基于直覺模糊集關(guān)聯(lián)測度的突出危險性預(yù)測法

高忠紅，王 飛

(1.山西能源學(xué)院，太原 030006； 2.太原理工大學(xué)，太原 030024)

煤與瓦斯突出危險性的預(yù)測方法有很多，包括定性的方法和定量的方法，定性的方法主要有瓦斯地質(zhì)統(tǒng)計法，定量的方法包括數(shù)學(xué)物理預(yù)測法、靜態(tài)指標(biāo)預(yù)測法和動態(tài)指標(biāo)預(yù)測法。其中定性的方法往往依據(jù)人的主觀判斷，人的知識與經(jīng)驗決定了預(yù)測結(jié)果的準(zhǔn)確性，而上述定量方法存在的主要缺點是引發(fā)災(zāi)害因素考慮不夠全面、臨界值較難確定等問題。因此，本文采用直覺模糊集的關(guān)聯(lián)測度預(yù)測模型可以將定性預(yù)測與定量預(yù)測有機地結(jié)合起來，解決了煤與瓦斯突出影響因素復(fù)雜、突出臨界值難以確定和預(yù)測結(jié)果隨機性大等難題。

回采工作面發(fā)生煤與瓦斯突出的影響因素有很多，通過多年的統(tǒng)計分析可知，煤層殘存瓦斯含量、瓦斯涌出初速度、工作面最大支架載荷、蓋山深度、軟分層厚度和構(gòu)造復(fù)雜程度對回采工作面煤與瓦斯突出起著關(guān)鍵作用[1-3]，因此，在進(jìn)行突出危險性預(yù)測時，將回采工作面按發(fā)生煤與瓦斯突出的危險性程度劃分為突出危險區(qū)、突出威脅區(qū)、無突出危險區(qū)三個等級。通過運用直接模糊集的關(guān)聯(lián)測度計算出某個回采工作面各突出影響因素與上述三個等級的關(guān)聯(lián)度，從而確定它屬于哪一個突出危險級別，為回采工作面突出管理提供可靠依據(jù)。

1 直覺模糊集關(guān)聯(lián)測度模型

保加利亞學(xué)者Atanassov[4]于1986年提出了直接模糊集的概念，作為處理模糊性問題的一個重要工具，其特點是給集合中的每一個單元賦予一個隸屬度和一個非隸屬度，它比傳統(tǒng)的模糊集在處理不確定性問題方面更靈活和實用。

直覺模糊集的關(guān)聯(lián)系數(shù)是直覺模糊集的一個重要測度，它能定量反應(yīng)特征向量在集合中的權(quán)重大小[5-6]。文獻(xiàn)5給出了關(guān)聯(lián)測度函數(shù)如下：

設(shè)X={x1,x2,…,xn}為一個有限集合，xi為集合中的元素，μA為元素的特征向量，則定義{A1={〈xi,μA1(xi),υA1(xi)〉|xi∈X}和A2={〈xi,μA2(xi),υA2(xi)〉|xi∈X}為直覺模糊集，如果：

(1)

稱ρ1(A1，A2)為直覺模糊集A1和A2的關(guān)聯(lián)系數(shù)，式中c1為關(guān)聯(lián)常數(shù)。

在許多情況下，應(yīng)該考慮元素xi∈X的權(quán)重，則上式可推廣為：

(2)

Δμi=|μA1(xi)-μA2(xi)|，

Δυi=|υA1(xi)-υA2(xi)|；

(3)

Δμmin=min{|μA1(xi)-μA2(xi)|}，

Δυmin=min{|υA1(xi)-υA2(xi)|}；

(4)

Δμmax=max{|μA1(xi)-μA2(xi)|}，

Δυmax=max{|υA1(xi)-υA2(xi)|}。

(5)

2 預(yù)測礦井概況

筆者收集晉東國家規(guī)劃礦區(qū)某礦礦井開采資料，該礦設(shè)計生產(chǎn)能力500萬t/a，現(xiàn)開采15號煤層，瓦斯鑒定等級為煤與瓦斯突出礦井，煤層傾角7°左右，區(qū)內(nèi)斷層稀少且落差較小，構(gòu)造比較簡單。15號煤位于太原組下部，厚度1.15～6.48m，平均厚度5.16m，厚度變異系數(shù)為24%，是全區(qū)穩(wěn)定可采煤層，一般含0～3層夾矸，埋藏深度600m左右，煤層瓦斯含量為14.4～16.7m3/t。15號煤瓦斯絕對涌出量43m3/min，相對涌出量18m3/t。收集最近兩年已開采結(jié)束的11502、11506、21501號三個回采工作面資料，三個工作面長度均為240m，采高分別為5.20m、5.40m和3.90m，均采用走向長壁一次采全高綜采，全部垮落法管理頂板。統(tǒng)計這三個回采工作面殘存瓦斯含量、瓦斯涌出初速度、支架最大載荷、蓋山深度和軟分層厚度數(shù)據(jù)，同時對上述工作面構(gòu)造復(fù)雜程度進(jìn)行定性判斷，將這些數(shù)據(jù)按危險等級的隸屬度關(guān)系進(jìn)行歸納分析。

