煤與瓦斯突出大數(shù)據(jù)預(yù)警指標(biāo)及架構(gòu)初探*

陳本良,畢 波,楊 維

(1.淮南礦業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司,安徽 淮南 232001;2.煤礦瓦斯治理國(guó)家工程研究中心,安徽 淮南 232033)

0 引言

我國(guó)煤礦地質(zhì)條件復(fù)雜,煤與瓦斯突出事故發(fā)生頻率高,發(fā)生區(qū)域廣,損失嚴(yán)重[1]。煤與瓦斯突出的自然屬性是一種物理動(dòng)力現(xiàn)象,機(jī)理極其復(fù)雜,其孕育、發(fā)生、發(fā)展過程涉及多相、多場(chǎng)、多參數(shù)的時(shí)空耦合問題和非線性動(dòng)力學(xué)問題。長(zhǎng)期以來,國(guó)內(nèi)外專家通過現(xiàn)場(chǎng)觀察、實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)、理論計(jì)算等方法,形成很多突出機(jī)理的假說[2-3]。如今,科學(xué)研究已進(jìn)入大數(shù)據(jù)時(shí)代,大數(shù)據(jù)使科學(xué)從僅追求因果性走向重視相關(guān)性,顛覆了以往的思維方式[4-8],給煤與瓦斯突出預(yù)警提供新的機(jī)遇?；诖?筆者主要開展基于大數(shù)據(jù)預(yù)警技術(shù)的煤與瓦斯突出動(dòng)態(tài)指標(biāo)體系研究,為今后開展大數(shù)據(jù)突出預(yù)警奠定了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

1 煤與瓦斯突出預(yù)警技術(shù)現(xiàn)狀

1.1 敏感指標(biāo)及臨界值預(yù)測(cè)方法

我國(guó)傳統(tǒng)的突出危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)大多采用靜態(tài)非連續(xù)接觸式預(yù)測(cè)方法,即依據(jù)含瓦斯煤體的賦存條件和性質(zhì)進(jìn)行指標(biāo)量化,通過考察其中的單個(gè)或多個(gè)指標(biāo)是否達(dá)到或超過臨界值來預(yù)測(cè)突出危險(xiǎn)性[9]。常用的指標(biāo)有瓦斯壓力P、瓦斯含量W、瓦斯放散初速度Δp、堅(jiān)固性系數(shù)f、鉆屑量S、瓦斯膨脹能等。這些指標(biāo)的測(cè)定過程時(shí)間較長(zhǎng),其敏感指標(biāo)和臨界值的選取受礦井地質(zhì)條件影響較大,預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確率也容易受人為等因素的影響,易造成“高指標(biāo)不突、低指標(biāo)突出”現(xiàn)象的發(fā)生。

此外,近年來發(fā)展的建立在瓦斯?jié)舛群陀砍隽勘O(jiān)測(cè)、微震預(yù)測(cè)、地電場(chǎng)預(yù)測(cè)、電磁輻射預(yù)測(cè)、聲發(fā)射預(yù)測(cè)等技術(shù)上的預(yù)測(cè)方法,實(shí)現(xiàn)了連續(xù)、動(dòng)態(tài)、非接觸式預(yù)警,從不同角度遵循了突出時(shí)空演變的非線性特征,在一定程度上增強(qiáng)了煤與瓦斯突出的預(yù)控能力[10-11]。由于預(yù)測(cè)模型未能充分挖掘突出樣本數(shù)據(jù)的內(nèi)部規(guī)律,且技術(shù)本身固有的缺陷及數(shù)據(jù)樣本的差異,目前仍屬于前探性實(shí)驗(yàn)。

1.2 煤與瓦斯突出預(yù)測(cè)模型

在煤與瓦斯突出機(jī)理研究的基礎(chǔ)上,一些研究人員提出綜合作用假說[2]、流變假說[12]、球殼失穩(wěn)假說[13]、粘滑失穩(wěn)突變理論[14]、固-流耦合失穩(wěn)理論[15]、能量耗散理論[16]、“掩護(hù)罩”理論[17]等,并建立煤與瓦斯突出預(yù)測(cè)模型,但目前仍對(duì)突出的孕育、發(fā)生、發(fā)展過程缺乏全面了解,還基本停留在定性解釋和近似定量計(jì)算階段。并且由于煤與瓦斯突出機(jī)理的復(fù)雜性,這些數(shù)學(xué)模型大都是高階偏微分方程,很難利用計(jì)算機(jī)計(jì)算出收斂的解析解,必須對(duì)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化處理;另外,許多實(shí)驗(yàn)室和現(xiàn)場(chǎng)參數(shù)測(cè)試受測(cè)試工具、方法、環(huán)境和參數(shù)非線性演化特征的影響產(chǎn)生誤差或失真,導(dǎo)致預(yù)測(cè)結(jié)果有很大偏差,實(shí)際應(yīng)用效果不理想。

