基于海明距离法的煤岩冲击倾向性评价.pdf

第 4 2卷 第 2 期 2 0 1 6 年 2月 工矿 自 动化 I ndu s t r y a nd M i ne Aut o ma t i o n Vo1 ． 4 2 NO ． 2 Fe b ．2 01 6 文章 编 号 1 6 7 1 2 5 1 X 2 0 1 6 0 2 0 0 0 7 0 5 DO I 1 0 ． 1 3 2 7 2 ／ j ． i s s n ． 1 6 7 1 2 5 1 x ． 2 0 1 6 ． 0 2 ． 0 0 2 张伟强 ， 王恩元 ， 李学龙 ， 等． 基于海明距离法的煤岩冲击倾向性评价E J ] ． 工矿 自动化 ， 2 0 1 6 ， 4 2 2 基于海明距离法的煤岩冲击倾向性评价 张伟 强 ， 王恩元 。 ， 李学龙 ， 孔祥 国 ， 李国爱 1 ． 中国矿业大学 安全工程学院 ， 江苏 徐州2 2 1 1 1 6 ； 2 ． 煤矿瓦斯与火灾防治教育部重点实验室 ， 江苏 徐州 2 2 1 1 1 6 摘 要 针 对 目前煤 岩 冲击倾 向性 评价 方 法存在 的 不足 ， 基 于海 明距 离法基 本 原理 ， 建 立 了煤 岩 冲 击倾 向 性 综合 评 价模 型 。该模 型 选用动 态破 坏 时 间、 冲 击能量 指数 、 弹 性 能量指 数和 煤岩 单轴抗 压 强度作 为综合 评 价指标 ， 应用线性 内插公式构造评价对象的隶属 函数 ， 采用海明距 离法获得评价对象与评价标 准的相似程 度 ， 并用最小海明距离进行类别评判 ， 从而得 出评价结果。实例分析结果表明， 海明距 离法的评价结果与煤 样 的 实 际现场 冲 击倾 向性一 致 ； 对处 于 同一 冲击倾 向性 级 别的煤 样 的海 明距 离大 小进 行 对 比 ， 结果认 为 海明 距离法比模糊综合评判法和熵权一 理想点法具有更高的分辨率。 关 键 词 煤 岩 冲击倾 向性 ；海 明距 离；线性 内插 ；次贴进 度 中图分类号 TD 7 1 3 ． 2 文献标志码 A 网络出版时间 2 0 1 6 0 1 2 6 1 5 3 9 网络 出版地 址 h t t p ／ ／ www． c n k i ． n e t ／ k c ms ／ d e t a i l ／ 3 2 ． 1 6 2 7 ． T P ． 2 0 1 6 0 1 2 6 ． 1 5 3 9 ． 0 0 2 ． h t ml Ev a l u a t i o n o f r o c k b u r s t t e n d e n c y o f c o a l s e a m b a s e d o n Ha mmi n g d i s t a n c e me t h o d ZH ANG W e i q i a n g ’ 。 ， W ANG Enyu a n t 。，LI Xue l on g ’ 。， KONG Xi a ngg uo ， 。 ，LI Gu o a i t 。 1． Sc h o ol of Sa f e t y Eng i ne e r i ng，Chi n a Uni ve r s i t y o f M i ni n g a nd Te c h no l o gy，Xuz ho u 2 21 1 1 6，Ch i na； 2． Ke y La bo r a t o r y o f M i ne Ga s a n d Fi r e Di s a s t e r Pr e v e nt i o n a nd Con t r o l o f M i n i s t r y of Edu c a t i o n， Xu z h o u 2 2 1 1 1 6 ．