劉彥青

(1.煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司 安全分院，北京 100013；2.煤炭資源高效開采和潔凈利用國家重點(diǎn)實(shí)驗室，北京 100013)

井下采掘接替、巷道開拓等生產(chǎn)活動會導(dǎo)致礦井風(fēng)阻發(fā)生變化，使得礦井通風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)量重新分配。為了避免通風(fēng)安全事故，有必要對礦井通風(fēng)系統(tǒng)改變之后風(fēng)網(wǎng)風(fēng)量變化進(jìn)行提前預(yù)測。礦井通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)解算是現(xiàn)階段最有效的方法之一[1-2]，目前礦井通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)解算主要采用基于空氣動力學(xué)理論的通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)解算數(shù)學(xué)模型與斯考德—恒斯雷法通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)解算方法，文獻(xiàn)[3-9]作者研究表明，采用斯考德—恒斯雷法通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)解算方法計算得到的礦井風(fēng)網(wǎng)風(fēng)量結(jié)果與實(shí)測結(jié)果之間誤差較小，能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)風(fēng)量準(zhǔn)確預(yù)測；楊帥等[10]將礦井通風(fēng)監(jiān)測與通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)解算相結(jié)合，構(gòu)建了實(shí)時通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)解算模型。

礦井全風(fēng)網(wǎng)摩擦阻力系數(shù)是礦井通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)解算中最核心的參數(shù)。在保證礦井通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)解算方法可靠的前提下，礦井全風(fēng)網(wǎng)摩擦阻力系數(shù)的準(zhǔn)確賦值會直接嚴(yán)重影響解算結(jié)果的準(zhǔn)確性。通過現(xiàn)場實(shí)測方法能夠準(zhǔn)確獲得已掘巷道的摩擦阻力系數(shù)，而待掘巷道摩擦阻力系數(shù)只能通過預(yù)測獲得。魏寧等[11-12]采用人工智能方法對巷道摩擦阻力系數(shù)進(jìn)行了預(yù)測計算；梁軍等[13]采用數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)對巷道摩擦阻力系數(shù)進(jìn)行了匹配賦值。

筆者以雙柳煤礦通風(fēng)系統(tǒng)為研究對象，總結(jié)巷道摩擦阻力系數(shù)影響因素，采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法構(gòu)建巷道摩擦阻力系數(shù)預(yù)測模型，并對雙柳煤礦待掘巷道摩擦阻力系數(shù)進(jìn)行預(yù)測賦值，將待掘巷道摩擦阻力系數(shù)預(yù)測值代入雙柳煤礦通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)解算模型中，對礦井通風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)量分配進(jìn)行超前預(yù)測，通過分析預(yù)測結(jié)果與現(xiàn)場實(shí)測結(jié)果之間的相對誤差，驗證巷道摩擦阻力系數(shù)預(yù)測模型的準(zhǔn)確性。

1 雙柳煤礦通風(fēng)系統(tǒng)概況

雙柳煤礦通風(fēng)系統(tǒng)采用分區(qū)并列式通風(fēng)方式，通風(fēng)方法為抽出式。全礦井共布置5條井筒，其中進(jìn)風(fēng)井3個，分別為白家焉主斜井、白家焉副立井、郭家山副立井；回風(fēng)井2個，分別為白家焉回風(fēng)立井和郭家山回風(fēng)立井。白家焉回風(fēng)立井擔(dān)負(fù)一采區(qū)、二采區(qū)回風(fēng)任務(wù)，郭家山回風(fēng)立井擔(dān)負(fù)三采區(qū)、四采區(qū)回風(fēng)任務(wù)。

