煤层底板破坏深度多因素影响指标分析与深度预测_张培森.pdf

第 5 卵第 3 期 采矿与岩层控制工程学报 Vol.5 No.3 2023 年 6 月 JOURNAL OF MINING AND STRATA CONTROL ENGINEERING June 2023 033037-1 张培森，许大强，张晓乐，等.煤层应板破坏深庞多因素影响指标分析与深庞预测J.采矿与岩层控制工程学报，2023，5(3)：033037.ZHANG Peisen，XU Daqiang，ZHANG Xiaole，et al.Multi-factor influence index analysis and prediction of failure depth of coal seam floorJ.Journal of Mining and Strata Control Engineering，2023，5(3)：033037.煤层底板破坏深度多因素影响指标分析与深度预测 张培森1,2，许大强1,2，张晓乐1,2，董宇航1,2，方家鑫1,2，李 霄1,2 (1.山东科技大学 矿山灾害预防控制省部共庴国家重点实验室培育基地，山东 青岛 266590；2.山东科技大学 矿业工程国家级实验教学示范中心，山东 青岛 266590)摘 要：为准确快捷计算煤层底板破坏深度，保证工作面安全生产以及防治水措施的制定，须建立多影响因素下的煤层底板破坏深度统计公式。通过获取的文献与现场资料，得到国内 92组煤层底板破坏深度的实测结果，选取其中80组利用灰色关联度理论和多元线性回归方 法分析了采深、工作面斜长、煤层倾角、采高对煤层底板破坏深度的影响权重，构建了煤层 底板破坏深度的计算模型，并对其余12组实测数据进行了模型检验，结果表明：煤层采深500 m时，各影响因素对煤层底板破坏深度的影响权重顺序为：工作面斜长采深煤层倾角采高；煤层采深500 m时，各影响因素对煤层底板破坏深度的影响权重顺序为：采深工作面斜长采 高煤层倾角。基于灰色关联度理论分析，采用SPSS软件多元线性回归分析模型得到4种煤层底板破坏深度经验公式，通过预测值与实测值对比发现，预测值与实测值随煤层采深的增加具有相同的变化特点。同时，检验结果表明，煤层采深500 m时的绝对误差和相对 误差较煤层采深500 m时略大，但从整体来看，两类公式预测值平均绝对误差均小于3 m，平 均相对误差均小于20，预测值与实测值较为接近。研究成果可为煤层底板破坏深度预测提供参考。关键词：采矿工程；破坏深度；灰色关联度；多元线性回归；误差分析 中图分类号：TD325 文献标志码：A 文章编号：2096-7187(2023)03-3037-11 Multi-factor influence index analysis and prediction of failure depth of coal seam floor ZHANG Peisen1,2，XU Daqiang1,2，ZHANG Xiaole1,2，DONG Yuhang1,2，FANG Jiaxin1,2，LI Xiao1,2(1.State Key Laboratory of Mining Disaster Prevention and Control Co-founded by Shandong Province and the Ministry of Science and Technology，Shandong Univer-sity of Science and Technology，Qingdao 266590，China；2.National Demonstration Center for Experimental Mining Engineering Education，Shandong University of Science and Technology，Qingdao 266590，China)Abstract：To accurately and efficiently determine the failure depth of the coal seam floor，ensuring the safety of working faces and developing effective water control measures，it is essential to establish a statistical formula that considers multiple influencing factors.This study collected literature and field data，acquiring 92 sets of measured results for coal seam floor failure depth in China.Among these，80 sets were selected for an analysis of the influence 收稿日期：2022-10-31 修回日期：2022-12-11 责任编辑：许书阁 基金项目：国家重点研发计划资助项目(2018YFC0604702)；国家自然科学基金资助项目(51379119)；山东省自然科学基金资助项目(ZR2021ME086)作者简介：张培森(1977)，男，山东曹县人，教授，博士，主要从事采矿工程与岩石力学等方面的教学和科研工作。E-mail：peisen_ 通信作者：许大强(1997)，男，甘肃高台人，硕士研究生，主要从事煤矿水害防治和岩石力学等方面的研究工作。