基于灰色关联与FDAHP相结合的煤层底板突水危险性评价方法技术

本发明专利技术公开了一种煤层底板突水危险性评价方法，包括：(1)确定煤层底板突水的主控因素；(2)数据采集及标准化处理，并建立煤层底板突水的各主控因素专题图；(3)采用灰色关联和FDAHP的指标赋权法，确定各主控因素对底板突水控制的“权重”；(4)建立煤层底板突水危险性指数模型，计算煤层底板突水危险性指数；(5)模型检验；(6)确定突水危险性分区阈值；(7)对煤层底板突水危险性进行划分，作出科学评价。该方法将突水实例与各专家意见相结合，利用FDAHP法形成一个交互式的权重向量决策分析过程，最终确定出比较符合客观实际的权重向量，建立符合矿区客观实际情况的煤层底板突水危险性指数模型，使评价结果更符合生产实际。

【技术实现步骤摘要】
基于灰色关联与FDAHP相结合的煤层底板突水危险性评价方法
本专利技术涉及一种基于灰色关联与模糊德尔菲层次分析法(FDAHP)相结合的煤层底板突水危险性评价方法。
技术介绍
我国是世界上产煤量最多的国家之一，同时我国煤矿地质、水文地质条件十分复杂，受水害威胁的煤炭储量约占探明储量的30％，仅华北地区受底板承压水威胁的煤炭储量约为200亿吨。煤层底板突水问题在我国是一个非常普遍的问题，几乎涉及我国大部分煤矿区，包括华北型和华南型煤田，其涉及范围之广，水量之大，危害之严重，实为世界罕见，这也是我国煤田水文地质条件的显著特征之一，现已成为一个关系到能源工业发展亟待解决的重大课题，由于采场底板突水问题具有极其复杂的机理，再加上地下水运动的隐蔽性、不能直接观察，故研究难度较大。随着开采深度、开采强度的日益增加，煤田的水文地质条件越来越复杂，底板承压水对矿井安全生产的威胁日益严重。因此煤层底板突水危险性评价是关系到煤矿安全生产的关键性问题。在现场实际工作的技术人员及相关管理部门的工作者，普遍采用突水系数法评价煤矿底板含水突水危险性程度。由于计算简单、应用方便，突水系数法在我国得到了广泛应用。然而，底板承压含水层突水是受多因素影响的非线性系统，传统的突水系数法所考虑的突水影响因素极其有限，不能完全描述煤层底板突水受控于多因素且非常复杂的这种非线性动力现象。中国矿业大学(北京)武强教授在《煤炭学报》期刊2007年第11期，第1121页至第1126页上公开了一种煤层底板突水评价的新型实用方法Ⅱ—脆性指数法，该方法以多源信息集成理论为指导，以GIS为操作平台，在煤层底板突水主控因素分析确定基础上，经过数据采集、分析和处理，建立各主控因素的子专题层图；应用多源地学数据复合叠加原理，采用现代线性或非线性数学方法(如ANN、证据权重法、Logistic回归、AHP等)，通过模型的反演识别或学习训练,确定出煤层底板突水的各主控因素对复杂突水过程的“贡献”或“权重”，建立煤层底板突水预测预报评价模型，然后根据研究区各单元计算的突水脆弱性指数频率直方图分析，确定突水脆弱性分区阈值，最终对煤层底板突水脆弱性做出科学的区划和预测预报评价。其中AHP型脆弱性指数法，运用“征集专家评分”的方法，按照1～9标度法，对影响因素的相对重要性进行专家打分，没有明确的标准，缺乏严谨的科学分析，极易造成主观随意性。ANN型脆弱性指数法，根据已经训练和测试后的突水预测模型，对底板脆弱性指数进行预测，效果极好，但与AHP型脆弱性指数法一样采用频率直方图确定分区阈值具有一定的盲目性。证据权重法属于数据驱动方法，数据驱动避免了权值选择的主观性，易于编程，易于组合多图件模式，但是用于分析的证据图层必须是条件独立的，用证据权重法必须对证据层的相互独立性进行检验，而对于突水危险性的各证据因子(主控因子)对于突水这一事件来说，是共同作用、相互关联的，就使得证据权重法的实施具有极大的局限性。此外，以上各种方法，最终均以频率直方图确定分区阈值，而频率直方图仅仅显示该区脆弱性指数的分布特征，即分布范围的大小，根据其确定底板突水脆弱性分区阈值，极易脱离矿区实际情况。中国专利CN101894189B公开了一种煤层底板突水评价的新方法，包括以下步骤：(1)煤层底板突水主控因素的数据采集、提取、处理和量化；(2)运用环套理论和技术方法，采用可拓学方法，确定煤层底板突水的物元模型；(3)确定底板突水物元的经典域模型；(4)确定底板突水物元的节域；(5)根据矿井大量观测数据，结合地质和水文地质资料信息，获取待评同征物元即采样点的各类数据集；(6)计算待评物元对应各类别等级的关联度；(7)确定煤层底板突水各主控因素的权重系数；(8)计算待评物元对于不同安全等级的关联度；(9)确定各待评物元底板突水的危险性等级，最终对煤层底板突水危险性做出科学的区划和预测预报评价。该方法从矿井突水实际观测资料出发，确定底板突水物元的经典域模型和节域，为煤层底板突水提供了一种良好的预测思路。