Ch i n a Abs t r a c t I n a l l u s i o n t o s ho r t c o mi ng s o f c ur r e n t e va l u a t i o n m e t ho ds a bo ut r oc k b ur s t t e nd e nc y of c o a l s e a m ，a mo d e l wa s b u i l t f o r c o mp r e h e n s i v e l y e v a l u a t i n g r o c k b u r s t t e n d e n c y o f c o a l s e a m o n b a s i s o f Ha mmi n g d i s t a n c e t h e o r y ．Dy n a mi c f a i l u r e t i me ，i mp a c t e n e r g y i n d e x ，e l a s t i c e n e r g y i n d e x a n d u n i a x i a l c o mp r e s s i v e s t r e n g t h a r e s e l e c t e d a s c o mp r e h e n s i v e e v a l u a t i o n i n d e x e s i n t h e mo d e 1 ．Me mb e r s h i p f u n c t i o n s o f e v a l u a t i o n o b j e c t s a r e s t r u c t u r e d b y u s e o f l i n e a r i n t e r p o l a t i o n f o r mu l a ． T h e n s i mi l a r d e g r e e b e t we e n t h e 收稿 日期 2 0 1 5 - 0 9 0 3； 修回 日期 2 0 1 5 - 1 2 3 0 ； 责任编辑 李明 基 金项 目 国家 自然科学基金资助项 目 5 1 5 7 4 2 3 1 。 作者简介 张伟强 1 9 9 0 一 ， 男 ， 河南郑州人 ， 硕士研究生 ， 研究方向为煤岩瓦斯动力灾害防治 ， E ma i l 1 1 8 1 8 7 7 9 8 0 q q ． c o rn。 参考文献 [1 ] [2 ] [3] [4] [5 ] AQ 6 2 0 1 -- 2 0 0 6煤 矿 安 全 监 控 系 统 通 用 技 术 要 求 I s ] ． 孙 继 平． 瓦 斯综 合 防治 方法 研 究 [ J ] ． 工 矿 自动 化 ， 2 0 1 1 ， 3 7 2 1 - 5 ． 孙继平． 煤矿监控新技术与新装备[ J ] ． 工矿 自动化， 2 0 1 5， 4 1 1 1 - 5 ． 孙继平． 煤 矿事故分析与煤矿大数据 和物联 网[ J ] ． 工 矿 自动化 ， 2 0 1 5 ， 4 1 3 1 - 5 ． 孙继平． 煤 矿信 息化与 自动化发展趋势 [ J ] ． 工 矿 自动 [6] [7] [8] [ 9] [ 1 0 3 化 ， 2 0 1 5 ， 4 1 4 1 - 5 ． 孙继平． 煤 矿安全规 程 监控 、 通信与 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a l s a mp l e s wh i c h a r e a t t h e s a me b u r s t t e n d e n c y l e v e l ，i t i s f o u n d t h a t Ha mmi n g d i s t a n c e me t h o d h a s a h i g h e r r e s o l u t i o n r a t i o t h a n f uz z y c o m p r e he n s i ve e va l u a t i on me t h od a nd e nt r o py i de a l p