一种基于沉陷监测的煤矿采空区空间几何特征精准识别方法技术

本发明专利技术涉及一种基于沉陷监测的煤矿采空区空间几何特征精准识别方法,该方法首先定义了刻画采煤矩形采空区空间几何特征的8个参数为：m(采高)、α0(煤层倾角)、

Accurate identification method of coal mine goaf spatial geometric characteristics based on subsidence monitoring

The invention relates to a precise recognition method of spatial geometric features of coal mine goaf based on subsidence monitoring. Firstly, eight parameters describing the spatial geometric characteristics of rectangular goaf are defined as m (mining height), alpha 0 (coal seam dip angle).

【技术实现步骤摘要】
一种基于沉陷监测的煤矿采空区空间几何特征精准识别方法
本专利技术涉及矿山变形监及控制领域，更具体地说是涉及一种基于沉陷监测的煤矿采空区空间几何特征精准识别领域。
技术介绍
煤炭开采后形成大量废弃采空区，废弃采空区一方面内部往往赋存着丰富的水、瓦斯、残留煤柱资源以及的大量的可利用地下空间；另一方面废弃老采空区地表可根据其地基稳定程度进行分级开发利用，比如对稳定的废弃采空区地表可作为工程、建设地基开发利用，不稳定的采空区地表可开发为景观用地等。但是如何实现将废弃采空区资源变废为宝、充分开发利用的前提条件是精准探测采空区的详细赋存条件。当前探测采空区主要采用地球物理勘探方法，主要技术有：高密度电阻率法，瞬变电磁法，地质雷达探测法等。然而常规地球物理探测采空区方法，一方面解译精度依赖先验知识的准确程度，另一方面尚不能精准反演采空区的详细特征参数(比如煤层厚度、煤层倾角、采空区倾向方位角、采深、倾向长、走向长、采空区中心坐标)，上述缺陷极大的限制了废弃采空区的开发利用。概率积分法是我国较为成熟、应用最为广泛的预计方法，也是“三下”采煤规程指定的开采沉陷预计方法。概率积分法模型反映的实质是特定参数的工作面开采与地表沉陷响应特征的关系，理论上如果能获取地表历史沉降场，可基于概率积分法模型通过非线性智能算法反演采空区特征参数。现有技术文献《GeneticQuantumAlgorithmanditsApplicationtoCombinatorialOptimizationProblem》一文对量子旋转门作出了解释。当前雷达卫星具有丰富历史存档资料，技术上可利用D-InSAR(差分干涉测量)获取开采沉陷历史沉降场，这使得基于沉陷监测的煤矿采空区空间几何特征参数识别在技术条件上具备可行性。
技术实现思路
本专利技术正是基于上述所要解决的技术问题，提出一种煤矿采空区空间几何特征参数的地面测量识别方法，即以概率积分法为基础，推导矩形采空区参数与地表沉陷的定量关系模型(将采空区参数作为待求参数，实测地表沉陷值视为已知量)，提出利用量子遗传算法反演采空区空间几何特征参数。并通过模拟实验和工程应用开展可行性论证。一种基于沉陷监测的煤矿采空区空间几何特征精准识别方法，所述方法包括如下步骤：步骤S1、构建采空区特征参数B与地表沉陷的定量关系模型；步骤S2、量子编码和生成初始化种群；步骤S3、确定所述采空区特征参数B的初始值B0和约束值Bi，解码并评价种群所有个体适应度，记录最优个体作为种群进化的目标；步骤S4、判断是否满足终止条件，若满足，则输出当前种群的最优个体；若不满足，则进入下一步骤，其中，所述终止条件为，满足精度要求或者达到最大遗传迭代次数；步骤S5、采用量子旋转门，更新种群，形成新的种群后返回步骤S3。