基于主成分分析法的煤層底板突水影響因素評價

基于主成分分析法的煤層底板突水影響因素評價

煤層底板的應急問題一直是限制煤礦安全生產(chǎn)的一個難題，關系到煤礦的長期發(fā)展和礦工的生命周期。因此,對煤層底板突水危險性進行客觀、準確評價對指導煤礦安全生產(chǎn)具有重要的現(xiàn)實意義。目前,煤層底板突水評價方面的理論與方法眾多,主要有:“下三帶”理論、突水系數(shù)法、“四帶”劃分理論、多源信息融合法、脆弱性指數(shù)法等,但對突水影響因素的影響程度的定量評價卻很少。由于煤層底板突水是各種影響因素綜合作用的結果,因此,如何評價各影響因素的影響程度,是準確評價突水危險性的關鍵。本文引入主成分分析法,定量評價底板突水影響因素影響程度。主成分分析法可以最大限度地保留原有信息,對多維變量進行最佳的綜合與簡化,并能摒棄傳統(tǒng)經(jīng)驗法和回歸法確定權重不足的問題,避免主觀隨意性。因此,運用主成分分析法定量評價各影響因素的影響程度,為客觀評價兗州礦區(qū)下組煤開采底板突水危險性提供有力依據(jù),對制定奧灰水防治措施具有重要的指導意義。1礦區(qū)地質條件兗州礦區(qū)為一軸向NEE、向東傾伏的不完整向斜盆地。區(qū)內構造以北東向褶皺構造,北西、北東東和近南北向斷層為主體。區(qū)內大中型斷層不甚發(fā)育,主體向斜內部次級斷層較少。礦區(qū)屬華北石炭—二疊系含煤建造,其基底為奧陶系灰?guī)r。主要地層有奧陶系、石炭系、二疊系、侏羅系、下第三系和第四系。主采煤層為上組煤(山西組2號、3號和太原組6號),下組煤(太原組16上、17)。兗州礦區(qū)為一相對獨立的水文地質單元,影響礦區(qū)生產(chǎn)的主要含水層為:第四系下組砂礫層、侏羅系底部砂巖、3層頂板砂巖、三灰、十下灰、十四灰和奧灰。礦區(qū)內除第四系上組砂巖和淺部奧灰富水性強,補給條件好外,其余各含水層皆以靜儲量為主,補給、徑流、排泄條件均不良。礦井水文地質類型大多為中等型。2巖性結構及工礦地質條件影響底板突水的因素是多方面的,主要包括:地質構造、含水層的富水性、含水層水頭壓力、隔水層厚度、底板巖層巖性及其組合特征、礦山壓力及地應力等。如何衡量各影響因素對底板突水的影響程度,是準確判斷煤層底板突水的關鍵。針對兗州礦區(qū)下組煤開采受奧灰水威脅的實際情況,本文以開采17煤為例,重點分析以下4個主要影響因素,即:奧灰含水層水頭壓力、隔水層厚度、地質構造、奧灰含水層富水性。2.1奧灰水壓分布特點根據(jù)兗州礦區(qū)奧灰觀測孔多年水位資料分析,奧灰水位基本處于穩(wěn)定狀態(tài),變化不明顯,多數(shù)奧灰觀測孔水位變化趨勢基本一致。礦區(qū)內奧灰水壓總體上隨埋深增加而增大。礦區(qū)水壓分布特點:整體上,17煤受奧灰水壓影響程度由東至西漸小,由北至南漸小。奧灰水壓變化較大:最大水壓值在東灘煤礦鉆孔補45附近,可達8.8MPa。最小水壓值在楊村煤礦鉆孔220及O-3附近,只有1.8MPa。水壓變化范圍:1.8~8.8MPa,平均水壓為4.2MPa。2.2西部相對較小的特點根據(jù)兗州礦區(qū)鉆孔資料統(tǒng)計,17煤至奧灰隔水層厚度呈現(xiàn)中、南部較大,北、東和西部相對較小的特點。最大隔水層厚度在礦區(qū)中部鉆孔L14-1附近,可達102.29m;最小隔水層厚度在北部鉆孔O2-15附近,只有25.59m。隔水層厚度變化范圍:25.59~102.29m,平均厚度為62.61m。2.3地塹、斷裂帶兗州礦區(qū)位于魯西南斷陷東緣,為一軸向北東,向東傾伏的不完整向斜構造,地層傾角較平緩,平均在10°左右。其東端被嶧山斷層切割,南、北面分別為兩個近東西向的地塹構造。北部為汶泗斷層與鄆城斷層所控制的汶上—寧陽地塹構造;南部為菏澤斷層、鳧山斷層與單縣斷層所控制的成武—魚臺構造。礦區(qū)內發(fā)育北東向的褶皺構造,并伴有穹窿構造。斷裂構造主要以北西、北東東和近南北向為主。從整體上看,煤田內部大中型斷層不甚發(fā)育,主體向斜內部次級斷層比較少,刺級褶皺較多。區(qū)內有巖漿巖侵入,并且?guī)r性單一,全為橄欖輝長巖。發(fā)現(xiàn)6個陷落柱。2.4礦井水源礦區(qū)淺部奧灰及較大斷層帶內溶穴、裂隙較發(fā)育,富水性中等豐富;深部奧灰富水性差。