基于GM模型的钻孔瓦斯动力异常灰色预警预测.pdf

煤矿安全 基于GM 1, 1 模型的钻孔瓦斯动力异常 灰色预警预测* 焦金宝1 林劲夫2 曹建军3 1. 国投新集能源股份有限公司刘庄煤矿, 安徽省阜阳市, 236235; 2. 淮南矿业集团有限责任公司张集北矿,安徽省淮南市, 232171; 3. 煤炭科学研究总院重庆研究院瓦斯防灭火研究分院, 重庆市, 400037 摘 要 以灰色系统灾变预测理论为基础,以预测掘进面钻孔瓦斯动力异常期为目标, 建立了钻孔瓦斯动力异常 GM 1,1 灰色预测模型。通过对模型预测结果的残差分析和现 场实测结果检验表明, 钻孔瓦斯动力异常期的灰色预测结果与实测数据拟合精度高, 建立的 瓦斯动力异常期灰色预测系统方法可行,预测结果可靠。 关键词 掘进工作面 钻孔瓦斯动力 瓦斯动力灾害 灰色理论 灰色预警预测 中图分类号 T D7121 文献标识码 A GM1, 1 model based drill- hole abnormal gas dynamic grey forewarning and prediction for catastrophe Jiao Jinbao1, Lin Jinfu2, Cao Jianjun3 1. Liuzhuang Coal Mine, SDIC Xinji Energy Co Ltd, Fuyang, Anhui province 236235, China; 2. Zhangjibei mine, Huainan Mining Group Co Ltd, Huainan, Anhui province 232171, China; 3. Gas Fire Prevention and Control Center, Chongqing Institute of Coal Science Research Institute, Chongqing 400037, China Abstract Based on the grey theory system for disaster forecast, a GM 1, 1 grey catastro phe prediction model is established in order to forecast drill- hole abnormal gas dynamic catastro phe periods. Residual analysis shows high fitting precision between results of grey prediction sys tem and the original data. T he scene actual results also show the reliability of the forecast. Both the theoretical analysis and the scene actual result indicates feasibility and reliability of the meth od of grey catastrophe forecast system. Key words heading face, gas dynamics, gray theory, gray forewarning and forecast * 基金项目 国家重点基础研究发展计划 973 计划 课题 2005CB221503 ; 煤炭科学研究总院青年创新基金 课题 2005QN35 1 前言 煤矿瓦斯及其导致的动力灾害之所以频频发 生,一个主要的原因就是没能对矿井的瓦斯涌出异 常做出正确的预测,并根据预测结果采取有效的预 防措施,可见对瓦斯涌出异常及其动力异常的预测 是矿井防治瓦斯灾害的重要环节。但是矿井瓦斯动 力灾害是一个开放的复杂系统, 其影响因素受地质 条件和工程环境等的综合影响, 有些是确定的,但 大部分影响因素具有随机性、模糊性、可变性等不 确定性特点。在所有影响瓦斯动力灾害发生的因素 中既有已知因素, 也有不确知的、未知的因素,即 影响因素的作用特点具有明显的灰色特性。因此, 对矿井正常瓦斯涌出量及其诱导动力灾害灾变期的 有效预测是工程界面临的一个急需解决的现实问 题。 