馬國平

(開灤(集團)有限責(zé)任公司，河北 唐山 063018)

沖積層作為松散層的一種，其本身是區(qū)別于巖層的一種特殊介質(zhì)，在以往厚沖積層條件下的開采研究中，地表移動規(guī)律呈現(xiàn)出一定的特殊性[1-3]。而研究厚沖積層礦區(qū)的地表移動參數(shù)，尤其是概率積分預(yù)計參數(shù)，對實現(xiàn)礦區(qū)沉陷預(yù)計及沉陷控制起著至關(guān)重要的作用[4]。地表移動概率積分參數(shù)包括：下沉系數(shù)、水平移動系數(shù)、拐點偏移距、主要影響角正切、開采影響傳播角，其反演方法目前主要采用理論公式計算方法和智能優(yōu)化算法[5，6]。其中理論公式的計算方法就是根據(jù)參數(shù)定義和局部特征點實測數(shù)據(jù)直接求參[7]；而智能優(yōu)化算法則是根據(jù)觀測線數(shù)據(jù)進行整體擬合求參，主要包括群優(yōu)化算法[8-11]、遺傳算法[12，13]、模矢法[14]等，該方法充分利用各觀測站實測數(shù)據(jù)，反演結(jié)果更具可靠性，在目前的參數(shù)反演中應(yīng)用更為普遍。也有學(xué)者通過對礦區(qū)厚沖積層下采煤地表觀測資料分析和理論研究發(fā)現(xiàn)[15]，概率積分預(yù)計參數(shù)與沖積層和基巖層賦存條件密切相關(guān)，基巖和沖積層厚度不同，地表所表現(xiàn)出的沉降特性不同，地表移動概率積分參數(shù)存在差異。為了更加準確地掌握厚沖積層礦區(qū)地表移動規(guī)律，保證沉陷預(yù)計的準確性，即使是同一礦區(qū)，當煤層上方基巖和沖積層賦存條件差異較大時，也應(yīng)考慮采用不同的概率積分預(yù)計參數(shù)。因此，本文針對東歡坨礦沖積層厚度變化較大的特點，基于遺傳算法反演了礦區(qū)不同沖積層與基巖厚度比條件概率積分參數(shù)，并對研究成果的現(xiàn)場應(yīng)用效果進行了驗證分析。

1 研究區(qū)概況

東歡坨礦位于河北省唐山市，礦區(qū)內(nèi)交通便利。井田屬沖積平原，地形平坦，地勢東北高、西南低，北部地形標高約+23m，南部約+2m，地形坡降為1.6‰。

1.1 厚沖積層結(jié)構(gòu)特征

沖積層呈松散狀態(tài)，屬于松散介質(zhì)，由土體(固相)、孔隙水(液相)和氣體(氣相)三相組成。松散介質(zhì)與固體和液體均不相同，其物理性質(zhì)介于固體和液體的中間狀態(tài)，介質(zhì)顆粒具有部分流動性，僅在一定范圍內(nèi)能保持其形狀。松散介質(zhì)抗拉強度低，基本沒有抵抗拉伸變形的能力，一般僅能承受一定限度的壓應(yīng)力。

東歡坨礦井內(nèi)沖積層主要為淺黃色、棕色的砂質(zhì)粘土、砂和砂礫，含水豐富，透水性強。其上部為各級粒度的砂層與粘土層，交互組成，灰色粘土層中含腕足類介殼，厚120～180m，下部以雜色礫卵石為主，夾少許砂土層，厚30～300m以上?？傮w厚度南北方向差異較大，從東北至西南依次增加，沖積層厚超過200m的礦區(qū)面積占全礦井60%，最厚處達到500m。

由地質(zhì)鉆孔資料可知，東歡坨礦測區(qū)內(nèi)沖積層厚度150～250m，從南至北依次遞減，沖積層與基巖厚度比0.37～1.68，如圖1所示。

圖1 測區(qū)沿煤層走向沖積層厚度分布情況

1.2 基巖層及煤層情況

覆巖整體綜合巖性為中硬，各巖層由淺及深依次為：唐山組(本溪組)、開平組(太原組下部)、趙各莊組(太原組上部)、大苗莊組(山西組)和唐家莊組(下石盒子組)。

井田含煤地層屬華北型石炭二疊系?？刹擅簩蛹杏诿合抵胁?，共9層，總厚度約19.70m，含煤系數(shù)4.10%。其中主采煤層四層，分別為8煤、9煤、11煤、12-1煤，煤厚3.52m、3.41m、1.94m、2.38m，約占可采煤層的61.12%，煤層傾角約20°，采煤方法為走向長壁式全部垮落法開采。

