喬建永，王志強(qiáng)，羅健僑，武 超，李敬凱，林 陸

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)，北京 100083； 2.北京郵電大學(xué)，北京 100876)

煤炭是我國(guó)發(fā)展依賴的主要資源，隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，煤炭的需求量不斷增大，截至2019年底，原煤產(chǎn)量38.5億t，在煤炭資源需求穩(wěn)中有升的背景趨勢(shì)下，隨著淺部水平和緩傾斜煤層的不斷開(kāi)采，越來(lái)越多的煤礦已經(jīng)進(jìn)入千米深部開(kāi)采。在此趨勢(shì)下，沖擊地壓動(dòng)力災(zāi)害發(fā)生的頻次和能級(jí)隨著采深和開(kāi)采強(qiáng)度的持續(xù)增加更加劇烈，嚴(yán)重威脅到煤礦的生產(chǎn)和工人的生命安全[1]。沖擊地壓?jiǎn)?dòng)發(fā)生機(jī)理成為國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者的研究熱點(diǎn)，同時(shí)也是對(duì)沖擊地壓預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)與防治措施的重要理論指導(dǎo)條件。

近年來(lái)，我國(guó)在沖擊地壓監(jiān)測(cè)預(yù)警技術(shù)方面取得了長(zhǎng)足進(jìn)展，一些先進(jìn)的、具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的監(jiān)測(cè)設(shè)備被用于沖擊地壓監(jiān)測(cè)預(yù)警。目前，我國(guó)用于煤礦沖擊地壓監(jiān)測(cè)預(yù)警的主要方法有直接接觸式監(jiān)測(cè)法和地球物理方法，能夠根據(jù)微震事件和圍巖變形量等特征對(duì)沖擊地壓進(jìn)行監(jiān)測(cè)預(yù)警[2]。但是綜合分析多影響因素耦合作用關(guān)系對(duì)工作面沖擊地壓?jiǎn)?dòng)傳遞過(guò)程的影響機(jī)理仍需深入探索。本文以華豐煤礦1411工作面這一數(shù)據(jù)記錄全面的典型沖擊地壓現(xiàn)場(chǎng)條件作為案例，重點(diǎn)分析其沖擊地壓發(fā)生力源條件的影響因素對(duì)沖擊能量的影響關(guān)系，并通過(guò)引入深度學(xué)習(xí)方法對(duì)沖擊地壓的啟動(dòng)與顯現(xiàn)狀況進(jìn)行預(yù)測(cè)，彌補(bǔ)了綜合指數(shù)法預(yù)測(cè)沖擊的部分缺陷。

此外，通過(guò)模擬實(shí)驗(yàn)和解析式計(jì)算發(fā)現(xiàn)，對(duì)基本頂巖層的水力壓裂弱化[3]或水射流切割減小懸臂梁結(jié)構(gòu)對(duì)實(shí)體煤載荷的方法是一種能夠更加有效降低1411工作面前方煤體力源、減小沖擊啟動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)的防沖措施。綜上考慮多種沖擊地壓影響因素參量變化之間的互相量變作用，并且最終對(duì)沖擊地壓的啟動(dòng)和顯現(xiàn)產(chǎn)生質(zhì)的影響作用。以往的打分和綜合指數(shù)方法并不能很好地考慮各因素變化相互影響的特點(diǎn)，因此利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法進(jìn)行分析，并且為了解決以往用來(lái)實(shí)現(xiàn)預(yù)測(cè)的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)遇到局部最優(yōu)、過(guò)擬合及梯度擴(kuò)散等問(wèn)題[4]，改進(jìn)連接函數(shù)使網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)貝葉斯概率分析以及預(yù)測(cè)功能[5]。

本文針對(duì)華豐煤礦進(jìn)行神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建模，并分析其影響因素權(quán)值，擬進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)貝葉斯網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的模型和計(jì)算方法在其他工況條件下的應(yīng)用，并且隨著輸入集向量樣本的增加和深入學(xué)習(xí)，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的預(yù)測(cè)分析效果也會(huì)更具理論指導(dǎo)意義[6]，研究成果可為類似地質(zhì)生產(chǎn)條件的工作面安全生產(chǎn)作業(yè)提供理論指導(dǎo)和技術(shù)支持。

1 工程背景

1.1 工作面天然地質(zhì)條件

新汶集團(tuán)華豐煤礦4#煤層1411綜放工作面位于井田-1 000 m水平一采區(qū)三區(qū)段，下為尚未開(kāi)采的1412工作面，1411工作面已于2012年停產(chǎn)結(jié)束回采。華豐煤礦位于兩個(gè)全球性大斷裂——郯廬斷裂和昆侖斷裂交點(diǎn)處，根據(jù)區(qū)域動(dòng)力規(guī)劃方法[7]研究得出，1411工作面開(kāi)采范圍內(nèi)存在的6條斷裂也是采掘過(guò)程中導(dǎo)致沖擊地壓發(fā)生的重要地質(zhì)因素。4#煤層平均埋深960 m，平均煤厚6.2 m左右，平均傾角32°，具有強(qiáng)烈沖擊傾向性，其直接頂具有中等沖擊傾向性。1411工作面范圍內(nèi)煤層節(jié)理裂隙較發(fā)育，表現(xiàn)為單軸抗拉強(qiáng)度與單軸抗壓強(qiáng)度之比較小(約為0.05)，易在支承壓力和覆巖彎曲回轉(zhuǎn)作用下產(chǎn)生破壞。圖1為1411工作面綜合柱狀圖。

前人在華豐煤礦沖擊地壓機(jī)理研究中將沖擊發(fā)生因素分為兩大類：一類是自然地質(zhì)類因素，另一類是回采技術(shù)類因素[7]。超過(guò)千米埋深、上覆直至地表的巨厚礫巖、較大煤層傾角、中等沖擊傾向性頂板、強(qiáng)烈沖擊傾向性煤層都是華豐煤礦4#煤層發(fā)生沖擊地壓的天然傾向條件，因此在掘巷與回采階段選擇合理的開(kāi)采工藝和防沖措施尤為重要。

1.2 工作面回采技術(shù)條件

由于頂煤易于冒放，1411工作面采用長(zhǎng)壁后退式綜放開(kāi)采技術(shù)，全部垮落法管理頂板，采2.2～2.4 m，放3.8～4.2 m，正常割煤傾斜長(zhǎng)度143 m，在采用錯(cuò)層位巷道布置方式的1411工作面推進(jìn)速度由1 m/d增加到2.4 m/d。上方1410工作面整層開(kāi)采條件下所有動(dòng)力現(xiàn)象幾乎集中發(fā)生在上平巷位置，圖2為1410工作面上平巷發(fā)生的一起震級(jí)2級(jí)，能量2.2×107J的沖擊地壓事故平面圖，結(jié)合傾角條件說(shuō)明沖擊地壓防治重點(diǎn)在工作面上巷[8]。

