深部开采底板破坏规律及基于Weka平台的底板破坏深度预测.pdf

万方数据 论文题目论文题目 深部开采底板破坏规律及深部开采底板破坏规律及基于基于 Weka 平台平台 的底板的底板破坏深度预测破坏深度预测 作者姓名作者姓名 白白 丽丽 扬扬 入学时间入学时间 2015 年年 9 月月 专业专业名称名称 采矿工程采矿工程 研究方向研究方向开采沉陷控制与环境保护开采沉陷控制与环境保护 指导教师指导教师 郭郭 惟惟 嘉嘉 职职 称称 教教 授授 论文提交日期论文提交日期2018 年年 4 月月 论文答辩日期论文答辩日期2018 年年 6 月月 授予学位日期授予学位日期2018 年年 6 月月 万方数据 FAILURE LAW OF FLOOR IN DEEP MINING AND PREDICTION OF FLOOR FAILURE DEPTH BASED ON WEKA PLAT A Dissertation ted in fulfillment of the requirements of the degree of MASTER OF PHILOSOPHY from Shandong University of Science and Technology by Bai Liyang Supervisor Professor Guo Weijia College of Mining and Safety Engineering June 2018 万方数据 万方数据 万方数据 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 摘要 I 摘摘 要要 随着煤层开采深度的增加， 矿井灾害问题愈发严重， 尤其是底板突水问题， 严重威胁煤矿安全生产。 深部开采底板破坏规律的研究， 特别是底板破坏深度， 对认识及预防底板突水问题具有重要的意义。为此，本文运用理论分析、数值 模拟、相似材料等手段研究了深部开采底板破坏规律，分析了底板应力、位移 分布特征以及塑性区发育规律等， 并基于 Weka 平台， 建立了深部开采底板破坏 深度预测系统，取得了如下的研究成果 （1）随着工作面的推进，底板垂直应力和剪应力的峰值逐渐增大，工作面 “见方”时，垂直应力和剪应力的峰值分别为 76.8MPa 和 26.7MPa。底板破坏深 度随着工作面的推进而增大，工作面“见方”后破坏深度达到 30m，随着工作面 继续推进底板最大破坏深度不再增加且基本保持稳定；底板岩体的变形量与到 底板的法向距离成反比，距离底板越远则底板变形量的值越小。 （2）根据某矿的开采及地质条件，采用相似材料模拟实验方法，模拟深部 开采条件下煤层底板岩层的运动，分析得出，随着底板岩层深度的增加，应力 值是逐渐减小的，应力传播具有滞后效应且随着深度的增加滞后时间越长。 （3）模拟研究了采深、工作面斜长、采厚、开采方法和断层对底板破坏深 度的影响。随着煤层的采深、工作面斜长和采厚的增加，底板最大破坏深度逐 渐增大； 与垮落法开采相比， 充填开采 （充填率 75） 底板破坏深度减少了 25； 断层影响底板最大破坏深度，与无断层的情况下相比，底板最大破坏深度增大 了 33。 （4）收集整理全国煤矿底板破坏深度的地质资料，将采深、采厚、煤层倾 角、 有无断层和底板抗破坏能力作为影响因素， 通过 Weka 平台对样本进行学习 训练并对结果进行分析， 得出最优模型为人工神经网络， 基于 Java 计算机语言， 创新研发了底板破坏深度预测系统并进行了应用，预测系统结果表明，Weka 预 测模型精度更高，更适用于煤层采深在 110m～550m，煤层倾角 0 ～15 ，工作 面斜长 30m～135m 的开采条件下。 关键词关键词深部开采；底板破坏；数值模拟；Weka 平台；预测系统 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 ABSTRACT II Abstract With the increase of the coal seam mining depth, the problem of mine disasters is more and more serious, especially the problem of floor water invasion, it threatens to safety production in coal mines seriously. The study of the floor failure law in deep mining, especially the depth of destroyed floor, is of great significance for understanding and preventing the floor water invasion.Therefore, this paper studies the floor failure law in deep mining by means of theoretical analysis, numerical simulation and similar materials. The floor stress, the displacement distribution characteristics and the development law of the plastic zone are analyzed. Be based on the Weka plat, a prediction system of the floor failure depth in deep mining is established, and the following research results are obtained （1）The peak values of vertical stress and shear stress gradually increase with the working face advanced, the peak values of vertical stress and the shear stress are 76.8MPa and 26.7MPa respectively when “the length is equal to the length of working face advancing“.The depth of destroyed floor increases with the advancing of the working face, and the depth of destroyed floor is 30m after “the length is equal to the length of working face advancing“. As working face continues to advance, the maximum depth of destroyed floor no longer increases and is basically stable. The deation of the floor rock is inverse ratio to normal distance of the bottom plate, and the farther distance from the bottom plate is, the smaller the deation of the bottom plate is. （2）According to the mining and geological conditions of a certain 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 ABSTRACT III coal mine, the similar material simulation experiment is used to simulate the movement of floor strata in deep mining. The analysis shows that , the stress value is decreasing with the increase of the floor depth, and the stress propagation has hysteresis effect. With the increase of the depth, the lag time is longer. （3）The mining depth, working face