oi nt m e t h od． Ke y wo r d s r o c k b u r s t t e n d e n c y o f c o a l s e a m ；Ha mmi n g d i s t a n c e ’9 l i n e a r i n t e r p o l a t i o n；s e c o n d a r y c l o s e d e g r e e 0 引言 煤岩动力灾害一冲击地压以其突然 、 剧烈 、 猛烈 的破坏特征对煤矿 、 金属矿井 、 隧道等的安全构成严 重威胁 ， 甚至造成 巨大 的经济损失和人员伤亡。随 着矿井开采深度的增加 ， 冲击地压的危险也在逐步 增加 ， 已成为制 约矿井安全生产的重大隐患。国内 外学者研究表明 ， 煤岩具有 冲击倾 向性 是发生 冲击 地压 的必要条件n ] 。对煤岩冲击倾 向性进行合理有 效 的评 价 ， 是 防治 冲击地 压 的理论 及实 践基 础 。 目前煤岩冲击倾向性评价指标主要有动态破坏 时间、 弹性能量指 数、 冲击 能量指数和单轴抗 压强 度 ] 。在煤岩 冲击倾 向性 的综合 评价 过程 中， 这 4个指标 值往往 同时处 于不同 的冲击倾 向性级别 中， 难以准确判断采用哪个指标 ] 。针对煤岩 冲击 倾 向性的研究 中， 齐庆新等_ 3 指 出单轴抗压强度可 以与动态破坏时间、 弹性能量指数 、 冲击能量指数一 样作为煤岩 冲击倾 向性的评价指标 ； 赵同彬等r 4 进 行 了基于颗粒流理论的煤岩冲击倾向性细观模拟试 验研究 ， 但仅研究 了单轴抗 压强度和弹性能量指数 对煤岩倾 向性的影 响； 潘一 山等 进行 了煤层冲击 倾向性与危险性评价指标研究 ， 提 出了临界应力系 数 、 临界软化 区域系数 、 冲击能量速度这 3项新的评 价指标 ， 但无法准确计算 出巷道发生冲击地 压时 的 临界岩体应力和临界尺寸 ； 白汉营等_ 6 应用模糊综 合评判法评价煤岩冲击倾 向性 ， 在运算过程中舍去 了一部 分影 响 因素 ， 导 致 隶 属 函数 值 被 权 重 系数 值 代替 ； 王超等 伽采用熵权 一 理想点法综合评价煤岩 冲击倾 向性 ， 该方法无法区分处 于同一冲击倾 向性 的多种煤样间的冲击倾 向性强度。 海 明距离法是一种多 目标 、 多因素的综合评价 方法[ 9 。 ， 其原理简单、 科学 ， 操作性强 ， 能够将多因 素、 多对象的模糊问题定量化 ， 从而更准确、 更科学 地评价模糊事件 。海明距离法已应用于空气质量评 价[ 1 引、 垃圾填埋场地下水质量评价[ 1 引、 矿井通风系 统评价口 ] 等领域 ， 但在煤岩 冲击倾 向性评价方面的 应用还缺乏系统研究 。本文采用海明距离法对煤岩 冲击倾向性进行综合评价 ， 采用线性插值法构造 评 价对象的隶属 函数 ， 来避免权重系数值代替隶属函 数值 的问题 ， 并采用更加客观 、 科学的双指标表示评 价 结果 。 1 基 于 海 明 距 离 法 的煤 岩 冲 击 倾 向 性 综 合 评 价 模 型 海明距离法通过选取最小海明距离来评判煤岩 冲击倾 向性级别 。其原理 首先选取各评价标准模 糊集下确界构成评价标准矩阵 ， 再将该矩 阵转换为 评价标准隶属度矩阵 ， 然后针对评价矩阵， 运用线性 内插公式构造评价对象隶属度矩阵， 最后求取各评 价对象隶属度矩阵与评价标准隶属度矩阵间的海明 距离 ， 并将海 明距离按大小进行排序 ， 选取最小的海 明距 离 。 1 ． 1 确 定评价 因子和 评价 标 准 假设有 个评价对象 ， 每个评价对象有 m个评 价 因子， 则有 n m 阶评价矩阵 A 一 式中 a 为第 i i 一1 ， 2 ， ⋯， 个评 价 对象 的第 一1 ， 2 ， ⋯ ， 个 评 价 因子 。 