灰色系统理论是研究灰色系统分析、建模、预 测、决策和控制的理论,是一套解决信息不完备系 统的理论和方法。灰色理论已应用于软基沉降预 86 中国煤炭第 35 卷第 12 期2009 年 12 月 测、煤与瓦斯突出影响因素分析等领域, 对于矿井 钻孔瓦斯动力异常这一介于已知 白色 和未知 黑色 之间的典型灰色系统,我们同样可以应用 灰色理论对其灾变期进行预测, 从而提前做出相应 的应急预案, 采取有效的预防措施, 降低瓦斯动力 灾害造成的危害。 作为一种尝试,本文应用 GM 1,1 模型, 以对某矿掘进工作面突出危险性循环预测结果灾变 期灰色预测为例, 介绍灰色理论在矿井掘进面钻孔 瓦斯动力灾害预测中的具体实施过程,以期提出瓦 斯动力灾害防治的一种新的理论方法。 2 灰色灾变预测理论简介 本文的灾变预测是基于灰色系统进行的, 主要 理论依据如下。 对原始数据 x 0 x 0 x 0 1 , x 0 2, , x 0 n 如果指定某个定值 , 并认为 x 0 中不小于 的点为具有异常值的点,然后根据这一要求将所有 符合条件的数据挑出来,另组一个数列, 称这一数 列为上限灾变数列,或者上限异常数列, 同理可得 下限异常数列。比如 x 0 x 0 1, x 0 2, x 0 3 , x 0 4 3, 0 7, 8, 5 取 1 , 并规定 x 0 中凡是大于 1的数都是 异常值,则有 x 0 1 x 0 3 x 0 4 1 将 1 式组成新的数列, 记为 x 0 , 有 x 0 x 0 1, x 0 2, x 0 3 3, 8, 5 x 0 1, x 0 3 , x 0 4 2 数列 2 式表明 3 x 0 1 x 0 1, 1 1 8 x 0 2 x 0 3, 2 3 5 x 0 3 x 0 4, 3 4 3 上面的 ∀ 表示 ∀ 相当于。 灾变预测不是预测数据本身的大小, 而是预测 异常值出现的时刻。由上面的例子可以看出,第 1 个异常值是出现在第 1 点的 3,即 1∃1。同理 2∃3;3∃4。我们的任务就是预测第 4 个异常 值、第 5 个异常值 将出现在未来的哪些点上。 即我们关心的已不是 x 0 i 或 x 0 i ,而是关心 在 3∃点以后的下一时刻 4∃ ,或下下一个时刻 5∃ , 通过预测模型将会得到一个数,这个数越 大,表明下次出现异常值的时间越远。换句话说, 这些数即代表 x 0 i 出现的点,据此可得相 应的双数列 P 置换 P P 1 2 3 1 3 4 4 若 4 式中每一个偶对看作二维平面的点, 则可规定一个水平投影算子 P, 有 P1 , 1 1 P2 , 3 2 P3 , 4 3 5 则 P P 1 , P 2 , , Pn为灾变日 期集。 作灾变预测,便是按 P 建立 GM 1,1 模 型进行预测。 3 钻孔瓦斯动力异常灰色预警 3 1 掘进面钻孔瓦斯动力灾害现场考察 某矿掘进工作面突出危险性预测,在掘进面布 置 3 个预测孔,孔深 10 m, 预测钻孔直径为 42 mm,采用 15 kW 电煤钻或风煤钻带动 42 mm 钻头、麻 花钻 杆 施工,施 工 速度 尽 量控 制 在 1 m/ min, 钻孔尽量布置在软分层,其中 1 个钻孔 位于巷道中部与掘进方向一致, 另 2 个钻孔终孔位 于巷底轮廓线外 3 m, 对钻孔钻屑瓦斯解吸指标 K1、钻孔瓦斯涌出初速度 q 等进行考察。钻孔从 第 2 m 开始,每进 1 m 测定一次钻孔瓦斯涌出初 速度 q,每进 2 m 测定一次钻屑瓦斯解吸指标 K1。 记录考察指标的测定值的同时, 及时记录打钻过程 的动力现象等突出预兆资料 包括钻孔喷孔、响煤 炮、顶钻等 。参考临界值 为qmax 5 L/ min, K1max 0 40 mL/ g P 1 7 40 699578 还原数据为 P 0 6 P 1 6 - P 1 5 9 015612 P 0 7 P 1 7 - P 1 6 11 946503 将 P5 7 作为上一瓦斯动力异常突变点, 9 015612 和 11946503 与 7 分别相差 2 015612 和 4 946503, 这表明该掘进面下两次瓦斯动力突变期 在 2 个月和 5个月循环之后,即为第 9 个循环和第 12 个循环。 3 3 钻孔瓦斯动力异常灰色预测结果分析 由残差分析 见表 2 可知,灰色系统预测拟 合精度较好, 预测结果正确可靠 误差 10 。 