Height prediction of water flowing fractured zones based on BP artificial neural network

Factures caused by deformation and destruction of bedrocks over coal seams can easily lead to water flooding(inrush)in mines,a threat to safety production.Fractures with high hydraulic conductivity are good watercourses as well as passages for inrush in mines and tunnels.An accurate height prediction of water flowing fractured zones is a key issue in today's mine water prevention and control.The theory of leveraging BP artificial neural network in height prediction of water flowing fractured zones is analysed and applied in Qianjiaying Mine as an example in this paper.Per the comparison with traditional calculation results,the BP artificial neural network better reflects the geological conditions of the research mine areas and produces more objective,accurate and reasonable results,which can be applied to predict the height of water flowing fractured zones.

Height Detection and Analysis of Water Flowing Fractured Zone of Coal Face

Taking 91105 working face as the research object, the observation method of water flowing fractured zone and the layout of mining holes were determined by analyzing the field geological structure. It was shown that the fractured zone height and the ratio given by the measured method were 52.33 and 12.46, respectively. By the numerical simulation method with the software of UDEC, the fractured zone height and the ratio were 42.5 and 10.12. By comparison of measured height data and UDEC numerical simulation, there were some differences between the measured height and the calculated results of UDEC numerical simulation method. The method of simulation can be used as the technical basis for the design of waterproof coal pillar in the future.

综采工作面采动覆岩导水裂隙带发育高度综合研究

针对因煤层开采易导致上覆岩层产生裂隙,贯通地下含水层引发矿井水灾的问题,以盘城岭煤业150105工作面为研究背景,采用理论公式、现场井下仰孔注水测漏法和钻孔电视成像探测法,以及FLAC3D和UDEC数值模拟综合分析导水裂隙带的高度和发育规律。理论计算导水裂隙带的最大高度为81.56 m;通过井下仰孔注水测漏法监测3个钻孔的注水渗透量梯度临界值为12 L/min,通过临界值判定导水裂隙带高度为78.56~79.99 m;通过钻孔电视成像探测法观测钻孔内裂隙分布判定导水裂隙带高度为78.39~79.46 m;利用FLAC3D和UDEC数值模拟,根据覆岩塑性区变化特征,当工作面推进至180 m时,裂隙发生贯通,塑性区最大高度达到76.4 m,并根据覆岩塑性区变化、垂直应力分布、垂直位移云图分析了导水裂隙带发育规律的3个阶段。对不同方法下的导水裂隙带高度进行了相互验证。

基于相似模拟试验的顶板导水裂隙带高度及发育形态研究

目的 为研究采动影响下顶板导水裂隙带高度及其发育形态,方法 以司马煤矿三采区1303工作面为研究对象,开展相似模拟试验,并以此为基础,对顶板的岩性组合加以改变,结合数字照相量测系统对不同岩性组合顶板导裂带高度和发育形态进行分析,并进行理论验证。结果 结果表明:(1)工作面推进长度为160 m时,硬岩岩性顶板模型、硬-软岩岩性组合顶板模型以及软岩岩性顶板模型的导水裂隙带最大发育高度分别为69.6,55.6,61.1 m;(2)3种模型的导水裂隙带发育形态分别为底角50°的正梯形、前底角62°后底角60°的近似正梯形、前底角50°后底角60°的梯形;(3)根据模型试验和数据统计结果,给出适用于长治二岗山断褶带以南井田导水裂隙带发育高度预测式;(4)运用材料力学方法分析垮落角形成规律,垮落角与导水裂隙带发育高度呈反正切函数关系,并计算得到3种模型导水裂隙带前底角发育角度,分别为49.24°,61.21°和51.12°。通过导高计算公式得到3种模型导水裂隙带发育高度分别为74.1,51.1,59 m,均与相似模拟试验结果吻合。结论 研究结果对各类岩性顶板煤矿导水裂隙带发育高度预测具有参考意义。

