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1、河北理工大学毕业说明书 第 1 页 共 53 页第一章 系统概述1.1 前 言随着大型地质煤矿建设迅速增加，开采规模不断扩大，开采深度逐渐增加，煤矿顶板事故越来越突出，约占整个煤矿安全事故的 40%以上，每年受顶板事故影响的产煤量约占总产煤量的 5%左右。这说明采场上覆岩层稳定性不仅关系到井下工人的人身安全，而且还是制约矿井高产高效的主要因素。然而要合理进行采场支护设计，有效控制采场顶板事故，并不是一个简单的问题。 首先，由于岩体是一种天然形成的复杂的地质介质，而非一种性质单一的工程材料，所以在岩体中开采地下煤要受到一系列自然的特别是地质条件的影响。其次，煤矿各种地质条件的复杂性和难于预测性，
2、使得采场顶板、围岩的稳定性分析问题成为地下工程主要问题。最后，影响稳定性因素复杂，稳定性指标又具有模糊性和不确定性，尤其存在大量交叉性指标，导致实际应用受到限制。为此，利用一些先进理论和技术手段研究行之有效的顶板及围岩稳定性分类法，具有重大理论价值和现实意义1。人工神经网络方法是以自身特有的样本学习能力获得识别模式，它具有极强的非线性逼近、大规模并行处理、自训练、自学习、自组织和容错及抗干扰能力，识别结果客观可靠。我们将神经网络理论应用于煤矿顶板稳定性分析预测预报系统中，创建了 BP 网络模型，这个模型不仅能够模拟各影响因素之间的错综复杂的关系，而且不需要提前确定影响稳定性因素指标，从而消除了
3、传统的预测预报方法的人为因素的影响。这个预测预报系统通过对井下监测到的数据（如开采深度、倾角、构造复杂程度等）进行存储、处理、显示和分析，并能对事故进行预测预报，以确保矿井的安全。本次设计中，我们依托于 MATLAB 的运行环境，应用 BP 神经网络来实现顶板、围岩稳定性预测预报系统。河北理工大学毕业说明书 第 2 页 共 53 页1.2 国内外研究状况由于研究对象非线性、动态变化；复杂地质因素和环境危险性比较大；所涉及的领域是跨学科；实现起来非常的困难，所以目前尚未发现在这个领域的深入探讨。采矿、地址、力学等相关学科研究者已作了大量的地质、力学方面对矿井冲击地压的研究工作。也只限于理论指导作
4、用。山东农业大学邱秀梅和山东科技大学王连国运用人工神经网络-BP 网络进行煤层底板突水人工神经网络预测。他们从大量的煤层底板突水案例中选取了 15 个典型采煤工作面底板突水资料作为训练样本，建立了 BP 网络。然后用训练好的网络队采煤工作面煤层底板突水情况进行预测，在 4 个突水工作面中，判断对了 3 个，判断率为 75%，可见其预测精度是比较高的2。浙江大学地球科学系张洪，邹乐君，沈晓华将 BP 神经网络应用在测井岩性识别中，对金衢盆地的金 66 测井的岩性进行了识别，并对改善 BP 神经网络收敛性能的方法进行了有效探索3。山东科技大学朱向彩，枣庄市恒瑞煤业有限公司周伟将 BP 神经网络应用
5、在矿井安全监测评价系统中，提出了基于此理论的安全检测评价方法等，为矿井的安全生产和安全管理提供了依据4。矿产资源开发工程系邹艳荣探讨了 BP 神经网络模型在煤层对比、矿井突水水源识别以及识别矿化异常中的应用。证明了该网络模型是十分成熟的模型，比较适合地质工作分类、识别和预测中，并预计 BP 神经网络在地质工作中将有很好的应用前景5。1.3 本设计的指导思想本文在详细分析了影响煤矿顶板及围岩稳定性因素的基础上，针对稳定性因素复杂，稳定性指标又具有模糊性和不确定性的问题，利用人工神经网络结合现场数据，建立了顶板及围岩稳定性预测预报系统，将人工神经网络技术应用到稳定性预测预报中来，我们从以下六个方面
