基于深度學(xué)習(xí)及數(shù)值模擬耦合的覆巖采動(dòng)效應(yīng)研究

姚福艷 呂昌興 楊 曉

（1.山東科技大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院，山東 青島 266590；2.新汶礦業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司華豐煤礦，山東 泰安 271000；3.山東正元建設(shè)工程有限責(zé)任公司，山東 泰安 271000）

運(yùn)河煤礦首采區(qū)1305 工作面受逆斷層影響，使得3 煤層存在寬度約為270～350 m 重疊區(qū)，待采區(qū)正上方130～190 m 處為采空區(qū)。回采工作面生產(chǎn)過(guò)程中受到采空區(qū)積水、逆斷層上盤三灰含水層、奧灰含水層等多種水害威脅嚴(yán)重。運(yùn)河煤礦3 煤剩余資源越來(lái)越少，本次以導(dǎo)水裂隙帶及開(kāi)采影響范圍為主研究，以便在安全可靠前提下最大限度地回收煤炭資源。

1 研究區(qū)概況

運(yùn)河煤礦位于濟(jì)寧煤田北部，總體為一近南北、北東—北東東走向向斜構(gòu)造。區(qū)域內(nèi)含煤地層主要為山西組和太原組，平均總厚度275 m 左右，共有含煤地層25 層。井田主要發(fā)育四組斷層，主要為近南北向斷層，次為走向近東西斷層，此外還發(fā)育有北東走向及北西走向斷層，落差在10 m 以上的斷層60 條。根據(jù)煤系地層埋深特點(diǎn)，該區(qū)水文地質(zhì)環(huán)境具有以下規(guī)律：煤系地層之上，含水層和隔水層相間沉積，而隔水性能最好最厚者在下部，使得雨水、地表水、第四系砂層水、侏羅系砂巖裂隙水受到多個(gè)隔水層的重重阻隔不能充分補(bǔ)給礦井，其次直接充水含水層埋藏較深，充水空間不發(fā)育，富水性不強(qiáng)，以靜儲(chǔ)量為主。

2 導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度研究

2.1 數(shù)據(jù)選取

研究表明，導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度值是多因素影響的結(jié)果，不僅僅單獨(dú)與采深、采厚等回采工作面參數(shù)相關(guān)。正因?yàn)槲覈?guó)是煤炭資源大國(guó)，煤礦生產(chǎn)歷史悠久，從而積累了導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度大量實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)[1-2]。該礦研究區(qū)為緩傾斜煤層，因此作者選取與該礦開(kāi)采條件相似的48 組導(dǎo)水裂隙帶實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，見(jiàn)文獻(xiàn)1[3]。

2.2 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建背景

分析可知，自變量采厚M、硬巖巖性比例系數(shù)b、工作面斜長(zhǎng)L、采深H以及因變量導(dǎo)水裂隙帶高度HF均為連續(xù)型數(shù)值變量。圖1 為各影響因素與導(dǎo)水裂隙帶高度散點(diǎn)圖，表1 為各影響因素之間的相關(guān)性分析。由圖1 可知，采厚與導(dǎo)水裂隙帶高度散點(diǎn)圖可大體呈線性關(guān)系，而工作面長(zhǎng)度、采深及硬巖巖性比例系數(shù)與裂隙帶之間并不是絕對(duì)的線性關(guān)系，各影響因素之間存在內(nèi)生現(xiàn)象。表1 中導(dǎo)水裂隙帶高度HF與各影響因素之間的相關(guān)性系數(shù)僅與采厚M為0.695，與其他因素的相關(guān)性較弱。綜上可知，如果使用多元非線性回歸模型預(yù)測(cè)導(dǎo)水裂隙帶高度將會(huì)存在構(gòu)建模型復(fù)雜，甚至?xí)霈F(xiàn)樣本過(guò)擬合現(xiàn)象。因此，為了既能綜合各影響因素又能科學(xué)預(yù)測(cè)導(dǎo)水裂隙帶高度，在本節(jié)將使用BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型。

