基于AHP熵值法的煤层底板突水预测评价

基于AHP熵值法的煤层底板突水预测评价
王鑫;郑洁铭;张成行;祝汉京;徐智敏
【摘要】基于我国煤矿开采过程中严峻的底板突水问题,考虑多因素影响煤层底板突水的发生,提出采取熵值法来评价煤层底板的突水危险性.以新桥煤矿2107工作面为研究对象,根据熵值法的基本理论,确定了含水层水压、单位涌水量、隔水层有效厚度、断层个数、构造交点和端点个数、断层规模指数6个指标,构建了2107工作面煤层底板突水的综合评价指标体系,客观赋权,最终对整个工作面进行突水评价.结论表明,新桥煤矿2107工作面3号区域评价值最大,突水危险性较大;熵值法与突水系数法进行比较,所得结果一致,熵值法的评价结果较为准确,且熵值法的评价精细,在等值线图上有较强的直观性.
【期刊名称】《中国煤炭》
【年(卷),期】2018(044)012
【总页数】5页(P126-130)
【关键词】底板突水;熵值法;突水系数法;综合评价指标体系;突水评价
【作者】王鑫;郑洁铭;张成行;祝汉京;徐智敏
【作者单位】中国矿业大学,江苏省徐州市,221116;中国矿业大学,江苏省徐州市,221116;中国矿业大学,江苏省徐州市,221116;永煤集团新桥煤矿,河南省永城市,476600;中国矿业大学,江苏省徐州市,221116
【正文语种】中文
【中图分类】TD74
我国煤炭开采经常受到矿井水害的影响，煤矿顶底板的突水事故是其中比较常见的。

在煤矿水害防治过程中，煤层底板的突水预测评价至关重要。

针对煤层底板突水的评价，在揭示煤层底板突水机理方面，国内外专家和学者开展了大量研究，李白英教授提出了“下三带”理论，钱鸣高等教授则提出“关键层”理论等；在方法上主要有斯列萨列夫公式法、突水系数法、脆弱性指数法等多种方法，这些方法在我国的煤炭开采过程中起到了巨大的作用。

煤层底板突水受到多重因素的控制，而且也不是简单的线性关系，在实际情况中依然需要结合水文地质情况进行判断。

近几年，熵值法在其他领域得到了充分的使用，我国众多学者对熵值法的应用有了较多的研究，但是在煤层底板预测评价上使用较少，其客观赋权也为预测评价的准确性提供保障。

本文以新桥矿2107工作面底板突水预测评价为例，应用熵值法，考虑多因素对煤层底板突水的影响，利用勘探中得到的客观数据确定每个因素的权重，进而计算出评价值，绘制突水危险性等值线图，使评价更加精准、客观、直观。

这将对煤层底板突水的评价有着重要意义。

1 熵值法基本理论
1.1 评估方法
熵是源于热力学的一个物理概念,后由香农(C. E. Shannon)引入信息论。

一般认为，信息熵值越高，系统结构越均衡，差异越小；反之，信息熵越低，系统结构越是不均衡，差异越大。

所以，可以根据熵值大小，计算出权重。

熵值法计算出的权重能尽可能消除确定权重时的人为主观因素。

具体的评价过程如下：
(1)构建原始指标数据矩阵: m个待评方案,n项评价指标,形成原始指标数据矩阵
X={Xij}m×n(0≤i≤m,0≤j≤n),则Xij为第i个待评方案第j个指标的指标值。

(2)数据标准化:各指标的量纲、数量级及正负的不同,对初始数据做标准化处理。

正向指标，/(max{Xj}-min{Xj});负向指标，/(max{Xj}-min{Xj})。

在此基础上，重新
定义一个标准化矩阵:Y={yij}m×n,其中,/∑,0≤yij≤1。

(3)计算评价指标的熵值:ej=-k∑yijlnyij,令k=1/lnm，则ej=(-1/lnm)∑yijlnyij。

(4)计算评价指标的差异性系数:gj=1-ej。

(5)计算权重:wj=gj/∑gj。

(6)计算样本的评价值:用第j项指标权重wj与标准化矩阵中第i个样本第j项评价指标接近度的乘积作为xij的评价值fij,即fij=wj×,第i个样本的评价值fi=∑fij。

