煤礦采空區(qū)覆巖“三帶”智能識(shí)別方法

李建文，趙 文，吳振坤，徐小兵，王慶濤，段隆臣

(1.中煤科工生態(tài)環(huán)境科技有限公司，北京 100013；2.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢) 自動(dòng)化學(xué)院，湖北 武漢 430074；3.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢) 工程學(xué)院，湖北 武漢 430074)

煤礦采空區(qū)治理是踐行礦山綠色發(fā)展理念的重要舉措，而對(duì)采空區(qū)的覆巖裂隙發(fā)育情況進(jìn)行勘探是開(kāi)展采空區(qū)治理的基礎(chǔ)條件。煤層開(kāi)采后由于巖層移動(dòng)、變形和破壞，在覆巖中形成采動(dòng)裂隙，導(dǎo)致礦區(qū)的地質(zhì)結(jié)構(gòu)遭到破壞，極易引起地表塌陷、裂縫和下沉等地質(zhì)災(zāi)害，嚴(yán)重影響城市居民生活與建設(shè)發(fā)展。因此，探明采空區(qū)地下裂隙分布及覆巖破壞情況，對(duì)重新利用采空區(qū)場(chǎng)地和滿足城市建設(shè)開(kāi)發(fā)需求有重要意義。

“三帶”型是一種典型的采空區(qū)覆巖發(fā)育破壞類型。根據(jù)覆巖中的裂隙發(fā)育情況，自下而上可分為垮落帶、斷裂帶和彎曲帶，簡(jiǎn)稱“三帶”。其中，斷裂帶和垮落帶合稱導(dǎo)水裂隙帶，在《煤礦采空區(qū)巖土工程勘察規(guī)范(2017 年版)》(簡(jiǎn)稱勘察規(guī)范)中也稱垮落斷裂帶[1]。

目前確定“三帶”分布與高度的研究主要包括實(shí)測(cè)“三帶”裂隙發(fā)育程度和預(yù)測(cè)導(dǎo)水裂隙帶高度兩方面。其中，常見(jiàn)的實(shí)測(cè)手段包括工程物探[2-4]、工程鉆探[5]、煤田測(cè)井[6]、鉆孔成像[7-8]、井下注水觀測(cè)[9-10]等。實(shí)測(cè)法是最可靠的“三帶”識(shí)別方式，但總體成本較高，并需要專門的技術(shù)人員對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析才能得到采空區(qū)覆巖裂隙發(fā)育情況。預(yù)測(cè)導(dǎo)水裂隙帶高度的研究方法主要包括經(jīng)驗(yàn)公式法[11-13]、相似材料模擬法[14]、應(yīng)力計(jì)算法[15-18](也指數(shù)值模擬法)，以及機(jī)器學(xué)習(xí)法[19-20]等。其中，勘察規(guī)范中的經(jīng)驗(yàn)公式應(yīng)用較為廣泛，可以得到斷裂帶和垮落帶的發(fā)育高度范圍，但不能得到垮落帶和斷裂帶的具體發(fā)育高度和“三帶”的具體分布深度，需要結(jié)合實(shí)測(cè)方法才能確定[21]。通過(guò)預(yù)測(cè)導(dǎo)水裂隙帶高度確定“三帶”分布與高度的主要優(yōu)點(diǎn)是應(yīng)用成本低，對(duì)實(shí)際工程有一定指導(dǎo)意義，但大多基于室內(nèi)試驗(yàn)獲得，因而不能完全反映實(shí)際情況[22-23]。

隨著采空區(qū)治理自動(dòng)化、智能化的發(fā)展，將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、數(shù)據(jù)融合和分析技術(shù)進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，從而預(yù)測(cè)斷裂帶高度，為鉆進(jìn)過(guò)程中自動(dòng)獲取“三帶”高度提供了新的思路[24]。目前鉆探現(xiàn)場(chǎng)可以安裝各種類型的傳感器，自動(dòng)記錄鉆進(jìn)時(shí)間、鉆進(jìn)深度及沖洗液漏失量等鉆進(jìn)參數(shù)，但缺少自動(dòng)分析數(shù)據(jù)的功能。技術(shù)人員完鉆后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一分析時(shí)具有滯后性，且分析結(jié)果受技術(shù)人員主觀判斷影響顯著。此外，施工現(xiàn)場(chǎng)對(duì)采空區(qū)的初步判別需要技術(shù)人員持續(xù)關(guān)注鉆進(jìn)參數(shù)的變化，而當(dāng)出現(xiàn)采空區(qū)誤判或漏判時(shí)會(huì)則影響下一步的實(shí)時(shí)決策，例如針對(duì)可能出現(xiàn)的孔內(nèi)事故采取預(yù)防措施和確定完鉆孔深等。

