齊德明
(同煤集團(tuán)煤峪口礦,山西 大同 037041)
礦井瓦斯涌出量與地質(zhì)條件、煤的賦存情況、開采技術(shù)等多個(gè)因素有關(guān)。在同一煤層中,瓦斯涌出量受到采動(dòng)影響也會(huì)有所不同。因此,瓦斯涌出量是一個(gè)復(fù)雜的、不確定的、受多因素作用的煤礦重要參數(shù)。由于有著這樣的特性,所以瓦斯涌出量的預(yù)測(cè)是以考慮多個(gè)不同因素的作用的灰色系統(tǒng)理論為主來進(jìn)行的。用灰色系統(tǒng)研究瓦斯涌出量的大小,在一定范圍內(nèi)預(yù)測(cè)礦井未來瓦斯涌出量的大小、變化和起伏具有良好的精度和方便性。
本文分析灰色GM(1,1)系統(tǒng)在煤礦瓦斯涌出量預(yù)測(cè)中的應(yīng)用,研究其精度及誤差。為煤礦瓦斯涌出量預(yù)測(cè)提供一種較為科學(xué)、可靠的分析理論與方法。
在煤礦通風(fēng)計(jì)算和瓦斯防治工作中,瓦斯涌出量的準(zhǔn)確預(yù)測(cè)是非常關(guān)鍵的內(nèi)容之一。要全面認(rèn)識(shí)瓦斯涌出、準(zhǔn)確進(jìn)行瓦斯涌出量預(yù)測(cè),就要對(duì)影響瓦斯涌出量的因素作出分析。在影響瓦斯涌出量的因素中,自然因素、地質(zhì)因素和開采因素是最主要的。
(1)大氣壓
大氣壓的變化會(huì)對(duì)礦井瓦斯涌出量產(chǎn)生一定的影響。根據(jù)美國(guó)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)來看,在煤礦瓦斯事故中,有50%以上是在大氣壓急劇變化時(shí)出現(xiàn)的。這是由于氣壓變化(主要是陰雨天氣壓變低現(xiàn)象)會(huì)導(dǎo)致煤層中瓦斯涌出速度加快,如果不能及時(shí)排出,很容易造成積聚和爆炸。
(2)地震
地震會(huì)對(duì)煤礦井下的地質(zhì)構(gòu)造和礦山壓力產(chǎn)生影響。據(jù)統(tǒng)計(jì),地震發(fā)生時(shí),瓦斯涌出量是平時(shí)的3.5~5倍。這是由于地震增大了煤巖裂隙,導(dǎo)致瓦斯涌出量快速增加。
(1)煤層瓦斯含量與鄰近煤巖層瓦斯含量
煤層瓦斯含量的多與少會(huì)對(duì)瓦斯涌出量產(chǎn)生直接影響。煤層瓦斯含量大相應(yīng)的瓦斯涌出量也大。當(dāng)鄰近煤巖層瓦斯含量大時(shí),瓦斯涌出量也會(huì)增大。這是由于受采動(dòng)影響,鄰近煤巖層的瓦斯會(huì)流入工作面,造成瓦斯涌出量增加。
(2)煤層和圍巖的瓦斯?jié)B透性
煤層與圍巖的滲透性也會(huì)對(duì)瓦斯涌出量產(chǎn)生較大的影響。易于滲透的煤層中,瓦斯流動(dòng)速度較快,所以涌出量也會(huì)較多。煤層與圍巖的滲透性與其孔隙度、孔隙大小等有著直接關(guān)系。由于采動(dòng)會(huì)影響地質(zhì)構(gòu)造,所以也會(huì)對(duì)其滲透性產(chǎn)生影響。
(1)開采規(guī)模
開采規(guī)模主要是指礦井產(chǎn)量、開采的深度、開采范圍、工作面?zhèn)€數(shù)以及推進(jìn)速度等指標(biāo)。正常情況下,埋藏深度越深,煤層瓦斯含量也隨之越大。開采范圍越大,受采動(dòng)影響的地質(zhì)結(jié)構(gòu)也就越多,瓦斯涌出量也就越大。
(2)開采順序
開采順序指的是煤層進(jìn)行分層開采時(shí)的順序,開采順序不同也會(huì)影響瓦斯涌出量。通常,先開采的煤層瓦斯涌出量大,這是由于除了本煤層所含的瓦斯外,會(huì)有受采動(dòng)影響的相鄰煤層瓦斯涌出到首采面。
(3)開采方法與頂板管理方式
選擇回采率低的采煤方法會(huì)使瓦斯涌出量增大,這是由于回采率低的開采方法留煤柱多、丟煤多造成的。另外,頂板管理方式的不同也會(huì)影響瓦斯涌出量。采用全部垮落法比充填法產(chǎn)生的瓦斯涌出量要大。
(4)通風(fēng)壓力
采用壓入式通風(fēng)的礦井,礦井通風(fēng)壓力越大,瓦斯涌出量越小;采用抽出式通風(fēng)的礦井,礦井通風(fēng)壓力越大,瓦斯涌出量也越大。
(5)采空區(qū)管理
礦井瓦斯的一個(gè)重要來源就是采空區(qū)瓦斯。如果采空區(qū)存在大量漏風(fēng),就會(huì)造成瓦斯涌出量增加,而進(jìn)、回風(fēng)巷兩側(cè)通風(fēng)壓差偏大,或采空區(qū)密閉的質(zhì)量較差,都會(huì)導(dǎo)致采空區(qū)的漏風(fēng)。