河流下多煤层开采安全性及保护技术

我国新疆地区干旱缺水,艾维尔沟河作为新疆一条具有重要地理特征和环境影响的河流,其对于流经区域的经济、生态都具有重要意义,因此在艾维尔沟河下进行煤炭开采时,既要保证矿井安全也要保证河流的正常使用。采用理论分析、数值模拟等方法对河流下多煤层开采安全性及河流保护技术进行研究,通过理论计算得到多煤层开采条件下,覆岩导水裂隙带发育高度(11401工作面为41.9 m、1502工作面为110 m、11401工作面为113.8 m)并绘制剖面示意图;同时,采用数值模拟方法对覆岩导水裂缝发育形态及高度进行确定,最终基于导水裂隙带高度(117.8 m)与最小煤层埋藏深度(191.5 m)的相互关系,确定河流下开采是安全的可行的。在保证河流下煤层安全开采的前提下,通过分析离层注浆原理,并结合采动影响特征参数及工程现场,提出了以离层注浆为主,河道防渗及优化开采设计为辅的多手段对采动影响范围内地表特定目标的精准保护技术。根据实际采矿地质条件,采用概率积分法计算试采工作面开采前后河道位置处地表移动变形,计算结果显示:采用离层注浆精准保护技术后,河道的最大水平变形值(2 mm/m)未超出允许坝体的极限变形值(2.5 mm/m),所以采用离层注浆精准保护技术可以实现,井下安全开采的同时,保证河道的正常使用。通过对河流下多煤层开采的安全性及保护技术的分析研究,为矿山绿色开采提供参考和借鉴。

坚硬覆岩预裂弱化改性效应及导水裂缝带控制机理

针对深部煤层开采坚硬覆岩条件下导水裂缝带控制问题,充分借鉴坚硬顶板预裂弱化技术,提出预裂弱化坚硬主控覆岩控制导水裂缝带高度的新方法。综合采用实验室试验、理论分析、数值模拟等方法,研究了坚硬主控覆岩预裂弱化改性效应,详细阐述了不同弱化层位对导水裂缝带的控制机理,并进行了实测验证。研究结果表明:预制裂缝可以使坚硬岩石往强度低的方向进行转变,并将完整岩样的劈裂破坏特征转变为以预制裂缝为主控的张拉剪切破坏,坚硬岩石的破坏程度由剧烈趋于缓和;揭示了预制裂缝对坚硬岩体的弱化改性效应,计算得到应力与裂缝耦合的损伤变量,定性的分析了弱化程度与岩性转变的关系,改性后岩体能量存储能力降低,耗散能力增强;数值模拟了不同弱化层位对导水裂缝带的控制效果,综合对比覆岩破坏形态、裂隙数量及破坏高度动态演化规律,发现“马鞍形”破坏形态随着弱化层位的升高而逐渐减弱,覆岩裂隙数量演化基本呈现“缓增−突增”的演化趋势,未弱化以及中、高位弱化覆岩破坏高度动态演化近似呈现“S”形,而中位弱化呈“半抛形”,综合分析得出低位弱化对导水裂缝带的控制效果最好;在分析高、中、低位坚硬岩层破坏特征的基础上,揭示了不同预裂弱化层位控制导水裂缝带发育机理;钻孔实测孟村矿顶板压裂条件下的“两带”发育高度,对比发现预裂弱化条件下裂采比降低,初步验证了顶板预裂弱化对导水裂缝带发育的抑制性。研究成果将为深部矿区耦合灾害防控、水资源及生态保护等领域提供理论和科学依据。

基于LDA-RBF及综合赋权法的顶板突水危险性评价

为了解决龙凤煤矿9号煤层开采过程中顶板突水危险性问题,采用线性判别分析法(LDA)构建1种LDA-RBF神经网络导水裂隙带发育高度预测模型,并基于改进CRITIC评价法结合层次分析法(AHP)建立了CRITIC-AHP综合赋权法,分别评价矿区顶板采裂危险性及含水层富水性等级;通过ArcGis地理信息处理技术,将采裂危险性分区与富水性分区叠加,得到9号煤层顶板突水危险性综合分区图。结果表明:LDA-RBF神经网络预测模型结构简单且拟合精度更高,9号煤层导水裂隙带发育预测高度为50.4 m,已超过区域内大部分含水层底界标高,表明大部分区域存在较高的采裂危险性;而改进后的综合赋权法避免了评价结果主客观性过强的问题,其富水性分区结果与钻孔实际涌水量相符;突水危险区主要在矿区中北部呈条状分布,这是该区域含水层富水性较强和采裂危险性较高共同作用的结果,因此,在实际开采中应对以上区域予以重视。

