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关于突水系数的讨论
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煤层底板突水危险性的地质评价理论与方法
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　　4煤层底板突水危险性的地质评价理论与方法
　　4.1引言
　　矿井突水的危险性评价是矿井水害防治的重要基础和依据。早在20世纪初，国内外学者注意到矿井突水与地质条件的关系，认识到隔水层岩性和厚度及断裂分布与突水之间的关系，目前的矿井突水危险性评价只能达到定性的程度，还不能对矿井突水危险性进行定量评价和预测，如何定量评价矿井突水危险性，关键是对突水地质因素的定量评价与预测。本课题针对矿井突水地质条件，从矿井突水的水源、通道和介质条件出发，提出了隔水介质条件的非均质性、断裂构造和地下水赋存条件等因素的分类、分级及其表征参数和量化分析，为矿井突水地质条件评价与预测理论的建立奠定基础。
　　煤层底板突水危险性评价问题，是一个由多因素影响的具有非确定性的模糊综合评价问题。关于这方面，自从美国系统论专家查德教授提出模糊集(Zadeh，1965)概念以来，各国学者对此产生了极大的兴趣。我国于70年代中期在气象、医学、心理学等学科开始了这方面的研究工作。而用于地质领域的研究始于80年代初期，首先在找矿、岩石分类等方面取得了成功的经验。应用模糊数学理论对煤层底板突水危险性评价也取得了良好的效果，且不断趋于完善。故本次工作选用模糊综合评判作为煤层底板突水危险性评价的数学模型。力求为煤层底板突水危险性评价提供科学依据。
　　4.2矿井突水控制因素的分类、分级
　　矿井突水控制因素的分类、分级即反映矿井突水地质条件的复杂性类型。它是针对生产矿井技术管理的特点和需要，按矿井突水地质条件和综合复杂程度把井田或采区内每一可采煤层逐次分成若干个块段，对井田或采区内的块段所划分的类别，并认为在同一个块段内部，其矿井突水地质条件基本相同，属于同一个等级。其目的在于从地质角度划分出危险和安全的块段，促进矿井生产的科学管理和宏观调控。它是生产部门制定采掘规划，安排各类采面接替，选择采掘方法，考核各项技术经济指标的重要依据;同时也是地质部门明确地质工作要求，合理配备人员和设备，评定地质工作的数量和质量的重要准则。
　　4.2.1含水层性质及补给条件分类
　　根据《矿井水文地质规程》，从矿井水文地质条件、井巷充水及其相互关系出发，根据含水层性质及补给条件，包括受采掘破坏或影响的含水层性质、富水性、补给条件，单井年平均涌水量和最大涌水量、开采受水害影响程度和防治水工作难易程度等，把含水层性质及补给条件分为四类(如表4-1)。
　　表4-1 含水层性质及补给条件分类表
　　4.2.2 断裂构造复杂程度分类
　　根据断裂构造发育程度和工程规模将隔水层划分为完整结构、块裂结构、碎裂结构和松散结构四类(表4-2)。
　　4.2.3 隔水介质条件分类
　　在水文地质中一般将钻孔单位涌水量小于0.001L/s.m的岩层视为隔水层。隔水层的阻水性能主要取决于隔水介质条件，包括隔水层的岩性和厚度特征。对于煤系沉积岩石，隔水层岩性主要有泥岩、粉砂岩和砂岩。
　　由于受沉积环境的控制，隔水层岩性在垂向上旋回变化，不同岩性的岩层作有规律的组合，称层组岩体(简称岩体)，因此隔水层岩体力学性质及其稳定性，并不是由一层岩性所能代表的，而是多层岩性的组合。
