劉林利

（開灤（集團）有限責(zé)任公司，河北 唐山 063018）

0 引 言

大同煤田采煤區(qū)地面塌陷嚴(yán)重，不同的塌陷程度對地表的破壞程度各不相同，在地面塌陷嚴(yán)重時，因采動造成的地裂縫由工作面到達(dá)地表，對工作面回采造成威脅，嚴(yán)重影響土地利用；當(dāng)?shù)孛嫠莩潭容^輕時，地表表現(xiàn)不強烈，對工作面回采無明顯影響[1-2]。張國麗等[3]采用GIS和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合的方法，對采空塌陷進行預(yù)測，但神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)和參數(shù)選擇復(fù)雜，算法收斂速度較慢；程愛寶等[4]將層次分析法與粗糙集理論相結(jié)合，科學(xué)合理地確定采空區(qū)穩(wěn)定性影響因素權(quán)重，為采空區(qū)穩(wěn)定性預(yù)測奠定良好基礎(chǔ)，但當(dāng)指標(biāo)過多時，數(shù)據(jù)統(tǒng)計量較大，各指標(biāo)權(quán)重難以確定，具有較強的主觀性；張連杰等[5]采用T-S模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型對采空區(qū)地面塌陷危險性進行預(yù)測，但計算較復(fù)雜，對指標(biāo)權(quán)重矢量的確定主觀性較強。因此，本文綜合各方法的優(yōu)勢，構(gòu)建基于灰色系統(tǒng)理論的分析模型，得到各影響因子對地面塌陷破壞程度的權(quán)重，對地面塌陷進行預(yù)測，提高預(yù)測的準(zhǔn)確性。

1 概 況

挖金灣礦8103、8105工作面均位于一盤區(qū)，開采4號煤層，平均厚度3.1 m，傾角平均2°。8103工作面位于秦家山村東部，南部與盤區(qū)北回風(fēng)巷、主運輸巷、輔運輸巷相接，東部與8105工作面采空區(qū)相鄰，西、北部尚未開掘。工作面走向長1 334 m，傾向?qū)?00.5 m，采用走向長臂一次采全高開采方法，全部冒落法管理頂板。8105工作面南部與盤區(qū)北回風(fēng)巷、主運輸巷、輔運輸巷相接，西部與8103工作面采空區(qū)相鄰，東部尚未開拓，北部與一條落差9.80 m斷層相鄰。工作面走向長1 527 m，傾向?qū)?26.8 m，平均傾角3°，采用走向長臂一次采全高開采方法，全部冒落法管理頂板。

4號煤層直接頂為灰色粉細(xì)砂巖，厚度為5.2～8.7 m，水平層理發(fā)育，老頂為粉細(xì)砂巖，厚度為9.5～13.2 m。頂板巖層的硬度為6，冒落巖石碎脹系數(shù)為1.2。針對其頂板巖層性質(zhì)，計算出冒落帶發(fā)育高度為7～9 m，巖層的電阻率變化不均勻，總體超過1 000 Ω·m，屬于破壞區(qū)；裂隙帶發(fā)育高度為30～37 m，巖層的電阻率變化不均勻，局部超過1 000 Ω·m，且上下溝通特征明顯，屬于破壞導(dǎo)通區(qū)，局部巖層的電阻率低于500 Ω·m，電阻率顯著增加但沒有表現(xiàn)出破壞特征；彎曲下沉帶發(fā)育高度為37 m以上，巖層的電阻率沒有出現(xiàn)普遍上升或下降，相對穩(wěn)定。

2 灰色系統(tǒng)理論

通過分析影響系統(tǒng)發(fā)展的各種因素，如果發(fā)展趨勢都相同，說明各因素間有很大的灰色關(guān)聯(lián)程度[6]。根據(jù)灰色關(guān)聯(lián)度的大小來衡量各因素的接近程度，灰色關(guān)聯(lián)度越大，說明兩因素越接近。

