综放开采煤层上覆岩体跨裂高度预测方法技术

本发明专利技术公开了一种综放开采煤层上覆岩体跨裂高度预测方法，包括以下五个步骤：获取岩层参数；对参数进行归一化处理；建立预测跨裂高度极大值的五元、六元、七元回归方程；确定跨裂高度极大值最优判别公式；计算待要预测工作面的跨裂高度。本发明专利技术建立了跨裂高度极大值判别最优模型，得到跨裂高度值与实测值绝对误差在±2m内，效果较好，克服了《三下开采规程》中经验公式的不足，完善了水下矿井跨裂高度值极大值判别计算理论；解决了传统经验公式在计算综放开采工作面跨裂高度方面的不足，为本矿区其他矿井开采工作面及地质采矿条件类同的矿井工作面，提供了开采预测跨裂高度更准确的依据。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及煤矿开采技术。
技术介绍
煤矿井下煤层的开采导致上覆岩体破坏，自下向上划分为垮落带、导水裂隙带及弯曲下沉带，其中垮落带与导水裂隙带数值称为跨裂高度。当工作面地表存在大型水体或第四系赋水时，属于水体下采煤，需要准确的跨裂高度数据；跨裂高度数据是工作面留设防水防砂煤柱的重要依据，防水防砂煤柱留设的是否合理，直接决定着矿井工作面开采的安全性。因此，准确掌握跨裂高度是矿井开采设计、有效地防止矿井各类水害的重要基础数据。为满足水体下采煤的需求，自六十年代以来，国内众多学者对覆岩破坏与跨裂高度进行了大量研究，研究方法从定性分析转为定量分析，研究内容从地表沉降变形转为煤层上覆岩体破坏规律，定量研究跨裂高度同覆岩岩性、煤厚的关系。根据实测数据得到了跨裂高度经验公式，《三下采煤规程》规定的跨裂高度经验为：(1)当工作面覆岩结构为硬岩层时，则：(2)当工作面覆岩结构为中硬岩层时，则：(3)当工作面覆岩结构为软岩层时，则以上经验公式简单易用，各煤矿根据覆岩岩性与煤层厚度可计算跨裂高度值。由于上述经验公式仅考虑了覆岩岩性与煤层厚度，适合于煤厚1-3m的单层炮采，不适用于综合机械化放顶煤开采(简称综放开采)及累计煤厚15m的工作面综放开采。目前，我国微山湖两岸有20多对煤矿开采水体下煤炭，还有龙口矿业集团在渤海水下开采等等，都属于大型水体下综放开采，为适应综放开采的需要，专利技术一种综放开采煤层上覆岩体跨裂高度极大值判别方法是十分迫切的。
技术实现思路
本专利技术提供一种综放开采煤层上覆岩体跨裂高度预测方法，用于综放开采煤层上覆岩体跨裂高度的准确计算，解决水体下煤炭综放开采的安全问题。本专利技术的技术方案是：第一步：岩层参数获取根据某矿区矿井地面与井下地质勘探，获取若干个已开采工作面地质资料和对钻探岩芯经力学测试获得矿井各岩层结构，包括，基岩柱厚度、泥岩比例、煤层倾角、煤层厚度、采深、斜长、覆岩硬度七个与跨裂高度相关因素，并通过双端堵水器及钻孔电视成像等方法获得上述工作面跨裂高度实测极大值；第二步：参数进行归一化处理对前六项数值型参数进行归一化处理，将数据转化为[-1,1]区间无单位的量化值；覆岩硬度属于文字型参数，按硬与软两种类型，分别赋值0.5与0；归一化处理时采用无单位量化值公式如下：式中：Xi为第i个参数归一化处理后的数值；xi为样本参数的第i个数值；XMAX,XMIN为样本参数的最大值与最小值；第三步：建立预测跨裂高度极大值的五元、六元、七元回归方程第3.1步、建立五因子回归方程取跨裂高度与基岩柱厚度(x1)、泥岩比例(x2)、煤层倾角(x3)、煤层厚度(x4)、覆岩硬度(x5)五个参数的无单位量化值X1、X2、X3、X4、X5，建立五元回归方程式如下：y＝β0+β1x1+β2x2+β3x3+β4x4+β5x5式中，y为预测跨裂高度极大值，X1、X2、X3、X4、X5为五个与跨裂高度相关因素的无单位量化值；β0、β1、β3、β4、β5为按最小二乘法原理，运用Matlab软件解算的回归系数值；第3.2步、建立六因子回归方程取跨裂高度与基岩柱厚度(x1)、泥岩比例(x2)、煤层倾角(x3)、煤层厚度(x4)、采深(x5)、覆岩硬度(x6)六个参数，建立六元回归方程式如下：y＝β0+β1x1+β2x2+β3x3+β4x4+β5x5+β6x6式中，y为预测跨裂高度极大值，X1、X2、………X6为六个与跨裂高度相关因素的无单位量化值；β0、β1、β3、β4、β5、β6为按最小二乘法原理，运用Matlab软件解算的回归系数值；第3.3步、建立七因子回归方程取跨裂高度与基岩柱厚度(x1)、泥岩比例(x2)、煤层倾角(x