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华北型煤田底板破坏深度BP神经网络预测模型研究

邢晁瑞 李磊 王立彬 刘玉龙

邢晁瑞, 李磊, 王立彬, 刘玉龙. 华北型煤田底板破坏深度BP神经网络预测模型研究[J]. 矿业科学学报, 2023, 8(5): 688-694. doi: 10.19606/j.cnki.jmst.2023.05.010
引用本文: 邢晁瑞, 李磊, 王立彬, 刘玉龙. 华北型煤田底板破坏深度BP神经网络预测模型研究[J]. 矿业科学学报, 2023, 8(5): 688-694. doi: 10.19606/j.cnki.jmst.2023.05.010
Xing Chaorui, Li Lei, Wang Libin, Liu Yulong. BP neural network prediction model of floor failure depth in North China coalfield[J]. Journal of Mining Science and Technology, 2023, 8(5): 688-694. doi: 10.19606/j.cnki.jmst.2023.05.010
Citation: Xing Chaorui, Li Lei, Wang Libin, Liu Yulong. BP neural network prediction model of floor failure depth in North China coalfield[J]. Journal of Mining Science and Technology, 2023, 8(5): 688-694. doi: 10.19606/j.cnki.jmst.2023.05.010

华北型煤田底板破坏深度BP神经网络预测模型研究

doi: 10.19606/j.cnki.jmst.2023.05.010
详细信息
    作者简介:

    邢晁瑞(1997—),男,山西临汾人,硕士研究生,主要从事水害防治和水体下采煤等方面的研究工作。Tel:18811155702,E-mail:xing_chaorui@163.com

  • 中图分类号: TD05

BP neural network prediction model of floor failure depth in North China coalfield

  • 摘要: 华北型煤田开采受底板含水层严重影响,为了准确计算工作面底板破坏深度,本文结合现场实测和神经网络预测模型对其进行分析。首先采用直流电法与专门电极电缆,对九里山矿综放开采工作面15091的底板破坏深度进行观测;其次结合大量实际数据,应用遗传算法优化BP神经网络,通过优化参数构建底板破坏深度预测模型,预测模型的均方误差为0.011,平均百分比误差为5.983 %,预测集预测结果误差在10 % 以下,模型可以预测底板破坏深度;最后以预测模型分析采厚和切顶卸压对工作面底板破坏深度的影响。研究结果表明,分层开采下,切顶卸压比未切顶卸压底板破坏深度约减少77.84 %;综放开采下,切顶卸压比未切顶卸压底板破坏深度约减少59.17 %;采厚对底板破坏深度的影响呈正相关。
  • 图  1  15091工作面综合柱状图

