本發(fā)明涉及覆巖“兩帶”預測領域，尤其涉及一種基于黑箱理論的“兩帶”預測方法。

背景技術：

煤礦開采引起覆巖運動和破壞是復雜的時空過程；研究地表移動變形大小、空間分布形態(tài)對地面建筑物與構筑物、鐵路與公路、水資源的保護具有十分重要的意義；然而存在于一定地質條件下的頂板巖層是一種受多因素制約的復雜結構體，多種制約因素通過不同形式的組合，使得覆巖體的變形、破壞形式在采礦活動中展現(xiàn)出極大地差異；因此可以把覆巖運動看作不為人所知的區(qū)域系統(tǒng)，即“黑箱”。該區(qū)域的內部結構演變要素和機制是未知的，通過觀察黑箱“輸入”、“輸出”的變量，推演、尋找和發(fā)現(xiàn)其內部的規(guī)律，從而利用黑箱方法實現(xiàn)對覆巖運動的研究。現(xiàn)今黑箱理論應用于諸多科學領域并得到發(fā)展，從新的角度理解科學和技術的關系；而應用新的黑箱理論結合實例討論黑箱問題的成因、特點及解決方法。

技術實現(xiàn)要素：

鑒于上述現(xiàn)有技術的不足，本發(fā)明的目的在于提供的一種基于黑箱理論的“兩帶”預測方法，以提高預測值與實際值的吻合度。

為解決上述技術問題，本發(fā)明方案包括：

一種基于黑箱理論的“兩帶”預測方法，其包括以下步驟：

a、將覆巖劃分為垮落結構層a、裂隙結構層b、彎曲下沉結構層c和松散結構層d；

巖石的垂直變形的相關參數為抗壓強度σ、彈性模量e、黏聚力c和內摩擦角對于黑箱理論模型，該四項參數與輸出量δh之間可數化成復雜函數與目標函數之間的關系，復雜函數可用二次項式表示為：

其中：m＝4，δh、f(x)為某一結構層內某一巖層厚度變化值；a0,ai,aij,ajj為常數；xi為因子；

b、根據式(1)得出：

其中：δha，δhb，δhc為垮落結構層、裂隙結構層和彎曲下沉結構層受開采影響變化值；δhai，δhbi，δhci為對應結構層內某一巖層厚度變化值；i,j,m-1為三個結構層內巖層數目；m為開采煤層厚度；w為開采沉陷最大值；

c、根據式(1)中最小范數為：

以及式(2)中巖層樣本矩陣

其中，系數向量為a＝(b1,b2,b3,b4)^t，數據向量為yn＝[y1,y2,y3,y4]^t；由moore–penrose廣義逆矩陣定理可求得上述式(3)的解為：

a＝a^t(a^ta)^-1a^tyn(5)

則式(2)可寫為：

由式(6)得到，通過預測i,j兩個變量的數值便可檢驗δha、δhb和δhc是否滿足變化條件，進而確定在條件i,j下的導水裂隙帶的高度hf：

hf＝ha+hb(7)

其中，ha為垮落結構層高度；hb為裂隙結構層高度；

通過上述式(1)至式(6)的運算最終得到垮落結構層高度與裂隙結構層高度，并與實際覆巖中的垮落結構層高度與裂隙結構層高度進行比較，得知計算得到的垮落結構層高度與裂隙結構層高度是否在誤差范圍。

所述的“兩帶”預測方法，其中，上述預測方法需滿足以下條件：

煤礦開采覆巖巖體在破壞機制上主要發(fā)生張破壞和剪破壞，基本不發(fā)生結構體滾動以及結構體沿結構面滑動和錯動；采動巖體主要的破壞形式為彎曲、斷裂、垮落和離層，巖爆、層間錯動和塊體滾動等破壞形式基本不發(fā)生；

煤礦應用長壁垮落法，采空區(qū)面積能夠使上覆巖層達到充分采動條件且覆巖運動趨于穩(wěn)定；

上覆巖層地質構造對覆巖運動影響作用小，即在開采影響區(qū)內存在少量或無斷裂構造帶分布；

煤系地層為水平層狀巖體；

地下水體對采煤和覆巖運動不造成影響；

松散層厚度一定，對地表下沉量和水平位移不造成影響。

本發(fā)明提供的一種基于黑箱理論的“兩帶”預測方法，以開采煤層厚度、覆巖巖層性質和分布狀態(tài)等因素作為黑箱“輸入”，地表沉陷狀態(tài)特征為“輸出”變量，推演出導水裂隙帶高度，并在實際礦井中運用，煤礦開采引起的覆巖運動和地表沉陷是一個復雜的過程，把受多因素制約的覆巖運動看做黑箱系統(tǒng)，覆巖運動黑箱模型避免對復雜問題的探討，用簡單的思路和方法實現(xiàn)了對煤礦“兩帶”高度的預測；將實際礦井地質條件帶入覆巖運動黑箱模型，通過最大下沉判定假設巖層數目的可行值并得到“兩帶”高度，提高了預測值與實際值的吻合度。

附圖說明

圖1為本發(fā)明中黑箱模型的示意圖；

圖2為本發(fā)明中“兩帶”預測方法的示意圖。

具體實施方式

本發(fā)明提供了一種基于黑箱理論的“兩帶”預測方法，為使本發(fā)明的目的、技術方案及效果更加清楚、明確，以下對本發(fā)明進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。

