李 鑫，孫亞軍，2，徐智敏，2，陳 歌

(1.中國礦業(yè)大學(xué) 資源與地球科學(xué)學(xué)院，江蘇 徐州 221116；2.礦山水害防治技術(shù)基礎(chǔ)研究國家級專業(yè)中心實驗室，江蘇 徐州 221116)

我國近年在礦井水害防治理論與技術(shù)方面取得進展，礦井水害事故數(shù)量、傷亡人數(shù)逐年下降[1]。我國煤礦區(qū)均存在礦井突水的安全隱患，例如西北型煤礦區(qū)遭受煤層頂板侏羅系直羅組砂巖裂隙水威脅，礦井涌水量大；華北型煤層底板承受太灰、高承壓奧灰含水層突水威脅，均是我國礦井水害防控的重點區(qū)域[2]。針對突水危險性高的區(qū)域提前進行防控治理，可減少礦井涌水量，削減礦井水抽提和處理成本。工作面涌水量預(yù)測預(yù)警離不開突水危險源劃分與致災(zāi)危險性評價的研究，包括煤層頂/底板突水危險源的劃分、辨識及致災(zāi)危險性超前預(yù)警、動態(tài)評價等方面。煤層頂/底板突水危險性評價可分為靜態(tài)與動態(tài)方法，目前多數(shù)靜態(tài)評價方法其適用性和指導(dǎo)性具備一定的局限性，難以滿足工作面開采過程中涌水量的動態(tài)實時監(jiān)測預(yù)警需求。國內(nèi)現(xiàn)有的動態(tài)突水預(yù)測預(yù)警理論主要是基于不同類型礦井突水機理及其主控因素進行的各種理論建模[3-5]，結(jié)合礦井水文地質(zhì)勘查階段所獲得的資料和參數(shù)，對礦井潛在的突水危險性、突水水源進行單因素或人為控制下多因素的預(yù)測和評價，但只能監(jiān)測水位(水壓)、涌水量、溫度、應(yīng)力、應(yīng)變等參數(shù)，難以建立健全綜合的煤層頂/底板突水危險性評價指標(biāo)體系；且由于數(shù)據(jù)獲取、處理和分析方法不同，導(dǎo)致各項指標(biāo)難以有效融合，導(dǎo)致礦井水臨突應(yīng)急決策的精確性、有效性不足[6，7]。為了有效利用煤層采掘過程中圍巖應(yīng)力場、水動力場、地球物理場等多場演化中存在的大量信息，基于對我國西北型頂板、華北型底板典型水害特征中賦存的多場信息研究分析，建立礦井水害事故發(fā)生的主控因素，以此作為煤層頂/底板突水危險源劃分及致災(zāi)危險性評價的依據(jù)[8-10]；借助突水危險源辨識的原位信息實時監(jiān)測、動態(tài)信息采集，構(gòu)建煤層頂/底板多場-多參數(shù)突水致災(zāi)危險性動態(tài)評價概念模型，形成多場-多參數(shù)致災(zāi)危險性超前判別準則體系與評價方法，旨在提高我國主要煤礦區(qū)煤層頂/底板突水危險性辨識方法的針對性與適用性[11-13]。

1 突水危險源劃分

1.1 研究區(qū)水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)特征

我國煤礦區(qū)按地理位置可劃分為西北區(qū)、西南區(qū)、東北區(qū)、華北區(qū)、華南區(qū)、臺灣區(qū)。西北型、華北型煤礦區(qū)作為我國煤炭資源的主采區(qū)，對其礦井水害防控、監(jiān)測預(yù)警的研究十分必要且迫切。

西北型煤礦區(qū)水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)類型總體簡單，屬于干旱-半干旱氣候區(qū)，但礦井涌水量較大，且不同地區(qū)差異大，存在風(fēng)積沙含水層、燒變巖含水層、黃土層及由于裂隙發(fā)育使煤層含水等類型[14]，如圖1(a)所示。西北區(qū)礦井涌水主要威脅為頂板弱膠結(jié)砂巖裂隙水，尤其是鄂爾多斯盆地侏羅系直羅組砂巖裂隙含水層，礦井水礦化度高、水處理成本高[15]。華北型煤礦區(qū)水害防治對象主要為石炭、二疊系巖溶裂隙水，且存在斷層、陷落柱等復(fù)雜的構(gòu)造類型，如圖1(b)所示。