圖1 1411工作面綜合柱狀圖Fig.1 Comprehensive histogram of 1411 working face

圖2 華豐煤礦“9.9”沖擊地壓事故平面圖Fig.2 Plan of Huafeng Coal Mine “9.9” rock burst accident

針對(duì)華豐煤礦沖擊地壓防治，通過(guò)優(yōu)化采煤方法與工藝可以實(shí)現(xiàn)安全生產(chǎn)，其最顯著因素來(lái)源于改革原實(shí)體煤巷道布置在采空區(qū)下方，這一特征實(shí)際上是改善了巷道圍巖擾動(dòng)的影響，即改善了動(dòng)靜載荷的作用特征[9]，因此，分析靜載荷導(dǎo)致的彈性應(yīng)變能量來(lái)源、動(dòng)載擾動(dòng)的誘發(fā)位置成為優(yōu)化工作面開(kāi)采技術(shù)參數(shù)降低沖擊風(fēng)險(xiǎn)的必要途徑。

2 工作面沖擊啟動(dòng)機(jī)理與傳遞方式

工作面前方較近處煤體受超前支承壓力的作用發(fā)生塑性破壞后，所受應(yīng)力降低至原巖應(yīng)力以下，這部分煤體不會(huì)聚積彈性應(yīng)變能。而煤壁深處的彈性區(qū)應(yīng)力升高位置，容易積聚大量的體變和形變彈性能量，在此部分煤體強(qiáng)度處極限平衡臨界狀態(tài)時(shí)，煤體中聚集的彈性能量也處于極限平衡狀態(tài)。這部分煤體三向受荷載，由于未超過(guò)煤體抗壓強(qiáng)度，應(yīng)力在加載方向做功全部轉(zhuǎn)化為煤體的形狀改變和體積壓縮。這部分能量在受到上覆直接頂或基本頂巖塊下沉、回轉(zhuǎn)、滑落、搭接過(guò)程中對(duì)煤體的鉛直載荷緩慢、突然的增大或水平約束力突然的減小都可能會(huì)導(dǎo)致其猛烈的釋放。根據(jù)煤壁前方煤體的應(yīng)力及儲(chǔ)能狀態(tài)將其分為沖擊能量釋放-傳遞-顯現(xiàn)過(guò)程的三個(gè)區(qū)域，分別為沖擊啟動(dòng)區(qū)、沖擊阻力區(qū)和被拋出的破碎煤體區(qū)，如圖3所示。

圖3 沖擊能量啟動(dòng)-傳遞-顯現(xiàn)分區(qū)Fig.3 Burst energy initiate-transfer-display zone

根據(jù)最小能量理論中對(duì)三維應(yīng)力狀態(tài)下煤巖體發(fā)生破壞的條件描述[10]，當(dāng)煤巖體破壞啟動(dòng)后巖體應(yīng)力調(diào)整，應(yīng)力狀態(tài)迅速轉(zhuǎn)變?yōu)槎S，最終轉(zhuǎn)變?yōu)閱蜗驊?yīng)力狀態(tài)，三維狀態(tài)下儲(chǔ)存在巖體中的大量彈性能僅需消耗一維壓縮或剪切所需的部分能量，其余能量則用于破壞或大變形塑性破壞；沖擊地壓?jiǎn)?dòng)理論[11]中對(duì)集中動(dòng)載荷與靜載荷型沖擊地壓的啟動(dòng)理論分析，認(rèn)為集中靜載荷可以獨(dú)立導(dǎo)致沖擊啟動(dòng)，而集中動(dòng)載荷必須通過(guò)靜載荷集中區(qū)完成。此外，工作面煤壁前方位于沖擊啟動(dòng)區(qū)的煤體由于三向承載，選取其中任一單元煤體A進(jìn)行分析，其內(nèi)部聚積儲(chǔ)存大量彈性應(yīng)變能，處于滿足沖擊啟動(dòng)能量準(zhǔn)則和強(qiáng)度準(zhǔn)則的臨界狀態(tài)，此時(shí)外力做功對(duì)煤體A輸入的彈性應(yīng)變能U計(jì)算式為式(1)。

(1)

式中：σ1、σ2、σ3分別為最大主應(yīng)力、中間主應(yīng)力和最小主應(yīng)力；E和μ分別為儲(chǔ)能煤體的彈性模量和泊松比。當(dāng)其承受最大主應(yīng)力超過(guò)三軸強(qiáng)度極限，則單元煤體將發(fā)生破壞，儲(chǔ)存在煤體內(nèi)部的一部分彈性應(yīng)變能Ud=U-Ue將在破壞過(guò)程中耗散；另一部分可釋放彈性能Ue將對(duì)相鄰煤體B做功，能量以做機(jī)械功的形式傳遞，如圖4所示。

此時(shí)相鄰單元煤體B在原有儲(chǔ)存彈性應(yīng)變能量U’的基礎(chǔ)上繼續(xù)受到單元煤體A破壞釋放的部分能量Ue，當(dāng)輸入能量Ue和做功方向上的應(yīng)力滿足煤體B沖擊破壞的能量和強(qiáng)度準(zhǔn)則時(shí)，相鄰煤體B也將發(fā)生破壞，釋放能量并瞬時(shí)傳遞至下一相鄰單元煤體，則沖擊啟動(dòng)-傳遞-顯現(xiàn)過(guò)程從沖擊啟動(dòng)區(qū)某一單元煤體A開(kāi)始依次傳遞，經(jīng)過(guò)沖擊阻力區(qū)能量逐漸衰減，再到不能儲(chǔ)存彈性應(yīng)變能的破碎區(qū)煤體能量傳遞過(guò)程結(jié)束，最終的能量做功將破碎煤體猛烈拋向采出空間。由沖擊啟動(dòng)區(qū)到?jīng)_擊阻力區(qū)結(jié)束，整個(gè)能量傳遞過(guò)程像一個(gè)破壞釋能-衰減傳遞-能量疊加繼續(xù)傳遞的鏈?zhǔn)竭^(guò)程，如圖5所示。

圖4 煤體能量釋放“鏈?zhǔn)健眰鬟f做功Fig.4 Coal energy release “chain-type” transfer work

圖5 沖擊能量“鏈?zhǔn)健眰鬟f做功力學(xué)模型Fig.5 The mechanical model of “chain-type” transfer of energy

因此，研究工作面前方實(shí)體煤中的主應(yīng)力分布和彈性應(yīng)變能量場(chǎng)隨天然地質(zhì)因素和回采技術(shù)因素變化的演化規(guī)律對(duì)工作面沖擊的預(yù)測(cè)、防治和機(jī)理研究有重要意義[12]。