　　隔水层岩性、厚度及其组合，既能通过矿山压力分布，又能通过岩体强度来影响突水危险性。从岩性角度，可将隔水层岩性分为泥岩为主型、砂岩为主型和砂泥岩复合型。在隔水性能方面泥岩为主型表现为塑性，隔水性能好，从泥岩封盖能力的实验分析表明，平均渗透率为0.089&10-3,平均孔隙度为1.97%，平均突破压力为20.6MPa，平均扩散系数为1.33&10-5，说朋该区泥岩具有较强的封盖能力。砂岩为主型表现为脆性，隔水性能较差;而砂泥岩复合型处于两者之间。岩性不同则隔水性能不同。
　　表4-2 隔水层结构分类依据及其力学特征
　　岩体结构类型 断裂
　　发育程度 结构体特 征 断裂面
　　特征 地质构造
　　特征 岩体变形
　　破坏特征 力学模型 隔水性能
　　完整结构 结构面不发育，1～2组，规则，结构面间距2m，RQD为75%～100%，或值为0.75～1.0
　　巨块状，结构体尺寸大于或相当于工程尺寸 无或偶见III、IV级和V级结构面，结构面闭合，粗糙无充填 地质构造变动小(轻微)，节理不发育，断裂构造复杂程度为Ⅰ类 脆性破坏和剪切破坏，少量沿沉积结构面分离 连续介质 隔水性能好
　　块裂结构 结构面较发育，2～3组，呈X型，较规则，结构面间距1～2m，RQD为50%～75%，或值为 0.50～0.75 大块状，结构体尺寸小于工程尺寸，但属于同一量级 II、III级结构面为主，IV、V级不太发育，至少有一组软弱结构面，张开，粗糙，有充填 地质构造变动较大(较重)，位于断层或褶曲轴的邻近地段，可有小断层，节理较发育，断裂构造复杂程度为II类 压缩变形量大，沿弱面剪切破坏 非连续介质 隔水性能取决于断裂结构面封闭性
　　碎裂结构 结构面发育，3～5组，不规则，呈X型或米字型，结构面间距0.1～1m，RQD为25%～50%，或 值为 0.25～0.50 碎块状，结构体尺寸远小于工程尺寸，属于次一量级 II、III、IV、V级结构面都存在，且IV、V级发育，结构面张开或闭合，光滑不一 地质构造变动强烈(严重)，位于褶曲轴部或断层影响带内，软岩多见扭曲拖拉现象，小断层，节理发育，断裂构造复杂程度为III类 压缩变形量大，整体强度低，岩体塑性变形强，时间效应明显，沿弱面剪切破坏和塑性破坏 似连续介质 地下水作用较强烈，隔水性能较差
　　松散结构 结构面很发育，5组以上，杂乱，结构面间距 0.1m,RQD为0～25%，或值为0～0.25 碎屑状和颗粒状 断层破碎带内岩体或采动冒落带岩体，裂隙密集，无序块状夹泥，呈松散状 地质构造变动很强烈，位于断层破坏带内，岩体破碎呈块状，碎石角粒状，有的甚至粉末泥土状，节理很发育，断裂构造复杂程度为IV类 压缩变形量大，时间效应明显，似土状，结构体张破坏和滚动，主要表现为塑性破坏 松散连续介质 地下水作用更为强烈，隔水性能极差
　　注： RQD&岩石质量指标。是根据钻孔岩芯完整程度判断岩石质量和岩体完整性的指标，用下式表示：RQD=()&100%，为10cm以上岩芯的累积长度，L为钻孔全长。
　　Kv&岩体完整性系数。Kv=(为岩体声波速度，为岩石声波速度)。
　　对于隔水层组采用泥岩百分比含量(K)来表示隔水岩层岩性特征：
　　K= (4-1)
　　式中 为开采煤层与主要充水含水层之间各泥岩层厚度之和(单位为m);
　　为开采煤层与主要充水含水层之间总厚度。
　　根据K值的大小将隔水岩层岩性分为三类，为泥岩为主型、砂岩为主型和砂泥岩复合型(如表4-3)。
　　表4-3 隔水岩层岩性类型
　　顶板岩体岩性类型 K值(%) 主要岩性 主要岩相
　　泥岩为主型 65 砂泥岩、粉砂质泥岩和煤层 主要为泛滥平原、沼泽相和泥炭沼泽相、泻湖海湾相沉积等
　　砂泥岩复合型 35～65 粉砂岩、粉砂质泥岩和泥岩 主要为分流间湾、泛滥平原和天然堤相沉积等
　　砂岩为主型 35 砂岩、粉砂岩和石灰岩 主要为分流河道、河口沙坝和决口扇及小型水道相或浅海相沉积等
　　4.2.4突水地质条件危险性评价分类
　　根据突水地质条件，即含水层性质条件、断裂构造条件和隔水介质条件条件复合后方能确定突水地质条件危险性的等级。
