定向切顶碎胀充填开采工作面地表损害智能预测方法技术

本公开涉及煤炭开采技术领域，具体涉及一种定向切顶碎胀充填开采工作面地表损害智能预测方法。该方法包括构建训练数据集，训练数据集包括工作面参数和地表损害指标，工作面参数为模型输入数据，地表损害指标为标签，地表损害指标为对应工作面参数下的裂缝深度、裂缝宽度、裂缝台阶错动量、裂缝间距的负值、裂缝长度之和；构建地表损害预测模型；利用训练数据集训练地表损害预测模型得到目标地表损害预测模型；在实际定向切顶碎胀开采前获取预设工作面参数，将预设工作面参数输入目标地表损害预测模型输出预测地表损害指标，以实现地表损害预测。由本公开方法能够量化地表损害情况，以便更准确地进行定向切顶碎胀充填开采工作面地表损害预测。面地表损害预测。面地表损害预测。

【技术实现步骤摘要】
定向切顶碎胀充填开采工作面地表损害智能预测方法


[0001]本公开属于煤炭开采
，尤其涉及一种定向切顶碎胀充填开采工作面地表损害智能预测方法。

技术介绍

[0002]在立足以煤为主的基本国情，抓好煤炭清洁高效利用，增加新能源消纳能力，推动煤炭和新能源优化组合，深入推动能源革命，加快建设能源强国的当下，标志着我国对保障能源安全和能源绿色低碳转型发展提出了新的更高要求。
[0003]在开采煤炭过程中，随着煤矿开采深度的增加地表生态环境的破坏也愈发严重。传统全部垮落法开采形成采煤塌陷的面积令人触目惊心，2020年煤炭开采引起的土地沉陷110万亩。非连续变形产生的地表裂缝显著改变土壤孔性，损伤植物根系性状和微生物活性密切相关，越靠近采动地裂缝，土壤潜在侵蚀能力越高，抗侵蚀能力越差。因此减小煤炭开采对地表的破坏是实现绿色开采、低碳发展的核心。
[0004]由于我国资源条件特征，煤炭在我国能源消费结构中仍将牢牢占据第一位置。但目前的全部垮落煤矿开采法造成的沉陷区问题较为突出，地表建筑物损害严重，地表裂缝、台阶错动现象明显。
[0005]矸石充填、膏体充填和建筑物垃圾充填等充填开采方式能减少地表下沉，减弱地表水平移动和水平变形，但充填成本是开采成本30%，同时充填速度、充填工艺严重制约了开采进度，影响工作面产量。同时煤炭资源开采量，所需充填矸石、膏体等材料不能完全满足矿井的充填需求，此方法只能在矿井的局部地区推广使用。离层注浆技术是根据通过在地面施工注浆钻孔，在工作面上方关键层发生产生离层空间时，从地面通过注浆孔实施注浆，这种工艺需要对注浆时间的把握高度准确，对离层部位进行精准估算，同时注浆充填成本大，消耗大量水泥，同样不利于可持续发展。
[0006]为从根本上解决煤炭开采引起的地表破坏问题，需要一种廉价、便于施工、便于大规模应用的地表减沉及岩层运动控制技术。在众多控制技术中，20世纪初提出的110工法在我国各大矿区得到广泛应用，引领了第三次矿业技术革命。110工法的核心技术是采用聚能管进行超前定向预裂爆破。该核心技术可以人为控制切顶高度，通过切顶使原本正常开采条件下不会充分垮落的部分直接顶在工作面端头沿着切缝线依次充分垮落，使原本不能定向断裂的基本顶能沿着切缝线断裂，理论上能一次充满采空区，能有效阻止岩层发生回转变形。由于切顶后垮落的矸石块体较小，碎胀程度高，不仅能减弱矿压，实现自成巷，同时切顶岩层的碎胀充填作用能较好的控制岩层运动，减弱地表移动的剧烈的程度。
[0007]为了加强我国的行业优势，将为贯彻新发展理念、进一步加快实施新发展理念、实现煤炭行业高质量发展提供坚强保障，还需要在“定向切顶碎胀充填开采工作面地表损害预测”方面进行进一步研究。