    Figure  1.  Comprehensive bar chart of 15091 working face

    图  2  15091工作面平面图

    Figure  2.  15091 working face plan

    图  3  钻孔示意图

    Figure  3.  Diagram of drilling hole

    图  4  15091工作面底板破坏视电阻率云图

    Figure  4.  Apparent resistivity map of floor failure in 15091 working face

    表  1  训练集样本数据

    Table  1.   Sample data of training set

    工作面 采深/m 倾角/(°) 采高/m 斜长/m 构造 注浆加固 采空区充填 分层开采 放顶煤开采 综合机械化开采 切顶 实测/m
    告成矿21021 415 11 4.7 154 0 0 0 0 1 0 0 10.0
    超化矿22121 430 17 10 101 0 0 0 0 1 0 0 15.0
    超化矿22061 316 13.8 10 141 0 0 0 0 1 0 0 12.9
    城郊矿21105 810 9 3.5 356 0 0 0 0 0 1 0 27.0
    城郊矿2703 810 9 2.8 342 0 0 0 0 0 1 0 24.6
    赵固一矿11011 710 3 3.6 175 1 1 0 1 0 0 0 23.48
    赵固一矿11111 570 2 3.5 176 0 1 0 0 0 1 0 19.48
    赵固一矿16001 550 6 6.4 205.5 1 1 1 0 0 1 0 28.0
    陈四楼矿21301 584 10 2.7 149 1 1 0 0 0 1 0 14.0
    陈四楼矿21201 440 4 2.61 175 1 1 0 0 0 1 0 12.05
    陈四楼矿21110 500 25 2.62 200 1 1 0 0 0 1 0 16.2
    陈四楼矿2517 765 12 2.63 196 1 1 0 0 0 1 0 34.25
    朝川矿21090 452 18 3.5 195 1 0 0 0 0 1 0 24.46
    朱村矿54002 210 4 1.38 102 0 0 1 0 0 1 0 12.0
    朱村矿54002 210 4 1.38 102 1 0 1 0 0 1 0 5.0
    古汉山15071 520 13 5.1 140 1 1 0 0 0 1 0 15.99
    鹤壁三矿128 230 26 3.5 180 0 0 1 0 0 1 0 20.0
    新义矿11011 700 6 4 160 1 1 0 0 0 1 0 40.0
    平顶山十二矿17062 750 6 2 150 0 0 0 0 0 1 0 14.2
    平顶山十一矿22080 740 20 5.7 125 1 1 0 0 1 0 0 19.7
    平顶山二矿23090 473 8 1.83 164.5 1 0 0 0 0 1 0 25.5
    赵固二矿11050 690 5.5 6.32 180 1 1 0 0 0 1 0 34.8
    九里山矿14141 300 9.5 3.5 111 1 1 0 1 0 0 1 11.0
    九里山矿15091 458 11 5.5 110 1 1 0 0 1 0 0 17.0
    邯郸王凤矿1830 123 15 1.1 70 0 1 0 0 0 1 0 8.0
    邯郸王凤矿1951 123 15 1.1 100 1 1 0 0 0 1 0 13.4
    邯郸王凤矿1930 118 18 2.5 80 1 1 0 0 0 1 0 10.0
    邯郸某矿2911 195 13 5.3 383 0 1 1 0 0 1 0 12.40
    邯郸某矿1212 1 000 14 3.8 150 1 1 0 0 0 1 0 35.0
    邯郸某矿6707 320 5 5.5 45 1 1 1 0 0 1 0 3.6
    牛儿庄56805 452 17 1.66 130 0 1 0 0 0 1 0 16.86
    邢台矿7802 259 4 3 160 1 0 0 0 0 1 0 16.40
    邢台矿7607窄 320 4 5.4 60 1 1 1 0 0 1 0 9.70
    邢台矿7607宽 320 4 5.4 100 1 0 1 0 0 1 0 11.70
    某矿7608 400 6 2.7 80 0 0 1 0 0 1 0 10.20
    邢东矿2121 1 000 12 3.7 150 1 1 0 0 0 1 0 32.50
    章村矿三井39126 260 26 3.4 133 0 1 1 0 0 1 0 11.00
    东庞矿9103 237 12 6.2 70 1 1 0 0 1 0 0 12.43
    井陉一矿4707小1 400 9 3.5 34 0 1 0 1 0 0 0 8.00
    井陉一矿4707小2 400 9 4 34 0 1 1 0 1 0 0 6.00
    井陉一矿4707大 405 9 4 46 0 1 0 0 1 0 0 8.50
    井陉三矿5701(1) 227 12 3.5 30 0 1 1 0 0 1 0 3.50
    井陉三矿5701(2) 227 12 3.5 30 1 1 1 0 0 1 0 7.00
    赵各庄1237(1) 900 26 2 200 0 1 1 0 0 1 0 27.00
    赵各庄1237(2) 1 000 30 2 200 1 1 1 0 0 1 0 38.00
    赵各庄12槽煤1237 1 056 26 10 200 1 1 1 0 0 1 0 35.00
    东欢坨矿8煤孤岛面 436 20 3.5 90 0 0 0 0 0 1 0 15.40
    峰峰二矿2701(1) 145 16 1.5 120 0 1 0 0 0 1 0 14.00
    峰峰二矿2701(2) 145 15.5 1.5 120 1 1 0 0 0 1 0 18.00
    峰峰三矿3707 130 15 1.4 135 1 1 1 0 0 1 0 12.00
    峰峰四矿4804 110 12 1.4 100 1 1 1 0 0 0 0 10.70
    羊东矿8469 700 10 1.2 160 1 1 0 0 0 1 0 25.00
    辛安矿112145 636 20 4.2 170 0 0 0 0 1 0 0 20.24
    九龙矿15445N 740 13.5 1.6 126 1 1 0 0 0 1 0 34.00
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    表  2  隐含层训练过程

    Table  2.   Implicit layer training process

    隐含层节点数 训练集的均方误差
    4 0.026
    5 0.026
    6 0.011
    7 0.023
    8 0.024
    9 0.052
    10 0.019
    11 0.104
    12 0.027
    13 0.046
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    表  3  神经网络训练结果

    Table  3.   Training results of neural network

    误差度量项 BP神经网络 GA-BP神经网络
    平均绝对误差 3.404 1.346
    均方误差 18.060 2.584
    均方误差根 4.251 1.608
    平均绝对百分比误差/% 19.347 5.983
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    表  4  样本预测值

    Table  4.   Sample predicted values

    样本序号 实测值 GA-BP值 GA-BP误差/%
    邯郸某矿1212 35.00 34.01 2.83
    朱村矿54002 12.00 10.85 9.58
    赵固二矿11050 34.80 33.41 3.99
    辛安矿112145 20.24 20.40 0.79
    邯郸王凤矿1951 13.40 13.87 3.51
    朝川矿21090 24.46 27.49 12.39
    开滦赵各庄12槽煤1237 35.00 37.33 6.66
    东欢坨矿8煤孤岛面 15.40 16.64 8.05
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    表  5  不同条件下工作面底板破坏深度的预测值

    Table  5.   Predicted depth of damage of the bottom plate of the working face under different conditions

    工作面 分类 采深/m 倾角/(°) 采厚/m 斜长/m 构造 注浆加固 充填 分层 综放 综采 切顶 预测值/m
    14141 分层开采 300 9.5 3.5 111 1 1 0 1 0 0 1 12.01
    300 9.5 3.5 111 1 1 0 1 0 0 0 21.36
    综放开采 300 9.5 6.9 111 1 1 0 0 1 0 1 10.97
    300 9.5 6.9 111 1 1 0 0 1 0 0 17.46
    15091 综放开采 458 11 5.5 110 1 1 0 0 1 0 0 16.49
    458 11 6.5 110 1 1 0 0 1 0 0 16.60
    458 11 7.5 110 1 1 0 0 1 0 0 18.49
    458 11 8.5 110 1 1 0 0 1 0 0 22.48
    458 11 10 110 1 1 0 0 1 0 0 28.66
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出版历程
  • 收稿日期:  2022-12-29
  • 修回日期:  2023-02-28
  • 刊出日期:  2023-10-31

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