基于bp网络的导水裂隙带高度预测方法研究

基于bp网络的导水裂隙带高度预测方法研究

导水带最大高度（以下简称导高）是设计防水煤柱尺寸的主要技术，是煤矿防治水工作的重要组成部分。我国诸多矿区通过地面钻孔注水试验、井下仰斜钻孔双端堵水试验、巷道直接观测、多种物探技术等进行导高观测。20世纪70年代,煤炭科学研究院北京开采研究所获得了一定条件下导高计算的近似经验公式。同时,也认识到导高发育受多方面因素影响,具有多因素、复杂、难定量及非线性等特点。近年来,随着工程岩体测试与定量评价及数值模拟技术的发展,选择合理的因素指标进行导高预测成为可能。与此同时,在数学领域,自1986年对具有非线性连续转移函数的多层前馈网络的误差反向传播算法进行了详尽的分析之后,BP网络快速发展成熟。BP网络的优越性体现在其非线性映射功能、泛化功能及容错功能。应用BP网络,建立因素指标与导高之间复杂的非线性映射关系,发挥其泛化功能进行导高预测,具有较好前景。1导水裂隙带高度采用全部垮落法进行顶板管理时,工作面顶板通常呈现冒落带、导水裂隙带与整体移动带,即上三带。理论上,以导水裂隙带最高点与开采上界(上风道)之间在垂直方向上的距离作为导水裂隙带最大高度。走向方向上,导水裂隙带最大高度发生在切眼与终采位置上方;倾斜方向上发生于开采上边界上方。实际钻孔注水观测中,以钻孔漏失量突然增大时的高度对应导水裂隙带,并无统一、严格的定量限制。2导水断裂带的最大高度影响因素经验分析与理论研究表明,工作面顶板导水裂隙带最大高度(导高)受多种因素的影响。1全高开采的hd20世纪70年代,煤科院北京开采所研究表明,水平及缓倾斜煤层单层采厚小于3m时,导高随采厚呈线性增长关系;分层开采条件下累积采厚小于15m时,导高与累积采厚呈式(1)所示分式函数关系,即随着分层数的增加,导高Hd随采厚增加的速率变小。Hd=100Mcn+d(1)Ηd=100Μcn+d(1)式中,c和d为常数;M为累积采厚;n为分层数。20世纪90年代以来,综合机械化开采、综放开采技术广泛应用,对厚及特厚煤层进行一次全高开采。目前的经验认为,其导高值远大于分层开采,而应用导高与采厚线性关系对其进行计算也存在较大误差。2采空区倾向斜长对顶板导高的影响传统的经验及理论分析表明,导水裂隙带最大高度在回采工作面第一次放顶、基本顶周期来压后及地表出现最大下沉速度时出现,并且不再随采空区走向长度增加而增加。近年来的研究表明,采空区的倾向斜长是影响顶板导高的重要因子。数值模拟分析显示,导高随倾向斜长的增长而增加,并存在一极限值,当倾向斜长超过该值时,导高不再继续增加。条带开采可有效降低覆岩破坏的高度,可以证明导高随倾向斜长减小而降低的性质。3上分层开采导高采空的地质特征根据总结前人的研究,煤系地层岩石单轴极限抗压强度(σc)与岩性、坚硬程度划分对应关系见表1。硬度较大的脆性岩体,易于产生导水的裂隙带;软弱的塑性岩体,以塑性变形为主,不易产生导水的裂隙带。岩性结构是指由煤层向上各岩层强度的组合情况,具有坚硬-坚硬、软弱-坚硬、坚硬-软弱与软弱-软弱4种类型(前者指下部岩层,后者指上部岩层)。煤层开采形成采空空间,通过下部顶板岩体冒落、上部顶板岩体下沉将其充填。当上部岩体下沉缓慢,下部岩体冒落充分发展时,导高发展越高。数值模拟结果显示,按照产生导高由大到小的顺序,顶板岩性结构排序为:坚硬-坚硬型、软弱-坚硬型、坚硬-软弱型、软弱-软弱型。4煤柱ldf-驱动知识产权法导高分析顶板管理方法是影响导高的重要因素之一。采用全部充填法时,通常不产生或产生很小的导高。采用全部垮落法时,导高最大。采用煤柱支承方法时,若煤柱面积大,能够支撑覆岩重力时,导高很小;若煤柱面积小不足以支撑覆岩重力,产生的导高与全部垮落法类似。绝大多数煤矿采用全部垮落法管理顶板,因此在导高影响因素分析中常常省略此项。5煤层倾角随煤层倾斜特征煤层的赋存状态,主要是指煤层的倾角(α)。依据倾角大小,可划分为水平-缓倾斜(α≤35°)、中倾斜(35°<α≤54°)、急倾斜(α≥55°)。煤层倾角差别较大时,导水裂隙带发展过程与分布形态、最大高度等特征有较大差别。