基于灰色關聯(lián)度的開采沉陷關鍵影響因子分析

趙曉光 宋世杰 管園園

(西安科技大學地質與環(huán)境學院,陜西省西安市,710054)

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基于灰色關聯(lián)度的開采沉陷關鍵影響因子分析

趙曉光 宋世杰 管園園

(西安科技大學地質與環(huán)境學院,陜西省西安市,710054)

根據陜西榆神府礦區(qū)15個典型礦點的煤炭地質賦存條件和開采設計方案以及地表巖移觀測數據,采用灰色關聯(lián)分析法研究了地表最大下沉系數與其影響因素之間的關系。按照灰色關聯(lián)度大于或等于0.70的原則,確定覆巖綜合普氏硬度、擾動系數、深厚比、采高、覆巖巖層厚度、覆巖土層厚度為榆神府礦區(qū)開采沉陷關鍵影響因子,為該礦區(qū)的開采沉陷損害控制和評價提供科學依據。

榆神府礦區(qū) 開采沉陷 灰色關聯(lián)分析 關鍵因子 TD167

AbstractBased on the data of the coal occurrence conditions,data of mining p rocess design and data about surface rock disp lacement obtained through observation in 15 typical coalmines in Yu(lin)-Shen(mu)-Fu(gu)coal field,grey correlation degree based analysis is used in a study on the relations betw een the maxim um surface subsidence coefficient and its affecting facto rs.In linew ith the p rincip le of P≥0.70,it is determined that the Protodyakonov coefficient of the overlying strata,disturbance coefficient,dep th-thickness ratio,mining height,thicknessof overlying strata and thicknessof overlying soil are the key factorsaffecting the surface subsidence caused by mining activity in Yu(lin)-Shen(mu)-Fu(gu)coalmining area.

Key wordsYu(lin)-Shen(m u)-Fu(gu)coal mining area,surface subsidence caused by mining,grey correlation analysis,key factor

1 前言

榆神府礦區(qū)作為我國煤炭儲量超千億噸的巨型煤田,在為國民經濟作出突出貢獻的同時,其開采沉陷問題也日趨嚴重。目前,神華神東公司共形成沉陷面積43.33 km2,占榆林縣沉陷面積的93.3%。本文以榆神府礦區(qū)為研究對象,在深入分析榆神府礦區(qū)開采沉陷形成機理的基礎上,運用灰色關聯(lián)理論及分析方法對該礦區(qū)開采沉陷的關鍵控制因子進行篩選,對今后開采沉陷的防治提供科學依據。

2 榆神府礦區(qū)開采沉陷產生機理分析

2.1 煤炭賦存條件的特殊性為該礦區(qū)開采沉陷的產生奠定了基礎

榆神府礦區(qū)地質構造簡單,基本上是一個向西傾斜的單斜構造,傾角僅1°左右,近似水平。礦區(qū)煤層埋藏很淺 (一般在100 m左右)、煤層厚、基巖薄,且為巨厚松散層所覆蓋。因此,隨著淺埋煤層的大規(guī)模開采和工作面的推進,出現(xiàn)基巖全厚切落和地表非連續(xù)式裂縫破壞情況。與此同時,隨著采空區(qū)面積的逐漸擴大,地表各點下沉速度也逐漸增大,而地表風積沙土松散層因為沒有任何抗變形能力,且對煤層上覆基巖施加重力,加劇了地表破壞速度和地表塌陷坑、裂縫等非連續(xù)移動破壞強度。

2.2 煤礦開采設計條件是影響礦區(qū)開采沉陷的重要因素

采深、采厚是影響采動地表沉陷破壞的重要因素,這兩個因素的比值,即深厚比 (H/m)又決定著開采煤層上覆巖層移動破壞的特征與范圍。一般來講,在榆神府礦區(qū)淺部開采,深厚比小于30～40時,地表沉陷呈非連續(xù)移動變形破壞形態(tài);深厚比大于30～40時,開采地表沉陷呈連續(xù)移動破壞形態(tài)。但是在特殊的地層條件下,特別是地表基巖較薄、松散層厚度較大的條件下,深厚比更大時,地表才呈現(xiàn)連續(xù)移動沉陷盆地現(xiàn)象,否則地表將出現(xiàn)密度較大的臺階割裂式破壞裂縫現(xiàn)象。

