，用它來預測正常塊段和深部開采時的底板突水常常偏於保守。隨著礦井向深部發展，其預測的準確性也越來越低。因而承壓水體上煤炭資源安全開采的預測方法，還有待於進一步發展完善。

　　4.4 煤層底板突水危險性的模糊綜合評價

　　4.4.1模糊綜合評判理論與方法

　　模糊綜合評判的實質是一個模糊變換。假設有兩個論域分別為：因素集，共n個因素;設評語集合(代表等級、分類的集合)為，共m個等級，設第個因素的單因子評判為：，它可以看作是U 上的一個模糊子集。其中，表示第個因素的評判對於第k個等級的隸屬度。n個因素的總的評判矩陣為

　　R= (4-12)

　　在進行綜合評判時，必須要考慮各個因素對評判等級所起作用的大小，這種評判作用就形成了因素集合上的模糊子集A， A=()，其中為對A 的隸屬度，它就是單獨考慮因素對評判等級所起作用大小的度量，代表了根據單因素評判等級的能力，其數值隻有根據經驗判斷給出。

　　給定A、 R 後即可進行綜合評判，這種運算一般寫為如下形式

　　B=AR (4-13)

　　即

　　(4-14)

　　因為我們所討論的問題，基因素和層次的評語和總評語都是一致的，所以不需作任何說明，可以類似的推導出多級模糊綜合評判模型。多級模糊綜合評判的合成過程可用框圖5-1來表示。

　　在模糊合成過程中，采用不同的合成型式，會得出不同的評判結果。因此要注意選擇恰當的合成模型。根據煤層氣賦存地質條件既要考慮主要因素又要綜合考慮各種因素的要求，我們選用了主因素突出型算子模型和加權平均型算子模型，即：

　　(1)　M(· ，)型，表達式為

　　(j=1,2, …,m) (4-15)

　　M(· ，)型，表達式為

　　(j=1,2, …,m) (4-16)

　　式中　——因素重要程度係數;

　　——因素對評語集的隸屬度;

　　——取大運算符號;

　　——環和，取值方法為

　　min{1，} (4-17)

　　圖5-1多級模糊綜合評判合成過程

　　綜合評判的結果得到一個等級模糊子集 B=b1/u1+ b2/u2+ … + bm/um，式中bj為等級uj對B 的隸屬度(j=1，2，…，m)，有幾種利用這個子集的方法。這裏采用的是最大隸屬度判別準則。

　　最大隸屬度判別準則，即取bj(j=1，2，…，m)中最大者，其所對應的級別(構造類別或煤層型別)為最終確定的類型。

　　應用模糊數學的原理和方法，解決煤層氣勘探開發有利區評價問題。其評判方法步驟簡要歸納如下(圖5-2)：

　　(1)確定評價指標，建立因素集，即。因素集是由影響評價煤層氣賦存地質條件的各種因素所組成的一個普通集合，即是說因素本身可以是模糊，也可以非模糊，但它們對因素集的所屬關係則是清楚的。

　　(2)計算每個指標在評價過程中相應的權重係數，構成因素集U上的權重向量

　　為第i個因素在評價中權重

　　權重集A的確定可以通過⑴專家評估法;⑵相關係數法;⑶灰色關聯法等多種方法相互補充、相互驗證確定的。確定的權係數還要用它進行運算，得到評價結果後，於實際開采技術經濟指標進行驗證。如果驗證不滿意，應返回重新選定各項指標權係數。權係數在對不同地區或同一地區不同煤層的評價中，要及時加以調整。

　　(3) 評判對象的選擇和評語集的確定。根據前麵地質等性塊段的劃分，確定評價單元，即對象集　為第j個評價單元，對煤層氣地質條件進行量化。在此基礎上確定每個指標的評語論域，形成評語集，即。評語集是由評判者對煤層氣賦存地質條件作出的各種總的評判結果所組成的集合。綜合評判某一塊段煤層氣賦存地質條件優劣的目的，就是在綜合考慮所有影響因素的基礎上，從評語集中選出一最佳的評判結果，實現煤層氣勘探開發選區評價目的。

　　(4)按確定的評語論域，對每個評價指標相對於每個評語等級作出的評價，構成模糊關係矩陣R=(rij)m×n

　　(5)選擇恰當的模糊合成算子，建立綜合評判的數學模型，求出評價的基本結果;再按最大隸屬度原則和調整原則，得出最終評判結果，確定出每個評價單元或塊段對應的開采地質條件複雜程度。

　　(6)驗證評價結果，若驗證結果不令人滿意，返回步驟，改變權係數和算子類型，重新執行，直至計算結果(指驗證結果)滿意為止(圖5-1)。這樣就可將整個評價過程編成係統軟件，用計算機執行。

　　4.4.2模糊綜合評判分類

　　根據係統分析的方法，要使煤層底板突水危險性評價係統能夠得到一個總體的定量化結果，必須製定相應的評價標準。因此對煤層底板突水因素表征參數的評語集(V)無論是總評語集，還是複合節點評語子集和基因素評語子集均采用多評語, 根據煤層底板突水地質條件危險性程度劃分為安全、中等安全、安全性差(危險)和安全性極差(極危險)四種類別，即：

　　(4-8)

　　其中： v1—安全;

　　v2—中等安全;

　　v3—安全性差(危險);

　　v4—安全性極差(極危險)。

　　根據各煤層底板突水因素的表征參數隸屬度U(ui)值大小劃分出V1 ，V2 ，V3 ， V4，它們的關係是當U(ui)< 0.25時的點歸屬於V4，當0.5>U(ui)≥0.25 時的點歸屬於V3，當0.75>U(ui)≥0.50 時的點歸屬於V2，當U(ui)≥0.75時的點歸屬於V1 。然後，在此基礎上構造出評價對象的評價矩陣R 。即 ：

　　R = r i j =U R ( u I , v j ) (4-19)

　　U R ( u i , v j ) = f N ( v j ) =N vj / N (4-20)

　　式中： N——第i 個因素，第j 個評價對象觀測點總數或評價單元的總麵積;

　　N vj——歸屬於vj 的觀測點個數或評價單元內歸屬於vj的麵積;

　　UR (ui ,vj ) — ui 歸屬於vj 的隸屬度，表明第ui 個評價因素歸屬於vj的頻率。

　　根據各評價單元所取得的bj值，按其隸屬度的大小，將各評價單元礦井突水地質條件危險性分為四種類型。劃分標準如下：

　　a. I類區，即煤層底板突水地質條件危險性程度為安全型，應滿足二個條件，即：

　　0.75 ≤b1 1

　　b4 0.25

　　b. II類區，即煤層底板突水地質條件危險性程度為中等安全型，應滿足二個條件，即：

　　0.5≤b1 0.75

　　b4 0.25

　　當b1滿足要求，但b4 ≥0.25時，則下降一類算作III類算。

　　III 類區, 即煤層底板突水地質條件危險性程度為安全性差(危險)，應滿足

　　0.25 ≤b1 0.50

　　但當b2 ≥0.50時，則按II 類計算。

　　IV 類區, 即煤層底板突水地質條件危險性程度為安全性極差(極危險)，應滿足

　　b1 0.25

　　但當b2≥ 0.50時，則按III類計算

　　在同類中，按本類中的b1值大小排列出本類中的名次。