近年來,人們開始采用模糊數(shù)學(xué)[18]、非線性理論[19]、灰色理論[20]、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[21]、遺傳算法[22]、混沌時(shí)間系列[23]、案例推導(dǎo)[24]等數(shù)學(xué)方法及計(jì)算機(jī)工具對(duì)突出指標(biāo)進(jìn)行分析和預(yù)測(cè)。但由于特征指標(biāo)和訓(xùn)練樣本較少,特征權(quán)值的賦值受專家系統(tǒng)的影響,導(dǎo)致基于數(shù)學(xué)建模的統(tǒng)計(jì)預(yù)測(cè)方法的應(yīng)用受到很多限制。

1.3 煤與瓦斯突出預(yù)警系統(tǒng)

大部分預(yù)警系統(tǒng)只考慮自然地質(zhì)條件因素[9]。煤與瓦斯突出災(zāi)害是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程,既有自然地質(zhì)條件的因素,也有“人—機(jī)—環(huán)”綜合因素的影響[25]。比如,臨界指標(biāo)的測(cè)定容易受人工、設(shè)備、環(huán)境溫度、現(xiàn)場(chǎng)條件等影響造成測(cè)試誤差,防突措施失效、打假鉆、開采布局不合理、采掘速度突然增大等都會(huì)造成煤與瓦斯突出災(zāi)害發(fā)生的概率增加。

1.4 煤與瓦斯突出預(yù)警信息時(shí)空屬性

井下采礦工程是一個(gè)非常復(fù)雜的時(shí)間和空間結(jié)構(gòu),現(xiàn)階段三維礦山技術(shù)還不成熟,目前對(duì)礦山的認(rèn)識(shí),如通風(fēng)系統(tǒng)、采掘系統(tǒng)、抽采系統(tǒng)、防突措施、應(yīng)力演化等均體現(xiàn)在平面圖上,給煤與瓦斯突出空間信息構(gòu)建、分析與決策帶來極大的困難[9]。實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)指標(biāo)不能準(zhǔn)確地將其和空間地理位置對(duì)應(yīng)起來,對(duì)已經(jīng)監(jiān)測(cè)的歷史數(shù)據(jù)也無(wú)法進(jìn)行時(shí)空上的分析。

綜上所述,煤與瓦斯突出預(yù)測(cè)目前仍然存在預(yù)測(cè)指標(biāo)單一、預(yù)測(cè)方法單一、靜態(tài)預(yù)測(cè)、建立模型不實(shí)用、時(shí)空信息缺失、歷史數(shù)據(jù)和前兆信息分析不充分等問題,導(dǎo)致數(shù)據(jù)失真、預(yù)測(cè)準(zhǔn)確度差和提前預(yù)警時(shí)間不足等問題。

2 基于大數(shù)據(jù)技術(shù)煤與瓦斯突出預(yù)測(cè)模型

基于大數(shù)據(jù)技術(shù)的煤與瓦斯突出預(yù)測(cè)與計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬預(yù)測(cè)有很大的區(qū)別:計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬是先基于煤與瓦斯突出機(jī)理,建立煤與瓦斯突出預(yù)測(cè)模型,再收集數(shù)據(jù)作為輸入,然后通過計(jì)算仿真進(jìn)行理論預(yù)測(cè)。

而基于大數(shù)據(jù)技術(shù)的煤與瓦斯突出預(yù)測(cè)技術(shù),是首先掌握大量的已知樣本數(shù)據(jù),通過選擇合適的大數(shù)據(jù)算法,進(jìn)行大數(shù)據(jù)挖掘和訓(xùn)練,建立大數(shù)據(jù)預(yù)警模型,然后輸入目標(biāo)樣本數(shù)據(jù),通過計(jì)算得出之前未知的信息[26],其預(yù)測(cè)模型如圖1所示。

