专利名称：矿井水文地质内外边界水力性质ann技术的定量确定方法
技术领域：
本发明涉及一种煤矿矿井水文地质条件的定量分析方法，尤其是一种矿井水文地质内外边界水力性质ANN技术的定量确定方法。
背景技术：
矿井水文地质外边界，是指井田各充水含水层/组的周边边界，主要包括断裂边界、大规模岩体边界、露头边界和地表水体边界等；矿井水文地质内边界指沟通多层充水含水层/组水力联系的井田内边界，包括点状喀斯特陷落柱型内边界、线状的断裂/带或褶皱轴或裂隙密集带型内边界、窄条状的隐伏露头型内边界、面状的断裂裂隙网络型内边界和局部面状隔水层变薄区内边界。矿井水文地质内、外边界的发育规模和具体水力性质直接决定了矿井水文地质条件的复杂程度和类型，大量诸如突水淹井、煤与瓦斯突出和瓦斯爆炸等矿井重特大生产安全事故均与水文地质内外边界有关。因此,矿井水文地质内外边界水力性质的正确确定对矿山安全生产意义重大。而现有技术的矿井水文地质内外边界水力性质确定,是依据单一指标定性分析、甚至理论分析确定水力性质。现有技术的这种依据单一指标定性分析、甚至理论分析确定的水力性质往往与矿井生产实际揭露的情况完全不同，以致出现了许多问题，远远不能满足煤炭工业生产和安全的需求。历史的教训告诉我们，许多矿井发生重特大恶性突水淹井事故均是由于对内、夕卜边界水力性质认识不足或者说认识不清所致。长期以来，煤矿生产安全需要一种与矿井生产实际揭露的情况一致的矿井水文地质内外边界水力性质的确定方法。经过长期的理论研究和生产实践，本发明满足了上述煤矿生产安全需求。
发明内容
本发明的目的在于:满足煤矿生产安全需求，提供一种采用多指标、从多方面定量分析研究的矿井水文地质内外边界水力性质确定方法。本发明的进一步目的在于:满足煤矿生产安全需求，提供一种矿井水文地质内外边界水力性质ANN技术的定量确定方法。矿井水文地质内外边界水力性质ANN技术的定量确定方法，采用多指标、从多方面定量分析研究确定矿井水文地质内外边界水力性质，包括以下步骤:
1.分析研究矿井水文地质内外边界水力性质的各控制因素；
2.采集数据:根据矿井水文地质内外边界性质、周围岩性和两侧成对长观孔水文地质勘探信息，采集各控制因素的数据组，对数据实施分类处理；
3.建立ANN矿井水文地质内外边界水力性质定量确定的数学模型；
4.对矿井水文地质内外边界水力性质进行模拟评价和预测，并将预测结果与矿井实际水文地质条件进行对比检验；
5.研发矿井水文地质内外边界水力性质定量确定方法的信息系统。由于采用了上述的技术方案，本发明具有的有益效果在于:
1.分析研究矿井水文地质内外边界水力性质的各控制因素，采用多指标、从多方面定量分析研究的矿井水文地质内外边界水力性质确定方法，克服了现有技术依据单一指标定性分析、甚至理论分析确定水力性质的弊端，实现了本发明的第一目的。2.首次将人工神经网络(Artificial Neural Network, ANN)技术引入到矿井水文地质内外边界水力性质确定方法中，开展了利用ANN技术对矿井水文地质内外边界水力性质定量确定的应用研究。人工神经网络用于定量评价预测，可望接近于人类思维模式的定性与定量相结合的综合评价模型，具有足够精度，实现了本发明的第二目的。
附图1:本发明的工作流程图。附图2:本发明中的矿井水文地质内外边界水力性质定量确定的数学模型。
具体实施例下面将结合附图对本发明作详细描述。本发明基于ANN技术的矿井水文地质内外边界水力性质定量确定方法，具体实施技术方案包括以下步骤:
1.分析研究矿井水文地质内外边界水力性质的各控制因素；
所述的矿井水文地质内外边界水力性质的各控制因素，包括:
⑴岩性方面的分析研究；
⑵地质构造方面的分析研究；
⑶地下水流场方面的分析研究；
⑷水化学方面的分析研究；
(5)地下水同位素方面的分析研究；
(6)水温与岩温方面的分析研究；
(7)地球物理勘探方面的分析研究。所述的地质构造方面的分析研究，包括大构造分析研究和小构造分析研究。所述的水化学方面的分析研究，包括天然水化学特征研究和人工水化学特征研究。所述的地下水同位素方面的分析研究，包括氢氧稳定同位素分析研究和放射性同位素分析研究。2.采集数据:根据矿井水文地质内外边界性质、周围岩性和两侧成对长观孔水文地质勘探信息，采集各控制因素的数据组，对数据实施分类处理；
所述的采集各控制因素的数据组，包括:
⑴岩性方面的数据组:
