开采沉陷岩移参数研究现状分析_柴华彬

开采沉陷岩移参数研究现状分析柴华彬1，2，邹友峰1，梁和平2，王云广1（1．河南理工大学测绘与国土信息工程学院，河南焦作454000；2．开滦（集团）有限责任公司，河北唐山063018）摘要：开采沉陷岩移参数是表征岩层和地表移动规律的重要参数，其取值的准确与否直接影响到矿山生产设计的合理性和安全性．开采沉陷岩移参数的确定方法主要有实测数据拟合、回归分析、工程类比、神经网络、力学反演分析法和模糊数学方法．在综合分析大量文献的基础上，综述了开采沉陷岩移参数的研究现状，指出了可以应用相似理论确定不同地质采矿条件下开采沉陷岩移参数．关键词：开采沉陷;岩移参数;相似理论;模糊数学;研究现状中图分类号：TD325文献标识码：A文章编号：1673-9787（2013）05-0567-04Ｒesearch status of rock movement parameters of mining subsidenceCHAI Hua-bin1，2，ZOU You-feng1，LIANG He-ping2，WANG Yun-guang1（1．School of Surveying and Land Information Engineering，Henan Polytechnic University，Jiaozuo454000，Henan，China；2．Kailuan Mining Group Ltd Company，Tangshan063000，Hebei，China）Abstract：mining rock movement parameters are important parameters to characterize the surface and strata movement rules，and their accuracy directly affect the rationality and safety of the mine production design．Ｒock movement parameters are mainly determined by data fitting，regression analysis，the analysis of engi-neering analogy，neural network，mechanics inversion method and fuzzy mathematics，etc．Based on lots of literatures and documents reviews，the research statuses of rock movement parameters of mining subsidence are summarized．It was pointed out that rock movement parameters of mining subsidence may be determined by similarity theory．Key words：mining subsidence；rock movement parameters；similarity theory；fuzzy mathematics；research status0引言开采沉陷研究的核心是地表及岩层移动和变形的预计，而预计的难点之一就是其岩移参数的确定（主要的岩移参数包括下沉系数、水平移动系数、主要影响角正切、拐点偏移距、最大下沉角、边界角、移动角、充分采动角等）．这些参数是表征地表及岩层移动规律的关键性参数［1-2］，其取值的准确与否直接影响到矿山生产设计、地表下沉盆地危险移动边界划定、地表移动和变形预计的精度．岩移参数的确定目前主要依靠现场实测，无实测数据时采用经验公式或工程类比法来确定．尽管有些矿区进行了现场观测，但由于地面建（构）筑物分布的影响或者其他客观原因，在观测第32卷第5期2013年10月河南理工大学学报（自然科学版）JOUＲNAL OF HENAN POLYTECHNIC UNIVEＲSITY（NATUＲAL SCIENCE）Vol．