摘要
我国西部煤炭资源丰富，赋存稳定，开采条件优越，适用于大规模机械化作业。但矿区覆岩岩性砂岩占比大，呈现明显的弱胶结性;部分煤矿煤层埋藏深、采高大，开采扰动破坏作用明显，极易引起覆岩运动和导水裂隙带的发育，沟通上部近含水层结构，造成顶板突水灾害。本文针对西部矿区营盘壕煤矿项板突水问题，开展以下研究。运用薄板理论分析了顶板关键层的受力和破断规律，确定了关键层的位置，并进一步分别采用关键层判别法和经验公式法计算导水裂缝带发育高度作为参照。通过机器学习仿真计算营盘壕矿顶板导水裂缝带高度，将支持向量回归机预测的定量结果通过ArcGIS实现定性可视化，并利用FLAC3D软件进行数值模拟，验证了支持向量机预测覆岩破坏高度分区的准确性。构建基于EM-FANP的双因子赋权脆弱性指数法模型，确定研究区富水因素权重值并绘制归一化专题图，将主控因素专题图按照权重耦合得到富水性分区，最后与导水裂缝带发育高度分区耦合得到顶板突水危险性分区。结合实际生产管理的需要，开发并设计营盘壕矿顶板突水监测预警软件平台，实现了对突水量、突水点、突水时间的实时动态预警。论文主要研究结果包括以下几个方面: (1)通过力学分析和岩性结构、水文地质构造分析，结合上三带理论，将营盘壕矿研究区采动覆岩破坏从上到下依次划分为弯曲下沉带、裂隙带和垮落带。其中后两者组成导水裂缝带，有正交、斜交等发育形态，其形成机理与地质岩性和采动应力相关。以弹性薄板理论为基础的关键层破断模型从采动导致应力失衡从而岩层失稳运动的角度，分析了由关键层主导的覆岩破坏过程。 (2)对采动覆岩破坏高度影响因素进行筛选比较和关联性分析，确定覆岩破坏二维因子影响源。基于MATLAB平台搭建PSO-SVM模型，利用相似地质的二维因子数据库，对研究区钻孔的两带发育高度进行预测仿真，采用ArcGIS数据空间分析功能和克里金插值法对研究区的未知地理信息进行评估插值，得到营盘壕煤矿导水裂缝带发育分布图。运用FLAC3D实现采动开挖导致的覆岩破坏的数值模拟，证明了力学模型的假设和回归模型的准确性。 (3)利用博弈论结合熵权法的客观求解和模糊网络层次分析法的主观求解，基于脆弱性指数法将主控因素专题图在ArcGIS中按权重占比耦合，按自然断点法对富水性分区并与导水裂缝带分布图耦合，将研究区划分为危险区、较危险区、过渡区、安全区和较安全区。 (4)研制开发功能齐备、界面简洁的以对研究区煤矿顶板突水灾害定性分区为主线的营盘壕矿顶板突水监测预警软件平台，可以查看、添加、编辑矿井突水监测维护信息并进行矿数据统计，实时通过压力传感器记录围岩应力变化、观测点突水量和时间等不同维度的数据，对突水灾害进行预测预警。
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