軟巖保護(hù)層開采采動(dòng)卸壓效果的預(yù)測(cè)及應(yīng)用*

王 坤,孟祥瑞,程 詳,趙光明,顧清恒

(1.安徽理工大學(xué) 深部煤礦采動(dòng)響應(yīng)與災(zāi)害防控國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,安徽 淮南 232001;2.安徽理工大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院,安徽 淮南 232001;3.安徽理工大學(xué) 礦業(yè)工程博士后流動(dòng)站,安徽 淮南 232001;4.淮南礦業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司博士后科研工作站,安徽 淮南 232001)

0 引言

深地資源開發(fā)是我國(guó)能源發(fā)展戰(zhàn)略之一[1],受“五高兩擾動(dòng)”環(huán)境影響[2],井工開采條件惡化,瓦斯賦存環(huán)境變的更加復(fù)雜,煤層瓦斯壓力、瓦斯含量更大,吸附性更強(qiáng)[3],而煤層透氣性進(jìn)一步降低,各因素耦合共生相互影響,造成傳統(tǒng)煤層保護(hù)層開采方式遭遇巨大挑戰(zhàn)。針對(duì)深部傳統(tǒng)煤層保護(hù)層開采適用性受限,煤層群整體區(qū)域消突困難,提出選擇軟巖(高嶺土)作為保護(hù)層開采的區(qū)域瓦斯治理方式[4],具有工作面開采層位靈活、開采厚度可調(diào)節(jié)、解突效果好、回采安全威脅小等優(yōu)點(diǎn)。

軟巖保護(hù)層工作面覆巖結(jié)構(gòu)與開采技術(shù)參數(shù)對(duì)被保護(hù)層卸壓效果影響明顯[5-6],掌握不同開采條件下煤巖體卸壓效果,可指導(dǎo)開采實(shí)踐。施峰等[7]研究開采層間距對(duì)上保護(hù)層卸壓效果的影響;徐剛等[8]研究上保護(hù)層開采對(duì)被保護(hù)層卸壓瓦斯抽采的影響程度;吳仁倫等[9-10]分析采高、工作面面寬對(duì)采動(dòng)覆巖瓦斯卸壓運(yùn)移“三帶”范圍的影響規(guī)律;Shi等[11]分析采高與被保護(hù)層卸壓效果的關(guān)系;Fang等[12]基于相似模擬研究方法,研究不同傾角下保護(hù)層開采的卸壓范圍;賀愛萍等[13]分析保護(hù)層采高和相對(duì)層間距與被保護(hù)層透氣性系數(shù)及瓦斯?jié)B透率的關(guān)系;Yuan等[14]運(yùn)用多元回歸法研究不同層間距處保護(hù)層開采的防護(hù)效果。

開采軟巖作為保護(hù)層的工程實(shí)例,國(guó)內(nèi)乃至世界上均為罕見,分析特定地質(zhì)條件下軟巖保護(hù)層開采技術(shù)參數(shù)對(duì)上覆被保護(hù)層卸壓規(guī)律,可豐富保護(hù)層卸壓開采理論與實(shí)踐。本文以淮北蘆嶺煤礦首采軟巖保護(hù)層工作面為工程背景,運(yùn)用數(shù)值仿真方法,研究軟巖保護(hù)層不同開采技術(shù)參數(shù)(采高、層間距、關(guān)鍵層位置、埋深和面長(zhǎng))對(duì)被保護(hù)層卸壓效果的影響規(guī)律。研究結(jié)果可為軟巖保護(hù)層卸壓開采提供重要的參考價(jià)值。