3)、煤层厚度(x4)、采深(x5)、斜长(x6)、覆岩硬度(x7)七个参数，建立七元回归方程式如下：y＝β0+β1x1+β2x2+β3x3+β4x4+β5x5+β6x6+β7x7式中，y为预测跨裂高度极大值，X1、X2、………X7为七个与跨裂高度相关因素的无单位量化值；β0、β1、β3、β4、β5、β6、β7为按最小二乘法原理，运用Matlab软件将解算的回归系数值；第四步、确定跨裂高度极大值最优判别公式利用上述五元、六元、七元回归方程，分别进行计算第一步的若干个已开采工作面的跨裂高度预测值，将计算的跨裂高度预测值和第一步获得的跨裂高度实测值进行对比，得出绝对误差与相对误差，从五元、六元、七元回归方程中，选取绝对误差与相对误差最小的回归方程确定为综放开采煤层上覆岩体跨裂高度最优计算公式，从而建立了综放开采煤层上覆岩体跨裂高度极大值判别方法；第五步、利用上述最优判别方法计算待要预测工作面的跨裂高度获取本矿区待要预测工作面的基岩柱厚度(x1)、泥岩比例(x2)、煤层倾角(x3)、煤层厚度(x4)、采深(x5)、斜长(x6)、覆岩硬度(x7)七个与跨裂高度相关因素；将七个与跨裂高度相关的因素归一化处理为[-1,1]区间无单位的量化值，代入最优计算公式，即可得到待要预测工作面的跨裂高度值。本专利技术的优点是：本专利技术建立了跨裂高度极大值判别最优模型，得到跨裂高度值与实测值绝对误差在±2m内，效果较好，克服了《三下开采规程》中经验公式的不足，完善了水下矿井跨裂高度值极大值判别计算理论；解决了传统经验公式在计算综放开采工作面跨裂高度方面的不足，为本矿区其他矿井开采工作面及地质采矿条件类同的矿井工作面，提供了开采预测跨裂高度更准确的依据。具体实施方式下面以微山湖区待要预测工作面“HXK1”为例说明本专利技术的实施例。第一步：根据矿井地面与井下地质勘探，获取12个已开采工作面地质资料和对钻探岩芯经力学测试获得矿井各岩层结构，包括，基岩柱厚度、泥岩比例、煤层倾角、煤层厚度、采深、斜长、覆岩硬度七个与跨裂高度相关因素，并通过双端堵水器及钻孔电视成像等方法获得水下开采不同矿井12个工作面跨裂高度极大值，如表1所示。表1各岩层数据表第二步：对前六项数值型参数进行归一化处理，将数据转化为[-1,1]区间无单位的量化值；覆岩硬度属于文字型参数，按硬与软两种类型，分别赋值0.5与0；归一化处理时采用无单位量化值公式如下：式中：Xi为第i个参数归一化处理后的数值；xi为样本参数的第i个数值；XMAX,XMIN为样本参数的最大值与最小值。第三步、建立预测跨裂高度极大值的五元、六元、七元回归方程1、建立五因子回归方程取跨裂高度与基岩柱厚度(x1)、泥岩比例(x2)、煤层倾角(x3)、煤层厚度(x4)、覆岩硬度(x5)五个参数的无单位量化值X1、X2、X3、X4、X5，建立五元回归方程式如下：y＝β0+β1x1+β2x2+β3x3+β4x4+β5x5式中，y为预测跨裂高度极大值，X1、X2、X3、X4、X5为五个与跨裂高度相关因素的无单位量化值；β0、β1、β3、β4、β5为按最小二乘法原理，运用Matlab软件解算的回归系数值；如表2所示：表2五因子回归模型参数表由表2可见β0,β1,β2,...,β5的取值均在置信区间内，模型可决系数R2＝0.8729>0.8706，F＝9.6116>9.4256＝Fa，概率ρ＝0.0049<0.05模型残差平方为25.4397，则五元回归方程式为：y＝55.8359+0.3363x1-0.880本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种综放开采煤层上覆岩体跨裂高度预测方法，其特征在于，第一步：岩层参数获取根据某矿区矿井地面与井下地质勘探，获取若干个已开采工作面地质资料和对钻探岩芯经力学测试获得矿井各岩层结构，包括，基岩柱厚度、泥岩比例、煤层倾角、煤层厚度、采深、斜长、覆岩硬度七个与跨裂高度相关因素，并通过双端堵水器及钻孔电视成像方法获得上述工作面跨裂高度实测极大值；第二步：参数进行归一化处理对前六项数值型参数进行归一化处理，将数据转化为[‑1,1]区间无单位的量化值；覆岩硬度属于文字型参数，按硬与软两种类型，分别赋值0.5与0；归一化处理时采用无单位量化值公式如下：Xi=2(xi-XMIN)XMAX-XMIN-1]]>式中：Xi为第i个参数归一化处理后的数值；xi为样本参数的第i个数值；XMAX,XMIN为样本参数的最大