3 沖擊啟動(dòng)區(qū)應(yīng)力與應(yīng)變能計(jì)算

3.1 主應(yīng)力計(jì)算力學(xué)模型

為求出工作面前方?jīng)_擊啟動(dòng)區(qū)域單元體實(shí)體煤受主應(yīng)力情況和應(yīng)變能分布情況，根據(jù)彈塑性理論和疊加原理[13]，將彈性狀態(tài)占絕大部分的工作面前方煤層視為理想狀態(tài)下均質(zhì)、各向同性體，并由彈性力學(xué)方法給出該半無(wú)限體。圖6為沖擊啟動(dòng)區(qū)應(yīng)力計(jì)算力學(xué)模型。

圖6 沖擊啟動(dòng)區(qū)應(yīng)力計(jì)算力學(xué)模型Fig.6 Mechanical model of stress calculation in burst-initiation zone

利用(0，q1-γH)、(x0，KγH)和(L2，0)求解兩段直線斜截式后得到直線與坐標(biāo)軸圍成的三部分區(qū)域下任一點(diǎn)M(x，z)的應(yīng)力分量，并取無(wú)限多段長(zhǎng)度為dξ、高度為斜截式y(tǒng)值的微元面積，求解M(x，z)處的三向應(yīng)力增量[14]，計(jì)算見(jiàn)式(2)。

(2)

式中：k1和b1為破碎區(qū)和沖擊阻力區(qū)直線斜率和截距；k2和b2為沖擊啟動(dòng)區(qū)直線斜率和截距；L1和L2分別為破碎區(qū)與沖擊阻力區(qū)寬度和彈性區(qū)影響范圍，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)式(3)。

(3)

式中：γ為體積力，kN/m3；H為埋深，m；m為采厚，m；ξ=(1+sinθ)/(1-sinθ)；p1為支護(hù)強(qiáng)度，MPa；C為內(nèi)聚力，MPa；φ為內(nèi)摩擦角，(°)；f為頂?shù)装迥Σ烈驍?shù)；K為應(yīng)力集中系數(shù)；β為側(cè)壓系數(shù)；τ0cotφ煤體的自撐力[15]，τ0取5 MPa。

由式(2)和式(3)計(jì)算得到三向應(yīng)力計(jì)算結(jié)果，見(jiàn)式(4)。

(4)

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地應(yīng)力測(cè)量結(jié)果將三向應(yīng)力計(jì)算結(jié)果代入應(yīng)力主軸偏轉(zhuǎn)公式(式(5))。

σi=(σj+Δσjcosα)sinθ+(σk+Δσksinα)cosθ

(5)

式中：α為最大主應(yīng)力與水平方向夾角，(°)；θ為煤層傾角，(°)；σi為最大主應(yīng)力、中間主應(yīng)力和最小主應(yīng)力，MPa；σj和σk為單元煤體所受鉛直方向、水平方向和切向方向的載荷，MPa。將式(5)計(jì)算得到的最大主應(yīng)力、中間主應(yīng)力和最小主應(yīng)力σ1、σ2和σ3代入到式(1)得到工作面前方非塑性區(qū)煤體內(nèi)任意一點(diǎn)的彈性應(yīng)變能量計(jì)算公式(式(6))，利用Matlab軟件將上述公式迭代得到，由于彈性應(yīng)變能量最終解析表達(dá)式過(guò)于冗長(zhǎng)復(fù)雜，限于篇幅在此不予列出。

(6)

分析上述表達(dá)式可以得知，工作面前方?jīng)_擊阻力區(qū)和沖擊啟動(dòng)區(qū)單元煤體所受應(yīng)力和聚積彈性應(yīng)變能量的數(shù)值解大小，除了與埋深、煤巖體物理力學(xué)性質(zhì)、采厚、煤層傾角和峰值應(yīng)力集中系數(shù)等經(jīng)典因素有關(guān)外，還和計(jì)算選取位置與工作面水平距離、頂板垂直距離以及頂?shù)装鍘r層對(duì)煤層的層間力學(xué)性質(zhì)等因素有關(guān)。

3.2 沖擊啟動(dòng)區(qū)最大主應(yīng)力和能量分布規(guī)律

以1411工作面實(shí)際生產(chǎn)地質(zhì)參數(shù)條件進(jìn)行理論數(shù)值分析，埋深為900～1 100 m，采厚為6.2 m左右，4#煤層彈性模量為2.2 GPa，內(nèi)聚力為1.88 MPa，內(nèi)摩擦角為38°，采用控制變量法對(duì)一項(xiàng)影響因素進(jìn)行研究時(shí)，其他影響因素參數(shù)值始終控制為中間組方案大小，并且為了驗(yàn)證解析公式是否具有針對(duì)華豐煤礦的沖擊現(xiàn)象普遍適應(yīng)性，參數(shù)調(diào)整時(shí)上下閾值將1407工作面、1409工作面和1410工作面的相關(guān)參數(shù)也包含在內(nèi)進(jìn)行分析，并且利用FLAC3D軟件對(duì)應(yīng)力和能量的分布演化規(guī)律輔以佐證。

3.2.1 埋深對(duì)主應(yīng)力和應(yīng)變能量的影響

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式估算破碎4#煤層物理力學(xué)性質(zhì)的單元煤體需要的能量不小于0.142 MJ，華豐煤礦1411工作面地質(zhì)條件下發(fā)生沖擊的臨界深度處需約1.57×105倍于0.142 MJ的能量來(lái)破壞雙向受力狀態(tài)下的單元煤體，顯然與實(shí)際情況相差較大。將實(shí)際參數(shù)代入式(6)計(jì)算得出埋深逐漸增加時(shí)對(duì)工作面前方煤壁不同位置處最大主應(yīng)力和彈性應(yīng)變能量的影響規(guī)律，如圖7所示。

隨著計(jì)算選取位置埋深的增加，最大主應(yīng)力和彈性應(yīng)變能基本與埋深成一定比例的增大關(guān)系，在1 000 m以深的1411工作面前方?jīng)_擊啟動(dòng)區(qū)實(shí)體煤處所受最大主應(yīng)力基本為上覆直至地表的巖體重量[16]。

將相同參數(shù)代入FLAC3D模型中計(jì)算發(fā)現(xiàn)，隨著埋深的增加，應(yīng)力和應(yīng)變能與理論數(shù)值解析解也具有類似的變化規(guī)律，計(jì)算結(jié)果數(shù)值上也較為適應(yīng)(圖8)。

最大主應(yīng)力和主應(yīng)力差值是影響彈性應(yīng)變能聚積的主要因素之一，分析圖8中不同埋深對(duì)應(yīng)不同的最大主應(yīng)力場(chǎng)分布方式以及閾值可以得出，隨著埋深的增加煤壁前方同一位置的最大主應(yīng)力值隨之增大，從21.5 MPa增加至31.5 MPa，彈性應(yīng)變能峰值也從4.8×105J增大到1.2×106J。最大主應(yīng)力位置也隨埋深的增加而靠近工作面，使得沖擊啟動(dòng)區(qū)所受擾動(dòng)載荷更容易達(dá)到臨界值，且在沖擊能量傳遞做功時(shí)阻力區(qū)長(zhǎng)度更短，塑性破壞更嚴(yán)重，從而削弱對(duì)沖擊能量的阻礙作用。