2 地表移動實測結(jié)果分析

2.1 觀測站概況

地表沉陷特征與基巖和沖積層賦存情況密切相關(guān)。為及時了解工作面開采地表移動特征，東歡坨礦共布設(shè)5條觀測線(測點共計210個，其中控制點6個，監(jiān)測點204個)，采用水準測量進行觀測，觀測周期為每月一次。東歡坨礦地表移動觀測線布設(shè)情況如圖2所示，觀測線基本信息見表1。

圖2 東歡坨礦地表移動觀測線布設(shè)分布

表1 東歡坨礦地表移動觀測線基本信息

2.2 地表移動實測結(jié)果

由于觀測期間采用水準測量，缺少測點平面位置數(shù)據(jù)，故僅能獲取地表下沉、傾斜和曲率信息。綜合各測線實測結(jié)果，總結(jié)東歡坨礦各觀測線實測地表移動變形最大值，見表2。其中，考慮到A觀測線南北兩側(cè)覆巖條件差異較大，故分為A1—A70和A71—A90兩段列出。

表2 觀測線實測地表移動變形最大值

由表2可知，東歡坨礦中等采深條件，地表各觀測線實測移動變形值大小與累計采厚呈正相關(guān)關(guān)系，采厚越大，地表移動變形值越大。其中，A71—A90線和E線下煤層采厚基本相同，但最大下沉差異較大，為1288mm。為了便于分析，去除采厚對最大下沉影響，采用下沉率(η=Wmax/Mcosα)作為變量，研究下沉率與采深、沖積層厚度及基巖厚度的關(guān)系，如圖3所示。

圖3 觀測線不同沖積層與基巖賦存條件與下沉率關(guān)系

由圖3可知，東歡坨礦厚沖積層條件實測地表下沉率η較一般地質(zhì)開采條件大，為0.75～1.07，與采深和基巖厚大致呈負相關(guān)關(guān)系。沖積層與基巖厚度比Hs/Hj的變化趨勢與下沉率基本相同，表明厚沖積層礦區(qū)地表移動特征和沖積層與基巖厚度比的大小密切相關(guān)。所以接下來將依據(jù)各測線沖積層和基巖層賦存條件差異，分類反演東歡坨礦不同沖積層和基巖厚度比條件概率積分參數(shù)。

3 基于遺傳算法的概率積分參數(shù)反演

厚沖積層下采煤，地表移動是沖積層和基巖相互耦合作用的結(jié)果[16-17]。不同的沖積層與基巖厚度比條件，沖積層和基巖耦合作用也不相同。厚沖積層條件開采，地表移動范圍廣、持續(xù)時間長，測區(qū)內(nèi)往往涉及多煤層多工作面的采動影響，實測結(jié)果影響因素復(fù)雜，采用局部特征點的概率積分理論計算公式，誤差較大，適用性差。因此，為了解決厚沖積層條件下多煤層多工作面開采地表移動概率積分參數(shù)反演問題，保證反演結(jié)果準確性，本文選擇適用于多工作面地表移動參數(shù)反演的遺傳算法，為多工作面開采地表實測規(guī)律分析提供可靠依據(jù)。

3.1 遺傳算法基本原理及步驟

遺傳算法是智能優(yōu)化算法的一種[12]，通過模仿自然界生物進化機制，可適用于多工作面開采地表移動參數(shù)反演的全局搜索優(yōu)化方法。其實質(zhì)是由復(fù)制、交換、變異算子組成的一種高效、并行、全局的直接循環(huán)搜索方法。算法實施過程包括了編碼、產(chǎn)生群體、計算適應(yīng)度、復(fù)制、交換和變異等，通過結(jié)合“適者生存”這一生物進化規(guī)則和群體內(nèi)部染色體的隨機信息交換機制，快速高效完成全局優(yōu)化搜索，逐步獲取模型參數(shù)最優(yōu)解。遺傳智能優(yōu)化算法是一種實用、高效、魯棒性強的優(yōu)化技術(shù)，在函數(shù)優(yōu)化、自動控制、圖像處理、人工智能等領(lǐng)域均有廣泛應(yīng)用[18]。

