王騰輝　王來斌　王健　孟令普

【摘 要】運(yùn)用用突水系數(shù)法進(jìn)行突水危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)，再通過分析工作面的水壓、含水層、隔水層厚度（底板巖層厚度）、底板采動(dòng)破壞深度、斷層落差（對(duì)完整底板而言斷層落差取零）作為預(yù)測(cè)底板突水的控制參數(shù)建立BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行底板突水量預(yù)測(cè)，以達(dá)到安全開采該采區(qū) 10 煤層的目的。

【關(guān)鍵詞】突水系數(shù)法；BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)；底板突水量

0 前言

中國主要煤炭生產(chǎn)基地的華北型煤田大部分分布在巖溶地區(qū)，由于巖溶礦區(qū)水文地質(zhì)的極其復(fù)雜，在帶壓采煤活動(dòng)的影響下使得其賦存的巖溶水具有強(qiáng)烈的隨機(jī)性，煤層頂?shù)装逋凰疄槠渲饕栴}?；幢泵禾镒鳛榈湫偷娜A北型煤田，水文地質(zhì)條件復(fù)雜，隨著開采深度、速度以及規(guī)模的增加，煤礦安全開采普遍受到太灰水和奧灰水的嚴(yán)重威脅，也曾發(fā)生多次底板突水事故。煤層底板突水的準(zhǔn)確預(yù)報(bào)預(yù)測(cè)是保障煤層開采的關(guān)鍵，底板突水的預(yù)報(bào)預(yù)測(cè)是一個(gè)涉及到水文地質(zhì)、工程地質(zhì)、開采條件和巖石力學(xué)等諸多因素的復(fù)雜問題[2-3]。本文結(jié)合袁店一礦101、102采區(qū)的實(shí)際條件，運(yùn)用用突水系數(shù)法[1-4]進(jìn)行突水危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)，再通過建立BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行底板圖水量預(yù)測(cè)，以達(dá)到安全開采該采區(qū) 10 煤層的目的。

1 采區(qū)概況

袁店井田位于安徽省濉溪縣與渦陽縣的交界處，東距宿州市約50km ，面 積 約37.22km2。袁店煤礦太原群灰?guī)r含水層為10煤底板直接充水含水層，該含水層厚度大，水量豐富，水壓高，若與礦井形成直接溝通，后果將會(huì)很嚴(yán)重。文中收集袁店一礦102采區(qū)10煤93個(gè)鉆孔資料的數(shù)據(jù)，剔除受斷層影響的37個(gè)，受巖漿巖影響間距增厚3個(gè)以及8個(gè)鉆孔為太灰露頭孔。選取其中45個(gè)符合要求的數(shù)據(jù)。

2 底板突水危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)

底板突水的準(zhǔn)確預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)是保障承壓水上安全開采的關(guān)鍵，10煤層底板突水與否，主要取決于太灰水頭壓力、底板隔水層性質(zhì)（巖性、厚度、力學(xué)性質(zhì)、水理性質(zhì)）以及底板受構(gòu)造和煤層開采時(shí)擾動(dòng)破壞程度等因素。10煤層是袁店煤礦的主采煤層，其承壓水上開采的成功與否直接關(guān)系的整個(gè)煤礦的開采安全，意義重大。本文結(jié)合袁店煤礦實(shí)際條件，運(yùn)用突水系數(shù)法進(jìn)行突水危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)。

突水系數(shù)是指單位厚度所能承受的水壓值，表達(dá)式為T =P/M 式中，P ——作用于底板的水壓，MPa；M ——底板厚度，m。用突水系數(shù)評(píng)價(jià)底板穩(wěn)定性的關(guān)鍵在于確定臨界突水系數(shù) Ts，即當(dāng)TTS說明底板不穩(wěn)定，發(fā)生突水的可能性較大。對(duì)礦區(qū)大量突水資料分析得出臨界突水系數(shù)TS值見表1[5]。

表1 底板突水系數(shù)表

10煤層底板突水與否，主要取決于太灰水頭壓力、底板隔水層性質(zhì)（巖性、厚度、力學(xué)性質(zhì)、水理性質(zhì)）以及底板受構(gòu)造和煤層開采時(shí)擾動(dòng)破壞程度等因素。采用公式T=P/M及P=（H-h）×0.0098（MPa）估算了袁店一井煤礦部分鉆孔的太灰突水系數(shù)。式中T-突水系數(shù)（MP/m）、P-灰?guī)r水頭壓力（MPa），M-10煤層底板至太原組一灰間距（m），H-太灰水位標(biāo)高（m），h-開采水平（m）。據(jù)04-06、06-26孔抽水試驗(yàn)袁店一井煤礦平均靜止水位標(biāo)高+18.869m，一水平10煤開采水平為-250～-748m。突水系數(shù)T=0.0098×（18.869+h）/M，利用該公式估算袁店一井煤礦太灰突水系數(shù)。

