基于海明距離法的煤巖沖擊傾向性評價

張偉強(qiáng)，　王恩元，　李學(xué)龍，　孔祥國，　李國愛

(1.中國礦業(yè)大學(xué) 安全工程學(xué)院， 江蘇 徐州　221116;

2.煤礦瓦斯與火災(zāi)防治教育部重點實驗室， 江蘇 徐州　221116)

基于海明距離法的煤巖沖擊傾向性評價

張偉強(qiáng)1,2，王恩元1,2，李學(xué)龍1,2，孔祥國1,2，李國愛1,2

(1.中國礦業(yè)大學(xué) 安全工程學(xué)院， 江蘇 徐州221116;

2.煤礦瓦斯與火災(zāi)防治教育部重點實驗室， 江蘇 徐州221116)

摘要：針對目前煤巖沖擊傾向性評價方法存在的不足，基于海明距離法基本原理，建立了煤巖沖擊傾向性綜合評價模型。該模型選用動態(tài)破壞時間、沖擊能量指數(shù)、彈性能量指數(shù)和煤巖單軸抗壓強(qiáng)度作為綜合評價指標(biāo)，應(yīng)用線性內(nèi)插公式構(gòu)造評價對象的隸屬函數(shù)，采用海明距離法獲得評價對象與評價標(biāo)準(zhǔn)的相似程度，并用最小海明距離進(jìn)行類別評判，從而得出評價結(jié)果。實例分析結(jié)果表明，海明距離法的評價結(jié)果與煤樣的實際現(xiàn)場沖擊傾向性一致；對處于同一沖擊傾向性級別的煤樣的海明距離大小進(jìn)行對比，結(jié)果認(rèn)為海明距離法比模糊綜合評判法和熵權(quán)-理想點法具有更高的分辨率。

關(guān)鍵詞：煤巖沖擊傾向性； 海明距離； 線性內(nèi)插； 次貼進(jìn)度

0引言

煤巖動力災(zāi)害-沖擊地壓以其突然、劇烈、猛烈的破壞特征對煤礦、金屬礦井、隧道等的安全構(gòu)成嚴(yán)重威脅，甚至造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡。隨著礦井開采深度的增加，沖擊地壓的危險也在逐步增加，已成為制約礦井安全生產(chǎn)的重大隱患。國內(nèi)外學(xué)者研究表明，煤巖具有沖擊傾向性是發(fā)生沖擊地壓的必要條件[1]。對煤巖沖擊傾向性進(jìn)行合理有效的評價，是防治沖擊地壓的理論及實踐基礎(chǔ)。

目前煤巖沖擊傾向性評價指標(biāo)主要有動態(tài)破壞時間、彈性能量指數(shù)、沖擊能量指數(shù)和單軸抗壓強(qiáng)度[2]。在煤巖沖擊傾向性的綜合評價過程中，這4個指標(biāo)值往往同時處于不同的沖擊傾向性級別中，難以準(zhǔn)確判斷采用哪個指標(biāo)[1]。針對煤巖沖擊傾向性的研究中，齊慶新等[3]指出單軸抗壓強(qiáng)度可以與動態(tài)破壞時間、彈性能量指數(shù)、沖擊能量指數(shù)一樣作為煤巖沖擊傾向性的評價指標(biāo)；趙同彬等[4]進(jìn)行了基于顆粒流理論的煤巖沖擊傾向性細(xì)觀模擬試驗研究，但僅研究了單軸抗壓強(qiáng)度和彈性能量指數(shù)對煤巖傾向性的影響；潘一山等[5]進(jìn)行了煤層沖擊傾向性與危險性評價指標(biāo)研究，提出了臨界應(yīng)力系數(shù)、臨界軟化區(qū)域系數(shù)、沖擊能量速度這3項新的評價指標(biāo)，但無法準(zhǔn)確計算出巷道發(fā)生沖擊地壓時的臨界巖體應(yīng)力和臨界尺寸；白漢營等[6]應(yīng)用模糊綜合評判法評價煤巖沖擊傾向性，在運(yùn)算過程中舍去了一部分影響因素，導(dǎo)致隸屬函數(shù)值被權(quán)重系數(shù)值代替；王超等[7-8]采用熵權(quán)-理想點法綜合評價煤巖沖擊傾向性，該方法無法區(qū)分處于同一沖擊傾向性的多種煤樣間的沖擊傾向性強(qiáng)度。

