＊苗德華 劉錕林

（1.湖南科技大學(xué) 資源環(huán)境與安全工程學(xué)院 湖南 411201 2.浙江交工集團(tuán)股份有限公司西南分公司 貴州 550001）

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，對(duì)交通運(yùn)輸?shù)哪芰μ岢隽烁叩男枨?，其中陸路運(yùn)輸承擔(dān)著主要運(yùn)輸職能，而隧道工程是陸路運(yùn)輸中必不可少的環(huán)節(jié)，是我國(guó)實(shí)現(xiàn)交通強(qiáng)國(guó)的重要組成[1]。鑒于作業(yè)環(huán)境的受限性與地質(zhì)條件的復(fù)雜性，隧道施工事故頻繁發(fā)生，給隧道施工安全帶來(lái)了巨大挑戰(zhàn)[2]。為了能夠預(yù)測(cè)瓦斯隧道揭煤施工的突出危險(xiǎn)性、降低施工風(fēng)險(xiǎn)和提高施工效率，有必要開(kāi)展瓦斯隧道事故統(tǒng)計(jì)分析以及建立揭煤突出危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)模型。

現(xiàn)已有大量學(xué)者對(duì)于隧道施工風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)預(yù)測(cè)展開(kāi)了研究。隧道瓦斯事故影響因素評(píng)價(jià)分析的主要研究方法有模糊-熵權(quán)理論、模糊綜合評(píng)價(jià)法、屬性數(shù)學(xué)理論法、支持向量機(jī)和徑向基神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等。但支持向量機(jī)應(yīng)用于瓦斯隧道揭煤施工突出危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)的研究較少，且沒(méi)有考慮到隧道施工與煤礦施工影響因子的差異。

本文通過(guò)統(tǒng)計(jì)瓦斯隧道揭煤施工事故來(lái)歸納分析影響揭煤施工突出危險(xiǎn)性的因素，進(jìn)而研究瓦斯隧道揭煤施工突出危險(xiǎn)性的支持向量機(jī)預(yù)測(cè)模型。

1.事故統(tǒng)計(jì)及影響因素選取

本文通過(guò)查閱國(guó)家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局、新聞來(lái)搜集2001—2021年間發(fā)生的瓦斯隧道揭煤施工事故。

圖1 事故統(tǒng)計(jì)及類型占比

如圖1所示，共統(tǒng)計(jì)到事故109起，死亡537人，其中2001年死亡6人，2007年死亡人數(shù)達(dá)65人，分別是死亡人數(shù)最少和最多的年份。2006年和2014年是事故發(fā)生數(shù)量較高的年份，分別為11次和16次。2016年、2017年、2020年及2021年事故發(fā)生數(shù)量最低，均為1次；其中死亡人數(shù)與事故次數(shù)總體上呈現(xiàn)相關(guān)性，其趨勢(shì)雖然有上下起伏，但總體上呈下降趨勢(shì)；在隧道揭煤事故中隧道穿越瓦斯煤層的坍塌、冒頂、傾出及壓出等事故可以統(tǒng)稱為突出事故。因此本文將隧道揭煤事故按照相關(guān)資料及隧道事故特征分為九類，具體見(jiàn)圖1。其中突出事故在眾多事故類型中是發(fā)生次數(shù)及致死人數(shù)最多的，共發(fā)生67次，占總體的61.5%，累計(jì)死亡308人，占總體的57.4%。因?yàn)橥怀鍪鹿适怯啥喾N因素綜合影響的，其中地質(zhì)因素和施工因素是導(dǎo)致突出事故的眾多因素中的重點(diǎn)。揭煤施工突出危險(xiǎn)是地應(yīng)力、瓦斯和煤層物理力學(xué)特性等多因素綜合作用下的氣固耦合介質(zhì)的力學(xué)過(guò)程[3]，所以本文根據(jù)《防治煤與瓦斯突出細(xì)則》選取影響因素X1～X7，經(jīng)查閱文獻(xiàn)考慮瓦斯隧道與煤礦差異提出影響因素X8和X9，共9個(gè)影響因素用來(lái)作為預(yù)測(cè)指標(biāo)，如表1所示。