圖1 基于大數(shù)據(jù)技術(shù)的煤與瓦斯突出預(yù)測(cè)模型示意

大數(shù)據(jù)模型不同于傳統(tǒng)的基礎(chǔ)理論模型,是一個(gè)使海量數(shù)據(jù)可分析的探索型方法,注重應(yīng)用和解決實(shí)際問題。

3 煤與瓦斯突出預(yù)警指標(biāo)體系構(gòu)建

基于大數(shù)據(jù)技術(shù)的煤與瓦斯突出預(yù)警指標(biāo)體系構(gòu)建,綜合考慮煤與瓦斯突出的自然致災(zāi)因素、采掘活動(dòng)影響因素和煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性綜合判識(shí)方法等,將指標(biāo)體系分為地質(zhì)動(dòng)力、采掘擾動(dòng)、預(yù)兆顯現(xiàn)、防突措施、地理信息5個(gè)一級(jí)指標(biāo),見表1。

表1 煤與瓦斯突出指標(biāo)體系

地質(zhì)動(dòng)力是煤與瓦斯突出發(fā)生的充分條件,主要包括地質(zhì)構(gòu)造、地應(yīng)力、瓦斯、煤巖物理力學(xué)性質(zhì)和綜合作用5個(gè)二級(jí)指標(biāo)。由于直接反映這些指標(biāo)的參數(shù)在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定難以實(shí)現(xiàn),所以人們轉(zhuǎn)而尋找能夠間接反映這些因素并且容易進(jìn)行測(cè)量的參數(shù),這些指標(biāo)基本上與《防治煤與瓦斯突出細(xì)則》規(guī)定的區(qū)域和局部突出危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)指標(biāo)相吻合,其中實(shí)驗(yàn)室測(cè)定指標(biāo)包括瓦斯含量、瓦斯放散初速度ΔP、吸附常數(shù)a、b值、煤的堅(jiān)固性系數(shù)f值、瓦斯膨脹能等;現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定指標(biāo)包括構(gòu)造類型、產(chǎn)狀、水平應(yīng)力、最大主應(yīng)力、集中應(yīng)力、瓦斯壓力、瓦斯解吸指標(biāo)K1、Δh2、煤體破壞類型、巖體強(qiáng)度、煤層透氣性系數(shù)、鉆屑量、綜合指標(biāo)D、K等。

工作面的采掘活動(dòng)打破了煤系地層煤與瓦斯賦存的平衡條件,形成弱面和采動(dòng)應(yīng)力場(chǎng),同時(shí)為能量的積聚和釋放提供了條件,是導(dǎo)致煤與瓦斯突出的必要條件。開采布局、巷道布置和采煤方法決定了應(yīng)力分布,采掘工藝和采掘速度決定了應(yīng)力時(shí)空演變過程,巷道形狀和支護(hù)方式?jīng)Q定了阻礙煤巖變形破壞的能力。

大量的統(tǒng)計(jì)分析資料表明,每次突出的發(fā)生都有明顯的預(yù)兆顯現(xiàn),可歸納為4個(gè)二級(jí)指標(biāo)。煤層、打鉆和采掘3個(gè)二級(jí)指標(biāo)是由人工動(dòng)態(tài)觀測(cè)得到的,煤層變化可作為早期預(yù)兆,打鉆動(dòng)力現(xiàn)象可作為中期預(yù)兆,采掘面異?，F(xiàn)象可作為臨突預(yù)兆;實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)指標(biāo)是采用監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采集的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù),經(jīng)過進(jìn)一步挖掘總結(jié)出的指標(biāo),特點(diǎn)是可靈敏反映突出孕育階段的異常涌出、地應(yīng)力活動(dòng)和煤巖體變化,其中除了瓦斯?jié)舛群陀砍隽渴恰睹旱V安全規(guī)程》規(guī)定的必測(cè)指標(biāo),其他幾種非接觸性連續(xù)測(cè)試指標(biāo)目前還處于試驗(yàn)階段。

