基金项目:内蒙古科技大学创新基金(2011NCL017); 教育部春晖计划(Z2009-1-01052)
通讯作者:孙 明(1983-),男,山东泰安人,硕士,讲师,E-mail:sunming831130@126.com
(School of Coal Science and Engineering,Inner Mongolia University of Science and Technology,Baotou 014010,China)
fault activation; GM model; grey correlation; catastrophe progression; critical threshold
着眼各型断层对煤矿安全的负面干扰,概括采场断层活化期望控制指标体系并关联保护煤柱。用GM(1,1),Verhust,残差GM和GMANN构建数据挖掘模型实现比较准确拓展样本数据,选择成本型或效益型函数去除量纲实现归一。综合关联分析表明,有效隔水层厚度和工作面长度是断层失稳活化主导因素,以接近关联和相似关联研究证明断层倾角与断层活化失稳的耦合关系并未完全显化。经突变级数法给出活化期望系数并把0.88,0.84和0.74作为临界阈值,分级结果相对符合样本实例。应用表明,模型比较准确且相对保真,具备一定研究价值和基本实际意义。
Focus on the all kinds of coalmine fault's negative impact on coal mine safety,the fault activation expect control indicator system was generalized and associated with the protected coal pillar size.The great sample data was expanded by the Data mining model,which is composed of the GM(1,1),the Verhust,the residual error GM and the GMANN.The cost or the benefit function were to remove the data dimension,then the dominant factors(the effective water-resisting layer thickness and the working face length)were got by the grey comprehensive analysis,the close and the similar correlation were to study the fuzzy relationship between instability process and the fault dip angle.The expectation coefficient was determined by the catastrophe progression method,the critical threshold(0.88,0.84 and 0.74)are well conform to the fact.The application shows that the model is comparative preciseness and relative fidelity,with some research significance and basic fact significance.