32No．5Oct．2013收稿日期：2013-03-27基金项目：国家自然基金资助项目（41072225，41102169）；河南省科技厅重点科技攻关项目（102102210196）；河南省高等学校青年骨干教师计划（2010GGJS-055）．作者简介：柴华彬（1977—），男，河南南阳人，博士，副教授，主要从事开采沉陷方面的教学与科研工作．E-mail：chaihb@hpu．edu．cnDOI:10.16186/ki.1673-9787.2013.05.026过程中常常由于观测周期过长、出现测点丢失等现象［3-4］，导致测量数据缺失甚至使观测站工作半途而废，使得利用地表移动观测站进行实测求取岩移参数越来越困难．目前，开采沉陷岩移参数的确定方法主要有实测数据拟合、回归分析、工程类比、神经网络、力学反演分析法和模糊数学方法．1国内外研究现状国内外有许多学者采用不同的理论和方法对岩移参数进行了求取，并取得了丰富的研究成果．主要成果如下．（1）通过实测数据拟合求取岩移参数．基于实测资料求取岩移参数的具体方法是利用实测数据绘制出各类地表移动变形曲线图，然后分析不同地质采矿条件下开采沉陷规律，并根据定义直接求出岩移参数［4-9］．比如，李春意和崔希民等人提出采用曲面拟合的方法进行矩形工作面概率积分预计参数的求取［8］，范洪冬和邓喀中等人利用三次指数平滑法来确定开采沉陷预计参数［9］．（2）利用回归分析法确定岩移参数．回归分析是基于数理统计理论的一种数据分析方法．岩移参数的回归分析方法就是根据不同的地质采矿条件，把所有观测站分为若干组，对每一组内的若干个观测站进行回归分析，获得了各种地质采矿条件下地表及岩层移动规律，确定了岩移参数及其与地质采矿条件之间关系的经验公式［10-13］．比如，冯尊德和卢秀山等人利用PLS回归分析建立了岩移参数的计算模型［11］；程化铭和何国清提出了“相关图逐步回归法”，并据此对峰峰矿区威布尔分布走向水平移动参数进行了综合分析，给出了该矿区走向半无限开采求威布尔分布水平移动参数的经验公式［12］；郭广礼和汪云甲将稳健估计理论应用于矿山开采沉陷预计参数的求取，建立了概率积分法稳健求参数学模型［13］．（3）利用工程类比法来确定岩移参数．对一个无实测数据的新矿区而言，其岩移参数的确定通常采用类比法来确定［14-16］，即首先将新矿区的地质采矿条件与已进行过地表移动观测的老矿区进行比较，若两者的地质采矿条件相近，则新矿区可采用老矿区的岩移参数作为其初始参数；然后，在地下开采过程中，建立地表移动观测站，不断充实和更新，以此获得本矿区的岩移参数［14，17-18］．例如，解钢锋和吴亚安等人在无实测值求预计参数时，利用岩性综合评价系数确定地表沉陷预计参数［17］；黄敏和李夕兵等人提出利用工程类比法来确定金属矿山移动范围［18］；赵静波和高谦等人通过参考目标的岩层移动参数，利用工程类比法确定相应设计工程的岩层移动参数［14］．（4）应用神经网络来确定岩移参数．有些专家和学者根据矿区现有的开采沉陷实测数据，应用人工神经网络的自学习、记忆和归纳总结的特点，将一些典型的开采沉陷实测数据作为学习和训练的样本来计算各类岩移参数［15-16，19-22］．比如，栾元重、杨帆和麻凤海等人应用人工神经网络的基本原理对矿区岩层移动参数进行了综合分析［15-16］；郭文兵和查剑锋等人在综合分析概率积分法参数与地质采矿条件之间关系的基础上，采用人工神经网络方法建立了概率积分法参数和岩层移动角量参数选取的模型［19-21］；于宁锋和杨化超将粒子群优化（PSO）算法和BP神经网络进行融合，在分析概率积分法参数与地质采矿条件之间关系的基础上，建立了基于PSO优化BP神经网络的概率积分法预计参数的优化选择模型［22］．（5）建立力学模型反演岩移参数．有些专家和学者根据矿区开采沉陷实测资料，以岩石力学为基础，采用弹性力学或有限元法来反演岩移参数，然后用反演的岩移参数来计算地表及岩层移动和变形值，获得了岩移参数的变化规律［23-26］．