收集矿区勘探、建井、生产不同阶段的地质和水文地质钻孔柱状图，统计各个充水含水层组之间隔水岩体中的脆性和塑性岩层厚度的比值，并根据这个比值编制平面等值线图，进行比值分区；
⑵地质构造方面的数据组:
①大构造，确定矿井的构造线在平面上的展布方向和发育密度及规模；确定因各主要构造相互错动而造成的不同层位充水含水层相互对接情况，特别注意煤系地层基底巨厚奥灰充水含水层与上覆各煤系充水含水层之间的对接情况:如果奥灰充水含水层直接对接煤系某个充水含水层，存在充沛补给水源；如果奥灰充水含水层不对接煤系某个充水含水层，无充沛补给水源；
②小构造:确定矿井小构造的空间发育规律和展布方向；
⑶地下水流场方面的数据组:
①绘制各充水含水层组的流场等值线图，分析多层充水含水层组的流场展布特征以及它们之间的干扰关系，确定出相邻充水含水层组之间发生水力交替的具体空间部位和彼此间的交替强度；
②绘制同一充水含水层不同内外边界两侧成对长观孔的水位历时曲线和不同充水含水层位的长观孔的水位历时曲线，分析研究其特征；
⑷水化学方面的数据组:
分析地下水中天然水化学的长期动态特征和人工水化学特征，对同一充水含水层不同内外边界两侧成对长观孔的天然和人工水化学动态特征的分析研究，确定各充水含水介质的渗透性能和多个充水含水层组之间的地下水的水力联系程度、发生水力联系的具体部位；
(5)地下水同位素方面的数据组:
①应用氢、氧稳定同位素确定地下水的不同补给来源、矿区充水含水层组补给区的海拔高度、矿井充水的各种补给水源的混合比例以及多层充水含水层组之间地下水的水力联系;
②测定地下水中放射性同位素，确定矿井井下涌水的补给来源、补给位置以及不同充水含水层之间地下水的水力联系程度等；
分析研究同一充水含水层不同内外边界两侧成对长观孔的地下水氢、氧稳定同位素和放射性同位素特征；
(6)水温与岩温方面的数据组:
确定多层充水含水层组之间的地下水水温比较接近、而与井田的其它部位相差明显的地下水水温异常部位，对同一充水含水层不同内外边界两侧成对长观孔的地下水水温特征的分析研究。在井下地下水露头较少的条件下，利用简单易测的大量岩温测量资料，分析地下水水温场；
(7)地球物理勘探方面的数据组:应用瞬变电磁法、直流电法和三维地震勘探等物探方法，确定矿井各充水含水层中所存在的构造异常带和富水异常区，分析研究同一充水含水层不同内外边界两侧地球物理勘探数据特征。3.建立矿井水文地质内外边界水力性质定量确定的数学模型；
所述的建立矿井水文地质内外边界水力性质定量确定的数学模型，是以上述的各控制因素为输入层，应用基于非线性人工神经网络ANN方法，利用相关ANN程序对设计的BP网络模型进行训练仿真学习，确定上述的各控制因素对矿井水文地质内外边界水力性质的反映权重系数，建立矿井水文地质内外边界水力性质定量确定的数学模型，如图2所示，预测导水边界和隔水边界。4.对矿井水文地质内外边界水力性质进行模拟评价和预测，并将预测结果与矿井实际水文地质条件进行对比检验；
5.研发矿井水文地质内外边界水力性质定量确定方法的信息系统。所述的信息系统的研发是指，针对上述的ANN模型，利用C/C++语言开发信息系统。
权利要求
1.矿井水文地质内外边界水力性质ANN技术的定量确定方法，采用多指标、从多方面定量分析研究确定矿井水文地质内外边界水力性质，其特征在于:确定方法该包括以下步骤: (I)分析研究矿井水文地质内外边界水力性质的各控制因素； (2 )采集数据:根据矿井水文地质内外边界性质、周围岩性和两侧成对长观孔水文地质勘探信息，采集各控制因素的数据组，对数据实施分类处理； (3)建立ANN矿井水文地质内外边界水力性质定量确定的数学模型； (4)对矿井水文地质内外边界水力性质进行模拟评价和预测，并将预测结果与矿井实际水文地质条件进行对比检验； (5)研发矿井水文地质内外边界水力性质定量确定方法的信息系统。
2.根据权利要求1所述的矿井水文地质内外边界水力性质ANN技术的定量确定方法，其特征在于:所述的矿井水文地质内外边界水力性质的各控制因素，包括: (1)岩性方面的分析研究； (2)地质构造方面的分析研究； (3)地下水流场方面的分析研究； (4)水化学方面的分析研究； (5)同位素方面的分析研究；` (6)水温与岩温方面的分析研究； (7)地球物理勘探方面的分析研究。
3.根据权利要求2所述的矿井水文地质内外边界水力性质ANN技术的定量确定方法，其特征在于:所述的地质构造方面的分析研究，包括大构造分析研究和小构造分析研究。