2 雙柳煤礦巷道摩擦阻力系數(shù)實(shí)測

采用適用于復(fù)雜礦井通風(fēng)系統(tǒng)阻力測定的精密氣壓計基點(diǎn)法對雙柳煤礦通風(fēng)阻力進(jìn)行現(xiàn)場測定[14-18]，利用精密氣壓計測試巷道節(jié)點(diǎn)位置靜壓、干溫度、相對濕度，利用機(jī)械式風(fēng)表測試巷道分支風(fēng)速，利用激光測距儀測試巷道斷面尺寸，查閱礦井采掘工程平面圖得到巷道節(jié)點(diǎn)標(biāo)高。根據(jù)巷道分支兩端靜壓差、位壓差，以及巷道分支兩端測壓期間地面大氣壓波動變化來計算巷道分支通風(fēng)阻力，計算公式見式(1)，巷道分支摩擦風(fēng)阻、摩擦阻力系數(shù)計算公式見式(2)、式(3)：

(1)

(2)

(3)

式中：hij為巷道始末節(jié)點(diǎn)i、j之間的通風(fēng)阻力，Pa；ρi、ρj為巷道始節(jié)點(diǎn)i、末節(jié)點(diǎn)j的空氣密度，kg/m3；Δp為地面大氣壓波動變化值，Pa；pi、pj為巷道始節(jié)點(diǎn)i、末節(jié)點(diǎn)j的氣壓計讀數(shù)，Pa；hi、hj為巷道始節(jié)點(diǎn)i、末節(jié)點(diǎn)j的標(biāo)高，m；Ri-j為巷道摩擦風(fēng)阻，N·s2/m8；Qi-j為巷道風(fēng)量，m3/s；αi-j為巷道摩擦阻力系數(shù)，N·s2/m4；Si-j為巷道斷面積，m2；Ci-j為巷道周長，m；Li-j為巷道長度，m。

3 基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的巷道摩擦阻力系數(shù)預(yù)測模型構(gòu)建

3.1 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型結(jié)構(gòu)

BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型結(jié)構(gòu)圖見圖1。以預(yù)測待掘巷道摩擦阻力系數(shù)為目標(biāo)，利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法構(gòu)建巷道摩擦阻力系數(shù)預(yù)測模型，預(yù)測模型以巷道摩擦阻力系數(shù)影響因素作為輸入層，以巷道摩擦阻力系數(shù)作為輸出層。

xi—輸入層第i個屬性；vij—輸入層第i個屬性與隱層第j個元素之間的連接權(quán)；ym—輸出層第m個輸出結(jié)果；ψj—隱層第j個元素的閾值；wjm—隱層第j個元素與輸出層第m個元素之間的連接權(quán)；φm—輸出層第m個元素的閾值。

3.2 巷道摩擦阻力系數(shù)預(yù)測模型輸入屬性集構(gòu)建

巷道摩擦阻力系數(shù)主要影響因素包括巷道支護(hù)方式、巷道斷面形狀、巷道當(dāng)量半徑(由巷道幾何斷面積與巷道幾何周長計算得到)、巷道斷面有效通風(fēng)面積系數(shù)，其中巷道支護(hù)方式主要決定巷道壁面結(jié)構(gòu)粗糙度，巷道斷面有效通風(fēng)面積系數(shù)是指巷道有效通風(fēng)斷面積與巷道幾何斷面積之比。將巷道摩擦阻力系數(shù)主要影響因素作為巷道摩擦阻力系數(shù)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測模型的輸入屬性集，由于每個屬性在預(yù)測過程中均需要參與具體計算，因此需要對每個屬性進(jìn)行賦值。對于巷道當(dāng)量半徑、巷道斷面有效通風(fēng)面積系數(shù)這類能夠用具體數(shù)值來定量描述的屬性，以實(shí)際值作為屬性賦值，而對于巷道支護(hù)方式、巷道斷面形狀這類無法直接用具體數(shù)值來定量描述的屬性，需要規(guī)定屬性狀態(tài)及每個屬性狀態(tài)對應(yīng)的數(shù)值來進(jìn)行屬性賦值。巷道摩擦阻力系數(shù)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測模型輸入屬性集具體信息見表1。

表1 巷道摩擦阻力系數(shù)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測模型輸入屬性集及屬性狀態(tài)賦值

