岩体突水决策模型研究：基于熵的充填开采空间多准则

根据研究区勘探资料及水文地质、工程地质与开采技术条件分析，并结合现场试验测试资料，获得研究区主控因素的典型量化数据，见表7-5。煤层上覆岩体层的移动与破裂是由于煤层开采导致的，采动破坏的裂隙会在覆岩中形成。根据研究区基岩分布情况，应用GIS三维分析功能，生成覆岩厚度评价指标因子专题图，如图7-9（a）所示。基岩面起伏专题图定量地、清晰地反映了地下构造，特别是褶皱构造形态如图7-9（b）所示，本区域构造简单，应用熵值数学模型获得基岩程度因素的权重仅为0.0057，本区地质构造对提高开采上限影响程度较低。太平煤矿第四系底部普遍分布有一层黏土层，该层黏土一般为灰白色、浅灰绿色，质较纯，有时为砂质黏土，钻探至该层位不出水。根据本矿多年开采实践经验，该黏土层可以作为防水保护层的组成部分。该层黏土在六南采区普遍分布，厚度为0～14.02m，根据钻孔揭露，在六南03工作面底分层上顺槽西北侧出现黏土天窗，范围很小。六南03工作面底分层开采区域黏土层分布为0～10.9m，上顺槽西北侧的03-2-3、03-2-4、03-2-5和03-2-6钻孔探测黏土厚度为0，六南03工作面一分层曾出现较大涌水量，达到90m3/h，但持续时间很短，经过采空区疏排水工作，03工作面实现了安全开采，该黏土层起到了很好的保护作用，黏土层的完整性未产生影响，该黏土层仍可以作为防水保护层的组成部分。而六采区南部03工作面3号煤覆岩由于受风化作用，强度有较大幅度的降低，岩石大部分属于软质岩石和中硬偏软类型，有利于抑制导水裂缝带的发育，第四系底部黏土隔水层厚度评价指标因子专题图如图7-9（c）所示。然后，对上述各个主控因素专题图进行归一化处理。最后，结合熵值数学模型式（6-18）获得各个因素的权重，见表7-6，运用GIS进行空间叠加分析，获得近松散煤层提高开采上限的综合决策分区图，如图7-10所示。

表7-5　六南03工作面充填开采各因素值

表7-6　六南03工作面充填开采各因素的熵值与权重

ArcGIS中有一系列用于统计参数映射的数据分类方法，数据值可以根据数据中自然存在的中断或缺口进行分类，采用自然间断法对决策结果进行分区，用自然间断法确定了分区专题图的阈值，将研究区划分为五个分区，如图7-10所示，从六南03工作面底分层提高开采上限的综合决策图中可以看出，对于六南03工作面底分层开采大部分地区，进行充填开采属较安全区，但由于不同地段，影响提高开采上限的因素不同，其突水溃砂危险性程度不同，未来防治水工作的重点也有所不同。

图7-9　充填开采各准则专题图

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图7-10　厚煤层分层充填开采空间多准则决策结果图

（1）严重危险区：主要分布在研究区03工作面扩大区，且基岩厚度薄，其特点为第四系底部黏土层厚度小，且有空白区，含水层厚度较薄，且富水性中等，顶板基岩薄易全厚切落，破断直接波及松散层含水层甚至上部水体，易发生顶板突水溃砂，应按照要求进行充填开采，制定相关防治水措施保证安全开采。

（2）危险区：分布在研究区扩大区与叠加区交界处，此处基岩厚度虽然增加，但富水性中等，当受到采动破坏时，发生突水溃砂的可能性会增加。

（3）突水溃砂威胁区：该区主要分布于基岩厚度较厚区，主要为叠加区，第四系底部黏土层厚度较稳定，松散层底部含水层富水性弱，为煤矿生产过程中应控制采厚，采用膏体充填，覆岩厚度满足留设防水煤岩柱要求。

（4）较安全区：该区主要分布于厚基岩区，该区特点是受到采动破坏后，并进行充填开采，裂隙带破坏高度不会波及松散层底部含水层。

（5）安全区：该区基岩厚度普遍大于29m，充填开采采厚2.2m，覆岩厚度大于需要防水煤岩柱，属于安全区。

六南03工作面专题图显示，底分层大部分可以安全开采。但是，在不同的地区，应根据不同的危险程度，考虑不同的方案来预防和控制突水和涌砂，这些危险程度受决定采矿安全的不同因素的影响。