許疃煤礦86采區(qū)10煤開采底板破壞深度預(yù)測

趙成洲,李 俊,羅 通,胡 杰,劉 振,郭 艷

1.淮北礦業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司許疃煤礦，安徽亳州,236000；2.合肥工業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，安徽合肥,230000;3.國家煤礦水害防治工程技術(shù)研究中心(宿州學(xué)院) ，安徽宿州,234000

許疃煤礦位于淮北煤田臨渙礦區(qū)南部?；幢泵禾锏靥幦A北聚煤區(qū)南緣，是我國典型的大水礦區(qū)，水害類型復(fù)雜，水害事故頻發(fā)，尤其是底板灰?guī)r水害，多次造成特大型淹井事故(如楊莊煤礦1988年“10.24”、任樓煤礦1996年 “3.4”和桃園煤礦2013年 “2.3”淹井等)。長期以來，底板灰?guī)r水水害防治是淮北煤田煤礦防治水的重點(diǎn)。特別是煤礦向深部延伸開采，底板灰?guī)r水水壓高、水害威脅大[1]，防治水任務(wù)更加艱巨。

許疃煤礦投產(chǎn)以來尚未開采下組煤(10煤)，底板灰?guī)r水害的影響程度尚未被揭露。但與該煤礦同屬一水文地質(zhì)單元的任樓煤礦和界溝煤礦，其底板灰?guī)r水對煤礦安全開采威脅嚴(yán)重，其中任樓礦的“3.4”淹井事故中最大突水量達(dá)34 570 m3/h，界溝礦首采面底板灰?guī)r最大突水量達(dá)400 m3/h以上?？梢灶A(yù)判，許疃煤礦10煤開采底板灰?guī)r水害防治將是安全生產(chǎn)的重中之重任務(wù)。

底板灰?guī)r水是否發(fā)生突水災(zāi)害，主要取決于兩個重要因素，一是底板隔水層厚度(M)；二是底板隔水層所承受的灰?guī)r水壓(P)。為此，我國“煤礦防治水規(guī)定”中提出，利用底板突水系數(shù)(Ts=P/M)來評價下組煤開采底板突水危險性。

煤層開采打破原有圍巖應(yīng)力平衡，應(yīng)力的重新調(diào)整使得底板隔水層巖體產(chǎn)生拉張破壞，從而削弱底板隔水層抵抗灰?guī)r水壓的能力，增大了突水危險性[2-3]。山東科技大學(xué)李白英教授等通過對煤層底板巖體變形破壞規(guī)律的實(shí)測與巖體力學(xué)數(shù)值模擬顯示，在采動影響下對底板巖體的破壞也像頂板覆巖一樣具有分帶性，即自上而下依次出現(xiàn)采動底板破壞帶、完整巖層帶和承壓水原始導(dǎo)升帶(即“下三帶”)[4-5]，為揭示高承壓水上開采底板灰?guī)r水突水機(jī)理提供新思路。

國內(nèi)外在采動底板破壞深度確定方面，取得豐富成果；在注水試驗(yàn)及物探實(shí)測[6-8]的基礎(chǔ)上，逐漸發(fā)展數(shù)值模擬預(yù)測。朱術(shù)云、宋文成、魯海峰等[9-11]根據(jù)彈性理論建立開采工作面底板力學(xué)模型，并給出解析解，進(jìn)而得到底板采動的縱向破壞和橫向突水危險區(qū)分布特征。許延春、左人宇、嚴(yán)桂鳳等[12-14]獲得底板破壞深度的實(shí)測數(shù)據(jù)后，通過數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法得出底板破壞深度計(jì)算公式。近年來，數(shù)值模擬方法在采動底板破壞深度確定方面的應(yīng)用越來越普遍，通過地質(zhì)、力學(xué)以及計(jì)算模型的概化構(gòu)建，實(shí)現(xiàn)采動條件下底板應(yīng)力、位移以及變形破壞規(guī)律的定量計(jì)算[15-18]。此外，一些新的算法如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法、人工蜂群法和數(shù)據(jù)挖掘法等[19-23]在采動底板破壞深度預(yù)測方面發(fā)揮重要作用。

