基于地質(zhì)與回采數(shù)據(jù)的工作面煤厚預(yù)測(cè)

朱翔斌,劉 洋

(1.內(nèi)蒙古銀宏能源開(kāi)發(fā)有限公司泊江海子煤礦,內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017012;2.中煤能源研究院有限責(zé)任公司,陜西 西安 710054)

0 引言

準(zhǔn)確預(yù)測(cè)采煤工作面煤層厚度的空間變化,是優(yōu)化開(kāi)采設(shè)計(jì)方案、提高資源回收率和安全回采的基礎(chǔ)參數(shù)[1-3];同時(shí),對(duì)于今后實(shí)現(xiàn)無(wú)人智能開(kāi)采也有重要的意義[4-6]。根據(jù)數(shù)據(jù)來(lái)源和方法原理可以將煤厚預(yù)測(cè)技術(shù)分為4類:①采用地面鉆孔資料的煤層厚度空間內(nèi)插方法[7-9],②利用地面三維地震資料與地質(zhì)鉆孔開(kāi)展煤層厚度變化趨勢(shì)預(yù)測(cè)[10-15];③基于礦井物探、礦井地質(zhì)方法的煤厚預(yù)測(cè)[16-17];④煤巖識(shí)別技術(shù)的探索性研究[18]。

為了預(yù)測(cè)工作面煤層厚度,以地面與井下鉆孔、工作面回風(fēng)巷、運(yùn)輸巷和切眼揭露的煤厚信息為基礎(chǔ),將上述信息與回采工作面揭露的煤厚數(shù)據(jù)加以融合,建立工作面煤層厚度預(yù)測(cè)的靜態(tài)模型和動(dòng)態(tài)模型。選取某代表性工作面的煤厚,分別進(jìn)行地質(zhì)動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè),使得煤厚動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)的精度得到明顯提升。

1 工作面煤厚預(yù)測(cè)基礎(chǔ)條件分析

1.1 煤厚預(yù)測(cè)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

煤層厚度預(yù)測(cè)的相關(guān)研究大多數(shù)是對(duì)礦區(qū)尺度的煤層厚度變化進(jìn)行預(yù)測(cè),且多是以地面鉆孔資料與三維地震資料為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。相比于煤田尺度而言,工作面尺度一般要小很多,落到工作面范圍內(nèi)的地表鉆孔一般很少。因此,要實(shí)現(xiàn)工作面煤厚高精度預(yù)測(cè),必須對(duì)工作面現(xiàn)有資料進(jìn)行分析,提取煤厚預(yù)測(cè)的樣本點(diǎn)數(shù)據(jù)。

1.1.1 鉆探資料

鉆探資料包括地表鉆孔和井下鉆孔。通過(guò)對(duì)鉆孔資料進(jìn)行整理,可以得到工作面內(nèi)部離散的煤厚樣本點(diǎn)。

1.1.2 巷道揭露的煤厚資料

運(yùn)輸巷、回風(fēng)巷和切眼都是為工作面回采而掘進(jìn)的巷道,并且在空間上構(gòu)成了一個(gè)“U”型。為了便于后文論述,這3種巷道統(tǒng)稱為“U”型回采巷。當(dāng)煤層厚度低于巷道高度時(shí),煤巖界面就會(huì)裸露在巷道中,按一定的選點(diǎn)規(guī)則對(duì)煤層厚度進(jìn)行測(cè)量,即可得到離散的U型回采巷煤厚數(shù)據(jù)。當(dāng)煤層厚度高于巷道高度時(shí),可以從巷道寫實(shí)圖上整理出探煤厚點(diǎn)集。

1.1.3 回采過(guò)程中的煤厚資料

在工作面回采過(guò)程中,同樣會(huì)揭露煤層的頂?shù)装?、煤厚信息。?dāng)煤層厚度較薄,全厚度開(kāi)采時(shí),可以按照一定的取點(diǎn)規(guī)則采集煤厚點(diǎn)。當(dāng)煤層較厚,分層開(kāi)采時(shí),可以收集回采過(guò)程中的探煤厚點(diǎn)數(shù)據(jù)。

由以上分析可知,煤厚樣本點(diǎn)圍繞在待插值區(qū)域(未回采工作面)的3條邊界上,構(gòu)成“U”型;落在工作面范圍內(nèi)的鉆孔較少,甚至沒(méi)有。