假设有 t 级评价标准 ， 则对于 n个评价对象 ， 有 t m 阶评 价 标准矩 阵 f 一 b 1 1 b 1 2 b 2 1 b 2 2 ， b f1 b f 2 引入 线性 内插公 式 ， 得 a 的隶属 值 一 { 6 1J n 【 0 a ≤ b l 2 3 m m 2 0 1 6年第 2期 张伟强等 基于海明距 离法的煤岩冲击倾向性评价 9 式中 6 b 分别为第 个评价因子的 1 ， t 级评价标 准值 。 用式 3 将式 1 转换为评价对象隶属度矩阵 r J f ．1 ．1 厂 1 2 一 l厂 21 z l { m { m ● { 4 煤 的 冲击倾 向性 评价 具 有模糊 性 。考 虑 2种极 端情形 ， 即无 冲击倾 向性煤样和强冲击倾向性煤样 ， 其余任何一种煤样均介于这 2种极端情形之间。所 有的煤样因各 自不 同的特点， 对无冲击倾 向性煤样 和强冲击倾 向性煤样分别具有不同的隶属度。假设 无冲击倾向性煤样和强 冲击倾 向性煤样 的 i个评 价 因 子分 别 对 自身 的隶 属 度 为 0和 1 ， 得 到某 煤 样 对 自身的隶属度 一 ㈤ 一 式 中 b 为第 个 评 价 因子 的 一1 ， 2 ， ⋯ ， ￡ 级评 价标准值 为 b 的隶属度。 利用式 5 将 式 2 转 换 为 评 价标 准 隶 属 度 矩 阵 G 一 6 1 ． 2评 价原 则与 评价 方 法 海 明距离法在求评价对象与标准对象的相似程 度上可有效提高评价结果的分辨率 。假设评价对象 d和标准对 象 e均包 括 m 个评价 因子 z ， z ， ⋯ ， X ， 且评价对象 d对 的隶属度为 ， 标准对 象 P 对 X J的隶属度为 ， 则评价对象 d与标准 对象 e之 间 的海 明距离 为 3 d ， P 一∑ z 一 Z e z J I 7 一 1 z 为 式 3 中 的 ； 为 式 5 中 的 。 加权 海 明距离 为 ， e 一∑ 一 ， I 8 一 1 式中 为第 个评价 因子 的权重。 ． ， 一 9 ∑ ●_一 h 1 由此可得评价对象隶属度矩阵与评价标准隶属 度 矩 阵之 间的加 权海 明距 离 ⋯ C fX 一∑ 1 f 一％I W 1 o 』 1 由式 1 0 求 出的海 明距离 为 [ O ， 1 ] 内的具 体 值 。海 明距离越小 ， 说 明煤样 冲击倾 向性 与评价标 准之 间 的差 别越 小 ， 反 之越 大 。 2实例分 析 2 ． 1评 价 因子 与评 价标 准 的选取 根据参考文献[ 2 ] ， 选取动态破坏时间 D 、 弹 性能量指数 w 、 冲击能量指数 K 和单轴抗压 强度 R。 作为煤岩冲击倾 向性评价 因子， 根据评价 结果将煤岩冲击倾 向性分为无冲击倾 向性 I 、 弱 冲击倾 向性 Ⅱ 、 强冲击倾 向性 Ⅲ 3类。各评价 标准单因子模糊分级界限见表 1 。 表 1 煤岩冲击倾 向性各评价标准单 因子模糊分级界 限 2 ． 2 评 价 结果 选取实测煤样数据 。 进行煤岩冲击倾向性等级 判 定 ， 实 测数 据见 表 2 。 表 2 某煤 矿煤 岩冲击倾 向性实测数据 由表 2可 得 6 个 评价对 象 的 4个评 价 因子实测 数椐构成的矩阵 A6 4 2 ． 2 45 0 ． 9 68 1 ． 41 7 3 ． 2 90 O ． 6 20 2 ． 1 5O 8 ． 8 08 3 ．5 4 1 5 ．9 7 8 2 ．3 8 0 1 ． 3 6 1 1 ．8 4 0 1 6 ． 2 24 9． 9 6 9 1 4 ． 6 90 5． 2 6 O 2． 4 2 0 1 2 ． 0 30 m 仇 ‰ ‰； ● ● ● ● ● ● 0 O 加 ∞ ∞ ． ． ． 4 O c 如 鲳 姐 捣 蛾 1 1 3 1 5 1 O 工矿 自动 化 2 0 1 6年 第 4 2卷 根据模糊集距离的概念进行模糊评价， 均需 确 定单 因子各级模糊界限值 。其一般 由式 1 2 确定 S 一 h I ， I I ， I I I 1 2 式中 为 第 J个 评 价 因子 h级 评价 标 准 最 小值 。 