采用遺傳算法反演計算概率積分預(yù)計參數(shù)首先需要確定編碼規(guī)則和適應(yīng)度函數(shù)。采用美國北卡羅萊納州立大學(xué)推出的遺傳算法優(yōu)化工具箱GAOT(Genetic Algorithm Optimization Toolbox)進行概率積分法參數(shù)反演步驟如下：

1)編碼?；谶z傳算法的概率積分參數(shù)反演依賴于其參數(shù)在染色體結(jié)構(gòu)中的編碼，而其中的編碼規(guī)則可選用二進制或?qū)崝?shù)編碼。關(guān)于兩種編碼方式的選擇，應(yīng)主要取決于對概率積分參數(shù)反演的適用性，其中二進制編碼明顯在計算精度和進化算法的計算效率上劣勢較為明顯，而實數(shù)編碼由于其適用范圍廣、計算精度高，更適用于解決概率積分法參數(shù)反演這種較為復(fù)雜的非線性優(yōu)化問題，故文中選用實數(shù)編碼。其過程是將各概率積分法參數(shù)按一定順序排列成遺傳算法染色體串，則染色體串中一個基因就代表著概率積分法的一個預(yù)計參數(shù)。

2)適應(yīng)度函數(shù)。適應(yīng)度函數(shù)FEval表征群體每個個體在優(yōu)化計算中所能達到接近最優(yōu)解的優(yōu)良程度。適應(yīng)度函數(shù)選擇是遺傳算法反演中的重要一步，其選擇結(jié)果將對參數(shù)反演最終結(jié)果產(chǎn)生較大直接影響，本文以測點下沉值誤差平方和的倒數(shù)作為適應(yīng)度函數(shù)，即誤差平方和越小，適應(yīng)度就越好。在計算過程中，需要將個體按計算的適應(yīng)度大小進行排序，然后剔除適應(yīng)度較小的個體。淘汰選擇的算子采用輪盤賭方法。為了能夠計算得到更為合理的概率積分參數(shù)，一般可分別采用不同的適應(yīng)度函數(shù)進行評價。

根據(jù)下沉實測值求參數(shù)可以采用式(1)定義的適應(yīng)度函數(shù)。

FEval=1/[VV]=1/∑[(WB-WS)]2

(1)

式中，[VV]為誤差平方和；WB、WS分別為計算下沉值和實測下沉值，mm。

3)篩選出最大適應(yīng)度數(shù)值的種群個體，直接遺傳給下一代。利用交叉、變異等操作算子對當前代群體進行遺傳操作，產(chǎn)生下一代種群。

4)重復(fù)步驟二、三，保證得到概率積分參數(shù)的反演結(jié)果并不斷優(yōu)化，直至符合終止條件，所得到的求解參數(shù)遺傳編碼經(jīng)解碼后即可獲取一組概率積分法參數(shù)序列。

根據(jù)上述流程編寫遺傳算法的概率積分參數(shù)反演計算程序，以多工作面開采概率積分法沉陷預(yù)計模型為基礎(chǔ)，采用各測點下沉實測值計算種群的適應(yīng)度，依次反演各觀測線實測概率積分參數(shù)。

3.2 概率積分參數(shù)反演結(jié)果

3.2.1 近距離多煤層開采地表下沉系數(shù)確定

近距離多煤層條件下開采，各觀測線地表受多煤層重復(fù)采動影響，經(jīng)歷了多次“活化”，加劇了移動變形[19，20]，而且重復(fù)采動次數(shù)不同，地表移動特征也存在差異。這一現(xiàn)象導(dǎo)致了直接反演的下沉系數(shù)與真實下沉系數(shù)存在偏差。考慮到重復(fù)采動影響，反演下沉系數(shù)與真實下沉系數(shù)關(guān)系式為：

ki=(1+ai)ki-1

(3)

式中，ai為第i次重復(fù)采動地表下沉活化系數(shù)，取值可參考“三下”采煤規(guī)程[21]，地表前兩次重復(fù)采動活化系數(shù)分別為0.1、0.05，三次及以上的活化系數(shù)為0；m為煤層采厚，m；q為真實下沉系數(shù)；q′為反演下沉系數(shù)。

A1—A70、A71—A90、E、F和G測線經(jīng)歷的重復(fù)采動次數(shù)分別為2、2、1、3、2，帶入式(2)和式(3)，確定各觀測線地表下沉系數(shù)，見表3。

表3 觀測線實測反演地表下沉系數(shù)

3.2.2 不同沖積層與基巖厚度比條件概率積分參數(shù)