优选的，所述步骤S1具体包括，矩形采空区参数与地表沉陷的定量关系模型的构建，内容如下：假设开采沉陷盆地符合概率积分法模型，则矩形工作面开采引起的地表沉陷盆地内任意点(x,y)的下沉值可表示为：任意点(x,y)的沿指定方向的水平移动值可以表示为：其中，W0＝Mqcosα0在上述公式中，M表示工作面采高，q表示地表下沉系数，α0表示煤层倾角，tanβ'表示主要影响角正切，H表示工作面走向主断面处采深，H1表示工作面下山边界采深，H2表示工作面上山边界采深，r表示为主要影响半径，r＝H/tanβ'，l表示工作面走向计算长度，且l＝D3-S3-S4，其中D3为工作面走向长，S3、S4分别为开切眼和停采线处拐点偏移距，L表示工作面倾向计算长度，且其中D1为工作面倾向长，S1、S2分别为工作面下边界和上边界处拐点偏移距，θ为开采影响传播角，b表示为水平移动系数，依据概率积分预计模型，可建立地表任意点(x,y)下沉、水平移动与采空区特征参数的关系，W＝W(x,y；B)；U＝U(x,y；B)其中，B为采空区特征参数，为未知数，优选的，所述步骤S2具体包括，量子编码采用二进制编码，编码内容如下：其中，|αnm|2+|βnm|2＝1，|αnm|2表示第n个参数的第m个量子比特取“0”态的概率；|βnm|2表示第n个参数的第m个量子比特取“1”态的概率。在初始化种群中，统一取种群更新过程中，随机产生随机数Rnd，如果Rnd＞|αnm|2，二进制编码取“1”态，否则取“0”态。优选的，所述特征参数B在B0±Bi范围内，且其二进制编码为dmdm-1dm-2…d3d2d1，模型中二进制编码个数m＝7,d表示二进制编码“0”或“1”，根据如下公式进行解码：将二进制代码表示的种群转换成十进制，利用十进制的数值对种群中各个个体的适应度f进行计算。优选的，根据求参准则公式计算所述适应度f，其中，上述具体计算方式为：假设地表任意观测点n的实测下沉值为Ws(n)，实测水平移动值为Us(n)，该点下沉和水平移动预计值分别为为Wp(n)和Up(n)，则任意观测点下沉和水平移动残差公式可分别定义为Vw＝Ws(n)-Wp(n)和VU＝Up(n)-Us(n)，根据误差平方和最小，构建求参准则为：模型中的个体适应度f判断准则是越大越好，是以，根据上述求参准则公式，则个体适应度函数f可表示为：其中，pd为监测点数，Wp(n)、Up(n)分别表示第n个观测点预测的下沉值和水平移动值，Ws(n)、Us(n)分别表示对应的实测下沉值和水平移动值。优选的，所述步骤S5具体包括，以步骤S3中的最优个体为进化目标，对亲代所有个体的二进制编码与当前种群最优个体二进制比较并利用量子旋转门生成子代种群的量子比特编码，操作过程为：其中，表示二进制编码的第i个量子比特，θi为旋转角，根据量子比特编码生成子代种群二进制编码，然后返回步骤S3，重复步骤S3-S5进行迭代运算，当达到步骤S4中的终止条件时跳出循环，输出最优采空区特征参数。优选的，初始种群数为100，所述最大遗传迭代次数为100。与现有技术相比，本专利技术的有益效果为：根据本专利技术的煤矿采空区空间几何特征精准识别方法，能够较全面的识别采空区空间几何特征，有效的提高了采空区特征参数反演的准确性以及稳定性。附图说明图1为本专利技术提出的空间几何特征精准识别方法流程图；图2为本专利技术的下沉拟合图；图3为本专利技术的水平移动值拟合图。具体实施方式下面结合附图对本申请作进一步详细描述，有必要在此指出的是，以下具体实施方式只用于对本申请进行进一步的说明，不能理解为对本申请保护范围的限制，该领域的技术人员可以根据上述申请内容对本申请作出一些非本质的改进和调整。实施例1结合图1，一种基于沉陷监测的煤矿采空区空间几何特征精准识别方法，所述方法包括如下步骤：步骤S1、构建采空区特征参数与地表沉陷的定量关系模型；所述步骤S1具体包括，矩形采空区参数与地表沉陷的定量关系模型的构建，内容如下：假设开采沉陷盆地符合概率积分法模型，则矩形工作面开采引起的地表沉陷盆地内任意点(x,y)的下沉值可表示为：任意点(x,y)的沿指定方向的水平移动值可以表示为：其中，W0＝Mqcosα0在上述公式中，M表示工作面采高，q表示地表下沉系数，α0表示煤层倾角，tanβ'表示主要影响角正切，H表示工作面走向主断面处采深，H1表示工作面下山边界采深，H2表示工作面上山边界采深，r表示为主要影响半径，r＝本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于沉陷监测的煤矿采空区空间几何特征精准识别方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：步骤S1、构建采空区特征参数B与地表沉陷的定量关系模型；步骤S2、量子编码和生成初始化种群；步骤S3、确定所述采空区特征参数B的初始值B0和约束值Bi，解码并评价种群所有个体适应度，记录最优个体作为种群进化的目标；步骤S4、判断是否满足终止条件，若满足，则输出当前种群的最优个体；若不满足，则进入下一步骤，其中，所述终止条件为，满足精度要求或者达到最大遗传迭代次数；步骤S5、采用量子旋转门，更新种群，形成新的种群后返回步骤S3。