圖1 我國西北型和華北型煤礦水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)模式

1.2 劃分依據(jù)與結(jié)果

充水水源和導(dǎo)水通道是礦井水害發(fā)生的兩個前提條件。煤礦充水水源和天然導(dǎo)水通道整體上是相對“靜態(tài)”的，而采掘活動則打破原始靜態(tài)平衡，使開采擾動范圍內(nèi)向著突水災(zāi)變的方向不斷演化。一旦靜態(tài)平衡的臨界點被打破，便導(dǎo)致礦井涌水量迅速增加，造成礦井突水。煤層頂/底板突(涌)水應(yīng)以水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)模式的研究為基礎(chǔ)，是多因素綜合影響和控制的結(jié)果，如充水水源、導(dǎo)水通道、含隔水層結(jié)構(gòu)、空間位置組合關(guān)系及開采擾動強度等，均是控制水害是否發(fā)生、突(涌)水水量大小的關(guān)鍵因素，均成為重點監(jiān)測與辨識的對象，本文提出將上述主控因素中隨著工作面開采具有動態(tài)變化的指標(biāo)作為其突水致災(zāi)的危險源，具體見表1。

首先，礦井充水水源提供涌水水量來源，是突水事故發(fā)生的根本前提之一，其關(guān)鍵影響因素包括含水層水壓、富水性、邊界條件、補徑排條件、層間水力連通性等。其次，導(dǎo)水通道是決定隔水層采動破壞演化、通量路徑、通量大小的關(guān)鍵指標(biāo)，其影響因素包括頂/底板采動破壞帶、斷層、陷落柱、導(dǎo)水鉆孔等。開采擾動作為礦井突(涌)水的觸發(fā)因素，如煤層開采方式、煤層厚度、煤層埋深等，使含水層富水性、水壓、頂/底板破壞帶高度/深度隨著煤層開采呈現(xiàn)實時動態(tài)變化，造成礦井突(涌)水量的波動不具備規(guī)律性，是其難以通過靜態(tài)方法進行精準評價的直接原因。然后，含水層與煤層的空間位置關(guān)系會造成工作面受突水威脅程度、位置不同；如導(dǎo)水通道與采掘空間的連通性、位置、空間組合關(guān)系對突水事故、水量影響較大。最后，在影響礦井突(涌)水的多個控制因素中，隔水層作為唯一的抑制因素，是礦井水害預(yù)防和治理過程中可充分利用的天然屏障；隔水層的有效厚度、強度、巖性、與采掘空間的相對空間位置關(guān)系對水害防控具有十分重要的作用。

表1 煤層頂/底板突水致災(zāi)危險源劃分結(jié)果

2 致災(zāi)危險性評價指標(biāo)體系

2.1 致災(zāi)危險性評價依據(jù)

突水致災(zāi)危險性是指煤層開采過程中一些具有動態(tài)變化、對突水事件是否發(fā)生及水量大小起主控作用的綜合表現(xiàn)結(jié)果。為了闡明煤層頂?shù)装逋?涌)水主控因素、突水危險源、致災(zāi)危險性間的邏輯關(guān)系，筆者從水源、通道、采動三大主控因素入手。首先，將直接、間接影響礦井水害發(fā)生的各種因素劃分為三類，即水源條件、通道條件、采動條件。其次，將主控因素中隨著工作面推進具有動態(tài)變化的指標(biāo)作為其突水危險源，包括隔水層厚度、破壞帶高度/深度、含水層水壓、含水層富水性、含水層厚度、煤層埋深、煤層厚度、開采強度等指標(biāo)。根據(jù)表1中危險源的劃分結(jié)果，其中破壞帶高度/深度、含水層水壓、含水層富水性對突(涌)水量貢獻力量，而其他因素對突水事件是否發(fā)生都有不同程度的影響，但不是突水危險源，也均為評價指標(biāo)體系中的重要組成。隔水層厚度、含水層厚度、煤層埋深、煤層厚度等指標(biāo)雖然不同位置有所差異，但其變化規(guī)律可以通過地質(zhì)、水文地質(zhì)調(diào)查資料中的數(shù)字高程數(shù)據(jù)差值獲取。僅有破壞帶高度/深度、含水層水壓、含水層富水性、開采擾動強度隨工作面的掘進不具有規(guī)律性，開采擾動強度影響頂/底板破壞帶高度/深度，含水層水壓可以間接反映含水層富水性，含水層水壓也可反映煤層底板含水層承壓水導(dǎo)升帶高度，所以突水致災(zāi)危險性的評價最終落腳點為有效隔水層厚度。