1 試驗(yàn)工程背景

蘆嶺煤礦III1采區(qū)主采煤層有8,9,10共3層煤層,均具有突出危險(xiǎn)性,構(gòu)成突出煤層群開采條件。8煤層厚度6.28～13.25 m,平均厚度8.58 m,屬典型特厚極松軟低透氣性煤層;9煤層平均厚2.0 m,距上覆8煤平均3.0 m,試驗(yàn)過程中與8煤視為1層煤,作為軟巖保護(hù)層卸壓開采的被保護(hù)層。10煤層發(fā)育兩層煤,10-1煤平均厚度1.4 m,10-2煤平均厚度1.3 m,2層煤之間夾矸厚度平均2.27 m。10煤層由于煤層結(jié)構(gòu)復(fù)雜,且本身具有突出危險(xiǎn)性,回采安全威脅大,不具備保護(hù)層開采條件。因此在10煤層與上覆8煤層、9煤層之間選擇含高嶺石黏土的泥巖作為保護(hù)層開采方案。軟巖保護(hù)層為距9煤層底板法距平均60 m,距10煤層頂板法距平均23 m,層厚平均為5.1 m的泥巖。

2 軟巖保護(hù)層采動(dòng)卸壓效果數(shù)值模擬研究

2.1 數(shù)值模擬建立

以蘆嶺Ⅲ11首采軟巖保護(hù)層工作面為工程背景,利用FLAC3D數(shù)值模擬軟件構(gòu)建模型,探索軟巖保護(hù)層不同開采條件對(duì)被保護(hù)層卸壓效果的影響規(guī)律如圖1所示。模型開挖走向長(zhǎng)度按照傾向長(zhǎng)度的1.8倍設(shè)置,并設(shè)置風(fēng)巷、機(jī)巷的寬度為4 m,模型四周各留設(shè)100 m邊界煤巖柱,煤巖層傾角10°。采用人工調(diào)節(jié)冒落帶的方法對(duì)采空區(qū)進(jìn)行處理,模擬煤巖層的物理力學(xué)參數(shù)見文獻(xiàn)[15]。

圖1 軟巖保護(hù)層開采模型Fig.1 Model of soft rock protective layer mining

2.2 卸壓指標(biāo)選擇

軟巖保護(hù)層開采后,上覆煤巖體受采動(dòng)影響,其應(yīng)力-應(yīng)變狀態(tài)發(fā)生改變。以往研究得到,保護(hù)層卸壓開采被保護(hù)層的卸壓率達(dá)到0.5或膨脹率達(dá)到2‰～3‰時(shí),被保護(hù)煤層將充分卸壓,其滲透率將增大數(shù)十倍[16-17]?？紤]當(dāng)前卸壓指標(biāo)可能存在奇異點(diǎn)的問題,定義等效卸壓率從應(yīng)力角度表征被保護(hù)層卸壓程度。如式(1)所示:

(1)

定義等效膨脹率從位移角度表征被保護(hù)層卸壓程度。如式(2)所示:

(2)

式中:ζ為等效膨脹率;μi為被保護(hù)層頂?shù)装逑鄬?duì)位移量,mm;Mi為被保護(hù)層厚度,mm。ζ>0說明被保護(hù)層發(fā)生膨脹變形,反之發(fā)生壓縮變形。

本文將等效卸壓率達(dá)到0.5和等效膨脹率達(dá)到3‰作為軟巖保護(hù)層開采后采動(dòng)卸壓臨界指標(biāo),描述被保護(hù)層的卸壓保護(hù)效果。

2.3 軟巖保護(hù)層不同開采參數(shù)卸壓效果影響規(guī)律

2.3.1 軟巖保護(hù)層采高

為研究軟巖保護(hù)層采高分別為1,2,3,4,5 m時(shí)被保護(hù)層卸壓效果,以軟巖保護(hù)層采高為變量,模擬軟巖保護(hù)層工作面面長(zhǎng)為100 m,埋深為700 m,層間距為60 m,關(guān)鍵層位于軟巖保護(hù)層上方50 m處,不同采高被保護(hù)層等效卸壓率和等效膨脹率模擬結(jié)果如圖2所示。

圖2 不同采高被保護(hù)層等效卸壓率和等效膨脹率Fig.2 Equivalent pressure relief rate and equivalent expansion rate of protected layer under different mining heights

