魏玲玲

(潞安礦業(yè)集團(tuán)公司 安監(jiān)局，山西 長治 046204)

我國能源結(jié)構(gòu)中煤炭資源占比最大，且短時(shí)間內(nèi)不會發(fā)生改變，但是在煤炭開采過程中伴隨著諸多安全事故，嚴(yán)重影響著生產(chǎn)設(shè)備的使用壽命以及生產(chǎn)人員的人身安全，如何高效安全地開采煤炭資源是從業(yè)人員及研究人員一直關(guān)注的問題。但是煤炭資源賦存條件復(fù)雜，影響煤炭安全開采的問題也非常多，如影響工作面安全開采的因素有工作面的頂?shù)装搴畬印⒐ぷ髅娌蓜有?yīng)、煤層埋深、地質(zhì)構(gòu)造、瓦斯涌出量、煤層傾角、煤層厚度等等，由于影響工作面安全回采的因素較多，要預(yù)測和控制的量較多、計(jì)算復(fù)雜，因此對于此類問題，許多學(xué)者已經(jīng)進(jìn)行了一定的研究，所運(yùn)用的主要方法為利用傳統(tǒng)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，綜合諸多因素對工作面安全回采做出預(yù)測，但是傳統(tǒng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型存在需要的學(xué)習(xí)樣本較大、計(jì)算預(yù)測結(jié)果誤差較大等缺陷。

本文基于傳統(tǒng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型所存在的缺陷，利用優(yōu)化BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立工作面安全開采預(yù)測模型，結(jié)合有限元仿真軟件Matlab對預(yù)測模型進(jìn)行了模擬計(jì)算，為相似條件下的工作面安全回采的預(yù)測提供了新的思路與方法。

1 工程概況

山西忻州某礦采用立井與斜井聯(lián)合開拓方式，目前主采3號與9號煤層，即將布置的工作面煤層埋深標(biāo)高為+994～+958 m，平均埋深為100 m，煤層平均厚度為2.5 m，煤層傾角為7～9°，為近水平煤層。頂板為粉砂巖，煤層賦存地質(zhì)構(gòu)造較簡單，工作面瓦斯涌出量為0.56 m3/t，平均涌水量2.6 m3/h，采煤工藝為走向長壁后退式一次采全高綜合機(jī)械化開采法，頂板采用全部垮落法進(jìn)行管理。

2 煤礦安全開采影響因素分析

由于煤礦在煤炭開采過程中存在錯(cuò)綜復(fù)雜的不安全因素，使得作業(yè)環(huán)境較為復(fù)雜，形成一個(gè)集人員、機(jī)械、設(shè)備、地質(zhì)條件、自然環(huán)境、采礦工藝于一體的復(fù)雜系統(tǒng)，而且各因素與安全隱患之間的關(guān)系并不是線性關(guān)系，而是一種模糊關(guān)系。本文針對影響工作面開采的因素，主要選取地質(zhì)條件、頂板條件、瓦斯涌出量、煤層傾角、煤層厚度、開采深度、平均涌水量7個(gè)因素作為影響工作面安全開采的評價(jià)指標(biāo)。以《煤礦安全規(guī)程》為依據(jù)，將評價(jià)指標(biāo)定為五個(gè)等級，即I級、Ⅱ級、Ⅲ級、Ⅳ級、V級，分別表示安全、較安全、一般安全、不安全、很不安全[1]，各因素的分級標(biāo)準(zhǔn)見表1。表1中的地質(zhì)條件和頂板條件的取值采用定性指數(shù)取值方法，指數(shù)級別見表2。

表1 工作面安全開采的評價(jià)指標(biāo)分級標(biāo)準(zhǔn)

表2 地質(zhì)條件和頂板條件指數(shù)取值

3 基于優(yōu)化BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的工作面安全開采評價(jià)模型構(gòu)建