綜上所述，本文結(jié)合實(shí)測(cè)“三帶”裂隙發(fā)育程度和預(yù)測(cè)導(dǎo)水裂隙帶高度兩類研究方法的特點(diǎn)，基于工程鉆探中實(shí)時(shí)獲取的鉆進(jìn)數(shù)據(jù)，采用貝葉斯變化點(diǎn)檢測(cè)(Bayesian Online Changepoint Detection，BOCD)[25]算法在鉆進(jìn)過(guò)程中自動(dòng)分析數(shù)據(jù)，并融合勘察規(guī)范中的經(jīng)驗(yàn)公式，實(shí)現(xiàn)在鉆進(jìn)過(guò)程中對(duì)覆巖“三帶”的智能識(shí)別。該方法可充分發(fā)揮鉆進(jìn)數(shù)據(jù)的時(shí)效性，提高“三帶”劃分效率和準(zhǔn)確性，并同時(shí)提高煤礦采空區(qū)治理的智能化水平。

1 “三帶”的鉆進(jìn)參數(shù)響應(yīng)特征

圖1 為采空區(qū)覆巖“三帶”的剖面。在工程鉆探中，沖洗液漏失量和鉆速的變化特征與“三帶”有很大相關(guān)性[7,26-28]。

圖1 采空區(qū)覆巖“三帶”剖面[7]Fig.1 Schematic cross section of overlying strata three zones of goaf[7]

彎曲帶為斷裂帶頂部到地表之間的地層，基本呈整體移動(dòng)，受采動(dòng)影響不大。在垂直剖面上，地層上部很少出現(xiàn)離層裂隙；相比而言，地層下部更常見(jiàn)離層裂隙，但這些離層裂隙僅局部充水，且不與斷裂帶連通。因此，在彎曲帶中鉆進(jìn)時(shí)，沖洗液漏失量和鉆速總體趨于平穩(wěn)，局部存在輕微波動(dòng)。

斷裂帶位于彎曲帶下方、垮落帶上方。其上部有裂隙，可以間接導(dǎo)水和積水，但因垂直裂隙不發(fā)育，一般不與下部裂隙溝通；其下部垂直裂隙逐漸發(fā)育增強(qiáng)，離層裂隙和垂向裂隙連通，導(dǎo)水性明顯增加，并能向下滲流至采空區(qū)。因此，鉆進(jìn)至斷裂帶時(shí)，沖洗液漏失量會(huì)突然大幅增加，相較于正常地層可能增加數(shù)倍。對(duì)于垂直裂隙發(fā)育的地層，沖洗液甚至?xí)柯┦?。與此同時(shí)，由于裂隙發(fā)育，鉆速會(huì)大幅提升，并存在較大波動(dòng)。

垮落帶位于采空區(qū)覆巖最下部，通常為較大空洞或充填有垮落的巖塊，且?guī)r塊之間存在很多空隙，連通性較強(qiáng)。因此，大多數(shù)“三帶”發(fā)育的采空區(qū)鉆孔在鉆進(jìn)至垮落帶時(shí)，沖洗液漏失量很大，甚至全部漏失，而鉆速相較于正常地層也會(huì)顯著提高，且可能存在明顯波動(dòng)。

當(dāng)鉆孔進(jìn)入采空區(qū)底板后，由于地層受采動(dòng)影響不大、相對(duì)完整，鉆速相較于垮落帶會(huì)明顯降低，且逐漸趨于穩(wěn)定。

2 “三帶”識(shí)別方法

通過(guò)“三帶”鉆進(jìn)響應(yīng)特征分析可知，從彎曲帶進(jìn)入斷裂帶時(shí)沖洗液漏失量和鉆速均會(huì)明顯增加，而進(jìn)入采空區(qū)底板時(shí)鉆速會(huì)明顯降低。因此，將這兩個(gè)特征的提取看作對(duì)變化點(diǎn)的識(shí)別，并采用BOCD 算法來(lái)識(shí)別彎曲帶下限和采空區(qū)底板。