高家堡井田二盘区导水裂隙带高度实测研究

为了查明煤层顶板导水裂隙发育规律,采用地面钻孔分段注水测试和钻孔窥视方法实测了高家堡井田204工作面和205工作面煤层顶板导水裂隙带发育高度。研究结果表明:(1)205工作面DT1钻孔位置煤层顶板导水裂隙带发育高度为327.75 m,裂采比25.81。(2)204工作面DT2钻孔位置煤层顶板导水裂隙带发育高度为197.85 m,裂采比35.33。(3)高家堡井田二盘区导水裂隙带实测结果丰富了黄陇煤田综放采煤覆岩破坏规律。

SMOGN过采样下导水裂隙带高度的MPSO-BP预测模型

【目的】导水裂隙带高度是顶板(涌)突水、地下水资源流失的重要影响因素之一,是矿井防治水研究的重点。【方法】为了准确地预测煤层顶板导水裂隙带高度,选取开采深度、采高、煤层倾角、工作面斜长、硬岩岩性比例系数和开采方法作为导水裂隙带高度的主要影响因素,搜集200例导水裂隙带高度实测样本作为模型数据集。首先,采用自适应高斯噪声过采样方法(synthetic minority over-sampling technique for regression with Gaussian noise,SMOGN)对原始数据集进行过采样,结合8折交叉验证,将平均绝对误差(EMA)、均方根误差(ERMS)和决定系数(R2)作为回归模型评价指标,确定最优的BP神经网络结构,然后采用变异粒子群优化算法(mutation particle swarm optimization,MPSO),对神经网络的初始权值和阈值进行优化,最后将优化后的预测模型进行工程现场应用。【结果和结论】结果表明:该数据集下,BP神经网络采用Huber loss和Adam一阶优化算法,训练速度和稳定性均得到提升,最优激活函数为Tanh,最优隐藏层节点数为12。当MPSO种群数量为50时,模型性能最好,经过SMOGN过采样和MPSO超参数优化,最终训练集的EMA为0.163,ERMS为0.216,R2为0.948,验证集的EMA为0.260,ERMS为0.341,R2为0.901。在现场应用中模型预测的相对误差均在9%以下。结果表明结合SMOGN技术和MPSO超参数优化技术,显著提高了模型的稳定性和泛化性能,改善了样本分布特征,提高了样本利用效率和模型预测效果,对导水裂隙带高度模型的训练和预测具有重要的借鉴意义。

煤矿导水裂隙带影响因素敏感性及高度预测研究

研究导水裂隙带高度是含水层修复和地表生态保护的重要基础,明确其影响因素的敏感性排序,有利于抓住主要矛盾,安全高效地实现矿井水预防。本文采用现场实测、数值模拟和数学统计方法,分析了导水裂隙带高度与岩层硬度、工作面长度、采高和埋深的内在联系,得到了导水裂隙带高度计算公式,并在现场得到应用。通过研究可知:导水裂隙带高度在硬岩中传导更快,而软岩可以抑制导水裂隙带高度。软岩与硬岩组合(下软上硬)导水裂隙带高度大于硬岩与软岩组合(下硬上软)导水裂隙带高度。开采方法会影响导水裂隙带高度,综放开采导水裂隙带高度大于厚煤层分层开采、单一薄煤层开采、单一中厚煤层开采。各因素影响导水裂隙带高度的程度为:采高>硬岩岩性比例系数>采深>工作面长度。与“三下”规程经验公式相比,利用多因素拟合公式可以较好地实现乌兰木伦煤矿12403工作面导水裂隙带高度预测,误差仅为−2.54%,研究成果为地下水资源保护和水害治理提供指导依据。

金谷煤矿充水因素分析评价及涌水量预测

本文对山西古县金谷煤业有限公司的地质与水文地质条件进行分析研究,查明矿井主要充水因素,包括大气降水及地表水、含水层水、采空区积水等。通过现场实测和数据分析,确定了各含水层的水文特征及其与矿井充水的关系,计算了垮落带和导水裂隙带高度以及奥灰水突水系数。在此基础上,采用面积比拟法对矿井涌水量进行了预测,得出矿井正常涌水量为54.58 m^(3)/h,最大涌水量为81.87 m^(3)/h。这一研究为金谷煤业矿井水害防治提供了科学依据,有助于提高矿井的安全生产水平,对于类似地质条件下的煤矿充水因素评价与涌水量预测具有重要的参考价值。