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一種通過局部接受域完成函數(shù)映射的網(wǎng)絡(luò)，并且網(wǎng)絡(luò)存在隱含層神經(jīng)元節(jié)點(diǎn)數(shù)的確定和隱含層到輸出層權(quán)值的調(diào)整的缺陷[2]，該網(wǎng)絡(luò)模型所需訓(xùn)練樣本較大，且存在較大誤差。本文通過對神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行優(yōu)化，在輸入層與輸出層之間加載一條單向線式連接，通過此連接可以進(jìn)一步反映出輸入層與輸出層之間所存在的映射關(guān)系[3]，使輸入與輸出更具有關(guān)聯(lián)性，通過使用最陡下降法和最近鄰聚類，只需要通過調(diào)整其中的一個(gè)變量，就可以完成權(quán)值訓(xùn)練[4]，運(yùn)用該方法對問題進(jìn)行預(yù)測時(shí)，所需要的訓(xùn)練樣本較少，且能達(dá)到更好的訓(xùn)練以及預(yù)測效果。圖1為傳統(tǒng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型與優(yōu)化BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型結(jié)構(gòu)。

圖1 傳統(tǒng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型與優(yōu)化BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型結(jié)構(gòu)

為對基于優(yōu)化BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的工作面安全開采評價(jià)模型的訓(xùn)練，選取10組影響工作面安全開采的樣本參數(shù)及結(jié)果來進(jìn)行學(xué)習(xí)訓(xùn)練。樣本具體參數(shù)見表3。表3中：實(shí)際結(jié)果中00 001表示安全、00 010表示較安全、00 100表示一般安全、01 000表示不安全、10 000表示很不安全。

表3 影響工作面安全回采的樣本參數(shù)及結(jié)果

4 工作面安全開采評價(jià)的Matlab模擬仿真研究

結(jié)合圖1中的優(yōu)化BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型結(jié)構(gòu)，在Matlab中編寫運(yùn)算程序，將表3中的數(shù)據(jù)導(dǎo)入Matlab運(yùn)算程序中進(jìn)行學(xué)習(xí)訓(xùn)練，當(dāng)計(jì)算誤差小于0.1%時(shí)，說明運(yùn)算程序已經(jīng)學(xué)習(xí)訓(xùn)練完成。圖2為Matlab運(yùn)算程序誤差曲線。

圖2 Matlab運(yùn)算程序誤差曲線

運(yùn)算程序?qū)W習(xí)完成后，為驗(yàn)證基于優(yōu)化BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型編寫的運(yùn)算程序的可靠性，選取4組已知結(jié)果影響工作面安全回采的樣本參數(shù)對運(yùn)算程序進(jìn)行驗(yàn)證，比較結(jié)果見表4。

由表4可以看出：在4組樣本中，基于優(yōu)化BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型編寫的運(yùn)算程序得到的預(yù)測結(jié)果與實(shí)際結(jié)果相一致，可見優(yōu)化BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型能夠較好地達(dá)到預(yù)測效果，精準(zhǔn)度較高，可以有效地應(yīng)用于煤礦工作面安全回采的評價(jià)中。

表4 BP優(yōu)化神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型預(yù)測結(jié)果與實(shí)際結(jié)果比較

5 工程應(yīng)用

經(jīng)過學(xué)習(xí)訓(xùn)練過后的Matlab運(yùn)算程序已經(jīng)獲得了影響因素與評價(jià)結(jié)果之間的關(guān)系，因此可用在評價(jià)煤礦工作面安全開采的評價(jià)中。文章背景忻州某礦即將布置的工作面地質(zhì)條件簡單，取值為1，頂板條件取值為3，瓦斯涌出量為0.56 m3/t，煤層傾角平均為8°，煤層厚度為2.5 m，開采深度為100 m，平均涌水量2.6 m3/h，將上述數(shù)據(jù)代入Matlab運(yùn)算程序中，經(jīng)模擬計(jì)算得出結(jié)果為00 001，說明該工作面的開采安全狀況為安全。

6 結(jié) 語

1) 基于優(yōu)化BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型編寫的Matlab運(yùn)算程序得到的預(yù)測結(jié)果與實(shí)際結(jié)果相一致，可見優(yōu)化BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型能夠較好地達(dá)到預(yù)測效果，精準(zhǔn)度較高，可以有效地應(yīng)用于煤礦工作面安全回采的評價(jià)中。

2) 經(jīng)過學(xué)習(xí)訓(xùn)練過后的Matlab運(yùn)算程序已經(jīng)獲得了影響因素與評價(jià)結(jié)果之間的關(guān)系，結(jié)合忻州某礦工作面已知數(shù)據(jù)，經(jīng)過模擬計(jì)算，得出工作面的開采安全狀況為安全。