本發(fā)明屬于巷道施工，具體涉及一種煤礦巷道掘進(jìn)涌水量預(yù)測(cè)方法及裝置。

背景技術(shù)：

1、在煤礦巷道掘進(jìn)過(guò)程中，涌水現(xiàn)象是開(kāi)挖過(guò)程中經(jīng)常面臨的事件，當(dāng)涌水量過(guò)大極易造成涌水災(zāi)害的發(fā)生，因此，有必要對(duì)煤礦巷道掘進(jìn)涌水進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)測(cè)，并采取有效的對(duì)策，以保證巷道施工的安全。

2、目前常采用解析、經(jīng)驗(yàn)和數(shù)值方法組成的研究方法來(lái)估算巷道的涌水量，然而，解析解依賴于給定的水文地質(zhì)假設(shè)，無(wú)法預(yù)測(cè)復(fù)雜水文地質(zhì)條件下的水流，例如裂隙巖層。此外，各種復(fù)雜地質(zhì)條件下的巷道涌水問(wèn)題也可以通過(guò)數(shù)值模擬進(jìn)行分析。然而，數(shù)值模型需要一個(gè)基于輸入地質(zhì)數(shù)據(jù)的真實(shí)概化模型。此外，它們要么沒(méi)有考慮到突水風(fēng)險(xiǎn)的評(píng)估，要么沒(méi)有深刻地揭示突水與影響因素之間的量化關(guān)系。因此，由于給定水文地質(zhì)假設(shè)和這些非均質(zhì)介質(zhì)的簡(jiǎn)化，使用解析解和數(shù)值工具預(yù)測(cè)可能的巷道涌水往往失敗。同時(shí)，上述方法在涌水量計(jì)算時(shí)會(huì)存在計(jì)算效率慢的問(wèn)題，實(shí)際上，整個(gè)地質(zhì)條件可以看作是一個(gè)混沌系統(tǒng)。因此，一般的勘探方法無(wú)法準(zhǔn)確地探測(cè)到水文地質(zhì)特征。

3、基于此，提出了一種煤礦巷道掘進(jìn)涌水量預(yù)測(cè)方法及裝置。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題在于針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種煤礦巷道掘進(jìn)涌水量預(yù)測(cè)方法及裝置，以解決上述背景技術(shù)中提出的問(wèn)題。

2、為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：

3、第一方面，一種煤礦巷道掘進(jìn)涌水量預(yù)測(cè)裝置，包括第一采集槽和第二采集槽、移動(dòng)隔板及伸縮第三采集槽；

4、所述的第一采集槽由隔板、頂部鋼筋漏網(wǎng)及前端鋼筋漏網(wǎng)組成，所述的頂部鋼筋漏網(wǎng)設(shè)置在隔板的頂面，所述頂部鋼筋漏網(wǎng)用于承接頂部較大粒徑的落石，同時(shí)保證巷道涌水都可流進(jìn)涌水量采集裝置內(nèi)，所述的前端鋼筋網(wǎng)設(shè)置在隔板的前端，所述前端鋼筋漏網(wǎng)用于過(guò)濾巷道涌水的沙石；

5、所述的第二采集槽內(nèi)部設(shè)置有槽深高度刻度，且在所述第二采集槽內(nèi)部還設(shè)置有浮力圓球；

6、所述移動(dòng)隔板上設(shè)置有凹槽，所述凹槽內(nèi)部設(shè)置有拉伸桿、轉(zhuǎn)動(dòng)軸、轉(zhuǎn)動(dòng)桿、壓縮桿、壓縮u形桿，所述移動(dòng)隔板與第二采集槽連接處設(shè)置有第一彈簧和第二彈簧；

7、所述第三采集槽內(nèi)設(shè)置有槽深刻度，所述第三采集槽的第一隔板上的第三滑槽為凸形滑槽，所述第三滑槽位于第一隔板內(nèi)側(cè)，所述第二采集槽的第一滑槽為凹形滑槽，所述第一滑槽位于第二采集槽的外側(cè)，所述第三滑槽與第一滑槽扣在一起實(shí)現(xiàn)第一隔板的連接與滑動(dòng)，所述第二隔板上的第四滑槽為凸形滑槽，所述第四滑槽位于第二隔板內(nèi)側(cè)，所述第二采集槽的第二滑槽為凹形滑槽，所述第二滑槽位于第二采集槽的外側(cè)，所述第四滑槽與第二滑槽扣在一起實(shí)現(xiàn)第二隔板的連接與滑動(dòng)，通過(guò)伸縮第一隔板及第二隔板改變第三采集槽的容積；

