一种深井煤层底板含水层注浆加固效果等级评价方法与流程

1.本发明涉及地下工程注浆效果评价技术领域，特别是一种深井煤层底板含水层注浆加固效果等级评价方法。


背景技术：

2.随着煤田开采深度增大，煤炭资源开采进入下组煤开采阶段，一方面，下组煤与其下部奥灰含水层间隔较小，另一方面，奥灰含水层厚度大、岩溶发育完全、承压水压大，使得煤炭资源开采时工作面煤层底板普遍受到奥灰水害的威胁。
3.目前，煤层底板含水层注浆是加固防治奥灰水害的主要措施之一。底板注浆加固是施工注浆孔并对其注浆，浆液在外界压力作用下填满裂隙，凝结后的充填材料在岩体内形成新的网络骨架结构。注浆加固改善了岩体的力学性质，岩体密实度及强度明显增强，大大提高了底板岩层抵抗采动和高承压水破坏的能力，有助于“下三带”理论中保护层的连续性和完整性，有效防止底板含水层突水事件的发生。
4.而注浆属于隐蔽工程，注浆加固效果无法得到全面准确的验证，目前针对隧道、围岩等注浆效果检测的技术手段有钻探法、瞬变电磁法、地质雷达法等，对于煤矿采空区注浆检测技术主要为直流电法，但是上述方法都只是对注浆效果做出初步的定性分析，经验性强，缺乏定量的评判标准，且针对煤层开采底板注浆加固效果的评价目前难以获取各种不同方法的综合评价方法。因此，“如何评价底板含水层注浆效果”成为本领域技术人员亟需解决的技术难题。


