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模糊逻辑在矿井冲击矿压预测中的应用 第六图书馆 针对目前严重影响矿井安全的矿井冲击矿压进行预测预报研究,总结了具有代表性的声发射特征参数和表征岩石特性参数,在 此基础上建立了基于模糊逻辑的矿压冲击预测预报模型。并利用三河尖煤矿实际采集的数据以及矿压发生情况对模型进行了 验证,为模糊逻辑实际应用于矿井冲击矿压预测打下了基础。针对目前严重影响矿井安全的矿井冲击矿压进行预测预报研究 ,总结了具有代表性的声发射特征参数和表征岩石特性参数,在此基础上建立了基于模糊逻辑的矿压冲击预测预报模型。并利 用三河尖煤矿实际采集的数据以及矿压发生情况对模型进行了验证,为模糊逻辑实际应用于矿井冲击矿压预测打下了基础。 模糊逻辑 冲击矿压 声发射煤矿安全刘卫东 孟晓静 丁恩杰 窦林名 [1]中国矿业大学信电学院电子 与信息学系,江苏徐州221008 [2]中国矿业大学徐海学院计算机系,江苏徐州221008 [3]中国矿业大学能源学院,江苏徐 州2210082008第六图书馆 第六图书馆 6 6 煤 矿 安 全 3 9 8 模糊逻辑在矿井冲击矿压预测 中的应用 刘卫 东 ， 孟晓静 ， 丁恩杰 ， 窦林名。 1 ． 中国矿业大学 信电学院电子与信息学系， 江苏 徐州 2 2 1 0 0 8 ； 2 ． 中国矿业大学徐海学院 计算机 系， 江苏 徐州 2 2 1 0 0 8 ； 3 ． 中国矿业大学 能源学院， 江苏 徐州 2 2 1 0 0 8 摘要 针对目前严重影响矿井安全的矿井冲击矿压进行预测预报研究， 总结了具有代表性的声 发射特征参数和表征岩石特性参数， 在此基础上建立了基于模糊逻辑的矿压冲击预测预报模型。 并利用三河尖煤矿 实际采集的数据以及矿压发 生情况对模 型进行 了验证， 为模糊逻辑 实际应用 于矿井冲击矿压预测打下了基础。 关键词 模糊逻辑； 冲击矿压 ； 声发射 中图分类号 T D 3 2 4 ． 1 文献标识码 B 文章编号 1 0 0 3 4 9 6 X 2 0 0 8 0 1 0 0 6 6 0 3 冲击矿压是矿 山开采中发生的煤 岩 动力现象 之一， 通常是在煤 岩 力学系统达到强度极限时 ， 聚积在煤 岩 体 中的弹性能量 以突然 、 急剧、 猛烈 的形式释放 ， 在井巷发生爆 炸性事故 ， 造成煤 岩 体振动和破坏 ， 动力将煤 岩 抛 向井巷 ， 同时发生 强烈声响， 造成支架与设备、 井巷的破坏以及人员的 伤亡等。冲击矿压还可能引发其 它矿井灾害， 尤其 是瓦斯 、 煤尘爆炸、 火灾以及水灾 ， 干扰通风系统 ， 强 烈的冲击矿压 还会造成地面建筑物的破坏和倒塌 等。 1 目前研究现状 大量文献 中， 针对冲击矿压的预测、 危险性评价 建立了各种预测模型， 一般来说可以分为两种 传统 模型是依据力学平衡原理， 从运动学、 岩石力学及平 衡的观点出发 ， 包括分析煤岩的冲击倾 向、 煤岩应力 大小、 岩石的平衡力学原理等； 现代模型是随着计算 机等技术的发展迅速发展起来的， 包括基于声发射 监测模型、 电磁辐射监测 、 红外遥感监测等。 所有的这些方法都有自己的优缺点， 比如， 传统 力学模型与岩体的几何形状， 岩石属性等密切相关， 实验室中便于实验与仿真， 而在实际应用中困难较 大， 且难于实时监测； 而现代监测模型， 比如声发射 技术， 便于实时监测， 但可靠性参数的获取比较困 难， 没有准确的评定标准。 