表1 揭煤施工突出危險(xiǎn)影響因素及選取原因

表2 支持向量機(jī)訓(xùn)練及驗(yàn)證樣本

2.支持向量機(jī)的訓(xùn)練及預(yù)測(cè)

(1)樣本選擇

以瓦斯隧道揭煤施工突出危險(xiǎn)性為研究對(duì)象，通過(guò)查閱瓦斯隧道文獻(xiàn)共獲得53個(gè)已知突出風(fēng)險(xiǎn)程度的樣本，來(lái)對(duì)預(yù)測(cè)模型進(jìn)行訓(xùn)練及驗(yàn)證，如表2所示。

在表2中，煤的破壞類型Ⅰ～Ⅴ用數(shù)值1～5來(lái)代表；隧道揭煤突出風(fēng)險(xiǎn)程度分為4類，即無(wú)突出風(fēng)險(xiǎn)（a，突出量達(dá)到0）、輕度突出風(fēng)險(xiǎn)（b，突出量達(dá)到0～50t）、中度突出風(fēng)險(xiǎn)（c，突出量達(dá)到50～100t）和嚴(yán)重突出風(fēng)險(xiǎn)（d，突出量大于100t）。

(2)訓(xùn)練及驗(yàn)證

將表2中樣本數(shù)據(jù)導(dǎo)入MATLAB中，采用10折交叉驗(yàn)證法進(jìn)行處理，其中65%作為訓(xùn)練集、35%作為驗(yàn)證集，其中X1～X9作為輸入，突出危險(xiǎn)程度作為輸出，運(yùn)用支持向量機(jī)來(lái)進(jìn)行訓(xùn)練、驗(yàn)證及預(yù)測(cè)。

將訓(xùn)練樣本分別在線性核函數(shù)和高斯核函數(shù)下進(jìn)行訓(xùn)練，可以得到以下混淆矩陣及其AUC值，AUC值為積分求得ROC曲線面積，其值一般在0.5～1之間，越靠近1表示越接近理想分類模型。

圖2、圖3為兩種核函數(shù)訓(xùn)練集和驗(yàn)證集的混淆矩陣；圖中TPR為真正率，F(xiàn)NR為假負(fù)率，PPV為正預(yù)測(cè)值，F(xiàn)DR為假發(fā)現(xiàn)率。

其中線性核函數(shù)AUC值為：訓(xùn)練集a類為1.00，b類為0.93，c類為0.96，d類為1.00；驗(yàn)證集a類為1.00，b類為0.97，c類為0.99，d類為1.00。高斯核函數(shù)AUC值為：訓(xùn)練集a類為0.98，b類為0.91，c類為0.97，d類為1.00；驗(yàn)證集a類為1.00，b類為1.00，c類為1.00，d類為1.00。

最終得出兩種核函數(shù)的綜合準(zhǔn)確率，線性核函數(shù)為88.2%，高斯核函數(shù)為94.1%。

從AUC值方面可以看出：①訓(xùn)練中，線性核函數(shù)在a類和b類的AUC值比高斯核函數(shù)高，c類的AUC值不如高斯核函數(shù)。②驗(yàn)證中線性核函數(shù)在b類和c類中AUC值低于高斯核函數(shù)。

圖2 線性混淆矩陣

圖3 驗(yàn)證混淆矩陣

從圖2～圖3可以看出：①在訓(xùn)練過(guò)程中，線性核函數(shù)錯(cuò)誤識(shí)別的情況有：a類識(shí)別為b類；b類識(shí)別為a類和c類；c類識(shí)別為d類。高斯核函數(shù)識(shí)別錯(cuò)誤的情況有：a類識(shí)別為b類；b類識(shí)別為a類和c類；②在驗(yàn)證時(shí)，線性核函數(shù)預(yù)測(cè)錯(cuò)誤的情況有：b類預(yù)測(cè)為a類和c類。高斯核函數(shù)預(yù)測(cè)錯(cuò)誤的情況有：b類預(yù)測(cè)為a類。③高斯核函數(shù)在指標(biāo)TPR、FNR、PPV和FDR均比線性核函數(shù)的表現(xiàn)要好。