本發(fā)明提供了一種基于黑箱理論的“兩帶”預測方法，如圖1所示的，黑箱是只能得到它的輸入和輸出值而不知其內部結構的系統(tǒng)。黑箱方法就是避開復雜的內部結構進行外部特性的研究，推出有可能的內部結構，因為不同的系統(tǒng)也能產生同樣的行為輸出，因此把具有同樣輸入值和輸出值，對外部刺激有同樣反應的系統(tǒng)成為同構系統(tǒng)；在大量同構系統(tǒng)之間，推演出的黑箱模型與原型之間存在某種相似性，利用這種相似性完成對覆巖“兩帶”高度的預測；在覆巖運動黑箱模型中，將覆巖力學性質、層位和巖體結構等作為黑箱主體，將人工開挖煤層厚度、采空區(qū)面積等作為客體。模型中客體與主體的關系可歸結為兩部分，一是客體對主體的作用，用可觀察量表示；二是主體對客體的主制作用，用可控制量表示。覆巖運動黑箱模型即為主體和客體之間的反饋耦合。

研究黑箱行為就是繞過內部復雜未知的結構從外部研究系統(tǒng)的特性，該系統(tǒng)的行為決定于外界對它的輸入值x1,x2,…,xn和本身對外界的輸出值y1,y2,…,ym，通過充分了解已知的輸入變化和輸出變化，在足夠長的時間觀察其行為變化，可推演出內部系統(tǒng)的相似結構，如式(7)所示的，

本發(fā)明中“兩帶”預測方法具體的如圖2所示的，其包括以下步驟：

步驟一，將覆巖劃分為垮落結構層a、裂隙結構層b、彎曲下沉結構層c和松散結構層d；

巖石的垂直變形的相關參數為抗壓強度σ、彈性模量e、黏聚力c和內摩擦角對于黑箱理論模型，該四項參數與輸出量δh之間可數化成復雜函數與目標函數之間的關系，復雜函數可用二次項式表示為：

其中：m＝4，δh、f(x)為某一結構層內某一巖層厚度變化值；a0,ai,aij,ajj為常數；xi為因子；

步驟二，根據式(1)得出：

其中：δha，δhb，δhc為垮落結構層、裂隙結構層和彎曲下沉結構層受開采影響變化值；δhai，δhbi，δhci為對應結構層內某一巖層厚度變化值；i,j,m-1為三個結構層內巖層數目；m為開采煤層厚度；w為開采沉陷最大值；

步驟三，根據式(1)中最小范數為：

以及式(2)中巖層樣本矩陣

其中，系數向量為a＝(b1,b2,b3,b4)^t，數據向量為yn＝[y1,y2,y3,y4]^t；由moore–penrose廣義逆矩陣定理可求得上述式(3)的解為：

a＝a^t(a^ta)^-1a^tyn(5)

則式(2)可寫為：

由式(6)得到，通過預測i,j兩個變量的數值便可檢驗δha、δhb和δhc是否滿足變化條件，進而確定在條件i,j下的導水裂隙帶的高度hf：

hf＝ha+hb(7)

其中，ha為垮落結構層高度；hb為裂隙結構層高度；

通過上述式(1)至式(6)的運算最終得到垮落結構層高度與裂隙結構層高度，并與實際覆巖中的垮落結構層高度與裂隙結構層高度進行比較，得知計算得到的垮落結構層高度與裂隙結構層高度是否在誤差范圍。

而且為了使上述預測方法與實際情況更溫和，上述預測方法還需滿足以下條件：

煤礦開采覆巖巖體在破壞機制上主要發(fā)生張破壞和剪破壞，基本不發(fā)生結構體滾動以及結構體沿結構面滑動和錯動；采動巖體主要的破壞形式為彎曲、斷裂、垮落和離層，巖爆、層間錯動和塊體滾動等破壞形式基本不發(fā)生；

煤礦應用長壁垮落法，采空區(qū)面積能夠使上覆巖層達到充分采動條件且覆巖運動趨于穩(wěn)定；

上覆巖層地質構造對覆巖運動影響作用小，即在開采影響區(qū)內存在少量或無斷裂構造帶分布；

煤系地層為水平層狀巖體；

地下水體對采煤和覆巖運動不造成影響；

松散層厚度一定，對地表下沉量和水平位移不造成影響。

為了更進一步的描述本發(fā)明，以下列舉更為詳盡的實施例進行說明。

為驗證本發(fā)明推導的“兩帶”高度計算公式的可行性和準確性，按某礦實際地層分布和地表沉陷特征進行驗證，覆巖性質及分層厚度如表1所示，煤礦開采煤層上覆巖層厚度為201m，巖層層數為15，該礦實際開采厚度為3.5m。

表1

由大量的現(xiàn)場實測數據可知地表沉陷最大值w為2537mm。覆巖運動黑箱模型輸出值為w，輸入值為抗壓強度σ、彈性模量e、黏聚力c、內摩擦角巖層層數、覆巖厚度和開采厚度。依據煤礦開采實際經驗令i值為1，2，3，j值為3，4，5，共九種組合。將各值帶入上述公式利用spss軟件進行運算，黑箱模型運算結果如表2所示。

表2

通過表2輸出預測地表最大下沉值w′可知，當i＝2，j＝3時模型預測值與實際地表下沉值差值最小，該條件下垮落帶高度為10.27m，裂隙帶高度為40.36m。在根據本發(fā)明中式(1)至式(6)的“兩帶”高度計算式對該結果進行驗證:

而且覆巖為中硬巖層，采厚為3.5m，經計算可得垮落帶高度為8.31m～12.07m，裂隙帶高度為32.44m～43.64m。因此覆巖運動黑箱模型計算出的“兩帶”與經驗公式計算值相近，提高了預測值與實際值的吻合度。

當然，以上說明僅僅為本發(fā)明的較佳實施例，本發(fā)明并不限于列舉上述實施例，應當說明的是，任何熟悉本領域的技術人員在本說明書的教導下，所做出的所有等同替代、明顯變形形式，均落在本說明書的實質范圍之內，理應受到本發(fā)明的保護。