從上述分析可以看出,礦井瓦斯涌出量的大小受很多因素的影響。因此,瓦斯涌出量的預(yù)測(cè)是一個(gè)復(fù)雜、不確定情況下的預(yù)測(cè)。要想得到更高的預(yù)測(cè)精度,需要采用模糊計(jì)算方法,因此,灰色系統(tǒng)理論是一個(gè)非常好的選擇。
灰色系統(tǒng)理論與一般的概率計(jì)算和回歸分析相比,主要的特點(diǎn)是能夠解決連續(xù)微分方程的建模問題?;疑到y(tǒng)理論的預(yù)測(cè)是從已知序列推導(dǎo),得出一個(gè)喇叭形的預(yù)測(cè)的范圍,也就是說隨著時(shí)間推移,精度會(huì)下降。因此,灰色系統(tǒng)理論更多的是做短期預(yù)測(cè)。
通過灰色系統(tǒng)理論的GM(1,1)模型進(jìn)行煤礦瓦斯涌出量預(yù)測(cè),計(jì)算方法如下:
式中:
首先,是德行的培養(yǎng)。人若無德,與禽獸無異。德行,是一個(gè)人在社會(huì)安身立命的根本的前提條件。一個(gè)有德無才的人,我們可以培養(yǎng)他的才能。但一個(gè)有才無德的人,帶來的危害卻是巨大。
α和u-待辨識(shí)參數(shù),序列x(1)={x1(1),x2(1),x3(1),……,xn(1)}是對(duì)原始離散序列x(0)={x1(0),x2(0),x3(0),……,xn(0)}進(jìn)行一次累加生成處理之后的序列,即:
利用最小二乘法原理求得辨識(shí)參數(shù)α和u為:
微分方程(1)的解為:
(6)的離散響應(yīng)方程為:
通過對(duì)煤礦現(xiàn)場(chǎng)瓦斯涌出量的數(shù)據(jù)采集,得到不同時(shí)間節(jié)點(diǎn)的瓦斯涌出情況,具體數(shù)據(jù)如表1所示。對(duì)該數(shù)據(jù)進(jìn)行GM(1,1)的預(yù)測(cè)計(jì)算。
表1 煤礦瓦斯涌出量的數(shù)據(jù)采集與預(yù)測(cè)
通過表1數(shù)據(jù)建立初始序列可得:
x(0)={x1(0),x2(0),x3(0),……,xn(0)}= {4.35 ,4.55,5.75,6.86 ,7.37,7.23 ,7.71}
同時(shí),可得α=-0.0855和u=4.6678,由此可得頂板變形量預(yù)測(cè)模型為:
c越小則模型的預(yù)測(cè)值與實(shí)際值誤差就越小,模型的精度就越高,見表2。
表2 精度檢驗(yàn)參照表
通過MATLAB計(jì)算,殘差序列εk=[0.0000,0.7111,-0.01942,-0.6182,-0.5713,01753]求得殘差序列和原始序列的方差并計(jì)算后驗(yàn)差比值c=0.34<0.35,因此,參照表2可知預(yù)測(cè)精度為好(一級(jí))。
根據(jù)表1數(shù)據(jù)繪制實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與預(yù)測(cè)結(jié)果對(duì)比圖,如圖1所示。從圖中可以看出,兩者預(yù)測(cè)結(jié)果相差較小。GM(1,1)計(jì)算結(jié)果較為精確。
(1)本文分析了影響煤礦瓦斯涌出量的主要因素,包括自然條件、地質(zhì)因素以及開采因素。由于影響因素較多,所以瓦斯涌出量的預(yù)測(cè)是一個(gè)復(fù)雜的灰色系統(tǒng)。因此建立了基于GM(1,1)灰色系統(tǒng)的預(yù)測(cè)模型。根據(jù)模型利用MATLAB進(jìn)行計(jì)算,得到預(yù)測(cè)模型為:-59.594+63.94e0.0855k,后驗(yàn)差比值為0.34,精度為好。
(2)計(jì)算表明,基于GM(1,1)灰色系統(tǒng)的瓦斯涌出量預(yù)測(cè)模型能夠較好地進(jìn)行預(yù)測(cè),為煤礦通風(fēng)計(jì)算及瓦斯防治提供依據(jù),具有一定的科學(xué)指導(dǎo)意義。但是,受灰色系統(tǒng)理論本身局限性影響,該預(yù)測(cè)模型僅能作為短期預(yù)測(cè)。
圖1 原始數(shù)據(jù)與預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比圖