随着科学技术的发展， 对 于预测精度的要求也越来越高， 复合模型成为主流， 基金项 目 国家 自然科学基金项 目 5 0 0 9 0 2 7 3 ， 5 007 4 0 6 8 ； “ 十一 五” 国家科技 支撑计 划 2 0 0 6 B A K 00B 0 2， 2 0 0 6 B AK 0 3 B 0 6 ； 国家重 点 基 础研究发展规划 9 7 3 项 目 2 0 0 5 C B 2 2 1 5 00 取其模型中的优点， 克服其缺点， 并且将现代检测技 术运用其中。 大多数工程是复杂 的， 对这些 问题的解决方法 要找到确切的模型几乎不存在 ， 由于与问题相关 的 条件太多 ， 并且 它们之间的关系很难确定。在最 近 2 o年 ， 神经网络技术广泛应用 于工 程实 践中 ， 它 的 广泛应 用 主要 在 于处 理 不精 确数 据 的能力 。 自 1 9 6 5年 ， 美 国加州 大学伯克利分 校 的查德教 授在 F u z z y s e t 论文中首次表达事物模糊性的重要概念 一 隶属 函数 ， 1 9 7 4年 L ． A．z a d e h又进行了模糊逻辑推 理的研究 ， 从此 ， 模糊理论成为一个新的课题。建立 在模糊逻辑基础上的模糊推理是一种近似推理 ， 可 以在所获得的模糊信息前提下 ， 进行有效的判断和 决策。 2 模糊模型的建立 2 ． 1 模糊规则的基本形式 模糊规则是由大量的 Ⅱ一T h e n语句构成 ， 比如 Ma m d a n i 模型 ， 它的基本形式如下 R I F ／ s A“an d⋯a nd茁 ，／ s A T h e n ／ s Bt r i1， 2， ⋯ k k 为规则数量， i i 1 ， 2 ， ⋯f 是输入变量值， Y 为输 出变量。规则示意图如图 1 所示 模糊规则的 I f 部分称为规则的前因， T h e n部分 称为后 果。模糊推 理过程 中使用 的规则 库 R u l e B a s e 就是 由大量这类规则构成的， 规则库的大小与 考虑问题的复杂程度有关。 2 ． 2 模型参数的选择 维普资讯 第六图书馆 第六图书馆 煤 矿 安 全 2 0 0 8 0 1 6 7 R， 假如 8 R 假如 O O 假如 。 假如 ． 中 等 并 且 l 则 lf，J、 。 ＼ 一 n I ＼ 一 r ／●I一 ● 则 1 2 、 并 且 1 l lf，j、 天 B ＼ 1 ／ { ＼ 一 n ／ 一 、一 ●- 【1 】 uf 三 冲 等 牛 且 x 是 低 则 y 很 高 j ■-曰 ．辑妊； j ． ， 县出 }ml l v 宣 图 1 模糊规则 模型参数的选择是矿井 冲击矿压预测模型建立 过程中的第一步， 也是最重要 的一步 ， 因为影响矿井 冲击矿压的因素有很多， 本文选择反映其岩石属性 的参数以及声发射监测中的参数为矿井冲击矿压预 测模型选择输人参数 。 1 全应力 一应变 曲线 R o c k C o mp l e t e S t r e s s s tr a i n C u r v e R C S C 。从开 始加载到彻底 破裂全部 变形范围的这种曲线 ， 称 为单 向压缩全应力应变 曲 线。煤岩体属于脆 性材 料， 研 究表 明， 岩石 包 括 煤 的峰后特性分为两类， I 类属于破坏稳定传播特 性 ； I I 类属破裂非稳定传播特性 ， 如图 2所示 ， 两类 的分界线 C D ， 它代表所积储的能恰好能造成试件完 全破坏的一种情况 。 J 1 7“ J C O D 图2 单向压缩全应力应变曲线 为定量表达冲击倾向的强弱， 从 I 类曲线中取 峰值强度前后的面积比作为鉴别指标， 称为冲击能 系数 。面积 A代表在加载过程中所积储的能量； 面积 B代表在破坏过程中所损耗的能量 ； 试验表明 ≥5或具有 Ⅱ类形状峰后特性的 煤， 冲击倾向强烈； 1 ． 5 ≤K 5 ， 冲击倾向中等； K 1 ． 5 ， 无冲击倾向。 