開采方法也是影響開采地表沉陷破壞的重要因素。在榆神府礦區(qū),目前的開采方法有兩大類:一類是綜合機械化長壁式大采高開采方法,主要用于神東公司在神府礦區(qū)的5大礦井及個別的地方國有煤礦;另一類是柱式短壁式開采方法,主要用于地方煤礦和小煤礦。長壁綜采引起地表出現(xiàn)大面積的沉陷,當深厚比比較小時,地表會呈現(xiàn)非連續(xù)移動破壞,當深厚比比較大時,地表呈現(xiàn)連續(xù)移動變形沉陷盆地。所以開采引起地表大范圍、高密度的割裂裂縫破壞及塌陷坑破壞是必然的。

此外,工作面走向長、工作面傾向長、寬深比、初長比等開采設計條件也對開采沉陷產生一定影響。

3 開采沉陷關鍵影響因子的灰色關聯(lián)分析

3.1 影響因子選取

在已有研究成果和廣泛咨詢專家的基礎上,依據榆神府礦區(qū)開采沉陷產生機理,從煤炭賦存條件和開采設計條件兩個角度出發(fā),選擇了傾角、采深、巖層厚度、土層厚度、土巖比、覆巖綜合普氏硬度、擾動系數、工作面傾向長、井田面積、寬深比、采高、深厚比、工作面走向長、開采強度、回采率15個影響因子。并在榆神府礦區(qū)選擇15個煤礦作為樣點,采集相關數據資料。運用統(tǒng)計軟件SPSS16.0對15個樣點的原始數據進行主成分分析,結果見表1和表2。

表1中反映了每個因子的特征值、占方差百分比及累計貢獻率3個屬性。按照主成分對應特征值必須大于1的提取原則,前5個因子被確定為主成分因子。也就是說,在15個影響因子中,存在5個主成分,它們累計貢獻率達到86.19%,根據主成分累計貢獻率大于85%的原則,可以認定這5個主成分幾乎能包含原始指標的全部信息。

表2反映了原始變量與各主成分之間的相關程度。由相關程度可以確定各主成分與原始因子的關系。主成分與原始因子相關系數絕對值大于0.7可視為相關程度較高。因此通過分析可以得到:第一主成分與深厚比、采高、采深相關較高;第二主成分與擾動系數、工作面走向長、開采強度相關較高;第三主成分與巖層厚度、覆巖綜合普氏硬度、土層厚度、土巖比相關較高;第四主成分與工作面傾向長度、寬深比、井田面積相關較高;第五主成分與傾角、回采率相關較高。

表1 方差分解主成分提取分析表

表2 初始因子載荷矩陣數據表

依據上述結果,從地質賦存條件和煤礦開采設計條件兩個角度,最終確定兩大類10個影響因子,見表3。

表3 開采沉陷影響因子表

3.2 灰色關聯(lián)分析

3.2.1 基本原理

灰色關聯(lián)分析主要用于分析系統(tǒng)各因素之間隨時間變化的動態(tài)關系及其特征,從而找到系統(tǒng)的主要因素。在系統(tǒng)發(fā)展過程中,如果兩個因素變化的態(tài)勢基本一致,即同步變化程度較高,則認為這兩個因素的關系密切,或關聯(lián)度大;否則稱其關聯(lián)度小。因此關聯(lián)度是對系統(tǒng)各因素之間關聯(lián)程度的定量描述。