由圖2可知,隨著開采高度的增加,被保護(hù)層卸壓效果逐漸明顯。在模擬地質(zhì)條件下,當(dāng)開采高度不超過4 m時(shí),軟巖保護(hù)層采高變化對(duì)被保護(hù)層卸壓效果的敏感性較強(qiáng)。當(dāng)開采高度超過4 m時(shí),被保護(hù)層卸壓效果的敏感性減弱。不同開采高度被保護(hù)層等效卸壓率分別為0.65,0.46,0.37,0.32,0.27,等效膨脹率分別為2.27‰,3.44‰,3.89‰,4.40‰,4.58‰。模擬地質(zhì)條件下,能夠獲得卸壓效果的最小開采高度分別為1.8,1.6 m,為滿足卸壓臨界指標(biāo),軟巖保護(hù)層采高至少1.8 m。

2.3.2 軟巖保護(hù)層與被保護(hù)層層間距

在恒定采高及原巖物理狀態(tài)的前提下,改變軟巖保護(hù)層與被保護(hù)層之間的層間距,分析層間距對(duì)被保護(hù)層卸壓效果的影響。模擬層間距分別為20,40,60,80,100 m,軟巖保護(hù)層工作面采高2 m,工作面面長(zhǎng)100 m,模擬埋深700 m,關(guān)鍵層位于軟巖保護(hù)層上方50 m處,不同層間距被保護(hù)層等效卸壓率和等效膨脹率模擬結(jié)果如圖3所示。

圖3 不同層間距被保護(hù)層等效卸壓率和等效膨脹率Fig.3 Equivalent pressure relief rate and equivalent expansion rate of protected layer under different layer spacings

由圖3可知,模擬地質(zhì)條件下,不同層間距處被保護(hù)層等效卸壓率分別為0.28,0.34,0.46,0.64,0.76。等效膨脹率分別為4.77‰,4.44‰,3.44‰,2.37‰,1.54‰。隨層間距增大,等效卸壓率逐漸增大,而等效膨脹率逐漸減小,即隨著層間距增大,被保護(hù)層卸壓效果逐漸減弱。分析原因?yàn)殡S著層間距增加,被保護(hù)層所處層位由裂隙帶逐步過渡到彎曲下沉帶,被保護(hù)層內(nèi)離層裂隙、穿層裂隙減少,被保護(hù)層卸壓效果減弱。模擬地質(zhì)條件下,能夠獲得卸壓效果的最大層間距分別為65,68 m,為滿足卸壓臨界指標(biāo),軟巖保護(hù)層與被保護(hù)層最大層間距不超過65 m。

2.3.3 軟巖保護(hù)層工作面面長(zhǎng)

為研究軟巖保護(hù)層工作面面長(zhǎng)取50,80,100,120,150,180,240,300 m時(shí),被保護(hù)層的卸壓影響規(guī)律。以工作面傾向長(zhǎng)度為變量,建立8種不同模型,模擬采高2 m,層間距60 m,模擬埋深700 m,關(guān)鍵層位于保護(hù)層上方50 m處,不同面長(zhǎng)被保護(hù)層等效卸壓率和等效膨脹模擬結(jié)果如圖4所示。

圖4 不同面長(zhǎng)被保護(hù)層等效卸壓率和等效膨脹率Fig.4 Equivalent pressure relief rate and equivalent expansion rate of protected layer under different surface lengths

由圖4可知,工作面面長(zhǎng)不同時(shí),造成被保護(hù)層應(yīng)力分布狀態(tài)不同,導(dǎo)致其等效卸壓率和等效膨脹率不同,不同面長(zhǎng)條件下被保護(hù)層等效卸壓率分別為0.73,0.53,0.48,0.46,0.44,0.45,0.51,0.59。等效膨脹率分別為1.9‰,2.8‰,3.44‰,3.7‰,3.89‰,3.75‰,2.9‰,1.92‰。模擬地質(zhì)條件下,能夠獲得卸壓效果的工作面面長(zhǎng)范圍分別為89～227 m和85～230 m,為滿足采動(dòng)卸壓臨界指標(biāo),工作面面長(zhǎng)范圍應(yīng)在89～227 m范圍內(nèi)。