綜上所述，在訓(xùn)練過(guò)程中線性核函數(shù)準(zhǔn)確度不如高斯核函數(shù)，但在AUC值方面綜合好于高斯核函數(shù)；在驗(yàn)證過(guò)程中高斯核函數(shù)均好于線性核函數(shù)。通過(guò)驗(yàn)證集混淆矩陣可以看出兩種核函數(shù)均在b類預(yù)測(cè)中有所誤差，而驗(yàn)證集AUC值可以看出線性核函數(shù)在b類、c類的AUC值比高斯核函數(shù)低，所以后續(xù)實(shí)際應(yīng)用預(yù)測(cè)時(shí)可能會(huì)在b類的突出風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)出現(xiàn)誤差，且線性核函數(shù)出現(xiàn)誤差的可能性比高斯核函數(shù)要高。

(3)工程驗(yàn)證

表3 預(yù)測(cè)樣本

將已成功貫通的黃家溝隧道、松坎隧道的煤層揭煤施工前數(shù)據(jù)代入模型進(jìn)行驗(yàn)證。樣本來(lái)自于黃家溝隧道ZK16+016埋深230～250m處所經(jīng)過(guò)的兩個(gè)煤層中，分別取樣并命名為H1、H2；以及松坎隧道左線ZK6+540里程掌子面前方80m范圍的四層煤層中，分別取樣并命名為S1、S2、S3、S4。因此從工程項(xiàng)目中共選取6個(gè)樣本來(lái)進(jìn)行預(yù)測(cè)驗(yàn)證，見(jiàn)表3。

支持向量機(jī)對(duì)樣本進(jìn)行預(yù)測(cè)的突出危險(xiǎn)程度及施工前安全評(píng)價(jià)公司評(píng)審?fù)怀鑫ｋU(xiǎn)程度見(jiàn)表4。

表4 預(yù)測(cè)結(jié)果及評(píng)審結(jié)果

由表4可以看出線性核函數(shù)支持向量機(jī)錯(cuò)誤預(yù)測(cè)了S2的危險(xiǎn)程度，綜合可知H1為輕度突出危險(xiǎn)性，H2、S1、S3為中度突出危險(xiǎn)性，S2、S4為嚴(yán)重突出危險(xiǎn)性，因此應(yīng)著重預(yù)防H2、S1、S2、S3和S4揭煤施工時(shí)發(fā)生事故，但實(shí)際施工過(guò)程中雖然進(jìn)行了預(yù)防防范，卻仍有煤層揭煤施工時(shí)發(fā)生相關(guān)事故。

綜上所述，線性核函數(shù)支持向量機(jī)錯(cuò)誤預(yù)測(cè)了S2，高斯核函數(shù)支持向量機(jī)準(zhǔn)確率較高，說(shuō)明在此次工程項(xiàng)目預(yù)測(cè)中高斯核函數(shù)支持向量機(jī)模型更適用。而在可能出現(xiàn)預(yù)測(cè)錯(cuò)誤的方面可以從AUC值和混淆矩陣上得知。

3.結(jié)論

（1）本文統(tǒng)計(jì)了2001—2021年我國(guó)瓦斯隧道揭煤施工事故，將事故分為9類，而主要類型為突出事故，并總結(jié)歸納了影響揭煤施工突出危險(xiǎn)性的9個(gè)因素。

（2）通過(guò)支持向量機(jī)的訓(xùn)練及驗(yàn)證，得出線性核函數(shù)綜合準(zhǔn)確度為88.2%，高斯核函數(shù)的綜合準(zhǔn)確率為94.1%，并對(duì)工程項(xiàng)目中選取的樣本進(jìn)行預(yù)測(cè)驗(yàn)證。

（3）通過(guò)高斯核函數(shù)支持向量機(jī)預(yù)測(cè)結(jié)果可知，工程案例揭煤施工段若不做合理的揭煤防突措施，將會(huì)發(fā)生不同程度突出事故的危險(xiǎn)，這與實(shí)際施工過(guò)程相符，可為同類型的瓦斯隧道揭煤施工突出危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)提供依據(jù)。