海明距離法是一種多目標(biāo)、多因素的綜合評價方法[9-11]，其原理簡單、科學(xué)，操作性強(qiáng)，能夠?qū)⒍嘁蛩亍⒍鄬ο蟮哪：龁栴}定量化，從而更準(zhǔn)確、更科學(xué)地評價模糊事件。海明距離法已應(yīng)用于空氣質(zhì)量評價[12]、垃圾填埋場地下水質(zhì)量評價[13]、礦井通風(fēng)系統(tǒng)評價[14]等領(lǐng)域，但在煤巖沖擊傾向性評價方面的應(yīng)用還缺乏系統(tǒng)研究。本文采用海明距離法對煤巖沖擊傾向性進(jìn)行綜合評價，采用線性插值法構(gòu)造評價對象的隸屬函數(shù)，來避免權(quán)重系數(shù)值代替隸屬函數(shù)值的問題，并采用更加客觀、科學(xué)的雙指標(biāo)表示評價結(jié)果。

1基于海明距離法的煤巖沖擊傾向性綜合評價模型

海明距離法通過選取最小海明距離來評判煤巖沖擊傾向性級別。其原理：首先選取各評價標(biāo)準(zhǔn)模糊集下確界構(gòu)成評價標(biāo)準(zhǔn)矩陣，再將該矩陣轉(zhuǎn)換為評價標(biāo)準(zhǔn)隸屬度矩陣，然后針對評價矩陣，運(yùn)用線性內(nèi)插公式構(gòu)造評價對象隸屬度矩陣，最后求取各評價對象隸屬度矩陣與評價標(biāo)準(zhǔn)隸屬度矩陣間的海明距離，并將海明距離按大小進(jìn)行排序，選取最小的海明距離。

1.1確定評價因子和評價標(biāo)準(zhǔn)

假設(shè)有n個評價對象，每個評價對象有m個評價因子，則有n×m階評價矩陣：

(1)

式中：aij為第i(i=1,2，…，n)個評價對象的第j(j=1,2，…，m)個評價因子。

假設(shè)有t級評價標(biāo)準(zhǔn)，則對于n個評價對象，有t×m階評價標(biāo)準(zhǔn)矩陣：

(2)

引入線性內(nèi)插公式，得aij的隸屬值：

(3)

式中：b1j,btj分別為第j個評價因子的1,t級評價標(biāo)準(zhǔn)值。

用式(3)將式(1)轉(zhuǎn)換為評價對象隸屬度矩陣：

(4)

煤的沖擊傾向性評價具有模糊性。考慮2種極端情形，即無沖擊傾向性煤樣和強(qiáng)沖擊傾向性煤樣，其余任何一種煤樣均介于這2種極端情形之間。所有的煤樣因各自不同的特點，對無沖擊傾向性煤樣和強(qiáng)沖擊傾向性煤樣分別具有不同的隸屬度。假設(shè)無沖擊傾向性煤樣和強(qiáng)沖擊傾向性煤樣的m個評價因子分別對自身的隸屬度為0和1，得到某煤樣對自身的隸屬度：

(5)

式中：bhj為第j個評價因子的h(h=1,2,…,t)級評價標(biāo)準(zhǔn)值；chj為bhj的隸屬度。

利用式(5)將式(2)轉(zhuǎn)換為評價標(biāo)準(zhǔn)隸屬度矩陣：

(6)

1.2評價原則與評價方法

海明距離法在求評價對象與標(biāo)準(zhǔn)對象的相似程度上可有效提高評價結(jié)果的分辨率。假設(shè)評價對象d和標(biāo)準(zhǔn)對象e均包括m個評價因子x1,x2,…,xm，且評價對象d對xj的隸屬度為μd(xj)，標(biāo)準(zhǔn)對象e對xj的隸屬度為μe(xj)，則評價對象d與標(biāo)準(zhǔn)對象e之間的海明距離為