3 預(yù)測步驟

3.1 預(yù)測集合的建立

預(yù)測集合包括突出危險性等級集合、突出預(yù)測對象集合和突出預(yù)測指標(biāo)集合。

突出危險性等級：{突出危險區(qū)，突出威脅區(qū)，無突出危險區(qū)}；

預(yù)測對象集：{1501號回采工作面、1502號回采工作面、1503號回采工作面}；

預(yù)測指標(biāo)集：{殘存瓦斯含量，瓦斯涌出初速度，構(gòu)造復(fù)雜程度，支架載荷，蓋山厚度，軟分層厚度}。

殘存瓦斯含量、瓦斯涌出初速度、支架載荷和軟分層厚度為工作面開采期間收集礦方三個月日常檢測數(shù)據(jù)取平均值。構(gòu)造復(fù)雜程度依據(jù)三個工作面開采期間三個月內(nèi)遇到斷層或陷落柱統(tǒng)計得到，其中11502號工作面開采期間共揭露大小斷層共四條，斷距2-3m，無陷落柱；11506號工作面開采期間共揭露大小斷層共三條，斷距1～2m，陷落柱1個，直徑3.5m；21501號工作面開采期間共揭露大小斷層共二條，斷距均為1.5m，無陷落柱，根據(jù)上述資料，21501號工作面由于構(gòu)造較11502、11506工作面簡單，構(gòu)造復(fù)雜程度定為1，11502、11506工作面構(gòu)造復(fù)雜程度類似且比21501工作面略復(fù)雜，因此復(fù)雜程度定為2。

11502、11506、21501號回采工作面預(yù)測指標(biāo)集如表1所示。

根據(jù)上述集合建立預(yù)測指標(biāo)與突出危險等級的隸屬度(表2)和預(yù)測對象與預(yù)測指標(biāo)隸屬度(表3)。

表1 預(yù)測礦井指標(biāo)集

表2 預(yù)測指標(biāo)與突出危險性等級的隸屬度

表3 預(yù)測對象與預(yù)測指標(biāo)隸屬度

3.2 預(yù)測區(qū)域隸屬度計算

根據(jù)理論分析和對上述工作面的現(xiàn)場調(diào)查，殘存瓦斯含量、瓦斯涌出初速度、構(gòu)造復(fù)雜程度、支架載荷、蓋山深度，軟分層厚度的權(quán)重向量ωi={0.1，0.2，0.2，0.2，0.1，0.2}，利用關(guān)聯(lián)測度公式3，計算11502、11506、21501號回采工作面對應(yīng)于突出危險性等級的隸屬度如表4所示。

根據(jù)關(guān)聯(lián)測度預(yù)測結(jié)果，11506號回采工作面突出突出危險性最大，21501號回采工作面無突出危險性的可能性最大。

表4 預(yù)測對象與突出危險性等級隸屬度

4 結(jié)論

該礦上述三個回采工作面在回采過程中采用鉆屑量和瓦斯涌出初速度對突出危險性進(jìn)行了監(jiān)測，鉆孔瓦斯涌出初速度采用ZWC-2型鉆孔瓦斯涌出初速度測定裝置測定，鉆屑量采用彈簧秤稱量，操作嚴(yán)格按照《防治煤與瓦斯突出規(guī)定》執(zhí)行。通過對三個月監(jiān)測數(shù)據(jù)的統(tǒng)計，11502號回采工作面瓦斯涌出初速度超標(biāo)7次，最大值為12.97L/min, 鉆屑量超標(biāo)8次，最大值為9kg/m；11506號回采工作面瓦斯涌出初速度超標(biāo)18次，最大值為23.3L/min，鉆屑量超標(biāo)10次，最大值為14kg/m；21501號回采工作面瓦斯涌出初速度超標(biāo)3次，最大值為9.76L/min, 鉆屑量超標(biāo)8次，最大值為6.4kg/m。由上述統(tǒng)計數(shù)據(jù)可以看出，11506號回采工作面超標(biāo)次數(shù)最多且瓦斯涌出初速度、鉆屑量最大值均高于11502、21501號回采工作面，而21501號回采工作面上述數(shù)據(jù)均最低，與關(guān)聯(lián)測度預(yù)測結(jié)果相吻合。

通過上述實例可以看出，將直覺模糊集的關(guān)聯(lián)測度模型用于煤與瓦斯突出危險性預(yù)測，可以將構(gòu)造復(fù)雜程度這樣的定性預(yù)測指標(biāo)與瓦斯涌出初速度等這些定量預(yù)測指標(biāo)結(jié)合起來考慮，解決了井下煤與瓦斯突出危險性預(yù)測時定性與定量指標(biāo)彼此孤立，導(dǎo)致預(yù)測結(jié)果隨機性較大，預(yù)測準(zhǔn)確性低的難題，為突出煤層的危險性預(yù)測評估提供了一種新的方法。