隨著工作面面長(zhǎng)的增大,被保護(hù)層卸壓效果并不與面長(zhǎng)呈線性關(guān)系,而是表現(xiàn)出2個(gè)階段特征包括:首先在一定面長(zhǎng)范圍內(nèi),被保護(hù)層卸壓程度隨工作面面長(zhǎng)的增大而增大,其次當(dāng)工作面面長(zhǎng)超過一定長(zhǎng)度后,被保護(hù)層卸壓程度隨面長(zhǎng)增大而逐步減小。分析原因?yàn)楦矌r應(yīng)力場(chǎng)的演化與覆巖關(guān)鍵層、覆巖破斷形成的空間結(jié)構(gòu)及采空區(qū)壓實(shí)程度等因素有關(guān),當(dāng)工作面超過一定長(zhǎng)度后,采空區(qū)上覆巖層破斷后在采空區(qū)中部范圍開始逐漸重新壓實(shí),應(yīng)力開始逐步恢復(fù),出現(xiàn)卸壓程度逐步降低現(xiàn)象,與文獻(xiàn)[18]得到的結(jié)果相似。

2.3.4 軟巖保護(hù)層埋深

煤巖層受力情況隨埋深的變化而變化,不同埋深煤巖體內(nèi)裂隙的閉合和擴(kuò)展變形程度不同。以軟巖保護(hù)層埋深為變量,研究采高2 m,層間距60 m,關(guān)鍵層位于保護(hù)層上方50 m,工作面面長(zhǎng)100 m情況下,軟巖保護(hù)層埋深300,500,700,900,1 200 m時(shí)被保護(hù)層的卸壓影響規(guī)律,不同埋深被保護(hù)層等效卸壓率和等效膨脹率模擬結(jié)果如圖5所示。

由圖5可知,不同埋深條件下被保護(hù)層等效卸壓率分別為0.61,0.52,0.46,0.43,0.40。等效膨脹率分別為1.52‰,2.48‰,3.44‰,4.40‰,5.34‰。保護(hù)層埋深越大,被保護(hù)層等效卸壓率r越小,即所需的應(yīng)力卸壓程度越高。埋深變化引起軟巖保護(hù)層上覆載荷變化,埋深越大,載荷越大,當(dāng)埋深大于700 m時(shí),隨埋深增加,被保護(hù)層卸壓指標(biāo)變化率放緩,被保護(hù)層等效膨脹率與埋深呈正比例關(guān)系。分析原因?yàn)樵瓗r應(yīng)力隨埋深增大而增大,當(dāng)達(dá)到一定埋深后,巖體裂紋趨于閉合,等效卸壓率隨埋深增大逐步減小,導(dǎo)致埋深越大被保護(hù)層卸壓量越大,造成被保護(hù)層等效膨脹率逐步增大。模擬地質(zhì)條件下,能夠獲得卸壓效果的埋深為550～605 m,為滿足卸壓臨界指標(biāo),軟巖保護(hù)層埋深至少605 m。

2.3.5 關(guān)鍵層位置

關(guān)鍵層為在巖層運(yùn)動(dòng)過程中起承載和控制作用的硬巖層[19]。以關(guān)鍵層位置為變量,考慮4種情況;模型1,模型2關(guān)鍵層分別位于保護(hù)層上方25,50 m處;模型3,模型4關(guān)鍵層分別位于被保護(hù)層上方25,50 m處。研究軟巖保護(hù)層工作面采高2 m,層間距60 m、面長(zhǎng)100 m、模擬埋深700 m情況下,關(guān)鍵層處于不同位置時(shí)被保護(hù)層的卸壓影響規(guī)律,不同關(guān)鍵層位置被保護(hù)層等效卸壓率和等效膨脹率模擬結(jié)果如圖6所示。

圖6 不同關(guān)鍵層位置被保護(hù)層等效卸壓率和等效膨脹率Fig.6 Equivalent pressure relief rate and equivalent expansion rate of protected layer under different key layer positions