同时, 通过现场反馈情况来看,第 8 个预测循环 qmax 32 L/ min,K1max 021 mL/ g 另外通过打钻过程中的几次注水试 验得知,7 煤层底板砂岩层裂隙不发育, 加上 7 煤层底板隔水层厚度较大,732 工作面的采动不会 引起 7煤层底板灰岩水 即对盘高压奥灰水 突 出。所谓物探的几个异常区,只不过是工作面周边 几个中小断层构造裂隙区的弱含水带而已,故底板 异常区无继续注浆加固的需要。 3 5 加强工作面管理与水害监测 为防止高压岩溶水突然涌出,在工作面设计和 开采期间, 该矿做了以下工作 1 缩短工作面长 度以减少覆岩破坏程度,工作面采用短壁开采工 艺。 2 严格控制工作面斜长并保证断层保护煤柱 完整。 3 加强地下水动态观测,特别是工作面及 周边老塘、工作面中后部中小断层带、F16逆断层 沿线穿过的巷道,如有出水现象或水量增大等异 常,及时分析水源,并取样作水质化验。截止 2007 年 8 月回采 5 个月后,工作面后部 FN7正断 层与工作面材料巷斜交处顶板裂隙和锚孔里仍有滴 淋水, 涌水量 1 m 3/ h 以下, 经取水化验,水质为 HCO3- K Na 水,确定水源为 7煤层顶板 砂岩裂隙水。 4 确保采区和工作面排水系统达到 设计能力并维持正常运转。 4 结语 柳新煤矿 732 工作面自 2006 年 2 月开始掘进, 2007 年 3月工作面形成并开始初放,至2008 年 5月 回采结束,历时 30 个月, 共采出优质原煤 18 万 t, 正确治理了大型逆断层上盘高压岩溶水的威胁,杜 绝了水害,实现了工作面安全、高效和连续开采。 参考文献 [ 1] 中华人民共和国煤炭工业部制定 矿井水文地质规程 试行 [M ] 北京 煤炭工业出版社, 1984 作者简介 彭永征 1978- , 女, 江苏徐州人, 工程 师, 2000 年毕业于中国矿业大学环境工程专业, 现工作于徐 州市建设工程检测中心, 中国矿业大学环境工程硕士在读。 责任编辑 张毅玲 上接第 88 页 下一次的灾变期预测结果是比较准确可靠的, 不提 倡用一套预测模型对多次灾变期进行预测,而应该 根据掌握信息量的增加及时修正灰色参数,建立新 的预测模型后再对未来灾变期进行预测, 从而可大 大提高预测结果的可信程度。 4 主要结论 1 应用灰色系统理论建立矿井掘进面预测钻 孔瓦斯动力异常 GM 1,1 模型, 通过还原数据 残差检验, 得出的灰色系统预测结果与实际情况拟 合精度高, 预测结果可信度高, 能够准确地反映预 测钻孔瓦斯动力异常的客观存在及发展态势, 从而 为掘进面预测钻孔瓦斯动力灾害的预测预防提供一 定的理论依据。 2 为钻孔瓦斯动力灾害预测提供了一种新的 方法和途径。但值得注意的是, 以有限的实测信息 为基础的灰色系统预测,虽然对瓦斯动力灾害规律 客观存在性有所体现, 但瓦斯动力突变条件的多样 性和复杂性要求对突变模型灰色参数赋予比较准确 的实际意义, 这一方面还有待进一步研究 参考文献 [ 1] 虎维岳 新时期煤矿水害防治技术所面临的基本问题 [ J] 煤田地质与勘探, 2005 33 [ 2] 赵克俭 基于灰色理论的结构可靠性鉴定的研究[ D] 天津 天津大学, 2005 [ 3] 曾超, 唐仲华, 肖峰 灰色模型 GM 在软土路基沉 降量预测中的应用研究 [ J] 勘查科学技术, 2002 1 [ 4] 蒋刚, 林鲁生, 刘祖德等 边坡变形的灰色预测模型 [ J] 岩土力学, 2000 3 [ 5] 雷学文, 白世伟, 孟庆山 灰色预测在软土地基沉降 分析中的应用 [ J] 岩土力学, 2000 3 [ 6] 郭红梅, 马培贤 灰色理论在预测复合地基最终沉降 变形中的应用 [ J] 工程勘探, 2001 1 [7] 伍爱友, 肖红飞, 王从陆等 煤与瓦斯突出控制因素加权 灰色关联模型的建立与应用 [ J] 煤炭学报, 2005 1 [ 8] 邓聚龙 灰色系统基本方法 [ M] 武汉 华中理工大 学出版社, 1996 作者简介 焦金宝 1982-,男, 江苏南通人, 助 理工程师, 2005 年毕业于山东科技大学资源与环境工程学 院采矿工程专业, 现在国投新集能源股份有限公司刘庄煤 矿从事综掘技术工作。 责任编辑 张毅玲 95 受高压岩溶水威胁工作面安全开采的实践