本发明提供了一种基于最小临界覆岩保护层厚度下的最优充实率设计方法，主要包括：获取矿区充填开采工作面采高、阻隔层厚度，测试煤岩体、水蒸气的物理力学参数，收集多个矿区充填开采工作面参数；建立矸石重金属离子顶板迁移模型，借助MATLAB软件进行多元回归分析确定最小临界覆岩保护层厚度h″；并基于BP神经网络模型得到工作面采高M、充实率以及覆岩保护层厚度h″与阻隔层厚度H的比例的关系；结合工作面实际参数与临界覆岩保护层厚度h″计算得到工作面最优充实率。本发明通过设计合理的临界覆岩保护层厚度，利用神经网络模型计算得到工作面最优充实率，能有效防止矸石固体充填采空区时对含水层造成的污染，实现对矸石的有效利用。
1.基于最小临界覆岩保护层厚度下的最优充实率设计方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤一、获取多个矿区含水层下充填开采工作面采高M和阻隔层厚度H，其中，阻隔层厚度H即矿区含水层距煤层的距离；
同时收集多个矿区矸石固体充填开采工作面的充实率 以及覆岩保护层厚度h″与阻隔层厚度H的比例 其中，覆岩保护层厚度h″为采动造成的裂隙顶部位置距含水层的距离；
采集待测充填开采工作面煤岩体岩样，测试待测煤岩体岩样的物理力学参数，所述测试煤岩体岩样的物理力学参数包括岩样密度ρ、岩样孔隙率 和岩样渗透率k；
测试待测充填开采工作面内水蒸气的物理性质，所述充填开采工作面内水蒸气的物理性质包括水蒸气可压缩性c′和水蒸气动力黏度m；
步骤二、测量待测井下矸石充填体所在环境的温度，并借助ICP‑MS仪器测试矸石中的重金属离子在潮湿环境下随水分的蒸发而析出的浓度，设计不同的矸石充填体所在环境的温度值与矸石重金属离子析出浓度值，借助COMSOL Multiphysics模拟软件，基于测试待测煤岩体岩样的物理力学参数、水蒸气的物理性质以及所设计不同的矸石充填体所在环境的温度值与矸石重金属离子析出浓度值，建立矸石重金属离子顶板迁移模型，并对模型的充填开采工作面上覆岩层预制裂隙，模拟矸石中的重金属离子在潮湿环境下析出，并随着水分的蒸发沿着裂隙端部向上覆完整岩层渗透迁移的距离，分别得到矸石重金属离子析出浓度c、矸石充填体所处环境的温度T与矸石重金属离子迁移距离h′的关系，并通过MATLAB软件进行多元回归分析，得到矸石重金属离子析出浓度c、矸石充填体所处环境的温度T与矸石重金属离子迁移距离h′的关系表达式： 其中，a为矸石重金属离子析出浓度项的系数，n1为矸石重金属离子析出浓度项的指数，b为矸石充填体所处环境的温度项的系数，n2为矸石充填体所处环境的温度项的指数，d为石重金属离子析出浓度和矸石充填体所处环境的温度乘积项的系数，n3为乘积项中矸石重金属离子析出浓度的指数，n4为乘积项中矸石充填体所处环境的温度的指数，e为关系表达式的常数项；
为保证矿区含水层不被矸石中析出的重金属离子污染，取安全系数λ，则覆岩保护层厚度h″为： 其中，安全系数λ的取值范围为1～2；
其中，所述矸石重金属离子包括锰离子、锌离子、铬离子和铍离子，矸石重金属离子析出浓度c是指锰离子、锌离子、铬离子和铍离子中迁移距离最大的离子析出浓度；
步骤三、依据所收集的多个矿区矸石固体充填工作面参数，统计矿区的充填开采工作面采高M、充实率 以及覆岩保护层厚度h″与阻隔层厚度H的比例 的数据，作为样本数据，并将样本数据进行归一化处理，覆岩保护层厚度h″与阻隔层厚度H的比例 工作面采高M作为输入值，充实率 为输出值，建立BP神经网络模型，所述BP神经网络模型包括输入层、隐含层和输出层，BP神经网络模型的隐含层的激励函数为tansig，BP神经网络模型的输出层的激励函数为logsig函数，并将进行归一化处理后的样本数据带入BP神经网络模型，进行样本训练，获取训练好的BP神经网络模型；
步骤四、将待测矿区含水层下矸石充填体所处环境的温度T与矸石重金属离子析出浓度c代入步骤二覆岩保护层厚度的关系表达式中，得到覆岩保护层厚度h″，再将工作面实际采高M、阻隔层厚度H以及覆岩保护层厚度h″与阻隔层厚度H的比例 带入训练后的BP神经网络模型中，计算得到待测矸石固体充填工作面的最优充实率，从而提高矸石的利用效率；
其中，工作面实际采高M小于样本数据中采高最大值，同时工作面实际采高M大于样本数据中采高最小值。
基于最小临界覆岩保护层厚度下的最优充实率设计方法
技术领域
[0001] 本发明属于最优充实率设计技术领域，具体涉及一种基于最小临界覆岩保护层厚度下的最优充实率设计方法。
背景技术
