宋 容

(成都理工大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院,四川 樂山 614000)

煤炭是我國應(yīng)用的主要能源之一[1]，煤礦掘進是我國煤炭資源來源的主要方式[2]。因此，煤礦掘進過程中的安全性十分重要。煤礦掘進過程中煤和瓦斯的突出問題對煤礦掘進的安全性產(chǎn)生重要影響[3]，并且在煤礦掘進深度與強度逐漸提升的條件下，突出問題對于煤礦安全生產(chǎn)的影響更為顯著，研究一種有效的方法整體識別并預(yù)警突出事故是抑制煤礦突出事故發(fā)生的有效方式[4]。

有國內(nèi)學(xué)者[5]以瓦斯監(jiān)控數(shù)據(jù)為依據(jù)，設(shè)計一個突出預(yù)警系統(tǒng)，設(shè)置滿足煤礦瓦斯突出特征的預(yù)警指標(biāo)值與臨界值，并將該預(yù)警系統(tǒng)應(yīng)用于煤礦突出預(yù)警問題中。該方法在分析過程中僅考慮了瓦斯數(shù)據(jù)，對于造成突出危險的因素考慮并不全面。還有國內(nèi)學(xué)者分析礦井掘進工作面中的突出危險性預(yù)警方法[6]，該方法以灰色預(yù)測模型為核心，但該方法對于數(shù)據(jù)的分析并不充分。

也有國外學(xué)者提出了[7]程序升溫煤自燃試驗和煤自燃試驗。測得的參數(shù)為不同供氧條件下煤自燃過程中的O2濃度和產(chǎn)氣量。進一步分析了瓦斯和瓦斯比隨煤溫變化的特征，篩選出礦煤自燃特征瓦斯指標(biāo)，定義了6個特征溫度及其閾值。將煤自燃過程分為潛伏期、重組期等7個階段。該方法對煤自燃過程的預(yù)警較為準(zhǔn)確，但是對煤礦瓦斯突出的預(yù)警準(zhǔn)確性仍有待增強。

研究應(yīng)用多層關(guān)聯(lián)規(guī)則算法的煤礦突出預(yù)警模型，利用多層關(guān)聯(lián)規(guī)則算法確定預(yù)警指標(biāo)權(quán)重，根據(jù)組合權(quán)重確定準(zhǔn)確的煤礦突出預(yù)警結(jié)果。

1 煤礦突出預(yù)警模型

1.1 煤礦突出突變因素分析

突變理論研究的主要目標(biāo)為表征突變系統(tǒng)的勢函數(shù)，分析警戒點周邊的間斷性特征能夠獲取奇點集合與分歧點方程，在控制變量符合分歧點集合方程的條件下，系統(tǒng)將形成突變。煤礦突出突變成因如圖1所示。

圖1 煤礦突出突變成因Fig.1 Cause of sudden change of coal mine outburst

利用突變系統(tǒng)能夠描述煤礦突出問題。其中，勢函數(shù)的控制變量可設(shè)定為煤礦區(qū)域的地質(zhì)與瓦斯[8-9]。突變系統(tǒng)上存在由豎直切線的點所生成的奇點集合S，以B表示S的投影，也就是煤礦中煤與瓦斯的突出臨界點。煤礦突出形成的主要原因在于下部穩(wěn)定區(qū)的變量躍遷至上部穩(wěn)定區(qū)[10]，躍遷軌跡見圖1內(nèi)的a→b→c。根據(jù)以上所分析的煤礦突出突變形成因素選取突出預(yù)警指標(biāo)，構(gòu)建煤礦突出預(yù)警指標(biāo)體系。

1.2 煤礦突出預(yù)警指標(biāo)體系構(gòu)建

相關(guān)領(lǐng)域中研究學(xué)者的研究結(jié)果表明，地質(zhì)構(gòu)造能夠有效控制煤礦地層巖體突出的危險性[11]。地質(zhì)構(gòu)造中包括煤礦地層巖體的煤體結(jié)構(gòu)類別、瓦斯含量以及構(gòu)造應(yīng)力等，這些均都能對煤礦突出危險性產(chǎn)生相應(yīng)的控制作用?；谙嚓P(guān)煤礦突出問題研究結(jié)果得到，約80%以上的煤礦突出問題均產(chǎn)生于煤礦地層斷層等地質(zhì)結(jié)構(gòu)周邊[12]，如圖2所示。

圖2 煤層突出區(qū)域分布特征Fig.2 Distribution characteristics of coal seam outburst area

煤礦地質(zhì)構(gòu)造對于煤礦突出的影響可劃分為以下3個主要方面。①在煤礦地層地質(zhì)活動的作用下，地質(zhì)構(gòu)造周邊煤礦地層結(jié)構(gòu)通常受到一定破壞，有較大概率同時存在構(gòu)造軟煤，由于強度不足，對于煤礦突出問題的抵抗能力較差[13]。②煤礦地層地質(zhì)構(gòu)造周邊的參與構(gòu)造應(yīng)力通常較大，同時應(yīng)力的分布具有不均衡特征，由此提升了煤礦突出問題形成的動能。③部分煤礦地層內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造環(huán)境將導(dǎo)致封閉環(huán)境產(chǎn)生，由此提升煤礦內(nèi)部的瓦斯壓力。

