本發(fā)明屬于煤礦安全開采技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種個(gè)性化確定采煤工作面底板突水危險(xiǎn)等級(jí)的方法。

背景技術(shù)：

目前評(píng)價(jià)煤礦安全開采底板突水危險(xiǎn)性的方法主要采用突水系數(shù)法。突水系數(shù)計(jì)算公式T＝p/M是我國(guó)1964年焦作水文地質(zhì)大會(huì)戰(zhàn)期間借鑒匈牙利工程師韋格弗倫斯對(duì)隔水厚度(T＝M/p)概念提出的，公式中p為煤層底板含水層水壓，M為煤層底板隔水層厚度。該公式提出后，以焦作、峰峰、井陘、邯鄲、肥城、淄博等大水礦區(qū)底板突水案例以及基礎(chǔ)數(shù)據(jù)為依據(jù)，計(jì)算得出T≤0.06MPa/m為安全，0.06MPa/m＜T≤MPa/m為較安全，0.1MPa/m＜T為危險(xiǎn)。突水系數(shù)反映了水文地質(zhì)學(xué)中地下水滲流最基本的規(guī)律。

在以后相當(dāng)長(zhǎng)的歷史時(shí)期，突水系數(shù)對(duì)于指導(dǎo)煤礦安全開采起到了重要的作用。但是隨著淺層煤層資源開采殆盡，煤炭開采逐步轉(zhuǎn)向深部，奧灰水的水壓逐步升高，在實(shí)際開采中突水系數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于《煤礦防治水規(guī)定》的0.1MPa/m。后期雖然有人考慮煤層底板破壞程度、隔水段巖層巖性組合及其它影響因素，提出了各種突水系數(shù)的計(jì)算公式，但所提出的鄰接系數(shù)仍然采用1964年提出的鄰接值。顯然，這是不妥當(dāng)?shù)摹?/p>

目前的突水系數(shù)計(jì)算方法存在如下問題：

1.影響突水危險(xiǎn)性的因素考慮不全面

突水系數(shù)計(jì)算公式僅考慮了水壓與隔水層厚度，沒有考慮煤層底板礦壓破壞程度、隔水段巖層巖性組合、底板承壓地下水導(dǎo)升高度、含水層富水性指標(biāo)等有關(guān)因素。

2.沒有采用機(jī)器學(xué)習(xí)方法建立突水危險(xiǎn)性與影響因素間的函數(shù)依賴關(guān)系

早期的突水系數(shù)計(jì)算公式考慮因素少，計(jì)算公式簡(jiǎn)單。后期的計(jì)算公式考慮因素多，在采集樣本較少的情況下，無法擬合出突水系數(shù)與影響因素間的函數(shù)依賴關(guān)系。

3.突水系數(shù)給出的僅僅是突不突水的危險(xiǎn)性，而與突水量無關(guān)

從其計(jì)算公式T＝p/M可以看出，目前的突水系數(shù)僅考慮煤層底板含水層水壓，煤層底板隔水層厚度等因素，與實(shí)際突水量沒有關(guān)系。在實(shí)際開采過程中如果底板含水層富水性較差，即使是突水，因突水量較小，也不會(huì)對(duì)煤炭開采工作面帶來較大危害。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的上述問題，本發(fā)明提出了一種個(gè)性化確定采煤工作面底板突水危險(xiǎn)等級(jí)的方法。

本發(fā)明所采用的技術(shù)解決方案是：

一種個(gè)性化確定采煤工作面底板突水危險(xiǎn)等級(jí)的方法，按以下步驟進(jìn)行：

步驟一：收集煤礦生產(chǎn)過程中采煤工作面綜合數(shù)據(jù)，分析最大突水量與多種影響因素的相關(guān)性，選擇相應(yīng)種類影響因素作為影響底板突水危險(xiǎn)等級(jí)的自變量；

步驟二：根據(jù)具體礦山綜合排水能力與最大突水量數(shù)據(jù)，個(gè)性化劃分底板突水危險(xiǎn)等級(jí)；

步驟三：將自變量的向量組合記作x，底板突水危險(xiǎn)等級(jí)記作y，建立自變量與底板突水危險(xiǎn)等級(jí)的隱式函數(shù)依賴關(guān)系；

步驟四：將新采集到的自變量的向量組合x代入步驟三中建立的隱式函數(shù)依賴關(guān)系，計(jì)算得到底板突水危險(xiǎn)等級(jí)y，然后依據(jù)步驟二確定底板突水危險(xiǎn)等級(jí)。

