眭彥斌

(陽煤集團(tuán)長溝煤礦有限責(zé)任公司，山西 和順 032700)

沖擊地壓是一種礦山動(dòng)力災(zāi)害現(xiàn)象，這種動(dòng)力災(zāi)害通常是在煤巖力學(xué)系統(tǒng)達(dá)到強(qiáng)度極限時(shí)，積聚在煤巖體中的能量以急劇、猛烈的形式釋放，會(huì)給礦井造成嚴(yán)重的損失［1］。長期以來，沖擊地壓作為巖石力學(xué)的重大課題之一，一直是國內(nèi)為學(xué)術(shù)界和工程界研究的重要課題［2］，但由于沖擊地壓發(fā)生的機(jī)理十分復(fù)雜，采掘現(xiàn)場時(shí)刻都處于變化狀態(tài)。因此，準(zhǔn)確預(yù)測預(yù)報(bào)沖擊地壓就顯得尤為重要。

目前，應(yīng)用于預(yù)測預(yù)報(bào)沖擊地壓的方法有很多，像鉆屑法、經(jīng)驗(yàn)類比分析法、地音監(jiān)測法、含水率測定法、BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法和模糊數(shù)學(xué)法。這些方法在實(shí)際應(yīng)用中取得了一定的效果，但是由于理論復(fù)雜、操作過程繁多且考慮沖擊地壓危險(xiǎn)性指標(biāo)較單一等，造成預(yù)測預(yù)報(bào)結(jié)果與實(shí)際有很大的誤差，嚴(yán)重影響著礦井的安全生產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)效益。

距離判別分析方法是一種有效的預(yù)測方法，現(xiàn)已在很多工程領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用。它不僅具有綜合分析多元數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，而且能夠從各個(gè)訓(xùn)練樣本中提取具有某種特性的信息，科學(xué)準(zhǔn)確地建立距離判別分析預(yù)測模型，方便進(jìn)行預(yù)測?？朔藛我活A(yù)測指標(biāo)的局限性，提高了沖擊地壓預(yù)測的精度和客觀性，是預(yù)測沖擊地壓的有效途徑之一。

1 距離判別法模型

距離判別即看樣品與哪個(gè)總體距離最近，就判斷樣品屬于哪個(gè)總體。判別分析采用Mahalanobis距離［3，4］(馬氏距離)，其定義如下：

設(shè)X、Y是從均值向量為μ及協(xié)方差矩陣為∑的總體G中抽取的兩個(gè)樣本，則X、Y兩樣本點(diǎn)之間的馬氏平方距離為：

樣本X與總體G的馬氏平方距離為：

設(shè)有k個(gè)總體 G1，G2，……Gk，均值向量分別為μ1，μ2，……μk，協(xié)方差分別為∑1，∑2，……∑k，類似兩總體距離判別方法，計(jì)算新樣品X到各總體馬氏距離，比較k個(gè)距離，判定X屬于其馬氏距離最短的總體。

2 預(yù)測沖擊地判別模型建立

2．1 沖擊地壓影響因素確定

通過多年防治沖擊地壓的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，沖擊地壓災(zāi)害事故發(fā)生的原因是多方面的，可以歸結(jié)為三類，即自然原因、技術(shù)原因和組織管理原因。其關(guān)系見圖1。

圖1 沖擊地壓發(fā)生的原因關(guān)系圖

各種原因之間相互影響、相互制約，呈現(xiàn)出錯(cuò)綜復(fù)雜的非線性關(guān)系，由這些原因造成沖擊地壓的影響因素也是非常多的。在一次沖擊發(fā)生中，往往是眾多影響因素同時(shí)作用所造成的，而且因素之間所起作用的大小也不同。因此，在沖擊地壓的預(yù)測預(yù)報(bào)過程中必須要明確沖擊地壓的主要影響因素和次要影響因素，這樣才能確保預(yù)測取得良好的效果。

分析沖擊地壓的發(fā)生原因并參考相關(guān)研究成果，主要從自然地質(zhì)因素和開采及技術(shù)因素分析對(duì)沖擊地壓的影響，綜合確定影響沖擊地壓的主要因素有開采深度、頂板巖性、煤層厚度、地質(zhì)構(gòu)造、開采方法、留無煤柱，其中前4項(xiàng)屬于自然地質(zhì)因素，后2項(xiàng)屬于開采及技術(shù)因素。

2．2 距離判別模型的建立

在建立距離判別模型之前，需對(duì)各個(gè)變量進(jìn)行預(yù)處理，所謂預(yù)處理就是在確定的沖擊地壓影響因素中有無法量化的變量，需對(duì)其進(jìn)行數(shù)量化，即數(shù)量化理論中的二態(tài)變量取值法，通常采用“0”和“1”來表示變量的某種屬性的“有”或“無”［5］。需進(jìn)行與處理的上述變量有頂板巖性、地質(zhì)構(gòu)造、開采方法和留無煤柱。