多数研究针对缓倾斜-中倾斜煤层。6工作面导高预测模型一般情况下,工作面围岩的原岩应力,由其上覆岩土体的重力产生,因此开采深度决定了工作面围岩地应力的大小,对导高可能造成影响。依据上述分析,选择采厚、采空区斜长、直接顶与基本顶厚度加权平均抗压强度、岩层结构类型、煤层倾角、采深、煤层厚度及煤层硬度作为导高预测指标。不考虑构造影响。3直接、基本顶基本特征收集整理近10年来开滦等矿区中倾斜-缓倾斜煤层开采导水裂隙带高度观测数据,建立导水裂隙带高度预测样本集,见表2。对输入、输出数据应进行无量纲化处理,转化为无量纲(0,1)值。其中,采厚、煤层倾角分别除以10和90,得到其标准化值;埋深、分层数、采厚、顶板岩体的抗压强度、工作面倾斜长度、导水裂隙带高度采用极值法对指标Xj进行无量纲化转换,见式(2)。其中,工作面倾斜长极大值取200,当标准化值大于1时,取值1。煤的普氏系数:硬取0.8,软取0.4。地层结构依直接、基本顶的岩性特征划分为坚硬-坚硬、软弱-坚硬、坚硬-软弱、软弱-软弱,依次取值为0.8,0.6,0.4,0.2。Xj=Xj−Xj‚minXj‚max−Xj‚min(1≤j≤8)(2)Xj=Xj-Xj‚minXj‚max-Xj‚min(1≤j≤8)(2)式中Xj——指标值;Xj,min——Xj的最小值;Xj,max——Xj的最大值。本文采用MATLAB6.5神经网络工具箱,建立3层BP网络,输入层为8节点,中间层为15节点,输出层为1节点。18个样本数据中,取1和15～17作为训练样本,1和5作为检验样本。输入训练样本数据,进行网络训练,使误差下降至指定范围。输入检验样本的因子矩阵P2(式3),得到网络输出结果a(式4)。检验样本结果矩阵为t2(式5)。将网络输出结果a与检验样本结果矩阵t2的标准化值换算可得到表3。P2=[0.740520.24750.621620.540540.298510.250750.60.60.40.60.3060.55840.317460.0317460.10.1〗(3)Ρ2=[0.740520.621620.298510.60.40.3060.317460.10.24750.540540.250750.60.60.55840.0317460.1〗(3)a=[0.55210.084127](4)t2=[0.5508980.079341](5)a=[0.55210.084127](4)t2=[0.5508980.079341](5)网络检验输出结果与样本实测结果十分接近,通过检验,说明该模型建立成功,可以应用于对导水裂隙带高度的预测。4网络模型选取BP网络对网络输入层、中间层、输出层之间节点的连接权重进行训练,最后获得满足误差要求的网络权重值,对这些连接权重值加以计算,可以得到导水裂隙带预测模型中各指标的权值,见表4。计算公式见式(6):wi=∣∣∣∣∑j=1qwijvj∣∣∣∣∑i=1m∣∣∣∣∑j=1qwijvj∣∣∣∣(6)wi=|∑j=1qwijvj|∑i=1m|∑j=1qwijvj|(6)式中wi——第i指标权重,i=1～8;wij——输入层i节点与中间层j节点间的连接权重,j=1～15;q——中间层节点数,q=15;m——指标数,m=8;vj——中间层第j节点与输出层节点间的连接权重。权重的计算结果表明:①采厚、顶板岩石抗压强度、顶板岩层结构是影响导高的重要因素,与传统经验及理论分析的认识一致。②煤层的硬度、采深、倾角(样本限于缓倾斜煤层)对导高的影响较小,为次要因素。③煤层的厚度对导高具有一定的影响。这是由于选取的样本中多数煤层厚度等于采高而引起。④工作面倾斜长度对导水裂隙带发育高度具有较大影响,其权重值位居第二。经验认为,采空区的尺寸在覆岩不充分采动的条件下起作用,当采空区面积达到覆岩充分采动条件时,基本上不起作用。网络计算结果表明,在煤矿生产中,工作面倾斜长度对导水裂隙带高度的影响较多。伴随开采深度日趋增加,非充分或单向非充分采动越来越多见,工作面尺寸对冒落带、裂隙带发育的影响更加值得重视。网络权重计算结果与经验认识相符,进一步