8、第二采集槽內(nèi)的浮力球通過(guò)連接桿與拉伸桿連接，當(dāng)?shù)诙杉壑械挠克窟_(dá)到其容量值時(shí)，涌水量繼續(xù)增加帶動(dòng)浮力球上升超過(guò)其允許高度，浮力球上升帶動(dòng)拉伸桿拉動(dòng)，通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)桿帶動(dòng)壓縮桿及壓縮u型桿的活動(dòng)完成移動(dòng)隔板的滑動(dòng)作業(yè)，產(chǎn)生開(kāi)口，使得第二采集槽中的涌水流入第三采集槽，移動(dòng)隔板移動(dòng)，壓縮第一彈簧和第二彈簧，當(dāng)?shù)诙杉壑械挠克炕謴?fù)至允許高度后，浮力球回落，第一彈簧和第二彈簧帶動(dòng)移動(dòng)隔板關(guān)閉，第二采集槽中的涌水不再流入第三采集槽內(nèi)。

9、第二方面，一種煤礦巷道掘進(jìn)涌水量預(yù)測(cè)裝置的預(yù)測(cè)方法，包括以下步驟：

10、步驟1、對(duì)煤礦巷道掘進(jìn)斷面地質(zhì)關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行勘探獲取，并通過(guò)預(yù)測(cè)裝置對(duì)煤礦巷道內(nèi)的涌水量進(jìn)行采集；

11、步驟2、建立煤礦巷道掘進(jìn)涌水量預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)樣本；

12、步驟3、提取涌水量預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)的主要特征；

13、步驟4、基于特征向量樣本進(jìn)行訓(xùn)練構(gòu)建多個(gè)預(yù)測(cè)模型，通過(guò)多個(gè)預(yù)測(cè)模型建立輸入?yún)?shù)與輸出參數(shù)的非線性映射關(guān)系；

14、所述的映射關(guān)系表示為s＝tr(z)

15、式中，s為預(yù)測(cè)輸出參數(shù)即為涌水量數(shù)據(jù)，

16、tr為建立的映射關(guān)系的表達(dá)形式；

17、z為預(yù)測(cè)輸入的的參數(shù)，z＝[z1，z2，z3，z4，z5，z6]，z1為圍巖裂隙發(fā)育度，z2為破碎圍巖透水率，z3為上覆破碎帶與巷道頂板的距離，z4為圍巖含水層的富水特性，z5為上覆巖層孔隙水壓力，z6為巷道深度；

18、步驟5、采用改進(jìn)機(jī)器尋優(yōu)算法對(duì)預(yù)測(cè)模型的參數(shù)預(yù)測(cè)模型數(shù)量q及最大特征數(shù)l進(jìn)行最優(yōu)值的獲取；

19、步驟6、將通過(guò)改進(jìn)機(jī)器尋優(yōu)算法尋優(yōu)得到的最優(yōu)預(yù)測(cè)模型數(shù)量q及最大特征數(shù)l賦予前述預(yù)測(cè)模型，對(duì)建立的特征向量樣本進(jìn)行訓(xùn)練，得到優(yōu)化后預(yù)測(cè)模型；

20、步驟7、輸入巷道未施工區(qū)域關(guān)鍵參數(shù)勘測(cè)值，通過(guò)優(yōu)化后預(yù)測(cè)模型對(duì)巷道未施工區(qū)域涌水量進(jìn)行預(yù)測(cè)，獲得后期巷道掘進(jìn)涌水量預(yù)測(cè)結(jié)果，并根據(jù)涌水量預(yù)測(cè)結(jié)果制定相應(yīng)的處置措施。

21、作為本發(fā)明的進(jìn)一步說(shuō)明，步驟1中所述的地質(zhì)關(guān)鍵參數(shù)包含圍巖裂隙發(fā)育度、破碎圍巖透水率、上覆破碎帶與巷道頂板的距離、圍巖含水層的富水特性、上覆巖層的孔隙水壓力、巷道深度。

22、作為本發(fā)明的進(jìn)一步說(shuō)明，步驟1中涌水量采集具體數(shù)據(jù)如下：

23、所述的涌水量s'i＝a×b1×h1+a×b2×h2

24、式中：a為預(yù)測(cè)裝置的寬度；

25、b1第二采集槽的寬度；

26、h1為第二采集槽的水位高度；

27、b2為第三采集槽的寬度；

28、h2為第三采集槽的水位高度。

29、作為本發(fā)明的進(jìn)一步說(shuō)明，步驟2中所述的數(shù)據(jù)樣本包含輸入?yún)?shù)及輸出參數(shù)；

30、其中所述的輸入?yún)?shù)包含圍巖裂隙發(fā)育度、破碎圍巖透水率、上覆破碎帶與巷道頂板的距離、圍巖含水層的富水特性、上覆巖層孔隙水壓力、巷道深度；

31、所述的輸出參數(shù)為煤礦巷道掘進(jìn)涌水量。

32、作為本發(fā)明的進(jìn)一步說(shuō)明，步驟3中提取涌水量預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)的主要特征為采用卷積池化操作，從前述采集的預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)樣本提關(guān)鍵參數(shù)特征值，形成特征向量樣本，形成特征向量樣本包括以下步驟；

33、將采集到的包含圍巖裂隙發(fā)育度、破碎圍巖透水率、上覆破碎帶與巷道頂板的距離、圍巖含水層的富水特性、上覆巖層孔隙水壓力、巷道深度及巷道掘進(jìn)涌水量進(jìn)行樣本劃分及標(biāo)準(zhǔn)化操作，通過(guò)卷積池化操作，輸出一維特征序列，從而形成特征向量樣本。

