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基于机器学习的煤层顶板含水层涌（突）水危险性预测方法研究

基于机器学习的煤层顶板含水层涌（突）水危险性预测方法研究

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作者：王万西安科技大学

学位级别：硕士

为解决我国陕北浅埋煤层开采过程中顶板含水层涌(突)水问题,基于“三图-双预测”理论,将机器学习算法应用到顶板含水层涌(突)水危险性预测中,以提升预测准确性,为陕北矿企的煤层顶板含水层水害防治工作提供有力依据,本文的主要研究内容... 详细信息

为解决我国陕北浅埋煤层开采过程中顶板含水层涌(突)水问题,基于“三图-双预测”理论,将机器学习算法应用到顶板含水层涌(突)水危险性预测中,以提升预测准确性,为陕北矿企的煤层顶板含水层水害防治工作提供有力依据,本文的主要研究内容和成果如下:(1)通过分析浅埋煤层顶板含水层涌(突)水机理,得出煤层顶板含水层主要水源为风化基岩水,其发生涌(突)水的危险性主要由含水层风化基岩富水性及导水裂隙带发育高度共同决定,并分析风化基岩富水性和导水裂隙带发育高度的主要影响因素。(2)含水层风化基岩富水性预测模型的构建。首先基于方差过滤和交叉递归特征消除算法对含水层富水性影响因素进行特征选择,并利用XGBoost模型构造高级特征。然后基于stacking策略融合SoftMax和随机森林,构建含水层风化基岩富水性预测模型。最后使用钻孔实测数据集与其他模型进行对比实验,经过五折交叉验证,结果表明:融合模型的预测准确率提高了 2.8%。(3)导水裂隙带高度预测模型的构建。将导水裂隙带发育过程看成时间序列问题,使用一维卷积神经网络(CNN)对导水裂隙带数据进行特征提取,然后使用提取到的特征训练长短时记忆网络(LSTM),同时利用导水裂隙带数据训练LightGBM模型,基于预测误差倒数调整LSTM和LightGBM模型预测结果的权重,从而得出导水裂隙带发育高度预测值。实验结果表明:相比于其他模型,本模型的平均绝对误差MAPE和均方根误差RMSE降低了 0.41和0.0822,验证了本模型具有较高的准确性。(4)模型应用。使用本文构建的预测模型,对相邻矿区中未进行抽水钻孔实验的区域,进行顶板含水层风化基岩富水性及导水裂隙带高度预测,得到富水性分区图及顶板冒裂(导水裂隙带)安全性分区图。基于ArcGIS软件叠加两图得到含水层风化基岩涌(突)水危险性分区图,为浅埋煤层开采防治水工作提供科学指导。

关键词：机器学习模型融合风化基岩富水性导水裂隙带高度危险性预测

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榆神矿区煤层开采对地下水的影响研究

榆神矿区煤层开采对地下水的影响研究

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作者：严迎新西安科技大学

学位级别：硕士

我国西部矿区煤炭资源丰富,但其生态环境脆弱,水资源匮乏,煤矿大规模高强度开采对部分地区地层结构、水资源和生态环境会造成不同程度的扰动破坏。因此研究采煤活动引起的上覆岩层破坏规律、地下水资源的影响程度对于煤炭资源合理开发... 详细信息

我国西部矿区煤炭资源丰富,但其生态环境脆弱,水资源匮乏,煤矿大规模高强度开采对部分地区地层结构、水资源和生态环境会造成不同程度的扰动破坏。因此研究采煤活动引起的上覆岩层破坏规律、地下水资源的影响程度对于煤炭资源合理开发及地下水资源保护具有重要意义。本文以榆神矿区某井田2-2煤、3-1煤开采为例,综合运用野外调查、资料收集整理、统计分析、理论公式计算、数值模拟和数学建模分析等方法对井田内水文地质特征、导水裂隙带发育高度及煤层开采对地下水的影响程度预测进行了详细研究,以期为该区煤炭资源开发规划和矿区水资源保护提供参考依据。采用综合分析、编图等方法对研究区水文地质条件、煤层空间赋存特征进行了研究,确定了煤层上覆地层岩性结构主要为:松散沙层+土层+风化基岩层+基岩层+主采煤层,主要含水层为松散层潜水含水层和风化基岩承压水含水层,主要隔水层为保德组红土,基岩层主要为直罗组、延安组砂泥岩互层的相对含水层;主采煤层2-2煤厚度0.81～7.54m,平均厚度3.65m;3-1煤可采煤厚0.85～2.78m,平均可采厚度1.85m。通过理论公式计算和FLAC3D数值模拟法对2-2煤单煤层开采及2-2煤、3-1煤双煤层开采导水裂隙带高度分别进行了预计研究,最终确定了 2-2煤单煤层开采导水裂隙带高度为28倍裂采比,2-2煤、3-1煤双煤层开采导水裂隙带高度为32倍综合采厚。编图分析得到2-2煤单煤层开采与2-2煤、3-1煤双煤层开采导水裂隙带最大高度几乎一致,均最大导通至安定组下段地层,且距上部风化基岩含水层底界最小间距约70m,因此两种开采方式均不会导致风化基岩含水层以及上覆潜水含水层水直接漏失。运用Visual Modflow地下水数值模拟软件,通过构建水文地质概念模型、数学模型和地下水流数值模型,进行了采煤对地下水流场的影响研究。模拟结果表明:研究区2-2煤开采对潜水含水层水位影响极轻微,且不会造成潜水漏失;对风化基岩含水层水位有一定影响,但随着回采结束时间的推移,风化基岩水位下降减缓,并逐渐趋于稳定。选取风化基岩含水层厚度、风化程度、岩性组合指数及古地形标高4个指标为风化基岩含水层富水主控因素,采用随机森林（RF）算法对风化基岩含水层富水性进行了预测分区。结合2-2煤导水裂隙带高度预计结果进行了煤层顶板冒裂安全性预测分区。在此基础上,借助GIS软件对含水层富水性分区结果和煤层顶板冒裂安全性分区结果进行空间叠加,进而开展了 2-2煤开采对风化基岩含水层影响程度分区预测。预测结果表明:2-2煤开采不会导致风化基岩含水层水直接漏失,风化基岩含水层仅产生一定程度的越流下渗,越流影响程度分为轻微、中等轻微、极轻微三个等级,影响轻微区和中等轻微区主要分布研究区11、12盘区内,轻微区面积占比约5.8%,中等轻微区面积占比约21.6%,影响极轻微区主要分布于研究区13、14、15盘区内,面积占比约72.6%。

关键词：地下水流场导水裂隙带高度数值模拟风化基岩富水性随机森林算法

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