1.2 评估指标
影响煤层底板突水的因子众多且复杂，新桥煤矿同样具有很复杂的水文地质条件，根据评价煤层底板突水时所考虑因素，构建了2107工作面煤层底板突水的综合评价指标体系。

第一级，指标层(A)是最终的评价结果，反映该工作面突水危险性的大小；二级指标层(B)是突水因素的直接影响指标；三级指标层(C)是对二级指标的进一步细化，包括含水层水压、单位涌水量、隔水层有效厚度、断层个数、构造交点和端点个数、断层规模指数等几个方面。

煤层底板突水的综合评价指标如图1所示。

在这6个指标中，断层规模指数反映断层尺度和发育程度的指标，其公式为:
式中： F——断层规模指数；
Hi——第i个断层的落差，m；
Li——第i个断层的走向长度，m；
n——研究区内断层的个数，个；
S——研究区的面积，m2。

图1 煤层底板突水的综合评价指标图
2 研究区概况
新桥煤矿北部与西部由正断层组成隔水边界，南部的正断层沿北西向延伸，成为良
好的隔水边界；东界为露头地段，灰岩分布面积有限，上覆巨厚地层。

新生界底部普遍发育隔水段，有效地阻隔了上部水的垂直下渗，使本井田形成北、西、南三面封闭较好，上部受阻的独特的水文地质特征。

煤层底板含水层为太原组灰岩10～12层，基底为奥陶系石灰岩。

基底奥陶系灰岩与2107工作面的隔水层厚度平均
有141.79 m，奥陶水对煤层底板的威胁较小。

新桥矿2107工作面水文地质结构
如图2所示。

太灰水对2107工作面的开采有较大威胁。

图2 新桥矿2107工作面水文地质结构图
2107工作面位于呈南北向、长约1000 m的宽缓向斜，地层倾角约0°～10°。

在2107工作面内发育有多条小断层，查明为正断层。

煤层底板太原组灰岩含水层距离煤层近，中间夹杂砂岩较薄，隔水性差且构造发育。

2107工作面所处区域水文地质条件复杂，受到水害威胁较大且较为紧迫。

3 熵值法预测评价2107工作面底板突水危险性
熵值法预测评价底板突水危险性时，根据勘探数据，工作面进一步细致划分为多个小区域。

2107工作面布置有3条勘探线、4个主要钻孔，周边有大量水文观测孔。

划分区域时，将主要钻孔置于小区域的中心位置。

根据观测孔的数据，将钻孔与观测孔水位变化规律一致的划分为同一个区域。

分界线的方向几乎平行于勘探线方向，在水文地质条件复杂的地区进一步细致划分。

最终，2107工作面划分成5个大的区域，如图3所示。

根据煤层底板突水的主要影响因素，统计数据，建立原始矩阵。

在突水危险性预测评价中，含水层水压、单位涌水量、断层个数、构造交点和端点、断层规模指数为正向指标，隔水层有效厚度则为负向指标。

首先确定每个指标的权重，再利用权重计算评价值。

正向指标有利于评价值增大，而负向指标则相反。

运用正向指标和负向指标分别进行计算，得出其评价矩阵，最终计算出最终的评价值。

2107工作面煤层底板突水能力综合测度指标体系见表1。

计算式为：
fi=∑正向wj×∑负向wj×
式中： fi——第i个分区的评价值；
wj——第j项指标权重；
——标准化矩阵中第i个分区第j项评价指标接近度。

评价值是评价危险性的指标；评价值越高，突水可能性越大。

2107工作面5个区域底板突水经计算得出最终评价值分别为0.24、0.14、0.58、0.31、0.14，熵值
法预测评价结果如图4所示。

由图4可知，3号区域评价值达到0.58，相对最高，极易突水；4号区域评价值为0.31，相对也较高，易发生突水；5号区域西部评价值为0.2～0.3，容易导致突水，东部则较好；2号区域不易突水。

