基于動態(tài)貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的大傾角工作面飛矸威脅等級評估

劉 明，周一童，伍永平，多依麗

(1.西安科技大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 710054;2.遼寧石油化工大學(xué) 環(huán)境與安全工程學(xué)院，遼寧 撫順 113001；3.西安科技大學(xué) 能源學(xué)院,陜西 西安 710054)

0 引 言

大傾角煤層是以煤層傾角超過煤的自然安息角所出現(xiàn)的滑動、失穩(wěn)等現(xiàn)象為主要特征而命名的。大傾角煤層由于傾角較大，其工作面系統(tǒng)可靠性較低，防護裝置效率偏低，安全事故屢有發(fā)生[1-3]。采煤工藝優(yōu)化雖然可以減少飛矸形成的數(shù)量，但仍無法從根本上避免對人員設(shè)備的傷損害事故發(fā)生。

我國的專家學(xué)者先后對大傾角煤層長壁工作面出現(xiàn)的飛矸現(xiàn)象進行研究與實踐，并且設(shè)計提出了多種擋桿設(shè)備與防護技術(shù)。文獻[4]設(shè)計了一種光柵識別的大傾角煤層自動擋矸裝置，該設(shè)備可以有效解決因飛矸運動的隨機性而引起的飛矸防護困難的問題。劉明申等[5]研究發(fā)明了一種漁網(wǎng)狀柔性擋矸網(wǎng)、鐵質(zhì)遮擋和擋矸輸送帶的防護裝置。隨著飛矸治理與控制能力的提升，何貴榮等[6]提出了改進版的“擋煤簾”“柔性擋桿設(shè)施”等。雖然目前的防護裝置很多，但對于大傾角煤層飛矸災(zāi)害防治大多都是采取被動防護裝置及措施[7-8],少有學(xué)者研究飛矸的運動機理，根據(jù)飛矸的運動機理去設(shè)計防護裝置[9-11]?；诖?，通過Rocfall結(jié)合正交試驗方法，找出影響飛矸威脅的因素，最后利用動態(tài)貝葉斯網(wǎng)絡(luò)對飛矸威脅等級進行評估。

1 基于正交試驗飛矸威脅因素分析

1.1 工作面飛矸運動模型的構(gòu)建

在大傾角煤層開采過程中，采煤機甩煤、推移刮板輸送機、移架等擾動下靜止的煤(巖)塊啟動。以新疆烏魯木齊艾維兒溝2130煤礦25221大傾角大采高綜采工作面為例，設(shè)飛矸初速度為3 m/s，工作面長度為120 m，工作面底板為砂巖，飛矸質(zhì)量為5 kg，數(shù)量為100，角速度為30 rad/s，基本參數(shù)見表1。

表1 模型參數(shù)Table 1 Model parameters

表1中，碰撞恢復(fù)系數(shù)表征了碰撞前后物體間速度的比例關(guān)系，只與碰撞物體材料有關(guān)。

工作面飛矸發(fā)生空間如圖1a所示，通過Rocfall模擬100次，得到飛矸運動軌跡如圖1b所示。

圖1 大傾角煤層工作面Fig.1 Working face of steeply dipping seam

由于飛矸模型參數(shù)均具有隨機性，當(dāng)參數(shù)發(fā)生變化時，飛矸運動軌跡也會隨之變化，同時飛矸的總動能、彈跳高度、沿工作面運動距離等觀測變量也會發(fā)生顯著變化，為了探究哪些因素對飛矸威脅具有決定性的影響，需通過正交試驗進行分析[12-13]。

1.2 影響因素分析

由于大傾角煤層工作面飛矸傷損程度取決于飛矸的能級，因此將飛矸具有的總動能作為飛矸威脅的評判依據(jù)，飛矸總動能為

Ek=(mv2/2+Jω2/2)N

(1)

式中：Ek為飛矸總動能；m為飛矸質(zhì)量；v為飛矸速度；J為飛矸的轉(zhuǎn)動慣量；ω為飛矸角速度；N為飛矸的數(shù)量。

飛矸沿工作面運動速度為

(2)

式中：vt為切向速度；vn為法向速度。

飛矸的運動速度v與飛矸的初速度v0和工作面長度L以及煤層傾角θ有關(guān)，工作面越長，煤層傾角越大，飛矸運動到底端具有的動能越大，若飛矸運動過程中與工作面底板發(fā)生碰撞，則飛矸碰撞后的速度與法向碰撞恢復(fù)系數(shù)Rn、切向碰撞恢復(fù)系數(shù)Rt有關(guān)。從以上分析可知，影響飛矸動能的因素有：m、N、ω、θ、L、Rn、Rt、v0。假設(shè)飛矸運動過程中不發(fā)生解體，所以飛矸數(shù)量是固定的；由于角速度對總動能影響較小，暫不考慮轉(zhuǎn)動動能。綜上所述飛矸威脅評判依據(jù)有6種影響因素分別為:m、v0、θ、L、Rn、Rt。

1.3 確定參數(shù)取值

采用Rocfall進行建模，選取6種影響因素m、v0、θ、L、Rn、Rt進行取值分析，根據(jù)正交試驗的原理，將飛矸運動到工作面下端頭處的總動能為目標，考察各個因素對總動能大小的影響以及各因素在不同水平下總動能的變化規(guī)律和影響因素大小排序。選擇θ：35°～55°；L：100～140 m；v0：1.5～7.5 m/s；m：1～5 kg；Rn：0.30～0.34：Rt：0.82～0.86。