奧灰含水層最厚達750m,淺灰—青灰色,質純致密堅硬,屬溶穴裂隙承壓含水層。礦區(qū)內單位涌水量0.00209~11.079L/s·m,礦化度0.35~2.948g/L,水質類型為HCO3·SO4–Ca·Mg,SO4·HCO3–Ca·Mg,SO4–Ca·Mg型。礦區(qū)南部水位偏低,西北部水位偏高。富水性趨勢為由煤田外圍到中心呈逐漸減弱分布。該含水層是下組煤開采時的主要防治對象。3主要成分的分析3.1主成分分析的基本思想主成分分析法研究如何在損失很少信息的前提下通過少數(shù)幾個主成分來解釋多變量方差,且彼此獨立。3.1.1a確定參數(shù)式中,a1i,a2i,····,api〔i=1,···,m〕X的協(xié)方差陣特征值對應的特征向量,ZX1,ZX2,…,ZXp是原始數(shù)據(jù)經(jīng)過標準化處理的值。A=(aij)p×m=(a1,a2,…am),R·ai=λiai,R為相關系數(shù)矩陣,λi,ai是相應的特征值和單位特征向量,λ1≥λ2≥…≥λp≥0。F1代表第1主成分,其方差最大,包含信息最多。若第1主成分不足以代表原來p個指標的信息時,再考慮選用F2即第2個線性組合。為有效反映更多信息,F1已有的信息就不再出現(xiàn)在F2中,即Cov(F1,F2)=0,稱F2為第2主成分,依次類推。3.1.2相關系數(shù)矩陣的計算和主成分得分系數(shù)(1)對原始數(shù)據(jù)進行標準化處理,主要是為了排除數(shù)量級和量綱不同帶來的影響。式中,xij為第i個指標第j個樣本的原始數(shù)據(jù);xi和σi分別為第i個指標的樣本均值和標準差。(2)根據(jù)標準化后的數(shù)據(jù)表x*ijp×n計算相關系數(shù)矩陣R=rijp×n。(3)計算R的特征值、特征值貢獻率和累計貢獻率。(4)確定主成分個數(shù)、表達式和特征向量,計算影響因素的權重。本文利用SPSS軟件進行主成分分析得到因子載荷陣B,〔BTB〕-1·BT即為主成分得分系數(shù)矩陣,矩陣各點即(1)式中的a1i,a2i,…,api(i=1,…,n,n≤m)。按照特征根大于1的原則選取m個主成分后,從而確定得分系數(shù)。因子i在m個主成分中的系數(shù)與各主成分方差貢獻率之積求和后,取絕對值即為該因子的權重,即:設主成分q的方差的貢獻率為gq,i因子在主成分q中的系數(shù)為aqi(q=1,2,…m),則i因子權重為Wi。歸一處理后即可得各因子的權重向量W主,用此公式對評價因素進行評價。3.2主成分分析結果結合兗礦的資料,以17煤開采受奧灰突水影響為例,采用主成分分析法對底板突水的主要影響因素的影響程度進行評價。(1)主要影響因素為:奧灰含水層水頭壓力隔水層厚度、地質構造和奧灰含水層的富水性4個因素為主要影響因素(其中地質構造復雜程度按照分維值法獲取,奧灰含水層富水性按照單位涌水量獲得)。(2)主成分分析過程:采用SPSS軟件對影響煤層底板突水的4個因素進行主成分分析,評價結果見表1和表2。根據(jù)表1可知,4個主成分解釋方差的貢獻率分別為45.030%,33.004%,15.582%,6.384%第1、第2主成分特征根大于1,且解釋方差的累積貢獻率為78.034%,已包含了評價中所需大部分信息。故選用第1、第2個主成分即可。再次調用SPSS軟件對表2中的第1、第2主成分因子載荷陣進行運算得到主成分得分系數(shù)矩陣如表3。由公式4可得:同理可得:W富水性=0.226,W隔水層厚度=0.297,W水壓=0.339。歸一化后,得各影響因素的權重向量即(W地質構造,W富水性,W隔水層厚度,W水壓)=(0.217,0.205,0.270,0.308)。因此W水壓>W隔水層厚度>W地質構造>W富水性。從以上評價結果看出:在兗州礦區(qū),17煤開采奧灰底板突水影響因素的重要性次序為:奧灰含水層水頭壓力>隔水層厚度>地質構造>奧灰含水層富水性。因此,奧灰含水層水頭壓力在眾多因素中占主導作用,而奧灰含水富水性影響作用最小。究其原因,在于整個礦區(qū)奧灰的富水性大部分地區(qū)都較弱。4主成分分析法的應用(1)對兗州礦區(qū)下組煤開采底板突水主要影響因素進行了分