然而，僅通過(guò)變化點(diǎn)檢測(cè)無(wú)法獲得實(shí)際的“三帶”界限，主要原因?yàn)椋?1)識(shí)別變化點(diǎn)與目標(biāo)變化點(diǎn)為多對(duì)一，需要從多個(gè)變化點(diǎn)中篩選出目標(biāo)變化點(diǎn)；(2)通過(guò)鉆進(jìn)參數(shù)僅能確定彎曲帶下限深度、采空區(qū)底板深度和垮落帶下限深度，無(wú)法確定斷裂帶下限深度。因此，本文在BOCD 算法識(shí)別變化點(diǎn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合勘察規(guī)范中有關(guān)斷裂帶和垮落帶高度的經(jīng)驗(yàn)公式，以及相關(guān)鉆前資料，以此自動(dòng)識(shí)別準(zhǔn)確的“三帶”界限，并計(jì)算得到“三帶”分布的高度值。

2.1 BOCD 算法原理

BOCD 算法基于貝葉斯框架，可以實(shí)時(shí)識(shí)別數(shù)據(jù)隨時(shí)間的變化情況，目前已被廣泛應(yīng)用于金融分析、生物識(shí)別等領(lǐng)域。BOCD 算法的核心思想是：假設(shè)時(shí)間序列x1:t(x1:t為序列x1,x2,···,xt的集合，t∈N*為序列中數(shù)據(jù)點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的時(shí)間或序號(hào))中任意兩個(gè)相鄰變化點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)相互獨(dú)立，且分布類型相同，則新觀測(cè)數(shù)據(jù)xt+1是否為變化點(diǎn)的判斷依據(jù)是該數(shù)據(jù)的預(yù)測(cè)條件概率值P(xt+1|x1:t)的大小。若新觀測(cè)的數(shù)據(jù)與上一變化點(diǎn)之后的數(shù)據(jù)非常相似，則其預(yù)測(cè)條件概率值將會(huì)很高，即新的觀測(cè)數(shù)據(jù)不是變化點(diǎn)。反之，其預(yù)測(cè)條件概率值會(huì)很低，即新的觀測(cè)點(diǎn)為變化點(diǎn)。

定義行程長(zhǎng)度rt為從上一變化點(diǎn)到t時(shí)刻走過(guò)了r個(gè)單位時(shí)間，表示t時(shí)刻行程長(zhǎng)度為r時(shí)的數(shù)據(jù)集合，則P(xt+1|x1:t)的表達(dá)式為：

將風(fēng)險(xiǎn)函數(shù)f看作離散指數(shù)分布，即f=1/λ，其中λ為尺度參數(shù)，與數(shù)據(jù)的采樣頻率有關(guān)。P(rt,x1:t)可以通過(guò)上一時(shí)刻的概率迭代計(jì)算得到。

2.2 “三帶”智能識(shí)別方案

假設(shè)待識(shí)別鉆孔的設(shè)計(jì)孔深為d，垮落帶、斷裂帶分布在設(shè)計(jì)孔深往上Hu之內(nèi)，候選變化點(diǎn)的有效識(shí)別深度區(qū)間為[d-Hu,d]，所有“三帶”界限深度均位于該區(qū)間內(nèi)。Hu可按如下公式計(jì)算：

Hli與采空區(qū)頂板傾角α、采空區(qū)頂板巖層的碎脹系數(shù)k等有關(guān)[1,7]，該公式給出了Hli的最大和最小值，為了擴(kuò)大候選變化點(diǎn)的有效深度區(qū)間，盡量覆蓋更多的候選點(diǎn)，這里取Hli的最大值；與Hli的取值類似，這里取最大值，取最小值；M為已知值，Hn為設(shè)計(jì)值。

由“三帶”鉆進(jìn)中的沖洗液漏失量和鉆速變化特征可知，區(qū)間[d-Hu,d]內(nèi)的第一個(gè)變化點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的深度即為彎曲帶下限深度d1；最后一個(gè)變化點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的深度即為采空區(qū)底板深度d4，則垮落帶下限深度d3為d4-M。