【技术特征摘要】
1.一种基于沉陷监测的煤矿采空区空间几何特征精准识别方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：步骤S1、构建采空区特征参数B与地表沉陷的定量关系模型；步骤S2、量子编码和生成初始化种群；步骤S3、确定所述采空区特征参数B的初始值B0和约束值Bi，解码并评价种群所有个体适应度，记录最优个体作为种群进化的目标；步骤S4、判断是否满足终止条件，若满足，则输出当前种群的最优个体；若不满足，则进入下一步骤，其中，所述终止条件为，满足精度要求或者达到最大遗传迭代次数；步骤S5、采用量子旋转门，更新种群，形成新的种群后返回步骤S3。2.根据权利要求1所述的基于沉陷监测的煤矿采空区空间几何特征精准识别方法，其特征在于，所述步骤S1具体包括内容如下：假设开采沉陷盆地符合概率积分法模型，则矩形工作面开采引起的地表沉陷盆地内任意点(x,y)的下沉值可表示为：任意点(x,y)的沿指定方向的水平移动值可以表示为：其中，W0＝Mqcosα0在上述公式中，M表示工作面采高，q表示地表下沉系数，α0表示煤层倾角，tanβ'表示主要影响角正切，H表示工作面走向主断面处采深，H1表示工作面下山边界采深，H2表示工作面上山边界采深，r表示为主要影响半径，r＝H/tanβ'，l表示工作面走向计算长度，且l＝D3-S3-S4，其中D3为工作面走向长，S3、S4分别为开切眼和停采线处拐点偏移距，L表示工作面倾向计算长度，且其中D1为工作面倾向长，S1、S2分别为工作面下边界和上边界处拐点偏移距，θ为开采影响传播角，b表示为水平移动系数，依据概率积分预计模型，可建立地表任意点(x,y)下沉、水平移动与采空区特征参数的关系，W＝W(x,y；B)；U＝U(x,y；B)其中，B为采空区特征参数，为未知数，3.根据权利要求2所述的基于沉陷监测的煤矿采空区空间几何特征精准识别方法，其特征在于，所述步骤S2具体包括，量子编码采用二进制编码，编码内容如下：其中，|αnm|2+|βnm|2＝1，|αnm|2表示第n个参数的第m个量子比特取“0”态的概率；|βnm|2表示第n个参数的...

【专利技术属性】
技术研发人员：王磊，魏涛，蒋创，方苏阳，李楠，池深深，
申请(专利权)人：安徽理工大学，
类型：发明
国别省市：安徽,34