周向文,楊亞威,楊永康

(1.中煤大同能源有限公司塔山煤業(yè)有限責(zé)任公司,山西 大同 037000; 2.太原理工大學(xué) 采礦工藝研究所,太原 030024)

1 工程概況

中煤大同能源有限公司塔山煤礦位于大同市南郊區(qū)口泉鄉(xiāng)上窩寨村北,設(shè)計能力為300萬t/a,現(xiàn)階段主采5(3-5)#煤層。礦井采用平硐、斜井開拓方式,現(xiàn)有一個主平硐、一個副平硐、一個回風(fēng)斜井,屬特厚煤層,采用綜采放頂煤開采,5#煤煤層平均埋深約為450 m。根據(jù)已施工鉆孔揭露巖性情況統(tǒng)計,5(3-5)#煤層頂板以直接頂分布為主,僅在20號鉆孔分布有偽頂,偽頂巖性為泥巖,其厚度為0.65 m。直接頂:礦區(qū)內(nèi)普遍分布,巖性主要為砂質(zhì)泥巖、炭質(zhì)泥巖、高嶺質(zhì)泥巖及泥巖,其厚度在1.14～5.62 m之間。老頂:主要分布在002、1701號鉆孔附近,巖性為中粒砂巖及粗粒砂巖,其厚度分別為4.56 m及5.43 m。底板:巖性以砂質(zhì)泥巖、粉砂巖為主,僅在白20、002號鉆孔附近巖性為細(xì)粒砂巖。由于同井田的礦井發(fā)生過沖擊地壓現(xiàn)象,為確保塔山煤礦3-5#煤層一采區(qū)的安全開采,本文就其沖擊危險性展開研究。

2 基于指數(shù)法的沖擊危險性評價

用綜合指數(shù)法分析已發(fā)生的大量沖擊地壓案例,分離出相應(yīng)的地質(zhì)與開采技術(shù)條件對沖擊地壓的影響程度,確定各種因素的影響權(quán)重,依據(jù)具體的工程地質(zhì)條件,通過工程類比法建立沖擊地壓危險性評價和預(yù)測的體系[1-2]。沖擊地壓影響因素較多,總體上可以分成自然的、技術(shù)的和組織管理方面的因素,其關(guān)系如圖1所示。

圖1 沖擊地壓影響因素分類Fig.1 Influential factor classification of rock burst

綜合指數(shù)法將以上因素分為地質(zhì)因素和開采技術(shù)因素分別進(jìn)行評價[3],然后依據(jù)兩者中較大的值確定沖擊危險性。根據(jù)塔山煤礦3-5#煤層一采區(qū)詳細(xì)的地質(zhì)和開采技術(shù)條件,采用綜合指數(shù)法確定的地質(zhì)因素和開采技術(shù)影響下的沖擊地壓危險指數(shù)如表1、表2所示。表中Wt1、Wt2分別表示地質(zhì)因素和開采技術(shù)因素的綜合指數(shù)；Wi代表各個因素對應(yīng)的評價指數(shù)；Wimax表示該因素評價指數(shù)的最大值,各個因素評價指數(shù)的最大值均為3。沖擊地壓危險等級劃分標(biāo)準(zhǔn)如表3所示。

表1 地質(zhì)因素確定的沖擊地壓危險指數(shù)表Table 1 Rock burst risk index determined by geological factors

地質(zhì)因素的綜合指數(shù)計算公式:

(1)

將表1所示塔山煤礦3-5#煤一采區(qū)的地質(zhì)影響因素的具體參數(shù)代入式(1)計算可得,地質(zhì)因素的綜合指數(shù)Wt1=0.238。

表2 開采技術(shù)條件影響下的沖擊地壓危險指數(shù)Table 2 Rock burst risk index under the influence of mining technology

開采技術(shù)因素的綜合指數(shù)計算公式:

(2)

將表2所示塔山煤礦3-5#煤一采區(qū)的開采技術(shù)影響因素的具體參數(shù)代入式(2)計算可得,地質(zhì)因素的綜合指數(shù)Wt2=0.242。

表3 沖擊地壓危險綜合指數(shù)劃分危險等級表Table 3 Risk classification with comprehensive index of rock burst

綜合以上計算,塔山礦3-5#煤層一采區(qū)沖擊危險綜合指數(shù)為:

Wt=max{Wt1,Wt2}=max{0.238,0.242}=0.242 .

