基于深度學(xué)習(xí)及數(shù)值模擬耦合的覆巖采動效應(yīng)研究

姚福艷 呂昌興 楊 曉

（1.山東科技大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院，山東 青島 266590；2.新汶礦業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司華豐煤礦，山東 泰安 271000；3.山東正元建設(shè)工程有限責(zé)任公司，山東 泰安 271000）

運(yùn)河煤礦首采區(qū)1305 工作面受逆斷層影響，使得3 煤層存在寬度約為270～350 m 重疊區(qū)，待采區(qū)正上方130～190 m 處為采空區(qū)?；夭晒ぷ髅嫔a(chǎn)過程中受到采空區(qū)積水、逆斷層上盤三灰含水層、奧灰含水層等多種水害威脅嚴(yán)重。運(yùn)河煤礦3 煤剩余資源越來越少，本次以導(dǎo)水裂隙帶及開采影響范圍為主研究，以便在安全可靠前提下最大限度地回收煤炭資源。

1 研究區(qū)概況

運(yùn)河煤礦位于濟(jì)寧煤田北部，總體為一近南北、北東—北東東走向向斜構(gòu)造。區(qū)域內(nèi)含煤地層主要為山西組和太原組，平均總厚度275 m 左右，共有含煤地層25 層。井田主要發(fā)育四組斷層，主要為近南北向斷層，次為走向近東西斷層，此外還發(fā)育有北東走向及北西走向斷層，落差在10 m 以上的斷層60 條。根據(jù)煤系地層埋深特點，該區(qū)水文地質(zhì)環(huán)境具有以下規(guī)律：煤系地層之上，含水層和隔水層相間沉積，而隔水性能最好最厚者在下部，使得雨水、地表水、第四系砂層水、侏羅系砂巖裂隙水受到多個隔水層的重重阻隔不能充分補(bǔ)給礦井，其次直接充水含水層埋藏較深，充水空間不發(fā)育，富水性不強(qiáng)，以靜儲量為主。

2 導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度研究

2.1 數(shù)據(jù)選取

研究表明，導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度值是多因素影響的結(jié)果，不僅僅單獨與采深、采厚等回采工作面參數(shù)相關(guān)。正因為我國是煤炭資源大國，煤礦生產(chǎn)歷史悠久，從而積累了導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度大量實測數(shù)據(jù)[1-2]。該礦研究區(qū)為緩傾斜煤層，因此作者選取與該礦開采條件相似的48 組導(dǎo)水裂隙帶實測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，見文獻(xiàn)1[3]。

2.2 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建背景

分析可知，自變量采厚M、硬巖巖性比例系數(shù)b、工作面斜長L、采深H以及因變量導(dǎo)水裂隙帶高度HF均為連續(xù)型數(shù)值變量。圖1 為各影響因素與導(dǎo)水裂隙帶高度散點圖，表1 為各影響因素之間的相關(guān)性分析。由圖1 可知，采厚與導(dǎo)水裂隙帶高度散點圖可大體呈線性關(guān)系，而工作面長度、采深及硬巖巖性比例系數(shù)與裂隙帶之間并不是絕對的線性關(guān)系，各影響因素之間存在內(nèi)生現(xiàn)象。表1 中導(dǎo)水裂隙帶高度HF與各影響因素之間的相關(guān)性系數(shù)僅與采厚M為0.695，與其他因素的相關(guān)性較弱。綜上可知，如果使用多元非線性回歸模型預(yù)測導(dǎo)水裂隙帶高度將會存在構(gòu)建模型復(fù)雜，甚至?xí)霈F(xiàn)樣本過擬合現(xiàn)象。因此，為了既能綜合各影響因素又能科學(xué)預(yù)測導(dǎo)水裂隙帶高度，在本節(jié)將使用BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型。

圖1 各影響因素散點圖

表1 各影響因素相關(guān)系數(shù)矩陣

2.3 構(gòu)建BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型

2.3.1 確定網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

對于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)來說，隱含層節(jié)點數(shù)越多，網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練效果越好，但是隱含層與節(jié)點數(shù)太多，不僅延長了網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練時間，更會出現(xiàn)過擬合現(xiàn)象[4]。學(xué)者Cybenko 認(rèn)為，以Sigmoid 函數(shù)為激活函數(shù)時，兩個隱含層的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可以解決任何復(fù)雜的分類及預(yù)測問題[5]。因此，為提高神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)魯棒性，通過訓(xùn)練本文將選擇單隱層13 個神經(jīng)元的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，如圖2。

圖2 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

因不同影響因素的量綱不同， 需借助mapminmax 函數(shù)對原始數(shù)據(jù)歸一化獲得規(guī)范化矩陣；其次將設(shè)置網(wǎng)絡(luò)迭代參數(shù)：學(xué)習(xí)速率（0.01）、目標(biāo)誤差（0.005）、最大迭代次數(shù)（5000）。由于計算量大，上述過程將在MATLAB 平臺通過編寫源代碼完成。

2.3.2 導(dǎo)水裂隙帶高度預(yù)測

以采厚M、硬巖巖性比例系數(shù)b、工作面斜長L、采深H作為輸入樣本，導(dǎo)水裂隙帶高度HF作為輸出樣本。網(wǎng)絡(luò)迭代過程中不斷記錄誤差平方和，并繪制誤差變化曲線（如圖3），即迭代4 次時誤差達(dá)到最高值，迭代10 次以后誤差穩(wěn)定于所設(shè)定誤差0.005。