圖1 各影響因素散點(diǎn)圖

表1 各影響因素相關(guān)系數(shù)矩陣

2.3 構(gòu)建BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型

2.3.1 確定網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

對(duì)于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，隱含層節(jié)點(diǎn)數(shù)越多，網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練效果越好，但是隱含層與節(jié)點(diǎn)數(shù)太多，不僅延長(zhǎng)了網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練時(shí)間，更會(huì)出現(xiàn)過(guò)擬合現(xiàn)象[4]。學(xué)者Cybenko 認(rèn)為，以Sigmoid 函數(shù)為激活函數(shù)時(shí)，兩個(gè)隱含層的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可以解決任何復(fù)雜的分類及預(yù)測(cè)問(wèn)題[5]。因此，為提高神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)魯棒性，通過(guò)訓(xùn)練本文將選擇單隱層13 個(gè)神經(jīng)元的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，如圖2。

圖2 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

因不同影響因素的量綱不同， 需借助mapminmax 函數(shù)對(duì)原始數(shù)據(jù)歸一化獲得規(guī)范化矩陣；其次將設(shè)置網(wǎng)絡(luò)迭代參數(shù)：學(xué)習(xí)速率（0.01）、目標(biāo)誤差（0.005）、最大迭代次數(shù)（5000）。由于計(jì)算量大，上述過(guò)程將在MATLAB 平臺(tái)通過(guò)編寫源代碼完成。

2.3.2 導(dǎo)水裂隙帶高度預(yù)測(cè)

以采厚M、硬巖巖性比例系數(shù)b、工作面斜長(zhǎng)L、采深H作為輸入樣本，導(dǎo)水裂隙帶高度HF作為輸出樣本。網(wǎng)絡(luò)迭代過(guò)程中不斷記錄誤差平方和，并繪制誤差變化曲線（如圖3），即迭代4 次時(shí)誤差達(dá)到最高值，迭代10 次以后誤差穩(wěn)定于所設(shè)定誤差0.005。

圖3 誤差變化曲線

圖4 為預(yù)測(cè)值與實(shí)際導(dǎo)水裂隙帶高度對(duì)比圖，決定系數(shù)R2=0.779 8，因此上述預(yù)構(gòu)建的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型已具備較好的學(xué)習(xí)能力。將該礦1305 工作面各參數(shù)帶入訓(xùn)好的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，預(yù)測(cè)結(jié)果為88.156 m。

圖4 訓(xùn)練結(jié)果圖

3 基于FLAC3D 模擬采動(dòng)影響范圍

煤系中發(fā)育的斷層可分為五種：張性、壓性、扭性、張扭性和壓扭性斷層。因煤層被采出，采場(chǎng)圍巖及上覆巖層會(huì)因支承壓力改變?cè)斐筛浇鼣鄬踊罨⒏矌r裂隙發(fā)育和斷層伴生節(jié)理再發(fā)展，當(dāng)破壞帶與伴生節(jié)理相互溝通，即為承壓水進(jìn)入礦井創(chuàng)造了通道[6]。

結(jié)合運(yùn)河煤礦實(shí)際地質(zhì)情況，利用FLAC3D軟件構(gòu)建尺寸為440 m×580 m×120 m（長(zhǎng)×寬×高）的模型，斷層傾角45°。為簡(jiǎn)化計(jì)算，煤層設(shè)計(jì)為水平煤層，設(shè)置1305 工作面的傾向長(zhǎng)度為100 m，推進(jìn)長(zhǎng)度580 m，簡(jiǎn)化的幾何模型及設(shè)計(jì)開(kāi)挖方案如圖5。

圖5 數(shù)值模擬計(jì)算圖

3.1 模型力學(xué)參數(shù)及邊界條件

各層巖體物理參數(shù)有剪切模量、體積模量、內(nèi)聚力、內(nèi)摩擦角、抗拉強(qiáng)度、密度，由于外界環(huán)境中巖體的物理力學(xué)指標(biāo)和室內(nèi)測(cè)試的指標(biāo)之間存在較大差異，因此需對(duì)室內(nèi)巖塊的測(cè)試結(jié)果進(jìn)行修正，這樣才能更好地應(yīng)用于數(shù)值模擬中。結(jié)合該礦及相鄰煤礦含煤地層巖石力學(xué)性質(zhì)測(cè)試結(jié)果，本次模擬的巖體物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 力學(xué)參數(shù)匯總表