上述界限深度確定后，接下來(lái)需要確定斷裂帶下限深度d2。由于斷裂帶下限深度附近可能存在多個(gè)候選變化點(diǎn)，應(yīng)用垮落斷裂帶和垮落帶高度的經(jīng)驗(yàn)公式[1]，結(jié)合彎曲帶下限深度d1和垮落帶下限深度d3，由下式計(jì)算斷裂帶下限深度d2的識(shí)別深度范圍[d2]：

式(5)中，括號(hào)內(nèi)的值為估算的Hm變化比例范圍，正負(fù)號(hào)分別代表范圍的上下限；尋找距離[d2]區(qū)間中心最近的變化點(diǎn)，即為斷裂帶下限深度d2；若[d2]區(qū)間內(nèi)無(wú)變化點(diǎn)，則取該區(qū)間的中心點(diǎn)為斷裂帶下限深度d2。

根據(jù)上述“三帶”界限識(shí)別結(jié)果，可得斷裂帶實(shí)際高度為d2-d1、垮落帶實(shí)際高度為d3-d2。至此，“三帶”的界限深度和高度已經(jīng)全部識(shí)別完成，完整的識(shí)別流程如圖2 所示。

圖2 “三帶”識(shí)別流程Fig.2 Three zones identification flow chart

按照?qǐng)D2 流程，彎曲帶下限深度、采空區(qū)底板深度可以實(shí)時(shí)確定。在通過(guò)采空區(qū)底板確定垮落帶下限后，結(jié)合勘察規(guī)范中經(jīng)驗(yàn)公式的結(jié)果可以確定斷裂帶下限深度。當(dāng)采空區(qū)底板深度確定后，即可確定完鉆深度。在實(shí)際工程中，該流程中涉及到的鉆前地質(zhì)資料等參數(shù)的值(如M、d、k、α、Hn等)可以在鉆進(jìn)前通過(guò)工控機(jī)或物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備輸入給定，鉆進(jìn)時(shí)無(wú)需其他輔助即可自動(dòng)識(shí)別“三帶”結(jié)果。需要指出的是，上述“三帶”識(shí)別方法是基于回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)的鉆進(jìn)參數(shù)特征實(shí)現(xiàn)的，如果鉆進(jìn)方式發(fā)生明顯改變，則其鉆進(jìn)過(guò)程中的“三帶”識(shí)別還需要進(jìn)一步開(kāi)展相關(guān)適配性研究。

上述BOCD 算法和“三帶”識(shí)別過(guò)程可以通過(guò)Python 代碼實(shí)現(xiàn)，并將其作為Web 應(yīng)用部署在服務(wù)器上，從而通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)分別與數(shù)據(jù)感知端和用戶應(yīng)用端相連，實(shí)現(xiàn)“三帶”識(shí)別的物聯(lián)應(yīng)用?！叭龓А弊R(shí)別的Web 應(yīng)用如圖3 所示，數(shù)據(jù)感知端包含不同的鉆井監(jiān)測(cè)站點(diǎn)，每個(gè)站點(diǎn)由各類傳感器(如鉆速傳感器、流量傳感器等)組成，用于獲取基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。Web 服務(wù)器是主要功能的實(shí)現(xiàn)載體，如數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能、“三帶”識(shí)別功能等，其通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)接收數(shù)據(jù)感知端的數(shù)據(jù)和將識(shí)別結(jié)果等數(shù)據(jù)傳輸?shù)綉?yīng)用終端。應(yīng)用終端直接面向用戶，包括移動(dòng)終端、大屏等，用于顯示識(shí)別結(jié)果或輸入數(shù)據(jù)。

圖3 “三帶”識(shí)別的Web 應(yīng)用Fig.3 Illustrating the application of three zones identification for goaf in Web applications