1.2 插值方法

考慮到工作面煤厚樣本點(diǎn)分布特點(diǎn),選用的插值方法首先必須具有較強(qiáng)的外推能力,不能產(chǎn)生邊界效應(yīng),并且具有較高的精度。Kriging是一種對(duì)所研究對(duì)象求最佳、線性、無(wú)偏估計(jì)的方法。Kriging綜合考慮了樣本點(diǎn)的形狀、大小及其他屬性與待預(yù)測(cè)點(diǎn)相關(guān)屬性的關(guān)系,進(jìn)而為每個(gè)樣本點(diǎn)計(jì)算一個(gè)加權(quán)系數(shù),最后利用加權(quán)平均法計(jì)算待預(yù)測(cè)點(diǎn)的屬性估計(jì)值[19],見(jiàn)式(1)。

(1)

式中,Z(xi),λi分別為第i個(gè)樣本點(diǎn)的實(shí)際測(cè)量值及其未知權(quán)重;x0為待預(yù)測(cè)點(diǎn);Z*(x0)為待預(yù)測(cè)點(diǎn)的屬性預(yù)測(cè)值;N為樣本點(diǎn)個(gè)數(shù)。

基于Kriging的無(wú)偏性原則和最優(yōu)性原則,可以建立關(guān)于λi的普通Kriging方程組,對(duì)方程組進(jìn)行求解,即可得到加權(quán)系數(shù)向量[λ1,λ2,…,λN],進(jìn)而計(jì)算待預(yù)測(cè)點(diǎn)的估計(jì)值。

2 工作面煤厚預(yù)測(cè)模型

工作面煤厚預(yù)測(cè)模型分為初始靜態(tài)模型和回采動(dòng)態(tài)模型,如圖1所示。初始靜態(tài)模型是指基于“U”型回采巷煤厚點(diǎn)數(shù)據(jù)插值得到的煤厚模型;回采動(dòng)態(tài)模型是指工作面回采過(guò)程中動(dòng)態(tài)更新煤厚點(diǎn),并結(jié)合“U”型回采巷煤厚點(diǎn)數(shù)據(jù),動(dòng)態(tài)更新工作面煤厚模型。下面首先論述數(shù)據(jù)預(yù)處理與Kriging插值,然后基于此分別敘述初始靜態(tài)模型和回采動(dòng)態(tài)模型。

圖1 工作面煤層厚度預(yù)測(cè)模型

2.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理與Kriging插值

地質(zhì)數(shù)據(jù)預(yù)處理:首先建立X-Y坐標(biāo)系,將U型回采巷、鉆孔及回采過(guò)程中的煤厚數(shù)據(jù)點(diǎn)集統(tǒng)一為(x,y,h)格式,其中x,y,h分別為煤厚揭露點(diǎn)的橫坐標(biāo)、縱坐標(biāo)和煤厚;然后進(jìn)行數(shù)據(jù)的離群點(diǎn)和正態(tài)分布分析。

2.2 初始靜態(tài)模型

收集并整理工作面回采前的煤厚點(diǎn)集,包括運(yùn)輸巷、回風(fēng)巷、切眼和鉆孔等揭露的煤厚點(diǎn)。然后對(duì)整個(gè)工作面區(qū)域的煤厚進(jìn)行插值預(yù)測(cè),得到工作面煤層厚度的初始靜態(tài)模型。

2.3 回采動(dòng)態(tài)模型

在工作面回采過(guò)程中,每回采一段距離,更新回采揭露的煤厚測(cè)點(diǎn)集,并結(jié)合初始靜態(tài)模型的煤厚點(diǎn)集,對(duì)未采煤層厚度進(jìn)行插值預(yù)測(cè)。循環(huán)執(zhí)行上述流程,直至整個(gè)工作面回采完畢。

3 煤厚預(yù)測(cè)實(shí)驗(yàn)與分析

3.1 模擬回采法

工作面煤層未回采完時(shí),很難獲取到工作面內(nèi)部未采部分的煤厚驗(yàn)證數(shù)據(jù),也就無(wú)法分析煤厚模型的精度。因此,為了分析煤厚預(yù)測(cè)方法對(duì)不同厚度煤層的適用性和預(yù)測(cè)精度,選擇某代表性已回采完畢的工作面開(kāi)展煤厚預(yù)測(cè)研究。

采用模擬回采法對(duì)煤厚預(yù)測(cè)精度進(jìn)行分析,如圖2所示。

1-未回采部分(虛擬);2-煤厚驗(yàn)證點(diǎn);3-回采線前方一定距離平行線;4-回采線前方局部區(qū)域;5-虛擬回采線;6-煤厚插值點(diǎn);7-采空區(qū)(虛擬)