6、来考虑：1）影响因素：选用多种判据，并将预测结果分成不同的等级，这样不仅克服了预测预报时人为因素的影响，而且克服了采用单一的指标可能会给预测预报造成很大误差的影响，提高了系统的预测精度和可靠性。河北理工大学毕业说明书 第 3 页 共 53 页2）为了更加完善这个系统，我们不仅要考虑到对顶板的稳定性进行科学预测，同时也要考虑到对顶板的支护即围岩的稳定性预测。3）神经网络模型的选取：我们要选择一个多输入、多输出并且具有成熟、收敛速度快、精度高的网络模型。综合各种因素考虑，我们选择了 BP 网络模型用来预测顶板及围岩的稳定性。4）网络的修正：因为 BP 网络模型具有收敛速度慢、收敛性能差等缺点，所以
7、我们要利用多样本数据，确定网络的结构，增加对 BP 网络模型缺点的修正。5）数据库技术：在本次设计中，我们选用 access 数据库技术，对样本数据和用户所输入的数据进行分类管理，更加清晰地表示出不同等级的预测结果与样本数据的关系，更方便地用来指导实践。6）可视化界面：为了方便推广应用，能够让客户更加直观的了解并操作这个系统，我们将这个系统用面向对象语言 VB 编成了可视化的图形监控界面。总之，我们做的这个预测预报系统是一套基于计算机测控技术的安全监测设备，主要应用在煤矿行业。该系统可以通过对井下监测到的数据（如开采深度、倾角、构造复杂程度等）进行存储、处理、显示和分析，并能对事故进行预测预报
8、,工程人员可以根据系统报警做出相应的措施，避免事故的发生，确保矿井的安全。1.4 本设计应解决的主要问题1)对影响顶板及围岩稳定性的因素进行讨论；2)获取样本数据；3)将离散的原始数据进行归一化处理；4)探讨神经元网络的构建，对 BP 网络作进一步的改进；5)探讨 BP 网络模型建模过程；6)构建软件总体框架，动态显示预测数据等参数；7)数据库管理：实现了对样本数据和用户数据的管理，并用这些数据来指导实践；8)Matlab 和 VB 的接口技术。河北理工大学毕业说明书 第 4 页 共 53 页第二章 影响顶板稳定性的因素分析2.1 顶板类型根据所调查的资料分析，顶板可划分为三种类型。 （数据为
9、河南焦作矿区工作面顶板）a） 普通型顶板：即伪顶、直接顶、基本顶均有。该面煤层赋存较稳定，伪顶为炭质泥岩，灰黑色、质软，厚度 0.5m 左右；直接顶为粉砂岩。b） 复合型顶板：起特点是薄层软、硬岩层相同，伪顶与直接顶无明显的分界面，直接顶为薄层状的页岩、煤线、砂岩互相组成，基本顶为灰色砂岩，厚 70m。其直接顶中的薄层煤线为离层滑动面，常形成上、下层不能同时冒落，构成了软、硬薄层组合的复合型顶板。c） 单一型岩层顶板：煤层顶板为单一岩层组成。以中马村矿 19071 工作面为例，灰色微密，坚硬含石英、云母；底板为 88m 厚的泥质粉砂岩。其中，伪顶一般由炭质泥岩和炭质页岩所组成，它的力学强度极低
10、，只要其下部的煤层被采掘，伪顶就会垮落。直接顶一般由泥岩和砂质岩所组成，具有一定的力学强度，通常能经受一定宽度的空顶而不冒落，这种顶板的存在往往便于支护。老顶一般由厚层的砂岩组成，它能保持一定的空顶距，从而使采场的空间在一段时间内保持稳定6。生产实践表明，砂岩顶板比粉砂岩稳定，粉砂岩顶板比泥质岩顶板稳定，对顶板的厚度来说，同一岩性的顶板，其厚度不同，反映出的稳定性也不一样，厚度越大，稳定性越好，顶板岩性及厚度不仅直接影响着顶板的稳定性，而且影响着小构造特别是小断层的发育程度。而小断层的发育在很大程度上影响着顶板的坚固性和整体性，可见顶板的岩性和厚度是影响顶板稳定性最基本的因素。2.2 顶板事故
11、的形成过程煤炭在地下开采，直接受上覆岩层压力的影响。因开拓、掘井或采煤，破坏了原有地河北理工大学毕业说明书 第 5 页 共 53 页层的平衡状态，造成矿山压力分布不均匀。这种分布不均匀的压力作用在巷道或回采工作面及四周的煤、岩体上，一旦超过巷道或顶板的支撑力，轻则会出现顶板沉降、片帮、支架回缩，重则就会发生底鼓、冒顶、断梁折柱、巷道压垮等现象。顶板事故行成与地质构造、顶板性质、支架支撑情况、推进速度、操作程度和生产现场管理都有直接关系。2.3 影响顶板稳定性因素1）地质因素 开采深度。随着矿井开采深度的增加，发生冲击地压的危险性越来越大，达到一定的开采深度是形成冲击地压的一个基本条件。矿井的开
