基于巷道摩擦阻力系數(shù)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測模型的礦井風(fēng)網(wǎng)風(fēng)量預(yù)測研究

劉彥青

(1.煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司 安全分院，北京 100013；2.煤炭資源高效開采和潔凈利用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100013)

井下采掘接替、巷道開拓等生產(chǎn)活動會導(dǎo)致礦井風(fēng)阻發(fā)生變化，使得礦井通風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)量重新分配。為了避免通風(fēng)安全事故，有必要對礦井通風(fēng)系統(tǒng)改變之后風(fēng)網(wǎng)風(fēng)量變化進(jìn)行提前預(yù)測。礦井通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)解算是現(xiàn)階段最有效的方法之一[1-2]，目前礦井通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)解算主要采用基于空氣動力學(xué)理論的通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)解算數(shù)學(xué)模型與斯考德—恒斯雷法通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)解算方法，文獻(xiàn)[3-9]作者研究表明，采用斯考德—恒斯雷法通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)解算方法計(jì)算得到的礦井風(fēng)網(wǎng)風(fēng)量結(jié)果與實(shí)測結(jié)果之間誤差較小，能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)風(fēng)量準(zhǔn)確預(yù)測；楊帥等[10]將礦井通風(fēng)監(jiān)測與通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)解算相結(jié)合，構(gòu)建了實(shí)時(shí)通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)解算模型。

礦井全風(fēng)網(wǎng)摩擦阻力系數(shù)是礦井通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)解算中最核心的參數(shù)。在保證礦井通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)解算方法可靠的前提下，礦井全風(fēng)網(wǎng)摩擦阻力系數(shù)的準(zhǔn)確賦值會直接嚴(yán)重影響解算結(jié)果的準(zhǔn)確性。通過現(xiàn)場實(shí)測方法能夠準(zhǔn)確獲得已掘巷道的摩擦阻力系數(shù)，而待掘巷道摩擦阻力系數(shù)只能通過預(yù)測獲得。魏寧等[11-12]采用人工智能方法對巷道摩擦阻力系數(shù)進(jìn)行了預(yù)測計(jì)算；梁軍等[13]采用數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)對巷道摩擦阻力系數(shù)進(jìn)行了匹配賦值。

筆者以雙柳煤礦通風(fēng)系統(tǒng)為研究對象，總結(jié)巷道摩擦阻力系數(shù)影響因素，采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法構(gòu)建巷道摩擦阻力系數(shù)預(yù)測模型，并對雙柳煤礦待掘巷道摩擦阻力系數(shù)進(jìn)行預(yù)測賦值，將待掘巷道摩擦阻力系數(shù)預(yù)測值代入雙柳煤礦通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)解算模型中，對礦井通風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)量分配進(jìn)行超前預(yù)測，通過分析預(yù)測結(jié)果與現(xiàn)場實(shí)測結(jié)果之間的相對誤差，驗(yàn)證巷道摩擦阻力系數(shù)預(yù)測模型的準(zhǔn)確性。

1 雙柳煤礦通風(fēng)系統(tǒng)概況

雙柳煤礦通風(fēng)系統(tǒng)采用分區(qū)并列式通風(fēng)方式，通風(fēng)方法為抽出式。全礦井共布置5條井筒，其中進(jìn)風(fēng)井3個(gè)，分別為白家焉主斜井、白家焉副立井、郭家山副立井；回風(fēng)井2個(gè)，分別為白家焉回風(fēng)立井和郭家山回風(fēng)立井。白家焉回風(fēng)立井擔(dān)負(fù)一采區(qū)、二采區(qū)回風(fēng)任務(wù)，郭家山回風(fēng)立井擔(dān)負(fù)三采區(qū)、四采區(qū)回風(fēng)任務(wù)。

