基于灰色關(guān)聯(lián)分析的突出預(yù)測(cè)指標(biāo)敏感性研究

劉永杰，李忠輝，蘇 飛，李永沖

(中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 安全工程學(xué)院，江蘇 徐州 221008)

煤與瓦斯突出災(zāi)害現(xiàn)象是煤礦開采中嚴(yán)重的自然災(zāi)害之一，不僅影響煤礦安全高效生產(chǎn)，而且威脅礦井人員安全。我國(guó)煤層地質(zhì)條件復(fù)雜多變，隨著礦井開采深度和規(guī)模的逐步加大，瓦斯壓力和地應(yīng)力越來(lái)越高，煤與瓦斯突出等災(zāi)害次數(shù)也逐漸增加，嚴(yán)重影響我國(guó)煤礦安全生產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展[1-2]，因此，準(zhǔn)確可靠的預(yù)防煤與瓦斯突出是煤礦安全生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)。目前，預(yù)測(cè)煤與瓦斯突出的主要方法有：?jiǎn)雾?xiàng)指標(biāo)法、鉆屑指標(biāo)法、綜合指標(biāo)D與K法、鉆孔瓦斯涌出初速度法、瓦斯地質(zhì)統(tǒng)計(jì)法、球殼失穩(wěn)法、以及R值綜合指標(biāo)法和電磁輻射法[3-4]等，而電磁輻射法進(jìn)行煤與瓦斯突出預(yù)測(cè)可對(duì)動(dòng)態(tài)微小變形過(guò)程中的信息進(jìn)行監(jiān)測(cè)，能夠?qū)崿F(xiàn)定向、非接觸、動(dòng)態(tài)連續(xù)、區(qū)域性監(jiān)測(cè),是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一種較有前途的地球物理方法。

電磁輻射是煤巖體變形破裂過(guò)程中向外釋放的一種電磁能量，它與煤巖體的受載狀況和變形破裂過(guò)程密切相關(guān)，其變化規(guī)律反映了采掘工作面的應(yīng)力集中程度和突出的危險(xiǎn)程度，可實(shí)現(xiàn)連續(xù)動(dòng)態(tài)的監(jiān)測(cè)[5-7]。

影響和制約煤與瓦斯突出的因素很多，所以確定眾多因素當(dāng)中敏感指標(biāo)對(duì)研究可行有效的突出預(yù)測(cè)方法是至關(guān)重要的。本文應(yīng)用灰色關(guān)聯(lián)方法對(duì)煤與瓦斯突出預(yù)測(cè)指標(biāo)敏感性進(jìn)行分析，確定影響煤與瓦斯突出的敏感指標(biāo)，以期提高煤與瓦斯突出預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性。

1 灰色關(guān)聯(lián)分析模型

1.1 煤與瓦斯突出的灰色性

一個(gè)灰色系統(tǒng)是既含有已知又含有未知信息的系統(tǒng)。灰色理論認(rèn)為，客觀系統(tǒng)中各因素是相互關(guān)聯(lián)的，縱然系統(tǒng)的信息不完全、數(shù)據(jù)離散，但一定潛存著某種特定的規(guī)律[8-10]。灰色關(guān)聯(lián)分析是灰色理論的核心內(nèi)容之一，其任務(wù)是基于各因素序列的宏觀或微觀的幾何接近程度，來(lái)判別各因素間的關(guān)系程度、以及子因素對(duì)母因素的貢獻(xiàn)程度。

如上所述，對(duì)影響煤與瓦斯突出的因素進(jìn)行分析，可以得出，煤與瓦斯突出具有非常明顯的灰色特征。而影響煤與瓦斯突出的各種子因素中，存在很多完全不確定因素，如地質(zhì)條件、煤巖特性和開采技術(shù)條件等，又有能確定但難以量化的因素，如防突的管理工作等，還有已經(jīng)量化的卻隨機(jī)變化的因素如鉆孔瓦斯涌出初速度等。

1.2 灰色關(guān)聯(lián)模型的建立

突出工作面預(yù)測(cè)常用的參數(shù)是鉆孔瓦斯涌出初速度、鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)、鉆屑量、電磁輻射強(qiáng)度和電磁輻射脈沖，因此在進(jìn)行突出煤層預(yù)測(cè)時(shí)，要從五個(gè)參數(shù)中篩選出最敏感的指標(biāo)用于煤與瓦斯突出的預(yù)測(cè)。