3.3 巷道摩擦阻力系數(shù)預(yù)測模型學(xué)習(xí)訓(xùn)練

基于上述研究構(gòu)建巷道摩擦阻力系數(shù)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測模型，其具體包括4個輸入層屬性(即4個摩擦阻力系數(shù)影響因素值)、20個隱層神經(jīng)元、1個輸出神經(jīng)元(即巷道摩擦阻力系數(shù)值)。隱層神經(jīng)元傳遞函數(shù)選擇Sigmoid 函數(shù)，輸出神經(jīng)元傳遞函數(shù)選擇pureline 函數(shù)。以雙柳煤礦典型巷道的摩擦阻力系數(shù)及其影響因素的實(shí)測數(shù)據(jù)作為學(xué)習(xí)訓(xùn)練樣本，對初步構(gòu)建的巷道摩擦阻力系數(shù)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測模型進(jìn)行學(xué)習(xí)訓(xùn)練，其流程如圖2 所示。學(xué)習(xí)訓(xùn)練樣本見表2，學(xué)習(xí)訓(xùn)練2 451個周期之后預(yù)測模型的期望誤差達(dá)到0.000 1以下。

圖2 巷道摩擦阻力系數(shù)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測模型學(xué)習(xí)訓(xùn)練流程

表2 雙柳煤礦巷道摩擦阻力系數(shù)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測模型學(xué)習(xí)訓(xùn)練樣本集

3.4 巷道摩擦阻力系數(shù)預(yù)測模型應(yīng)用

回采工作面從貫通到回采結(jié)束期間，回采巷道支護(hù)類型與巷道內(nèi)設(shè)備布置會發(fā)生改變，因此回采巷道摩擦阻力系數(shù)也會發(fā)生相應(yīng)改變。利用巷道摩擦阻力系數(shù)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測模型對23(4)13回采工作面貫通之后不同時期回采巷道摩擦阻力系數(shù)進(jìn)行預(yù)測賦值，預(yù)測結(jié)果見表3。

表3 23(4)13回采工作面貫通之后回采巷道不同時期摩擦阻力系數(shù)賦值情況

4 雙柳煤礦通風(fēng)系統(tǒng)三維可視化風(fēng)網(wǎng)解算模型建立

4.1 礦井通風(fēng)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)解算方法

礦井通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)解算實(shí)質(zhì)是在給定風(fēng)網(wǎng)結(jié)構(gòu)、巷道分支風(fēng)阻、巷道分支動力的前提下求解巷道分支風(fēng)量和分支通風(fēng)阻力，以巷道分支通風(fēng)阻力定律、節(jié)點(diǎn)風(fēng)量平衡定律、回路風(fēng)壓平衡定律為基礎(chǔ)，建立以回路風(fēng)量為待求解未知數(shù)的非線性方程組，采用近似迭代算法求解得到回路風(fēng)量，由回路風(fēng)量計算分支風(fēng)量、分支阻力等其余未知量。

在已知巷道分支通風(fēng)動力情況下，為了減少方程組未知數(shù)，降低方程組求解計算量，將式(4)～(6)融合得到式(7)，將式(7)展開為泰勒級數(shù)，忽略二次項與三次項得到式(8)。采用斯考德—恒斯雷法求解回路風(fēng)量，由式(9)計算各回路風(fēng)量增量，根據(jù)增量調(diào)整回路風(fēng)量，再將調(diào)整后的回路風(fēng)量代入式(9)計算各回路風(fēng)量的增量，經(jīng)過多次循環(huán)計算，直到各個回路風(fēng)量的相鄰兩次增量之間相對偏差達(dá)到0.1%以下，表明通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)回路風(fēng)量達(dá)到準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)，將所求得的各回路風(fēng)量代入式(5)求解得到全礦井所有巷道分支風(fēng)量，再將巷道分支風(fēng)量代入式(4)可求得全礦井所有巷道分支通風(fēng)阻力。