許疃煤礦86采區(qū)10煤層已列入近年的開采計(jì)劃。為了掌握10煤開采底板破壞深度數(shù)據(jù)，本文根據(jù)86采區(qū)地質(zhì)及水文地質(zhì)條件，利用多種數(shù)值方法，對該采區(qū)下組煤(10煤)開采底板破壞深度進(jìn)行預(yù)測，為10煤開采方案設(shè)計(jì)以及合理評價底板突水危險性提供參考。

1 86采區(qū)背景條件

許疃煤礦核定生產(chǎn)能力350萬t/a，地處淮北煤田臨渙礦區(qū)童亭背斜軸的南端(圖1a)，地理坐標(biāo)為東經(jīng)116°40′～116°45′，北緯33°21′～33°26′。

主采煤層為二疊系上組煤3煤層、中組煤7和8煤層和下組煤10煤層(圖1b)。整個井田共劃分為8個采區(qū)，分別為81、82、82下、33、83、83下、85和86采區(qū)。10煤僅在86采區(qū)可采，地質(zhì)儲量1 793萬t，其中可采儲量958.1萬t。

圖1 淮北煤田臨渙礦區(qū)許疃煤礦位置及地層柱狀

許疃煤礦10煤開采礦井充水水源為頂、底板砂巖裂隙水和底板灰?guī)r水，其中底板灰?guī)r水是10煤安全開采的主要威脅水源。

86采區(qū)位于許疃井田北部，地層傾伏較小。采區(qū)內(nèi)10煤底板隔水層巖性主要為細(xì)砂巖、粉砂巖和泥巖，夾炭質(zhì)頁巖。隔水層底界標(biāo)高-532.015～-728.164 m，厚度24.54～96.05 m(平均58.14 m)。經(jīng)計(jì)算，86采區(qū)10煤開采底板突水系數(shù)為0.05～0.16 Mpa/m(平均0.10 Mpa/m)，局部區(qū)域超過0.12 Mpa/m以上，存在突水風(fēng)險。

2 灰色BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法預(yù)測底板破壞深度

2.1 基本方法

任一事件的影響因素都具有確定或不確定、定性或定量的特點(diǎn)，因素間可能存在線性或非線性關(guān)系?；疑碚摻鉀Q了影響因素之間的排序問題，灰色關(guān)聯(lián)度計(jì)算可以將影響因素之間的相關(guān)性量化，從而更直觀的表達(dá);另一方面，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)具有自學(xué)習(xí)、組織一體化和高容錯特點(diǎn)，以及其能同時處理并建立多類型的線性或非線性關(guān)系，決定其在各領(lǐng)域的應(yīng)用廣泛，尤其表現(xiàn)在預(yù)測預(yù)警方面。其中，訓(xùn)練數(shù)據(jù)和輸入因子越多，即可達(dá)到設(shè)定的精度從而逼近真值，但會導(dǎo)致神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法收斂速度很慢，計(jì)算時間較長。

灰色理論與BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合，可以優(yōu)選影響因素，再建立神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算模型，利用已有數(shù)據(jù)進(jìn)行因子輸入和數(shù)據(jù)訓(xùn)練。這樣的模型優(yōu)點(diǎn)在于消耗較短的計(jì)算時間得到較高的預(yù)測精度。

2.2 參數(shù)選取

底板采動破壞深度的影響因素很多，在模型構(gòu)建時需要選擇與其密切相關(guān)的主控因素。從目前的開采經(jīng)驗(yàn)和研究歸納總結(jié)，采動底板破壞深度的主控因素有：