由式 1 2 处理表 1数据可得 3 4阶煤岩冲击 倾 向性评价标准矩阵 [ 5 0 0 o 0 0 B l 5 0 2 1 ． 5 7 l 1 3 l 0 5 5 1 4J 假设无冲击倾向性煤样和强冲击倾 向性煤样的 m个评价因子分别对应 自身 的隶属度为 0和 1 ， 由 式 5 可将评价标准矩阵 B 。 转换为评价标准隶属 度矩 阵 『 0 0 o 0 ] G 4一 l 0 ． 9 0 ． 4 0 ． 3 0 ． 5 l 1 4 l 1 l 1 1 J 由式 3 可将实测数据矩阵 A 转换为评价对 象隶 属度 矩阵 _ O ． 1 0 ． 1 0 ． F6 4一 J L 0 ． 0 ． 4 49 O ． 1 9 4 0 ． 2 83 O ． 65 8 0 ．1 24 0 ． 4 3 0 1 0． 7 0 8 1 O． 4 76 0． 2 7 2 0． 3 6 8 1 0 ．7 1 2 1 O ．3 7 6 0 ．1 7 3 0 ．8 6 0 1 5 由式 9 得到 6个评 价 对象 、 4个 评 价 因子 的权 重矩 阵 W 6 4 0 ．7 6 5 0 ．7 5 5 1 ．8 0 7 7． 7 1 O 2 8 ． 52 7 1 ． 3 5 6 经归一化可得 W 6 4 表 3 。 0． 9 6 2 0． 4 1 5 0． 6 0 7 1 ． 4 1 O O ． 2 66 O ． 9 21 0． 1 2 4 0 ．0 9 8 0 ． 08 3 0． 1 2 9 0． 0 0 8 0． 1 9 0 3 ．7 3 3 1 ． 6 3 4 2 ．7 5 9 1． 1 0 0 0． 6 2 8 0． 8 4 9 0 ． 48 0 0 ． 3 86 O ． 37 9 O ．1 OO 0 ． 02 2 O ．1 7 5 2 ． 31 8 1 ． 42 4 2 ． 09 8 0 ． 75 1 0 ．3 4 6 1 ．7 1 9 O ． 2 9 8 O． 3 37 0． 2 89 O ． 0 6 8 O ． 01 2 O ． 35 5 1 6 1 7 由式 1 0 可计算出各评价对象的海明距离 ， 见 表 3 各评价对象 的海 明距离 从表 3可看 出， 6个评价对象的最小海 明距离 分 别 为 0 ． 1 3 9 ， 0 ． 3 6 1 ， 0 ． 1 5 8 ， 0 ． 1 8 4 ， 0 ． 0 0 9 ， 0 ． 2 5 8 。 可知 1号矿 1 O槽煤、 1号矿 7槽煤 、 2号矿 1 8 层煤 、 3号矿 2 3 7工作面、 4号矿 B 2煤和 5号矿 5层煤这 6种煤样 的冲击倾向性分别与强冲击倾 向性级别 、 弱冲击倾向性级别、 强冲击倾 向性级别 、 无冲击倾向 性级别 、 无冲击倾 向性级别和弱冲击倾 向性级别最 贴近 ， 即认为 6 种煤样的冲击倾 向性分别属于强 冲 击倾向性、 弱 冲击倾 向性 、 强 冲击倾 向性 、 无冲击倾 向性、 无冲击倾向性、 弱冲击倾向性。 2 ． 3评价 结果 分析 煤样 的实际现场冲击倾 向性与模糊综合评 判 法 I 7 ] 、 熵 权一理 想 点 法 l_ 8 ] 、 海 明距 离 法 的评 价 结 果 见表 4 。 表 4 不 同方法评价结果对 比 由表 4可 知 ， 海 明距 离 法 的评 判 结 果 与 煤样 的 实际现场冲击倾 向性一致， 说明海 明距离法可作 为 一 种评价煤岩冲击倾 向性的有效方法。根据煤样的 实际现场冲击倾 向性知 ， 3号矿 2 3 7工作 面与 4号 矿 B 2煤的冲击倾 向性处 于无 冲击倾 向性类别 ， 则 海 明距 离法 的评 价结 果 与熵 权 一 理 想 点法 评 价 结 果 相比具有更高的准确性 。 2 ． 4次贴进 度 比较 在对所有的煤样进行分级之后 ， 为 了能在评价 2 0 1 6年第 2 期 张伟强等 基于海明距 离法的煤岩冲击倾向性评价 1 l 结果中体现出处于同一级别的各煤样冲击倾 向性差 别 ， 引入次贴进度[ 1 1 ] 概念 ， 即求取处于 同一级别各 评价因子与相邻 2 个评价标准 间的海明距离 ， 用 表示处于同一级别各评价因子之间的差别 。