　　将隔水介质条件和断裂构造条件复合，也就是根据隔水层的岩性和结构特征，将隔水层的隔水性能分为四类(表4-5)。
　　(1)隔水性能好(I)：包括泥岩为主型完整结构、砂泥岩复合型完整结构和泥岩为主型块裂结构。
　　(2)隔水性能中等(II)：包括泥岩为主型完整结构、砂泥岩复合型块裂结构和砂岩为主型碎裂结构。
　　(3)隔水性能差(III)：包括泥岩为主型块裂结构、砂泥岩复合型碎裂结构和泥岩为主型碎裂结构。
　　(4)隔水性能极差(IV)：包括砂岩为主型松散结构、砂泥岩复合型松散结构和泥岩为主型松散结构。
　　表4-5隔水介质条件和断裂构造条件复合表
　　隔水介质条件
　　断裂构造条件 泥岩为主型 砂泥岩复合型 砂岩为主型
　　完整结构 Ⅰ Ⅰ II
　　块裂结构 Ⅰ II III
　　碎裂结构 II III III
　　松散结构 Ⅳ Ⅳ Ⅳ
　　然后再与含水层条件复合，复合后构成突水地质条件危险性的等级，并划分为安全(Ⅰ)、中等安全(II)、安全差(III)和安全极差(Ⅳ)四类，如表4-6所示。
　　安全(Ⅰ)：采掘工程一般不受水害影响;防治水工作简单。
　　中等安全(II)：采掘工程受水害影响，但不威胁矿井安全生产;防治水工作简单或易于进行。
　　安全性差(III)：采掘工程、矿井安全受水害威胁;防治水工程量较大，难度较高，防治水的经济技术效果较差。
　　安全性极差(Ⅳ)：矿井突水频繁，来势凶猛，含泥砂率高，采掘工程、矿井安全受水害严重威胁;防治水工程量大，难度高，往往难以治本，或防治水的经济技术效果极差
　　表4-6 突水地质条件危险性评价分类表
　　隔水性能
　　含水层条件
　　隔水性能好(Ⅰ) 隔水性能中等(II) 隔水性能差(III) 隔水性能极差(Ⅳ)
　　简单 Ⅰ Ⅰ Ⅰ II
　　中等 Ⅰ II III III
　　复杂 II III Ⅳ Ⅳ
　　极复杂 II III Ⅳ Ⅳ
　　4.3 煤层底板突水危险性评价因素
　　由于影响煤层底板突水的地质因素很多，应通过分析突水地质条件，如含水层性质及补给条件、断裂构造条件、隔水介质条件及其它开采地质条件的各个子因素，组成评价指标系统。由于评价工作是立足于采前的地质勘探资料和煤炭开采过程中的开采资料，因此确定子因素是要考虑其具有：(1)可行性，能从勘探资料确定;(2)代表性，能凭几个子因素反映实际突水地质条件;(3)独立性，各子因素基本不会重复影响。
　　根据开滦矿区典型煤层底板突水地质条件，我们提出煤层底板突水因素的表征参数(如表4-7)。
　　表4-7 　矿井突水因素的表征参数
　　第一层次 第二层次 第三层次
　　因素 权重
　　煤层底板突水因素的表征参数(u) 含水层条件(u1) 1/3 直接补给条件(u11)
　　含水层厚度(u12)
　　含水层的导水性(u13)
　　钻孔单位涌水量(u14)
　　疏水效果(u15)
　　矿井涌水量(u16)
　　断裂构造条件(u2) 1/3 断裂的组数(u21)
　　断裂密度 (u22)
　　最大主曲率(u23)
　　断裂强度系数 (u24)
　　断裂结构面形态(u25)
　　断裂结构面的张开度(u26)
　　结构面充填胶结情况 (u27)
　　岩溶陷落柱(u28)
　　隔水介质条件(u3) 1/3 隔水层厚度(u31)
　　隔水层的分层系数(u32)
　　泥岩百分比含量(u33)
　　水压与隔水层厚度比(u34)
　　4.3.1含水层性质及补给条件(u1)
　　(1)直接补给条件(u11)
　　直接补给条件是指对井田或断块内主要充水含水层的直接补给情况。它影响着矿井涌水量的大小及稳定性，要在详尽的构造、岩性和人为因素分析的基础上划分为：阻水边界、弱补给边界、中等补给边界和强补给边界。
　　表4-8 直接补给条件分级表