當(dāng)隔水層完整性較好時，開采擾動后有效隔水層厚度可以作為判斷突水事件是否發(fā)生的最重要依據(jù)；但當(dāng)存在斷層、陷落柱等天然導(dǎo)水通道時，有效隔水層厚度仍可以作為頂/底板突水事故是否發(fā)生的依據(jù)，但并不唯一。如要判斷突水事故是否具有致災(zāi)危險性，仍需要綜合考慮含水層富水性、水壓等多種因素；比如一些含水層存在有壓無量、無壓無量等情況；當(dāng)且僅當(dāng)有效隔水層厚度小于0，含水層有壓有量的情況下才會發(fā)生突水，突(涌)水水量達到一定規(guī)模時，對工作面的安全開采構(gòu)成致災(zāi)危險性。

2.2 評價指標(biāo)體系

為構(gòu)建適應(yīng)性強、精度高的頂/底板突水致災(zāi)危險性評價模型，綜合考慮多種靜態(tài)、非均一性、實時監(jiān)測指標(biāo)因素(見圖2)，對突水事件是否發(fā)生及涌水量大小有影響的指標(biāo)(見表1)，均作為動態(tài)評價模型的原始數(shù)據(jù)輸入，其中，包括靜態(tài)常量指標(biāo)、非均一變化指標(biāo)、實時監(jiān)測指標(biāo)3類。本文提出與涌水量大小密切相關(guān)的綜合性指數(shù)，并將其命名為波涌值，即計算出不同采掘時刻的工作面涌水量，得出工作面開采全過程的涌水量對應(yīng)數(shù)值序列，該數(shù)值序列與實際礦井涌水量波動規(guī)律具有一致性，以表征工作面涌水量波動變化趨勢。

圖2 煤層頂/底板突水致災(zāi)危險性評價指標(biāo)體系

靜態(tài)常量指開采過程中不發(fā)生變化的常數(shù)指標(biāo)，包括斷裂規(guī)模、陷落柱規(guī)模、含水層滲透性，始終為定值。但針對一些特殊情況，比如研究區(qū)礦井水文地質(zhì)條件比較復(fù)雜，考慮到模型動態(tài)評價的精度，可以考慮結(jié)合前期調(diào)查獲取，在后期隨著開采不斷修正。非均一變化指標(biāo)指開采過程中非均勻變化的常數(shù)指標(biāo)，包括煤層厚度、埋深、含水層厚度、隔水層厚度等，在不同位置的值不同，但可通過前期水文地質(zhì)調(diào)查或補充勘探直接獲取，工作面不同位置也可通過插值法獲取。實時監(jiān)測指標(biāo)為突水危險源辨識的動態(tài)變化對象，包括頂/底板破壞帶高度/深度、含水層水壓、圍巖應(yīng)變情況。頂/底板破壞高度/深度、隔水層厚度和含水層水壓可用于求取有效隔水層厚度，以判斷頂/底板突水事件是否發(fā)生；含水層水壓、滲透性、厚度用以求取含水層的富水性。斷裂規(guī)模、陷落柱規(guī)模、應(yīng)變表征通道的導(dǎo)水能力，結(jié)合含水層富水性、水壓最終求得煤層頂/底板突(涌)水的波涌值。為了將上述靜態(tài)常量、非均一變化、實時監(jiān)測中的各種評價指標(biāo)進行有效融合，借助深度學(xué)習(xí)/強化學(xué)習(xí)算法求出工作面突水危險性實時波涌值序列。依據(jù)不同時刻不同采掘位置對應(yīng)的波涌值序列，將波涌值數(shù)據(jù)序列與實際涌水量進行實時一致性檢驗，如果兩個數(shù)據(jù)系列一致性較好，則根據(jù)一致性結(jié)果、動態(tài)模型預(yù)報未來一定時間點工作面涌水量大小，如果兩者的一致性檢驗不通過，則模型結(jié)果提示突水預(yù)警信號。