在后续的开采过程中，3号区域和4号区域的注浆量远远大于其他区域，符合熵值法的计算结果。

4 熵值法与其他方法的比较
在预测评价底板突水中，突水系数法是最为常见的一种的评价方法。

利用突水系数法对2107工作面进行评价，并生成突水系数等值线图，见图5。

突水系数法评价结果：1号、3号、4号和5号区域的评价值大于0.06，超出临界值：2号区域并未超过临界值。

图3 2107工作面分区图表1 2107工作面煤层底板突水能力综合测度指标体系
系统层子系统层指标层熵值差异性系数权重2107工作面底板突水能力含水层地质构造隔水层水压0.660.340.22单位涌水量0.730.270.18断层个数0.70.30.19构
造交点和端点个数0.840.160.1断层规模指数0.820.180.12有效厚度
0.710.290.19
图4 2107工作面熵值法预测评价结果图
图5 2107工作面突水系数法预测评价结果图
熵值法和突水系数法评价结果进行比较可以发现：突水系数法与熵值法在评价结果有一致性，1号、3号、4号区域的评价结果都是较为危险，熵值法的评价有一定
准确性；两个评价结果在5号区域呈现出差异，这是因为突水系数法标准的不同，5号区域构造简单，突水系数小于0.1为安全；从视觉上，熵值法的评价结果可以在图上直观体现，减少了得出评价值后结合其他因素的评价过程；熵值法评价时考虑多因素的共同作用效果，对于每一个因素所占权重，客观求解，有利于评价结果的准确性，熵值法评价结果更加精细，可以更加有针对性地开展煤矿防治水工作，节约成本，有利于煤矿安全生产。

5 结论
(1)新桥煤矿2107工作面用熵值法进行预测评价得出3号区域评价值最大，相对
危险性大，2号区域与5号区域东侧评价值较低，危险性较小。

(2)将熵值法与传统的突水系数法进行比较，两种方法预测评价上具有一致性，体
现熵值法的预测评价是准确的。

熵值法评价基于客观勘探资料，且考虑多因素对底板突水的影响，评价更精细，主观人为因素影响较小。

(3)熵值法评价结果具有直观性，能够降低预测评价之后的工作量，有效提高煤矿
矿井水害防治的工作。

参考文献:
【相关文献】
[1] 谢和平,王金华,申宝宏等.煤炭开采新理念:科学开采与科学产能[J].煤炭学报,2012(7)
[2] 李白英.预防矿井底板突水的“下三带”理论及其发展与应用[J].山东矿业学院学报:自然科学
版,1999(4)
[3] 钱鸣高,缪协兴,许家林.岩层控制中的关键层理论研究[J].煤炭学报,1996(3)
[4] Shi Longqing, Han Jin. Theory and practice of dividing coal mining area floor into four-zone[J].Journal of China University of Mining and Technology,2005(1)
[5] He Baohua. Numerical simulation analysis of karsttunnel water bursting
movement[J].Electronic Journal of Geotechnical Engineering,2015(25)
[6] 武强,张志龙,马积福.煤层底板突水评价的新型实用方法Ⅰ——主控指标体系的建设[J].煤炭学报,2007(1)
[7] 武强,张志龙,张生元等.煤层底板突水评价的新型实用方法Ⅱ——脆弱性指数法[J].煤炭学报,2007(11)
[8] 施龙青,韩进,宋扬.用突水概率指数法预测采场底板突水[J].中国矿业大学学报,1999(5)
[9] 陈明星,陆大道,张华.中国城市化水平的综合测度及其动力因子分析[J].地理学报,2009(4)
[10] 苏飞,张平宇.石油城市经济系统脆弱性评价:以大庆市为例[J].自然资源学报,2009(7)
[11] 刘德旺.突水系数法在回坡底煤矿奥灰突水危险性评价中的应用与研究[J].中国煤炭,2016(5)
[12] 周亮,徐建刚.大尺度流域水污染防治能力综合评估及动力因子分析:以淮河流域为例[J].地理研究,2013(10)
[13] 陆添超,康凯.熵值法和层次分析法在权重确定中的应用[J].电脑编程技巧与维护,2009(22)
[14] 袁久和,祁春节.基于熵值法的湖南省农业可持续发展能力动态评价[J].长江流域资源与环境,2013(2)
[15] 郭显光.改进的熵值法及其在经济效益评价中的应用[J].系统工程理论与实践,1998(12)。