在华北矿区最大突水量超过600 m3/h的案例中,因断层失稳导致的矿井水害(构造揭露型和断层采动型)共44起,占案例总数的58.7%[1].断层是因地应力(自重应力、构造应力)导致断裂面两侧煤岩体发生明显位移的地质构造,产状要素包括断盘、断距、断层面和断煤交线,依据相对运动分为正断层、逆断层和平推断层,并组合形成地垒、地堑和阶梯状断层[2]。大型断层可以作为采(盘)区、井田甚至煤田的自然边界; 中型断层能够影响矿井可采储量和区段回采参数; 小(微)型断层影响矿山压力显现规律、降低工作面正规循环率。按水文性质可将断层分为5类:富水断层、导水断层、阻水断层、储水断层和无水断层[3]。大中型的断层保护煤柱按照《煤矿安全规程》中公式获得,存在呆滞矿井可采储量、造成采掘接替紧张和束缚采场安全潜力的问题; 小(微)型断层常因采动活化发育导水通道并造成突水灾害,其难以控制而被称为“潜伏构造”。应用地球物理勘探技术(槽波法、瞬变电磁法和地质雷达法)勘察大中断层的水文及参数来减小保护煤柱宽度,查验小(微)型断层的产状及分布以提高回采安全潜力,正被高产高效大型矿井所应用推广[4-5]。所以,采场断层活化期望模型的流程如图1所示,挖掘稀缺样本并分析活化失稳,创建断层活化期望系数。
采场断层活化失稳变化属于“灰箱系统”(“小样本”、“贫信息”不确定性系统),即明确系统的一些简单信息,但自身作用机制、运行过程尚未完全显化、明确。另外,变化过程始终受到强背景噪声(水文地质条件和开采技术参数)影响,表现为指标定量失真和工程样本稀缺。采场断层活化控制指标体系包括断层要素(断层倾角、断层落差),水文地质(含水层水压、有效隔水层厚度),开采条件(开采深度、回采高度和工作面长度),活化期望指数关联保护煤柱宽度。
依据灰色系统理论[6],数据挖掘模型如图1左侧所示。小样本数据成为大样本数据设计4种方法:GM(1,1)模型、Verhust模型、残差GM模型和GMANN模型; “是”表示平均相对误差符合精度要求,一般取5%; “否”表示平均相对误差超出精度要求,依次递进运行各模型; GMANN模型凭借残差数列的丰富信息和神经算法的无限逼近,实现原始数据的准确模拟和未知数值的高度仿真。
小样本数据包括表1中自1至10[7-8],升序小样本得到大样本(表1)。其中,断层倾角、开采深度采用GM(1,1)模型,MSE(平均误差)为1.63%,4.63%; 有效隔水层厚度、工作面长度采用Verhulst模型,MSE为4.05%,4.72%; 断层落差、含水层水压和回采高度采用残差GM模型,MSE(平均误差)为1.63%,4.63%; 有效隔水层厚度、工作面长度采用Verhulst模型,35%,4.78%和4.72%.大样本数据的平均误差全部小于5%,证明数据挖掘模型具有客观合理性和乐观逼真性,GMANN模型属于灰色神经网络且具备高精仿真和完美挖掘的能力。所以,数据挖掘模型以遵循实际规律的前提下能够相对准确拓展样本数据,为工程实例偏少、相关数据缺失和整体特征研究提供了一种新方法。
灰色关联分析不同序列间的相互关系和彼此影响,根据曲线形状来研究紧密程度,重点关注序关系而非数值,弥补数理方法的自身缺憾,计算简单且结果准确[6]。灰色关联模型的中心思想:以成本型或效益型函数规范处理数据,以绝对关联度、相对关联度、综合关联度、相似关联度和接近关联度共同研究控制指标耦合煤柱宽度的规律,流程如图1中间所示。有效隔水层厚度、安全防水煤柱宽度属于效益型指标(越大越好型),断层倾角、断层落差、含水层水压、开采深度、回采高度和工作面长度属于成本型指标(越小越好型)。其中,效益型函数如公式(1)所示,成本型函数如公式(2)所示。
绝对关联度如公式(3)所示,si,sj经始点零像化获得; 相对关联度如公式(4)所示,ti,tj由初值像经始点零像化获得; 综合关联度如公式(5)所示; 相似关联度如公式(6)所示,用来测度曲线几何形状的相似程度(二维平面空间); 接近关联度如公式(7)所示,用于测度曲线空间位置的相似程度(三位立体空间),Si,Sj直接由原始序列获得[5]。
公式(1)(2)规范处理指标数值,把防水煤柱宽度作为参考序列,公式(3)(4)(5)(6)(7)测度分析控制指标与煤柱宽度,结果见表2.以综合关联度进行优劣排序:有效隔水层厚度﹥工作面长度﹥断层落差﹥含水层水压﹥开采深度﹥回采高度﹥断层倾角。有效隔水层厚度和工作面长度相互决定了采场周期来压强度、超前压力影响范围和底板损伤破坏程度。综合机械化矸石充填工艺、条带开采方法等新型技术相对减弱了采矿扰动(深部回采特征之一),在高水压薄隔水层条件下实现了带压安全回采,提高采区回采效率并延长了矿井正常寿命。所以,有效隔水层厚度和工作面长度是采场断层活化失稳的主导因素。但是,断层倾角与断层活化失稳的耦合关系并未完全显化,表征其空间位置的接近关联度较高(0.678 6>0.6),借助其他研究方法(相似模拟、数值计算和解析公式)深度研究其运行机制和变化机理[9]。另外,采场断层活化失稳过程与控制指标变化不存在同步更新应变规律,表明失稳活化是一个具有非线性、突变型的灰色过程。
