基于大數(shù)據(jù)框架下的礦井瓦斯涌出分析

許 潔

(山西焦煤集團 投資有限公司， 山西 太原 030024)

隨著大數(shù)據(jù)技術(shù)的發(fā)展，大數(shù)據(jù)思維應(yīng)用的領(lǐng)域也隨之更加廣泛。大數(shù)據(jù)思維就是通過對大量數(shù)據(jù)的分析研究，得出產(chǎn)生重要影響力的服務(wù)和產(chǎn)品，以及有深度的洞察[1]. 大數(shù)據(jù)分析的核心內(nèi)容是預(yù)測，其思維是通過分析更多的數(shù)據(jù)，處理與預(yù)測對象之間所涉及的所有可能數(shù)據(jù)，而不再依賴隨機抽樣，也不需要追根究底，從宏觀層次上得到更好的洞察力，而不是熱衷于找尋因果關(guān)系[2]. 采用大數(shù)據(jù)技術(shù)能夠?qū)ΦV井瓦斯參數(shù)進行更全面地分析，可以更科學(xué)地認(rèn)識礦井瓦斯賦存、涌出量規(guī)律[3]，從而采用更有效、更有針對性的瓦斯抽采方法，提高瓦斯抽放效果，為井下作業(yè)地點提供更為安全的作業(yè)環(huán)境，促進礦井安全生產(chǎn)。

1 大數(shù)據(jù)思維方法

瓦斯災(zāi)害分析理論與大數(shù)據(jù)思維的有效結(jié)合，需要充分準(zhǔn)備煤礦空間瓦斯災(zāi)害大數(shù)據(jù)的信息，盡可能地搜集所有信息，建立大數(shù)據(jù)庫，以大數(shù)據(jù)思維，尋找以瓦斯災(zāi)害作為目標(biāo)的相關(guān)關(guān)系，大數(shù)據(jù)思維方法見圖1[4].

圖1 大數(shù)據(jù)思維方法圖

假設(shè)將未開采區(qū)域的瓦斯災(zāi)害當(dāng)作相對應(yīng)的預(yù)測對象，那樣就能匯集該礦區(qū)全部完成開采的礦井瓦斯災(zāi)害信息進行分析。相關(guān)性分析方法采用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法進行，廣義回歸型神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(GRNN)是由機率神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)所發(fā)展出來的，包含了3層：輸入單元層、輸出單元層和模式單元層。輸出層由2個求和部分組成，其構(gòu)成見圖2. 其基本原理為：假設(shè)Xi和Yi分別為輸入與輸出矢量的樣本，即可用下列公式計算任意一個與X對應(yīng)的Y值[5]：

式中，Di=(X-Xi)T(X-Xi)；σ是GRNN中僅有的參數(shù)：平滑系數(shù)。

2 瓦斯災(zāi)害的預(yù)測

影響瓦斯災(zāi)害的因素比較多，地質(zhì)條件、采礦技術(shù)以及生產(chǎn)管理等都是主要因素[6]，如采場布置，煤礦巖體的物理力學(xué)特性、煤礦巖體構(gòu)造、開采速度、瓦斯含量、煤層厚度、圍巖瓦斯、地質(zhì)結(jié)構(gòu)狀況與瓦斯正確抽采方式等。在此處研究的影響瓦斯災(zāi)害的主要原因是地質(zhì)結(jié)構(gòu)狀況、煤層傾角變動、煤層厚度變動、瓦斯?jié)舛茸兓约安汕暗男秹籂顩r。為了適應(yīng)GRNN神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的特點，應(yīng)當(dāng)對樣本表中定性的表述加以數(shù)字化。定量描述方式主要包括：

1) 地質(zhì)結(jié)構(gòu)中：0代表容易，1代表一般，2代表較復(fù)雜，3代表復(fù)雜。

2) 煤層的傾角變動：0代表無改變，1代表改變較小，2代表改變較大，3代表改變大。

3) 煤厚變動：0代表無改變，1代表改變較小，2代表改變較大，3代表改變大。

4) 瓦斯含量：0代表瓦斯含量小，1代表瓦斯含量一般，2代表瓦斯含量較大，3代表瓦斯含量大。

5) 采前卸壓狀況：0代表未采取或差，l代表一般，2代表較好，3代表好。

6) 瓦斯災(zāi)害：0代表瓦斯災(zāi)害程度微小，瓦斯涌出量<5 m3/min，1代表瓦斯災(zāi)害弱，瓦斯涌出量5～10 m3/min，2代表瓦斯災(zāi)害中等，瓦斯涌出量10～40 m3/min，3代表瓦斯災(zāi)害強，瓦斯涌出量>40 m3/min.