(3)

根據(jù)表3中所列的綜合指數(shù)劃分沖擊危險等級,可得中煤塔山煤礦3-5#煤層一采區(qū)沖擊危險等級綜合指數(shù)為0.242,整體無沖擊危險性。

3 運(yùn)用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的礦壓顯現(xiàn)程度分析

根據(jù)3-5#煤層一采區(qū)沖擊危險性評價結(jié)果,該區(qū)域整體上無沖擊危險性。在不同的區(qū)域,影響沖擊危險的因素有所不同,雖然發(fā)生沖擊地壓的可能性非常小,但是某些區(qū)域受到的不利影響因素較多。工作面回采期間礦壓顯現(xiàn)較劇烈,需要對不同區(qū)域的礦壓顯現(xiàn)劇烈程度進(jìn)行分析。采煤工作面和回采巷道內(nèi)礦壓顯現(xiàn)程度是受多種因素影響的復(fù)雜問題,基于綜合指數(shù)法分析結(jié)果,塔山煤礦3-5#煤層一采區(qū)影響礦壓顯現(xiàn)程度的主要因素有:開采深度、頂板巖層厚度參數(shù)、煤的彈性能量指數(shù)、工作面距上保護(hù)層開采遺留煤柱的水平距離、工作面與臨近采空區(qū)的關(guān)系、工作面長度、區(qū)段煤柱寬度和是否存在落差大于3 m的斷層。其中，煤的彈性指數(shù)整個采區(qū)不變,因此在進(jìn)行礦壓顯現(xiàn)長度劃分時不再考慮。

3.1 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的建立

BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測模型一般分為輸入層、隱藏層和輸出層[4-5]。數(shù)據(jù)由輸入層輸入,經(jīng)過隱藏層處理后由輸出層輸出。若經(jīng)過隱藏層處理后的數(shù)據(jù)不能夠滿足網(wǎng)絡(luò)模型模擬設(shè)定的預(yù)期效果,將通過誤差的反饋網(wǎng)絡(luò)自動對數(shù)據(jù)的運(yùn)算進(jìn)行修正,重復(fù)誤差反向傳輸?shù)牟襟E重新模擬計算,直至運(yùn)算結(jié)果達(dá)到精度要求為止。其詳細(xì)的計算過程如圖2所示。

BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的關(guān)鍵設(shè)定包括網(wǎng)絡(luò)層數(shù)和各層節(jié)點(diǎn)數(shù),網(wǎng)絡(luò)層數(shù)中輸入層和輸出層是固定的,屬于單層結(jié)構(gòu)。隱藏層為多層結(jié)構(gòu),本次構(gòu)建的模型輸入層為影響工作面和回采巷道礦壓顯現(xiàn)程度的7個因素。輸出層為強(qiáng)礦壓、中等礦壓、弱礦壓三個礦壓現(xiàn)場程度分級。隱藏層的節(jié)點(diǎn)數(shù)對于所建模型的計算精準(zhǔn)度有著重要影響,根據(jù)相關(guān)的研究結(jié)果,3層結(jié)構(gòu)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)其隱藏層節(jié)點(diǎn)數(shù)目為 2N+1,故本次模型隱藏層節(jié)點(diǎn)數(shù)為15個。

圖2 三層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.2 Three-layer neural network topology

3.2 樣本的處理

根據(jù)塔山煤礦3-5#煤層一采區(qū)以往工作面回采期間礦壓顯現(xiàn)的實際情況,獲得12個樣本,輸入層的7個因素中埋深、工作面長度、區(qū)段煤柱寬度、頂板堅硬巖層厚度參數(shù)根據(jù)實際情況取值,埋深為430.63～452.91 m,工作面長度180～240 m,區(qū)段煤柱寬度15～30 m;工作面與臨近采空區(qū)的關(guān)系、工作面距上保護(hù)層開采遺留煤柱的水平距離、是否存在落差大于3 m的斷層、頂板堅硬巖層厚度四個參數(shù)需要進(jìn)行數(shù)量化處理,具體的數(shù)值選取如表4所示；礦壓顯現(xiàn)程度強(qiáng)礦壓、中等礦壓、弱礦壓三種等級分別用(1 0 0)、(0 1 0)、(0 0 1)表示。為了模型的快捷運(yùn)算,將數(shù)據(jù)進(jìn)歸一化處理,處理后的數(shù)據(jù)范圍在[0,1],歸一化公式為[6-7]:

(4)

式中:qn為各個參數(shù)歸一化后的數(shù)值;Qn為樣本對應(yīng)參數(shù)的初始值;Qmax和Qmin為各個參數(shù)取值的上限和下限。由于篇幅所限,12個樣本參數(shù)歸一化后的詳表不再給出。

3.3 模型的訓(xùn)練及驗證

Matlab軟件工具箱中已有許多經(jīng)典的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)框架和函數(shù),建模過程得到了簡化,僅需根據(jù)不同功能模塊的適用范圍、優(yōu)缺點(diǎn)及研究問題的特點(diǎn),選擇合適的計算函數(shù)。進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練時所選的函數(shù)、算法以及訓(xùn)練參數(shù)如表5所示,訓(xùn)練過程如圖 3 所示。

表4 礦壓顯現(xiàn)程度影響因素數(shù)值選取Table 4 Numerical selection of influential factors for strata pressure behavior

表5 訓(xùn)練函數(shù)及參數(shù)Table 5 Training functions and parameters

圖3 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練過程Fig.3 Training process of neural network

網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練結(jié)束后,利用11和12號樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行驗證,測試結(jié)果如表6所示。根據(jù)檢驗數(shù)據(jù)可知,該神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可根據(jù)具體的地質(zhì)和開采技術(shù)條件,對礦壓顯現(xiàn)程度進(jìn)行預(yù)測,精度能夠達(dá)到生產(chǎn)實際活動的需要。

表6 樣本驗證結(jié)果Table 6 Sample verification results

3.4 一采區(qū)礦壓顯現(xiàn)強(qiáng)度區(qū)域劃分

采用上述方法對塔山煤礦3-5#煤層一采區(qū)礦壓現(xiàn)場程度進(jìn)行預(yù)測,數(shù)據(jù)取值點(diǎn)間距為5 m,得到研究區(qū)域礦壓顯現(xiàn)程度劃分結(jié)果，見圖4。一采區(qū)大部分區(qū)域為弱礦壓,孤島工作面切眼和巷道內(nèi)存在出現(xiàn)強(qiáng)礦壓的可能,斷層較為發(fā)育的區(qū)域通常為中等礦壓顯現(xiàn)區(qū)域。

圖4 3-5#煤層一采區(qū)沖擊危險區(qū)域劃分結(jié)果Fig.4 Division of rock burst risk zone in No.1 mining area of 3-5# coal seam

4 結(jié)束語

本文以中煤集團(tuán)塔山煤礦3-5#煤層一采區(qū)沖擊危險性及礦壓顯現(xiàn)程度分析預(yù)測為目標(biāo),通過現(xiàn)場調(diào)研、理論分析計算,以及綜合指數(shù)法等對整個采區(qū)的沖擊危險性進(jìn)行評價。研究表明,一采區(qū)整體為無沖擊危險性,影響工作面和回采巷道礦壓顯現(xiàn)程度的主要因素有包括:開采深度、頂板巖層厚度參數(shù)、工作面距上保護(hù)層開采遺留煤柱的水平距離、工作面與臨近采空區(qū)的關(guān)系、工作面長度、區(qū)段煤柱寬度、是否存在落差大于3 m的斷層。運(yùn)用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)手段,建立礦壓顯現(xiàn)程度的預(yù)測模型,對整個采區(qū)礦壓顯現(xiàn)的劇烈程度進(jìn)行劃分,對于指導(dǎo)礦井生產(chǎn)過程中礦壓的預(yù)防、支護(hù)措施的制定及礦井的安全生產(chǎn)具有重要的現(xiàn)實意義。