模擬回采法的具體思路如下:首先,基于一個(gè)已經(jīng)回采完畢的工作面,通過(guò)設(shè)置一個(gè)虛擬回采線(實(shí)線5),將工作面劃分為已回采部分(右側(cè)空白區(qū))和未回采部分(左側(cè)陰影區(qū)),2部分區(qū)域相應(yīng)的實(shí)際煤厚測(cè)點(diǎn)分別定義為回采煤厚插值點(diǎn)集(空白區(qū)黑色“×”)和回采煤厚驗(yàn)證點(diǎn)集(陰影區(qū)黑色“×”);然后,基于“U”型回采巷煤厚測(cè)點(diǎn)集和回采煤厚插值點(diǎn)集,對(duì)未回采煤層厚度進(jìn)行插值預(yù)測(cè),得到煤厚模型;最后,以回采煤厚驗(yàn)證點(diǎn)集為標(biāo)準(zhǔn),計(jì)算煤厚模型在相應(yīng)點(diǎn)出的預(yù)測(cè)誤差,并進(jìn)行誤差分析。誤差分析包括2部分內(nèi)容:①全局誤差分析以驗(yàn)證點(diǎn)集為參考,計(jì)算不同回采階段下未采煤層厚度插值誤差,并對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析;②局部誤差分析以驗(yàn)證點(diǎn)集為參考,計(jì)算當(dāng)前回采階段下回采線前方局部范圍(回采線前方一定距離以內(nèi)區(qū)域)的煤厚插值誤差,同時(shí)計(jì)算上一回采狀態(tài)下同一區(qū)域的插值誤差,并對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析。設(shè)Z(xi)、Z*(xi)分別為驗(yàn)證點(diǎn)實(shí)際煤厚值和預(yù)測(cè)值,N為誤差分析區(qū)驗(yàn)證點(diǎn)個(gè)數(shù),采用均值R和標(biāo)準(zhǔn)差σ來(lái)評(píng)價(jià)插值精度,兩者的計(jì)算公式見(jiàn)式(2)、式(3)[10]。

(2)

(3)

3.2 煤層厚度插值實(shí)驗(yàn)

3.2.1 工作面概況

某礦2408工作面井下位于礦井二盤區(qū)西翼,為二盤區(qū)第3個(gè)工作面。2408工作面位于+892 m水平,設(shè)計(jì)走向長(zhǎng)度1 775 m,面寬240 m。2408工作面開(kāi)采為4-2煤層,賦存穩(wěn)定,煤層厚度6.0～13.5 m,平均厚度7.46 m。

圖3為該工作面煤厚測(cè)點(diǎn)分布簡(jiǎn)圖,其中“o”為巷道中的煤厚測(cè)點(diǎn),“×”為回采過(guò)程中揭露的煤厚點(diǎn),黑色圓點(diǎn)為地表鉆孔?；夭煞较?yàn)閺挠抑磷??；仫L(fēng)巷道中有38個(gè)煤厚測(cè)點(diǎn),切眼中有5個(gè)煤厚測(cè)點(diǎn),運(yùn)輸巷道中有42個(gè)煤厚測(cè)點(diǎn);2個(gè)地表鉆孔落在工作面內(nèi),且均見(jiàn)煤厚;工作面回采全程中共實(shí)測(cè)了94個(gè)煤厚測(cè)點(diǎn)。設(shè)置橫軸為X軸,縱軸為Y軸,原點(diǎn)位于左下角處,通過(guò)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換將所有煤厚測(cè)點(diǎn)統(tǒng)一為(x,y,h)格式。

圖3 2408工作面煤厚測(cè)點(diǎn)分布

3.2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2408工作面煤厚插值全局誤差統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表1。全局絕對(duì)誤差(絕對(duì)值)的均值R和標(biāo)準(zhǔn)差σ隨回采長(zhǎng)度的變化情況如圖4中的2條實(shí)線所示。由圖4可知,當(dāng)回采距離在區(qū)間[0,600)時(shí),全局絕對(duì)誤差的均值和標(biāo)準(zhǔn)差分別在區(qū)間[0.9,1.0]和[0.7,0.8]波動(dòng);當(dāng)回采距離在區(qū)間[600,1 400]時(shí),全局絕對(duì)誤差的均值和標(biāo)準(zhǔn)差均大幅度降低,兩者分別在區(qū)間[0.4,0.5]和[0.3,0.5]波動(dòng)。

表1 2408工作面煤厚插值全局誤差統(tǒng)計(jì)