length, mining thickness, mining and fault on the depth of destroyed floor are studied by the FLAC3D numerical experiment.With the increase of mining depth, mining thickness and working face length, the maximum failure depth increases. The backfill mining filling rate 75 is 25 lower than the caving mining. The maximum failure depth is affected by faults, and the maximum failure depth is increased by 33 compared with that without faults. （4）The national geological data about the destroyed floor depth is collected and arranged, mining depth, mining thickness, coal seam dip angle, fault and floor resistance damage potential are treated the influencing factors, learning and training the samples through Weka plat and analyzing the results, it is concluded that the optimal model is artificial neural network model. Be based on the Java language, the prediction system of destroyed floor depth is developed and applied. The results show that the Weka prediction model is more accurate, applicable to mining conditions of the mining depth in 110m～550m, coal seam dip angle of 0 ～15 , working face length in 30m～135m. Key wordsdeep mining；floor failure；numerical simulation；Weka plat；prediction system 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 目录 IV 目目 录录 摘摘 要要 ......................................................................................................... I 目目 录录 .......................................................................................................IV 1 绪论绪论 ....................................................................................................... 1 1.1 研究背景与意义 .................................................................................................. 1 1.2 底板破坏深度研究现状 ...................................................................................... 2 1.3 数据挖掘工具研究现状 ...................................................................................... 5 1.4 研究内容和技术路线 .......................................................................................... 7 2 深部开采煤层底板破坏规律研究深部开采煤层底板破坏规律研究 ...................................................... 9 2.1 深部采场底板岩体力学特征 .............................................................................. 9 2.2 底板破坏规律数值模拟研究 ............................................................................ 17 2.3 本章小结 ............................................................................................................ 26 3 深部开采底板破坏规律相似材料物理模拟试验深部开采底板破坏规律相似材料物理模拟试验 ............................ 28 3.1 相似材料模拟试验基本理论 ............................................................................ 28 3.2 相似材料模拟试验模型的设计与铺设 ............................................................ 29 3.3 试验结果与分析 ................................................................................................ 34 3.4 本章小结 ............................................................................................................ 40 4 深部开采底板破坏深度影响因素数值模拟研究深部开采底板破坏深度影响因素数值模拟研究 ............................ 41 4.1 采深和工作面斜长对底板破坏深度的影响 .................................................... 41 4.2 采厚和开采方法对底板破坏深度的影响 ........................................................ 44 4.3 断层对底板破坏深度的影响 ............................................................................ 46 4.4 本章小结 ............................................................................................................ 48 5 基于基于 Weka 平台底板破坏深度预测系统开发与应用平台底板破坏深度预测系统开发与应用 .................... 50 5.1 样本数据的标准化和离散化 ............................................................................ 50 5.2 利用 Weka 中的算法进行预测并得到最优模型测 ......................................... 57 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 目录 V 5.3 基于 Java 语言的软件开发 ............................................................................... 