煤炭與瓦斯的測量器具設(shè)計

姜雷

摘 要：近十幾年來發(fā)生在我國煤礦的煤與瓦斯突出事故越來越多，呈不斷上升趨勢，已成為當今人們十分關(guān)注的嚴重問題之一。煤與瓦斯突出事故不僅使受害者在經(jīng)濟上和精神上蒙受巨大損失，而且還會導(dǎo)致社會勞動力資源的損失和儀器設(shè)備等物質(zhì)資源的破壞，對社會造成不良影響。這些損失和破壞，無疑阻礙了經(jīng)濟的發(fā)展，給社會帶來巨大的負擔。因此，必須對瓦斯突出進行準確的預(yù)測，以便客觀地評價煤礦安全工作，增加社會的安全意識，使瓦斯事故的增長得以有效控制。使我國的煤炭事業(yè)有進一步的發(fā)展。

關(guān)鍵詞：煤炭；瓦斯；測量器具；

文章編號：1674-3520（2015）-08-00-01

一、煤與瓦斯突出概況

（一）煤與瓦斯突出概況。目前我國國有煤礦中具有瓦斯災(zāi)害的礦井509個，其中高瓦斯井163個，煤與瓦斯突出礦井107個。隨著采掘深度不斷增加，地應(yīng)力與瓦斯壓力不斷加大，煤炭開采的地質(zhì)條件也日趨復(fù)雜，煤與瓦斯突出礦井的數(shù)目增多，次數(shù)頻繁，強度加大，解決礦井煤與瓦斯突出災(zāi)害問題已經(jīng)迫在眉睫 。

（二）煤與瓦斯突出預(yù)測的研究現(xiàn)狀。煤與瓦斯突出（簡稱突出），是煤礦的主要災(zāi)害，它是煤礦井下生產(chǎn)過程中發(fā)生的一種地質(zhì)動力現(xiàn)象，它能在極短的時間內(nèi)（多則數(shù)分鐘，少則數(shù)秒或幾十秒鐘）由煤體向巷道或采場突然突出大量的煤炭及涌出大量的瓦斯，并造成一定的有時是十分巨大的動力效應(yīng)。事故的發(fā)生，嚴重地威脅礦山的生產(chǎn)及工人的生命安全，因此各采煤國家投入了大量的人力物力，開展突出機理、預(yù)測及防治技術(shù)的研究，提出的關(guān)于突出機理的假說已有十幾種，在一些方面取得了進展，但因煤與瓦斯突出是一種影響因素非常多，且非常復(fù)雜的動力過程，由于煤巖物理力學(xué)性質(zhì)的非線性、巖體破壞形式的多樣性和瓦斯賦存與運移過程的復(fù)雜性，對于突出的原因、過程及一些細節(jié)還不十分明確，現(xiàn)場存在著相當一些特殊的突出現(xiàn)象也無法解釋，問題還遠遠沒有得到徹底解決。

二、煤與瓦斯突出機理及相關(guān)因素的分析

（一）煤與瓦斯突出預(yù)測的影響因素。1、煤質(zhì)及煤的物理力學(xué)特性的研究；這是目前研究得較多的方面，主要對煤的宏觀和微觀結(jié)構(gòu)、孔隙性、篩分指數(shù)；吸附性能、吸附變形特性、滲透性、瓦斯的放散速度；煤的強度、揮發(fā)分含量及物質(zhì)組成、溫度、電阻串、順磁性、聲學(xué)特性及壓電性能等各方面進行了廣泛的研究。 2、煤層中瓦斯參數(shù)；主要研究煤層中瓦斯的含量、瓦斯壓力、瓦斯含量與煤變質(zhì)程度的關(guān)系、鉆孔瓦斯涌出特征及瓦斯組分等。3、礦山地應(yīng)力的研究；主要研究煤層及圍巖的應(yīng)力狀態(tài)，鉆屑量與應(yīng)力的關(guān)系，煤層影響及采動圍巖變形等。

（二）預(yù)防煤與瓦斯突出的局部性措施。1、超前鉆孔：在煤巷掘進工作面的前方，打直徑為75—300mm的鉆孔，排放瓦斯，并在鉆孔周圍形成卸壓帶，以防止發(fā)生突出。一般鉆孔深15—20m。超前鉆孔常用于煤層較厚，賦存穩(wěn)定，煤質(zhì)較軟，透氣性較好的情況下。但在打鉆時，易出現(xiàn)夾鉆、垮孔、甚至孔內(nèi)突出等現(xiàn)象。 2、水力沖孔：在進行采掘工作之前，使用高壓水射流，在有突出危險的煤層（或石門揭煤）中，沖出若干直徑較大的孔洞。沖孔過程中可排出大量瓦斯和一定數(shù)量的煤炭，因而在煤體中形成局部卸壓區(qū)域，在這個區(qū)域內(nèi)，則可防止發(fā)生突出。水力沖孔常用于石門揭煤、煤層巷道掘進和回采工作面。在石門揭煤時，采用水力沖孔在工作面前方應(yīng)保留3～5m的安全巖性。3、震動性放炮：為了誘導(dǎo)突出所采用的一種特殊放炮方法。當井巷要揭開突出危險煤層時，在工作面布置較多的炮眼，裝較多的炸藥，以強力全斷面一次爆破，瞬間揭開突出煤層。借助放炮時產(chǎn)生的強烈震動力使煤層中潛能和瓦斯得到迅速釋放，從而達到人為的誘導(dǎo)突出的目的。震動性放炮時，除采取其他一定措施外，還應(yīng)將井下人員撤到地面，在地面起爆。為了減少影響生產(chǎn)，一般都在交接班時進行。