3.2.2 原始數據采集

依據表3中影響因子,對榆神府礦區(qū)15個典型礦點進行原始數據采集,同時將地表最大下沉系數 X0一并匯總于表4。

表4 榆神府礦區(qū)開采沉陷影響因素原始數據表

3.2.3 過程及結果

以表4中數據構造原始數據矩陣,對榆神府礦區(qū)開采沉陷影響因素進行灰色關聯(lián)分析。其中,因為地表最大下沉系數 X0是表征開采沉陷強度的最主要指標之一,所以,本次分析以地表最大下沉系數為母因素;以 X1～X10為子因素進行分析。

求得關聯(lián)度:

G(0,1)=0.65;G(0,2)=0.70;G(0,3)= 0.72;G(0,4)=0.87;G(0,5)=0.73;G(0,6)= 0.77;G(0,7)=0.66;G(0,8)=0.59;G(0,9)= 0.62;G(0,10)=0.85。

排出關聯(lián)序:G(0,4)>G(0,10)>G(0,6)> G(0,5)>G(0,3)>G(0,2)>G(0,7)>G(0,1) >G(0,9)>G(0,8),即:覆巖綜合普氏硬度>擾動系數>深厚比>采高>覆巖巖層厚度>覆巖土層厚度>工作面傾向長>煤層傾角>寬深比>工作面走向長。

4 結論

(1)與地表最大下沉系數關聯(lián)度最大的是覆巖綜合普氏硬度和擾動系數,分別為0.87、0.85;其次是深厚比、采高、覆巖巖層厚度、覆巖土層厚度、工作面傾向長、煤層傾角,關聯(lián)度分別為0.77、0.73、0.72、0.70、0.66、0.65;而工作面走向長、寬深比的關聯(lián)度相對較小,其中工作面走向長的關聯(lián)度最小,為0.59。

(2)從關聯(lián)度大小和排序來看,覆巖綜合普氏硬度、擾動系數與地表最大下沉系數的關聯(lián)度僅差0.02,對開采沉陷的影響相當,都為最重要影響因素,說明煤層覆巖的力學特征和煤礦開采強度在較大程度上決定了開采沉陷的損害程度,前者體現(xiàn)了礦區(qū)自身地質環(huán)境抗損害的能力,后者體現(xiàn)了人類活動對礦區(qū)地質環(huán)境的損害強度;深厚比與地表最大下沉系數關系密切,說明利用深厚比可以比較準確地反映和描述開采沉陷的損害形式和程度,這一結果與前人研究一致;覆巖的巖層厚度和土層厚度與地表最大下沉系數的關聯(lián)度都超過或達到70%,表明開采沉陷損害的程度不僅與覆巖力學特征有關,還與覆巖的結構有著比較密切的關系;工作面的大小和煤層自身的傾角與地表最大下沉系數的關聯(lián)度都超過了60%,同樣是不可忽視的影響因素。

(3)按照突出重要因素的原則和要求,本文將灰色關聯(lián)度G大于或等于0.70為標準,確定覆巖綜合普氏硬度、擾動系數、深厚比、采高、覆巖巖層厚度、覆巖土層厚度為榆神府礦區(qū)開采沉陷關鍵影響因子。

(4)本文從煤炭賦存條件和開采設計基本參數的角度,確定了榆神府煤礦區(qū)開采沉陷關鍵影響因子,為選取榆神府礦區(qū)開采沉陷損害評價指標提供了重要參考和科學依據。同時由于這些主要影響因素計算參數的易得性,也為快速便捷評價煤礦區(qū)開采沉陷損害程度提供新的思路。

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(責任編輯 張艷華)

Analysis of key Influencing Factorsof M ining Subsidence with grey A grey correlation degree based analysisof the key factors influencing surface subsidence caused bymining

Zhao Xiaoguang,Song Shijie,Guan Yuanyuan

(College of Geology and Environment,Xi’an University of Science and Technology,Xi’an,Shaanxip rovince 710054,China)

趙曉光 (1965-),男,西安科技大學地質與環(huán)境學院院長,教授,博士生導師,主要從事水土環(huán)境工程、礦山環(huán)境保護與生態(tài)恢復領域的教學和研究工作。

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