1.4 正交試驗

根據(jù)標準正交試驗表，選取6因素5水平進行正交試驗，見表2；25組正交試驗設(shè)計參數(shù)見表3。為探究同一水平下不同因素對總動能影響的靈敏度大小，引入標準差與極差將不同因素對結(jié)果影響的大小進行排序，得出哪些因素對總動能影響較大。

表2 正交試驗因素水平Table 2 Orthogonal experimental factor level

表3 正交試驗結(jié)果Table 3 Orthogonal experimental results

設(shè)：Ek1、Ek2、Ek3、Ek4、Ek5為各因素在同一水平下的總動能之和，σi為各個因素在同一水平下的平均功能，R為平均值的極差，極差表示因素的水平變化對試驗影響的大小，極差越大影響越大，反之則越小，因素均值極差表見表4。

由表4可得重要度排序：工作面傾角>質(zhì)量>工作面長度>切向碰撞恢復(fù)系數(shù)>初速度>法向碰撞恢復(fù)系數(shù)。

表4 不同因素下總動能之和、均值和極差Table4 The sum,mean and range of total kinetic energy under different factors J

2 基于動態(tài)貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的威脅等級估計

2.1 貝葉斯網(wǎng)絡(luò)建模

貝葉斯網(wǎng)絡(luò)能綜合利用概率論和圖論進行不確定事件分析和推理[14-18]。根據(jù)正交試驗結(jié)果可知煤層傾角、飛矸質(zhì)量、飛矸沿工作面運動距離和速度對飛矸威脅等級影響較大，由于考慮到實際工況下煤層傾角為定值，不隨時間變化，故選取飛矸質(zhì)量、沿工作面運動距離和速度作為觀測節(jié)點，如圖2所示。

圖2 貝葉斯靜態(tài)結(jié)構(gòu)Fig.2 Bayesian static structure

2.2 貝葉斯網(wǎng)絡(luò)概率

由專家經(jīng)驗知識判斷，威脅等級先驗概率：威脅等級H、M、T的先驗概率P1分別為0.10、0.15、0.75，威脅等級轉(zhuǎn)移概率見表5。

表5 威脅等級轉(zhuǎn)移概率Table 5 Threat level transition probability

規(guī)定飛矸質(zhì)量m≤3 kg狀態(tài)為小，記為X；3 kg

飛矸速度v≤3 m/s狀態(tài)為低，記為S；3 m/s

飛矸距離工作面下端頭處人或設(shè)備的距離(Length)越近威脅等級越高，將工作面長度三等分，工作面上部狀態(tài)為低，記為Y；中部為中，記為Q；工作面下部為高，記為J。

根據(jù)專家經(jīng)驗知識得到各個觀測節(jié)點所對應(yīng)的條件概率見表6，設(shè)其轉(zhuǎn)移概率不發(fā)生變化。

表6 不同因素影響威脅等級的條件概率Table 6 Conditional probability of different factors affecting the threat level

2.3 動態(tài)貝葉斯網(wǎng)絡(luò)建模

基于上述的先驗概率、轉(zhuǎn)移概率、條件概率，采用Genie軟件將靜態(tài)貝葉斯網(wǎng)絡(luò)進行動態(tài)展開，得到動態(tài)貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的展開圖和條形圖如圖3和圖4所示，并得到飛矸威脅等級曲線如圖5所示。

圖3 動態(tài)貝葉斯網(wǎng)絡(luò)展開Fig.3 Dynamic Bayesian network expansion

圖4 動態(tài)貝葉斯網(wǎng)絡(luò)展開條形概率Fig.4 Dynamic Bayesian network expansion bar probability

圖5 動態(tài)威脅概率Fig.5 Dynamic threat probability

可以看出：飛矸速度在前3個時間片中高速和中速的飛矸比例有顯著的升高，因為起始高速和中速飛矸所占比例較少，大部分飛矸剛開始啟動，飛矸速度較小，狀態(tài)比較平穩(wěn)，重力勢能可大部分轉(zhuǎn)化為動能，后2個時間片高速和中速飛矸變化趨于平穩(wěn)，由于飛矸速度變大時其運動狀態(tài)變得不穩(wěn)定，與工作面底板發(fā)生碰撞、摩擦能量會損耗，所以其速度最終會穩(wěn)定在一個水平；隨著飛矸距離下端頭越來越近，有少量飛矸由于底板不平停止運動。因此，降低飛矸對人或設(shè)備帶來的威脅，需在飛矸初始位置以及飛矸威脅等級較高的位置采取防護措施。

3 結(jié) 論

1)Rocfall結(jié)合正交試驗可確定各個因素對飛矸威脅等級影響貢獻度排序。通過Genie動態(tài)貝葉斯軟件對飛矸威脅等級進行動態(tài)評估，可得到飛矸威脅等級隨時間片的變化規(guī)律。

2)工作面實測飛矸的主要來源為煤壁片幫，對工作面作業(yè)人員和設(shè)備造成極大威脅，結(jié)合本文方法可在飛矸初始位置以及飛矸威脅等級較高位置處設(shè)置防護網(wǎng)或者設(shè)置其他自動擋矸裝置。

3)本文理論方法的模擬結(jié)果與工作面現(xiàn)場實測下部區(qū)域設(shè)備破壞程度更加劇烈的情況相符合，更加印證了本文方法用于飛矸威脅等級評估的可行性。