技术实现思路

[0008]本公开旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本公开提供了一种定向切顶碎胀充填开采工作面地表损害智能预测方法及系统，主要目的在于量化地表损害情况，以便更准确地进行定向切顶碎胀充填开采工作面地表损害预测。
[0009]根据本公开的第一方面，提供了一种定向切顶碎胀充填开采工作面地表损害智能预测方法，包括：构建训练数据集，所述训练数据集包括工作面参数和地表损害指标，所述工作面参数作为模型输入数据，所述地表损害指标作为标签，其中所述工作面参数包括采高、埋深、工作面宽度、切顶角度、切顶高度，所述地表损害指标为对应的工作面参数下的裂缝深度、裂缝宽度、裂缝台阶错动量、裂缝间距的负值、裂缝长度之和；构建地表损害预测模型，所述地表损害预测模型采用多层感知器神经网络模型；利用所述训练数据集训练地表损害预测模型得到目标地表损害预测模型；在实际进行定向切顶碎胀开采前获取预设工作面参数，将所述预设工作面参数输入目标地表损害预测模型输出预测地表损害指标，以实现地表损害预测。
[0010]在本公开的一个实施例中，还包括：构建智能调控模型，所述智能调控模型包括地表损害预测单元和优化单元，所述地表损害预测单元基于输入的工作面参数采用所述目标地表损害预测模型生成地表损害指标，所述优化单元用于获取所述地表损害预测单元输出的地表损害指标，并利用算法选择输入的工作面参数中的工作面宽度、切顶角度、切顶高度任一个作为变量进行调节，并将调节后的变量送至所述地表损害预测单元，当所述输出的地表损害指标出现最小值，将所述最小值对应的工作面参数作为最优工作面参数输出；将所述预设工作面参数输入所述智能调控模型输出最优工作面参数，基于所述最优工作面参数进行定向切顶碎胀开采。
[0011]在本公开的一个实施例中，所述优化单元利用的算法为面向对象编程算法。
[0012]在本公开的一个实施例中，所述构建训练数据集，包括：利用数值模拟实验分析不同工作面参数下地表裂缝分布规律，以得到不同工作面参数下的裂缝深度、裂缝宽度、裂缝台阶错动量、裂缝长度、裂缝间距；对各工作面参数下的裂缝深度、裂缝宽度、裂缝台阶错动量、裂缝长度、裂缝间距的负值求和，以获得对应工作面参数下的地表损害指标；基于所有工作面参数和对应工作面参数下的地表损害指标构建得到训练数据集。
[0013]在本公开的一个实施例中，在数值模拟实验时采用离散元
‑
有限差分数值分析方法分析不同工作面参数下地表裂缝分布规律。
[0014]在本公开的一个实施例中，训练地表损害预测模型时采用随机梯度下降算法。
[0015]根据本公开的第二方面，提供了一种定向切顶碎胀充填开采工作面地表损害智能预测系统，包括：数据构建模块，用于构建训练数据集，所述训练数据集包括工作面参数和地表损害指标，所述工作面参数作为模型输入数据，所述地表损害指标作为标签，其中所述工作面参数包括采高、埋深、工作面宽度、切顶角度、切顶高度，所述地表损害指标为对应的工作面参数下的裂缝深度、裂缝宽度、裂缝台阶错动量、裂缝间距的负值、裂缝长度之和；预测模型构建模块，用于构建地表损害预测模型，所述地表损害预测模型采用多层感知器神经网络模型；
训练模块，用于利用所述训练数据集训练地表损害预测模型得到目标地表损害预测模型；预测模块，用于在实际进行定向切顶碎胀开采前获取预设工作面参数，将所述预设工作面参数输入目标地表损害预测模型输出预测地表损害指标，以实现地表损害预测。