2.1 建立模型

首先建立樣本數(shù)據(jù)，參考序列為工作面的地面塌陷破壞等級X0=（極嚴(yán)重、嚴(yán)重、中等、輕微、極輕微），比較序列為對應(yīng)的松散層厚度X1、上覆基巖厚度X2、煤層厚度X3、煤層埋深X4、地形地貌X5、煤層傾角X6，在構(gòu)建參考序列時，對參考序列X0中地面塌陷等級進行賦值，按照極嚴(yán)重、嚴(yán)重、中等、輕微、極輕微等級分別賦值為5、4、3、2、1，將比較序列中X5地形地貌的丘陵賦值為0.5，得到部分樣本數(shù)據(jù)見表1。

表1 樣本數(shù)據(jù)Table 1 Sample data

構(gòu)建如下評價分析序列[4]：

2.2 數(shù)據(jù)處理

為使各序列無量綱化或各序列基本處于同一數(shù)量級中，對每一序列中各數(shù)值的物理意義、量綱、空間相對位置的差進行消除，使各序列具有可比性，同時對煤層厚度、煤層埋深、上覆基巖厚度、松散層厚度、地形地貌、煤層傾角進行柵格化處理[7]。無量綱化區(qū)間值變化按照公式（1）進行處理：

式中：Xi(j)為比較序列；MaxXi(j)為最大百分比；MinXi(j)為最小百分比。

2.3 確定關(guān)聯(lián)系數(shù)

求參考序列（母序列）與比較序列（子序列）之差的絕對值[8]見公式（2）。

式中：△表示在各序列最小差的基礎(chǔ)上，按k=1,2,3…n找出所有序列中的最小差，即兩級最小差，并對差序列求取最大值Maxmax△Oi(k)和最小值Minmin△Oi(k)。

2.4 計算關(guān)聯(lián)度

式中：ξ為分辨系數(shù)；Maxmax△Oi(k)為差序列最大值；Minmin△Oi(k)為差序列最小值；△Oi(n)為比較數(shù)列對參考數(shù)列在n時刻的關(guān)聯(lián)系數(shù)。

運用灰色關(guān)聯(lián)度分析程序，計算各子序列對母序列的關(guān)聯(lián)度，得到參考序列與比較序列之間的，見表2。

表2 各因素關(guān)聯(lián)度Table 2 Correlation of factors

通過公式計算各因子對于塌陷破壞程度的權(quán) 重，得到結(jié)果見表3。

表3 各因素權(quán)重表Table 3 Weight table of each factor

3 效果分析

利用灰色系統(tǒng)理論分析模型，結(jié)合地質(zhì)條件和塌陷破壞程度，選取6個影響因子，進行影響權(quán)重的計算分析，對8103以及8105工作面作出塌陷破壞程度預(yù)測。并采用ArcGIS可視化軟件，對圖層進行空間疊加分析運算，對運算結(jié)果按照自然間斷點分級法進行分級[9-10]，共分為5級：極嚴(yán)重、嚴(yán)重、中等、輕微、極輕微，其中東部地區(qū)由于埋深較大，未出現(xiàn)極嚴(yán)重區(qū)域，計算結(jié)果如圖1所示。

圖1 工作面塌陷程度破壞預(yù)測Fig.1 Prediction of collapse degree damage of working face

其中，淺灰色代表極輕微，白色代表輕微，深灰色代表中等，黑色代表嚴(yán)重。

通過對實測的數(shù)據(jù)和相關(guān)因子進行權(quán)重分析，利用ArcGIS仿真平臺，根據(jù)現(xiàn)場實際應(yīng)用，結(jié)果表明，8103工作面地面塌陷破壞程度為中等，8105工作面地面塌陷破壞程度為輕微，計算結(jié)果與實測結(jié)果相吻合。

4 結(jié) 論

（1）通過選取煤層厚度、煤層埋深、上覆基巖厚度、松散層厚度、地形地貌、煤層傾角為計算因子，建立地面塌陷破壞程度計算模型，分析各因子對地面塌陷破壞的形式，結(jié)合灰色關(guān)聯(lián)分析法求出各因子的權(quán)重分別為0.121、0.234、0.179、0.226、0.112、0.128。

（2）對8103工作面地面塌陷破壞程度計算為中等，8105工作面地面塌陷破壞程度為輕微，計算模型的容錯能力更強，穩(wěn)定性更高，計算結(jié)果更加精確。