根據(jù)灰色系統(tǒng)理論，其數(shù)字模型可概括為[11-12]：

設(shè)有一母因素?cái)?shù)列，記為：

X0=(x0(1)，x0(2)，…，x0(n))

同時(shí)又有一系列子因素?cái)?shù)列，記為：

Xi=(xi(1)，xi(2)，…，xi(n))

1.2.1 數(shù)據(jù)的無(wú)量鋼化處理

由于鉆屑量、鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)、鉆孔瓦斯涌出初速度、電磁輻射強(qiáng)度和電磁輻射脈沖五個(gè)指標(biāo)在數(shù)值上存在較大差異，而且其量綱也不同，為抵消各指標(biāo)在數(shù)量級(jí)和單位差異上的影響，將各指標(biāo)進(jìn)行如下無(wú)量綱處理，轉(zhuǎn)換公式如下：

X0=(x0(1)，x0(2)，…，x0(n))；

XiD=(xi(1)d，xi(2)d，…，xi(3)d)；

(1)

1.2.2 灰色關(guān)聯(lián)度的計(jì)算

灰色關(guān)聯(lián)函數(shù)

(2)

Δi(i)=|x0(k)-xi(k)|

式中：γ(x0(k),xi(k))為第k時(shí)刻比較序列Xj與參數(shù)序列的相對(duì)差值，ξ為分辨系數(shù)，一般取ξ=0.5。

根據(jù)上述公式計(jì)算得到的關(guān)聯(lián)系數(shù)值很多，為了便于進(jìn)行整體信息的比較，減少信息的分散，將各個(gè)時(shí)刻的關(guān)聯(lián)系數(shù)計(jì)算得到一個(gè)平均值，即為關(guān)聯(lián)度，由此，各預(yù)測(cè)指標(biāo)與煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性的關(guān)聯(lián)度為：

(3)

由上述公式計(jì)算，可得影響因素與煤層突出危險(xiǎn)性之間的敏感關(guān)系，由灰色關(guān)聯(lián)分析可知，關(guān)聯(lián)度越大表示兩個(gè)量之間的關(guān)系越密切，其中最大關(guān)聯(lián)度即為所求的敏感指標(biāo)。

2 突出預(yù)測(cè)指標(biāo)敏感性的確定

試驗(yàn)數(shù)據(jù)取自九里山礦14141運(yùn)輸巷掘進(jìn)工作面，該巷道所在煤層為二1煤層，煤層平均厚度6m，傾角12°，直接頂為粉砂巖，厚度3.01m，老頂為砂巖，厚度18.4m。該掘進(jìn)工作面正前方無(wú)大的地質(zhì)構(gòu)造。二1煤頂部及底部為粉沫狀、鱗片狀，中部為塊狀呈灰黑色，黑色，似金屬光澤、條痕灰黑色，貝殼狀，鋸齒狀斷口，條帶狀結(jié)構(gòu)，層狀構(gòu)造。 煤層瓦斯含量19.17m3/t。

2.1 灰色關(guān)聯(lián)模型的建立

本文選取了鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)、鉆屑量、鉆孔瓦斯涌出初速度、電磁輻射強(qiáng)度和電磁輻射脈沖20組作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。同時(shí)采用《防治煤與瓦斯突出規(guī)定》提供的鉆孔瓦斯涌出初速度、鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)和鉆屑量以及現(xiàn)場(chǎng)得到的電磁輻射強(qiáng)度和電磁輻射脈沖臨界指標(biāo)作為參考數(shù)列X0(k),從而得到：

X0=(x0(1)，x0(2)，x0(3)，x0(4)，x0(5))

=(Δh2，S，q，E，N)

=(200，6，4，26，3896)

實(shí)測(cè)的20組基礎(chǔ)數(shù)據(jù)作為行為序列，九里山礦14141掘進(jìn)工作面原始數(shù)據(jù)如表1。

表1 突出預(yù)測(cè)指標(biāo)實(shí)測(cè)值

2.2 灰色關(guān)聯(lián)度的計(jì)算

由于五個(gè)指標(biāo)在數(shù)量級(jí)和量綱上存在差異，為消除這種差異對(duì)結(jié)果造成的影響，根據(jù)公式(1)將各預(yù)測(cè)指標(biāo)進(jìn)行無(wú)量綱處理，再根據(jù)公式(2)可得各指標(biāo)的灰色關(guān)聯(lián)分析，其結(jié)果如表2。