圖3 誤差變化曲線

圖4 為預(yù)測值與實際導(dǎo)水裂隙帶高度對比圖，決定系數(shù)R2=0.779 8，因此上述預(yù)構(gòu)建的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型已具備較好的學(xué)習(xí)能力。將該礦1305 工作面各參數(shù)帶入訓(xùn)好的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，預(yù)測結(jié)果為88.156 m。

圖4 訓(xùn)練結(jié)果圖

3 基于FLAC3D 模擬采動影響范圍

煤系中發(fā)育的斷層可分為五種：張性、壓性、扭性、張扭性和壓扭性斷層。因煤層被采出，采場圍巖及上覆巖層會因支承壓力改變造成附近斷層活化、覆巖裂隙發(fā)育和斷層伴生節(jié)理再發(fā)展，當(dāng)破壞帶與伴生節(jié)理相互溝通，即為承壓水進(jìn)入礦井創(chuàng)造了通道[6]。

結(jié)合運(yùn)河煤礦實際地質(zhì)情況，利用FLAC3D軟件構(gòu)建尺寸為440 m×580 m×120 m（長×寬×高）的模型，斷層傾角45°。為簡化計算，煤層設(shè)計為水平煤層，設(shè)置1305 工作面的傾向長度為100 m，推進(jìn)長度580 m，簡化的幾何模型及設(shè)計開挖方案如圖5。

圖5 數(shù)值模擬計算圖

3.1 模型力學(xué)參數(shù)及邊界條件

各層巖體物理參數(shù)有剪切模量、體積模量、內(nèi)聚力、內(nèi)摩擦角、抗拉強(qiáng)度、密度，由于外界環(huán)境中巖體的物理力學(xué)指標(biāo)和室內(nèi)測試的指標(biāo)之間存在較大差異，因此需對室內(nèi)巖塊的測試結(jié)果進(jìn)行修正，這樣才能更好地應(yīng)用于數(shù)值模擬中。結(jié)合該礦及相鄰煤礦含煤地層巖石力學(xué)性質(zhì)測試結(jié)果，本次模擬的巖體物理力學(xué)參數(shù)見表2。

表2 力學(xué)參數(shù)匯總表

3.2 模擬方案及結(jié)果

依據(jù)該礦工作面回采說明書及設(shè)計停采線情況，筆者設(shè)計開挖步距呈等差數(shù)列增加，即開挖步距為90 m、180 m、270 m、360 m、450 m、540 m。通過分步開挖模擬1305 工作面覆巖裂隙動態(tài)發(fā)育特征，根據(jù)塑性區(qū)破壞圖分析說明覆巖破壞隨空間和時間變化的動態(tài)過程，如圖6。

圖6 工作面不同開挖步距塑性區(qū)分布圖

通過分析圖6，采空區(qū)上部覆巖的破壞變形是一個由小范圍逐漸擴(kuò)大的過程。隨著開采范圍的不斷增大，工作面直接頂會隨著開采垮落，上部巖層縱向裂隙更為發(fā)育。隨著進(jìn)一步開采，工作面正上方覆巖破壞程度增大，使得縱向裂隙相互貫通，呈“馬鞍狀”。當(dāng)工作面推進(jìn)一定的距離后導(dǎo)水裂隙帶高度趨于穩(wěn)定，塑性區(qū)在垂向的范圍不再增大。當(dāng)開采推進(jìn)540 m 過程中導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度穩(wěn)定在71 m 范圍左右，發(fā)生剪切破壞的最大范圍距離F10 逆斷層大約有40 m。

4 采動效應(yīng)綜合分析

由煤礦基礎(chǔ)地質(zhì)資料可知，F(xiàn)10 逆斷層傾角45°且1305 工作面已根據(jù)《煤礦防治水細(xì)則》針對F10 逆斷層預(yù)計留設(shè)100 m 的斷層防隔水煤（巖）柱。為避免因煤柱留設(shè)過大而造成煤炭資源浪費問題，筆者將充分運(yùn)用數(shù)理統(tǒng)計及數(shù)值模擬手段分析采動后導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度并可視化采動影響范圍。

結(jié)合斷層傾角45°以及預(yù)留設(shè)煤柱寬度100 m 可知，為保證工作面安全，允許最大導(dǎo)水裂隙帶高度MAX（HF） = 100×tan（45°） = 100 m。根據(jù)BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測結(jié)果及塑性區(qū)分布圖可知，1305 工作面回采后最大導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度分別為88.156 m、71 m?？梢妰H考慮導(dǎo)水裂隙帶方面，布置的1305 工作面可以滿足安全生產(chǎn)要求。此外，根據(jù)FLAC3D采動影響范圍可知，直至工作面回采完畢，塑性區(qū)最大分布范圍距斷層還有40 m的距離。綜上可以說明1305 工作面布置方式可以滿足安全生產(chǎn)需求。

5 結(jié)論

（1）對于預(yù)測導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度來說，本文通過構(gòu)建BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型可以避免使用回歸模型預(yù)測時出現(xiàn)遺漏變量造成回歸系數(shù)估計不準(zhǔn)確現(xiàn)象。

（2）借助FLAC3D軟件模擬工作面回采后影響范圍，可以通過對比不同推進(jìn)距離塑性區(qū)分布切片圖，分析覆巖破壞隨空間和時間的動態(tài)變化過程。

（3）結(jié)合F10 逆斷層產(chǎn)狀、BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測結(jié)果及FLAC3D可視化的采動范圍能夠論證預(yù)留設(shè)煤柱的合理性。