結(jié)合能量聚積-儲(chǔ)存-鏈?zhǔn)絺鬟f做功力學(xué)模型，分析圖7和圖8中埋深對(duì)1411工作面前方實(shí)體煤中的應(yīng)力和儲(chǔ)存能量的影響規(guī)律發(fā)現(xiàn)，上覆巖層累重使沖擊啟動(dòng)區(qū)煤體處于高地應(yīng)力作用下，巨大的圍壓使連續(xù)的單元煤體屈服應(yīng)力呈正二階導(dǎo)數(shù)式增長(zhǎng)，可以儲(chǔ)存更多能夠用于發(fā)生沖擊破壞的彈性應(yīng)變能量。隨著埋深的增加，誘導(dǎo)沖擊啟動(dòng)區(qū)煤體發(fā)生破壞釋放沖擊能量需要的臨界擾動(dòng)載荷也更小[17]。

圖7 埋深對(duì)主應(yīng)力和應(yīng)變能量的影響Fig.7 Buried depth affects principal stress and strain energy

3.2.2 覆巖力學(xué)性質(zhì)對(duì)主應(yīng)力和應(yīng)變能量的影響

圖9展示了關(guān)鍵層物理力學(xué)性質(zhì)與主應(yīng)力和應(yīng)變能的動(dòng)態(tài)變化關(guān)系。由圖9可知，隨著關(guān)鍵層巖層的抗拉強(qiáng)度和內(nèi)聚力的增大，巖層對(duì)上覆巨厚礫巖重量的承載能力變強(qiáng)，傳遞到下方煤層中的應(yīng)力也隨之減小，單元煤體內(nèi)聚積的彈性應(yīng)變能量也減小，而且可以看出，抗拉強(qiáng)度和內(nèi)聚力對(duì)最大主應(yīng)力和應(yīng)變能量的影響效果在數(shù)值上顯著小于覆巖重量的影響，結(jié)合前述研究成果分析表明，關(guān)鍵層對(duì)上覆500～960 m巨厚礫巖層的重量承載效果相對(duì)有限，巨厚礫巖層對(duì)工作面前方煤體施加的靜載荷也是1411工作面沖擊啟動(dòng)的重要影響因素之一。

圖9 關(guān)鍵層物理力學(xué)性質(zhì)與主應(yīng)力和應(yīng)變能的 動(dòng)態(tài)變化關(guān)系Fig.9 The dynamic relationship between the physical and mechanical properties of the key layer and the principal stress and strain energy

覆巖關(guān)鍵層中細(xì)砂巖層厚度由40 m增大至70 m時(shí)，彈性應(yīng)變能量從2.279×106J增大至2.663×106J；抗拉強(qiáng)度增大至25 MPa時(shí)，彈性應(yīng)變能量從4.9×106J減小至2.3×105J；同時(shí)可以看出關(guān)鍵巖層的內(nèi)聚力的變化對(duì)彈性應(yīng)變能量的影響并不顯著。在數(shù)值模擬模型中表現(xiàn)出對(duì)最大主應(yīng)力和彈性應(yīng)變能量的影響效果如圖10所示。由圖10可知，隨著覆巖強(qiáng)度的增高對(duì)上覆直至地表巖層運(yùn)動(dòng)和重量的承載效果也越好，因此煤層承受的鉛直應(yīng)力也顯著減小，最大主應(yīng)力峰值從78.96 MPa減小至69.21 MPa。但當(dāng)老頂發(fā)生周期性破斷時(shí)，作用在煤層上的動(dòng)載荷也會(huì)更加明顯。因此應(yīng)該從減小工作面前方煤體應(yīng)力集中程度和增加動(dòng)載擾動(dòng)輸入能量?jī)蓚€(gè)方面綜合考慮頂板覆巖對(duì)沖擊地壓?jiǎn)?dòng)與傳遞的影響。

圖10 隨頂板巖石力學(xué)性質(zhì)整體增強(qiáng)的 工作面前方最大主應(yīng)力分布規(guī)律變化Fig.10 Changes in the distribution law of the maximum principal stress in front of the working face with the overall enhancement of the mechanical properties of the roof rock

3.2.3 工作面前方?jīng)_擊啟動(dòng)區(qū)與工作面中心位置距離對(duì)主應(yīng)力和應(yīng)變能量的影響

針對(duì)1411工作面前方煤體的儲(chǔ)能狀態(tài)進(jìn)行分區(qū)討論以及解析式數(shù)值計(jì)算，發(fā)現(xiàn)沖擊啟動(dòng)區(qū)中心位置與工作面的距離與選取計(jì)算位置M(x，z)的最大主應(yīng)力和彈性應(yīng)變能量之間有明顯動(dòng)態(tài)變化關(guān)系。

圖11展示了沖擊啟動(dòng)區(qū)位置與最大主應(yīng)力和彈性應(yīng)變能量關(guān)系。分析圖11可發(fā)現(xiàn)，隨著x值的增大計(jì)算選取位置向煤壁深處逐漸移動(dòng)，最大主應(yīng)力先增大至峰值71.2 MPa，后逐漸減小直至30 m左右后回到與原巖應(yīng)力相近的40 MPa，與工作面前方鉛直應(yīng)力分布規(guī)律類似但峰值點(diǎn)位置和數(shù)值大小不同，彈性應(yīng)變能量呈現(xiàn)先增大至最大主應(yīng)力約4.5×106J后趨于穩(wěn)定，這是因?yàn)榉逯祽?yīng)力位置煤體處于極限平衡狀態(tài)儲(chǔ)能效果差，峰后曲線下的沖擊啟動(dòng)區(qū)煤體處于彈性受載狀態(tài)，隨著應(yīng)力趨于原巖應(yīng)力狀態(tài)，能量增量也逐漸放緩最終減小趨于穩(wěn)定。

圖12展示了沖擊啟動(dòng)區(qū)距離對(duì)最大主應(yīng)力和彈性應(yīng)變能的影響。由圖12可知，隨沖擊啟動(dòng)區(qū)與工作面距離的增加，最大主應(yīng)力與彈性應(yīng)變能的峰值大小和分布范圍也逐漸減小，據(jù)此規(guī)律可以認(rèn)為，通過(guò)增大沖擊啟動(dòng)區(qū)中心位置與工作面之間的水平距離，即增大沖擊阻力區(qū)的長(zhǎng)度，可以降低工作面沖擊風(fēng)險(xiǎn)，達(dá)到通過(guò)鉆孔卸壓、煤層注水或水壓致裂切割頂板實(shí)現(xiàn)增大沖擊阻力區(qū)范圍、降低工作面沖擊風(fēng)險(xiǎn)的效果。