圖4 絕對(duì)誤差均值R和標(biāo)準(zhǔn)差σ

在本例中,同樣設(shè)定局部區(qū)域?yàn)榛夭删€前方100 m以內(nèi)的區(qū)域。10種回采狀態(tài)下局部區(qū)域預(yù)測(cè)誤差與上一回采階段對(duì)應(yīng)區(qū)域的預(yù)測(cè)誤差的統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表2。由于在區(qū)域(X:1 200～1 300)內(nèi)沒(méi)有煤厚測(cè)點(diǎn),因此表2中也不包含相應(yīng)區(qū)域的統(tǒng)計(jì)值。由表2可知,相比于上一回采階段,隨著回采新揭露煤厚數(shù)據(jù)的加入,回采線前方局部區(qū)域的煤厚預(yù)測(cè)誤差大幅度降低,均值降幅分布在0.36%～206.96%,平均降幅達(dá)到52%。

表2 局部區(qū)域煤厚預(yù)測(cè)誤差動(dòng)態(tài)對(duì)比

局部絕對(duì)誤差(絕對(duì)值)的均值R和標(biāo)準(zhǔn)差σ隨回采長(zhǎng)度的變化情況如圖4中的2條虛線所示。由圖4可知,絕大多數(shù)回采階段下回采線前方100 m以內(nèi)的局部區(qū)域的煤厚預(yù)測(cè)誤差比未采區(qū)煤厚誤差明顯要低?；夭?00 m下的異常值可能是該區(qū)域煤厚統(tǒng)計(jì)錯(cuò)誤導(dǎo)致的,或者該區(qū)域煤厚發(fā)生急劇變化。

3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

為了評(píng)估煤厚預(yù)測(cè)效果,2408工作面煤厚預(yù)測(cè)的主要誤差指標(biāo)見(jiàn)表3。其中煤厚變異系數(shù)由工作面范圍內(nèi)的所有煤厚測(cè)點(diǎn)計(jì)算得到。“全局誤差”下的“絕對(duì)(相對(duì))誤差均值”是指不同回采階段下的未采煤層絕對(duì)(相對(duì))誤差絕對(duì)值的均值,由表1中的第3(5)列求均值得到?！熬植空`差”下的“絕對(duì)誤差均值”是指不同回采階段下的回采線前方局部區(qū)域絕對(duì)誤差絕對(duì)值的均值,由表2中的第7列求均值得到;“降幅均值”是指不同回采階段下的回采線前方局部區(qū)域誤差相對(duì)上一階段下的誤差降幅的均值,由表2中的第9列求均值得到。

表3 不同工作面煤層下煤厚預(yù)測(cè)誤差指標(biāo)

將各個(gè)連續(xù)回采階段下的局部區(qū)域煤厚模型組合在一起,就可以形成整個(gè)工作面的煤厚模型,在此稱之為組合模型。由上一段的分析可知,工作面前方局部區(qū)域的煤厚預(yù)測(cè)精度最高,那么對(duì)于整個(gè)工作面的煤厚模型來(lái)講,組合模型的精度也最高。對(duì)比回采的煤厚測(cè)點(diǎn),計(jì)算了組合模型在相應(yīng)測(cè)點(diǎn)處的煤厚誤差,并分級(jí)統(tǒng)計(jì)了各誤差等級(jí)下點(diǎn)數(shù)占比,結(jié)果見(jiàn)表3中的8～10列,其中E表示煤厚預(yù)測(cè)絕對(duì)誤差(絕對(duì)值)。由統(tǒng)計(jì)結(jié)果可知,煤層厚度預(yù)測(cè)誤差E≤0.10 m的點(diǎn)數(shù)占5.88%,E≤0.50 m的點(diǎn)數(shù)占47.06%,E≤1.00 m的點(diǎn)數(shù)占78.82%。綜合上述統(tǒng)計(jì)結(jié)果和煤層特征(厚度、煤厚變異系數(shù)等),分析可知,2408工作面煤厚變異系數(shù)較大,且煤厚較厚,其3個(gè)誤差等級(jí)的點(diǎn)數(shù)占比均較低。

4 結(jié)論

(1)模擬回采法驗(yàn)證工作面煤厚預(yù)測(cè)方法的可行性,煤厚變異系數(shù)高達(dá)39.04%的2408工作面煤層,不同回采階段下全局相對(duì)誤差的均值為9%。

(2)回采線前方局部區(qū)域的煤厚預(yù)測(cè)誤差一般要低于未采煤層的誤差。對(duì)比上一回采狀態(tài)下的煤厚模型,新的回采煤厚測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)能顯著降低回采線前方局部區(qū)域的煤厚誤差,降幅均值為52.03%。

(3)針對(duì)工作面的煤厚模型,組合模型的精度最高,且對(duì)不同厚度類型的煤層適應(yīng)性較強(qiáng)。