動(dòng)態(tài)瓦斯地質(zhì)預(yù)測(cè)算法研究與可視化應(yīng)用

廖 巍

(1.中煤科工集團(tuán)沈陽研究院有限公司，遼寧 撫順 113122； 2.煤礦安全技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 撫順 113122)

0 引言

高瓦斯礦井中，煤層瓦斯地質(zhì)賦存復(fù)雜多樣，煤層結(jié)構(gòu)形態(tài)各異，嚴(yán)重威脅著煤礦安全高效生產(chǎn)[1-2]。國(guó)內(nèi)學(xué)者針對(duì)瓦斯地質(zhì)預(yù)測(cè)開展了研究：陳龍照等[3]認(rèn)為礦區(qū)中、深部的斷層往往成為阻止煤層瓦斯逸散的天然屏障，同時(shí)起到一定的隔氣作用，給深部瓦斯富集創(chuàng)造了條件；張巨峰等[4]結(jié)合礦井瓦斯地質(zhì)單元?jiǎng)澐趾筒擅汗ぷ髅嫱咚固菁?jí)治理等級(jí)，實(shí)現(xiàn)了瓦斯地質(zhì)精準(zhǔn)預(yù)測(cè)；黃政祥等[5]研究結(jié)果表明，開放性的正斷層造成瓦斯的運(yùn)移散失，煤中瓦斯含量與煤層埋深、煤層頂?shù)装鍘r性及地下水活動(dòng)等關(guān)系密切；湯小燕等[6]基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)煤層瓦斯含量進(jìn)行反演，建立了煤層瓦斯含量的預(yù)測(cè)模型。此外，國(guó)內(nèi)部分學(xué)者基于反距離權(quán)重法、樣條函數(shù)法和普通克里格法等插值算法進(jìn)行研究，在氣候[7-8]、土壤[9-10]、水害[11]治理等領(lǐng)域表現(xiàn)出眾。但是，上述方法幾乎都只是從地質(zhì)劃分或插值算法單一角度出發(fā)，即便是同一個(gè)地質(zhì)構(gòu)造單元內(nèi)，瓦斯賦存差異也十分顯著，因此，適用范圍非常受限。鑒于此，預(yù)測(cè)單元需要在更小的幾何維度上進(jìn)行劃分，在二次劃分完畢的微單元內(nèi)部采用反距離權(quán)重插值算法與遞歸鄰域搜索策略相結(jié)合，并經(jīng)過數(shù)據(jù)優(yōu)化算法處理，實(shí)現(xiàn)瓦斯地質(zhì)精準(zhǔn)在線預(yù)測(cè)評(píng)估。

1 瓦斯地質(zhì)微單元插值算法原理

1.1 總體設(shè)計(jì)理論

瓦斯賦存具有空間特性，在相似的地質(zhì)單元內(nèi)部，較近的點(diǎn)瓦斯含量大小要比距離較遠(yuǎn)的點(diǎn)含量值更相似，換言之，距離預(yù)測(cè)位置最近的測(cè)量值對(duì)預(yù)測(cè)值的影響更大，當(dāng)距離足夠遠(yuǎn)時(shí)或者地質(zhì)變化足夠大時(shí)，其影響可以忽略不計(jì)[12-13]。當(dāng)為某變量在預(yù)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行值的估量時(shí)，反距離權(quán)重法會(huì)采用預(yù)測(cè)點(diǎn)周圍的測(cè)量值，并假定每個(gè)測(cè)量點(diǎn)都存在一種局部影響，這種影響會(huì)隨著距離的增大而減小，為距離預(yù)測(cè)位置較近的點(diǎn)分配的權(quán)重較大，反之則較小。將相似的地質(zhì)模塊定義為同一個(gè)微單元，并在微單元內(nèi)應(yīng)用反距離權(quán)重插值算法模型結(jié)合搜索策略與數(shù)據(jù)優(yōu)化算法進(jìn)行瓦斯地質(zhì)動(dòng)態(tài)可視化預(yù)測(cè)，具有良好的精準(zhǔn)性及顯示效果。