由圖6可知,關(guān)鍵層位置1,位置2被保護(hù)層等效卸壓率r分別為0.4,0.46,等效膨脹率分別為3.89‰,3.44‰。關(guān)鍵層位置3,4被保護(hù)層等效卸壓率r分別為0.35,0.29,等效膨脹率分別為4.32‰,4.6‰。關(guān)鍵層控制上覆巖層中裂隙和離層的動(dòng)態(tài)變化,關(guān)鍵層破斷前,軟巖工作面上方采動(dòng)裂隙止于關(guān)鍵層下側(cè),關(guān)鍵層上方煤巖體受采動(dòng)影響較小,不具備充分卸壓條件。隨著關(guān)鍵層層位升高,關(guān)鍵層下相同層位巖層的應(yīng)力卸壓程度相對(duì)有所提高,但差異并不明顯。關(guān)鍵層破斷時(shí),其上部煤巖體與之協(xié)調(diào)同步下沉,覆巖卸壓程度明顯增加。軟巖保護(hù)層開采過程中,關(guān)鍵層所處層位不同,相同層間距的被保護(hù)層卸壓效果不同。關(guān)鍵層位于被保護(hù)層上側(cè)時(shí),被保護(hù)層卸壓效果明顯。受軟巖工作面采動(dòng)影響,覆巖破壞可以直接發(fā)展到被保護(hù)層,關(guān)鍵層的存在對(duì)其上覆巖層運(yùn)移起到積極控制作用,保證被保護(hù)層擁有足夠卸壓時(shí)間和變形空間。研究結(jié)果與文獻(xiàn)[20]得到的結(jié)果一致。

Ⅲ1采區(qū)南至Ⅱ1采區(qū)下限-590 m煤層底板等高線,北至-900 m煤層底板等高線。在Ⅲ1采區(qū)10煤頂板向上20 m至9煤底板30 m位置布置勘查鉆孔,發(fā)現(xiàn)穩(wěn)定巖層有2層,分別為10煤頂板35～40 m段的中粒砂巖,厚度1～5 m和10煤頂板20～27 m灰色泥巖(含高嶺石黏土),厚度3～7 m,平均厚度5.1 m。模擬地質(zhì)條件下,能夠獲得卸壓效果的最大層間距為65 m,根據(jù)綜采開采工藝、快速推進(jìn)等要求,可選擇灰色泥巖層位作為保護(hù)層開采。在此基礎(chǔ)上,當(dāng)軟巖工作面距9煤底板法距平均59 m,獲得卸壓效果的采厚最低1.8 m,工作面面長(zhǎng)89～227 m。綜合蘆嶺煤礦現(xiàn)有的機(jī)械裝備及無成熟的巖石工作面回采實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),確定首采軟巖保護(hù)層工作面(Ⅲ11工作面)采高2 m,面長(zhǎng)105 m。

3 改進(jìn)鯨魚BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)

3.1 模型構(gòu)建

針對(duì)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)過程中存在局部最優(yōu)解及隨機(jī)選擇初始權(quán)值和閾值的問題,本文采用改進(jìn)鯨魚算法,優(yōu)化BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)上述缺陷,構(gòu)建軟巖保護(hù)層卸壓開采CIWOA-BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)模型,對(duì)保護(hù)層不同開采條件下被保護(hù)層的卸壓程度進(jìn)行預(yù)測(cè),在樣本訓(xùn)練結(jié)束后,可通過輸入不同開采參數(shù)獲得對(duì)應(yīng)情況下被保護(hù)層等效卸壓率和等效膨脹率。改進(jìn)鯨魚算法模擬鯨魚捕食場(chǎng)景,基本原理包含3個(gè)步驟:首先,以最優(yōu)解作為目標(biāo)進(jìn)行圍獵更新初始種群位置;其次,采用“氣泡攻擊法”螺旋收縮上升追蹤最優(yōu)解;最后,以種群個(gè)體為目標(biāo)進(jìn)行全局搜索獲得CIWOA-BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)最佳初始權(quán)值和閾值,避免出現(xiàn)局部最優(yōu)解[21]。