2 雙柳煤礦巷道摩擦阻力系數(shù)實(shí)測

采用適用于復(fù)雜礦井通風(fēng)系統(tǒng)阻力測定的精密氣壓計(jì)基點(diǎn)法對雙柳煤礦通風(fēng)阻力進(jìn)行現(xiàn)場測定[14-18]，利用精密氣壓計(jì)測試巷道節(jié)點(diǎn)位置靜壓、干溫度、相對濕度，利用機(jī)械式風(fēng)表測試巷道分支風(fēng)速，利用激光測距儀測試巷道斷面尺寸，查閱礦井采掘工程平面圖得到巷道節(jié)點(diǎn)標(biāo)高。根據(jù)巷道分支兩端靜壓差、位壓差，以及巷道分支兩端測壓期間地面大氣壓波動變化來計(jì)算巷道分支通風(fēng)阻力，計(jì)算公式見式(1)，巷道分支摩擦風(fēng)阻、摩擦阻力系數(shù)計(jì)算公式見式(2)、式(3)：

(1)

(2)

(3)

式中：hij為巷道始末節(jié)點(diǎn)i、j之間的通風(fēng)阻力，Pa；ρi、ρj為巷道始節(jié)點(diǎn)i、末節(jié)點(diǎn)j的空氣密度，kg/m3；Δp為地面大氣壓波動變化值，Pa；pi、pj為巷道始節(jié)點(diǎn)i、末節(jié)點(diǎn)j的氣壓計(jì)讀數(shù)，Pa；hi、hj為巷道始節(jié)點(diǎn)i、末節(jié)點(diǎn)j的標(biāo)高，m；Ri-j為巷道摩擦風(fēng)阻，N·s2/m8；Qi-j為巷道風(fēng)量，m3/s；αi-j為巷道摩擦阻力系數(shù)，N·s2/m4；Si-j為巷道斷面積，m2；Ci-j為巷道周長，m；Li-j為巷道長度，m。

3 基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的巷道摩擦阻力系數(shù)預(yù)測模型構(gòu)建

3.1 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型結(jié)構(gòu)

BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型結(jié)構(gòu)圖見圖1。以預(yù)測待掘巷道摩擦阻力系數(shù)為目標(biāo)，利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法構(gòu)建巷道摩擦阻力系數(shù)預(yù)測模型，預(yù)測模型以巷道摩擦阻力系數(shù)影響因素作為輸入層，以巷道摩擦阻力系數(shù)作為輸出層。

xi—輸入層第i個(gè)屬性；vij—輸入層第i個(gè)屬性與隱層第j個(gè)元素之間的連接權(quán)；ym—輸出層第m個(gè)輸出結(jié)果；ψj—隱層第j個(gè)元素的閾值；wjm—隱層第j個(gè)元素與輸出層第m個(gè)元素之間的連接權(quán)；φm—輸出層第m個(gè)元素的閾值。

3.2 巷道摩擦阻力系數(shù)預(yù)測模型輸入屬性集構(gòu)建

巷道摩擦阻力系數(shù)主要影響因素包括巷道支護(hù)方式、巷道斷面形狀、巷道當(dāng)量半徑(由巷道幾何斷面積與巷道幾何周長計(jì)算得到)、巷道斷面有效通風(fēng)面積系數(shù)，其中巷道支護(hù)方式主要決定巷道壁面結(jié)構(gòu)粗糙度，巷道斷面有效通風(fēng)面積系數(shù)是指巷道有效通風(fēng)斷面積與巷道幾何斷面積之比。將巷道摩擦阻力系數(shù)主要影響因素作為巷道摩擦阻力系數(shù)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測模型的輸入屬性集，由于每個(gè)屬性在預(yù)測過程中均需要參與具體計(jì)算，因此需要對每個(gè)屬性進(jìn)行賦值。對于巷道當(dāng)量半徑、巷道斷面有效通風(fēng)面積系數(shù)這類能夠用具體數(shù)值來定量描述的屬性，以實(shí)際值作為屬性賦值，而對于巷道支護(hù)方式、巷道斷面形狀這類無法直接用具體數(shù)值來定量描述的屬性，需要規(guī)定屬性狀態(tài)及每個(gè)屬性狀態(tài)對應(yīng)的數(shù)值來進(jìn)行屬性賦值。巷道摩擦阻力系數(shù)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測模型輸入屬性集具體信息見表1。

表1 巷道摩擦阻力系數(shù)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測模型輸入屬性集及屬性狀態(tài)賦值

