[發明專利]基于最小臨界覆巖保護層厚度下的最優充實率設計方法

有效

• 申請號: 202210220170.5
• 申請日: 2022-03-08
• 公開（公告）號: CN114547911B
• 公開（公告）日: 2023-02-21
• 發明（設計）人: 張云;劉永孜;來興平;張雷銘;萬培烽;張楠;單鵬飛;涂宇航;吳龍泉
• 申請（專利權）人: 西安科技大學
• 主分類號: G06F30/20
• 分類號: G06F30/20;E21F15/00;G06N3/04
• 代理公司: 西安創知專利事務所 61213
• 代理人: 馬鳳云

1.基于最小臨界覆巖保護層厚度下的最優充實率設計方法，其特征在于，該方法包括以下步驟：

步驟一、獲取多個礦區含水層下充填開采工作面采高M和阻隔層厚度H，其中，阻隔層厚度H即礦區含水層距煤層的距離；

同時收集多個礦區矸石固體充填開采工作面的充實率以及覆巖保護層厚度h″與阻隔層厚度H的比例其中，覆巖保護層厚度h″為采動造成的裂隙頂部位置距含水層的距離；

采集待測充填開采工作面煤巖體巖樣，測試待測煤巖體巖樣的物理力學參數，所述測試煤巖體巖樣的物理力學參數包括巖樣密度ρ、巖樣孔隙率和巖樣滲透率k；

測試待測充填開采工作面內水蒸氣的物理性質，所述充填開采工作面內水蒸氣的物理性質包括水蒸氣可壓縮性c′和水蒸氣動力黏度m；

步驟二、測量待測井下矸石充填體所在環境的溫度，并借助ICP-MS儀器測試矸石中的重金屬離子在潮濕環境下隨水分的蒸發而析出的濃度，設計不同的矸石充填體所在環境的溫度值與矸石重金屬離子析出濃度值，借助COMSOL Multiphysics模擬軟件，基于測試待測煤巖體巖樣的物理力學參數、水蒸氣的物理性質以及所設計不同的矸石充填體所在環境的溫度值與矸石重金屬離子析出濃度值，建立矸石重金屬離子頂板遷移模型，并對模型的充填開采工作面上覆巖層預制裂隙，模擬矸石中的重金屬離子在潮濕環境下析出，并隨著水分的蒸發沿著裂隙端部向上覆完整巖層滲透遷移的距離，分別得到矸石重金屬離子析出濃度c、矸石充填體所處環境的溫度T與矸石重金屬離子遷移距離h′的關系，并通過MATLAB軟件進行多元回歸分析，得到矸石重金屬離子析出濃度c、矸石充填體所處環境的溫度T與矸石重金屬離子遷移距離h′的關系表達式：其中，a為矸石重金屬離子析出濃度項的系數，n₁為矸石重金屬離子析出濃度項的指數，b為矸石充填體所處環境的溫度項的系數，n₂為矸石充填體所處環境的溫度項的指數，d為石重金屬離子析出濃度和矸石充填體所處環境的溫度乘積項的系數，n₃為乘積項中矸石重金屬離子析出濃度的指數，n₄為乘積項中矸石充填體所處環境的溫度的指數，e為關系表達式的常數項；

為保證礦區含水層不被矸石中析出的重金屬離子污染，取安全系數λ，則覆巖保護層厚度h″為：其中，安全系數λ的取值范圍為1～2；

其中，所述矸石重金屬離子包括錳離子、鋅離子、鉻離子和鈹離子，矸石重金屬離子析出濃度c是指錳離子、鋅離子、鉻離子和鈹離子中遷移距離最大的離子析出濃度；

步驟三、依據所收集的多個礦區矸石固體充填工作面參數，統計礦區的充填開采工作面采高M、充實率以及覆巖保護層厚度h″與阻隔層厚度H的比例的數據，作為樣本數據，并將樣本數據進行歸一化處理，覆巖保護層厚度h″與阻隔層厚度H的比例工作面采高M作為輸入值，充實率為輸出值，建立BP神經網絡模型，所述BP神經網絡模型包括輸入層、隱含層和輸出層，BP神經網絡模型的隱含層的激勵函數為tansig，BP神經網絡模型的輸出層的激勵函數為logsig函數，并將進行歸一化處理后的樣本數據帶入BP神經網絡模型，進行樣本訓練，獲取訓練好的BP神經網絡模型；

步驟四、將待測礦區含水層下矸石充填體所處環境的溫度T與矸石重金屬離子析出濃度c代入步驟二覆巖保護層厚度的關系表達式中，得到覆巖保護層厚度h″，再將工作面實際采高M、阻隔層厚度H以及覆巖保護層厚度h″與阻隔層厚度H的比例帶入訓練后的BP神經網絡模型中，計算得到待測矸石固體充填工作面的最優充實率，從而提高矸石的利用效率；其中，工作面實際采高M小于樣本數據中采高最大值，同時工作面實際采高M大于樣本數據中采高最小值。