1.2 反距離權(quán)重插值算法

瓦斯數(shù)據(jù)在三維空間插值就是根據(jù)已知點(diǎn)的瓦斯數(shù)據(jù)Gi(xi，yi，zi)內(nèi)插值計(jì)算未知點(diǎn)Gj(xj，yj，zj)的數(shù)據(jù)處理過程。反距離權(quán)重插值算法模型顯式假設(shè)：每個(gè)測(cè)量點(diǎn)都會(huì)存在局部影響，彼此距離較近的事物要比彼此距離較遠(yuǎn)的事物更相似，因此，在預(yù)測(cè)未測(cè)量點(diǎn)的值時(shí)，距離其越近的測(cè)量點(diǎn)影響越大。因此，為距離預(yù)測(cè)位置較近的點(diǎn)分配的權(quán)重較大，反之則小，權(quán)重作為距離的函數(shù)，其一般形式如式(1):

(1)

(2)

式中：p是1個(gè)任意正實(shí)數(shù)，一般取p=2，hi，hj表示歐氏距離，分別由式(3)和式(4)計(jì)算：

(3)

(4)

式中：(x,y,z)為插值點(diǎn)坐標(biāo)，(xi,yi,zi)，(xj,yj,zj)為離散點(diǎn)坐標(biāo)。

當(dāng)p取不同值時(shí)，權(quán)重與距離間的關(guān)系如圖1所示。

圖1 權(quán)重與距離間的關(guān)系

1.3 遞歸鄰域搜索策略

瓦斯地質(zhì)單元內(nèi)部插值算法通常需要插值點(diǎn)周圍處于同等地質(zhì)條件，需滿足煤巖結(jié)構(gòu)均質(zhì)及各向同性等特點(diǎn)，實(shí)際生產(chǎn)中幾乎無法滿足，因此，需要在物理層級(jí)上人為劃分較微小的地質(zhì)單元。若指定單元內(nèi)存在垃圾數(shù)據(jù)，比如出現(xiàn)地質(zhì)異常等，需要在微單元內(nèi)部繼續(xù)將相似地質(zhì)組成劃分為更小單元，顯然，樣本點(diǎn)數(shù)據(jù)以及瓦斯地質(zhì)構(gòu)成會(huì)影響微單元的形狀。如果實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)中地質(zhì)分布方向特征不明顯，則認(rèn)為微單元地質(zhì)內(nèi)各向均質(zhì)同性。因此，可將搜索鄰域定義為球體，選取預(yù)測(cè)點(diǎn)O為基點(diǎn)，半徑R為搜索鄰域，距離小于R內(nèi)的實(shí)測(cè)點(diǎn)均可參與目標(biāo)點(diǎn)預(yù)測(cè)，如圖2所示。若搜索的地質(zhì)單元范圍內(nèi)仍然存在明顯地質(zhì)異常組成，如微小構(gòu)造，則需要對(duì)微單元進(jìn)行修復(fù)，具體方法為：找到數(shù)據(jù)驟變點(diǎn)并以此為分界點(diǎn)，界外點(diǎn)不參與插值算法計(jì)算，界內(nèi)選取距離最小2個(gè)實(shí)測(cè)點(diǎn)作為新的半徑，形成新的微單元，依次類推，直至插值范圍內(nèi)所有微單元結(jié)構(gòu)都滿足地質(zhì)條件相似為止，本文將該方法定義為遞歸鄰域搜索策略，然后應(yīng)用反距離權(quán)重插值方法代入計(jì)算求得目標(biāo)點(diǎn)預(yù)測(cè)值。