上述方法還包括以下步驟：

步驟五：利用步驟三建立的隱式函數(shù)依賴關(guān)系，對(duì)各自變量細(xì)分插值，在各底板突水危險(xiǎn)等級(jí)范圍內(nèi)，反向演算求取各自變量的極大、極小值，建立各自變量與底板突水危險(xiǎn)等級(jí)的綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系；

步驟六：根據(jù)步驟五建立的各自變量與底板突水危險(xiǎn)等級(jí)的綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，現(xiàn)場(chǎng)工作人員對(duì)新采集到的自變量數(shù)據(jù)，即可通過查詢綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系確定底板突水危險(xiǎn)等級(jí)。

優(yōu)選的，步驟一中：所述采煤工作面綜合數(shù)據(jù)包括最大突水量、突水系數(shù)、煤層底板礦壓破壞程度、隔水段巖層巖性組合、底板承壓地下水導(dǎo)升高度及含水層富水性指標(biāo)等；分析最大突水量分別與突水系數(shù)、煤層底板礦壓破壞程度、隔水段巖層巖性組合、底板承壓地下水導(dǎo)升高度及含水層富水性指標(biāo)等多種影響因素的相關(guān)性，并根據(jù)相關(guān)性大小選擇相應(yīng)種類影響因素如煤層底板礦壓破壞程度、底板承壓地下水導(dǎo)升高度等作為影響底板突水危險(xiǎn)等級(jí)的自變量。

優(yōu)選的，步驟二中：底板突水危險(xiǎn)等級(jí)劃分為安全、較危險(xiǎn)、危險(xiǎn)三個(gè)等級(jí)；最大突水量小于或等于具體礦山綜合排水能力三分之二定為安全等級(jí)1；最大突水量大于具體礦山綜合排水能力三分之二且小于或等于具體礦山綜合排水能力定為較危險(xiǎn)等級(jí)2；最大突水量大于具體礦山綜合排水能力定為危險(xiǎn)等級(jí)3。

優(yōu)選的，步驟三中：根據(jù)具體礦山已知n個(gè)觀測(cè)樣本(x₁,y₁),(x₂,y₂)……(x_n,y_n)在若干函數(shù){f(x,ω)}中求一個(gè)最優(yōu)函數(shù)f(x,ω₀)，對(duì)未知依賴關(guān)系進(jìn)行估計(jì)，使式R(ω)＝∫L(y,f(x,ω))dF(x,y)所示的期望風(fēng)險(xiǎn)最小。

上述步驟三中，建立的自變量與底板突水危險(xiǎn)等級(jí)的隱式函數(shù)依賴關(guān)系，借助機(jī)器學(xué)習(xí)理論實(shí)現(xiàn)，具體地：

(1){f(x,ω)}為預(yù)測(cè)函數(shù)集，ω稱為廣義參數(shù)，L(y,f(x,ω))為損失函數(shù)；

(2)損失函數(shù)采用L(y,f(x,ω))＝(y-f(x,ω))²；

(3)在訓(xùn)練過程中可以利用的信息只有樣本數(shù)據(jù)，因此期望風(fēng)險(xiǎn)

R(ω)＝∫L(y,f(x,ω))dF(x,y)無法計(jì)算，采用對(duì)其進(jìn)行估算；

(4)在計(jì)算過程中，訓(xùn)練采用回歸預(yù)測(cè)的危險(xiǎn)等級(jí)是連續(xù)值，采用四舍五入的方法取整。

優(yōu)選的，步驟四中：自變量的向量組合x在施工勘探、采煤工作過程中實(shí)際獲??；對(duì)于未進(jìn)行物理勘探的地段，通過三維礦山數(shù)字模型進(jìn)行插值預(yù)測(cè)，先預(yù)測(cè)、后調(diào)整。

優(yōu)選的，步驟五中具體地：

(1)分析自變量的向量組合x的各個(gè)分量的極大、極小值；

(2)以極大值減去極小值之差的百分之一為單位，細(xì)分插值；

(3)求取各插值點(diǎn)的底板突水危險(xiǎn)等級(jí)，此時(shí)的危險(xiǎn)等級(jí)不進(jìn)行四舍五入處理；

(4)求突水危險(xiǎn)等級(jí)在區(qū)間[0，1.5)、[1.5，2.5)、[2.5，3.5)時(shí)，各自變量的極大、極小值，建立各自變量與底板突水危險(xiǎn)等級(jí)的綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。