　　参数 分级依据 分级
　　直接补给条件 阻水边界，断层稀少 简单
　　弱补给边界，断层较少 中等
　　中等补给边界，断层较多 复杂
　　强补给边界，导水裂隙发育 极复杂
　　(2)含水层厚度(u12)
　　含水层厚度是反映含水层赋存形态和几何特征指标，含水层富水性与含水层厚度、岩性、断裂密度及性质等密切相关，一般情况下含水层富水性与含水层厚度呈正相关性。
　　表4-9含水层厚度分级表
　　参数 分级依据/m 分级
　　第四系冲积层含水层 &100 较小
　　100~200 中等
　　200~300 较大
　　&300 大
　　砂岩裂隙承压含水层 &20 较小
　　20~40 中等
　　40~60 较大
　　&60 大
　　灰岩岩溶含水层 &10 较小
　　10~20 中等
　　20~30 较大
　　&30 大
　　(3)含水层的导水性(u13)
　　含水层的导水性也是反映含水层富水性的一个指标，可用导水系数(T)表示：，
　　式中;K为渗透系数,m/d;M为含水层厚度，m
　　表4-10含水层的导水性分级表
　　参数 分级依据 分级
　　含水层的导水性T (m2/d) &30 富水性差
　　30-60 富水性中等
　　60-120 富水性好
　　&120 富水性极好
　　(4)钻孔单位涌水量(u14)
　　钻孔单位涌水量是是评价含水层富水性的指标，以口径91mm，抽水水位降深10m为准。根据钻孔单位涌水量的大小划分含水层的富水性。
　　表4-11 钻孔单位涌水量分级表
　　参数 分级依据 分级
　　钻孔单位涌水量q (L/s.m) &0.1 简单
　　0.1-2.0 中等
　　2.0-10 复杂
　　&10 极复杂
　　(5)疏水效果(u15)
　　疏水效果指主要向矿井充水含水层的单位压力的涌水量q(涌水量Q与水压P的比值);或单位涌水量的水位降低值h(水位降低值S与涌水量Q的比值).
　　表4-12 含水层疏水效果分级表
　　参数 分级依据 分级
　　q:(m3/min.MPa) h:(m/m3.min)
　　疏水效果 &6.8 15 简单
　　6.8-10.2 10-15 中等
　　10.2-30.6 3.3-10 复杂
　　&30.6 &3.3 极复杂
　　(6)矿井涌水量(u16)
　　矿井涌水量是指矿井开采过程中，必须疏放的水量，即正常涌水量。
　　表4-13矿井涌水量分级表
　　参数 分级依据 分级
　　矿井涌水量(m3/min) &10 简单
　　10-30 中等
　　30-60 复杂
　　&60 极复杂
　　4.3.2断裂构造条件(u2)
　　(1)断裂的组数(u21)
　　断裂的组数是指一定面积内(统计单元内)的断裂组数，反映了断裂的发育密集程度，断裂组数越多，断裂构造越复杂，反之越简单。
　　表4-14断裂的组数分级表
　　参数 分级依据 分级
　　断裂的组数(组) &2 简单
　　2-3 中等
　　3-6 复杂
　　&6 极复杂
　　(2)断裂密度 (u22)
　　断裂密度u23是指单位面积内断裂条数，直观地反映断裂发育程度，统计时可以按断裂性质、规模分别计算。表达式为：
　　式中：N-断裂条数，条;
　　S-统计面积，km2
　　表4-15断裂密度分级表
　　参数 分级依据 分级
　　断裂密度(条/ km2) &2 简单
　　2-8 中等
　　8-12 复杂
　　&12 极复杂
　　(3)最大主曲率(u23)
　　曲率是反映线或面弯曲程度的特征量，一般来讲，地层在构造应力作用下发生弯曲变形，变形越大，弯曲程度越高，曲率也越大，破裂作用相应增大，因此地层曲率在一定程度上控制了地层断裂发育程度。根据该原理，通过求取地层主曲率，进而实现评价地层断裂发育程度及其渗透性的目的。
　　表4-16最大主曲率分级表
　　参数 分级依据 分级
