基于主成分分析法的煤層底板突水影響因素評(píng)價(jià)

基于主成分分析法的煤層底板突水影響因素評(píng)價(jià)

煤層底板的應(yīng)急問(wèn)題一直是限制煤礦安全生產(chǎn)的一個(gè)難題，關(guān)系到煤礦的長(zhǎng)期發(fā)展和礦工的生命周期。因此,對(duì)煤層底板突水危險(xiǎn)性進(jìn)行客觀、準(zhǔn)確評(píng)價(jià)對(duì)指導(dǎo)煤礦安全生產(chǎn)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。目前,煤層底板突水評(píng)價(jià)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(duì)突水影響因素的影響程度的定量評(píng)價(jià)卻很少。由于煤層底板突水是各種影響因素綜合作用的結(jié)果,因此,如何評(píng)價(jià)各影響因素的影響程度,是準(zhǔn)確評(píng)價(jià)突水危險(xiǎn)性的關(guān)鍵。本文引入主成分分析法,定量評(píng)價(jià)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(duì)多維變量進(jìn)行最佳的綜合與簡(jiǎn)化,并能摒棄傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)法和回歸法確定權(quán)重不足的問(wèn)題,避免主觀隨意性。因此,運(yùn)用主成分分析法定量評(píng)價(jià)各影響因素的影響程度,為客觀評(píng)價(jià)兗州礦區(qū)下組煤開(kāi)采底板突水危險(xiǎn)性提供有力依據(jù),對(duì)制定奧灰水防治措施具有重要的指導(dǎo)意義。1礦區(qū)地質(zhì)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(nèi)構(gòu)造以北東向褶皺構(gòu)造,北西、北東東和近南北向斷層為主體。區(qū)內(nèi)大中型斷層不甚發(fā)育,主體向斜內(nèi)部次級(jí)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(hào)、3號(hào)和太原組6號(hào)),下組煤(太原組16上、17)。兗州礦區(qū)為一相對(duì)獨(dú)立的水文地質(zhì)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(nèi)除第四系上組砂巖和淺部奧灰富水性強(qiáng),補(bǔ)給條件好外,其余各含水層皆以靜儲(chǔ)量為主,補(bǔ)給、徑流、排泄條件均不良。礦井水文地質(zhì)類(lèi)型大多為中等型。2巖性結(jié)構(gòu)及工礦地質(zhì)條件影響底板突水的因素是多方面的,主要包括:地質(zhì)構(gòu)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(yīng)力等。如何衡量各影響因素對(duì)底板突水的影響程度,是準(zhǔn)確判斷煤層底板突水的關(guān)鍵。針對(duì)兗州礦區(qū)下組煤開(kāi)采受奧灰水威脅的實(shí)際情況,本文以開(kāi)采17煤為例,重點(diǎn)分析以下4個(gè)主要影響因素,即:奧灰含水層水頭壓力、隔水層厚度、地質(zhì)構(gòu)造、奧灰含水層富水性。2.1奧灰水壓分布特點(diǎn)根據(jù)兗州礦區(qū)奧灰觀測(cè)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(cè)孔水位變化趨勢(shì)基本一致。礦區(qū)內(nèi)奧灰水壓總體上隨埋深增加而增大。礦區(qū)水壓分布特點(diǎn):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(bǔ)45附近,可達(dá)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(duì)較小的特點(diǎn)根據(jù)兗州礦區(qū)鉆孔資料統(tǒng)計(jì),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(duì)較小的特點(diǎn)。最大隔水層厚度在礦區(qū)中部鉆孔L14-1附近,可達(dá)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(gòu)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(gè)近東西向的地塹構(gòu)造。北部為汶泗斷層與鄆城斷層所控制的汶上—寧陽(yáng)地塹構(gòu)造;南部為菏澤斷層、鳧山斷層與單縣斷層所控制的成武—魚(yú)臺(tái)構(gòu)造。礦區(qū)內(nèi)發(fā)育北東向的褶皺構(gòu)造,并伴有穹窿構(gòu)造。斷裂構(gòu)造主要以北西、北東東和近南北向?yàn)橹?。從整體上看,煤田內(nèi)部大中型斷層不甚發(fā)育,主體向斜內(nèi)部次級(jí)斷層比較少,刺級(jí)褶皺較多。區(qū)內(nèi)有巖漿巖侵入,并且?guī)r性單一,全為橄欖輝長(zhǎng)巖。發(fā)現(xiàn)6個(gè)陷落柱。2.4礦井水源礦區(qū)淺部奧灰及較大斷層帶內(nèi)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(dá)750m,淺灰—青灰色,質(zhì)純致密堅(jiān)硬,屬溶穴裂隙承壓含水層。