[发明专利]一种基于黑箱理论的“两带”预测方法

摘要

本发明公开了一种基于黑箱理论的“两带”预测方法，以开采煤层厚度、覆岩岩层性质和分布状态等因素作为黑箱“输入”，地表沉陷状态特征为“输出”变量，推演出导水裂隙带高度，并在实际矿井中运用，煤矿开采引起的覆岩运动和地表沉陷是一个复杂的过程，把受多因素制约的覆岩运动看做黑箱系统，覆岩运动黑箱模型避免对复杂问题的探讨，用简单的思路和方法实现了对煤矿“两带”高度的预测；将实际矿井地质条件带入覆岩运动黑箱模型，通过最大下沉判定假设岩层数目的可行值并得到“两带”高度，提高了预测值与实际值的吻合度。

主权项

1.一种基于黑箱理论的“两带”预测方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一、将覆岩划分为垮落结构层A、裂隙结构层B、弯曲下沉结构层C和松散结构层D；将岩石的垂直变形参数设为抗压强度σ、弹性模量E、黏聚力c和内摩擦角根据黑箱理论模型，上述四项参数与输出量之间可数化成复杂函数与目标函数之间的关系，其中，复杂函数可用二次项式表示为：其中：m＝4，Δh、f(x)为某一结构层内某一岩层厚度变化值；a₀，a_i，a_ij，a_jj为常数；x_i为因子；步骤二、根据式(1)得到：其中：ΔhA，ΔhB，ΔhC分别为垮落结构层、裂隙结构层和弯曲下沉结构层受开采影响变化值；ΔhAi，ΔhBi，ΔhCi分别为对应结构层内某一岩层厚度变化值；I，J，M分别为对应结构层内岩层数目；m为开采煤层厚度；W为开采沉陷最大值；步骤三、根据式(1)中的最小范数：以及式(2)中岩层样本矩阵由Moore‑Penrose广义逆矩阵定理可求得上述式(3)的解为：a＝AT(ATA)‑1ATYN      (5)其中，系数向量为a＝(b1，b2，b3，b4)T，数据向量为yN＝[y1，y2，y3，y4]T；则式(2)可写为：通过式(1)至式(6)的运算得到垮落结构层高度hA和裂隙结构层高度hB；并通过改变式(6)中I，J两个变量的数值判定ΔhA、ΔhB和ΔhC是否满足变化条件，进而求出在ΔhA、ΔhB和ΔhC满足变化条件时的导水裂隙带的高度Hf：Hf＝hA+hB     (7)将通过运算得到的垮落结构层高度和裂隙结构层高度与实际覆岩中的垮落结构层高度和裂隙结构层高度进行比较，得出运算得到的垮落结构层高度和裂隙结构层高度是否在误差范围；上述预测方法需满足以下条件：煤矿开采覆岩岩体在破坏机制上发生张破坏和剪破坏，不发生结构体滚动以及结构体沿结构面滑动和错动；采动岩体的破坏形式为弯曲、断裂、垮落和离层，岩爆、层间错动和块体滚动破坏形式不发生；煤矿应用长壁垮落法，采空区面积能够使上覆岩层达到充分采动条件且覆岩运动趋于稳定；上覆岩层地质构造对覆岩运动影响作用小，即在开采影响区内存在少量或无断裂构造带分布；煤系地层为水平层状岩体；地下水体对采煤和覆岩运动不造成影响；松散层厚度一定，对地表下沉量和水平位移不造成影响。