圖2 搜索鄰域形狀

2 算法優(yōu)化

劃分微單元可將預(yù)測(cè)結(jié)果影響甚微的點(diǎn)進(jìn)行初步過濾，通過指定微單元來限制實(shí)測(cè)點(diǎn)數(shù)量是1種行之有效的方法，微單元的形狀與預(yù)測(cè)點(diǎn)的位置限制了要在預(yù)測(cè)中使用的實(shí)測(cè)點(diǎn)的搜索位置與距離?？紤]到煤礦生產(chǎn)多以工作面作為采掘基本單元，結(jié)合文中定義的遞歸鄰域搜索策略，將整個(gè)采掘工作面劃分為多個(gè)以空間中2個(gè)已知數(shù)據(jù)點(diǎn)的最短距離為邊長(zhǎng)的立方體[4]，圍成待插值數(shù)據(jù)點(diǎn)所在立方體的8個(gè)已知數(shù)據(jù)點(diǎn)作為參與計(jì)算的樣本點(diǎn)邊界范圍，對(duì)邊界范圍內(nèi)根據(jù)已知數(shù)據(jù)點(diǎn)結(jié)合遞歸鄰域搜索算法進(jìn)行插值，具體立體單元?jiǎng)澐秩鐖D3所示。

圖3 立體單元?jiǎng)澐?/p>

算法確立之后，便可限制微單元內(nèi)部中所使用的測(cè)點(diǎn)位置的數(shù)據(jù)。為保證計(jì)算效率與計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性可限制所使用的樣本測(cè)點(diǎn)最小數(shù)量，通常設(shè)置為6個(gè)樣本點(diǎn)，即立方體每個(gè)面的法線方向上最少取1個(gè)點(diǎn)，計(jì)算出微地質(zhì)單元內(nèi)部目標(biāo)點(diǎn)預(yù)測(cè)值，將該點(diǎn)數(shù)據(jù)實(shí)測(cè)后與預(yù)測(cè)值進(jìn)行比較，如果精度差別較大，進(jìn)一步增加最小樣本點(diǎn)個(gè)數(shù)，直至符合現(xiàn)場(chǎng)要求為止。

3 瓦斯地質(zhì)可視化研發(fā)

3.1 軟件設(shè)計(jì)原則

根據(jù)本文所確立的遞歸鄰域搜索算法與微單元?jiǎng)澐植呗越Y(jié)合計(jì)算機(jī)軟件開發(fā)技術(shù)手段，采用Visiual Studio2017為開發(fā)工具，SQLServer2008R2為數(shù)據(jù)庫，開發(fā)語言為C#,開發(fā)環(huán)境為.NET Framework4.0,運(yùn)用系統(tǒng)科學(xué)的思想進(jìn)行綜合分析，研發(fā)適用于高瓦斯礦井的多級(jí)瓦斯地質(zhì)圖動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)可視化平臺(tái)，技術(shù)路線如圖4所示。

圖4 技術(shù)路線

3.2 多級(jí)瓦斯地質(zhì)圖動(dòng)態(tài)繪制技術(shù)研究

將采掘工程平面圖和井上下對(duì)照?qǐng)D作為基礎(chǔ)底圖并進(jìn)行圖元數(shù)字化處理，采用準(zhǔn)備和回采期間實(shí)測(cè)的瓦斯基本參數(shù)、實(shí)驗(yàn)室煤樣分析結(jié)果和地質(zhì)構(gòu)造信息、煤層賦存及煤質(zhì)信息、瓦斯防治措施參數(shù)等為制圖基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，以離散分布點(diǎn)、等值線、區(qū)域漸變圖等形式綜合表現(xiàn)瓦斯地質(zhì)參數(shù)在所采煤層的分布及預(yù)測(cè)結(jié)果。利用反距離權(quán)重插值模型和遞歸鄰域搜索策略，對(duì)預(yù)測(cè)區(qū)域進(jìn)行插值，進(jìn)行多級(jí)瓦斯地質(zhì)圖動(dòng)態(tài)繪制。隨著采掘活動(dòng)的發(fā)生，隨時(shí)搜集整理相關(guān)資料并分析該區(qū)域瓦斯賦存情況，進(jìn)而對(duì)預(yù)測(cè)結(jié)果進(jìn)行動(dòng)態(tài)更新，如圖5所示。例如：首先點(diǎn)擊“瓦斯含量等值線”，彈出如圖5所示對(duì)話框；然后選擇煤層、等高距(等值線間距)、是否填充區(qū)域等基本參數(shù)；最后點(diǎn)擊生成，系統(tǒng)將自動(dòng)成圖。