68 5.4 底板破坏深度系统的应用 ................................................................................ 79 5.5 本章小结 ............................................................................................................ 81 6 结论及展望结论及展望 ......................................................................................... 83 6.1 主要结论 ............................................................................................................ 83 6.2 论文创新点 ........................................................................................................ 84 6.3 论文展望 ............................................................................................................ 85 参考文献参考文献 ................................................................................................. 86 致谢致谢 ......................................................................................................... 91 攻读硕士学位期间主要成果攻读硕士学位期间主要成果................................................................. 92 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 CONTENTS VI Contents 1 Introduction ............................................................................................................. 1 1.1 Research background and significance ...................................................................................... 1 1.2 Research status of floor failure depth ........................................................................................ 2 1.3 Research status of data mining tool ........................................................................................... 5 1.4 Research content and technical route ........................................................................................ 7 2 study on failure law of coal floor in deep mining ................................................. 9 2.1 Mechanical characteristics of rock mass in deep stope ............................................................. 9 2.2 Numerical simulation study on floor failure law ..................................................................... 17 2.3 Chapter summary ..................................................................................................................... 26 3 Physical simulation test of similar material in deep mining floor failure ........ 28 3.1 Basic theory of similar material simulation experiment .......................................................... 28 3.2 Design and laying of simulation test model for similar materials ........................................... 29 3.3 Test results and analysis........................................................................................................... 34 3.4 Chapter summary ..................................................................................................................... 40 4 Numerical simulation study on main influencing factors of coal seam floor in deep mining .............................................................................................................. 41 4.1 The influence on the floor failure depth from mining depth and the length of working face 41 4.2 The influence on the floor failure depth from mining thickness and .......................... 44 4.3 The influence on the floor failure depth from fault ................................................................. 46 4.4 Chapter summary ..................................................................................................................... 48 5 Development and application of failure depth prediction system based on Weka plat .................................................................................................................... 