[0002] 矸石作为煤炭开采和分选过程中排放的固体废物，其回收利用问题和占用土地资源问题越发受到重视，因而矸石固体充填技术不断的得到推广与应用，但伴随着矸石作为充填材料充入采空区，矸石中的重金属离子在潮湿的环境中大量析出，并随着水分子的蒸发沿着顶板裂隙端部向上渗透迁移，将会对矿区具有供水意义的水资源造成一定的影响，目前尚未发现有效的治理方法。因此，确定最小临界覆岩保护层厚度以及矸石固体充填工作面的最优充实率,对地下水资源的保护、矸石资源的利用具有重要意义。
发明内容
[0003] 本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种基于最小临界覆岩保护层厚度下的最优充实率设计方法，获取矿区充填开采工作面采高、阻隔层厚度，测试煤岩体、水蒸气的物理力学参数，收集多个矿区充填开采工作面参数，建立矸石重金属离子顶板迁移模型，利用多元回归分析确定最小临界覆岩保护层厚度h″，并基于BP神经网络模型得到工作面采高M、充实率 以及覆岩保护层厚度h″与阻隔层厚度H的比例 的关系；结合工作面实际参数与临界覆岩保护层厚度h″计算得到工作面最优充实率，有效的防治矸石充填采空区时矸石重金属离子渗透迁移对上覆含水层的污染，保护地下水环境，提高矸石利用率，便于推广使用。
[0004] 为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：基于最小临界覆岩保护层厚度下的最优充实率设计方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
[0005] 步骤一、获取多个矿区含水层下充填开采工作面采高M和阻隔层厚度H，其中，阻隔层厚度H即矿区含水层距煤层的距离；
[0006] 同时收集多个矿区矸石固体充填开采工作面的充实率 以及覆岩保护层厚度h″与阻隔层厚度H的比例 其中，覆岩保护层厚度h″为采动造成的裂隙顶部位置距含水层的距离；
[0007] 采集待测充填开采工作面煤岩体岩样，测试待测煤岩体岩样的物理力学参数，所述测试煤岩体岩样的物理力学参数包括岩样密度ρ、岩样孔隙率 和岩样渗透率k；
[0008] 测试待测充填开采工作面内水蒸气的物理性质，所述充填开采工作面内水蒸气的物理性质包括水蒸气可压缩性c′和水蒸气动力黏度m；
[0009] 步骤二、测量待测井下矸石充填体所在环境的温度，并借助ICP‑MS仪器测试矸石中的重金属离子在潮湿环境下随水分的蒸发而析出的浓度，设计不同的矸石充填体所在环境的温度值与矸石重金属离子析出浓度值，借助COMSOL Multiphysics模拟软件，基于测试待测煤岩体岩样的物理力学参数、水蒸气的物理性质以及所设计不同的矸石充填体所在环境的温度值与矸石重金属离子析出浓度值，建立矸石重金属离子顶板迁移模型，并对模型的充填开采工作面上覆岩层预制裂隙，模拟矸石中的重金属离子在潮湿环境下析出，并随着水分的蒸发沿着裂隙端部向上覆完整岩层渗透迁移的距离，分别得到矸石重金属离子析出浓度c、矸石充填体所处环境的温度T与矸石重金属离子迁移距离h′的关系，并通过MATLAB软件进行多元回归分析，得到矸石重金属离子析出浓度c、矸石充填体所处环境的温度T与矸石重金属离子迁移距离h′的关系表达式： 其中，a为矸石重金属离子析出浓度项的系数，n1为矸石重金属离子析出浓度项的指数，b为矸石充填体所处环境的温度项的系数，n2为矸石充填体所处环境的温度项的指数，d为石重金属离子析出浓度和矸石充填体所处环境的温度乘积项的系数，n3为乘积项中矸石重金属离子析出浓度的指数，n4为乘积项中矸石充填体所处环境的温度的指数，e为关系表达式的常数项；
[0010] 为保证矿区含水层不被矸石中析出的重金属离子污染，取安全系数λ，则覆岩保护层厚度h″为： 其中，安全系数λ的取值范围为1～2；
[0011] 其中，所述矸石重金属离子包括锰离子、锌离子、铬离子和铍离子，矸石重金属离子析出浓度c是指锰离子、锌离子、铬离子和铍离子中迁移距离最大的离子析出浓度；
[0012] 步骤三、依据所收集的多个矿区矸石固体充填工作面参数，统计矿区的充填开采工作面采高M、充实率 以及覆岩保护层厚度h″与阻隔层厚度H的比例 的数据，作为样本数据，并将样本数据进行归一化处理，覆岩保护层厚度h″与阻隔层厚度H的比例 工作面采高M作为输入值，充实率 为输出值，建立BP神经网络模型，所述BP神经网络模型包括输入层、隐含层和输出层，BP神经网络模型的隐含层的激励函数为tansig，BP神经网络模型的输出层的激励函数为logsig函数，并将进行归一化处理后的样本数据带入BP神经网络模型，进行样本训练，获取训练好的BP神经网络模型；
