条带开采工作面底板突水影响因素分析及神经网络系统预测.pdf

应用技术 条带开采工作面底板突水影响因素分析及 神经网络系统预测 许进鹏 1, 2 ,胡中信 2 ,陈锁忠 1 1. 中国矿业大学 资源学院,江苏 徐州221008; 2.淄博矿业集团有限责任公司,山东 淄博257000 摘 要通过对埠村煤矿大量突水事例分析,认为工作面底板突水与工作面内是否存在断层、 工作面 下伏含水层的地下水的压力及富水性、 含水层距工作面的距离、 工作面宽度等因素相关。但各相关因素具 有非显著性的特点,很难用一个准确的数学公式或统计公式来描述相互间的关系。利用大量的案例数据 进行人工神经网络训练,建立一个人工神经网络系统,能够准确预测条带开采工作面的突水可能性。 关键词条带开采;底板突水;影响因素;非显著性;人工神经网络 中图分类号 TD823. 6 文献标志码B 文章编号 1008 - 4495 2009 04 - 0023 - 03 收稿日期 2008 - 07 - 09; 2009 - 04 - 10修订 基金项目江苏省博士后科研资助计划项目0602028B 作者简介许进鹏1970 , 男,安徽安庆人,工学博士, 副教授,主要从事矿井水害防治方面的研究工作。E - mail xu_jinpeng126. com。 1 问题的提出 淄博矿业集团埠村煤矿位于山东省章丘煤田南 部,生产能力为100万t / a,现主采山西组的3煤层 以及太原组的9煤层、10煤层。该矿自建成投产以 来,发生大小突水事件30多次,严重影响了矿井的 安全生产。近年来,该矿为了防止地面塌陷,采用条 带开采方法,实践证明,条带开采不仅可以有效地减 小地面塌陷,同时也能减小工作面的突水威胁。针 对埠村煤矿实际,研究分析条带开采工作面底板突 水影响因素,并根据分析结果建立了条带开采工作 面的底板突水神经网络预测系统。 2 条带开采工作面底板突水影响因素 对埠村煤矿建矿以来的突水工作面和与突水工 作面邻近的未突水工作面进行了全面统计,共计 50个工作面,其中突水工作面36个。通过对统计资 料进行分析,得出工作面底板突水的一些规律。 2. 1 断层对工作面底板突水的影响 断层对工作面底板突水有重大影响。如埠村矿 一号井,工作面底板突水15次,其中因为断层引起 的突水12次,占突水次数的80。从统计资料看, 许多其他条件相同的工作面,由于构造条件不同,突 水威胁性也不同。如一号井的907采区的1072, 1073, 1074三个相连的工作面,突水系数均达到 0. 09 MPa /m以上,但1072, 1074工作面未发生突水 事件,而1073工作面发生了突水事件,其原因是 1073工作面存在1条1. 5 m的小断层。 工作面突水水量与断层的落差大小有关。断层 落差越大,则出水量越大。断层落差与对应的出水 量的散点图见图1,从图中可以看出,断层落差越大, 出水量越大,二者近似呈指数关系。通过回归分析, 发现二者的数学关系并无显著性。 图1 断层落差与出水量的散点图 2. 2 工作面宽度对工作面底板突水的影响 工作面的开采宽度该次统计所采用的工作面 的开采宽度,是指长壁开采工作面的宽度、 条带开采 工作面的推进距离,即以一个矩形采区的宽与工作 面底板突水有一定关系。在其他条件相似的情况 32 2009年8月 矿业安全与环保 第36卷第4期 下,工作面宽度越大,工作面底板越易突水。如905 采区的1052, 1050, 1055工作面,位于同一采区,突 水系数分别为0. 115 2, 0. 118 2, 0. 097 7 MPa /m,但 1052工作面发生过突水事故,而1050, 1055工作面 则安全无恙,其原因是3个工作面的开采宽度不同, 其分别为46, 14, 16 m, 1052工作面的宽度大于其他 2个工作面,所以发生了突水事故。