圖4 地表下沉系數(shù)隨沖積層與基巖厚度比變化情況

下沉系數(shù)隨覆巖沖積層與基巖厚度比變化情況如圖4所示。由圖4可知，下沉系數(shù)與沖積層和基巖厚度比(Hs/Hj)整體呈正相關(guān)關(guān)系，Hs/Hj取值在1附近時，下沉系數(shù)突增。表明沖積層與基巖厚度比Hs/Hj≤1和Hs/Hj>1，沖積層所表現(xiàn)出的沉降特性不同，即隨著沖積層與基巖厚度比增加，沖積層對基巖的壓實作用逐漸增強，基巖的控制作用減弱，在基巖和沖積層共同耦合作用下，當比值到達某一臨界值時，地表下沉系數(shù)變化率突然增加。所以綜合各測線地質(zhì)開采條件和反演結(jié)果進行分類，確定東歡坨礦不同沖積層與基巖厚度比條件概率積分預(yù)計參數(shù)，見表4。

表4 不同沖積層與基巖厚度比條件概率積分參數(shù)

4 西村采動影響驗證分析

4.1 概率積分預(yù)計參數(shù)確定

西村位于東歡坨礦業(yè)公司的西南側(cè)，村莊東側(cè)已采工作面眾多，涉及四個煤層。開采期間礦方開展了村莊房屋損壞等級調(diào)查，共調(diào)查559戶，其中Ⅰ級損壞房屋占比16.4%，Ⅱ級損壞房屋占比22.5%，Ⅲ級損壞房屋占比36.0%。

為了保證工作面開采地表移動變形預(yù)計準確性，首先計算賦存的沖積層和基巖厚度比Hs/Hj=0.87，確定首層8煤選用Hs/Hj≤1條件的概率積分參數(shù)，見表5。然后結(jié)合實際采掘工程情況可知，已采工作面涉及4個煤層，屬于多煤層重復(fù)開采，根據(jù)東歡坨礦多煤層地表重復(fù)采動特征，考慮重復(fù)采動的地表移動“活化”效應(yīng)，依次確定下層9煤、11煤、12-1煤開采的下沉系數(shù)，其他概率積分參數(shù)與首層煤相同。

表5 西村東側(cè)首層煤開采工作面選用概率積分參數(shù)

4.2 西村采動影響分析與房屋損壞情況對比驗證

根據(jù)選取的概率積分參數(shù)對工作面采動影響進行分析，計算西村東側(cè)工作面開采地表移動變形最大值見表6。并結(jié)合規(guī)程[21]中建(構(gòu))筑物各損壞等級臨界移動變形值，分析村莊建筑物損壞分布情況。西村東側(cè)工作面開采地表損壞等級分布如圖5所示。

圖5 西村東側(cè)工作面開采地表損壞等級分布

由圖5可知，受西村東側(cè)工作面采動影響，村莊房屋大多處于Ⅱ級損壞以內(nèi)，西南角損壞較嚴重，存在部分Ⅲ級損壞和少量的Ⅳ級損壞。實測反演概率積分參數(shù)的村莊房屋損壞預(yù)計結(jié)果與實地村莊房屋損壞調(diào)查結(jié)果基本吻合，總體符合度為78.3%，驗證了本文東歡坨礦厚沖積層條件地表移動規(guī)律和參數(shù)的正確性。

表6 西村東側(cè)工作面開采地表移動變形最大值

5 結(jié) 論

1)通過地表實測揭示東歡坨礦地表移動變形分布規(guī)律。其中，地表實測最大下沉值為10893mm(采深362m，沖積層厚227m，累計采厚10.36m)，最大傾斜為62.3mm/m，最大曲率為1.69mm/m2。

2)采用遺傳算法解決了多煤層多工作面開采概率積分參數(shù)反演問題，并結(jié)合多煤層開采特征對反演的下沉系數(shù)進行修正，確定礦區(qū)不同沖積層與基巖厚度比(Hs/Hj)條件概率積分預(yù)計參數(shù)。當Hs/Hj≤1時，下沉系數(shù)0.82、主要影響角正切1.81、拐點偏移系數(shù)0.04、開采影響傳播角90°-0.4α；當Hs/Hj>1時，下沉系數(shù)0.96、主要影響角正切2.05、拐點偏移系數(shù)0.03、開采影響傳播角90°-0.3α。

3)應(yīng)用該研究成果對比分析了西村采動影響預(yù)計和實測房屋損壞情況，總體符合度為78.3%，驗證了該礦條件地表移動規(guī)律和參數(shù)正確性。