圖11 沖擊啟動(dòng)區(qū)位置與最大主應(yīng)力和 彈性應(yīng)變能量關(guān)系Fig.11 The relationship between the burst-initiation zone position and the maximum principal stress and elastic strain energy

3.2.4 煤體力學(xué)性質(zhì)對(duì)主應(yīng)力和應(yīng)變能量的影響

煤巖體從受載聚積儲(chǔ)存能量到破壞釋放能量的過(guò)程都與單元體的力學(xué)參數(shù)密切相關(guān)，選取解析式中的煤體內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角與最大主應(yīng)力和應(yīng)變能的關(guān)系進(jìn)行研究，影響關(guān)系如圖13所示。由圖13可知，隨著煤體內(nèi)聚力的增大，單元煤體承受的最大主應(yīng)力一定程度減小但并不顯著；而單元煤體儲(chǔ)存彈性應(yīng)變能量的能力隨煤體內(nèi)聚力的增加顯著提高，當(dāng)內(nèi)聚力達(dá)到2.5 MPa時(shí)，單元煤體能夠儲(chǔ)存約4.4×106J彈性應(yīng)變能。

3.2.5 保護(hù)層開(kāi)采對(duì)主應(yīng)力和應(yīng)變能量的影響

綜合分析1411工作面所處頂?shù)装遒x存條件，應(yīng)優(yōu)先選擇無(wú)沖擊地壓的下方6#煤層作為保護(hù)層開(kāi)采。開(kāi)采保護(hù)層后，在被保護(hù)層中確實(shí)受到保護(hù)的地區(qū)，可按無(wú)沖擊地壓煤層進(jìn)行采掘工作。6#煤層開(kāi)采對(duì)1411工作面前方煤體最大主應(yīng)力和應(yīng)變能分布規(guī)律的影響如圖14所示。 由圖14可知，開(kāi)采保護(hù)層對(duì)于上方4#煤層應(yīng)力集中程度和彈性應(yīng)變能的減小影響十分明顯，彈性應(yīng)變能峰值從5.752×106J降低至3.22×106J。

3.2.6 回采速度對(duì)主應(yīng)力和應(yīng)變能量的影響

工作面回采速度對(duì)采場(chǎng)前方煤體能量轉(zhuǎn)移和釋放的速率，以及應(yīng)變能量場(chǎng)的聚積程度均有影響[18]，不論是從頂板頻繁回轉(zhuǎn)滑落失穩(wěn)帶來(lái)的動(dòng)載擾動(dòng)，還是從采動(dòng)影響的微震事件總量顯著增加的現(xiàn)象來(lái)說(shuō)，較高或者過(guò)低的回采速度對(duì)于沖擊地壓防控均屬不利因素。保持合理的工作面回采速度需要結(jié)合采場(chǎng)前方應(yīng)變能量和微震事件擾動(dòng)兩個(gè)方面綜合考量(圖15)。 由圖15可知，隨著工作面推進(jìn)速度由0.5 m/d增加到3 m/d，工作面前方彈性應(yīng)變能量峰值從2.14×106J增大到3.17×106J，峰值位置分布范圍也增大，且根據(jù)微震事件發(fā)生的頻次和能級(jí)分析，當(dāng)工作面推進(jìn)至見(jiàn)方和周期來(lái)壓布局時(shí)，微震呈現(xiàn)成簇的規(guī)律性發(fā)生。

圖12 沖擊啟動(dòng)區(qū)距離對(duì)最大主應(yīng)力和彈性應(yīng)變能的影響Fig.12 The influence of impact start zone distance on the maximum principal stress and elastic strain energy

圖13 煤體力學(xué)與最大主應(yīng)力和彈性應(yīng)變能的影響關(guān)系Fig.13 The relationship between coal mechanics and the influence of maximum principal stress and elastic strain energy

圖14 保護(hù)層開(kāi)采對(duì)彈性應(yīng)變能量分布的影響Fig.14 The influence of protective layer mining on elastic strain energy distribution

圖15 工作面推進(jìn)速度對(duì)工作面前方彈性應(yīng)變能量分布和微震事件的影響Fig.15 The influence of the advancing speed of the working face on the elastic strain energy distribution and microseismic events in front of the working face

3.2.7 開(kāi)采厚度對(duì)主應(yīng)力和應(yīng)變能量的影響

隨著總采厚從2 m增大到7 m，彈性應(yīng)變能聚集量由3.45×105J顯著增加至1.697×106J，最大主應(yīng)力也顯著增大，由于采厚的增加，支承應(yīng)力峰值位置前移，應(yīng)力集中程度增高。對(duì)照數(shù)值模擬得出的結(jié)果可以看出，隨著開(kāi)采厚度的增大，工作面前方應(yīng)力集中程度和分布范圍均顯著增大，而且工作面后方覆巖能量集中程度也增大，聚集更大彈性應(yīng)變能量的覆巖在發(fā)生滯后破斷時(shí)會(huì)以機(jī)械波的形式將衰減后殘存的能量傳遞至巷道圍巖或工作面前方煤體，并在滿足動(dòng)載擾動(dòng)最大能承應(yīng)力時(shí)誘發(fā)沖擊(圖16和圖17)[19]。

圖16 開(kāi)采厚度與最大主應(yīng)力和彈性應(yīng)變能的影響關(guān)系Fig.16 The relationship between mining thickness and maximum principal stress and elastic strain energy

4 貝葉斯神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分析與預(yù)測(cè)

在動(dòng)靜載疊加啟動(dòng)和分源防治力學(xué)結(jié)構(gòu)下[20]進(jìn)行沖擊力源能量的分析預(yù)測(cè)過(guò)程中，沖擊啟動(dòng)的彈性應(yīng)變能量判據(jù)和動(dòng)載擾動(dòng)傳遞能量臨界能量判據(jù)受距離和地質(zhì)條件因素影響有量級(jí)上的差距，難以利用指數(shù)或打分方式統(tǒng)一判斷沖擊是否發(fā)生。因此建立貝葉斯前向神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)結(jié)合前述應(yīng)力與應(yīng)變能量解析式，對(duì)1411工作面沖擊地壓的影響因素權(quán)重占比和任一位置的沖擊啟動(dòng)區(qū)能量進(jìn)行計(jì)算并預(yù)測(cè)沖擊是否可能發(fā)生。