3 工程應(yīng)用

3.1 項(xiàng)目概況

為了驗(yàn)證所提方法的應(yīng)用效果，選擇山東某礦區(qū)一口勘察井的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)試。礦區(qū)采用立井分水平開(kāi)拓(主井、副井、風(fēng)井)，中央并列式通風(fēng)，條帶短壁式綜合機(jī)械化一次采全高采煤工藝，頂板自由垮落法管理[7]。測(cè)試鉆孔的采空區(qū)頂板為砂質(zhì)泥巖、泥巖，單軸飽和抗壓強(qiáng)度平均值分別約為40.77 和31.66 MPa，屬于較硬巖。煤層平均傾角α=6°，頂板巖層的碎脹系數(shù)為k=1.35，平均采高為M=2.8 m。鉆孔為垂直鉆孔，設(shè)計(jì)孔深d=570.00 m。

該項(xiàng)目所在勘察區(qū)使用回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)工藝，并采用PDC 鉆頭作為碎巖工具。測(cè)試鉆孔只統(tǒng)計(jì)純鉆進(jìn)時(shí)間內(nèi)的沖洗液漏失量和鉆速，其中沖洗液漏失量通過(guò)流量計(jì)測(cè)量進(jìn)漿量和出漿量得到，深度和鉆速通過(guò)無(wú)線射頻位移傳感器得到。從鉆進(jìn)孔深為266.00 m 時(shí)開(kāi)始，每鉆進(jìn)約0.5 m 記錄一次數(shù)據(jù)，鉆進(jìn)至孔深565.87 m 時(shí)停止記錄，共657 組數(shù)據(jù)。

圖4 為現(xiàn)場(chǎng)獲取的沖洗液漏失量和鉆速數(shù)據(jù)所繪制的曲線，兩條曲線均可以劃分為兩段。在第一段曲線中，沖洗液漏失量整體數(shù)值在110 L/m 左右，部分?jǐn)?shù)據(jù)的值較高，主要是由于監(jiān)測(cè)誤差和這一段地層中存在的破碎帶造成；鉆速曲線整體數(shù)值在11 mm/min 左右，部分?jǐn)?shù)據(jù)的值較低，考慮主要是由于監(jiān)測(cè)誤差造成。在第二段曲線中，沖洗液漏失量和鉆速值都明顯高于第一段曲線，這主要與鉆頭進(jìn)入垮落帶和斷裂帶有關(guān)。

圖4 原始鉆進(jìn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)Fig.4 Raw drilling monitoring data

3.2 BOCD 變化點(diǎn)識(shí)別

利用鉆進(jìn)數(shù)據(jù)識(shí)別“三帶”時(shí)，同一采樣頻率的λ大致相同，且采樣頻率越大，λ也越大。實(shí)際應(yīng)用中可通過(guò)多次測(cè)試確定某一采樣頻率對(duì)應(yīng)的λ值，本文中的λ取值為50。給定上述條件，即可以識(shí)別鉆進(jìn)數(shù)據(jù)的變化點(diǎn)。

在識(shí)別前，為了提高識(shí)別效果，選擇中值濾波的方法降低異常數(shù)據(jù)對(duì)變化點(diǎn)識(shí)別結(jié)果的干擾。中值濾波窗口大小設(shè)置為5。圖5 為BOCD 算法的運(yùn)行結(jié)果，每條垂直虛線都與一個(gè)行程的開(kāi)始對(duì)應(yīng)，即對(duì)應(yīng)一個(gè)變化點(diǎn)，其中圖5a 和圖5b 分別為沖洗液漏失量和鉆速濾波后的曲線及對(duì)應(yīng)的變化點(diǎn)識(shí)別結(jié)果。與原始數(shù)據(jù)相比，濾波后沖洗液漏失量和鉆速的第一段曲線更加平穩(wěn)，基本沒(méi)有異常值，第二段曲線同樣波動(dòng)減小，并且曲線的變化特點(diǎn)更加明顯，表明濾波可以有效地去除異常值。如圖5 所示，沖洗液漏失量曲線識(shí)別出來(lái)的變化點(diǎn)對(duì)應(yīng)深度為494.22、511.36、515.36、543.50 m，鉆速曲線識(shí)別出來(lái)的變化點(diǎn)對(duì)應(yīng)深度為269.72、505.68、510.42、515.71、544.26、562.87 m，所有這些深度值都是用來(lái)確定“三帶”界限的候選變化點(diǎn)。

圖5 濾波后鉆進(jìn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)變化點(diǎn)識(shí)別結(jié)果Fig.5 Identification results of Bayesian Online Changepoint Detection from the drilling monitoring data after filtering