防突系統(tǒng)指標(biāo)主要與突出治理和抗災(zāi)能力有關(guān),防突措施指標(biāo)實(shí)時(shí)影響著工作面前方的應(yīng)力場(chǎng)和瓦斯場(chǎng)的演變,是進(jìn)行抽采達(dá)標(biāo)評(píng)判和措施效果考察的重要指標(biāo)。

礦井空間信息的構(gòu)建將給煤與瓦斯突出分析、預(yù)警和決策提供多維、多尺度視角,同時(shí)產(chǎn)生的分析數(shù)據(jù)也將呈指數(shù)倍增加。其內(nèi)容除了基礎(chǔ)的空間信息外,還包括三維動(dòng)態(tài)的應(yīng)力場(chǎng)和瓦斯場(chǎng)構(gòu)建。

4 煤與瓦斯突出大數(shù)據(jù)預(yù)警架構(gòu)設(shè)計(jì)

煤與瓦斯突出大數(shù)據(jù)預(yù)警總體架構(gòu)主要由數(shù)據(jù)采集層、數(shù)據(jù)集成層、數(shù)據(jù)分析層、數(shù)據(jù)服務(wù)層和數(shù)據(jù)交付層5個(gè)部分組成[27-28],如圖2所示。

圖2 煤與瓦斯突出大數(shù)據(jù)預(yù)警框架設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集層主要利用煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)、傳感器采集系統(tǒng)、人工現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)、實(shí)驗(yàn)室參數(shù)測(cè)定等方式,動(dòng)靜結(jié)合全面感知數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)集成層對(duì)檢/監(jiān)測(cè)、結(jié)構(gòu)化/非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理和集成,分別存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)資源池中,建立動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)更新的分布式數(shù)據(jù)庫(kù)。數(shù)據(jù)分析層對(duì)采集的大量數(shù)據(jù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)、挖掘等綜合分析,提取特征參數(shù)。數(shù)據(jù)服務(wù)層依據(jù)建立的煤與瓦斯突出大數(shù)據(jù)預(yù)警模型向各級(jí)監(jiān)管部門及煤炭企業(yè)提供可視化分析決策系統(tǒng)和服務(wù)。數(shù)據(jù)交付層針對(duì)不同層面的用戶,通過適合的終端接入該平臺(tái),實(shí)現(xiàn)高效的預(yù)測(cè)預(yù)警服務(wù)。

以數(shù)據(jù)庫(kù)為基礎(chǔ),依據(jù)預(yù)警模型和準(zhǔn)則,在時(shí)間和空間2個(gè)維度上,判定事故危險(xiǎn)趨勢(shì)、狀態(tài)以及措施缺陷,以便提前采取瓦斯突出防治措施,加強(qiáng)瓦斯災(zāi)害管理,消除安全隱患;可同時(shí)執(zhí)行應(yīng)急聯(lián)動(dòng)控制,為煤礦安全開采提供技術(shù)保障支撐。

5 結(jié)論

(1)分析煤與瓦斯突出預(yù)警技術(shù)現(xiàn)狀?；谝蚬P(guān)系建立煤與瓦斯突出機(jī)理和預(yù)測(cè)模型,但仍不能直接用于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施,目前現(xiàn)場(chǎng)仍然普遍采用單指標(biāo)或綜合指標(biāo)預(yù)測(cè)方法,指標(biāo)單一。

(2)通過對(duì)比分析,介紹基于大數(shù)據(jù)技術(shù)的預(yù)警方法的優(yōu)越性,考慮因素越多,樣本數(shù)據(jù)越豐富,預(yù)測(cè)結(jié)果越準(zhǔn)確,是一種偏應(yīng)用和注重預(yù)測(cè)的方法。

(3)建立基于大數(shù)據(jù)技術(shù)的煤與瓦斯突出預(yù)警指標(biāo)體系。包括地質(zhì)動(dòng)力、采掘擾動(dòng)、預(yù)兆顯現(xiàn)、防突措施、地理信息5個(gè)一級(jí)指標(biāo),全面反映了煤與瓦斯突出的致災(zāi)因素。

(4)構(gòu)建煤與瓦斯突出大數(shù)據(jù)預(yù)警架構(gòu),主要由數(shù)據(jù)采集層、數(shù)據(jù)集成層、數(shù)據(jù)分析層、數(shù)據(jù)服務(wù)層和數(shù)據(jù)交付層5個(gè)部分組成,為煤與瓦斯突出提供技術(shù)保障。