(7)

μd(xj)為式(3)中的fij；μe(xj)為式(5)中的chj。

加權(quán)海明距離為

(8)

式中wj為第j個評價因子的權(quán)重。

(9)

由此可得評價對象隸屬度矩陣與評價標(biāo)準(zhǔn)隸屬度矩陣之間的加權(quán)海明距離：

(10)

2實例分析

2.1評價因子與評價標(biāo)準(zhǔn)的選取

根據(jù)參考文獻(xiàn)[2]，選取動態(tài)破壞時間(DT)、彈性能量指數(shù)(WET)、沖擊能量指數(shù)(KE)和單軸抗壓強(qiáng)度(RC)作為煤巖沖擊傾向性評價因子，根據(jù)評價結(jié)果將煤巖沖擊傾向性分為無沖擊傾向性(Ⅰ)、弱沖擊傾向性(Ⅱ)、強(qiáng)沖擊傾向性(Ⅲ)3類。各評價標(biāo)準(zhǔn)單因子模糊分級界限見表1。

表1　煤巖沖擊傾向性各評價標(biāo)準(zhǔn)單因子模糊分級界限

2.2評價結(jié)果

選取實測煤樣數(shù)據(jù)[8]進(jìn)行煤巖沖擊傾向性等級判定，實測數(shù)據(jù)見表2。

表2　某煤礦煤巖沖擊傾向性實測數(shù)據(jù)

由表2可得6個評價對象的4個評價因子實測數(shù)椐構(gòu)成的矩陣：

(11)

根據(jù)模糊集距離的概念進(jìn)行模糊評價，均需確定單因子各級模糊界限值。其一般由式(12)確定：

(12)

由式(12)處理表1數(shù)據(jù)可得3×4階煤巖沖擊傾向性評價標(biāo)準(zhǔn)矩陣：

(13)

假設(shè)無沖擊傾向性煤樣和強(qiáng)沖擊傾向性煤樣的m個評價因子分別對應(yīng)自身的隸屬度為0和1，由式(5)可將評價標(biāo)準(zhǔn)矩陣B3×4轉(zhuǎn)換為評價標(biāo)準(zhǔn)隸屬度矩陣：

(14)

由式(3)可將實測數(shù)據(jù)矩陣A6×4轉(zhuǎn)換為評價對象隸屬度矩陣：

(15)

由式(9)得到6個評價對象、4個評價因子的權(quán)重矩陣：

(16)

經(jīng)歸一化可得

(17)

由式(10)可計算出各評價對象的海明距離，見表3。

表3　各評價對象的海明距離

從表3可看出，6個評價對象的最小海明距離分別為0.139，0.361，0.158，0.184，0.009，0.258。可知1號礦10槽煤、1號礦7槽煤、2號礦18層煤、3號礦237工作面、4號礦B2煤和5號礦5層煤這6種煤樣的沖擊傾向性分別與強(qiáng)沖擊傾向性級別、弱沖擊傾向性級別、強(qiáng)沖擊傾向性級別、無沖擊傾向性級別、無沖擊傾向性級別和弱沖擊傾向性級別最貼近，即認(rèn)為6種煤樣的沖擊傾向性分別屬于強(qiáng)沖擊傾向性、弱沖擊傾向性、強(qiáng)沖擊傾向性、無沖擊傾向性、無沖擊傾向性、弱沖擊傾向性。

2.3評價結(jié)果分析

煤樣的實際現(xiàn)場沖擊傾向性與模糊綜合評判法[7]、熵權(quán)-理想點法[8-9]、海明距離法的評價結(jié)果見表4。

表4　不同方法評價結(jié)果對比

由表4可知，海明距離法的評判結(jié)果與煤樣的實際現(xiàn)場沖擊傾向性一致，說明海明距離法可作為一種評價煤巖沖擊傾向性的有效方法。根據(jù)煤樣的實際現(xiàn)場沖擊傾向性知，3號礦237工作面與4號礦B2煤的沖擊傾向性處于無沖擊傾向性類別，則海明距離法的評價結(jié)果與熵權(quán)-理想點法評價結(jié)果相比具有更高的準(zhǔn)確性。