　　最大主曲率K (10-4/m) &0.5 简单
　　0.5-1.5 中等
　　1.5-2.5 复杂
　　&2.5 极复杂
　　(4)断裂强度系数 (u24)
　　断裂强度指数是单位面积内所有断层的落差与长度乘积之和，其综合反映断层规模和发育程度。其表达式为：
　　式中：Li-断层水平延展长度，m; Hi-断层落差，m。
　　如果断层落差不清的情况下，可采用断层长度指标，它是指一定面积内(统计单元内)的断层长度之和，反映了断层的发育密集程度，断层越多越长，断层构造越复杂，反之越简单。在工程平面图、煤层底板等高线图上，断层长度易于测量。
　　式中： L------长度之和，km
　　N---------区内的断层条数，条
　　l----------区内各条断层的长度，km
　　表4-17 断裂强度系数分级表
　　参数 分级依据 分级
　　断裂强度系数 &3 简单
　　3-7 中等
　　7-13 复杂
　　&13 极复杂
　　(5)断裂结构面形态(u25)
　　结构面的形态可以用侧壁的起伏形态及粗糙度来反映。结构面侧壁的起伏形态分为：平直的、波状的、锯齿状的、台阶状的和不规则状的。
　　侧壁的起伏程度可用起伏角(i)表示。
　　式中：h为结构面起伏的高度(m);L为结构面起伏的波长(m)。
　　结构面的粗糙度用粗糙度系JRC(joint roughness coefficient)表示。随粗糙度的增大，结构面的摩擦角也增大。根据标准粗糙度剖面将结构面的粗糙度系数划分为10级。
　　(6)断裂结构面的张开度(u26)
　　结构面的张开度是指结构面两壁面间的垂直距离。结构面两壁面一般不是紧密接触，使结构面实际接触面积减少，导致结构面粘聚力降低和渗透性增大。
　　表4-18断裂结构面的张开度分级表
　　参数 分级依据 分级
　　描述 结构面张开度(mm)
　　断裂结构面的张开度 很紧密 &0.1 闭合的
　　紧密 0.1-0.25
　　部分张开 0.25-0.5 裂开的
　　裂开 0.5-2.5
　　较开的 2.5-5.0
　　中等宽的 5.0-10 张开的
　　宽的 10-50
　　很宽的 50-100
　　极宽的 100-1000 似洞穴的
　　似洞穴的 &1000
　　(7)结构面充填胶结情况 (u27)
　　结构面胶结后力学性质有所增强，Fe质胶结的强度最高，泥质与易溶盐类胶结的结构面强度最低，且抗水性差。未胶结的结构面，力学性质取决于其充填情况，可分为：薄膜充填、断续充填、连续充填及厚层充填4类：1)薄膜充填是结构面两壁附着一层极薄的矿物膜，厚度多小于1mm，多明显降低结构面的强度。2)断续充填结构面的力学性质与充填物性质、壁岩性质及结构面的形态有关。3)连续充填结构面的力学性质主要取决于充填物性质。4)厚层充填结构面的力学性质很差，主要取决于充填物性质，岩体往往易于沿这种结构面滑移而失稳。
　　(8) 岩溶陷落柱(u28)
　　岩溶陷落柱是开采煤层与含水层之间的特殊导水通道，也是最难防治的充水因素。岩溶陷落柱沟通各含水层造成极复杂的水文地质条件，并能直接将奥灰水导入煤系地层给矿井安全造成极大的威胁。
　　以开滦范各庄井田揭露的14个陷落柱情况看，陷落柱内部的充水和导水情况不同，大致可分为三种类型：
　　(1) 全充水型：陷落柱内充填物未被压实，水力联系好，沟通了几个含水层，奥灰水直接导通到陷落柱上部，采掘工程一旦揭露就会发生突水，水量大而稳定，长疏不衰。如一水平北翼运输大巷所揭露的2#陷落柱，开始揭露涌水量达7.2米3/分钟，水压1.76MPa，连续五年涌水量保持在3.0米3/分钟以上;2171综采工作面揭露的9#陷落柱，日发生特大突水，高峰期11小时平均突水量高达2053米3/分钟，稳定水量300米3/分钟左右;在208原皮带巷施工的平7号探水孔于日钻进到43.12米时揭露10#陷落柱突然涌水，高峰期涌水量为26.68米3/分钟，至今平7孔涌水量仍稳定在17米3/分钟左右。2#、9#、10#陷落柱为全充水类型。