3.2 模擬方案及結(jié)果

依據(jù)該礦工作面回采說(shuō)明書及設(shè)計(jì)停采線情況，筆者設(shè)計(jì)開(kāi)挖步距呈等差數(shù)列增加，即開(kāi)挖步距為90 m、180 m、270 m、360 m、450 m、540 m。通過(guò)分步開(kāi)挖模擬1305 工作面覆巖裂隙動(dòng)態(tài)發(fā)育特征，根據(jù)塑性區(qū)破壞圖分析說(shuō)明覆巖破壞隨空間和時(shí)間變化的動(dòng)態(tài)過(guò)程，如圖6。

圖6 工作面不同開(kāi)挖步距塑性區(qū)分布圖

通過(guò)分析圖6，采空區(qū)上部覆巖的破壞變形是一個(gè)由小范圍逐漸擴(kuò)大的過(guò)程。隨著開(kāi)采范圍的不斷增大，工作面直接頂會(huì)隨著開(kāi)采垮落，上部巖層縱向裂隙更為發(fā)育。隨著進(jìn)一步開(kāi)采，工作面正上方覆巖破壞程度增大，使得縱向裂隙相互貫通，呈“馬鞍狀”。當(dāng)工作面推進(jìn)一定的距離后導(dǎo)水裂隙帶高度趨于穩(wěn)定，塑性區(qū)在垂向的范圍不再增大。當(dāng)開(kāi)采推進(jìn)540 m 過(guò)程中導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度穩(wěn)定在71 m 范圍左右，發(fā)生剪切破壞的最大范圍距離F10 逆斷層大約有40 m。

4 采動(dòng)效應(yīng)綜合分析

由煤礦基礎(chǔ)地質(zhì)資料可知，F(xiàn)10 逆斷層傾角45°且1305 工作面已根據(jù)《煤礦防治水細(xì)則》針對(duì)F10 逆斷層預(yù)計(jì)留設(shè)100 m 的斷層防隔水煤（巖）柱。為避免因煤柱留設(shè)過(guò)大而造成煤炭資源浪費(fèi)問(wèn)題，筆者將充分運(yùn)用數(shù)理統(tǒng)計(jì)及數(shù)值模擬手段分析采動(dòng)后導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度并可視化采動(dòng)影響范圍。

結(jié)合斷層傾角45°以及預(yù)留設(shè)煤柱寬度100 m 可知，為保證工作面安全，允許最大導(dǎo)水裂隙帶高度MAX（HF） = 100×tan（45°） = 100 m。根據(jù)BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)結(jié)果及塑性區(qū)分布圖可知，1305 工作面回采后最大導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度分別為88.156 m、71 m。可見(jiàn)僅考慮導(dǎo)水裂隙帶方面，布置的1305 工作面可以滿足安全生產(chǎn)要求。此外，根據(jù)FLAC3D采動(dòng)影響范圍可知，直至工作面回采完畢，塑性區(qū)最大分布范圍距斷層還有40 m的距離。綜上可以說(shuō)明1305 工作面布置方式可以滿足安全生產(chǎn)需求。

5 結(jié)論

（1）對(duì)于預(yù)測(cè)導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度來(lái)說(shuō)，本文通過(guò)構(gòu)建BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型可以避免使用回歸模型預(yù)測(cè)時(shí)出現(xiàn)遺漏變量造成回歸系數(shù)估計(jì)不準(zhǔn)確現(xiàn)象。

（2）借助FLAC3D軟件模擬工作面回采后影響范圍，可以通過(guò)對(duì)比不同推進(jìn)距離塑性區(qū)分布切片圖，分析覆巖破壞隨空間和時(shí)間的動(dòng)態(tài)變化過(guò)程。

（3）結(jié)合F10 逆斷層產(chǎn)狀、BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)結(jié)果及FLAC3D可視化的采動(dòng)范圍能夠論證預(yù)留設(shè)煤柱的合理性。