3 多場信息融合處理方法

信息融合是多個控制突水關(guān)鍵指標(biāo)的共同反映，有學(xué)者曾通過層次分析法、專家打分法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊數(shù)學(xué)等方法構(gòu)建相應(yīng)的模型或判定閾值，形成突水致災(zāi)危險性臨界預(yù)警系統(tǒng)[3-5]。為了對煤層頂/底板突水致災(zāi)危險性進行較高精度的動態(tài)預(yù)測預(yù)警，綜合前期水文地質(zhì)調(diào)查、突水危險源辨識所獲得的多場信息，包括滲流場、地球物理場、應(yīng)力場等信息源，將開采過程中的多場信息融合、數(shù)據(jù)處理過程分為兩步：第1步判斷突(涌)水事件是否發(fā)生，第2步計算突(涌)水水量。

3.1 突(涌)水事件是否發(fā)生

判斷突水事件是否發(fā)生的依據(jù)為有效隔水層厚度；當(dāng)有效隔水層厚度大于0時，煤層底板不會有明顯的涌水量增加(揭露斷層、陷落柱除外)；僅當(dāng)有效隔水層厚度小于等于0，且含水層處于有壓有量的前提下，才貢獻礦井水量，表現(xiàn)為新增礦井水量超過警戒閾值，并判斷為預(yù)警狀態(tài)，有可能造成突水災(zāi)害事故。

H11=H21-H3-H4

(1)

H12=H22-H5

(2)

式中，H11為底板有效隔水層厚度，m；H21為底板隔水層厚度，m；H3為底板破壞帶深度，m；H4為底板承壓水導(dǎo)升帶高度，m；H12為頂板有效隔水層厚度，m；H22為頂板隔水層厚度，m；H5為頂板導(dǎo)水裂隙帶高度，m。

隔水層厚度、承壓水導(dǎo)升帶高度均可通過含水層水位觀測孔資料直接或間接插值獲得，僅有底板破壞帶深度、頂板導(dǎo)水裂隙帶高度為實時辨識和監(jiān)測指標(biāo)。

當(dāng)H1>0，突水事件不發(fā)生；H1≤0，突水事件發(fā)生，其中，H1為有效隔水層厚度，m。

3.2 突(涌)水水量計算

隨著煤層的開采，工作面實際涌水量處于不斷波動之中，不同開采區(qū)域可能差異很大。對底板突(涌)水而言，具備導(dǎo)水能力的通道主要有3個，包括斷層、陷落柱、底板破壞帶；對頂板突(涌)水主要是斷層和頂板導(dǎo)水裂隙帶。

3.2.1 斷層突(涌)水水量計算

假設(shè)斷層、陷落柱的規(guī)模不隨工作面的開采變化，為定值，其涌水量大小與底板含水層水壓成正比關(guān)系。

Qd=α·Hd

(3)

式中，Qd為導(dǎo)水?dāng)鄬訉ぷ髅嬗克康呢暙I量；α為斷層導(dǎo)水能力系數(shù)；Hd為斷層位置實時水位(水壓)。

由于不同區(qū)域內(nèi)煤層頂/底板復(fù)雜的水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)，工作面范圍內(nèi)可能存在m個寬度、長度、落差、破碎程度不等的斷層，其導(dǎo)水能力不同，有些在勘探階段已經(jīng)探明的，有些是未知的、隱伏的。隨著工作面的推進，斷層逐漸被暴露出來，它們在不同程度上貢獻礦井涌水量，按照斷層被揭露的順序依次為Qd1，Qd2，……，Qdm，且不同斷層的導(dǎo)水能力系數(shù)α不同，相對應(yīng)為α1，α2，……，αm。

斷層涌水量受頂/底板含水層水壓控制，斷層長度、寬度、斷距、破碎程度影響水流通道的導(dǎo)水能力，一般斷層形成后，其長度、寬度、斷距、破碎程度基本固定，考慮在每一個計算過程內(nèi)其導(dǎo)水能力不會發(fā)生變化。故而可以初步判斷斷層涌水量與含水層水壓成線性正相關(guān)關(guān)系。由式(4)可得斷層涌水量為：