3.3 “三帶”識(shí)別結(jié)果與分析

試驗(yàn)鉆孔所在地區(qū)已探明“三帶”的鉆孔中，已知實(shí)際垮落斷裂帶高度的最大值為87.30 m，設(shè)計(jì)鉆孔要求鉆入采空區(qū)底板深度Hn不少于10 m，采高M(jìn)為2.8 m。

由給定的鉆前地質(zhì)資料可知，采空區(qū)頂板屬于較硬巖，則根據(jù)勘察規(guī)范附錄L 可以確定試驗(yàn)鉆孔垮落斷裂帶高度Hli、垮落帶高度Hm的經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式如下：

取 max(Hli)為61.14 m。本實(shí)例中，區(qū)域內(nèi)只有厚度為2.8m 的單一煤層，因此根據(jù)規(guī)范計(jì)算獲得的Hli和相同。取min為43.34m，由式(4)可得Hu為135.95 m，則候選變化點(diǎn)的有效深度區(qū)間為444.04～570.00 m。這一范圍內(nèi)的第一個(gè)變化點(diǎn)所對(duì)應(yīng)深度為494.22 m，則彎曲帶下限深度d1為494.22 m。這一范圍內(nèi)的最后一個(gè)變化點(diǎn)對(duì)應(yīng)深度為562.87 m，則采空區(qū)底板深度d4為562.87 m。進(jìn)而確定垮落帶下限深度d3為560.07 m。

由式(5)可得d2的識(shí)別深度范圍為[550.17，552.65]，該界限內(nèi)沒(méi)有變化點(diǎn)，則斷裂帶下限深度d2取識(shí)別區(qū)間中心點(diǎn)所在位置，即551.41 m。

至此，已得到“三帶”的下限深度自上而下分別為494.22、551.41、560.07 m。為評(píng)價(jià)本文識(shí)別方法的準(zhǔn)確性，選擇與本文依托相同項(xiàng)目和測(cè)試鉆孔的文獻(xiàn)[7]中的“三帶”結(jié)果作為對(duì)比。該文獻(xiàn)綜合利用工程地質(zhì)鉆探、孔內(nèi)電視與煤田測(cè)井3 種方法，得到測(cè)試鉆孔的“三帶”界限深度自上而下分別為493.55、551.10、559.55 m。圖6 為智能識(shí)別得到的“三帶”結(jié)果(灰色垂直虛線)與文獻(xiàn)[7]所得結(jié)果(黑色垂直虛線)的對(duì)比情況，可以看出兩者較吻合?！叭龓А苯缦奚疃鹊闹悄茏R(shí)別結(jié)果與實(shí)際結(jié)果對(duì)比見(jiàn)表1，誤差均小于1 m。“三帶”高度的智能識(shí)別結(jié)果和經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算結(jié)果與其實(shí)際高度的對(duì)比見(jiàn)表2。其中，智能識(shí)別結(jié)果的高度誤差均小于3%，而經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算得到的斷裂帶和垮落高度誤差分別為9.23%和4.85%。結(jié)果表明，“三帶”智能識(shí)別方法顯著優(yōu)于經(jīng)驗(yàn)計(jì)算方式，且具有較高的識(shí)別精度。

表1 識(shí)別“三帶”界限與實(shí)際“三帶”界限[7]對(duì)比Table 1 Comparison of the intelligent identification results and actual results[7] boundary depths in the three zones of goaf

表2 “三帶”高度結(jié)果對(duì)比Table 2 Comparison of heights in the three zones of goaf

圖6 “三帶”識(shí)別結(jié)果與實(shí)際人工劃分結(jié)果[7]對(duì)比Fig.6 Comparison of the intelligent identification results and actual results[7] in the three zones of goal

應(yīng)用結(jié)果表明，在變化點(diǎn)識(shí)別的基礎(chǔ)上，結(jié)合勘察規(guī)范中垮落斷裂帶和垮落帶的經(jīng)驗(yàn)公式，可將斷裂帶下限的范圍由彎曲帶下限和垮落帶下限之間縮到更小的范圍，使得識(shí)別結(jié)果更有針對(duì)性。因此，融合了BOCD算法的采空區(qū)“三帶”智能識(shí)別方法比傳統(tǒng)方法更接近實(shí)際情況。