从条带开采的实 践来看,当工作面开采宽度达到初次来压步距时,工 作面压力最大,这时工作面底板突水的危险性也最 大。因此,基于防范底板突水目的的条带开采工作 面,其工作面宽度最大不应超过工作面初次来压步 距。当工作面宽度小于初次来压步距时,其影响作用 较大;如果工作面宽度大于初次来压步距时仍是安全 的,当进一步增大,其对工作面的影响作用将减弱。 2. 3 地下水压力、 隔水层厚度与工作面突水的关系 地下水压力越大、 隔水层厚度越小,工作面突水 的危险性就越大 [1 ]。从埠村煤矿的统计资料也可以 发现这一规律在其他条件相同的情况下,地下水压 力与隔水层厚度的比值越大,越易发生突水事故。 但是,地下水压力与隔水层厚度的比值突水系 数T并不是判别工作面是否突水的显著性指标。笔 者对比了部分未发生突水工作面的T值与发生突水 工作面的T值,并绘制成曲线见图2,从图2中看出, 发生突水的工作面T值并不明显大于未发生突水工 作面的T值,说明对于条带开采的工作面,不能以突 水系数T作为单独的指标来判别工作面是否突水。 图2 发生突水与未发生突水的工作面T值比较图 2. 4 徐上砂岩与工作面突水的关系 在埠村矿井田,徐家庄灰岩上有一层组中细 粒砂岩,称为徐上砂岩。根据矿区水文补勘井下施 工的钻孔资料,徐上砂岩虽整体富水性较弱,但局部 裂隙发育,并与徐灰导通,其补给水源为徐灰水,水 质类型与徐灰水亦基本相同。 由于徐上砂岩具有局部含导水性的特征,其 是否含导水对工作面突水具有重大的影响。徐上 砂岩不导水时是一个隔水层,当其导水时,则将大大 减小工作面底板的隔水层厚度。如三号井的911采 区的9110工作面,其附近的探查孔揭示,在徐家庄 灰岩之上,发育了3层砂岩,经探查最下一层砂岩层 出水量为150 m 3 / h,水压力为4. 3 MPa,比徐灰水压 力小0. 1 MPa;中间一层出水量为13. 8 m 3 / h,水压 力为3 MPa;最上一层出水量为6. 0 m 3 / h,水压力为 1. 0 MPa。考虑到不同的层位高度,根据压力分析, 中间一层砂岩水头高度与徐灰的水头高度一致,说 明至少中间一层砂岩已与徐灰部分连通。这样,隔 水层的厚度减小了28 m,若不考虑底板破坏带,隔水 层厚度也只有26 m,该工作面发生突水事故也就不 足为奇。 2. 5 含水层的富水性与工作面突水的关系 含水层的富水性不仅是决定底板突水量大小和 突水点是否能够持久涌水的基本条件,也是影响工 作面底板是否会发生突水事故的重要因素。根据多 次水文补勘成果资料,徐灰富水性受构造的控制,并 具有明显的分区性。井田划分了3个水文地质分 区,Ⅰ 区渗透性好,径流条件好,有极强的奥灰越流 补给和浅层侧向补给,模拟计算渗透系数K1 12. 72 m / d,K211. 28 m / d;Ⅱ 区渗透性中等,K1 8. 16 m / d,K2 6. 72 m / d,存在一定量的奥灰越流 补给;Ⅲ 区渗透性较弱,模拟计算K1 6. 24 m / d, K24. 8 m / d。从目前的突水事例看,富水性强的 Ⅰ 区的突水概率明显大于 Ⅲ 区。 3 条带开采工作面底板突水的神经网络系 统预测 从统计资料的分析可以看出,工作面突水的影 响因素具有非显著性特征,断层、 地下水压力、 隔水 层厚度、 工作面宽度等因素对工作面突水有影响。 对于这种非显著性关系,采用神经网络系统可以建 立工作面突水的判别系统,并可对工作面是否突水 进行预测。 3. 1 神经网络的选择 该次收集的资料结果明确,因此可以选择具有 监督的学习方式,从该次系统要求输出结果来看,仅 要求二值函数,选用感知机较为合适。