Qd=α·?D·Hd

(4)

式中，?D為斷層截面面積積分，m2。

當(dāng)存在m個斷層時，各斷層被逐漸揭露時的涌水量大小為：

Qd1=α1·?D1·Hd1

(5)

Qd2=α2·?D2·Hd2

(6)

……

Qdm=αm·?Dm·Hdm

(7)

式中，Qd1，Qd2，…，Qdm分別為斷層1，2，…，m的涌水量；?D1，?D2，……，?Dm分別為斷層1，2，……，m的面積積分，m2；Hd1，Hd2，…，Hdm分別為斷層1，2，……，m中心處的水壓大??；α1，α2，…，αm分別為斷層1，2，…，m的導(dǎo)水能力系數(shù)(未知參數(shù))。

3.2.2 陷落柱突(涌)水水量計算

陷落柱涌水量計算方法：

Qx=β·Hx

(8)

式中，Qx為巖溶陷落柱對工作面涌水量的貢獻量；β為陷落柱導(dǎo)水能力系數(shù)；Hx為陷落柱位置實時水壓。

陷落柱導(dǎo)水往往存在于華北型煤層底板，陷落柱往往發(fā)育于奧灰含水層，多溝通太灰含水層。但陷落柱的個數(shù)遠小于斷層數(shù)量，一個煤礦一般少于2個，假設(shè)工作面內(nèi)有n個陷落柱，則按照陷落柱被揭露的順序依次為Qx1，…，Qxn，陷落柱長度、寬度、深度、充填膠結(jié)情況影響其導(dǎo)水能力，一般陷落柱形成后，形態(tài)基本固定，認為在每一個計算過程內(nèi)其導(dǎo)水能力不會發(fā)生變化。故而可以初步判斷陷落柱涌水量與含水層水壓成線性正相關(guān)關(guān)系。由式(8)可得陷落柱涌水量為：

Qx=β·?D·Hx

(9)

式中，?D為陷落柱截面面積積分，m2。

當(dāng)存在n個陷落柱時，各陷落柱被逐漸揭露時各自的涌水量大小為：

Qx1=β1·?D1·Hx1

(10)

Qx2=β2·?D2·Hx2

(11)

……

Qxn=βn·?Dn·Hxn

(12)

式中，Qx1，Qx2，……，Qxn分別為陷落柱1、2，……，n的涌水量；?D1，?D2，……，?Dn分別為陷落柱1，2，…，n的面積積分，m2；Hx1，Hx2，…，Hxn分別為陷落柱1，2，…，n中心的水壓大小；α1、α2，…，αn分別為陷落柱1，2，…，n的導(dǎo)水能力系數(shù)(未知參數(shù))。

3.2.3 底板突(涌)水水量計算

底板突(涌)水水量計算方法：

Q1=γ·A·H1

(13)

式中，Q1為底板采動破壞帶對工作面涌水量的貢獻量；γ為底板破壞裂隙導(dǎo)水系數(shù)(未知參數(shù))；A為有效隔水層厚度小于0的面積；H1為不同位置實時監(jiān)測水位(水壓)。

底板突(涌)水量的計算相比斷層、陷落柱的計算過程更加復(fù)雜、影響因素更多，要對每一個剖分網(wǎng)格進行計算，不僅受底板導(dǎo)水系數(shù)γ的影響，同時受控于含水層水壓、富水性的影響。首先，底板破壞裂隙導(dǎo)水系數(shù)與開采擾動產(chǎn)生的底板裂隙率有密切的關(guān)系，故利用開采過程中的應(yīng)力-應(yīng)變實時數(shù)據(jù)，定義為底板破壞裂隙導(dǎo)水系數(shù)與應(yīng)變(ε)成正比關(guān)系。

γ=ε·ζ

(14)

式中，ζ為底板采動裂隙應(yīng)變系數(shù)。

含水層富水性大小作為水源條件好壞的直接因素，其與含水層單位涌水量(q)密切相關(guān)。根據(jù)《煤礦防治水細則》中礦井水害類型的劃分結(jié)果，當(dāng)q≤0.1 L/(s·m)時屬于簡單型，認為含水層側(cè)向補給弱，可疏降性好；如果此時含水層水壓較高，則可認定此種情況為有壓無量，利用式(13)、式(14)計算涌水量時，需要考慮補給強度。