2.4次貼進(jìn)度比較

由表3知，1號礦7槽煤的沖擊傾向性和5號礦5層煤的沖擊傾向性都處于弱沖擊傾向性(II)，但二者對無沖擊傾向性(I)的次貼進(jìn)度分別為0.582和0.591。因此，1號礦7槽煤的沖擊傾向性要弱于5號礦5層煤的沖擊傾向性，且該結(jié)果與煤礦實際現(xiàn)場情況相符合。由此得到6種煤樣的雙指標(biāo)評價結(jié)果：

從雙指標(biāo)評價結(jié)果可知海明距離以量化概念表征煤巖沖擊傾向性的進(jìn)展程度，直觀地描述煤巖沖擊傾向性的分布規(guī)律，有利于掌握煤巖沖擊傾向性的具體情況。另外，海明距離法評價結(jié)果與模糊綜合評判法、熵權(quán)-理想點法評價結(jié)果相比具有更高的分辨率。

3結(jié)論

將海明距離法引入煤巖沖擊傾向性評價中，并提出一種用線性插值構(gòu)造各評價對象隸屬函數(shù)的新方法，采用雙指標(biāo)表示評價結(jié)果，建立了基于海明距離法的煤巖沖擊傾向性綜合評價模型，得出以下結(jié)論：

(1) 海明距離法評價結(jié)果與煤礦現(xiàn)場沖擊傾向性一致，證明海明距離法可以作為一種新的、有效的煤巖沖擊傾向性評價方法。

(2) 在區(qū)分處于同一沖擊傾向性級別的煤巖沖擊傾向性強(qiáng)弱方面，海明距離法與模糊綜合評判法、熵權(quán)-理想點法相比具有更高的分辨率。

(3) 與模糊綜合評判法相比，海明距離法應(yīng)用線性內(nèi)插公式構(gòu)造評價對象的隸屬函數(shù)，避免權(quán)重系數(shù)值代替隸屬函數(shù)值的現(xiàn)象，同時具有計算過程簡潔、可操作性強(qiáng)的優(yōu)點；與熵權(quán)-理想點法相比，海明距離法評判結(jié)果具有更高的準(zhǔn)確性和科學(xué)性。

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網(wǎng)絡(luò)出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/32.1627.TP.20160126.1539.002.html

Evaluation of rock burst tendency of coal seam based on Hamming distance method

ZHANG Weiqiang1,2,WANG Enyuan1,2,LI Xuelong1,2,KONG Xiangguo1,2,LI Guoai1,2

(1.School of Safety Engineering, China University of Mining and Technology, Xuzhou 221116, China;

2.Key Laboratory of Mine Gas and Fire Disaster Prevention and Control of Ministry of Education,

Xuzhou 221116, China)

Abstract:In allusion to shortcomings of current evaluation methods about rock burst tendency of coal seam, a model was built for comprehensively evaluating rock burst tendency of coal seam on basis of Hamming distance theory. Dynamic failure time, impact energy index, elastic energy index and uniaxial compressive strength are selected as comprehensive evaluation indexes in the model. Membership functions of evaluation objects are structured by use of linear interpolation formula. Then similar degree between the evaluation objects and standard objects is gotten respectively by Hamming distance method. Evaluation results are gotten through using the minimum Hamming distance to evaluate classification. The analysis result of actual example shows that the evaluation results of Hamming distance method are consistent with rock burst tendency of coal seam in actually field; by contrasting Hamming distances of coal samples which are at the same burst tendency level, it is found that Hamming distance method has a higher resolution ratio than fuzzy comprehensive evaluation method and entropy-ideal point method.

Key words:rock burst tendency of coal seam; Hamming distance; linear interpolation; secondary close degree

中圖分類號：TD713.2

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A網(wǎng)絡(luò)出版時間：2016-01-26 15:39

文章編號：1671-251X(2016)02-0007-05

DOI:10.13272/j.issn.1671-251x.2016.02.002

張偉強(qiáng)，王恩元，李學(xué)龍,等.基于海明距離法的煤巖沖擊傾向性評價[J].工礦自動化，2016,42(2)：7-11.