多煤层开采顶板导水裂隙带发育高度模拟分析研究

针对由顶板覆岩破坏而导致的矿井水害问题,以A煤矿一、二水平工作面为工程背景,采用力学理论分析与数值模拟等方法,分析了该煤矿多煤层开采条件下导水裂隙带发育高度特征,探讨了9号煤层回采不同距离时覆岩运移特征。结果表明:在4+5号及8号煤层回采结束后的重复采动过程中,9号煤层导水裂隙带与8号煤层贯通;9号煤层斜长200 m,工作面割煤回采引起导水裂隙带发育高度约为144.95 m,对8号煤层导水裂隙带发育高度影响不明显,对4+5号煤层导水裂隙带发育高度造成一定影响。对复杂开采条件下顶板导水裂隙带发育高度的研究,对指导矿井安全生产,防治矿井水害有着重要的现实意义。

地表水体下大采高工作面重复采动安全性评价

为了确定地表水体下大采高工作面重复采动的可行性和安全性,采用FLAC3D数值模型,对宁东煤田红石湾煤矿五煤和八煤重复采动后的覆岩破坏规律进行研究,五煤和八煤工作面均为大采高工作面,采高分别为4.6 m和4.8 m,根据数值模拟结果,五煤和八煤工作面回采后的冒落带高度分别为13.8 m和15.0 m,八煤工作面的导水裂隙带高度为242.0 m,保护带厚度为56.4 m,八煤工作面最浅处距离地表水体353.0 m,大于需要留设的防隔水煤(岩)柱高度(298.4 m),结合研究区的构造发育条件和隔水层隔水性能特征,确定地表水体下五煤和八煤的大采高工作面重复开采的安全性较高。结果表明,可以采用数值模型对大采高工作面重复开采后的覆岩破坏规律进行分析,通过实例分析,地表水体下大采高工作面重复采动安全性评价符合实际情况,可以作为井田未来评价工作面受地表水体威胁程度的依据。

基于HHO-ELM模型的导水裂隙带高度预测方法

为了精确预测滨湖煤矿16煤开采导水裂隙带发育高度,收集华北煤田31个下组煤开采工作面实测数据,选取采高、采深、煤层倾角、倾向长度、硬岩比例系数5个因素进行综合分析。运用哈里斯鹰算法(HHO)优化ELM神经网络,构建了HHO-ELM导水裂隙带高度预测模型,将其应用于滨湖煤矿导水裂隙带高度预计,并将预测结果与规范公式计算结果和实测结果进行对比。结果表明:HHO-ELM模型预测滨湖煤矿21603工作面导水裂隙带发育高度为24.17 m,规范公式计算结果为18.58~29.78 m,实测结果为21.45~22.98 m。可见,采用HHO-ELM模型预计导水裂隙带高度,计算简单,针对性强,预测精度可靠,为滨湖煤矿及相似地质条件下的华北型煤田下组煤开采顶板水害治理决策提供了依据。

矿井煤层综放开采导水裂隙带发育高度研究

针对马道头煤业存在煤层开采导水裂隙带与地下含水层连通,突水事故风险高的问题,该矿进行了导水裂隙带发育高度预测研究。分别采用经验公式计算法、关键层理论分析法、数值模拟法预测3号煤层8404采区的导水裂隙带高度为183~200 m。为验证理论预测的准确性,进行现场两个钻孔冲洗液漏失量、岩芯完整性实测,确定导水裂隙带发育高度为196~216 m,证明了理论分析法的准确性和实用性。

基于关键层理论的导水裂隙带预测

导水裂隙带高度是矿井水害防治的关键,为预测厚煤层开采条件下导水裂隙带高度,基于关键层理论计算了某工作面导水裂隙带的高度。结果表明,该工作面关键层主要由砂质泥岩和细粒砂岩构成,关键层的厚度为23.42~24.21 m,是所有岩层中厚度相对较大的岩层;黄土和红土等软岩层对导水裂隙带的发展起到了一定的抑制作用;基于关键层理论确定的最大导水裂隙带高度为136.9 m,与实测导水裂隙带高度十分接近,误差仅为6.08%。该成果可有助于准确判别矿井充水来源。