基于上述分析能夠說明地質(zhì)構(gòu)造一直以來就是煤礦突出問題防治的重點目標(biāo)。

地質(zhì)構(gòu)造有較大概率會造成煤層賦存參數(shù)產(chǎn)生變化[14]，其中變化較為顯著的參數(shù)主要包括煤厚、軟分層厚度、煤層分叉合層等。由此在構(gòu)建煤礦突出預(yù)警指標(biāo)體系時可將煤層分叉合層、煤層傾角與走向變化量等作為煤礦突出預(yù)警指標(biāo)。

煤層瓦斯參數(shù)中所包含的壓力與含量值對于煤礦地層突出問題的危險性也產(chǎn)生重要影響[15]，因此可選取煤層瓦斯參數(shù)作為煤礦突出預(yù)警指標(biāo)。由此構(gòu)建煤礦突出預(yù)警指標(biāo)體系，如圖3所示。

圖3 煤礦突出預(yù)警指標(biāo)體系Fig.3 Early warning index system of coal mine outburst

1.3 煤礦突出預(yù)警模型建立

煤礦突出預(yù)警模型是依照煤礦突出預(yù)警指標(biāo)體系內(nèi)的各預(yù)警指標(biāo)分析煤礦突出狀態(tài)并完成預(yù)警的核心[16]?？紤]煤礦突出預(yù)警指標(biāo)體系內(nèi)各預(yù)警指標(biāo)數(shù)據(jù)的多元性特征，采用層次分析法煤礦突出預(yù)警模型的多層次結(jié)構(gòu)，如圖4所示。

圖4 煤礦突出預(yù)警模型的多層次結(jié)構(gòu)Fig.4 Multi-level structure of coal mine outburst early warning model

預(yù)警模型內(nèi)的預(yù)警結(jié)果分為4個等級[17]，分別是安全、威脅、危險和突出。預(yù)警模型內(nèi)各預(yù)警等級與含義說明見表1。

表1 各預(yù)警等級與含義說明Tab.1 Description of warning levels and meanings

預(yù)警模型采用多層關(guān)聯(lián)規(guī)則算法挖掘海量煤礦數(shù)據(jù)集，以此為基礎(chǔ)實現(xiàn)煤礦突出預(yù)警。

傳統(tǒng)關(guān)聯(lián)規(guī)則算法是單層的，以其為基礎(chǔ)進行拓展能夠得到多層關(guān)聯(lián)規(guī)則算法，其主要應(yīng)用在兩個方面：同層關(guān)聯(lián)規(guī)則與跨層關(guān)聯(lián)規(guī)則挖掘[18]，能夠更加充分地分析預(yù)警指標(biāo)歷史數(shù)據(jù)。

考慮層次分析法應(yīng)用過程中指標(biāo)權(quán)重計算具有顯著的主觀性缺陷，預(yù)警模型內(nèi)多層關(guān)聯(lián)規(guī)則算法的主要功能為確定煤礦突出預(yù)警模型的多層次結(jié)構(gòu)內(nèi)的權(quán)重計算問題。關(guān)聯(lián)規(guī)則由上至下各層分別同煤礦突出預(yù)警模型多層次結(jié)構(gòu)內(nèi)目標(biāo)層與準(zhǔn)則層相對應(yīng)，即關(guān)聯(lián)規(guī)則頂層D對應(yīng)于預(yù)警模型中目標(biāo)層，而第2層A1和第3層A2分別與準(zhǔn)則層一和準(zhǔn)則層二相對應(yīng)，第4層即底層則與預(yù)警結(jié)果相對應(yīng)。

由于預(yù)警指標(biāo)內(nèi)不僅包含定量指標(biāo)，還包含定性指標(biāo)，所以關(guān)聯(lián)規(guī)則內(nèi)存在多值屬性與類別屬性2種類型[19]，以若干個區(qū)間劃分多值屬性值，各區(qū)間均表示單個項目，將類別屬性的各類別均定義為單個項目。由此獲取以下關(guān)聯(lián)規(guī)則：A1?D、A2?A1、A3?D。

將多層關(guān)聯(lián)規(guī)則算法應(yīng)用于層次分析法中計算煤礦突出預(yù)警模型中指標(biāo)權(quán)重的詳細(xì)過程為：

(1)通過關(guān)聯(lián)規(guī)則算法分析歷史煤礦突出預(yù)警指標(biāo)數(shù)據(jù)，分析A3?D，確定關(guān)聯(lián)規(guī)則底層不同項目針對D的支持度與置信度，并且優(yōu)選二級指標(biāo)，確定量化指標(biāo)臨界值。