50 5.1 Standardization and discretization of sample data ................................................................... 50 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 CONTENTS VII 5.2 Using the algorithm in Weka to predict and obtain the optimal model ................................... 57 5.3 Software development based on Java language ....................................................................... 68 5.4 Application of floor failure depth system ................................................................................ 79 5.5 Chapter summary ..................................................................................................................... 81 6 Conclusion and Prospect ...................................................................................... 83 6.1 conclusions ............................................................................................................................ 83 6.2 Innovation points ..................................................................................................................... 84 6.3 Paper prospects ........................................................................................................................ 85 References ................................................................................................................. 86 Acknowledgement .................................................................................................... 91 Masters Major Achievements during the Period ................................................. 92 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 绪论 1 1 绪论绪论 1.1 研究背景与意义研究背景与意义 煤炭资源的消耗在我国的一次能源结构中高达 70以上，而且在以后相当 一段时间内煤炭仍是我国的主要能源。中东部矿区的浅部煤炭资源已近枯竭， 我国中东部矿区的很多矿井都已进入煤炭资源的深部开采阶段[1-3]，到 2020 年 我国的很多矿井开采的煤层深度将达到 1200m。根据数据预计，我国开采深度 小于 1000m 的煤炭资源中可靠级储量只有 9169 亿吨，而我国深部所埋藏的煤 炭储量很大，在 1000m 以上的的储量大约有 2.86 万亿吨，占总量的 51.34， 随着矿井向深部发展的步伐不断加快， 煤炭深部开采问题已逐渐摆在我们面前， 再完全照搬浅部开采条件下的理论、方法、技术及经验解决深部开采问题，无 疑是不科学的，因此，煤炭深部开采相关科学理论和技术问题已迫切需要研究 解决。 瓦斯爆炸、 煤尘爆炸、 矿井火灾、 冒顶事故和煤矿水灾害是煤矿生产过程中 常见的五大矿井灾害，尤其是矿井水害，对矿井安全高效开采造成了巨大的威 胁，在过去的几十年里，曾经发生过近 230 多个矿井被淹的事故，失踪和死亡 人数达 2000 多人，经济损失高达 350 多亿元人民币。煤矿水害而给国家和人民 带来的人身伤亡和经济损失极为惨重，同时也给政府造成了国际国内社会的极 不利影响，这与我国的建立和谐社会和以人为本的政策极不相符。 煤层底板破坏深度是预测底板突水威胁程度的重要判据，也是留设防水安 全煤柱的重要参数，掌握有效的底板破坏深度预测方法，对于底板水害的防治 和安全开采具有重要意义。近年来，很多学者通过现场实测获得底板破坏深度 值，在考虑采深、倾角、采厚等主要影响因素下，进行了线性回归，得出了多种 计算公式，但由于开采条件的变化导致现有的经验公式不再适用。 因此， 本文结合现有底板突水灾害预防控制的成果， 采用理论分析、 数值模 拟和相似材料模拟等方法研究了深部开采底板破坏规律， 基于 Weka 平台， 建立 了底板破坏深度预测模型，利用 Java 语言开发了底板破坏深度预测系统，为深 部开采矿井底板突水灾害的防治提供了可靠的理论指导。 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 绪论 2 1.2 底板破坏深度研究现状底板破坏深度研究现状 由于煤矿井下开采活动，对煤层顶底板造成了很大影响，顶底板岩层的连 续性发生了变化，从而引发其导水性发生了变化，这种导水性发生明显变化的 裂隙在空间上分布的范围，称为导水破坏带。导水裂隙的最深边界到煤层底面 的法线距离称为底板破坏深度，在煤层底板破坏深度方面，主要有现场实测法 （分段注水探测、声波 CT 探测法） 、公式法（断裂力学、弹塑性力学等） 、数值 模拟（FLAC、ANSYS、SAP、ALGOR-FEM 等）和室内试验等。 （1）现场实测 程久龙等[4]通过 CT 探测方法， 按照开采的关键阶段进行了观测方案的设计， 通过动态声波 CT 对底板破坏深度进行了探测， 使用了纵波波速作为参量， 选用 SIRT 法进行反演，结果显示直观明了，且取得了理想的效果。 高召宁等[5]研究了煤层底板岩层的破坏和电阻率之间的关系，介绍了直流 电阻率 CT 探测技术并在淮北某矿 1028 工作面中进行了应用， 布置钻孔和电极， 设计探测方案， 应用直流电阻率 CT 探测了底板破坏深度， 通过反演电阻率的值 得出 1028 工作面底板破坏深度为 17m，结果表明其探测效果显著，对于现场实 际生产中对防水方案的制定具有一定的指导意义。 叶康等[6]通过双端堵水器对某矿 41503 工作面进行了实测，也采用了理论 计算和数值模拟，结果表明 41503 工作面理论计算煤层破坏深度为 16.89～ 20.40m，数值模拟计算结果为 13.67m，双端堵水器的实测结果是 12.26m，得出 数值模拟结果和现场实测的误差更小，为本矿的安全开采提供了依据。 刘伟韬等[7]应用钻孔双端堵水器对王楼煤矿 11301 工作面的底板破坏深度 进行了现场观测，并根据实际地质条件建立了数值计算模型，得到破坏深度为 12～15m，采用双端堵水器的实测底板破坏深度为 12.9m，两种方法的最终结果 比较接近， 说明结果可靠， 可以对相似的地质条件下的底板破坏深度进行预测， 对于指导实际生产具有很大的参考价值。 （2）数值计算 白峰青等[8]针对邢东矿 2121 工作面的实际地质条件，采用 ANSYS 模拟了 深部煤层底板破坏特征， 并从底板破坏深度、 应力和位移三个方面进行了分析， 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 绪论 3 模拟计算过程中所用到的的参数以室内试验得到的结果为初始值并进行了反复 的调参，直到和实测结果相接近，在煤层埋深较大的情况下，最大破坏深度值 在 25～34.25m 之间，并与浅部开采时的底板破坏值进行了比较，最终