　　(2) 边缘充水型：陷落柱内充填物压实紧密，风化程度强，柱内水力联系不好，只是陷落柱边缘发育的次生裂隙充水。采掘工程揭露时一般以滴、淋水或涌水为充水形式，涌水量不大，主要疏降煤系含水层水，经过一段时间的疏放，涌水量大幅度减少或疏干。1#、3#、5#、6#、8#、12#陷落柱为边缘充水类型。
　　(3) 疏干型：陷落柱内充填物压实紧密，风化程度极强，边缘裂隙水已被疏干，揭露时有少量滴水、小淋水或无水，采掘工程可以由柱内通过。如2104开拓掌通过4#陷落柱时，柱内充填物压实紧密，柱内及边缘裂隙已疏干无水;2172板层综采工作面回采时遇7#陷落柱，柱内无水，采面直接采过陷落柱。4#、7#、11#陷落柱为疏干类型。
　　总之，岩溶陷落柱沟通各含水层造成极复杂的水文地质条件，并能直接将奥灰水导入煤系地层给矿井安全造成极大的威胁。从已揭露的陷落柱的情况看，陷落柱的导水程度是不同的。以全充水型陷落柱导水最强，对矿井安全威胁最大。搞清岩溶陷落柱的分布及其导水性是防治水工作的重要任务。
　　4.3.3隔水介质条件(u3)
　　(1)隔水层厚度(u31)
　　在水文地质中一般将钻孔单位涌水量小于0.001L/s.m的岩层视为隔水层。隔水层的阻水性能不但与岩性有关，还与其厚度相关，随着隔水层厚度的增加隔水性能增强。
　　(2)隔水层的分层系数(u32)
　　岩层面本身属于一种软弱面，在煤炭开采过程中，沿层面易发生破坏，岩层层数越多，其隔水层的整体性就越差，因而易发生剪切破坏。隔水层的分层系数是根据隔水层的分层层数与其厚度的比值，将隔水层的分层层数划分为单一泥岩层型、单一粉砂岩层(或砂岩层)型、砂泥岩组合型，不同类型具有不同的隔水性能。
　　表4-19隔水层的分层系数分级表
　　参数 分级依据 分级
　　隔水层的分层系数(层/m) 砂泥岩组合&4 好
　　砂泥岩组合1-3 中等
　　单一泥岩层 较差
　　单一粉砂岩层(或砂岩层) 差
　　(3)泥岩百分比含量(u33)
　　如上所述，对于隔水层组采用泥岩百分比含量(K)来表示隔水岩层岩性特征。
　　表4-20泥岩百分比含量分级表
　　参数 分级依据 分级
　　泥岩百分比含量(%) 65 好
　　35-65 中等
　　35-10 较差
　　(4)水压与隔水层厚度比(u34)
　　开采煤层承受的水压与煤层到主要含水层间相对隔水层厚度之比。当水压与隔水层厚度比值小于突水系数时，可以安全回采，否则应采取防治水措施保证安全生产。
　　我国学者早在1964年就开始了底板突水规律的研究，并在焦作水文会战中，以煤科总院西安分院为代表，提出了采用突水系数作为预测预报底板突水与否的标准。突水系数就是单位隔水层所能承受的极限水压值，即：
　　(4-10)
　　式中： Ts&突水系数;P&含水层水压，MPa;h&隔水层厚度，m。
　　表4-21水压与隔水层厚度比分级表
　　参数 分级依据 分级
　　水压与隔水层厚度比(MPa/m) &0.025 安全性好
　　0.025-0.05 安全中等
　　0.05-0.15 有危险
　　&0.15 极有危险
　　突水系数在数值上相当于&相对隔水层厚度&的倒数。由于最先提出的突水系数法没有考虑矿压和岩性组合对底板破坏的影响，70~80年代，煤科院西安分院水文所曾先后两次对突水系数的表达式进行了修改。在考虑矿压破坏因素时，从隔水层厚度中减去了矿压对底板的破坏深度;在考虑岩性组合时，引用了匈牙利学者的&等值隔水层厚度&的概念对公式进行了修正，即：
　　(4-11)
　　式中： hi&隔水层第i分层厚度，m;
　　ai&隔水层第i等效厚度的换算系数;
　　hp&矿压对底板的破坏深度，m。