式中，η為底板含水層弱補給系數(shù)。

當(dāng)q>0.1 L/(s·m)時，則含水層富水程度屬于中等及以上，此時計算底板裂隙涌水量Q1時，認定為補給充足富水程度較好，側(cè)向補給相對強，可疏降性較差，可直接利用式(13)、式(14)進行求解。

3.2.4 頂板突(涌)水水量計算

頂板突(涌)水水量計算方法：

Q2=θ·B·H2

(16)

式中，Q2為頂板采動破壞帶對工作面涌水量的貢獻量；θ為頂板破壞裂隙導(dǎo)水系數(shù)(未知參數(shù))；B為有效隔水層厚度小于0的面積；H2為不同位置實時監(jiān)測水位(水壓)。

同理，利用開采過程中的應(yīng)力-應(yīng)變實時監(jiān)測數(shù)據(jù)，定義為頂板破壞裂隙導(dǎo)水系數(shù)與應(yīng)變(ε)成正比關(guān)系。

θ=ε·τ

(17)

式中，τ為頂板采動裂隙應(yīng)變系數(shù)。

同理，頂板含水層同樣存在有壓無量的情況，當(dāng)q≤0.1 L/(s·m)時，認為含水層側(cè)向補給性差，頂板含水層可疏降性好，可得：

式中，ω為頂板含水層弱補給系數(shù)。

3.3 不同時刻波涌值計算

陷落柱涌水可以看作為點源，斷層涌水可看作線源，頂/底板涌水則為面源，故在計算不同時刻波涌值時需要對采空區(qū)進行面積分，求得實時底板礦井涌水量。最終求得實時動態(tài)的礦井涌水量。

底板涌水波涌值：

Q=Qd+Qx+Q1

(19)

頂板涌水波涌值：

Q=Qd+Q2

(20)

綜上，在闡明西北型、華北型煤層底板突水致災(zāi)危險性評價的各主控因素的前提下，劃分了突水危險源，提出了突水危險源辨識方法及指標(biāo)體系，最終將多場信息處理、概化及融合。

4 多場-多參數(shù)動態(tài)評價方法

由于動態(tài)評價模型中存在大量未知參數(shù)，且隨著工作面掘進未知參數(shù)的數(shù)量成倍增多，使不同開采階段工作面波涌值的計算難度逐漸提升，為了實時有效融合滲流場、地球物理場、應(yīng)力場等多場信息，可借助深度學(xué)習(xí)/強化學(xué)習(xí)解決這一問題[16，17]。借助深度學(xué)習(xí)邏輯算法對數(shù)據(jù)的自主訓(xùn)練、對計算結(jié)果不斷優(yōu)化等優(yōu)勢，將獲取隨動態(tài)開采的靜態(tài)常量、非均一變化、實時監(jiān)測數(shù)據(jù)序列進行強化訓(xùn)練，進而達到對未來一定時間內(nèi)的礦井涌水量進行預(yù)測，對突(涌)水量異常點提示預(yù)警信號。本文建立了基于深度學(xué)習(xí)的多場-多參數(shù)動態(tài)評價概念模型，該概念模型主要分為6個分析計算模塊：坐標(biāo)特征賦值模塊、時間特征賦值模塊、數(shù)據(jù)采集與錄入模塊、深度分析與計算模塊、預(yù)測預(yù)警模塊、工作面危險性動態(tài)分區(qū)評價模塊。

4.1 坐標(biāo)特征賦值模塊

為了便于對工作面的多場信息進行數(shù)據(jù)提取與參數(shù)計算，可將工作面剖分成矩形單元格，如圖3所示，每個單元格均對應(yīng)實際工作面中唯一的位置坐標(biāo)，方便數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)生成及動態(tài)信息提取，便于后期繪圖。不同工作面由于尺寸大小不一，含水層的富水性不同，礦井水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度不同，且預(yù)測預(yù)警的精度要求不同，故而需要針對不同礦井進行不同規(guī)格的剖分。當(dāng)工作面初采時，煤層頂/底板破壞特征表現(xiàn)不明顯，選擇在周期來壓形成后進行礦井涌水量的預(yù)測預(yù)警，開始對單元格進行編號、標(biāo)記、賦值。