將影響軟巖保護(hù)層卸壓開采的5個(gè)主要參數(shù)作為CIWOA-BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入層神經(jīng)元。將判斷被保護(hù)層卸壓程度的2個(gè)指標(biāo)作為CIWOA-BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸出層神經(jīng)元,輸出層的傳遞函數(shù)采用純線性函數(shù)。3層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以很好地解決一般的預(yù)測(cè)、識(shí)別問題,其中隱藏層神經(jīng)元個(gè)數(shù)往往取輸入層神經(jīng)元個(gè)數(shù)的2倍,為提高網(wǎng)絡(luò)整體的準(zhǔn)確性可以給予隱藏層神經(jīng)元個(gè)數(shù)一定的富余量,本文CIWOA-BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)隱層神經(jīng)元個(gè)數(shù)為13個(gè)。

3.2 樣本獲取與訓(xùn)練

試驗(yàn)過程要求網(wǎng)絡(luò)樣本具有普遍性和可靠性,整理FLAC3D數(shù)值模擬結(jié)果獲得138個(gè)樣本,選取其中115個(gè)樣本組成網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練集,用以訓(xùn)練構(gòu)建的軟巖保護(hù)層卸壓開采CIWOA-BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)模型,并另選出23個(gè)樣本作為網(wǎng)絡(luò)測(cè)試集用以測(cè)試網(wǎng)絡(luò)的準(zhǔn)確性,測(cè)試結(jié)果如表1所示。

表1 測(cè)試集及其測(cè)試誤差Table 1 Test sets and test errors

為提高軟巖保護(hù)層卸壓開采CIWOA-BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)模型的準(zhǔn)確性及收斂速度,采用MATLAB編程環(huán)境,樣本迭代次數(shù)1 000次,學(xué)習(xí)率0.001,訓(xùn)練目標(biāo)最小誤差0.000 1,為加速CIWOA-BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的收斂速度,激活函數(shù)選擇Sigmoid函數(shù)。

將樣本訓(xùn)練集和測(cè)試集的總體均方誤差作為最佳適應(yīng)度函數(shù)。最佳適應(yīng)度函數(shù)的數(shù)值越小,表明訓(xùn)練越準(zhǔn)確預(yù)測(cè)精度越高。在進(jìn)化迭代10次之后最佳適應(yīng)度函數(shù)值收斂于3.964 7,收斂速度快,進(jìn)一步說明CIWOA-BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行軟巖保護(hù)層卸壓開采結(jié)果預(yù)測(cè)的可行性。

3.3 預(yù)測(cè)結(jié)果分析與對(duì)比

由表1可知,CIWOA-BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)模型等效膨脹率及等效卸壓率與實(shí)際值的最大相對(duì)誤差分別為0.99%,4.85%;BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等效膨脹率及等效卸壓率與實(shí)際值的最大相對(duì)誤差分別為3.60%,5.94%。分析得到CIWOA-BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的預(yù)測(cè)精度高于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。

CIWOA-BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等效膨脹率預(yù)測(cè)結(jié)果相對(duì)誤差小于0.5%的占比82.6%,等效卸壓率預(yù)測(cè)結(jié)果相對(duì)誤差小于3%的占比91.3%,BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等效膨脹率預(yù)測(cè)結(jié)果相對(duì)誤差小于0.5%的占比73.91%,等效卸壓率預(yù)測(cè)結(jié)果相對(duì)誤差小于3%的占比78.26%,分析得出CIWOA-BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的預(yù)測(cè)穩(wěn)定性優(yōu)于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。

CIWOA-BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)模型易于操作、適用性強(qiáng),采用該方法對(duì)軟巖保護(hù)層卸壓開采效果的預(yù)測(cè)具有較高的可靠性,可為軟巖保護(hù)層開采技術(shù)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。

4 灰色關(guān)聯(lián)分析

通過大量數(shù)據(jù)樣本的訓(xùn)練可以獲取CIWOA-BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中輸入層參數(shù)與輸出層參數(shù)之間的擬合關(guān)系,卻無法很好地分析各個(gè)輸入層參數(shù)對(duì)輸出層參數(shù)的影響程度,即無法確定影響采動(dòng)卸壓效果的主次影響因素。據(jù)此進(jìn)一步引入灰關(guān)聯(lián)系統(tǒng),分析不同開采參數(shù)變化對(duì)軟巖保護(hù)層卸壓開采的影響程度,為現(xiàn)場(chǎng)施工提供可靠的理論參考。