4 結(jié)論

a.提出的基于沖洗液漏失量和鉆速等鉆進(jìn)數(shù)據(jù)的變化點(diǎn)檢測(cè)方法，可以實(shí)現(xiàn)在鉆進(jìn)過(guò)程中的“三帶”智能識(shí)別，無(wú)需等完鉆后再進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，充分發(fā)揮了鉆進(jìn)數(shù)據(jù)的時(shí)效性，有效避免了技術(shù)人員的主觀判斷和經(jīng)驗(yàn)對(duì)結(jié)果產(chǎn)生的影響。

b.與實(shí)際多種勘察手段綜合劃分的結(jié)果對(duì)比表明，智能識(shí)別的“三帶”深度誤差均小于1 m，高度誤差均小于3%，具有較高的識(shí)別精度。將實(shí)測(cè)方法和預(yù)測(cè)方法相結(jié)合，將沖洗液漏失量和鉆速這兩個(gè)與“三帶”有密切關(guān)系的數(shù)據(jù)作為輸入?yún)?shù)，提高了識(shí)別的精度。提出的“三帶”智能識(shí)別方法可以代替多種手段綜合劃分的方式，有助于提高“三帶”劃分效率，降低采空區(qū)勘察成本。

c.提出的“三帶”智能識(shí)別方法適用于開(kāi)采方式、地質(zhì)條件、煤層厚度、底板位置等相關(guān)信息比較明確的采空區(qū)勘探?，F(xiàn)有監(jiān)測(cè)參數(shù)僅考慮了鉆速和沖洗液漏失量，且其響應(yīng)特征主要針對(duì)以沖洗液為循環(huán)介質(zhì)的回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)，未來(lái)可進(jìn)一步研究其他鉆進(jìn)參數(shù)及其在不同鉆進(jìn)方式中與“三帶”之間的響應(yīng)關(guān)系，以提高智能識(shí)別方法的適用性。

符號(hào)注釋：

d為設(shè)計(jì)孔深，m；d0為地表深度，m；d1為彎曲帶下限深度，m；d2為斷裂帶下限深度，m；d3為垮落帶下限深度，m；d4為采空區(qū)底板深度，m；f為風(fēng)險(xiǎn)函數(shù)；Hn為待識(shí)別鉆孔規(guī)定鉆進(jìn)采空區(qū)底板的深度，m；Hli為按勘察規(guī)范經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算得到的待識(shí)別鉆孔垮落斷裂帶高度，m；為區(qū)域內(nèi)已探明的實(shí)際垮落斷裂帶高度，m；為按勘察規(guī)范經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算得到的已完成鉆孔垮落斷裂帶高度，m；Hm為按勘察規(guī)范中經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算得到的待識(shí)別鉆孔垮落帶高度，m；Hu為待識(shí)別鉆孔彎曲帶下限與設(shè)計(jì)孔深的最大距離，m；k為采空區(qū)頂板巖層的碎脹系數(shù)；max(Hli)、min(Hli)、ave(Hli)分別為按經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算得到的待識(shí)別鉆孔垮落斷裂帶的最大高度、最小高度和平均高度，m；為實(shí)際垮落斷裂帶高度的最大值，m；min()為按勘察規(guī)范中經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算得到的已完成鉆孔垮落斷裂帶高度的最小值，m；M為采高，m；N*為正整數(shù)集；P(rt|rt-1)為變化點(diǎn)先驗(yàn)概率；rt-1、rt為行程長(zhǎng)度，分別表示從上一變化點(diǎn)到t-1、t時(shí)刻走過(guò)的單位時(shí)間；t為觀測(cè)數(shù)據(jù)點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的時(shí)間或序號(hào)，從1 開(kāi)始；x1:t、x1:t-1分別為從第一個(gè)時(shí)間單位到第t、t-1 個(gè)時(shí)間單位的觀測(cè)數(shù)據(jù)集；xt+1、xt分別為t+1、t時(shí)刻的觀測(cè)數(shù)據(jù)；為t時(shí)刻對(duì)應(yīng)行程長(zhǎng)度為r內(nèi)的數(shù)據(jù)集合；α為采空區(qū)頂板傾角，(°)；λ為離散指數(shù)分布的尺度參數(shù)。