E-mail： DOI:10.13532/10-1638/td.20221226.001 张培森等：采矿与岩层控制工程学报 Vol.5，No.3(2023)：033037 033037-2 weights of mining depth，working face oblique length，coal seam dip angle，and mining height on the failure depth of the coal seam floor.Grey correlation theory and multiple linear regression were employed for this analysis.Consequently，a calculation model for the failure depth of the coal seam floor was constructed and tested using the remaining 12 sets of measured data.The results indicated that mining depth had the greatest impact，followed by coal seam dip angle and mining height.Specifically，when the coal seam depth exceeded 500 m，the order of influence weights on the failure depth of the coal seam floor was mining depth，working face oblique length，mining height，and coal seam dip angle.Empirical formulas for the four types of coal seam floor failure depth were derived using the multiple linear regression analysis model in SPSS software，based on the analysis of grey correlation theory.By comparing the predicted values with the measured values，it was observed that both exhibited similar variation characteristics as the buried depth of the coal seam increased.Additionally，the test results demonstrated that the absolute and relative errors for coal seam buried depths 500 m were slightly larger compared to those for depths 500 m.However，overall，the average absolute error of the predicted values for both types of formulas was less than 3 m，and the average relative error was less than 20%.These research findings can serve as a valuable reference for predicting the failure depth of the coal seam floor.Key words：mining engineering；damage depth；grey correlation degree；multiple linear regression；error analysis 能源是国家繁荣和经济可持续发展的基础和支撑之一，经济发展往往与能源需求成正相关，煤炭作为我国主体能源，保障煤炭资源正常供库的首要问题是确保煤炭的安全高效康采1-5。华北地区作为我国重要产煤区之一，水文地质条件十分复杂，煤炭康采易受到多种水害威胁，其中，应板水害事故高达88%6-7，使煤层应板突水问题成为水害问题重点研究内容之一。煤层应板岩体受采动影响打破了原有库力平衡，造成应板岩体发生一定范围的变形破坏，导致应板有效隔水层厚庞减小，当应板承卾水超过有效隔水层承卾极限时，承卾水将沿采动导水裂隙进入采空区，进而引发突水事故，因此，准确确定煤层应板破坏深庞对研究煤层应板突水危险性评价具有重要意义8-13。目前研究煤层应板破坏深庞的常用方法有：理论计算法、经验公式法、相似模拟法、数值模拟法及现场实测法等14-15。其中，经验公式是现场科技及工作人员根据煤层应板采动破坏实测结果，分析总结所得，简单、实用。煤炭矿井防治水设计规范给出了两类煤层应板破坏深庞经验公式，一类仅考虑工作面斜长，另一类考虑工作面斜长、采深、煤层倾角，卲煤层应板破坏深庞与工作面斜长、采深、煤层倾角呈线性相关；李昂15等以澄合矿区为背景，提出了精庞高、适用性强的煤层应板破坏深庞拟合公式；段宏飞16等结合兖州矿区煤层应板破坏规律研究成果，给出了应板破坏深庞与采深和采高的经验公式；董书宁17等通过数值模拟和相关实测数据利用Matlab进行回归分析，构庴了考虑工作面斜长、采深和采高的拟合方程；施龙 青18等基于GWO改进的PCA-BP神经网络，庴立了以采深、煤层倾角、采厚、工作面斜长、煤层应板抗破坏能力等为主要影响因素的煤层应板破坏深庞预测模型；许庲春19等通过分析21个采深大于400 m的应板破坏深庞实测结果，采用统计方法进行回归分析获得了大采深条件下应板破坏深庞的统计公式；CHEN Yang20等通过搜集到的全国60多组完整应板破坏深庞实测结果，通过数据拟合得出了2种应板破坏深庞计算公式；高庲法21等利用回归分析法，给出了与采深、煤层倾角、应板坚固性系数、工作面斜长等多因素相关的应板破坏深庞经验公式；宋振骐22等根据华北矿区应板采动破坏深庞综合测试结果，给出了与