　　我国部分矿区根据历次突水实例的分析得出的临界突水系数值如表4-22所示。在上述突水系数概念指导下，淄博、肥城、井陉、邯郸、峰峰、焦作等矿区采用带压开采方法采出了大量的煤炭。
　　表4-22 部分矿压临界突水系数的经验值
　　矿区 临界突水系数值 MPa/.m
　　峰峰 0.066~0.076
　　邯郸 0.066~0.100
　　焦作 0.060~0.100
　　淄博 0.060~0.140
　　井陉 0.060~0.150
　　由于突水系数物理概念比较确定，公式简单实用，在煤矿生产实践中预测煤层底板突水和在一定水压条件下进行带压开采，解放受承压水威胁的煤炭资源起了积极作用，所以一直沿用至今。但是，由于突水系数仅仅考虑了采动破坏、水压、岩性等因素的影响，而对作为层状岩体的煤层底板结构特征、开采面积、边界条件等均未作分析。而且临界突水系数值是已知突水资料的经验统计值，它主要反映的是近地表的断层、构造薄弱地带的突水条件，用它来预测正常块段和深部开采时的底板突水常常偏于保守。随着矿井向深部发展，其预测的准确性也越来越低。因而承压水体上煤炭资源安全开采的预测方法，还有待于进一步发展完善。
　　4.4 煤层底板突水危险性的模糊综合评价
　　4.4.1模糊综合评判理论与方法
　　模糊综合评判的实质是一个模糊变换。假设有两个论域分别为：因素集，共n个因素;设评语集合(代表等级、分类的集合)为，共m个等级，设第个因素的单因子评判为：，它可以看作是U 上的一个模糊子集。其中，表示第个因素的评判对于第k个等级的隶属度。n个因素的总的评判矩阵为
　　R= (4-12)
　　在进行综合评判时，必须要考虑各个因素对评判等级所起作用的大小，这种评判作用就形成了因素集合上的模糊子集A， A=()，其中为对A 的隶属度，它就是单独考虑因素对评判等级所起作用大小的度量，代表了根据单因素评判等级的能力，其数值只有根据经验判断给出。
　　给定A、 R 后即可进行综合评判，这种运算一般写为如下形式
　　B=AR (4-13)
　　(4-14)
　　因为我们所讨论的问题，基因素和层次的评语和总评语都是一致的，所以不需作任何说明，可以类似的推导出多级模糊综合评判模型。多级模糊综合评判的合成过程可用框图5-1来表示。
　　在模糊合成过程中，采用不同的合成型式，会得出不同的评判结果。因此要注意选择恰当的合成模型。根据煤层气赋存地质条件既要考虑主要因素又要综合考虑各种因素的要求，我们选用了主因素突出型算子模型和加权平均型算子模型，即：
　　(1)　M(& ，)型，表达式为
　　(j=1,2, &,m) (4-15)
　　M(& ，)型，表达式为
　　(j=1,2, &,m) (4-16)
　　式中　&&因素重要程度系数;
　　&&因素对评语集的隶属度;
　　&&取大运算符号;
　　&&环和，取值方法为
　　min{1，} (4-17)
　　图5-1多级模糊综合评判合成过程
　　综合评判的结果得到一个等级模糊子集 B=b1/u1+ b2/u2+ & + bm/um，式中bj为等级uj对B 的隶属度(j=1，2，&，m)，有几种利用这个子集的方法。这里采用的是最大隶属度判别准则。
　　最大隶属度判别准则，即取bj(j=1，2，&，m)中最大者，其所对应的级别(构造类别或煤层型别)为最终确定的类型。
　　应用模糊数学的原理和方法，解决煤层气勘探开发有利区评价问题。其评判方法步骤简要归纳如下(图5-2)：
　　(1)确定评价指标，建立因素集，即。因素集是由影响评价煤层气赋存地质条件的各种因素所组成的一个普通集合，即是说因素本身可以是模糊，也可以非模糊，但它们对因素集的所属关系则是清楚的。
　　(2)计算每个指标在评价过程中相应的权重系数，构成因素集U上的权重向量
　　为第i个因素在评价中权重