取表 1中的臨界突水系數(shù)最小值 0.06 作為臨界突水系數(shù)，與之比較袁店一井煤礦太灰突水系數(shù)的計(jì)算結(jié)果，可以看出不同水平不同隔水層厚度，突水系數(shù)之間差異比較大。袁店一井煤礦10煤開采突水系數(shù)除04-41、04-50、06-5三孔外，其余各孔均超過0.07 MPa/m ，其中59個(gè)鉆孔的突水系數(shù)大于0.10 MPa/m，尤其是13-1、15-1、21-2、04-47、04-49、04-51、04-60、04-63、04-66、04-69、04-78、04-79、04-91、06-13、06-28等孔10煤底板受五溝—楊柳斷層、袁店斷層、F1、F4、F6、DF10、EF35斷層影響，突水系數(shù)更大。04-49、04-58、04-75、06-17孔10煤甚至與太灰“對(duì)口”接觸。因此，袁店一井煤礦10煤層開采要采取嚴(yán)格的灰?guī)r水防治措施。

3 底板突水量預(yù)測(cè)

3.1 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)簡(jiǎn)介

圖1 煤層底板突水量模型結(jié)構(gòu)圖

BP 模型是目前研究最多、應(yīng)用最廣泛的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型。其結(jié)構(gòu)如圖1所示，BP 網(wǎng)絡(luò)有輸入層、隱含層和輸出層。基本思想是梯度下降法，采用梯度搜索技術(shù)，達(dá)到實(shí)際輸出值與期望輸出值的誤差均方差為最小[7]。影響底板突水的因素較多，通過對(duì)大量底板突水案例的統(tǒng)計(jì)分析，主要影響因素有以下5個(gè)：水壓、含水層、隔水層厚度（底板巖層厚度）、底板采動(dòng)破壞深度、斷層落差（對(duì)完整底板而言斷層落差取零）作為預(yù)測(cè)底板突水的控制參數(shù)，即網(wǎng)絡(luò)的輸入。網(wǎng)絡(luò)的輸出即為底板突水量。BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練過程包括前向計(jì)算和誤差反向傳播 2個(gè)過程：（1）正向傳播，在正向的傳播過程中，輸入信息從輸入層經(jīng)過隱含層逐層處理，傳向輸出層，每層神經(jīng)元的狀態(tài)只影響下一個(gè)神經(jīng)元的狀態(tài)；（2）反向傳播，輸出結(jié)果達(dá)不到預(yù)期值時(shí)，將轉(zhuǎn)至反向傳播，將誤差值按連接通路反向計(jì)算，利用梯度下降法調(diào)整各層神經(jīng)元的權(quán)值，使輸出結(jié)果達(dá)到預(yù)期值。

按煤科總院西安分院王夢(mèng)玉等人的劃分方案，將底板突水量分為 4 個(gè)等級(jí)（見表 2），由網(wǎng)絡(luò)輸出突水量的情況可預(yù)測(cè)突水等級(jí)的大小。參數(shù)取值的原則是能完全定量的用定量數(shù)據(jù)表示，不能定量的用二值模式表示。定性因素取值原則如表2所示。

表2 變量定義

3.2 學(xué)習(xí)樣本的確定

從大量的煤層底板突水案例[8]中選取13個(gè)典型的采煤工作面底板突水資料，從中選10個(gè)作為學(xué)習(xí)樣本，如表3。

表3 學(xué)習(xí)和檢驗(yàn)樣本

圖 2 底板突水量預(yù)測(cè)模型訓(xùn)練過程圖

根據(jù)表 3，建立 BP 網(wǎng)絡(luò)，其中輸入層節(jié)點(diǎn) 5 個(gè)，輸出層節(jié)點(diǎn)為 1 個(gè)，隱含層取15 個(gè)節(jié)點(diǎn)。網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練采用 Levenberg-Marquartdt 反向傳播算法對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練（trainlm函數(shù)）。訓(xùn)練前，把訓(xùn)練樣本和檢驗(yàn)樣本用 matlab 中的 premnmx 函數(shù)做歸一化處理，然后用樣本訓(xùn)練該 BP 網(wǎng)絡(luò)，迭代 8 次后，達(dá)到要求精度，底板突水量預(yù)測(cè)模型訓(xùn)練過程見圖 2，表 4 為用訓(xùn)練好的網(wǎng)絡(luò)對(duì)檢驗(yàn)樣本進(jìn)行預(yù)測(cè)的結(jié)果。由表5可知，預(yù)測(cè)突水量相對(duì)誤差最大為 10.1%，最小為 4.6%，預(yù)測(cè)突水量等級(jí)完全與實(shí)際符合，說明灰色BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的計(jì)算結(jié)果更為接近實(shí)際，精度高，誤差小，可用訓(xùn)練好的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行底板突水量的預(yù)測(cè)。

3.3 預(yù)測(cè)計(jì)算結(jié)果

本次預(yù)測(cè)分別以101采區(qū)1011工作面102采區(qū)的1023工作面為例，1011工作面各參數(shù)指標(biāo)見表5：輸入水壓、含水層、隔水層厚度、采動(dòng)底板破壞速度，斷層落差，輸出結(jié)果為：

表5 1011、1023工作面參數(shù)指標(biāo)

4 結(jié)論

（1）袁店一井10煤開采突水系數(shù)較大 ，袁店一井10煤層開采均要采取嚴(yán)格的灰?guī)r水防治措施。

（2）通過運(yùn)用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)煤層底板最大突水量，袁店一井10煤開采1011、1023工作面有突水危險(xiǎn)，尤其是1023工作面一旦發(fā)生突水，其突水等級(jí)較大。

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[責(zé)任編輯：楊玉潔]