滇中引水长隧洞斜井富水断层破碎带快速施工技术

以滇中引水工程昆明段蔡家村隧洞3号施工支洞穿越区域性断裂小仓—银厂箐断裂及横穿水库左、右岸为例,通过“综合法”超前地质预报手段,科学、准确的预判掌子面前方地质围岩以及地下水情况,采用超前堵水灌浆、超前大管棚、超前小导管等措施进行超前堵水兼做加固围岩,利用超前钻探兼做排水孔,采用预留核心土、分台阶开挖支护的方式,并预留变形量,保证斜井富水断层破碎带洞段安全、快速通过。

榆神矿区导水裂隙带高度多因素影响规律及保水采煤分区

通过融合数理统计、多元回归与空间分析方法,分析了导水裂隙带发育高度受多种因素影响规律,构建了综采导水裂隙带高度与煤层采高、采深、开采推进速度多因素之间的非线性统计关系式;基于导水裂隙带经验公式及保水采煤阈值,将榆神矿区划分为五类,工况一条件下矿区内基于水资源保护的安全开采区域(WRSE)面积为4.24×10^(9)m^(2),占比为82%;基于水资源保护的非安全开采区域(Non-WRSE)的面积为920 835 911.3 m2,占比为18%;工况二条件下矿区内WRSE的面积为3.87×10^(9)m^(2),占比为77%;Non-WRSE的面积为1.14×10^(9)m^(2),占比为23%;工况三条件下矿区内WRSE的面积为3.78×10^(9)m^(2),占比为73%;Non-WRSE的面积为1.38×10^(9)m^(2),占比为27%;对比研究3种工况预测的保水采煤分区数据,以保水采煤分区结果确定了规划矿井的保水等级,确定了重点保护矿井。项目研究成果可为矿区合理地开采规划和设计提供宏观决策依据,进一步完善保水开采理论与技术体系。

侏罗系弱胶结顶板采动破坏规律与发育高度预测

煤层采动后形成的顶板导水裂隙带是沟通顶板充水含水层的主要通道之一,同时也是顶板水害防治需要重点研究的关键问题。近年来,西部矿区已成为我国煤炭资源主要开采区,其主采侏罗系含煤地层与东部石炭-二叠系有着明显差异,并具有典型的孔隙度高、胶结程度差等特征,顶板采动导水裂隙的演化特征也与东部矿区具有较大差异,相关的研究尚未形成普适性成果。因此,本文选取典型的弱胶结地区——新疆哈密大南湖矿区为例,采用UDEC数值模拟、现场三维钻孔电视成像等方法,并结合“S-R”稳定理论,以垮落带高度为自变量,建立砌体梁承载强度与垮落带高度关系式,全面揭示该区煤层开采过程中顶板的采动破坏过程与演化特征,并以此为依据确定顶板导水裂隙带的发育高度。在此基础上,通过收集侏罗系同类型煤矿导水裂隙带高度的实测数据,采用回归分析方法,拟合并修正现有经验公式。研究表明:研究区顶板导水裂隙带发育高度的范围是60.07~62m,裂采比为17.67~18.24,整体形态呈“梯台”型特征,结合邻矿现场实测对比证实了此次实测结果的可靠性;开采范围内导水裂隙带发育高度受垮落带高度增量、岩块回转角变化的影响呈现:“快速增加-缓慢增加-逐渐稳定”的发展与演化规律;验证计算结果表明,论文提出的回归公式预测精度一般在10.30%~17.25%之间,相较于传统经验公式平均误差降低了51.84%,显著提高了导水裂隙带高度的预测精度。论文的相关研究成果可为新疆地区相似开采条件下顶板导水裂隙带发育高度计算提供理论依据。

鹰骏三号井田2煤层顶板“两带”高度数值模拟研究

本文针对鹰骏三号井田范围内2号煤层顶板导水裂隙带研究较为薄弱的现状,通过FLAC3D数值模拟揭示了11201工作面上覆岩层移动和破坏规律,预测了2号煤层开采后上覆岩层内“冒落带”和“导水裂隙带”的发育高度,并采用经验公式对其覆岩“两带”高度进行计算分析。研究结果表明,FLAC3D数值模拟计算结果与经验公式结果基本一致,为煤矿防治水及安全开采技术措施制定提供可靠参数。