4.1 反饋貝葉斯神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)影響因素權(quán)重分析

根據(jù)谷歌Deep Mind團(tuán)隊(duì)在深度學(xué)習(xí)領(lǐng)域研究進(jìn)展[21]，通常利用貝葉斯公式作為激活函數(shù)推論神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)所需要的訓(xùn)練量非常大，并且極難求解，此類神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)并不適合進(jìn)行精確推導(dǎo)和權(quán)值求解。取而代之的是使用精確貝葉斯的近似變分求解方法進(jìn)行深入學(xué)習(xí)，通過(guò)改變激活函數(shù)的概率模型和權(quán)值計(jì)算方法，改進(jìn)得到適用于多參量歸一化分析預(yù)測(cè)學(xué)習(xí)的反向貝葉斯神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(BBN)代入前述建立的影響因素與沖擊啟動(dòng)區(qū)彈性應(yīng)變能量的量化聯(lián)系，對(duì)各因素權(quán)重占比進(jìn)行分析。BBN網(wǎng)絡(luò)模型結(jié)構(gòu)如圖18所示。

圖17 不同采厚工作面前方彈性應(yīng)變能分布云圖Fig.17 Counter of elastic strain energy distribution in front of different mining thicknesses

圖18 反饋貝葉斯神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型結(jié)構(gòu)圖Fig.18 Feedback Bayesian neural network model structure diagram

由圖18可知，通過(guò)經(jīng)典后向傳遞過(guò)程求得權(quán)重修正值的方式和改進(jìn)后通過(guò)BNN方法求得權(quán)值分布的方法，每個(gè)連接函數(shù)的求解過(guò)程中的權(quán)值都有獨(dú)立的分布方式相比直接賦予定值更加靈活，學(xué)習(xí)的精度更高，彌補(bǔ)了普通前向神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的缺陷使其更加適用于對(duì)多因素的沖擊影響源耦合訓(xùn)練與分析。

根據(jù)前述解析公式計(jì)算得到的數(shù)據(jù)作為貝葉斯神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練的訓(xùn)練集，數(shù)值模擬運(yùn)算結(jié)果作為驗(yàn)證集將現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)作為網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的測(cè)試集。驗(yàn)證集用于對(duì)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)訓(xùn)練過(guò)程的矯正、連接函數(shù)參數(shù)迭代修正賦值及計(jì)算得到權(quán)值的獨(dú)立分布；測(cè)試集用于校驗(yàn)每次訓(xùn)練結(jié)果是否滿足精度、噪聲、迭代次數(shù)等要求，滿足則結(jié)束迭代過(guò)程，見(jiàn)表1[22]。

表1 貝葉斯優(yōu)化算法過(guò)程Table 1 Bayesian optimization algorithm process

現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)值給出的后驗(yàn)預(yù)測(cè)密度見(jiàn)式(7)。

(7)

取預(yù)測(cè)分布的均值作為實(shí)測(cè)結(jié)果z的預(yù)測(cè)值則見(jiàn)式(8)。

(8)

反饋貝葉斯神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)(BBN)進(jìn)行前向深度學(xué)習(xí)訓(xùn)練的過(guò)程相當(dāng)于利用連接函數(shù)中的權(quán)值計(jì)算調(diào)整理輸入層與輸出層間的量化關(guān)系，一定程度上彌補(bǔ)了解析公式和數(shù)值模擬方法的不足。后向反饋反復(fù)迭代的過(guò)程即是改變權(quán)值從屬的分布方式以及連接函數(shù)的常系數(shù)以優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)使訓(xùn)練結(jié)果精度滿足要求(圖19)。

圖19 反饋貝葉斯神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型計(jì)算結(jié)構(gòu)示意圖Fig.19 Schematic diagram of the calculation structure of the feedback Bayesian neural network model

由于建立的沖擊影響因素權(quán)重的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)有11個(gè)父結(jié)點(diǎn)兩個(gè)子節(jié)點(diǎn)，結(jié)點(diǎn)數(shù)量較多連接結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，為了學(xué)習(xí)的最終結(jié)果足夠精確，訓(xùn)練過(guò)程可能需要1.00e07左右次量級(jí)的迭代，因此學(xué)習(xí)過(guò)程中的數(shù)值計(jì)算可由Matlab軟件實(shí)現(xiàn)。輸入層訓(xùn)練集數(shù)據(jù)為11×200的矩陣數(shù)表，由于篇幅限制僅列出沖擊啟動(dòng)能量的上下限閾值和一組較有代表性的中間組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

表2 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸入層訓(xùn)練集數(shù)據(jù)Table 2 Neural network input layer training set data

BBN計(jì)算后驗(yàn)概率選擇利用貝葉斯正則化方法，則連接函數(shù)適于處理輸入值在(0，1)或(-1，1)區(qū)間范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)組，而11項(xiàng)影響因素參數(shù)大小存在量級(jí)上的較大差異，因此需要利用歸一化公式處理數(shù)據(jù)，見(jiàn)式(9)和式(10)。

(9)

(10)

式中：θ與S分別為用于連接神經(jīng)元的樹(shù)突上的條件事件和概率；x為輸入向量參數(shù)；y為輸出向量參數(shù)；min為某種影響因素輸入集的下限閾值；max為某種影響因素輸入集的上限閾值。

圖20展示了反饋貝葉斯神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練精度與效果。由圖20可知，經(jīng)過(guò)6小時(shí)43秒的1 000次迭代過(guò)程，BNN神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸出數(shù)據(jù)的總體精度達(dá)到R=0.854 39，結(jié)果相關(guān)性置信程度較高，同時(shí)由圖20(b)可知，輸出集置信水平較高而且根據(jù)較集中的置信區(qū)間范圍寬度認(rèn)為輸入集樣本數(shù)量足夠大。由圖20(d)、圖20(e)和圖20(f)可知，貝葉斯神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練學(xué)習(xí)精確度較高，誤差較小且總體分布在0.1附近，擬合程度達(dá)到0.754 64，且認(rèn)為用于預(yù)測(cè)趨勢(shì)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)精確程度達(dá)到0.854 39。綜合上述貝葉斯神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)訓(xùn)練效果認(rèn)為，訓(xùn)練結(jié)果得到的連接函數(shù)結(jié)構(gòu)、隱含層層數(shù)、中間層層數(shù)、函數(shù)的選擇以及修正權(quán)值的獨(dú)立分布均能滿足對(duì)輸入層數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和趨勢(shì)預(yù)測(cè)的要求。根據(jù)Matlab軟件NNtool功能，直接輸出各輸入層神經(jīng)元的權(quán)重，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。