但鉴于感知 机的函数都是线性的,而工作面突水的影响因素都 是非线性的,感知机对非线性问题显然不是强项。 综合考虑以上因素,决定采用BP网络 [2 - 3]。 3. 2 网络设计 由上述分析可知,影响工作面突水的因素有地 下水压力、 隔水层厚度、 地下水的富水性、 构造情况、 工作面宽度、 徐上砂岩的含水性等。由于地下水的 富水性可利用的资料较少,因此在样本中只考虑了 地下水压力、 隔水层厚度、 有无断层、 徐上砂岩的厚 度、 工作面宽度5个方面的数据。在样本的选择上, 42 2009年8月 矿业安全与环保 第36卷第4期 总计选择了34个样本。 层数和神经元数目的设计对于BP网络,有一 个非常重要的定理,即对于任何在闭区间内的一个 连续函数都可以用单隐层的BP网络逼近,因而一个 三层BP网络就可以完成任意的n维到m维的映 射。本次网络的层数也设计为3层,传输函数可以 选择双曲正切S型传递函数。整个网络结构见图3。 图3 网络结构图 3. 3 神经网络的训练 以上神经网络结构经过103步训练,误差达到 0. 000 939 42,小于目标误差0. 001,达到设计要求。 具体训练过程及误差曲线见图4。 图4 网络训练过程及误差曲线图 3. 4 应用实例 2007年5月,通过已建立的神经网络系统,对 911采区9111工作面进行了突水可能性预测。9111 回采工作面在三号井西区911采区西翼最下方,煤 层厚0. 8～1. 3 m,平均厚1. 07 m。煤层底板无徐上 砂岩层,对工作面具有威胁的含水层为徐灰和奥灰 含水层,徐灰水的压力为4. 68 MPa, 9煤层至徐灰最 小距离为50. 50 m,工作面内断层不发育,该工作面 开采宽度设计为采15 m、 留20 m煤柱。 将以上数据输入训练好的神经网络系统,结果 表明,该工作面开采的安全性概率为99. 92 ,目前 已安全回采。实践证明,神经网络预测系统对工作 面突水可能性预测是准确的。 4 结语 对埠村煤矿条带开采工作面的大量突水事例分 析认为工作面底板突水与工作面内是否存在断层、 工作面下伏含水层的地下水的压力及富水性、 含水 层距工作面的距离等因素相关。但各相关因素具有 非显著性特点,很难用一个准确的数学公式或统计 公式来描述相互间的关系。利用大量的案例数据进 行人工神经网络训练,建立一个人工神经网络系统, 能比较准确地预测条带开采工作面突水的可能性。 参考文献 [1 ]李白英,沈光寒.预防采掘工作面底板突水的理论与实 践[C].北京煤炭工业出版社, 1997. [2 ] [美]哈根,等.神经网络设计[M ].戴葵,等译.北京机 械工业出版社, 2002 35 - 89. [3 ]韩力群.人工神经网络理论、 设计及应用[M ].北京化 学工业出版社, 2007 65 - 79. 责任编辑卫 蓉 上接第19页 试验说明用细水雾灭火枪扑灭4A, 5B级火 灾,必须在清水中加入水系泡沫灭火剂,才具有较好 的灭火效果;小范围的A, B, C类火灾的初期扑救, 用清水能扑灭,效果较好。 参考文献 [1]安辉.内混式双流体渣油雾化喷嘴的实验研究[D ].大 连大连理工大学, 2003. [2 ]Kranz W L,Parkhurst A M.Comparison of harvest techniques for grass -seed field demonstrations [ J ]. American Journal ofAlternative Agriculture, 1980, 4 2 68 - 72. [3 ] GB 1501998,钢制压力容器[ S]. 责任编辑吕晋英 52 2009年8月 矿业安全与环保 第36卷第4期