本發(fā)明的有益技術(shù)效果是：

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明綜合考慮具體礦山排水能力、影響突水量的各種因素，建立突水危險(xiǎn)評(píng)級(jí)與影響因素間的隱式函數(shù)依賴關(guān)系、采用參數(shù)區(qū)間插值確定指標(biāo)框架，解決了突水?dāng)?shù)據(jù)小樣本建模、隱式函數(shù)應(yīng)用困難等技術(shù)難題，使得突水危險(xiǎn)等級(jí)評(píng)價(jià)更加科學(xué)合理，符合礦山生產(chǎn)實(shí)際。

附圖說明

圖1為本發(fā)明一種個(gè)性化確定采煤工作面底板突水危險(xiǎn)等級(jí)方法的流程圖。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明提供了一種個(gè)性化確定采煤工作面底板突水危險(xiǎn)等級(jí)的方法。該方法綜合考慮采煤工作面底板水壓、隔水層厚度、煤層底板礦壓破壞現(xiàn)象、隔水段巖層巖性組合、底板承壓地下水原始導(dǎo)升發(fā)育現(xiàn)象等因素，建立這些影響因素與突水危險(xiǎn)等級(jí)的隱式函數(shù)依賴關(guān)系，通過插值分析該隱式函數(shù)的突變點(diǎn)，建立評(píng)價(jià)底板突水危險(xiǎn)等級(jí)的綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。該方法全面考慮影響煤炭開采底板突水威脅的各種因素，建立各影響因素與突水系數(shù)的函數(shù)依賴關(guān)系，解決了傳統(tǒng)方法只考慮水壓力與隔水層厚度或無法建立影響因素與突水系數(shù)函數(shù)依賴關(guān)系的難題，為突水系數(shù)計(jì)算提供了新方法。

下面結(jié)合附圖以及具體實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明：

如圖1所示，一種用于個(gè)性化確定采煤工作面底板突水危險(xiǎn)等級(jí)的方法，按照如下步驟進(jìn)行：

步驟一：收集煤礦生產(chǎn)過程中采煤工作面最大突水量、突水系數(shù)、煤層底板礦壓破壞程度、隔水段巖層巖性組合、底板承壓地下水導(dǎo)升高度、含水層富水性指標(biāo)等綜合數(shù)據(jù)，分析最大突水量與突水系數(shù)、煤層底板礦壓破壞程度等其它影響因素的相關(guān)性，選擇相關(guān)性較高的影響因素作為影響最大突水量的自變量。

步驟二：根據(jù)具體礦山綜合排水能力與最大突水量數(shù)據(jù)，個(gè)性化劃分各組數(shù)據(jù)的底板突水危險(xiǎn)等級(jí)。一般情況下劃分為安全、較危險(xiǎn)、危險(xiǎn)三個(gè)等級(jí)。最大突水量小于或等于具體礦山綜合排水能力三分之二定為安全等級(jí)1；最大突水量大于具體礦山綜合排水能力三分之二且小于具體礦山綜合排水能力定為較危險(xiǎn)等級(jí)2；最大突水量大于或等于具體礦山綜合排水能力定為危險(xiǎn)等級(jí)3。

步驟三：將自變量的向量組合記作x，底板突水危險(xiǎn)等級(jí)記作y。根據(jù)具體礦山已知n個(gè)觀測(cè)樣本(x₁,y₁),(x₂,y₂)……(x_n,y_n)在若干函數(shù){f(x,ω)}中求一個(gè)最優(yōu)函數(shù)f(x,ω₀)，對(duì)未知依賴關(guān)系進(jìn)行估計(jì)，使式R(ω)＝∫L(y,f(x,ω))dF(x,y)所示的期望風(fēng)險(xiǎn)最小。

步驟三建立的各影響因素與底板突水危險(xiǎn)等級(jí)的函數(shù)依賴關(guān)系為隱式的函數(shù)依賴關(guān)系，可以借助支持向量機(jī)理論等機(jī)器學(xué)習(xí)理論實(shí)現(xiàn)。

具體地：

(1){f(x,ω)}為預(yù)測(cè)函數(shù)集，ω稱為廣義參數(shù)，L(y,f(x,ω))為損失函數(shù)。

(2)損失函數(shù)采用L(y,f(x,ω))＝(y-f(x,ω))²。

(3)在訓(xùn)練過程中可以利用的信息只有樣本數(shù)據(jù)，因此期望風(fēng)險(xiǎn)R(ω)＝∫L(y,f(x,ω))dF(x,y)無法計(jì)算，采用對(duì)其進(jìn)行估算。