(1)采深。采深越大，巖層自重應(yīng)力增大，開采影響下有利于底板變形破壞。

(2)巖煤層傾角。傾斜巖煤層采動后會造成應(yīng)力集中，從而影響底板破壞程度。

(3)采厚。煤層采厚增大，采空區(qū)底板膨脹性增大，底板破壞程度越大。

(4)工作面斜長。多個煤礦的實(shí)測結(jié)果證明，底板采動破壞深度與采面斜長成正比。

(5)底板強(qiáng)度。底板強(qiáng)度越高，抵抗破壞的能力越強(qiáng)，底板破壞深度越小。

(6)構(gòu)造。底板斷層發(fā)育，巖層的完整性變差，抗破壞能力減弱，采動底板破壞深度會明顯增大。

2.3 數(shù)學(xué)模型

(1)關(guān)聯(lián)度分析

灰色關(guān)聯(lián)分析是基于因素間的幾何接近程度，提出關(guān)聯(lián)系數(shù)、關(guān)聯(lián)度和關(guān)聯(lián)序等定量計(jì)算，來評價影響因素(子因素)對目標(biāo)因素(母因素)的貢獻(xiàn)程度，數(shù)學(xué)模型可概括為：

設(shè)有目標(biāo)因素?cái)?shù)列，記作x0={x0(1),x0(2),…,x0(n)}，同時又有一系列子因素?cái)?shù)列，x1，x2，…，xm，記作：

x1≡{x1(1),x1(2),…,x1(n)}

x2≡{x2(1),x2(2),…,x2(n)}

……

xm≡{xm(1),xm(2),…,xm(n)}

記xi(i=1，2，…，m)對x0在k采樣點(diǎn)的關(guān)聯(lián)系數(shù)為L0i(k)，則：

(1)

因關(guān)聯(lián)系數(shù)的數(shù)量多，使得攜帶的因素信息分散，為此使用關(guān)聯(lián)度r0i來比較子因素對母因素的貢獻(xiàn)程度:

(2)

從式(2)中得出，關(guān)聯(lián)度r0i的正向變化說明了子因素對母因素的貢獻(xiàn)具有增加趨勢。

(2)人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法

人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法是建立在梯度下降法基礎(chǔ)上的誤差反向傳播法，其主要算法過程見文獻(xiàn)[24]。

2.4 基于灰色理論的指標(biāo)選取

選取國內(nèi)多個礦區(qū)煤層開采引起的底板破壞深度的實(shí)測數(shù)據(jù)及影響因素建立灰色模型[24-25]，其余為兩淮煤田5個工作面的實(shí)測數(shù)據(jù)，用于模型的有效性檢驗(yàn)。

由2.2節(jié)可知，模型中目標(biāo)因素(母因素)x0為采動破壞深度；影響因素(子因素)x1，x2，x3，…x6為采深、煤層傾角、采厚、工作面斜長、底板抗破壞能力和是否有斷層6個指標(biāo)，在去量綱及均值化處理后，由表1可以看出，以上7個指標(biāo)反映與采動底板破壞深度的關(guān)聯(lián)度先后順序?yàn)椋汗ぷ髅嫘遍L>采深>煤層傾角>采厚>是否有斷層>底板抗破壞能力>構(gòu)造。因此，選擇與目標(biāo)因素關(guān)聯(lián)度最高的4項(xiàng)子因素作為輸入層神經(jīng)元，底板破壞深度作為輸出層神經(jīng)元，建立人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測模型。

表1 各指標(biāo)與底板破壞深度的灰色關(guān)聯(lián)分析結(jié)果

2.5 網(wǎng)絡(luò)建立與檢驗(yàn)