圖5 瓦斯含量等值線繪制

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

本文系統(tǒng)在山西小回溝煤礦成功應(yīng)用，該煤礦地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜多變，多次發(fā)生瓦斯超限事故，瓦斯含量精準(zhǔn)預(yù)測(cè)難度大，本次試驗(yàn)在2203工作面每隔20 m選取1個(gè)驗(yàn)證點(diǎn)，共計(jì)30個(gè)，進(jìn)行預(yù)測(cè)結(jié)果精準(zhǔn)性驗(yàn)證，將驗(yàn)證點(diǎn)數(shù)據(jù)導(dǎo)入多級(jí)瓦斯地質(zhì)圖繪制系統(tǒng)，生成瓦斯含量賦存區(qū)域預(yù)測(cè)如圖6所示，驗(yàn)證點(diǎn)預(yù)測(cè)結(jié)果對(duì)比分析見表1。

圖6 多級(jí)瓦斯含量區(qū)域預(yù)測(cè)

表1 預(yù)測(cè)結(jié)果對(duì)比分析

根據(jù)表1中數(shù)據(jù)可知，驗(yàn)證點(diǎn)誤差最大為0.19 m3/t，瓦斯含量值超過預(yù)警閾值8.00 m3/t時(shí)，預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值均大于8.00 m3/t，符合生產(chǎn)實(shí)踐的要求，在煤礦瓦斯地質(zhì)預(yù)測(cè)工作中具有重要的參考意義。

將驗(yàn)證點(diǎn)誤差絕對(duì)值沿工作面走向變化趨勢(shì)繪制成曲線，如圖7所示。由圖7可知，抽取的驗(yàn)證點(diǎn)誤差絕對(duì)值均位于0.00～0.20 m3/t之間，當(dāng)實(shí)測(cè)值大于6.00 m3/t時(shí)，預(yù)測(cè)值均偏大，符合煤礦安全規(guī)范。

圖7 驗(yàn)證點(diǎn)誤差趨勢(shì)

5 結(jié)論

1)根據(jù)微地質(zhì)單元?jiǎng)澐?，采用本文所定義的遞歸鄰域搜索策略與立體劃分微單元方法相結(jié)合進(jìn)行瓦斯基礎(chǔ)參數(shù)預(yù)測(cè)具有較高的精準(zhǔn)性，同時(shí)說明地質(zhì)差異較小的單元空間內(nèi)，瓦斯賦存具有明顯的規(guī)律可循，可在線動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)并可視化展示。

2)遞歸鄰域搜索策略受地質(zhì)條件影響，煤層瓦斯空間分布上十分復(fù)雜，通常需要將實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化處理，剔除不滿足空間特性方向上的數(shù)據(jù)，否則插值結(jié)果偏離較大。

3)根據(jù)遞歸鄰域搜索策略與反距離權(quán)重插值算法開發(fā)的多級(jí)瓦斯地質(zhì)動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)可視化系統(tǒng)，可對(duì)礦井瓦斯含量、壓力、涌出量等瓦斯基礎(chǔ)參數(shù)進(jìn)行分析和計(jì)算，動(dòng)態(tài)繪制散點(diǎn)圖、等值線和區(qū)域預(yù)測(cè)圖，有利于瓦斯地質(zhì)數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)化和可視化管理。