然而该物元经典域划分为安全区、较安全区、过渡区、较脆弱区和脆弱区5各等级的划分标准没有明确给出，模糊笼统；另外采用层次分析法确定各主控因素的权重系数，主观性强，缺乏严谨的科学分析，极易造成脱离客观实际。中国专利申请CN103995947A公开了一种改进的煤层底板突水脆弱性评价方法，该方法在确定后的各主控因素“常权权重”基础上，还包括以下步骤：(1)确定各主控因素的“变权权重”；(2)建立基于分区变权原理的底板突水脆弱性评价模型；(3)煤层底板突水脆弱性的评价预测分区；首次应用分区变权原理和模型解决了煤层底板突水脆弱性评价预测中的关键技术难题。然而该方法存在以下不足：“常权权重”依据AHP赋值法，没有明确的标准，缺乏严谨的科学分析，极易造成主观随意性；采用频率直方图或自然断裂法确定分区阈值，未与实际突水案例相结合，极易造成脱离客观实际。中国专利申请CN104766242A公开了一种煤层底板突水危险性评价方法，采用主成成分分析法与GIS空间分析法相结合，依次对煤层底板突水影响因素指标进行分级、获取分级后的17项指标的基础数据、对基础数据进行R、S型主成分综合分析，筛选出主控因素、根据确定的主控因素，建立突水危险性评估公式、依据GIS空间分析法建立主控因素专题图，最后将各专题图按照突水危险性评估公式进行叠加，得出底板突水危险性专题图，以实现对煤层底板突水危险性作出准确可靠的量化评价。该方法采用主成分分析获得前6项主控因素及其权重的方法存在很大的弊端。因为主成分分析法是用降维的思想，将原先变量重新组合成一组新的相互无关的少数几个综合指标，提高数据质量，有效减小主控因素对突水作用的重叠性，另外主成分法的原始数据是根据主控因素本身进行分析的，与突水大小相关性不大；从该专利实施例中可以看出，利用主成分方法确定权重大小，并根据权重选取的前6项(工作面斜长、有效隔水层厚度、承压水导生高度、隔水层完整性、裂隙发育程度、承压水水压)不符合客观实际，因为含水层富水性是底板突水的先决条件，没有水是不可能发生突水事件的。
技术实现思路
本专利技术的目的是为克服上述现有技术的不足，满足华北型煤田煤炭工业可持续性发展的需求，提供一种基于灰色关联与模糊德尔菲层次分析法(FDAHP)相结合的煤层底板突水危险性评价方法。为实现上述目的，本专利技术采用下述技术方案：一种基于灰色关联与FDAHP相结合的煤层底板突水危险性评价方法，(1)确定煤层底板突水的主控因素；(2)数据采集及标准化处理，并建立煤层底板突水的各主控因素专题图；(3)采用灰色关联和FDAHP的指标赋权法，确定各主控因素对底板突水控制的“权重”；(4)建立煤层底板突水危险性指数模型，计算煤层底板突水危险性指数；(5)模型检验；(6)确定突水危险性分区阈值；(7)对煤层底板突水危险性进行划分，作出科学评价。所述步骤(1)的主控因素，包括：①地质构造；②有效隔水层厚度；③矿压破坏带下脆性岩厚度百分比；④钻孔涌水量；⑤含水层厚度；⑥含水层水压。进一步地，所述的地质构造为断层强度指数。进一步地，所述的地质构造为断层交点和尖灭点密度。进一步地，所述的地质构造为褶皱轴分维值。所述步骤(2)的数据采集，是指采集各本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于灰色关联与FDAHP相结合的煤层底板突水危险性评价方法，其特征是，(1)确定煤层底板突水的主控因素；(2)数据采集及标准化处理，并建立煤层底板突水的各主控因素专题图；(3)采用灰色关联和FDAHP的指标赋权法，确定各主控因素对底板突水控制的“权重”；所述灰色关联和FDAHP的指标赋权法，包括以下步骤：a)建立比较判断矩阵①首先利用灰色关联分析法，计算各突水案例的各主控因素与最大突水量的关联系数，为了与专家调查法的1～9级标度法取值范围一致，将关联系数乘以9进行转化，作为各主控因素对煤层底板突水的“客观”影响程度；②运用德尔菲专家调查法，征集和咨询各领域现场专家及科研研究者的意见，按照美国运筹学家T.L.Saaty创立的1～9标度法，对每个因素所起作用的大小进行相对重要性评价，给出每个因素的量化分值，作为各主控因素对煤层底板突水的“主观”影响程度；③根据“客观”影响程度和“主观”影响程度，建立两两比较判断矩阵：b)建立群体的模糊判断矩阵采用模糊三角数来整合专家意见，在评价者的意见基础上建立一个较为客观的模糊群体判断矩阵，用三角模糊数表示的群体的两两判断矩阵：c)确定群体模糊权重向量基于群体模糊判断矩阵B，用几何平均法确定相应的模糊权重向量；d)权重决策分析采用几何平均法计算各评价指标的相对权重，然后进行归一化处理，即可得到决策权重；(4)建立煤层底板突水危险性指数模型，计算煤层底板突水危险性指数；(5)模型检验；(6)确定突水危险性分区阈值；(7)对煤层底板突水危险性进行划分，作出科学评价。...