技术实现要素：

5.本技术提出了一种深井煤层底板含水层注浆加固效果等级评价方法，该方法综合运用可拓物元理论和层次分析法对煤层底板注浆加固效果进行综合评价，将注浆效果进行等级量化。
6.为实现上述目的，本技术提供了如下方案：
7.一种深井煤层底板含水层注浆加固效果等级评价方法，包括以下步骤：
8.s1：获取深井煤层底板含水层注浆加固效果的影响因素，基于所述影响因素，形成评价指标体系；
9.s2：根据所述评价指标体系中的影响因素及矿区注浆经验，划分评价所述深井煤层底板含水层注浆加固效果等级级次，并制定不同所述注浆加固效果等级级次条件下不同所述评价指标体系的区间阈值；
10.s3：构建所述注浆加固效果等级评价的可拓物元模型，基于所述可拓物元模型得到所述评价指标的关联度矩阵；
11.s4：基于层次分析法得到所述评价指标的权重向量；
12.s5：基于所述关联度矩阵与所述评价指标的权重向量，得到所述评价指标与所述注浆加固效果等级级次之间的综合关联度；
13.s6：根据所述综合关联度确定所述深井煤层底板含水层注浆加固效果等级。
14.优选的，所述s1中，所述评价指标体系包含一级指标和二级指标；
15.其中所述一级指标为深井煤层底板含水层注浆加固效果；所述二级指标为突水系数、单孔平均注浆量、矿井涌水量、注浆压力、钻孔取芯rqd、瞬变电磁物探成果。
16.优选的，所述s2中，所述深井煤层底板含水层注浆加固效果等级级次包含：高等危险性、中等危险性、危险性较低、安全。
17.优选的，所述s3的具体方法为：
18.根据所述评价指标体系以及相应的所述评价指标体系的区间阈值，得到待测物元、经典域和节域；
19.根据确定的所述待测物元、所述经典域和所述节域，使用物元理论和可拓集合的理论，建立所述待测物元矩阵、所述经典域物元矩阵和所述节域物元矩阵；
20.将所述待测物元矩阵、所述经典域物元矩阵和所述节域物元矩阵通过关联函数转化求得关联度。
21.优选的，所述s4的具体过程为：根据所述评价指标的相对重要性构建判断矩阵；对所述判断矩阵进行一致性检验；依据所述判断矩阵得到所述评价指标的权重向量。
22.优选的，对所述判断矩阵进行一致性检验的具体过程为：计算一致性指标，计算平均随机一致性指标，计算随机一致比率，所述随机一致比率＝所述一致性指标/所述平均随机一致性指标，当所述随机一致比率＜0.1时，则所述判断矩阵的一致性可接受，否则，所述判断矩阵的一致性不可接受，重新构建所述判断矩阵并重新确定所述权重向量。
23.优选的，根据所述判断矩阵确定所述评价指标的权重向量的具体过程为：通过matlab中eig函数计算所述判断矩阵的最大特征根及所述最大特征根对应的特征向量；对所述特征向量进行归一化处理，得到所述评价指标的权重向量。
24.优选的，所述s5中所述综合关联度kj(p0)为：
[0025][0026]
式中，wi为第i项特征的权重；kj(p0)为待评单元p0属于j级的综合关联度。
[0027]
本技术的有益效果为：
[0028]
本技术针对影响深井煤层底板含水层注浆加固效果评价的复杂因素提出了一种深井煤层底板含水层注浆加固效果等级评价方法，运用可拓物元理论，基于层次分析法建立二级评价数学模型，计算出评价体系中各因素的影响权值，将人的主观性进行数学表达；从突水系数、单孔平均注浆量、矿井涌水量、注浆压力、钻孔取芯rqd、瞬变电磁物探成果六个方面考量，分析更为细致全面；对注浆效果进行等级量化使注浆效果等级评价更加客观准确。
附图说明
[0029]
为了更清楚地说明本技术的技术方案，下面对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0030]
图1为本技术实施例中一种深井煤层底板含水层注浆加固效果等级评价方法的流
程示意图；
[0031]
图2为本技术实施例中深井煤层底板含水层注浆加固效果等级评价指标体系示意图；
[0032]
图3为本技术实施例中运用层次分析法计算评价指标体系的权重向量的实施流程图。
具体实施方式
[0033]
下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
[0034]
为使本技术的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本技术作进一步详细的说明。
[0035]
本实施例一：如图1所示，是本发明基于层次分析法和可拓物元理论建立的注浆效果等级评价方法的实施流程图，包括以下步骤：
[0036]
s1：获取深井煤层底板含水层注浆加固效果的影响因素，基于影响因素，形成评价指标体系；如图2所示，图2是深井煤层底板含水层注浆加固效果等级评价指标体系示意图。
[0037]
s2：根据评价指标体系中的影响因素及矿区注浆经验，划分评价深井煤层底板含水层注浆加固效果等级级次，并制定不同注浆加固效果等级级次条件下不同评价指标体系的区间阈值；
[0038]
s3：构建注浆加固效果等级评价的可拓物元模型，基于可拓物元模型得到评价指标的关联度矩阵，具体方法如下所述：
[0039]
1)根据建立的指标体系以及相应的指标值确定待测物元、经典域和节域；
[0040]
2)以物元理论和可拓集合为理论依据，根据确定的待测物元、经典域和节域建立待测物元矩阵r0、经典域物元矩阵rj和节域物元矩阵r
p
；
[0041]
3)将确定的待测物元、经典域和节域通过关联函数转化求得关联度矩阵；
[0042]
