高忠紅，王 飛

(1.山西能源學(xué)院，太原 030006； 2.太原理工大學(xué)，太原 030024)

煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性的預(yù)測方法有很多，包括定性的方法和定量的方法，定性的方法主要有瓦斯地質(zhì)統(tǒng)計(jì)法，定量的方法包括數(shù)學(xué)物理預(yù)測法、靜態(tài)指標(biāo)預(yù)測法和動(dòng)態(tài)指標(biāo)預(yù)測法。其中定性的方法往往依據(jù)人的主觀判斷，人的知識(shí)與經(jīng)驗(yàn)決定了預(yù)測結(jié)果的準(zhǔn)確性，而上述定量方法存在的主要缺點(diǎn)是引發(fā)災(zāi)害因素考慮不夠全面、臨界值較難確定等問題。因此，本文采用直覺模糊集的關(guān)聯(lián)測度預(yù)測模型可以將定性預(yù)測與定量預(yù)測有機(jī)地結(jié)合起來，解決了煤與瓦斯突出影響因素復(fù)雜、突出臨界值難以確定和預(yù)測結(jié)果隨機(jī)性大等難題。

回采工作面發(fā)生煤與瓦斯突出的影響因素有很多，通過多年的統(tǒng)計(jì)分析可知，煤層殘存瓦斯含量、瓦斯涌出初速度、工作面最大支架載荷、蓋山深度、軟分層厚度和構(gòu)造復(fù)雜程度對回采工作面煤與瓦斯突出起著關(guān)鍵作用[1-3]，因此，在進(jìn)行突出危險(xiǎn)性預(yù)測時(shí)，將回采工作面按發(fā)生煤與瓦斯突出的危險(xiǎn)性程度劃分為突出危險(xiǎn)區(qū)、突出威脅區(qū)、無突出危險(xiǎn)區(qū)三個(gè)等級。通過運(yùn)用直接模糊集的關(guān)聯(lián)測度計(jì)算出某個(gè)回采工作面各突出影響因素與上述三個(gè)等級的關(guān)聯(lián)度，從而確定它屬于哪一個(gè)突出危險(xiǎn)級別，為回采工作面突出管理提供可靠依據(jù)。

1 直覺模糊集關(guān)聯(lián)測度模型

保加利亞學(xué)者Atanassov[4]于1986年提出了直接模糊集的概念，作為處理模糊性問題的一個(gè)重要工具，其特點(diǎn)是給集合中的每一個(gè)單元賦予一個(gè)隸屬度和一個(gè)非隸屬度，它比傳統(tǒng)的模糊集在處理不確定性問題方面更靈活和實(shí)用。

直覺模糊集的關(guān)聯(lián)系數(shù)是直覺模糊集的一個(gè)重要測度，它能定量反應(yīng)特征向量在集合中的權(quán)重大小[5-6]。文獻(xiàn)5給出了關(guān)聯(lián)測度函數(shù)如下：

設(shè)X={x1,x2,…,xn}為一個(gè)有限集合，xi為集合中的元素，μA為元素的特征向量，則定義{A1={〈xi,μA1(xi),υA1(xi)〉|xi∈X}和A2={〈xi,μA2(xi),υA2(xi)〉|xi∈X}為直覺模糊集，如果：

(1)

稱ρ1(A1，A2)為直覺模糊集A1和A2的關(guān)聯(lián)系數(shù)，式中c1為關(guān)聯(lián)常數(shù)。

在許多情況下，應(yīng)該考慮元素xi∈X的權(quán)重，則上式可推廣為：

(2)

Δμi=|μA1(xi)-μA2(xi)|，

Δυi=|υA1(xi)-υA2(xi)|；

(3)

Δμmin=min{|μA1(xi)-μA2(xi)|}，

Δυmin=min{|υA1(xi)-υA2(xi)|}；

(4)

Δμmax=max{|μA1(xi)-μA2(xi)|}，

Δυmax=max{|υA1(xi)-υA2(xi)|}。

(5)

2 預(yù)測礦井概況

筆者收集晉東國家規(guī)劃礦區(qū)某礦礦井開采資料，該礦設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力500萬t/a，現(xiàn)開采15號(hào)煤層，瓦斯鑒定等級為煤與瓦斯突出礦井，煤層傾角7°左右，區(qū)內(nèi)斷層稀少且落差較小，構(gòu)造比較簡單。15號(hào)煤位于太原組下部，厚度1.15～6.48m，平均厚度5.16m，厚度變異系數(shù)為24%，是全區(qū)穩(wěn)定可采煤層，一般含0～3層夾矸，埋藏深度600m左右，煤層瓦斯含量為14.4～16.7m3/t。15號(hào)煤瓦斯絕對涌出量43m3/min，相對涌出量18m3/t。收集最近兩年已開采結(jié)束的11502、11506、21501號(hào)三個(gè)回采工作面資料，三個(gè)工作面長度均為240m，采高分別為5.20m、5.40m和3.90m，均采用走向長壁一次采全高綜采，全部垮落法管理頂板。統(tǒng)計(jì)這三個(gè)回采工作面殘存瓦斯含量、瓦斯涌出初速度、支架最大載荷、蓋山深度和軟分層厚度數(shù)據(jù)，同時(shí)對上述工作面構(gòu)造復(fù)雜程度進(jìn)行定性判斷，將這些數(shù)據(jù)按危險(xiǎn)等級的隸屬度關(guān)系進(jìn)行歸納分析。