3.3 巷道摩擦阻力系數(shù)預(yù)測模型學(xué)習(xí)訓(xùn)練

基于上述研究構(gòu)建巷道摩擦阻力系數(shù)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測模型，其具體包括4個(gè)輸入層屬性(即4個(gè)摩擦阻力系數(shù)影響因素值)、20個(gè)隱層神經(jīng)元、1個(gè)輸出神經(jīng)元(即巷道摩擦阻力系數(shù)值)。隱層神經(jīng)元傳遞函數(shù)選擇Sigmoid 函數(shù)，輸出神經(jīng)元傳遞函數(shù)選擇pureline 函數(shù)。以雙柳煤礦典型巷道的摩擦阻力系數(shù)及其影響因素的實(shí)測數(shù)據(jù)作為學(xué)習(xí)訓(xùn)練樣本，對初步構(gòu)建的巷道摩擦阻力系數(shù)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測模型進(jìn)行學(xué)習(xí)訓(xùn)練，其流程如圖2 所示。學(xué)習(xí)訓(xùn)練樣本見表2，學(xué)習(xí)訓(xùn)練2 451個(gè)周期之后預(yù)測模型的期望誤差達(dá)到0.000 1以下。

圖2 巷道摩擦阻力系數(shù)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測模型學(xué)習(xí)訓(xùn)練流程

表2 雙柳煤礦巷道摩擦阻力系數(shù)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測模型學(xué)習(xí)訓(xùn)練樣本集

3.4 巷道摩擦阻力系數(shù)預(yù)測模型應(yīng)用

回采工作面從貫通到回采結(jié)束期間，回采巷道支護(hù)類型與巷道內(nèi)設(shè)備布置會發(fā)生改變，因此回采巷道摩擦阻力系數(shù)也會發(fā)生相應(yīng)改變。利用巷道摩擦阻力系數(shù)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測模型對23(4)13回采工作面貫通之后不同時(shí)期回采巷道摩擦阻力系數(shù)進(jìn)行預(yù)測賦值，預(yù)測結(jié)果見表3。

表3 23(4)13回采工作面貫通之后回采巷道不同時(shí)期摩擦阻力系數(shù)賦值情況

4 雙柳煤礦通風(fēng)系統(tǒng)三維可視化風(fēng)網(wǎng)解算模型建立

4.1 礦井通風(fēng)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)解算方法

礦井通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)解算實(shí)質(zhì)是在給定風(fēng)網(wǎng)結(jié)構(gòu)、巷道分支風(fēng)阻、巷道分支動力的前提下求解巷道分支風(fēng)量和分支通風(fēng)阻力，以巷道分支通風(fēng)阻力定律、節(jié)點(diǎn)風(fēng)量平衡定律、回路風(fēng)壓平衡定律為基礎(chǔ)，建立以回路風(fēng)量為待求解未知數(shù)的非線性方程組，采用近似迭代算法求解得到回路風(fēng)量，由回路風(fēng)量計(jì)算分支風(fēng)量、分支阻力等其余未知量。

在已知巷道分支通風(fēng)動力情況下，為了減少方程組未知數(shù)，降低方程組求解計(jì)算量，將式(4)～(6)融合得到式(7)，將式(7)展開為泰勒級數(shù)，忽略二次項(xiàng)與三次項(xiàng)得到式(8)。采用斯考德—恒斯雷法求解回路風(fēng)量，由式(9)計(jì)算各回路風(fēng)量增量，根據(jù)增量調(diào)整回路風(fēng)量，再將調(diào)整后的回路風(fēng)量代入式(9)計(jì)算各回路風(fēng)量的增量，經(jīng)過多次循環(huán)計(jì)算，直到各個(gè)回路風(fēng)量的相鄰兩次增量之間相對偏差達(dá)到0.1%以下，表明通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)回路風(fēng)量達(dá)到準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)，將所求得的各回路風(fēng)量代入式(5)求解得到全礦井所有巷道分支風(fēng)量，再將巷道分支風(fēng)量代入式(4)可求得全礦井所有巷道分支通風(fēng)阻力。