本文仅 对上一级评价标准求取次贴进度 ， 并将其表示 为双 指标形式 ， 如煤岩冲击倾 向性被评为 I I I ／ I I ， 则可 得 出该煤样的冲击倾向性被划为具有强冲击倾 向性 I I I 煤 ， 但对具有 弱冲击倾 向性 I I 煤的次贴进度 为 ， 且 ∈ O ， 1 。 由表 3知 ， 1号矿 7槽煤 的冲击倾 向性 和 5号 矿 5层煤 的冲击倾 向性都处于弱冲击倾 向性 I I ， 但二者对无冲击倾向性 I 的次贴进度分别 为0 ． 5 8 2 和0 ． 5 9 1 。 因此 ， 1号矿 7槽煤的 冲击倾 向性要 弱于 5 号矿 5层煤的冲击倾 向性 ， 且该结果 与煤 矿实际 现场情况相符合。由此得到 6种煤样的双指标评价 结果 I I ／ I 1 号矿 7槽煤 O ． 5 8 2 的冲击倾向性要 弱于 5 号 矿 5层煤 O ． 5 9 1 的冲击倾 向性 。 I I I ／ I I 1号矿 1 O槽煤 0 ． 5 5 2 的冲击倾 向 性要强于 2号矿 1 8 层煤 O ． 4 7 6 的冲击倾 向性 。 从 双指标 评 价结 果可 知海 明距 离 以量 化概 念表 征煤岩冲击倾 向性的进展程度， 直观地描述煤岩 冲 击倾 向性 的分布规律 ， 有利于掌握煤岩冲击倾 向性 的具体情况 。另外 ， 海 明距离法评价结果与模糊综 合评判法 、 熵权 一 理想点法评价 结果相 比具有更 高 的分 辨 率 。 3 结 论 将海明距离法引入煤岩冲击倾 向性评价中， 并 提出一种用线性插值构造各评价对象隶属函数 的新 方法 ， 采用双指标表示评价结果 ， 建立 了基于海明距 离法的煤 岩 冲击倾 向性综 合评 价模 型 ， 得 出 以下 结 论 1 海明距离法评价结果与煤矿现场冲击倾 向 性一致 ， 证明海 明距离法可以作为一种新 的、 有效的 煤 岩 冲击倾 向性评 价方 法 。 2 在区分处于同一冲击倾向性级别的煤岩冲 击倾向性强弱方面 ， 海明距离法与模糊综合评判法 、 熵权一 理想点法相比具有更高的分辨率。 3 与模糊综合评判法相 比， 海明距离法应用 线性 内插公式构造评价对象的隶属 函数 ， 避免权重 系数值代替隶属函数值 的现象 ， 同时具有计算过程 简洁、 可操作性强 的优点 ； 与熵权 一 理想点法相 比， 海明距离法评判结果具有更高的准确性和科学性 。 参考文献 [1] 窦林 名 ， 何学 秋． 冲击 矿 压 防止理 论 与技 术[ M] ． 徐 州 中国矿业大学 出版社 ， 2 0 0 1 ． [2] GB ／ T 2 5 2 1 7 ． 2 2 O 1 O冲击地 压测定 、 监 测与 防治方 法 第 2 部分 煤 的冲击倾 向性 分类及 指数 的测 定方 法E s ] ． [3] 齐 庆新 ， 彭 永伟 ， 李 宏艳 ， 等． 煤 岩 冲击 倾 向 性研 究 E J ] ． 岩 石力 学与工程 学报 ， 2 O l 1 ， 3 0 1 2 7 3 6 2 7 4 2 ． [ 4] 赵 同彬 ， 尹延 春， 谭 云亮 ， 等． 基 于颗粒流 理论 的煤岩 冲击倾 向性细观模 拟试 验研究 [ J ] ． 煤炭 学报 ， 2 0 1 4 ， 3 9 2 2 8 0 2 8 5 ． [ 5] 潘一 山 ， 耿琳 ， 李 忠华． 煤层冲击倾向性与危险性评价 指标 研究 [ J ] ． 煤炭学报 ， 2 0 1 0 ， 3 5 1 2 1 9 7 5 1 9 7 8 ． [ 6] 白汉 营 ， 王档 良， 李 文平 ． 模糊综合判别法在煤层 冲击 倾向性评 价 中应用 E J ] ． 能 源技 术 与管 理 ， 2 0 0 6 1 2 1 2 2． [7 ] 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