分析BNN神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練結(jié)果得到的權(quán)重?cái)?shù)值以及排序情況可以得到，1411工作面前方煤體中儲(chǔ)存著可以釋放做功的彈性應(yīng)變能量力源主要來(lái)自于深埋積累著的上覆巖層體積重量，埋深占到彈性應(yīng)變能量聚積來(lái)源的約22%。工作面超過(guò)千米的深埋條件同時(shí)也是硐室采場(chǎng)空間挖出后前方峰值應(yīng)力集中系數(shù)K較大，頂?shù)装甯邞?yīng)力集中程度以及頂?shù)装鍘r層和煤層沖擊傾向性較強(qiáng)的先決條件之一。因此在理論解析式的計(jì)算結(jié)果中，埋深與沖擊啟動(dòng)區(qū)彈性應(yīng)變能量的直接關(guān)系雖然并沒(méi)有達(dá)到22%，但由于埋深同時(shí)間接影響著近水平方向主應(yīng)力、沖擊啟動(dòng)區(qū)中心位置水平距及其他并未被解析計(jì)算公式考量在內(nèi)的因素，因此通過(guò)貝葉斯神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法發(fā)現(xiàn)埋深是1411工作面彈性應(yīng)變能量聚積和影響沖擊地壓?jiǎn)?dòng)的權(quán)重占比第一的影響因素。

根據(jù)煤層柱狀圖分析，工作面上方關(guān)鍵層是否能良好承擔(dān)上覆直至地表的巨厚礫巖層同樣也決定著煤層中的應(yīng)力分布和彈性應(yīng)變能量聚積情況。當(dāng)關(guān)鍵層巖梁力學(xué)模型足夠長(zhǎng)時(shí)，抗拉強(qiáng)度對(duì)描述抵抗上覆巖層載荷的層間錯(cuò)動(dòng)以及鉛直方向位移的力學(xué)性質(zhì)比較直觀，并且當(dāng)關(guān)鍵層自身厚度較大時(shí)，傳遞到煤層的載荷也會(huì)增大，關(guān)鍵層的物理力學(xué)性質(zhì)以及巨厚礫巖層重量力源對(duì)工作面前方?jīng)_擊啟動(dòng)區(qū)煤體的主應(yīng)力和應(yīng)變能量分布的影響屬于相互作用相互影響的關(guān)系，在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練分析后得到各因素的獨(dú)立權(quán)重分布，其中上覆巨厚礫巖的厚度權(quán)重值約為14.88%，關(guān)鍵層抗拉強(qiáng)度權(quán)重值約為9.48%，而關(guān)鍵層內(nèi)聚力占比6.2%。

結(jié)合數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)的結(jié)果分析，對(duì)6#煤層保護(hù)層是否開(kāi)采的試驗(yàn)方案在全部影響因素中對(duì)彈性應(yīng)變能量的影響達(dá)到了9.08%；工作面不同的推進(jìn)速度對(duì)沖擊啟動(dòng)區(qū)彈性能量的影響達(dá)到7.33%。另外通過(guò)理論公式計(jì)算和模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn)，沖擊啟動(dòng)區(qū)中心位置的水平以及縱向距離對(duì)沖擊啟動(dòng)也有著6.70%左右的影響。將11項(xiàng)影響因素權(quán)重分別統(tǒng)計(jì)如圖21所示。

其中，天然地質(zhì)類影響因素占76.57%，回采技術(shù)類因素占23.43%。天然地質(zhì)類因素的成因是力源來(lái)自于自然條件，并非人為無(wú)法調(diào)控，如煤體、覆巖的力學(xué)性質(zhì)、沖擊啟動(dòng)區(qū)中心位置的距離等影響因素可以通過(guò)防沖卸壓鉆孔、水射流切頂割縫預(yù)裂、對(duì)高應(yīng)力頂?shù)装寮懊后w巖層水壓致裂的方式改變覆巖以及煤體的力學(xué)性質(zhì)并且擴(kuò)大沖擊阻力區(qū)和破碎區(qū)的長(zhǎng)度，對(duì)沖擊啟動(dòng)區(qū)能量傳遞至巷道或工作面做功起到良好的阻礙效果。因此從防沖措施技術(shù)條件看，又將影響因素分為人為可調(diào)控和不可調(diào)控的因素，其中，人為可調(diào)控因素占48.76%，不可調(diào)控因素約占51.24%。根據(jù)權(quán)重分析結(jié)果得出的人為可控因素中對(duì)沖擊啟動(dòng)區(qū)彈性應(yīng)變能的控制手段優(yōu)先級(jí)排序?yàn)椋孩匍_(kāi)采6#煤層保護(hù)層對(duì)1411工作面進(jìn)行卸壓防沖；②對(duì)工作面前方?jīng)_擊阻力區(qū)煤體采用鉆孔卸壓、水力壓裂等防沖措施，改變煤體的力學(xué)性質(zhì)以降低其儲(chǔ)存、釋放和傳遞彈性應(yīng)變能的能力，同時(shí)也可以達(dá)到增加沖擊阻力區(qū)寬度阻擋沖擊啟動(dòng)區(qū)煤體猛烈釋放彈性應(yīng)變能的沖擊作用；③降低回采速度，可以一定程度減小工作面前方煤體彈性應(yīng)變能量聚積范圍和能量密度，并且增大沖擊阻力區(qū)長(zhǎng)度和范圍以減弱沖擊能量鏈?zhǔn)絺鬟f的顯現(xiàn)劇烈程度；④合理控制開(kāi)采厚度，尤其是合理優(yōu)化采放比，減少源于堅(jiān)硬厚頂板覆巖的斷裂帶來(lái)的微震事件頻次和平均能量，弱化動(dòng)載擾動(dòng)對(duì)沖擊啟動(dòng)區(qū)煤體的破壞引起的能量釋放；⑤通過(guò)水射流預(yù)裂頂板、直接鉆孔注水壓裂或預(yù)置裂縫定向高壓水壓裂等方法降低頂板覆巖的物理力學(xué)性質(zhì)以降低沖擊分區(qū)內(nèi)煤體的峰值應(yīng)力集中情況、彈性應(yīng)變能密度集中程度和分布范圍來(lái)減輕自發(fā)型沖擊的靜載力源。

4.2 貝葉斯神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)沖擊能量與啟動(dòng)預(yù)測(cè)

相比于對(duì)多因素影響的權(quán)重占比求值，BNN網(wǎng)絡(luò)對(duì)于訓(xùn)練組數(shù)據(jù)處理的邏輯過(guò)程更為快速可靠，在前述建立成功的貝葉斯神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上，將歸一化后的訓(xùn)練組數(shù)據(jù)正向迭代擬合，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)邏輯流程、預(yù)測(cè)結(jié)果分別如圖22和圖23所示。

對(duì)采區(qū)有記錄發(fā)生沖擊能級(jí)的15處位置進(jìn)行預(yù)測(cè)檢驗(yàn)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)BNN神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)成功預(yù)測(cè)了14處沖擊能量與顯現(xiàn)程度，認(rèn)為對(duì)華豐煤礦一采區(qū)相近地質(zhì)條件與開(kāi)采工藝下的沖擊啟動(dòng)顯現(xiàn)預(yù)測(cè)準(zhǔn)確程度達(dá)到93.3%。但是對(duì)于其他煤層工作面或其他采區(qū)的預(yù)測(cè)，該訓(xùn)練完成的BNN并不具備準(zhǔn)確預(yù)測(cè)的功能，需要根據(jù)上述過(guò)程重新計(jì)算輸入集數(shù)據(jù)并訓(xùn)練新的貝葉斯神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。