【技术特征摘要】
1.一种基于灰色关联与FDAHP相结合的煤层底板突水危险性评价方法，其特征是，(1)确定煤层底板突水的主控因素；(2)数据采集及标准化处理，并建立煤层底板突水的各主控因素专题图；所述数据标准化处理，具体为：对于正向因素，按照以下公式进行标准化处理：对于逆向因素，按照以下公式进行标准化处理：式中：Ah为归一化处理后的数据；v1，v2分别为归一化范围的上限和下限，分别取0.9、0.1；xh为采集到的原始数据；min(xh)为各主控因素量化值的最小值；max(xh)为各主控因素量化值的最大值，n为样本个数；(3)采用灰色关联和FDAHP的指标赋权法，确定各主控因素对底板突水控制的“权重”；所述灰色关联和FDAHP的指标赋权法，包括以下步骤：a)建立比较判断矩阵①首先利用灰色关联分析法，计算各突水案例的各主控因素与最大突水量的关联系数，为了与专家调查法的1～9级标度法取值范围一致，将关联系数乘以9进行转化，作为各主控因素对煤层底板突水的“客观”影响程度；②运用德尔菲专家调查法，征集和咨询各领域现场专家及科研研究者的意见，按照美国运筹学家T.L.Saaty创立的1～9标度法，对每个因素所起作用的大小进行相对重要性评价，给出每个因素的量化分值，作为各主控因素对煤层底板突水的“主观”影响程度；③根据“客观”影响程度和“主观”影响程度，建立两两比较判断矩阵：b)建立群体的模糊判断矩阵采用模糊三角数来整合专家意见，在评价者的意见基础上建立一个较为客观的模糊群体判断矩阵，用三角模糊数表示的群体的两两判断矩阵：c)确定群体模糊权重向量基于群体模糊判断矩阵B，用几何平均法确定相应的模糊权重向量；d)权重决策分析采用几何平均法计算各评价指标的相对权重，然后进行归一化处理，即可得到决策权重；(4)建立煤层底板突水危险性指数模型，计算煤层底板突水危险性指数；(5)模型检验；(6)确定突水危险性分区阈值，其方法如下：a)根据安全开采区和突水点的突水危险性指数划分安全区和危险区，具体采用几何平均法来计算安全区和危险区的分区阈值，计算公式如下：PTsf-s＝(max(RIsf)·min(RIs))1/2(5)式中：PTsf-s为安全区与危险区的分区阈值；RIsf、RIs分别为安全区突水危险性指数、小型突水点突水危险性指数；max(RIsf)为所有安全区的突水危险性指数中的最大值；min(RIs)为所有小型突水点的突水危险性指数中的最小值；b)根据《煤矿防治水规定》中4个突水等级突水点的突水危险性指数值，将危险区划分为4个亚分区，分区阈值计算公式如下：PTs-m＝(max(RIs)·min(RIm))1/2(6)PTm-l＝(max(RIm)·min(RIl))1/2(7)PTl-o＝(max(RIl)·min(RIo))1/2(8)式中：PTs-m为小型突水区与中型突水区的分区阈值；PTm-l为中型突水区与大型突水区的分区阈值；PTl-o为大型突水区与特大型突水区的分区阈值；RIs、RIm、RIl、RIo分别为小型突水点、中型突水点、大型突水点和特大型突水点的突水危险性指数；(7)对煤层底板突水危险性进行划分，作出科学评价。2.如权利要求1所述的基于灰色关联与FDAHP相结合的煤层底板突水危险性评价方法，其特征是，所述步骤(1)的主控因素，包括：①地质构造；②有效隔水层厚度；③矿压破坏带下脆性岩厚度百分比；④钻孔涌水量；⑤含水层厚度；⑥含水层水压。3.如权利要求2所述的基于灰色关联与FDAHP相结合的煤层底板突水危险性评价方法，其特征是，所述的地质构造为断层强度指数，或断层交点和尖灭点密度，或褶皱轴分维值。4.如权利要求1所述的基于灰色关联与FDAHP相结合的煤层底板突水危险性评价方法，其特征是，所述步骤(2)的数据采集，是指采集各钻孔处的各主控因素数据，还包括收集突水点资料并采集各突水点处的各主控因素数据。5.如权利要求1所述的基于灰色关联与FDAHP相结合的煤层底板突水危险性评价方法，其特征是，所述步骤(3)中第1)步中建立比较判断矩阵的③根据“客观”影响程度和“主观”影响程度，建立两两...

【专利技术属性】
技术研发人员：施龙青，滕超，邱梅，韩进，
申请(专利权)人：山东科技大学，
类型：发明
国别省市：山东;37