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

4.2 雙柳煤礦通風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)網(wǎng)解算模型建立

將巷道摩擦阻力系數(shù)、巷道斷面尺寸、巷道長度，以及地面主通風(fēng)機(jī)風(fēng)量與負(fù)壓特性曲線實(shí)測數(shù)據(jù)導(dǎo)入礦井通風(fēng)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)解算模型中，在初步建立雙柳煤礦通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)解算模型后，需要對初步構(gòu)建的模型進(jìn)行風(fēng)量平衡調(diào)試。風(fēng)量平衡調(diào)試的主要原因在于無法準(zhǔn)確實(shí)測礦井所有巷道風(fēng)阻[19-20]，具體原因如下：

1)井下通風(fēng)構(gòu)筑物兩端壓差可實(shí)測，而構(gòu)筑物漏風(fēng)量無法實(shí)測，因此通風(fēng)構(gòu)筑物風(fēng)阻無法準(zhǔn)確測算；

2)副井罐籠提升、人員活動等眾多通風(fēng)擾動因素造成巷道或井筒兩端壓差與風(fēng)量無法準(zhǔn)確測得，巷道與井筒風(fēng)阻無法準(zhǔn)確測得。

雙柳煤礦通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)解算模型的風(fēng)量平衡調(diào)試具體過程為：對比通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)解算風(fēng)量值與實(shí)測風(fēng)量值之間偏差，小幅度調(diào)整巷道摩擦阻力系數(shù)或通風(fēng)構(gòu)筑物風(fēng)阻，重新對比解算結(jié)果與實(shí)測結(jié)果之間偏差，直到礦井所有巷道的通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)解算風(fēng)量值與實(shí)測風(fēng)量值之間相對誤差小于0.1%為止，具體過程如圖3所示。

圖3 雙柳煤礦通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)解算模型風(fēng)量平衡調(diào)試過程

5 礦井風(fēng)網(wǎng)分配風(fēng)量預(yù)測的應(yīng)用效果分析

將23(4)13回采工作面貫通之后不同時(shí)期回采巷道的摩擦阻力系數(shù)預(yù)測值代入雙柳煤礦通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)解算模型，分別對23(4)13工作面貫通之后不同時(shí)期礦井通風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)量進(jìn)行解算預(yù)測，解算結(jié)果與實(shí)測結(jié)果之間相對誤差小于8%，見表4。

表4 23(4)13回采工作面貫通之后不同時(shí)期風(fēng)網(wǎng)風(fēng)量解算結(jié)果與實(shí)測結(jié)果對比

研究結(jié)果表明，采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法的巷道摩擦阻力系數(shù)預(yù)測模型對待掘巷道摩擦阻力系數(shù)進(jìn)行預(yù)測賦值，將待掘巷道摩擦阻力系數(shù)值代入通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)解算模型，能夠?qū)崿F(xiàn)礦井風(fēng)網(wǎng)風(fēng)量的準(zhǔn)確解算。

6 結(jié)論

1)基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法，構(gòu)建得到以巷道摩擦阻力系數(shù)影響因素作為信號輸入集、以巷道摩擦阻力系數(shù)作為輸出結(jié)果的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測模型，以雙柳煤礦巷道摩擦阻力系數(shù)及影響因素實(shí)測值作為預(yù)測模型的訓(xùn)練樣本，訓(xùn)練得到雙柳煤礦巷道摩擦阻力系數(shù)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測模型，利用雙柳煤礦巷道摩擦阻力系數(shù)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測模型對尚未貫通的 23(4)13回采工作面回采巷道摩擦阻力系數(shù)進(jìn)行了預(yù)測。

2)基于斯考德—恒斯雷法通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)解算方法建立雙柳煤礦通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)解算模型，將23(4)13回采工作面回采巷道摩擦阻力系數(shù)預(yù)測值代入解算模型，分別對該工作面貫通后備用階段和回采階段礦井全風(fēng)網(wǎng)風(fēng)量變化進(jìn)行解算，解算結(jié)果與實(shí)測結(jié)果之間相對誤差在8%以內(nèi)。將待掘巷道摩擦阻力系數(shù)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測結(jié)果應(yīng)用于礦井通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)解算，結(jié)果表明其能夠?qū)崿F(xiàn)礦井全風(fēng)網(wǎng)風(fēng)量的準(zhǔn)確解算預(yù)測。