采用鄧氏關(guān)聯(lián)度對(duì)軟巖保護(hù)層采動(dòng)卸壓效果進(jìn)行分析,通過MATLAB軟件對(duì)數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行灰色關(guān)聯(lián)度研究,以等效卸壓率和等效膨脹率作為灰關(guān)聯(lián)系統(tǒng)母序列,將不同開采參數(shù)作為灰關(guān)聯(lián)系統(tǒng)子序列。若二者變化態(tài)勢(shì)基本一致則計(jì)算出的關(guān)聯(lián)度高,即該開采參數(shù)對(duì)采動(dòng)卸壓效果影響程度大,否則計(jì)算出的關(guān)聯(lián)度低。據(jù)此便可很好分析出文中5種開采參數(shù)對(duì)軟巖保護(hù)層采動(dòng)卸壓效果各自的影響程度,不同開采參數(shù)與卸壓指標(biāo)的關(guān)聯(lián)度如表2所示。

表2 不同開采參數(shù)關(guān)聯(lián)度Table 2 Correlation degree of different mining parameters

鄧氏關(guān)聯(lián)度對(duì)樣本量的多少和樣本有無規(guī)律都同樣適用并且計(jì)算量少,應(yīng)用方便。由表2可知,軟巖保護(hù)層不同開采參數(shù)下對(duì)被保護(hù)層卸壓效果的主要影響因素是關(guān)鍵層位置,其次是軟巖保護(hù)層與被保護(hù)層層間距、軟巖保護(hù)層采高、軟巖保護(hù)層工作面面長(zhǎng),最后是軟巖保護(hù)層埋深。與實(shí)際經(jīng)驗(yàn)符合,表明鄧氏關(guān)聯(lián)度是合理的。

本文前期已驗(yàn)證數(shù)值模擬結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)保護(hù)層開采覆巖裂隙發(fā)育高度的吻合性[22],并以與本文相同的工程背景進(jìn)行數(shù)值模擬研究,確定合理軟巖保護(hù)層開采參數(shù),同時(shí)也通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)驗(yàn)證模擬結(jié)果的可靠性[5]。利用數(shù)值模擬結(jié)果作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析預(yù)測(cè)是有依據(jù)的,接下來將通過具體的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證模型的可靠性。

5 結(jié)論

1)提出將改進(jìn)鯨魚BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)模型應(yīng)用于軟巖保護(hù)層卸壓開采中,其測(cè)試集預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)際結(jié)果最大相對(duì)誤差分別為0.99%,4.85%,預(yù)測(cè)精度優(yōu)于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),采用該方法對(duì)軟巖保護(hù)層卸壓開采效果的預(yù)測(cè)具有較高的可靠性,可為軟巖保護(hù)層開采技術(shù)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。

2)灰色關(guān)聯(lián)度分析得出在不同開采參數(shù)下影響被保護(hù)層卸壓程度的主要因素是關(guān)鍵層位置,其次是軟巖保護(hù)層與被保護(hù)層層間距、軟巖保護(hù)層采高、軟巖保護(hù)層工作面面長(zhǎng),最后是軟巖保護(hù)層埋深。

3)模擬地質(zhì)條件下,能夠獲得卸壓效果的最大層間距為65 m,根據(jù)綜采開采工藝、快速推進(jìn)等要求,可選擇灰色泥巖層位作為保護(hù)層開采。在此基礎(chǔ)上,當(dāng)軟巖工作面距9煤底板法距平均59 m,獲得卸壓效果的采厚最低1.8 m,工作面面長(zhǎng)89～227 m。綜合蘆嶺煤礦現(xiàn)有的機(jī)械裝備及無成熟的巖石工作面回采實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),確定首采軟巖保護(hù)層工作面(Ⅲ11工作面)采高2 m,面長(zhǎng)105 m。