具体地，可拓物元模型是基于物元理论、可拓集合、关联函数以及关联度，定量地对各个指标进行评价，系统地反映综合评价结果的一种方法。构建可拓物元模型是以物元理论和可拓集合为理论依据，以物元为基元描述矛盾问题，以物元变化为解决手段，通过建立关联函数求得关联度以对事物质变和量变的过程进行描述。本发明通过确定待测物元、经典域和节域，以建立待测物元矩阵r0、经典域物元矩阵rj和节域物元矩阵r
p
。
[0043]
其中待测物元矩阵r0为
[0044]
式中，p0为待评事物，ci为第i个评价指标，其中，i＝1,2,...，n；vi为第i个评价指标ci对应的取值；
[0045]
经典域物元矩阵rj为
[0046][0047]
式中，nj表示目标事物n的第j个评价等级，其中，j＝1,2,...,m；ci为目标事物n的第i个评价指标，其中，i＝1,2,...,n；v
ji
＝(a
ji
,b
ji
)表示等级j中指标i的取值范围。
[0048]
节域物元矩阵r
p
为
[0049]
式中，n
p
表示事物的全体评价等级；ci为n
p
的第i个评价指标，其中，i＝1,2,...,n；v
pi
＝(a
pi
,b
pi
)表示第i个评价指标在n
p
上所取的量值的取值范围。
[0050]
具体地，关联函数是表示物元的量值取值为实轴上一点时，物元符合要求的范围程度。关联函数是事物量变的转化工具，能将定性的问题定量表示。其表达式为：
[0051]
其中，其中，
[0052]
式中ρ(vi,v
ji
)表示各指标量值vi到经典域区间v
ji
的距离，a
ji
和b
ji
分别为经典域区间v
ji
的两个端点；ρ(vi,v
pi
)表示各指标量值vi到经典域区间v
pi
的距离，a
pi
和b
pi
分别为节域区间v
pi
的两个端点；计算结果kj(vi)即为关联度。
[0053]
s4：运用层次分析法计算评价指标的权重向量。权重向量表示各评价指标的相对重要性排序，即权重的分配。对于多层次的综合评价问题，可拓综合评判过程是由低层次向高层次逐步进行的。分别对下级指标构造其各自的判断矩阵并通过matlab中eig函数计算所述判断矩阵的最大特征根及所述最大特征根对应的特征向量；对特征向量进行归一化处理。最后通过一致性检验得出合理的权重向量。
[0054]
图3是运用层次分析法计算评价指标体系的权重向量的实施流程图。包括：
[0055]
s4.1：基于saaty的1～9标度确定评价指标的相对重要性，构建判断矩阵。
[0056]
表1
[0057][0058]
s4.2：根据判断矩阵确定评价指标的权重向量。方法为：通过matlab中eig函数计算出判断矩阵的最大特征根及最大特征根所对应的特征向量，然后对特征向量进行归一化处理形成权重向量。
[0059]
s4.3：对判断矩阵进行一致性检验。方法为：首先，计算一致性指标ci，其次，根据表2查找相应的平均随机一致性指标ri；再次，计算一致性比例cr，当cr《0.10时，认为判断矩阵的一致性可接受，当cr≥0.10时，则需重新构建判断矩阵并重新确定权重向量。
[0060]
表2
[0061]
阶数345678910ri0.520.891.121.261.361.411.461.49
[0062]
s5：将关联度矩阵与层次分析法确定的指标权重向量相结合，得到所述评价指标与注浆加固效果等级级次之间的综合关联度。
[0063]
即：
[0064]
式中，wi为第i项特征的权重；kj(p0)为待评单元p0属于j级的综合关联度
[0065]
由此可以计算得到最高层评价目标的关联度向量。
[0066]
s6：根据所述综合关联度确定深井煤层底板含水层注浆加固效果等级。
[0067]
用kj来判断待评物元的等级：kj＝max{kj(p0)}
[0068]
式中，j＝1,2,...,m.
[0069]
则待评单元p0的等级为j级。
[0070]
下面将结合具体实施例二对本技术作进一步地详细描述。
[0071]
某煤层底板含水层注浆加固后突水系数为0.1mpa/m、单孔平均注浆量3.5t、矿井涌水量480m3/h、注浆压力8mpa、钻孔取芯rqd为0.5、瞬变电磁物探成果异常区域电阻率为3，对该煤层底板注浆加固效果进行等级评价：
[0072]
1.建立注浆效果等级评价指标体系，如附图2所示。
[0073]
2.根据该矿区指标影响因素及注浆经验，划定注浆效果等级级次：高等危险性、中
等危险性、危险性较低、安全(无危险性)，并确定不同注浆效果等级级次条件下评价指标等级的区间阈值；
[0074]
表3
[0075][0076]
3.构建可拓物元模型并计算评价指标关联度。
[0077]
确定各个注浆效果等级的经典域如下：
[0078][0079]
节域为：
[0080][0081]
待评物元：
[0082][0083]
根据关联度计算公式计算各因素关于各等级的关联系数，得到关联度矩阵：
[0084][0085]
4.运用层次分析法计算所述评价指标的权重，见表4。
[0086]
表4
[0087][0088]
确定权重向量为：wi＝[0.380.040.250.160.10.06]
[0089]
5.关联度矩阵与层次分析法确定的指标权重向量相乘得到综合关联度：
[0090]
kj(p0)1×4＝[-0.67-0.690.17-2.04]
[0091]
6.根据综合关联度可知，该煤层底板含水层注浆加固效果等级为：安全
[0092]
以上所述的实施例仅是对本技术优选方式进行的描述，并非对本技术的范围进行限定，在不脱离本技术设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本技术的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本技术权利要求书确定的保护范围内。