　　权重集A的确定可以通过⑴专家评估法;⑵相关系数法;⑶灰色关联法等多种方法相互补充、相互验证确定的。确定的权系数还要用它进行运算，得到评价结果后，于实际开采技术经济指标进行验证。如果验证不满意，应返回重新选定各项指标权系数。权系数在对不同地区或同一地区不同煤层的评价中，要及时加以调整。
　　(3) 评判对象的选择和评语集的确定。根据前面地质等性块段的划分，确定评价单元，即对象集　为第j个评价单元，对煤层气地质条件进行量化。在此基础上确定每个指标的评语论域，形成评语集，即。评语集是由评判者对煤层气赋存地质条件作出的各种总的评判结果所组成的集合。综合评判某一块段煤层气赋存地质条件优劣的目的，就是在综合考虑所有影响因素的基础上，从评语集中选出一最佳的评判结果，实现煤层气勘探开发选区评价目的。
　　(4)按确定的评语论域，对每个评价指标相对于每个评语等级作出的评价，构成模糊关系矩阵R=(rij)m&n
　　(5)选择恰当的模糊合成算子，建立综合评判的数学模型，求出评价的基本结果;再按最大隶属度原则和调整原则，得出最终评判结果，确定出每个评价单元或块段对应的开采地质条件复杂程度。
　　(6)验证评价结果，若验证结果不令人满意，返回步骤，改变权系数和算子类型，重新执行，直至计算结果(指验证结果)满意为止(图5-1)。这样就可将整个评价过程编成系统软件，用计算机执行。
　　4.4.2模糊综合评判分类
　　根据系统分析的方法，要使煤层底板突水危险性评价系统能够得到一个总体的定量化结果，必须制定相应的评价标准。因此对煤层底板突水因素表征参数的评语集(V)无论是总评语集，还是复合节点评语子集和基因素评语子集均采用多评语, 根据煤层底板突水地质条件危险性程度划分为安全、中等安全、安全性差(危险)和安全性极差(极危险)四种类别，即：
　　其中： v1&安全;
　　v2&中等安全;
　　v3&安全性差(危险);
　　v4&安全性极差(极危险)。
　　根据各煤层底板突水因素的表征参数隶属度U(ui)值大小划分出V1 ，V2 ，V3 ， V4，它们的关系是当U(ui)& 0.25时的点归属于V4，当0.5&U(ui)&0.25 时的点归属于V3，当0.75&U(ui)&0.50 时的点归属于V2，当U(ui)&0.75时的点归属于V1 。然后，在此基础上构造出评价对象的评价矩阵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 个因素，第j 个评价对象观测点总数或评价单元的总面积;
　　N vj&&归属于vj 的观测点个数或评价单元内归属于vj的面积;
　　UR (ui ,vj ) & ui 归属于vj 的隶属度，表明第ui 个评价因素归属于vj的频率。
　　根据各评价单元所取得的bj值，按其隶属度的大小，将各评价单元矿井突水地质条件危险性分为四种类型。划分标准如下：
　　a. I类区，即煤层底板突水地质条件危险性程度为安全型，应满足二个条件，即：
　　0.75 &b1 1
　　b4 0.25
　　b. II类区，即煤层底板突水地质条件危险性程度为中等安全型，应满足二个条件，即：
　　0.5&b1 0.75
　　b4 0.25
　　当b1满足要求，但b4 &0.25时，则下降一类算作III类算。
　　III 类区, 即煤层底板突水地质条件危险性程度为安全性差(危险)，应满足
　　0.25 &b1 0.50
　　但当b2 &0.50时，则按II 类计算。
　　IV 类区, 即煤层底板突水地质条件危险性程度为安全性极差(极危险)，应满足
　　b1 0.25
　　但当b2& 0.50时，则按III类计算
　　在同类中，按本类中的b1值大小排列出本类中的名次。
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