(4)在計(jì)算過程中，訓(xùn)練采用回歸預(yù)測(cè)的危險(xiǎn)等級(jí)是連續(xù)值，采用四舍五入的方法取整。

步驟四：根據(jù)步驟三建立的隱式函數(shù)依賴關(guān)系，對(duì)新采集到影響因素的數(shù)據(jù)向量即自變量的向量組合x，即可代入隱式函數(shù)計(jì)算其底板突水危險(xiǎn)等級(jí)。底板突水危險(xiǎn)等級(jí)影響因素可以在施工勘探、采煤工作過程中實(shí)際獲取。對(duì)于未進(jìn)行物理勘探的地段，可通過三維礦山數(shù)字模型進(jìn)行插值預(yù)測(cè)，先預(yù)測(cè)、后調(diào)整。

步驟五：為方便現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用，利用步驟三建立的隱式函數(shù)依賴關(guān)系，對(duì)各自變量細(xì)分插值，在各底板突水危險(xiǎn)等級(jí)范圍內(nèi)，反向演算求取各自變量的極大、極小值，建立各自變量與底板突水危險(xiǎn)等級(jí)的綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。

具體地：

(1)分析底板突水危險(xiǎn)等級(jí)影響因素(自變量的向量組合x)的各個(gè)分量的極大、極小值。

(2)以極大值減去極小值之差的百分之一為單位，細(xì)分插值。

(3)求取各插值點(diǎn)的底板突水危險(xiǎn)等級(jí)，此時(shí)的危險(xiǎn)等級(jí)不進(jìn)行四舍五入處理。

(4)求突水危險(xiǎn)等級(jí)在區(qū)間[0，1.5)、[1.5，2.5)、[2.5，3.5)時(shí)，各自變量的極大、極小值，建立各自變量與底板突水危險(xiǎn)等級(jí)的綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。

步驟六：根據(jù)步驟5建立的各自變量與底板突水危險(xiǎn)等級(jí)的綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，現(xiàn)場(chǎng)工作人員對(duì)新采集到影響因素的數(shù)據(jù)，即可通過查詢綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系確定底板突水危險(xiǎn)等級(jí)。

本發(fā)明在步驟一中提出突水危險(xiǎn)性的關(guān)鍵在于突水量，而不僅僅是底板水壓力與隔水層厚度的比值。并在步驟一中綜合考慮了影響突水量的突水系數(shù)、煤層底板礦壓破壞程度、隔水段巖層巖性組合、底板承壓地下水導(dǎo)升高度、含水層富水性指標(biāo)等因素。

在步驟二中根據(jù)具體礦山排水能力個(gè)性化劃分礦山采煤工作面突水危險(xiǎn)等級(jí)，而不是統(tǒng)一劃分所有礦山突水危險(xiǎn)等級(jí)。

在無法給出突水影響因素與最大突水量顯式函數(shù)依賴關(guān)系的條件下，在步驟三中采用隱式函數(shù)依賴關(guān)系描述最大突水量與各影響因素的函數(shù)依賴關(guān)系，該函數(shù)依賴關(guān)系要求：對(duì)于數(shù)據(jù)樣本(x₁,y₁),(x₂,y₂),(x₃,y₃)……(x_n,y_n)，在若干函數(shù){f(x,ω)}中求一個(gè)最優(yōu)函數(shù)f(x,ω₀)，對(duì)未知依賴關(guān)系進(jìn)行估計(jì)，使得下式所示的期望風(fēng)險(xiǎn)最小。

R(ω)＝∫L(y,f(x,ω))dF(x,y)

在步驟五中對(duì)各影響因素細(xì)分插值，在各底板突水危險(xiǎn)等級(jí)范圍內(nèi)，反向演算求取各自變量的極大、極小值，建立各自變量與底板突水危險(xiǎn)等級(jí)的綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。

本發(fā)明提出了一種用于個(gè)性化確定采煤工作面底板突水危險(xiǎn)等級(jí)的方法，與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明綜合考慮具體礦山排水能力、影響突水量的各種因素，建立突水危險(xiǎn)評(píng)級(jí)與影響因素間的隱式函數(shù)依賴關(guān)系、采用參數(shù)區(qū)間插值確定指標(biāo)框架，解決了突水?dāng)?shù)據(jù)小樣本建模、隱式函數(shù)應(yīng)用困難等技術(shù)難題，使得突水危險(xiǎn)等級(jí)評(píng)價(jià)更加科學(xué)合理，符合礦山生產(chǎn)實(shí)際。

上述方式中未述及的部分采取或借鑒已有技術(shù)即可實(shí)現(xiàn)。

上述說明并非是對(duì)本發(fā)明的限制，本發(fā)明也并不僅限于上述舉例，本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明的實(shí)質(zhì)范圍內(nèi)所做出的變化、改型、添加或替換，也應(yīng)屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。