4.根据权利要求2所述的矿井水文地质内外边界水力性质ANN技术的定量确定方法，其特征在于:所述的水化学方面的分析研究，包括天然水化学特征研究和人工水化学特征研究。
5.根据权利要求2所述的矿井水文地质内外边界水力性质ANN技术的定量确定方法，其特征在于:所述的地下水同位素方面的分析研究，包括氢氧稳定同位素分析研究和放射性同位素分析研究。
6.根据权利要求1所述的矿井水文地质内外边界水力性质ANN技术的定量确定方法，其特征在于:所述的采集各控制因素的数据组，包括: (1)岩性方面的数据组: 收集矿区勘探、建井、生产不同阶段的地质和水文地质钻孔柱状图，统计各个充水含水层组之间隔水岩体中的脆性和塑性岩层厚度的比值，并根据这个比值编制平面等值线图，进行比值分区； (2)地质构造方面的数据组: ①大构造，确定矿井的构造线在平面上的展布方向和发育密度及规模；确定因各主要构造相互错动而造成的不同层位充水含水层相互对接情况，特别注意煤系地层基底巨厚奥灰充水含水层与上覆各煤系充水含水层之间的对接情况:如果奥灰充水含水层直接对接煤系某个充水含水层，存在充沛补给水源；如果奥灰充水含水层不对接煤系某个充水含水层，无充沛补给水源小构造:确定矿井小构造的空间发育规律和展布方向；(3)地下水流场方面的数据组: ①绘制各充水含水层组的流场等值线图，分析多层充水含水层组的流场展布特征以及它们之间的干扰关系，确定出相邻充水含水层组之间发生水力交替的具体空间部位和彼此间的交替强度； ②绘制同一充水含水层不同内外边界两侧成对长观孔的水位历时曲线和不同充水含水层位的长观孔的水位历时曲线，分析研究其特征； (4)水化学方面的数据组: 分析地下水中天然水化学的长期动态特征和人工水化学特征，对同一充水含水层不同内外边界两侧成对长观孔的天然和人工水化学动态特征的分析研究，确定各充水含水介质的渗透性能和多个充水含水层组之间的地下水的水力联系程度、发生水力联系的具体部位； (5)地下水同位素方面的数据组: ①应用氢、氧稳定同位素确定地下水的不同补给来源、矿区充水含水层组补给区的海拔高度、矿井充水的各种补给水源的混合比例以及多层充水含水层组之间地下水的水力联系测定地下水中放射性同位素，确定矿井井下涌水的补给来源、补给位置以及不同充水含水层之间地下水的水力联系程度等；分析研究同一充水含水层不同内外边界两侧成对长观孔的地下水氢、氧稳定同位素和放射性同位素特征； (6)水温与岩温方面的数据组: 确定多层充水含水层组之间的地下水水温比较接近、而与井田的其它部位相差明显的地下水水温异常部位，对同一充水含水层不同内外边界两侧成对长观孔的地下水水温特征的分析研究；在井下地下水露头较少的条件下，利用简单易测的大量岩温测量资料，分析地下水水温场；(7)地球物理勘探方面的数据组:应用瞬变电磁法、直流电法和三维地震勘探等物探方法，确定矿井各充水含水层中所存在的构造异常带和富水异常区，分析研究同一充水含水层不同内外边界两侧地球物理勘探数据特征。
7.根据权利要求1所述的矿井水文地质内外边界水力性质ANN技术的定量确定方法，其特征在于:所述的建立矿井水文地质内外边界水力性质定量确定的数学模型，是以上述的各控制因素为输入层，应用基于非线性人工神经网络ANN方法，利用相关ANN程序对设计的BP网络模型进行训练仿真学习，确定上述的各控制因素对矿井水文地质内外边界水力性质的反映权重系数，建立矿井水文地质内外边界水力性质定量确定的数学模型。
8.根据权利要求1所述的矿井水文地质内外边界水力性质ANN技术的定量确定方法，其特征在于:所述的信息系统的研发是指，针对上述的ANN模型，利用C/C++语言开发信息系统。
全文摘要
现有技术的矿井水文地质内外边界水力性质确定，是依据单一指标定性分析、甚至理论分析确定水力性质。本发明采用多指标、从多方面定量分析研究确定矿井水文地质内外边界水力性质分析研究矿井水文地质内外边界水力性质的各控制因素、采集数据、建立ANN数学模型、模拟评价和预测、研发信息系统。有益效果在于分析研究矿井水文地质内外边界水力性质的各控制因素，采用多指标、从多方面定量分析研究的矿井水文地质内外边界水力性质确定方法；首次将人工神经网络(ArtificialNeuralNetwork，ANN)技术引入到矿井水文地质内外边界水力性质确定方法中，具有足够精度。
文档编号G01V9/00GK103105630SQ20131000591
公开日2013年5月15日 申请日期2013年1月8日 优先权日2013年1月8日
发明者武强 申请人:中国矿业大学(北京)