12、采深度达到 200 米以上，就会发生冲击地压。 煤层和顶底板岩石的性质和特性。煤的弹性、强度、脆性和含水率等对冲击地压也有较大的影响，顶板岩性、单层厚度以及开采后的可冒落性是影响冲击地压的重要因素。此外，煤层厚度对冲击地压也有影响。 地质构造因素。断层、褶皱和局部异常构造带（如地板突起、顶板下陷、煤层分叉、煤层倾角的变化、煤层变薄和变厚等）形成构造应力场冲击地压常发生在这些构造应力集中的区域。2 ）开采地质条件 采煤方法，短壁体系采煤法因采掘巷道多，巷道交叉多、遗留煤柱多，易形成多多处支撑压力叠加而引发冲击地压。长壁分层开采比短壁开采发生冲击地压的次数明显减少。 煤柱，弧岛形和半岛形煤柱受几个
13、方向集中应力的叠加作用，其附近最易发生冲击地压。煤柱集中应力不仅对本煤层开采有影响，还能向下传递而对下部煤层形成冲击条件。采掘顺序，采掘顺序不当，相邻区段追逐回采，以及采场形状不规则或留下待采煤柱时，都会增大集中应力，造成发生冲击地压的条件。 放炮，放炮产生生震动，引起动载荷，增加煤体压力、改变煤体的应力状态，由三向压缩变为二向或单向压缩，使其抗压度下降，导致迅速破坏。4顶板管理方法。采用爆破、注水等使顶板冒落，能起到减缓冲击地压的作用。河北理工大学毕业说明书 第 6 页 共 53 页3 ）应力区巷道变形特征巷道围岩的应力分布和其本身的稳定性与巷道断面形状。及侧应力比值有非常大的关系，在矿井的
14、浅部，引起矿山压力的主要原因是重力，随着开采深度的增加，或在地质条件复杂地区，构造应力引起的矿山压力是主要的地压形式。对煤矿的巷道来说，作用于巷道的围岩除原岩应力外，还有开采引起的次生应力，开挖巷道引起应力重新分布时垂直应力向两侧转移，水平应力向顶底板中转移。在水平应力为住的情况下，巷道轴线与最大应力方向夹角小时，巷道周围受力较小，且比较均匀，随着夹角增大，巷道受力也逐渐增大，且受力不均匀性也逐渐显示出来，地应力方向常常在很大区域内是基本一致的，所以开挖巷道时要选好轴线的方向。地应力测量和数值计算来确定应力集中区和应力分布状态。2.4 顶板岩体岩性分析由于受沉积环境的控制，煤层顶板沉积岩性在垂
15、直向上旋回变化，不同岩性的岩层做有规律的组合，称层组岩体（简称岩体） ，因此顶板岩体力学性质及其稳定性，并不是由一层岩性所能代表的，而是多层岩性的组合。顶板岩体岩性和厚度及其组合，既能通过矿山压力分布，又能通过岩体强度来影响顶板的稳定性。根据岩体试件单轴抗压强度（Rc） ，可以把顶板岩石简单地分为硬质岩石，中硬岩石和软质岩石三类，在力学性质方面软质岩石表现为塑性，硬质岩石表现为抗性，而中硬岩石处于两者之间。岩性不同则岩石力学性质不同。岩性在直接顶板分类中起着重要的作用。根据不完全统计，泥岩，页岩为稳定性顶板的占 67%；而砂岩，石灰岩则几乎都为稳定顶板，粉砂岩和砂质页岩之类则多为中等稳定顶板。
16、对于层组岩体采用硬质岩石百分比含量（K）来表示顶板岩体岩性特征，K=h/H100%式中，h为赋存于煤层之上一定高度顶板岩体中各硬质岩石厚度之和（单位为 m） ；H为赋存于煤层之上一定高度顶板岩体总厚度，即顶板岩体中各硬质岩石，中硬岩石和软质岩石厚度之和（单位为 m） ；根据 K 值的大小将顶板岩体岩性为为三类，即硬质岩体，中硬岩体和软质岩体。如下表：表 1-1 煤层顶板岩体岩性类型7河北理工大学毕业说明书 第 7 页 共 53 页顶板岩体岩性类型K 值/%主要岩性硬质岩体65砂岩，粉砂岩和石灰岩中硬岩体3565粉砂岩，粉砂质泥岩和泥岩软质岩体120无直接顶;岩层厚度在 25 米以上;参考指标直接顶初次垮落步距89181925