值与最小值；第三步：建立预测跨裂高度极大值的五元、六元、七元回归方程第3.1步、建立五因子回归方程取跨裂高度与基岩柱厚度(x1)、泥岩比例(x2)、煤层倾角(x3)、煤层厚度(x4)、覆岩硬度(x5)五个参数的无单位量化值X1、X2、X3、X4、X5，建立五元回归方程式如下：y＝β0+β1x1+β2x2+β3x3+β4x4+β5x5式中，y为预测跨裂高度极大值，X1、X2、X3、X4、X5为五个与跨裂高度相关因素的无单位量化值；β0、β1、β3、β4、β5为按最小二乘法原理，运用Matlab软件解算的回归系数值；第3.2步、建立六因子回归方程取跨裂高度与基岩柱厚度(x1)、泥岩比例(x2)、煤层倾角(x3)、煤层厚度(x4)、采深(x5)、覆岩硬度(x6)六个参数，建立六元回归方程式如下：y＝β0+β1x1+β2x2+β3x3+β4x4+β5x5+β6x6式中，y为预测跨裂高度极大值，X1、X2、………X6为六个与跨裂高度相关因素的无单位量化值；β0、β1、β3、β4、β5、β6为按最小二乘法原理，运用Matlab软件解算的回归系数值；第3.3步、建立七因子回归方程取跨裂高度与基岩柱厚度(x1)、泥岩比例(x2)、煤层倾角(x3)、煤层厚度(x4)、采深(x5)、斜长(x6)、覆岩硬度(x7)七个参数，建立七元回归方程式如下：y＝β0+β1x1+β2x2+β3x3+β4x4+β5x5+β6x6+β7x7式中，y为预测跨裂高度极大值，X1、X2、………X7为七个与跨裂高度相关因素的无单位量化值；β0、β1、β3、β4、β5、β6、β7为按最小二乘法原理，运用Matlab软件将解算的回归系数值；第四步、确定跨裂高度极大值最优判别公式利用上述五元、六元、七元回归方程，分别进行计算第一步的若干个已开采工作面的跨裂高度预测值，将计算的跨裂高度预测值和第一步获得的跨裂高度实测值进行对比，得出绝对误差与相对误差，从五元、六元、七元回归方程中，选取绝对误差与相对误差最小的回归方程确定为综放开采煤层上覆岩体跨裂高度最优计算公式，从而建立了综放开采煤层上覆岩体跨裂高度极大值判别方法；第五步、利用上述最优判别方法计算待要预测工作面的跨裂高度获取本矿区待要预测工作面的基岩柱厚度(x1)、泥岩比例(x2)、煤层倾角(x3)、煤层厚度(x4)、采深(x5)、斜长(x6)、覆岩硬度(x7)七个与跨裂高度相关因素；将七个与跨裂高度相关的因素归一化处理为[‑1,1]区间无单位的量化值，代入最优计算公式，即可得到待要预测工作面的跨裂高度值。...

【技术特征摘要】
1.一种综放开采煤层上覆岩体跨裂高度预测方法，其特征在于，第一步：岩层参数获取根据某矿区矿井地面与井下地质勘探，获取若干个已开采工作面地质资料和对钻探岩芯经力学测试获得矿井各岩层结构，包括，基岩柱厚度、泥岩比例、煤层倾角、煤层厚度、采深、斜长、覆岩硬度七个与跨裂高度相关因素，并通过双端堵水器及钻孔电视成像方法获得上述工作面跨裂高度实测极大值；第二步：参数进行归一化处理对前六项数值型参数进行归一化处理，将数据转化为[-1,1]区间无单位的量化值；覆岩硬度属于文字型参数，按硬与软两种类型，分别赋值0.5与0；归一化处理时采用无单位量化值公式如下：Xi=2(xi-XMIN)XMAX-XMIN-1]]>式中：Xi为第i个参数归一化处理后的数值；xi为样本参数的第i个数值；XMAX,XMIN为样本参数的最大值与最小值；第三步：建立预测跨裂高度极大值的五元、六元、七元回归方程第3.1步、建立五因子回归方程取跨裂高度与基岩柱厚度(x1)、泥岩比例(x2)、煤层倾角(x3)、煤层厚度(x4)、覆岩硬度(x5)五个参数的无单位量化值X1、X2、X3、X4、X5，建立五元回归方程式如下：y＝β0+β1x1+β2x2+β3x3+β4x4+β5x5式中，y为预测跨裂高度极大值，X1、X2、X3、X4、X5为五个与跨裂高度相关因素的无单位量化值；β0、β1、β3、β4、β5为按最小二乘法原理，运用Matlab软件解算的回归系数值；第3.2步、建立六因子回归方程取跨裂高度与基岩柱厚度(x1)、泥岩比例(x2)、煤层倾角(x3)、煤层厚度(x4)、采深(x5)、覆岩硬度(x6)六个参数，建立六元回归方程式如下：y＝β0+β1x1+...

【专利技术属性】
技术研发人员：栾元重，翁丽媛，朱纯强，栾亨宣，马艳贺，刘成洲，苗昌奇，
申请(专利权)人：山东科技大学，
类型：发明
国别省市：山东;37