3 預(yù)測步驟

3.1 預(yù)測集合的建立

預(yù)測集合包括突出危險(xiǎn)性等級集合、突出預(yù)測對象集合和突出預(yù)測指標(biāo)集合。

突出危險(xiǎn)性等級：{突出危險(xiǎn)區(qū)，突出威脅區(qū)，無突出危險(xiǎn)區(qū)}；

預(yù)測對象集：{1501號(hào)回采工作面、1502號(hào)回采工作面、1503號(hào)回采工作面}；

預(yù)測指標(biāo)集：{殘存瓦斯含量，瓦斯涌出初速度，構(gòu)造復(fù)雜程度，支架載荷，蓋山厚度，軟分層厚度}。

殘存瓦斯含量、瓦斯涌出初速度、支架載荷和軟分層厚度為工作面開采期間收集礦方三個(gè)月日常檢測數(shù)據(jù)取平均值。構(gòu)造復(fù)雜程度依據(jù)三個(gè)工作面開采期間三個(gè)月內(nèi)遇到斷層或陷落柱統(tǒng)計(jì)得到，其中11502號(hào)工作面開采期間共揭露大小斷層共四條，斷距2-3m，無陷落柱；11506號(hào)工作面開采期間共揭露大小斷層共三條，斷距1～2m，陷落柱1個(gè)，直徑3.5m；21501號(hào)工作面開采期間共揭露大小斷層共二條，斷距均為1.5m，無陷落柱，根據(jù)上述資料，21501號(hào)工作面由于構(gòu)造較11502、11506工作面簡單，構(gòu)造復(fù)雜程度定為1，11502、11506工作面構(gòu)造復(fù)雜程度類似且比21501工作面略復(fù)雜，因此復(fù)雜程度定為2。

11502、11506、21501號(hào)回采工作面預(yù)測指標(biāo)集如表1所示。

根據(jù)上述集合建立預(yù)測指標(biāo)與突出危險(xiǎn)等級的隸屬度(表2)和預(yù)測對象與預(yù)測指標(biāo)隸屬度(表3)。

表1 預(yù)測礦井指標(biāo)集

表2 預(yù)測指標(biāo)與突出危險(xiǎn)性等級的隸屬度

表3 預(yù)測對象與預(yù)測指標(biāo)隸屬度

3.2 預(yù)測區(qū)域隸屬度計(jì)算

根據(jù)理論分析和對上述工作面的現(xiàn)場調(diào)查，殘存瓦斯含量、瓦斯涌出初速度、構(gòu)造復(fù)雜程度、支架載荷、蓋山深度，軟分層厚度的權(quán)重向量ωi={0.1，0.2，0.2，0.2，0.1，0.2}，利用關(guān)聯(lián)測度公式3，計(jì)算11502、11506、21501號(hào)回采工作面對應(yīng)于突出危險(xiǎn)性等級的隸屬度如表4所示。

根據(jù)關(guān)聯(lián)測度預(yù)測結(jié)果，11506號(hào)回采工作面突出突出危險(xiǎn)性最大，21501號(hào)回采工作面無突出危險(xiǎn)性的可能性最大。

表4 預(yù)測對象與突出危險(xiǎn)性等級隸屬度

4 結(jié)論

該礦上述三個(gè)回采工作面在回采過程中采用鉆屑量和瓦斯涌出初速度對突出危險(xiǎn)性進(jìn)行了監(jiān)測，鉆孔瓦斯涌出初速度采用ZWC-2型鉆孔瓦斯涌出初速度測定裝置測定，鉆屑量采用彈簧秤稱量，操作嚴(yán)格按照《防治煤與瓦斯突出規(guī)定》執(zhí)行。通過對三個(gè)月監(jiān)測數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)，11502號(hào)回采工作面瓦斯涌出初速度超標(biāo)7次，最大值為12.97L/min, 鉆屑量超標(biāo)8次，最大值為9kg/m；11506號(hào)回采工作面瓦斯涌出初速度超標(biāo)18次，最大值為23.3L/min，鉆屑量超標(biāo)10次，最大值為14kg/m；21501號(hào)回采工作面瓦斯涌出初速度超標(biāo)3次，最大值為9.76L/min, 鉆屑量超標(biāo)8次，最大值為6.4kg/m。由上述統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可以看出，11506號(hào)回采工作面超標(biāo)次數(shù)最多且瓦斯涌出初速度、鉆屑量最大值均高于11502、21501號(hào)回采工作面，而21501號(hào)回采工作面上述數(shù)據(jù)均最低，與關(guān)聯(lián)測度預(yù)測結(jié)果相吻合。

通過上述實(shí)例可以看出，將直覺模糊集的關(guān)聯(lián)測度模型用于煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性預(yù)測，可以將構(gòu)造復(fù)雜程度這樣的定性預(yù)測指標(biāo)與瓦斯涌出初速度等這些定量預(yù)測指標(biāo)結(jié)合起來考慮，解決了井下煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性預(yù)測時(shí)定性與定量指標(biāo)彼此孤立，導(dǎo)致預(yù)測結(jié)果隨機(jī)性較大，預(yù)測準(zhǔn)確性低的難題，為突出煤層的危險(xiǎn)性預(yù)測評估提供了一種新的方法。