圖3 工作面剖分概念

4.2 時間特征賦值模塊

同理，當(dāng)開采到2號單元格時，對應(yīng)的時間點t2。則此時礦井涌水量：

3號單元格：

4號單元格：

以此類推，n號單元格：

4.3 數(shù)據(jù)采集與分析插值模塊

根據(jù)割煤機的位置坐標(biāo)及時間節(jié)點，分別對工作面所受應(yīng)力-應(yīng)變數(shù)據(jù)、含水層水壓、頂/底板破壞帶高度/深度進行實時動態(tài)提取、傳輸，并根據(jù)數(shù)據(jù)繪制應(yīng)變分布等值線圖及含水層水壓分布等值線圖。通過插值法提取出整個工作面所有剖分網(wǎng)格對應(yīng)的實時變化數(shù)據(jù)，方便后期將已采集的數(shù)據(jù)序列進行多場信息融合。

4.4 深度學(xué)習(xí)與計算模塊

動態(tài)評價模型參數(shù)包含應(yīng)力場、地球物理場、滲流場等多種指標(biāo)，且模型中的未知參數(shù)與邏輯運算不斷增多；本模塊需要對不同時刻獲取的多場、多參數(shù)信息進行計算，并將計算結(jié)果與實測工作面涌水量結(jié)果進行一致性檢驗，將擬合精度最高的模型參數(shù)用于進行未開采區(qū)域的突水危險性的預(yù)測，得出波涌值，并對波涌值超出閾值的區(qū)域進行預(yù)警。深度學(xué)習(xí)算法與邏輯關(guān)系運算流程如圖4所示。

圖4 深度學(xué)習(xí)算法與邏輯關(guān)系運算流程

4.5 預(yù)測預(yù)警模塊

根據(jù)對已采區(qū)域所收集大量數(shù)據(jù)的深度學(xué)習(xí)結(jié)果，得到擬合精度最高的模型參數(shù)，同時計算出已采掘范圍內(nèi)所有單元格在特定時間點所產(chǎn)生的波涌值。用上述較高精度模型對未采區(qū)域的波涌值進行理論計算，將已采和未采區(qū)域的波涌值進行合并，求得整個工作面突水致災(zāi)危險性情況，并對危險性大的區(qū)域進行預(yù)警，以實現(xiàn)工作面突(涌)水的預(yù)測預(yù)警。

4.6 工作面危險性動態(tài)分區(qū)評價模塊

根據(jù)計算出的工作面不同時刻、不同位置波涌值結(jié)果，結(jié)合GIS信息技術(shù)繪制出特定時刻整個工作面涌水量的等值線圖，以識別礦井涌水量較大區(qū)域，使動態(tài)辨識及分區(qū)結(jié)果更加直觀。

5 結(jié) 論

1)目前大多數(shù)原位監(jiān)測技術(shù)和評價模型難以對工作面進行有效、精準監(jiān)測與動態(tài)辨識，基于對西北型、華北型煤層頂/底板水害的水源條件、通道條件、采動條件等研究，劃分了煤層頂/底板的突水危險源。

2)構(gòu)建了礦井突水致災(zāi)危險性評價的指標(biāo)體系，將隨著工作面的開采具有動態(tài)變化的影響因素作為危險源動態(tài)特征辨識的目標(biāo)，建立了基于多場-多參數(shù)信息融合方法和動態(tài)評價模型，基于深度/強化學(xué)習(xí)訓(xùn)練，可實現(xiàn)高效計算并獲得工作面突水危險性動態(tài)評價分區(qū)。

3)工作面將被剖分成幾萬到幾十萬不等的矩形網(wǎng)格，在開采過程中會不斷產(chǎn)生新的數(shù)據(jù)，得出新的參數(shù)。既要保證采集數(shù)據(jù)快速響應(yīng)、高效傳輸、穩(wěn)定存儲，又要保證計算機對上萬參數(shù)的強化訓(xùn)練、快速計算，選出波涌值計算精度最優(yōu)的模型參數(shù)，而各個模塊間的有效配合也具備一定的技術(shù)難度。