例如，栾元重和阎卫玺等人以岩石力学为基础，采用弹性力学有限元法反演了地层力学参数［23-24］；王来和张力等人根据矿区的实际地质条件，建立了岩层的线弹性力学模型，利用现代控制系统论方法和参数识别理论对岩移岩数进行识别与变形预测［25］；吴戈通过对开采沉陷力学模型进行简化，在满足合理的工程精度要求的条件下，对岩移参数进行了反算［26］．（6）应用模糊数学方法确定岩移参数．模糊数学可以描述岩移参数与地质采矿条件之间复杂的、模糊的、非线性的关系，已被应用于岩移参数的综合分析和确定［4，27-30］．比如，胡友健和王建华用模糊综合评判取代传统的类比法确定岩移参数［28］；成枢和林育秀等人利用岩层与地表移动变形的模型识别和参数识别的理论和方法，求取了具体地质采矿技术条件下开采引起的岩移动参数［4］；邹友峰和柴华彬等人建立了开采沉陷模糊聚类模型和模式模糊识别模型，然后把国内大量的地表移动观测站分为若干相似类型，通过模式模糊识别确定岩移参数［29-30］．865河南理工大学学报（自然科学版）2013年第32卷2存在问题及展望尽管目前国内外许多专家和学者开采沉陷岩移参数进行了大量的研究，取得了丰富的理论和实践经验，但是，还存在如下问题．（1）虽然一些专家和学者采用回归分析对不同矿区地表移动观测数据进行分析处理，获得了各种岩移参数计算的经验公式，但因回归分析法是一种唯象法，其难以从本质上反映岩移参数与地质采矿条件之间复杂的非线性关系．（2）工程类比法要求工程地质条件必须具有某些相似性，其准确性不仅取决于两工程可比度，也依赖于设计者对所类比工程的了解程度以及所具有的工程经验．因此，工程类比方法主观因素影响比较大，难免会造成所选取的岩移参数与实际存在较大的偏差．（3）神经网络模型对样本的数量、质量、分布性和代表性要求较高，它不能完全处理和描述模糊信息，特别是其学习及问题的求解具有黑箱特性，其工作不具有可解释性，有时还需要对原始的实测数据和地质采矿条件作相应假设．因此，用神经网络来计算岩移参数，计算结果有时会失真，不一定能完全反映客观实际．（4）岩体本身和其受采动影响发生移动和变形规律的复杂性，在力学模型建立过程中，不得不进行某种假设和简化．因此，力学反演分析法很难全面、准确地反映各种地质采矿条件下开采沉陷的真实规律．（5）利用模糊数学方法确定岩移参数，需要综合分析各种地质采矿条件下的开采沉陷实测资料，如果没有充分的实测资料，单纯采用模糊数学方法难以确保岩移参数选取的准确性和适用性．综上所述，开采沉陷是一个十分复杂的过程，是许多地质采矿因素综合影响的结果．因此，开采沉陷研究的难点是岩层与地表移动的角量参数和预计参数的确定．目前，大多数矿区岩移参数的确定方法主要有实测数据拟合、回归分析、工程类比、神经网络、力学反演分析法和模糊数学方法．但是，这些方法分析得出的开采沉陷岩移参数千差万别，在实际应用过程中，没有规律可循，操作起来也很不方便．在实践中，用实测方法求取开采沉陷岩移参数最为可靠，但是，对一个尚未进行的开采可能产生的沉陷只能根据具有类似地质采矿条件的实测资料求得的公式和参数进行预计，而实际开采与预计开采的地质采矿条件常常有一定的差别，这就使没有实测资料的矿区开采沉陷预计的可靠性有所降低．而且，开采沉陷只在特定的时间内发生，若不能在此时间内及时观测到实际开采的沉陷数据，此数据将无法在事后补测，即此开采的实测资料将永远无法再得到了．相似理论是研究自然现象中个性与共性或特殊与一般之间关系的理论，它可以通过数学变换和相似模拟等演绎和实验手段对复杂的开采沉陷现象进行分类研究，以解决实测资料不充分问题，即可以根据需要对某个地质条件多次进行变换，从而研究这个地质条件与开采沉陷之间的关系．3结语开采沉陷不仅引起一系列的社会和环境问题，而且也给煤矿企业带来巨大的经济赔偿负担，同时也影响到矿区乃至社会的稳定和可持续发展．开采沉陷岩移参数是表征岩层和地表移动规律的重要参数，其取值的准确与否直接影响到采矿工程设计的合理性和安全性．