三、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)也具有初步的自適應(yīng)與自組織能力。在學(xué)習(xí)或訓(xùn)練過程中改變突觸權(quán)重值，以適應(yīng)周圍環(huán)境的要求。同一網(wǎng)絡(luò)因?qū)W習(xí)方式及內(nèi)容不同可具有不同的功能。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一個具有學(xué)習(xí)能力的系統(tǒng)，可以發(fā)展知識，以致超過設(shè)計者原有的知識水平。通常，它的學(xué)習(xí)訓(xùn)練方式可分為兩種，一種是有監(jiān)督或稱有導(dǎo)師的學(xué)習(xí)，這時利用給定的樣本標準進行分類或模仿；另一種是無監(jiān)督學(xué)習(xí)或稱無為導(dǎo)師學(xué)習(xí)，這時，只規(guī)定學(xué)習(xí)方式或某些規(guī)則，則具體的學(xué)習(xí)內(nèi)容隨系統(tǒng)所處環(huán)境 （即輸入信號情況）而異，系統(tǒng)可以自動發(fā)現(xiàn)環(huán)境特征和規(guī)律性，具有更近似人腦的功能。

四、基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的煤與瓦斯突出預(yù)測模型

進行煤與瓦斯突出預(yù)測，我們首先必須承認煤與瓦斯突出事故的發(fā)生存在著某種規(guī)律性，這些規(guī)律隱藏在歷史數(shù)據(jù)中，從數(shù)學(xué)的角度來講，他們表現(xiàn)為一種函數(shù)關(guān)系，預(yù)測的目的就是要找出這些規(guī)律，并且利用這些規(guī)律。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在事故預(yù)測中會有很大的潛力，因為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以從紛繁復(fù)雜的數(shù)據(jù)中自主地尋找出參數(shù)之間的規(guī)律，具有很強的函數(shù)逼近能力。

五、技術(shù)經(jīng)濟分析

利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來預(yù)測煤與瓦斯突出是一種新的方法，綜合考慮容易測量得到的瓦斯壓力、煤體溫度等和煤與瓦斯突出密切相關(guān)因素數(shù)據(jù)來估計瓦斯突出的危險程度。基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的自學(xué)能力，可以由多個不同的輸入得出分析結(jié)果。只要有足夠的數(shù)據(jù)就能完成對網(wǎng)絡(luò)模型的訓(xùn)練。克服了以往以單因素為主的指標經(jīng)驗判斷法導(dǎo)致的預(yù)測不準確的問題。采用BP人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法建立模型，并通過幾種改進的BP算法模型的數(shù)據(jù)擬合與預(yù)測情況結(jié)果分析，說明該模型的有效性。提高煤與瓦斯突出的預(yù)測的準確性。

本設(shè)計的基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的煤與瓦斯突出預(yù)測模型預(yù)計需要投資500萬元人民幣就可以在煤礦使用，每一次煤與瓦斯突出事故的發(fā)生平均會造成2000萬元人民幣以上的損失。所以本設(shè)計在生產(chǎn)實際中是可用的。

六、結(jié)論

本文克服了將突出預(yù)測僅視為某個因素預(yù)測問題的不足，從與煤與瓦斯突出有直接相關(guān)的很多參數(shù)出發(fā)進行預(yù)測，使模型更能準確地反映突出的潛在規(guī)律。在建立煤與瓦斯突出的BP預(yù)測模型的基礎(chǔ)上，通過計算機程序?qū)崿F(xiàn)了對突出有關(guān)參數(shù)的預(yù)測，結(jié)果表明該方法預(yù)測精度高，收斂速度快，是一種實際可行的預(yù)測方法。

有待進一步研究的問題

煤與瓦斯突出系統(tǒng)多屬性的特點決定了作為煤與瓦斯突出系統(tǒng)行為特征量的煤與瓦斯突出預(yù)測的困難性和復(fù)雜性。本文所采用的基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的煤與瓦斯突出預(yù)測方法雖然取得了相當不錯的預(yù)測效果，但是由于煤與瓦斯突出是多重因素聯(lián)合效應(yīng)下的產(chǎn)物，所以很難實現(xiàn)對煤與瓦斯突出的精確預(yù)測。