34、作為本發(fā)明的進(jìn)一步說(shuō)明，步驟5包括以下步驟：

35、初始化種群位置，設(shè)定種群規(guī)模共有n個(gè)尋優(yōu)者，每個(gè)位置以wi＝(li，qi)表示，并對(duì)適應(yīng)度值進(jìn)行設(shè)定，所述適應(yīng)度值函數(shù)設(shè)定為：

36、

37、式中：si為涌水量真實(shí)值；

38、s'i為涌水量預(yù)測(cè)值；

39、n表示第n個(gè)樣本；

40、選取部分適應(yīng)值較高的個(gè)體作為發(fā)現(xiàn)者進(jìn)行搜索結(jié)果，發(fā)現(xiàn)者的搜索范圍大于加入者的搜索范圍，在進(jìn)行每次的迭代尋優(yōu)過(guò)程中，根據(jù)如下公式進(jìn)行位置的更新：

41、

42、式中：為第t+1次迭代時(shí)第i個(gè)尋優(yōu)者在第k維的位置；

43、為第t次迭代時(shí)第i個(gè)尋優(yōu)者在第k維的位置；

44、v為服從于正態(tài)分布的隨機(jī)數(shù)；

45、h為一個(gè)1×d維的且元素均為1的數(shù)列；

46、yz為預(yù)警值，其取值范圍為[0，1]；

47、az為安全值，az的取值范圍為[0.5，1]。

48、

49、加入者依據(jù)結(jié)果質(zhì)量、位置進(jìn)行判斷并獲取能量，當(dāng)加入者察覺(jué)發(fā)現(xiàn)者獲得更加優(yōu)質(zhì)的結(jié)果時(shí)會(huì)前往爭(zhēng)奪，爭(zhēng)奪成功即可替代發(fā)現(xiàn)者的位置，加入者按照下式進(jìn)行更新：

50、

51、式中：為第t次迭代時(shí)的全局最優(yōu)位置；

52、γ為步長(zhǎng)及方向控制參數(shù)，是服從標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布的隨機(jī)數(shù)；

53、η為隨機(jī)數(shù)，其取值范圍為[-1，1]，

54、fo為全局最優(yōu)位置的適應(yīng)度數(shù)值；

55、fb為全局最差位置的適應(yīng)度數(shù)值；ω為最小常數(shù)。

56、作為本發(fā)明的進(jìn)一步說(shuō)明，步驟6優(yōu)化后預(yù)測(cè)模型的形成過(guò)程如下：

57、從建立的特征向量樣本中通過(guò)放回抽樣的方式生成q個(gè)各具特色的訓(xùn)練集，建立q個(gè)各具特色的預(yù)測(cè)模型；

58、設(shè)定特征的總維度為l，基于最優(yōu)分裂策略進(jìn)行節(jié)點(diǎn)的分裂，最大化地利用信息并最小化誤差，進(jìn)一步形成多個(gè)優(yōu)化后的預(yù)測(cè)模型；

59、采用加權(quán)平均的方法實(shí)現(xiàn)單個(gè)優(yōu)化后預(yù)測(cè)模型的預(yù)測(cè)，通過(guò)對(duì)最終形成的多個(gè)優(yōu)化后的預(yù)測(cè)模型的預(yù)測(cè)結(jié)果進(jìn)去平均值的獲取，最終建立開(kāi)挖斷面地質(zhì)關(guān)鍵參數(shù)與巷道掘進(jìn)涌水量的映射關(guān)系。

60、作為本發(fā)明的進(jìn)一步說(shuō)明，步驟7優(yōu)化后預(yù)測(cè)模型對(duì)煤礦巷道未掘進(jìn)區(qū)域涌水量進(jìn)行預(yù)測(cè)過(guò)程如下：

61、對(duì)煤礦巷道未掘進(jìn)區(qū)段的關(guān)鍵參數(shù)圍巖裂隙發(fā)育度、破碎圍巖透水率、上覆破碎帶與巷道頂板的距離、圍巖含水層的富水特性、上覆巖層孔隙水壓力、巷道深度進(jìn)行提前勘測(cè)，并將上述勘測(cè)參數(shù)輸入優(yōu)化后的預(yù)測(cè)模型，通過(guò)優(yōu)化后的預(yù)測(cè)模型實(shí)現(xiàn)未掘進(jìn)區(qū)段涌水量預(yù)測(cè)值的輸出，根據(jù)涌水量預(yù)測(cè)結(jié)果，提前制定相應(yīng)的處置措施，保證安全生成的順利進(jìn)行。

62、本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下優(yōu)點(diǎn)：

63、本發(fā)明可以實(shí)現(xiàn)煤礦巷道未開(kāi)挖區(qū)段涌水量的快速且較為準(zhǔn)確的獲取，可以有效指導(dǎo)開(kāi)挖支護(hù)措施及排水措施的制定，對(duì)促進(jìn)安全生產(chǎn)具有重要的意義。