[0016]在本公开的一个实施例中，还包括调控模型构建模块和优化控制模块；所述调控模型构建模块，用于构建智能调控模型，所述智能调控模型包括地表损害预测单元和优化单元，所述地表损害预测单元基于输入的工作面参数采用所述目标地表损害预测模型生成地表损害指标，所述优化单元用于获取所述地表损害预测单元输出的地表损害指标，并利用算法选择输入的工作面参数中的工作面宽度、切顶角度、切顶高度任一个作为变量进行调节，并将调节后的变量送至所述地表损害预测单元，当所述输出的地表损害指标出现最小值，将所述最小值对应的工作面参数作为最优工作面参数输出；所述优化控制模块，用于将所述预设工作面参数输入所述智能调控模型输出最优工作面参数，基于所述最优工作面参数进行定向切顶本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种定向切顶碎胀充填开采工作面地表损害智能预测方法，其特征在于，包括：构建训练数据集，所述训练数据集包括工作面参数和地表损害指标，所述工作面参数作为模型输入数据，所述地表损害指标作为标签，其中所述工作面参数包括采高、埋深、工作面宽度、切顶角度、切顶高度，所述地表损害指标为对应的工作面参数下的裂缝深度、裂缝宽度、裂缝台阶错动量、裂缝间距的负值、裂缝长度之和；构建地表损害预测模型，所述地表损害预测模型采用多层感知器神经网络模型；利用所述训练数据集训练地表损害预测模型得到目标地表损害预测模型；在实际进行定向切顶碎胀开采前获取预设工作面参数，将所述预设工作面参数输入目标地表损害预测模型输出预测地表损害指标，以实现地表损害预测。2.如权利要求1所述的定向切顶碎胀充填开采工作面地表损害智能预测方法，其特征在于，还包括：构建智能调控模型，所述智能调控模型包括地表损害预测单元和优化单元，所述地表损害预测单元基于输入的工作面参数采用所述目标地表损害预测模型生成地表损害指标，所述优化单元用于获取所述地表损害预测单元输出的地表损害指标，并利用算法选择输入的工作面参数中的工作面宽度、切顶角度、切顶高度任一个作为变量进行调节，并将调节后的变量送至所述地表损害预测单元，当所述输出的地表损害指标出现最小值，将所述最小值对应的工作面参数作为最优工作面参数输出；将所述预设工作面参数输入所述智能调控模型输出最优工作面参数，基于所述最优工作面参数进行定向切顶碎胀开采。3.如权利要求2所述的定向切顶碎胀充填开采工作面地表损害智能预测方法，其特征在于，所述优化单元利用的算法为面向对象编程算法。4.如权利要求1或2所述的定向切顶碎胀充填开采工作面地表损害智能预测方法，其特征在于，所述构建训练数据集，包括：利用数值模拟实验分析不同工作面参数下地表裂缝分布规律，以得到不同工作面参数下的裂缝深度、裂缝宽度、裂缝台阶错动量、裂缝长度、裂缝间距；对各工作面参数下的裂缝深度、裂缝宽度、裂缝台阶错动量、裂缝长度、裂缝间距的负值求和，以获得对应工作面参数下的地表损害指标；基于所有工作面参数和对应工作面参数下的地表损害指标构建得到训练数据集。5.如权利要求4所述的定向切顶碎胀充填开采工作面地表损害智能预测方法，其特征在于，在数值模拟实验时采用离散元
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有限差分数值分析方法分析不同工作面参数下地表裂缝分布规律。6.如权利要求1所述的定向切顶碎胀充填开采工作面地表损害智能预测方法，其特征在于，训练地表损害预测模型时采用随机梯度下降算法。7.一种定向切顶碎胀充填开采工作面地表损害智...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙闯，程健，骆意，张晓雨，王广福，周天白，
申请(专利权)人：天地科技股份有限公司北京技术研究分公司，
类型：发明
国别省市：