三層人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型(輸入層、中間層和輸出層)在任意精度上逼近任一有理函數(shù)[24]。為了對比灰色人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與傳統(tǒng)人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的準(zhǔn)確度。分別建立兩個模型。從模型設(shè)置上，灰色BP模型輸入層神經(jīng)元為4個，三層神經(jīng)元分布為4-10-1，而傳統(tǒng)BP輸入層神經(jīng)元為4個，三層神經(jīng)元分布為6-10-1。兩種網(wǎng)絡(luò)均采用Sigmoid型函數(shù)作為輸出函數(shù)。設(shè)定誤差小于1%。圖2為灰色BP模型訓(xùn)練誤差的達(dá)標(biāo)曲線。

圖2 網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練誤差下降曲線

選擇兩淮煤田的5個采煤工作面，利用BP和灰色BP模型分別進(jìn)行檢驗(yàn)。將兩種網(wǎng)絡(luò)模型的預(yù)測結(jié)果與現(xiàn)場數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，結(jié)果見表2。

表2 實(shí)測值、BP和灰色BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)算結(jié)果的比較

灰色BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的計(jì)算結(jié)果較于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，絕對與相對誤差均大大降低。這就證明了灰色BP模型的計(jì)算結(jié)果較于傳統(tǒng)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的計(jì)算結(jié)果更加接近實(shí)際。選取的影響因素可用于其余相似礦區(qū)底板破壞深度預(yù)測研究。

2.6 86采區(qū)底板破壞深度預(yù)測結(jié)果

以2021年86采區(qū)實(shí)施的深、中和淺部探煤孔2021-6、2021-8及2021-10孔柱狀圖揭露10煤及其底板巖層數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)，預(yù)測三個工作面(MN1021、MN1022、MN1023)底板破壞深度，輸入四個底板采動破壞深度參數(shù)工作面斜長、采深、煤層傾角和采厚(表3)，圖3～圖5展示了三個工作面訓(xùn)練誤差下降曲線。

圖3 MN1021工作面訓(xùn)練誤差下降曲線

圖4 MN1022工作面訓(xùn)練誤差下降曲線

圖5 MN1023工作面訓(xùn)練誤差下降曲線

當(dāng)三個工作面分別訓(xùn)練895步、197步及457步時，最小誤差達(dá)到0.001。預(yù)測結(jié)果如表4所示，MN1021、MN1022及MN1023工作面開采底板破壞深度分別為18.01 m、17.32 m、16.84 m，即采深越大，底板破壞深度越大。

表3 工作面幾何參數(shù)及預(yù)測結(jié)果

3 公式法預(yù)測底板破壞深度

3.1 經(jīng)驗(yàn)公式法

考慮采深、傾角、采高和工作面斜長，h1可按式(3)～式(5)計(jì)算：

h1=0.700 7+0.107L

(3)

h1=0.303L0.8

(4)

h1=0.008 5h+0.166 5α+0.107 9L-4.357 9

(5)

其中，h1為采動底板破壞帶深度，m；L為工作面斜長，m；h為開采深度(即煤層埋深)，m；α為煤層傾角，度。

把許疃礦86采區(qū)10煤三個工作面相關(guān)幾何參數(shù)帶入三個經(jīng)驗(yàn)公式(3)至(5)，計(jì)算結(jié)果如表4所示。 顯然，僅考慮工作面斜長的式(3)和式(4)，計(jì)算的底板破壞深度比較接近，而考慮采深、傾角等因素的經(jīng)驗(yàn)公式(5)，計(jì)算的底板破壞深度偏大，體現(xiàn)了巖層自重應(yīng)力和采動后應(yīng)力集中的影響。

表4 底板破壞深度經(jīng)驗(yàn)公式法預(yù)測結(jié)果

3.2 解析計(jì)算法

(1)初次來壓期間

工作面初次來壓時對的步距一般為25～30 m，此時，工作面仍處于平面應(yīng)變狀態(tài)，采場邊緣底板巖體的最大破壞深度hm的解析計(jì)算公式為：

(6)

其中，σc為巖體單軸抗壓強(qiáng)度，MPa；hm為開采深度，m；r為巖體容重，KN/m3；Lx為工作面斜長，m。

為了更科學(xué)地計(jì)算巖體的巖石物理指標(biāo)，根據(jù)巖層的巖性組合特征，選擇加權(quán)法計(jì)算：

(7)