[0013] 步骤四、将待测矿区含水层下矸石充填体所处环境的温度T与矸石重金属离子析出浓度c代入步骤二覆岩保护层厚度的关系表达式中，得到覆岩保护层厚度h″，再将工作面实际采高M、阻隔层厚度H以及覆岩保护层厚度h″与阻隔层厚度H的比例 带入训练后的BP神经网络模型中，计算得到待测矸石固体充填工作面的最优充实率，从而提高矸石的利用效率；其中，工作面实际采高M小于样本数据中采高最大值，同时工作面实际采高M大于样本数据中采高最小值。
[0014] 本发明的有益效果是，可以通过设计确定的最小临界覆岩保护层厚度以及神经网络模型，得到基于最小临界覆岩保护层下矸石固体充填工作面的最优充实率，加强矸石的回收利用，减小了矸石固体充填采空区对地下水环境的影响，有益于环境保护，弥补了矸石固体充填采空区的不足，便于推广使用。
[0015] 下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
[0016] 图1为本发明的方法流程图。
[0017] 图2为本发明的COMSOL Multiphysics数值计算模型图。
具体实施方式
[0018] 如图1和图2所示，本发明的基于最小临界覆岩保护层厚度下的最优充实率设计方法，包括以下步骤：
[0019] 步骤一、获取某矿含水层下充填开采工作面采高M＝7.2m、阻隔层厚度H＝65m，采集该矿充填开采工作面煤岩体岩样，测试岩样的物理力学参数，如表1所示，测试水蒸气的‑1 ‑6物理性质：可压缩性c′＝0.0485Pa 、动力黏度m＝17.9×10 Pa·s，收集多个矿区矸石固体充填开采工作面的充实率 工作面采高M、以及覆岩保护层厚度h″与阻隔层厚度H的比例 其中，覆岩保护层厚度h″为采动造成的裂隙顶部位置距含水层的距离，且工作面采高M、充实率 与采动造成的裂隙高度有直接关系，即工作面采高M、充实率 会直接影响覆岩保护层厚度h″与阻隔层厚度H的比例 的大小，如表2所示；
[0020] 表1
[0021]
[0022]
[0023] 表2
[0024]
[0025] 步骤二、测量该矿井下矸石充填体所在环境的温度T＝307.15K，并借助ICP‑MS仪‑7器测试矸石中的重金属离子在潮湿环境下随水分的蒸发而析出的浓度c＝6.42×10 mol/L，设计不同的矸石充填体所在环境的温度值与矸石重金属离子析出浓度值，本实施例中，矸石重金属离子析出浓度c是指锰离子析出浓度；如图2所示，借助COMSOL Multiphysics模拟软件，基于充填开采工作面煤岩体物理力学参数、水蒸气的物理性质以及所设计数值，建立矸石重金属离子顶板迁移模型，并对模型的充填开采工作面上覆岩层预制裂隙，模拟矸石中的重金属离子在潮湿环境下析出，并随着水分的蒸发沿着裂隙端部向上覆完整岩层渗透迁移的距离，如表3所示，分别得到矸石重金属离子析出浓度c、矸石充填体所处环境的温度T与矸石重金属离子迁移距离h′的关系：
[0026] 表3
[0027]
[0028] 并通过MATLAB软件进行多元回归分析，得到矸石重金属离子析出浓度c、矸石充填体所处环境的温度T与矸石重金属离子迁移距离h′的关系表达式：
[0029] h′＝0.5186c2+52.41c+0.01451T+1.514×104cT+0.2661
[0030] R2＝0.9034
[0031] 为保证该矿的含水层不被矸石中析出的重金属离子污染，取安全系数λ＝1.1，则最小临界覆岩保护层厚度h″为：
[0032] h″＝λh′＝1.1×(0.5186c2+52.41c+0.01451T+1.514×104cT+0.2661)；
[0033] 步骤三、依据所收集的多个矿区矸石固体充填工作面参数，统计矿区的充填开采工作面采高M、充实率 以及覆岩保护层厚度h″与阻隔层厚度H的比例 的数据，作为样本数据，并将样本数据进行归一化处理，覆岩保护层厚度h″与阻隔层厚度H的比例 工作面采高M作为输入值，充实率 为输出值，建立BP神经网络模型，模型由1层输入层、1层隐含层和1层输出层组成，网络隐含层和输出层的激励函数分别为tansig和logsig函数，并将进行归一化处理后的样本数据带入BP神经网络模型，进行样本训练；
[0034] 步骤四、将该矿区含水层下矸石充填体所处环境的温度T＝307.15K与矸石重金属‑7离子析出浓度c＝6.42×10 mol/L代入步骤二的关系表达式中，得到最小临界覆岩保护层厚度h″＝8.479m，再将最小临界覆岩保护层厚度h″＝8.479m与阻隔层厚度H＝65m的比例工作面实际采高M＝7.2m带入训练后的BP神经网络模型，计算得到矸石固体充填工作面的最优充实率为47％，从而提高矸石的利用效率，减小了矸石固体充填采空区对地下水环境的影响，有益于环境保护，弥补了矸石固体充填采空区的不足。
[0035] 以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。