根據(jù)國內(nèi)外對(duì)沖擊的分類方法，考慮沖擊的震級(jí)強(qiáng)度和拋出的煤量，可將沖擊地壓劃分為三級(jí)：

Ⅰ級(jí)—輕微沖擊。震級(jí)在2級(jí)以下，拋出煤量在10 t以下的沖擊地壓。

Ⅱ級(jí)—中等沖擊。震級(jí)在1～2級(jí)，拋出煤量在10～50 t沖擊地壓。

Ⅲ級(jí)—強(qiáng)烈沖擊。震級(jí)在2級(jí)以上，拋出煤量在50 t以上的沖擊地壓。

由此可以建立距離判別法分析模型，模型示意圖見圖2。

圖2 距離判別模型示意圖

3 實(shí)例應(yīng)用

某礦區(qū)煤層賦存穩(wěn)定，巖性致密，裂隙不發(fā)育，水文地質(zhì)條件較為簡單。煤體黑色塊狀及粉末狀、干燥、疏松破碎、薄厚不均勻。隨著該礦區(qū)采深逐漸增加，沖擊發(fā)生的次數(shù)也逐漸頻繁，且已經(jīng)積累了豐富的沖擊危險(xiǎn)性的資料和數(shù)據(jù)，給研究提供了很大的幫助。

現(xiàn)以該礦區(qū)的歷史數(shù)據(jù)作為實(shí)例，取10組實(shí)測數(shù)據(jù)作為訓(xùn)練樣本，5組實(shí)測數(shù)據(jù)作為判別樣本，建立距離判別模型對(duì)15個(gè)樣本進(jìn)行分析、學(xué)習(xí)。將10個(gè)訓(xùn)練樣本進(jìn)行分類并與實(shí)際結(jié)果對(duì)比，分析結(jié)果見表1。

通過統(tǒng)計(jì)軟件對(duì)該礦區(qū)的10組歷史訓(xùn)練數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并與實(shí)際發(fā)生沖擊類型對(duì)比，10組數(shù)據(jù)每次發(fā)生沖擊類型和判別類型是相同的，誤判率為0，表明經(jīng)過訓(xùn)練后的距離判別模型是可靠的。

將判別樣本的5組實(shí)測數(shù)據(jù)通過統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行距離判別預(yù)測，并將預(yù)測結(jié)果與實(shí)際情況進(jìn)行對(duì)比，見表2。

表1 距離判別訓(xùn)練結(jié)果表

表2 距離判別預(yù)測結(jié)果表

從表2中的實(shí)際類型和判別類型發(fā)現(xiàn)，在5次沖擊類型預(yù)測中，只有1次預(yù)測沖擊類型存在偏差，其他所有預(yù)測沖擊的類型和實(shí)際發(fā)生的類型完全相符，準(zhǔn)確率達(dá)80%以上，尤其是強(qiáng)沖擊的預(yù)測是一致的，準(zhǔn)確率到100%。由此可見，距離判別模型用于預(yù)測沖擊地壓發(fā)生的強(qiáng)度是合理的，結(jié)合其他的研究成果［5］，認(rèn)為可以在實(shí)際工程中推廣應(yīng)用。

4 結(jié)論

1)通過分析造成沖擊地壓發(fā)生的原因，綜合考慮自然地質(zhì)和開采及技術(shù)兩大方面的因素，確定了某礦區(qū)沖擊地壓的主要影響因素，即開采深度、頂板巖性、煤層厚度、地質(zhì)構(gòu)造、開采方法、留無煤柱。

2)基于已確定的沖擊地壓主要影響因素，建立了預(yù)測沖擊地壓距離判別分析模型，并取該礦區(qū)15組實(shí)測數(shù)據(jù)作為模型訓(xùn)練和預(yù)測樣本，將預(yù)測結(jié)果與實(shí)際類型對(duì)照，預(yù)測效果明顯，預(yù)測誤判率為零。

3)建立的距離判別分析模型用于預(yù)測沖擊地壓的強(qiáng)度是可行的，可以在實(shí)際工程中進(jìn)行推廣應(yīng)用。

［1］ 周光文，劉文崗，姜耀東，等．采場沖擊地壓的能量積聚釋放特征分析［J］．采礦與安全工程學(xué)報(bào)，2008，25(1)：73－77．

［2］ 竇林名，何學(xué)秋．沖擊礦壓防治理論與技術(shù)［M］．徐州：中國礦業(yè)大學(xué)出版社，2001：69－72．

［3］ 向東進(jìn)，李宏偉，劉小雅．實(shí)用多元統(tǒng)計(jì)分析［M］．武漢：中國地質(zhì)大學(xué)出版社，2005：113－114．

［4］ 陶 然．有關(guān)距離判別理論方法的補(bǔ)充和討論［J］．煤礦安全，2007，22(4)：32－35．

［5］ 朱卓慧，趙 伏，葉洲元．基于距離判別分析法的沖擊地壓預(yù)測研究［J］．中國安全科學(xué)學(xué)報(bào)，2008，18(3)：41－45．

［6］ 彭剛劍，付玉華，董隴軍．基于距離判別法的采空區(qū)塌陷預(yù)測研究［J］．有色金屬，2009，61(3)：50－52．