基于煤礦底板巖性組合和力學(xué)指標(biāo)試驗(yàn)值，考慮尺度效應(yīng)，將測試結(jié)果乘以1/3，賦值于巖體力學(xué)指標(biāo)，將各參數(shù)代入式(7)，計(jì)算得到底板巖層平均抗壓強(qiáng)度和平均密度。將工作面寬Lx設(shè)定為150 m，采深h分別為696.93 m、640.41 m和505.75 m，由式(6)計(jì)算得hm分別為17.58 m、14.84 m和9.26 m。

(2)正常開采來壓期間

首先，英國A.H.Wilson提出煤層屈服區(qū)長度可按式(8)計(jì)算：

Xα=0.005中心Mh

(8)

其中，M為采厚；h為開采深度。

根據(jù)底板巖層賦存條件和巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，采用巖體強(qiáng)度折減方法，計(jì)算得出底板巖石物理力學(xué)參數(shù)內(nèi)摩擦角φ=35°。將工作面參數(shù)代入(8)式，得到模擬三個工作面煤層屈服區(qū)長度Xα分別為12.68 m、11.94 m和12.19 m。

將Xα及底板巖體權(quán)重平均內(nèi)摩擦角φ0=35°代入式(9)，得到底板最大破壞深度h1為14.78 m。同樣，代入式(10)計(jì)算出底板最大破壞深度距工作面端部的水平距離l1。

(9)

l1=h1tgφ0

(10)

通過上述計(jì)算，許疃礦86采區(qū)10煤在正常開采期間，工作面寬度為150 m時，由采動引起的底板破壞深度范圍為17.76～18.86 m，底板巖體最大破壞深度距工作面端部的水平距離為8.94 m左右。

4 底板破壞深度的取值

許疃煤礦86采區(qū)尚未開采，缺乏有關(guān)底板破壞深度實(shí)測數(shù)據(jù)。根據(jù)淮北煤田各礦實(shí)際開采資料，32、71、72、82煤層開采底板破壞深度為12～15 m。但隨著采深的增加，地應(yīng)力的影響逐漸凸顯，底板破壞范圍及深度會增加。

綜合以上灰色BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、經(jīng)驗(yàn)公式和解析計(jì)算法結(jié)果，許疃煤礦86采區(qū)10煤開采底板破壞深度為9.26～19.75 m，平均16.0 m。由于該采區(qū)構(gòu)造相對較為復(fù)雜，向深部地應(yīng)力增大，底板破壞深度會較大，應(yīng)取上限值(19.75 m)。

5 主要結(jié)論

通過以上研究，得出如下結(jié)論：

(1)根據(jù)灰色BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型預(yù)測，隨著開采深度的增大，10煤開采底板破壞深度隨之增大，采深由505.75 m增加到696.93 m，底板破壞深度由16.84 m增大到18.01 m，每百米采深大致造成底板破壞深度增大0.65 m。

(2)從三個經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算結(jié)果看，考慮開采深度和巖煤層傾角的經(jīng)驗(yàn)公式，體現(xiàn)了受巖層自重應(yīng)力增大和應(yīng)力集中的影響，所計(jì)算的采動底板破壞深度偏大。

(3)老頂初次來壓期間底板破壞深度的解析法計(jì)算結(jié)果顯示，采深對采動底板破壞深度的影響較大，采深696.93 m的底板破壞深度(17.58 m)大約是采深505.75 m時底板破壞深度(9.26 m)的2倍。

(4)通過預(yù)測計(jì)算，許疃煤礦86采區(qū)10煤開采底板破壞深度為9.26～19.75 m(平均16.0 m)，在構(gòu)造復(fù)雜、采深大等因素影響下，底板破壞深度可取上限值19.75 m。