(2)依照優(yōu)選后的指標(biāo)臨界值，基于安全理論[20]，確定不同組別歷史數(shù)據(jù)內(nèi)各級煤礦突出預(yù)警指標(biāo)是否異常，獲取關(guān)聯(lián)規(guī)則A1?D、A2?A1的事務(wù)級，同時分別確定各級指標(biāo)對于其上層項目的置信度。在煤礦突出預(yù)警指標(biāo)歷史數(shù)據(jù)積累下，可迭代優(yōu)化置信度計算結(jié)果。依照置信度，利用式(1)確定層次分析法內(nèi)不同突出預(yù)警指標(biāo)的關(guān)鍵度比值aij：

(1)

式中，Zi和Zj分別表示同層內(nèi)不同指標(biāo)的置信度。

(3)實施層次單排序的同時完成一致性檢驗，確定判斷矩陣特征根向量上限值并實施歸一化處理，所得結(jié)果以W表示，其元素能夠描述相同層次元素針對上層內(nèi)某指標(biāo)相對關(guān)鍵度的排序權(quán)值。

(4)實施錯層排序的同時完成一致性檢驗，確定某層次全部指標(biāo)對于目標(biāo)層相對關(guān)鍵度的權(quán)值，由此能夠獲取預(yù)警結(jié)果：安全、威脅、危險與突出針對目標(biāo)層的層次整體排序結(jié)果，組合權(quán)重最大的結(jié)果就是煤礦突出預(yù)警結(jié)果。

2 實驗分析

為驗證本文所研究的應(yīng)用多層關(guān)聯(lián)規(guī)則算法的煤礦突出預(yù)警模型在實際煤礦突出預(yù)警中的使用性能，以某煤礦為實驗對象，礦井現(xiàn)場如圖5所示。

圖5 礦井現(xiàn)場Fig.5 Mine site map

選取實驗對象內(nèi)南井區(qū)N2202措施巷、N22017巷以及北井區(qū)B1425巷和B1429巷等13條掘進巷工作面，采用本文模型進行實驗分析，所得實際預(yù)警實驗結(jié)果如下。

2.1 區(qū)段危險性分析

本文模型中將煤礦突出危險劃分為：安全、威脅、危險和突出4個等級，根據(jù)突出危險等級劃分標(biāo)準(zhǔn)，確定掘進巷工作面實際突出危險等級與本文模型預(yù)警危險等級分別同巷道長度間的相關(guān)性，所得結(jié)果如圖6所示。

圖6 N22017巷突出危險與巷道長度間的相關(guān)性Fig.6 Correlation between No. N22017 roadway outburst risk and roadway length

分析圖6(a)得到，在巷道長度逐漸增加的條件下，本文模型預(yù)警所得突出危險等級逐漸升高，這是由于工作面同煤層變薄帶間的距離減小。并且在N22017巷掘進過程中，預(yù)警結(jié)果為危險與突出的部分基本匯聚在40～80 m。并且圖6(a)內(nèi)本文模型預(yù)警所得的曲線與圖6(b)內(nèi)實際突出危險情況曲線基本一致，說明本文模型具有可應(yīng)用性。

2.2 掘進巷工作面突出危險預(yù)警結(jié)果

在2021年6月24日，采用本文模型對實驗對象內(nèi)各井區(qū)中不同掘進巷工作面的突出危險性進行預(yù)警，預(yù)警結(jié)果可通過APP形式被相關(guān)管理人員查詢。本文模型對于井區(qū)中不同掘進巷工作面突出危險性預(yù)警結(jié)果見表2。

表2 掘進巷工作面突出危險性預(yù)警結(jié)果Tab.2 Outburst risk early warning results of heading face

分析表2得到，采用本文模型能夠有效實現(xiàn)煤礦內(nèi)各井區(qū)不同掘進巷工作面突出危險性預(yù)警。

2.3 預(yù)警結(jié)果準(zhǔn)確性分析

在實驗對象內(nèi)所選擇的工作面掘進過程中，采用本文模型對各掘進巷工作面的突出危險性進行預(yù)警。分析本文模型對所選掘進工作面突出危險性的預(yù)警精度，所得結(jié)果見表3。

表3 預(yù)警準(zhǔn)確性考察Tab.3 Inspection of early warning accuracy

分析表3得到，采用本文模型在所選擇的工作面掘進過程中，除北井區(qū)B1426巷的預(yù)警精度為98.60%以外，各工作面突出預(yù)警結(jié)果的準(zhǔn)確率基本高于99%。說明采用本文模型預(yù)警煤礦突出問題具有較高的預(yù)警精度。

3 結(jié)論

本文研究應(yīng)用多層關(guān)聯(lián)規(guī)則算法的煤礦突出預(yù)警模型，基于層次分析法構(gòu)建煤礦突出預(yù)警模型，利用多層關(guān)聯(lián)規(guī)則算法確定預(yù)警指標(biāo)權(quán)重，基于預(yù)警指標(biāo)組合權(quán)重確定煤礦突出預(yù)警結(jié)果，實驗結(jié)果顯示本文模型能夠準(zhǔn)確預(yù)測煤礦突出危險性，期望通過本文模型的研究提升煤礦挖掘的安全性。