3 瓦斯數(shù)據(jù)庫的建立

3.1 數(shù)據(jù)內(nèi)容

數(shù)據(jù)庫建設(shè)內(nèi)容應(yīng)包括：瓦斯信息數(shù)據(jù)、煤與瓦斯突出敏感指標(biāo)數(shù)據(jù)、地質(zhì)信息數(shù)據(jù)、資源量數(shù)據(jù)。

3.2 數(shù)據(jù)采集

瓦斯地質(zhì)數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)采集在礦井五年中長期規(guī)劃的基礎(chǔ)上，以瓦斯地質(zhì)單元為單位進行劃分。在同一地質(zhì)單元內(nèi)，原則上至少布置5個常規(guī)瓦斯參數(shù)測點，沿煤層走向不少于2個，沿傾向不少于3個，在最深開采邊界內(nèi)至少布置一個測點。在地質(zhì)單元的構(gòu)造影響區(qū)域，要額外至少布置3個代表性測點。

3.3 數(shù)據(jù)錄入

礦井歷史數(shù)據(jù)的采集、錄入工作由各礦井自行負(fù)責(zé)完成；礦井現(xiàn)生產(chǎn)水平的瓦斯突出敏感指標(biāo)的測定由各礦井負(fù)責(zé)采集，并及時錄入。礦井防突數(shù)據(jù)系統(tǒng)見圖3.

圖3 某礦井防突數(shù)據(jù)系統(tǒng)圖

3.4 數(shù)據(jù)運行

目前，該礦井瓦斯數(shù)據(jù)庫已在西山煤電集團開發(fā)成功并投入使用，實現(xiàn)了礦井防突數(shù)據(jù)信息管理的自動化。只要錄入歷史數(shù)據(jù)，該系統(tǒng)即可全自動生成數(shù)據(jù)。

3.5 數(shù)據(jù)分析

以某礦舉例分析，根據(jù)其實際情況，影響瓦斯災(zāi)害的主要因素樣本見表1.

將表1中序號為1—10的樣本做為學(xué)習(xí)樣本，序號為11—20的樣本做為預(yù)測樣本。逼近誤差與預(yù)測誤差分別見圖4，5. 預(yù)測結(jié)果與實際情況的對比見表2.

3.6 預(yù)測的結(jié)論

根據(jù)模型預(yù)測結(jié)果得出結(jié)論：

1) 網(wǎng)絡(luò)比較誤差基本為零，表示該系統(tǒng)的逼近功能很強。

2) 網(wǎng)絡(luò)預(yù)測誤差最大值為1.

3) 網(wǎng)絡(luò)在預(yù)測強瓦斯災(zāi)害和中級瓦斯災(zāi)害時預(yù)測準(zhǔn)確率均為100%，而在預(yù)測微瓦斯災(zāi)害與弱瓦斯災(zāi)害時預(yù)測準(zhǔn)確性則為50%.

表1 影響瓦斯災(zāi)害的主要因素樣本表

圖4 網(wǎng)絡(luò)逼近誤差圖

圖5 網(wǎng)絡(luò)預(yù)測誤差圖

表2 預(yù)測結(jié)果與實際情況對比表

鑒于微瓦斯災(zāi)害與弱瓦斯災(zāi)害的破壞能力都較小，所以，將該預(yù)測方法用于礦區(qū)瓦斯災(zāi)害的分析是可行的。

由于瓦斯災(zāi)害統(tǒng)計資料數(shù)據(jù)有限，如能逐步增加其他的以前可能認(rèn)為毫不相關(guān)的數(shù)據(jù)信息，比如風(fēng)機、割煤機、鉆機等機電設(shè)備，盡可能地搜集所有信息，建立大數(shù)據(jù)庫，把瓦斯災(zāi)害預(yù)測模型從簡單的與瓦斯含量、埋深等的關(guān)系分析方法，擴展到利用所有的相關(guān)信息和“非相關(guān)信息”進行相關(guān)性分析，可以找到瓦斯災(zāi)害分析最佳模型，同樣可以利用其拓展到礦區(qū)、省區(qū)，形成連片模糊瓦斯災(zāi)害預(yù)測云圖。

4 結(jié) 語

采用大數(shù)據(jù)分析方法，考慮影響瓦斯災(zāi)害煤層埋深、地質(zhì)結(jié)構(gòu)狀況、煤層傾角變動、煤層厚度變動、瓦斯?jié)舛纫约伴_采前的卸壓等主要因素，對樣本定性的描述進行量化，形成網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)樣本和網(wǎng)絡(luò)預(yù)測樣本，從而建立瓦斯數(shù)據(jù)庫。該數(shù)據(jù)庫的研究、建設(shè)與不斷完善，必將實現(xiàn)煤礦瓦斯地質(zhì)信息高度共享與科學(xué)利用，并真正成為煤礦安全生產(chǎn)、煤礦瓦斯資源合理開發(fā)與利用和瓦斯地質(zhì)研究服務(wù)的信息平臺，具有廣闊的應(yīng)用前景。