2.3 灰色關(guān)聯(lián)分析結(jié)果

根據(jù)公式(3)可得5項(xiàng)指標(biāo)的灰色關(guān)聯(lián)度，如表3。

表2 灰色關(guān)聯(lián)分析

表3 5項(xiàng)指標(biāo)的灰色關(guān)聯(lián)度分析結(jié)果

由表3可以看出，各指標(biāo)對(duì)煤與瓦斯突出的敏感性的先后順序?yàn)椋弘姶泡椛鋸?qiáng)度>鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)>鉆孔瓦斯涌出初速度>電磁輻射脈沖>鉆屑量。

由此可見在九里山礦的突出預(yù)測(cè)中，電磁輻射指標(biāo)E最為敏感，并在現(xiàn)場(chǎng)得到了驗(yàn)證，根據(jù)上述分析可得，用灰色關(guān)聯(lián)分析方法能夠確定九里山礦煤與瓦斯突出影響因素的主次關(guān)系，并優(yōu)選出敏感指標(biāo)，使煤與瓦斯突出預(yù)測(cè)指標(biāo)的選擇由定性分析轉(zhuǎn)化為定量分析。

3 結(jié)論

用灰色關(guān)聯(lián)分析方法進(jìn)行突出預(yù)測(cè)敏感指標(biāo)的優(yōu)選能夠避免主觀因素和偶然因素的影響，客觀的反映了實(shí)際情況，根據(jù)灰色關(guān)聯(lián)計(jì)算結(jié)果和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果分析得出，九里山礦煤與瓦斯突出預(yù)測(cè)敏感指標(biāo)為電磁輻射強(qiáng)度E和鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)Δh2，其中電磁輻射強(qiáng)度為最敏感指標(biāo)，其次是鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)，因此建議該礦采用電磁輻射強(qiáng)度和鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)相結(jié)合的方式來(lái)預(yù)測(cè)煤與瓦斯突出。

[1]趙玉林.煤與瓦斯突出機(jī)理及防治技術(shù)研究[D].阜新：遼寧工程技術(shù)大學(xué)，2007.

[2]俞啟香.礦井瓦斯防治[M].徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，1993.

[3]樊栓保.國(guó)內(nèi)外煤與瓦斯突出預(yù)測(cè)的新方法[J].礦業(yè)安全與環(huán)保，2000(5)：17-19.

[4]蔣承林.煤與瓦斯突出的預(yù)測(cè)模型及預(yù)測(cè)指標(biāo)[J].中國(guó)礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，1998，27(4)：373-376.

[5]劉明舉，劉彥偉，何學(xué)秋，等.用電磁輻射法預(yù)測(cè)煤與瓦斯突出的實(shí)驗(yàn)理論基礎(chǔ)[J].安全與環(huán)境學(xué)報(bào)，2003，3(4)：7-10.

[6]王恩元，何學(xué)秋，聶百勝，等.電磁輻射法預(yù)測(cè)煤與瓦斯突出原理[J].中國(guó)礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2000，29(3)：225-229.

[7]王恩元，何學(xué)秋.煤礦采掘過(guò)程中煤巖體電磁輻射特征及應(yīng)用[J].地球物理學(xué)報(bào)，2005，48(1):216-221.

[8]鄧聚龍.灰色預(yù)測(cè)與決策[M].武漢:華中理工大學(xué)出版社，1988.

[9]肖新平，宋中民，李峰.灰色技術(shù)基礎(chǔ)及其應(yīng)用[M].北京:科學(xué)出版社，2005.

[10]鄧聚龍.灰色理論基礎(chǔ)[M].武漢:華中理工大學(xué)出版社，2002.

[11]伍愛(ài)友，姚建，肖紅飛.基于灰色關(guān)聯(lián)分析的煤與瓦斯突出預(yù)測(cè)指標(biāo)優(yōu)選[J].煤炭科學(xué)技術(shù)，2005，33(4)：58-62.

[12]羅慶成，徐國(guó)新.灰色關(guān)聯(lián)分析與應(yīng)用[M].南京：江蘇科學(xué)技術(shù)出版社，1989.