2 声发射总事件率 A T E R a c o u s t ic e m is s i o n t o ta l e v e n t r a t e 。单位时间的声发射事件大于某一 量级 门限电压0 ． 5 V 的声发射事件累计数， 是岩 体出现宏观变形和微观破裂 的重要标 志， 是最常用 的声发射参数之一， 几 乎用在所有用声发射评价岩 体破坏过程中的研究中。 设采样间隔△ 的事件数为P i ， 时间取分钟为单 位 ， 则 有 n 轨f - 1 3 声发射事件能率E A E E R a c o u s t i c e m i s s io n e v e n t e n e r g y r a t e。单位事件的声发射事件所释放 能量的相对累计值， 是岩石破坏速率及其变化程度 的重要标志 ， 在一些研究 中也经 常被参考作为预示 岩体破坏的前兆参数， 一些现场表明， 所有事件 中如 集 中了 3 5 ％以上的高能事件 ， 工作 面接 近危险 ； 单 个声发射信号的能量 I 应包含所分析的频率范围内 的各个频率成分的能量之和 ， 即 ， ∑A 2 式 中 n为采样点数 ， 为输人阻抗 ， A为幅值 ， 因此每分钟的能率为 ， ， 3 一△ t 一 R△ i 。 4 声发射大事件率 N A B E R a c o u s t ic e m i s s i o n b i g e v e n t r a t e 。单位时间内超过声发射事件大 于某一量级 门限电压 0 ． 5 V 的声发射事件累计 数。大事件占总事件的比例， 预示了岩石内部受力 变形破坏 的程 度。设 采样 间隔 △ 的大 事件数 为 R i ， 时间取分钟为单位 ， 则有 Ⅳ z 2 ． 3决定模糊 设 置 4 为了使用模糊逻辑， 首先将参数进行归一化。 如表 1 所示， 在这里我们采用三角函数和矩形函数 来描述输输人 输出之间 的关系 ， 并采用 m a t l a b 7 ． 0 编写规则， 如图 3所示。 图3 ma fl a b中输人输出参数模糊规则的设置 2 ． 4 引 出模 糊 规 则 模糊规则定义了输人参数 a n t e c e d a n t 和输出 c o n s e q u e n t 之间的相互作用， 冲击矿压的危险预 测 评定定 义 为三级 L o w L 、 Me d i u m M 和 H i g h H 。见表 l ， 由此产生 的输 出有 8 1个规则 ， 对规 则表进行总结， 规则压缩为 4 5个 ， 如图 4所示。 维普资讯 第六图书馆 第六图书馆 6 8 煤 矿 安 全 T o t 3 9 8 表 1 系统输入／ 输出参数及相关规则描述 ．一 ⋯ ． 。 。 一 二． 3 结论 图 4 规则学 习图 三河尖煤矿是 2 0世纪 8 0年代末投产 的矿井 ， 自1 9 9 1 年 5月首次在 7 l l 0工作面材料道发生 冲击 矿压以来 至今已发生破坏性冲击矿压 3 0次， 仅 8 0 2 4工作面 ， 自 1 9 9 8年 8月开始回采后 的 2个月 ， 破坏性较大的冲击矿压发生 了 7次， 波 兰冲击矿压 防治专家 B e r n a r d D r z e z l a教授认 为是强冲击危险工 作面， 并且在全世界是罕见的， 在三河尖矿采用了微 震监测数据的振动频率和震点强度值对冲击矿压危 险源进行了近震趋势预报， 本文以三河尖煤矿为对 象， 以微震监测采集的数据为样本， 进行了冲击矿压 的预测预报， 与实际冲击矿压发生的时间相符合， 同 时也证明了模型的有效性。从而也推动了模糊逻辑 与现场应用的结合 。 