突变现象在自然以至宇宙中是广泛存在的,贯穿于煤矿的方方面面[10-11],因此采场断层活化期望系数以突变级数法确定。突变级数法是将各层指标数值带入不同突变模型(尖点型、燕尾型和蝴蝶型),以“舍大取小”或“算数平均”原则实现由低层向高层的复合叠加,具有合理性和客观性[12]。断层要素、水文地质采用尖点模型(双指标),开采条件采用燕尾模型(三指标),按“互补”原则得到采场断层活化期望系数(EC,Expectation Coefficient),结果见表3.依据期望系数和煤柱宽度(CP,coal pillar),将采场断层活化期望模型分为4级:强活化级,0.88<EC≤1,CP≥60 m; 中活化级,0.84≤EC≤0.88,40 m≤CP<60 m; 弱活化级,0.74≤EC<0.84,20 m≤CP<40 m; 微活化级,EC<0.74,CP<20 m.分级结果的准确率达86.67%(第3和第7样本不符合),结果相对准确且符合实际,具有良好的鲁棒性、可靠性和应用性。
选取山东某煤矿F2和F7断层进行验证(表4),突变级数为0.83,0.73.按照上述级别,F2断层属于弱活化级,留设宽度20 m到40 m之间的煤柱; F7断层属于微活化级,留设宽度小于20 m的煤柱。在初步设计图纸上,F2,F7断层分别留设30 m和20 m的保护煤柱。后经水文地质勘查,F2断层与含水灰岩层存在水利联系,属导水断层; F7断层破碎带属钙质胶结且充填密实,属无水断层。在实际生产中,F2断层作为两采区的划分边界,采煤工作面以搬家重新布置方式通过F7断层。活化期望系数与实际情形相对吻合,具备结合其他方法指导安全生产的潜力。
该矿7116工作面的走向长度为700 m,倾斜长度为90 m,地面标高+100 m,采场标高-420 m,煤层厚度为2.2 m,奥陶灰岩距开采煤层底板约30 m,水压为3.5 MPa.相邻采区曾采用高档普采工艺和全部垮落法,底板破坏深度达26 m,曾发生过底板突水淹没采区事故,停产时间达6个月。根据两平巷掘进资料,回采区域构造复杂,断层数目达7条,多数属正压扭性断层,落差多在0.5~5 m,在终采线附近发现一条较大正断层,落差为7.0 m,倾角为60°.该矿采用前端泄漏式多回路注水系统探测该断层(图2),发现:上下断盘间的破碎带封闭性一般,受采动影响失稳活化成为导水通道的机率较大,决定在断层前方留设30 m宽保护煤柱。后经技术改造,该面采用综合机械化化煤矸石充填采空区工艺,煤层厚度减去充填压实矸石厚度约为0.8 m(等价采高),充填面积达到3.5万m2.在正常生产中,采取实时监测突水量、超前探放水、底板注浆改造和加强平巷超前支护等技术措施,煤层底板采动破坏深度达12 m,底板涌水量变化一直保持在正常范围之内,证明该断层始终未与底板灰岩导通形成涌水通道。同时,该断层活化期望系数在0.79(采高0.8 m)与0.80(采高2.5 m)之间,合理性和安全性得到采场实际验证。
1)数据挖掘模型(GM(1,1)模型、Verhust模型、残差GM模型和GMANN模型)以遵循客观规律为前提能够比较准确的仿真数据并拓展样本,具有客观合理性和乐观逼真性,这为工程实例偏少、相关数据缺失和整体特征研究提供了一种新方法。
2)底板有效隔水层厚度和工作面倾斜长度是采场断层活化失稳的主导因素,以接近关联和相似关联研究证明断层倾角与断层活化失稳的耦合关系并未完全显化。采场断层失稳过程与控制指标变化规律表明该活化现象属于非线性、突变型的灰色过程。
3)选择突变级数法将采场断层活化期望模型分为4级:强活化级,0.88<EC≤1,CP≥60 m; 中活化级,0.84≤EC≤0.88,40 m≤CP<60 m; 弱活化级,0.74≤EC<0.84,20 m≤CP<40 m; 微活化级,EC<0.74,CP<40 m; 微活化级,;20 m.该模型以相对研究价值和乐观应用潜力,能够为断层附近围岩体的稳定分析及分类评价提供了一种新思路和新途径。