因此，深入开展开采沉陷岩移参数的研究，对于提高开采沉陷预计的精度，优化矿山生产设计，提高煤炭资源的采出率，减轻采动损害，保护地表建（构）筑物和矿区生态环境等具有十分重要的理论意义和实用价值．参考文献：［1］邹友峰，柴华彬．近水平煤层开采地表移动角量参数研究［J］．采矿与安全工程学报，2009，26（3）：269-272．［2］柴华彬，邹友峰．条带开采地表沉陷预计参数的确定［J］．测绘科学，2009，34（4）：175-176．［3］吴侃，邢安仕．测点缺失对地表移动参数确定的影响［J］．中国矿业大学学报，1995，24（3）：97-102．［4］成枢，林育秀，杜培贞．矿区实测岩移参数研究［J］．采矿技术，2006，6（3）：281-283．［5］谭志祥，王宗胜，李运江，等．高强度综放开采地表沉陷规律实测研究［J］．采矿与安全工程学报，2008，25（1）：59-62．［6］谭志祥，邓喀中．综放面地表变形预计参数综合分析及应用研究［J］．岩石力学与工程学报，2007，26（5）：1041-1047．［7］滕永海，王金庄．五阳矿综采放顶煤地表移动与变形特点［J］．煤炭科学技术，2003，31（12）：57-59．［8］李春意，崔希民，何荣，等．开采沉陷预计中三维空间曲面拟合参数的研究［J］．采矿与安全工程学报，965第5期柴华彬，等：开采沉陷岩移参数研究现状分析2008，28（3）：420-424．［9］范洪冬，邓喀中，谭志祥，等．开采沉陷动态参数预计的三次指数平滑法［J］．河南理工大学学报：自然科学版，2006，25（3）：196-199．［10］王长俊，郝延．岩层移动参数的影响因素与统计规律分析［J］．煤炭技术，2008，27（3）：140-141．［11］冯尊德，卢秀山，史玉峰．基于PLS回归分析建立岩移参数预测模型［J］．煤炭工程，2004（5）：64-66．［12］程化铭，何国清．威布尔分布型地表移动影响函数水平移动参数的求定［J］．中国矿业学院学报，1984（4）：77-82．［13］郭广礼，汪云甲．概率积分法参数的稳健估计模型及其应用研究［J］．测绘学报，2000，29（2）：162-171．［14］赵静波，高谦，李莉．地下采动岩层移动预测理论分析与研究［J］．矿冶工程，2004，24（3）：1-4．［15］栾元重．神经网络在矿山地表移动参数辨识中的应用［J］．矿山测量，1998（3）：42-44．［16］杨帆，麻凤海．地表移动预计参数选取的神经网络法［J］．中国地质灾害与防治学报，2004，15（1）：102-106．［17］解钢锋，吴亚安，雷崇．利用岩性综合评价系数P确定地表最大沉陷的预计参数［J］．煤炭工程，2010（11）：94-96．［18］黄敏，李夕兵，曾凌方，等．基于三维建模技术的矿山移动范围圈定矿冶工程［J］．矿冶工程，2009，29（4）：5-9．［19］郭文兵，邓喀中，邹友峰．概率积分法预计参数选取的神经网络模型［J］．中国矿业大学学报，2004，33（3）：322-326．［20］查剑锋，冯文凯，朱晓峻．基于遗传算法的概率积分法预计参数反演［J］．采矿与安全工程学报，2011，28（4）：655-659．［21］郭文兵，邓喀中，邹友峰．岩层移动角选取的神经网络方法研究［J］．中国安全科学学报，2003，13（9）：69-73．［22］于宁锋，杨化超．基于粒子群优化神经网络的概率积分法预计参数的确定［J］．测绘科学，2008，33（2）：78-80．［23］栾元重，阎卫玺，李锋．新汶矿区岩体力学参数识别与地表变形预计［J］．矿山测量，1999（3）：52-55．［24］栾元重．煤矿开采岩层移动参数反演理论与方法［J］．矿业研究与开发，1998，18（1）：19-20．［25］王来，张力，王渭明．龙口矿区地表移动的参数识别与变形预报［J］．岩土力学，2003，24（s1）：375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