圖20 反饋貝葉斯神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練精度與效果Fig.20 Feedback Bayesian neural network training accuracy and effect

表3 沖擊地壓影響因素權(quán)值計(jì)算結(jié)果Table 3 Weight calculation results of influencing factors of rock burst

圖21 影響因素權(quán)重占比Fig.21 Proportion of influencing factor weight

4.3 對(duì)于巷道沖擊地壓預(yù)測(cè)的研究展望

沖擊地壓事故90%以上發(fā)生于巷道之中[23]，近5年來(lái)有記錄的沖擊地壓事故均發(fā)生在工作面超前回采巷道。由于文中華豐煤礦采用錯(cuò)層位負(fù)煤柱式巷道布置方法，使得巷道在回采期間“有震無(wú)災(zāi)”，因此并未對(duì)巷道圍巖穩(wěn)定性和沖擊啟動(dòng)發(fā)生情況深入討論。在此為全面考慮沖擊地壓的預(yù)測(cè)以及影響因素權(quán)重分析的方法，使本文在對(duì)工作面的沖擊預(yù)測(cè)防治起到作用的同時(shí)也可以充分考慮巷道與采場(chǎng)其他條件的綜合作用對(duì)采出空間遠(yuǎn)近場(chǎng)圍巖沖擊能量聚集、啟動(dòng)、傳遞和顯現(xiàn)的影響，引入巷道蝶形沖擊地壓理論[24]對(duì)巷道掘進(jìn)時(shí)與掘出后出現(xiàn)的蝶形塑性區(qū)及其增量進(jìn)行描述(圖24)。

巷道蝶形沖擊地壓理論是根據(jù)巷道橫截面蝶型塑性區(qū)邊界曲線為安全臨界曲線給出巷道圍巖穩(wěn)定性復(fù)動(dòng)力學(xué)預(yù)警量化解析方法。為量化巷道圍巖應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)分布范圍，喬建永等[25]將塑性區(qū)域邊界成為位移變換的最小不變子集(Julia集)，并根據(jù)Kastner方程[26]刻畫(huà)了巷道橫截面巖土的彈塑區(qū)域的解析規(guī)律。

圖22 BNN預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)模型Fig.22 BNN predictive structure model

引入上述理論方法以期后續(xù)的研究工作中可以將蝶形沖擊地壓理論對(duì)巷道圍巖沖擊能量與分布范圍的定量刻畫(huà)與貝葉斯神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)對(duì)巷道沖擊發(fā)生的時(shí)空預(yù)測(cè)和能級(jí)預(yù)測(cè)。

5 結(jié) 論

1) 工作面開(kāi)切眼后，采出空間導(dǎo)致工作面前方原巖應(yīng)力重新分布形成支承壓力的不同區(qū)域，并且升高位置的支承壓力將煤體破壞形成不會(huì)聚集彈性應(yīng)變能的破碎區(qū)；支承壓力附近處于極限平衡區(qū)的煤體可以聚集少量彈性應(yīng)變能量，總體上對(duì)沖擊能量起到阻礙和間接傳遞的作用并不會(huì)直接釋放大量彈性應(yīng)變能，該范圍內(nèi)煤體屬于沖擊阻力區(qū)；而釋放能量直接對(duì)阻力區(qū)煤體做功，并將能量通過(guò)機(jī)械波和位移做功形式傳遞至破碎區(qū)，將塑性煤體拋向工作面的彈性狀態(tài)單元煤體組成的區(qū)域是沖擊啟動(dòng)傳遞的力源位置，為沖擊啟動(dòng)區(qū)。

圖23 BNN預(yù)測(cè)結(jié)果Fig.23 BNN prediction results

圖24 掘進(jìn)巷道沖擊地壓發(fā)生機(jī)理模型Fig.24 Mechanism model of rock burst in driving roadway

2) 沖擊啟動(dòng)區(qū)部分煤體處于彈性應(yīng)變能量?jī)?chǔ)存的極限狀態(tài)，受到外部擾動(dòng)應(yīng)力達(dá)到一定輸入能量時(shí)，即打破極限平衡態(tài)，能量釋放對(duì)周圍煤體“鏈?zhǔn)健眰鬟f做功。據(jù)此過(guò)程，建立工作面前方煤體應(yīng)力計(jì)算模型，并求解處支承壓力簡(jiǎn)化曲線下任意點(diǎn)位置的最大主應(yīng)力、中間主應(yīng)力和最小主應(yīng)力，而后可以求得該位置聚集的彈性應(yīng)變能量大小。發(fā)現(xiàn)隨著如煤體、覆巖物理力學(xué)性質(zhì)以及采厚、工作面回采速度等影響因素的變化，沖擊啟動(dòng)區(qū)煤體彈性應(yīng)變能量并非隨之正比例變化，而是呈現(xiàn)出動(dòng)態(tài)變化規(guī)律，這說(shuō)明了影響因素之間也在隨著研究參量的變化相互影響。因此，需對(duì)沖擊地壓?jiǎn)?dòng)發(fā)生顯現(xiàn)起到影響作用的影響因素機(jī)理綜合研究分析權(quán)重占比。

3) 結(jié)合彈性應(yīng)變能量解析式計(jì)算和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)記錄，形成神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)輸入集，并根據(jù)輸入集的矩陣維度建立合適的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)選取最適于分析權(quán)重的激活函數(shù)后得到反饋貝葉斯神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)(BNN)，對(duì)訓(xùn)練集數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后，得出1411工作面沖擊地壓發(fā)生的影響因素中，最重要的因素分別是：埋深→覆巖厚度→覆巖抗拉強(qiáng)度→保護(hù)層開(kāi)采→煤體內(nèi)聚力→回采速度→采厚→沖擊啟動(dòng)區(qū)中心位置水平距→覆巖內(nèi)聚力→煤體內(nèi)摩擦角→沖擊啟動(dòng)區(qū)中心位置縱向距。

4) 根據(jù)訓(xùn)練完成的BNN網(wǎng)絡(luò)對(duì)新的輸入向量進(jìn)行擬合預(yù)測(cè)，得到的彈性應(yīng)變能預(yù)測(cè)值與解析公式計(jì)算結(jié)果相近，并且輸入向量數(shù)據(jù)處的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際記錄結(jié)果與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)結(jié)果也基本一致。認(rèn)為根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的天然地質(zhì)參數(shù)和回采技術(shù)參數(shù)訓(xùn)練完成的貝葉斯神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)于煤礦沖擊地壓的啟動(dòng)預(yù)測(cè)具有較好的效果。