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

4.2 雙柳煤礦通風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)網(wǎng)解算模型建立

將巷道摩擦阻力系數(shù)、巷道斷面尺寸、巷道長度，以及地面主通風(fēng)機(jī)風(fēng)量與負(fù)壓特性曲線實(shí)測數(shù)據(jù)導(dǎo)入礦井通風(fēng)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)解算模型中，在初步建立雙柳煤礦通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)解算模型后，需要對初步構(gòu)建的模型進(jìn)行風(fēng)量平衡調(diào)試。風(fēng)量平衡調(diào)試的主要原因在于無法準(zhǔn)確實(shí)測礦井所有巷道風(fēng)阻[19-20]，具體原因如下：

1)井下通風(fēng)構(gòu)筑物兩端壓差可實(shí)測，而構(gòu)筑物漏風(fēng)量無法實(shí)測，因此通風(fēng)構(gòu)筑物風(fēng)阻無法準(zhǔn)確測算；

2)副井罐籠提升、人員活動等眾多通風(fēng)擾動因素造成巷道或井筒兩端壓差與風(fēng)量無法準(zhǔn)確測得，巷道與井筒風(fēng)阻無法準(zhǔn)確測得。

雙柳煤礦通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)解算模型的風(fēng)量平衡調(diào)試具體過程為：對比通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)解算風(fēng)量值與實(shí)測風(fēng)量值之間偏差，小幅度調(diào)整巷道摩擦阻力系數(shù)或通風(fēng)構(gòu)筑物風(fēng)阻，重新對比解算結(jié)果與實(shí)測結(jié)果之間偏差，直到礦井所有巷道的通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)解算風(fēng)量值與實(shí)測風(fēng)量值之間相對誤差小于0.1%為止，具體過程如圖3所示。

圖3 雙柳煤礦通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)解算模型風(fēng)量平衡調(diào)試過程

5 礦井風(fēng)網(wǎng)分配風(fēng)量預(yù)測的應(yīng)用效果分析

將23(4)13回采工作面貫通之后不同時期回采巷道的摩擦阻力系數(shù)預(yù)測值代入雙柳煤礦通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)解算模型，分別對23(4)13工作面貫通之后不同時期礦井通風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)量進(jìn)行解算預(yù)測，解算結(jié)果與實(shí)測結(jié)果之間相對誤差小于8%，見表4。

表4 23(4)13回采工作面貫通之后不同時期風(fēng)網(wǎng)風(fēng)量解算結(jié)果與實(shí)測結(jié)果對比

研究結(jié)果表明，采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法的巷道摩擦阻力系數(shù)預(yù)測模型對待掘巷道摩擦阻力系數(shù)進(jìn)行預(yù)測賦值，將待掘巷道摩擦阻力系數(shù)值代入通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)解算模型，能夠?qū)崿F(xiàn)礦井風(fēng)網(wǎng)風(fēng)量的準(zhǔn)確解算。

6 結(jié)論

1)基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法，構(gòu)建得到以巷道摩擦阻力系數(shù)影響因素作為信號輸入集、以巷道摩擦阻力系數(shù)作為輸出結(jié)果的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測模型，以雙柳煤礦巷道摩擦阻力系數(shù)及影響因素實(shí)測值作為預(yù)測模型的訓(xùn)練樣本，訓(xùn)練得到雙柳煤礦巷道摩擦阻力系數(shù)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測模型，利用雙柳煤礦巷道摩擦阻力系數(shù)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測模型對尚未貫通的 23(4)13回采工作面回采巷道摩擦阻力系數(shù)進(jìn)行了預(yù)測。

2)基于斯考德—恒斯雷法通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)解算方法建立雙柳煤礦通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)解算模型，將23(4)13回采工作面回采巷道摩擦阻力系數(shù)預(yù)測值代入解算模型，分別對該工作面貫通后備用階段和回采階段礦井全風(fēng)網(wǎng)風(fēng)量變化進(jìn)行解算，解算結(jié)果與實(shí)測結(jié)果之間相對誤差在8%以內(nèi)。將待掘巷道摩擦阻力系數(shù)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測結(jié)果應(yīng)用于礦井通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)解算，結(jié)果表明其能夠?qū)崿F(xiàn)礦井全風(fēng)網(wǎng)風(fēng)量的準(zhǔn)確解算預(yù)測。