参考文献 [ 1 ] B e r k a m， R ． C ． a n d T r u b a t e h ， S ． L F u z z y s y s t e m s D e s i g n P ri n c i p l e s [ M] ，I E E E N e u r a l N e t w o r k s C o u n c i l ，N e w Y o r k ， 1 9 9 7 ． H． AKs o y and M． E r c ang l u Ro c k f all s o l l l c e r u l eb a s e d f u z z y s y s t e m N a t [ J ] ． H a z a r d s E a r t h S y s t ． S c i ， 2 0 0 6 6 9 4 19 5 4 ． C o g g an ， J ． S， S t e a d， D， a n d E y r e ， J ．M． E v alu a t i o n o f t e c h n i q u e f o r q u a r r y s l o p e s t a b i l i t y a s s e s s me n t ， T r a n s [ J ] ． I n s t i t ， M i e M e t a l l ， 1 9 9 8 1 0 7 1 3 9 1 4 7 ． Du s s a u g e P e i s s e r ， C． ， He hn s t e t t e r ， A． P r o b a b l i l l s t i c a p p r o a c ht o r o c kf a l l h aza r d a s s ess me n t ，p o t e n t i al o fh i s t o r i c al d a t a anal y s i s ， N a t [ J ] ． H aza r d s E a r t h S y s t ．S c i ， 2 0 0 2 2 1 52 6 ． 秦四清， 李造鼎， 张倬元， 等． 岩石声发射技术概论 [ M] ． 成都 西南交通大学出版社． 袁振明， 马羽宽， 何译云． 声发射技术及其应用 [ M] ． 北京 机械工业 出版社 ． 1 9 8 5 ． 作者简介 刘卫东 1 9 7 6一 ， 男， 山东东营人， 博士研究 生， 讲师， 中国矿业大学信电学院教师， 主要从事数字信号 处理， 声发射在冲击矿压 中的应用研究， 已发表相关论文5 篇。 收稿日期 2 0 0 7一O 8 2 0 ； 责任编辑 梁绍权 ’ 国 外 煤 矿 安 全 信 恿。 大型电器设备可能有附属电源 美国矿业健康安全管理局 M S H A 提出有关 绳束吊的危险警告， 2 0 0 6年一名有 2 1年经验的电 工在露天煤矿处理吊斗铲的拖拽电缆故障时触 电 身亡。那位电工事先已关闭电源并上锁， 但他打开 接线盒时碰上了带电两相导体。原因是关闭供 电 电源时吊斗铲上的柴油发电机即自行启动， 发出的 4 8 0 V电流通过变压器形成 2 3 0 0 0 V高压反馈到拖 拽 电缆 。 M S H A要求露天煤矿操作人员牢记一下安全 要点对吊斗铲、 挖掘机等设备进行电器操作前要 亲自关闭附属电源、 挂上标示并用 自己的锁锁上。 这些设备通常有附属电源； 安装安全机械连锁装 置， 避免附属电源和常规电源连接在同一回路上； 进行高压电气工作前一定要将每一相都接地； 非 MS HA认定的合格电工不要进入电气房、 电机控制 中心或打开电器外壳； 不要 自以为你了解 电器回 路 ， 仔细研究 回路是怎样连接的 。 摘 自 C o al A g e V o 1 ． 1 1 1 ， N o ． 1 1 ， 2 0 0 6 。P ． 1 4 ] j ] 】 】 维普资讯 第六图书馆 第六图书馆