礦區(qū)內(nèi)單位涌水量0.00209~11.079L/s·m,礦化度0.35~2.948g/L,水質(zhì)類(lèi)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(shì)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(kāi)采時(shí)的主要防治對(duì)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(guò)少數(shù)幾個(gè)主成分來(lái)解釋多變量方差,且彼此獨(dú)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(duì)應(yīng)的特征向量,ZX1,ZX2,…,ZXp是原始數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)標(biāo)準(zhǔn)化處理的值。A=(aij)p×m=(a1,a2,…am),R·ai=λiai,R為相關(guān)系數(shù)矩陣,λi,ai是相應(yīng)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(lái)p個(gè)指標(biāo)的信息時(shí),再考慮選用F2即第2個(gè)線(xiàn)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(chēng)F2為第2主成分,依次類(lèi)推。3.1.2相關(guān)系數(shù)矩陣的計(jì)算和主成分得分系數(shù)(1)對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理,主要是為了排除數(shù)量級(jí)和量綱不同帶來(lái)的影響。式中,xij為第i個(gè)指標(biāo)第j個(gè)樣本的原始數(shù)據(jù);xi和σi分別為第i個(gè)指標(biāo)的樣本均值和標(biāo)準(zhǔn)差。(2)根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化后的數(shù)據(jù)表x*ijp×n計(jì)算相關(guān)系數(shù)矩陣R=rijp×n。(3)計(jì)算R的特征值、特征值貢獻(xiàn)率和累計(jì)貢獻(xiàn)率。(4)確定主成分個(gè)數(shù)、表達(dá)式和特征向量,計(jì)算影響因素的權(quán)重。本文利用SPSS軟件進(jìn)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(diǎn)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(gè)主成分后,從而確定得分系數(shù)。因子i在m個(gè)主成分中的系數(shù)與各主成分方差貢獻(xiàn)率之積求和后,取絕對(duì)值即為該因子的權(quán)重,即:設(shè)主成分q的方差的貢獻(xiàn)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(quán)重為Wi。歸一處理后即可得各因子的權(quán)重向量W主,用此公式對(duì)評(píng)價(jià)因素進(jìn)行評(píng)價(jià)。3.2主成分分析結(jié)果結(jié)合兗礦的資料,以17煤開(kāi)采受奧灰突水影響為例,采用主成分分析法對(duì)底板突水的主要影響因素的影響程度進(jìn)行評(píng)價(jià)。(1)主要影響因素為:奧灰含水層水頭壓力隔水層厚度、地質(zhì)構(gòu)造和奧灰含水層的富水性4個(gè)因素為主要影響因素(其中地質(zhì)構(gòu)造復(fù)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(guò)程:采用SPSS軟件對(duì)影響煤層底板突水的4個(gè)因素進(jìn)行主成分分析,評(píng)價(jià)結(jié)果見(jiàn)表1和表2。根據(jù)表1可知,4個(gè)主成分解釋方差的貢獻(xiàn)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(xiàn)率為78.034%,已包含了評(píng)價(jià)中所需大部分信息。故選用第1、第2個(gè)主成分即可。再次調(diào)用SPSS軟件對(duì)表2中的第1、第2主成分因子載荷陣進(jìn)行運(yùn)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(quán)重向量即(W地質(zhì)構(gòu)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(zhì)構(gòu)造>W富水性。從以上評(píng)價(jià)結(jié)果看出:在兗州礦區(qū),17煤開(kāi)采奧灰底板突水影響因素的重要性次序?yàn)?奧灰含水層水頭壓力>隔水層厚度>地質(zhì)構(gòu)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(dǎo)作用,而奧灰含水富水性影響作用最小。究其原因,在于整個(gè)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(yīng)用(1)對(duì)兗州礦區(qū)下組煤開(kāi)采底板突水主要影響因素進(jìn)行了分