張偉強(qiáng)，　王恩元，　李學(xué)龍，　孔祥國(guó)，　李國(guó)愛

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 安全工程學(xué)院， 江蘇 徐州　221116;

2.煤礦瓦斯與火災(zāi)防治教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 江蘇 徐州　221116)

基于海明距離法的煤巖沖擊傾向性評(píng)價(jià)

張偉強(qiáng)1,2，王恩元1,2，李學(xué)龍1,2，孔祥國(guó)1,2，李國(guó)愛1,2

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 安全工程學(xué)院， 江蘇 徐州221116;

2.煤礦瓦斯與火災(zāi)防治教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 江蘇 徐州221116)

摘要：針對(duì)目前煤巖沖擊傾向性評(píng)價(jià)方法存在的不足，基于海明距離法基本原理，建立了煤巖沖擊傾向性綜合評(píng)價(jià)模型。該模型選用動(dòng)態(tài)破壞時(shí)間、沖擊能量指數(shù)、彈性能量指數(shù)和煤巖單軸抗壓強(qiáng)度作為綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)，應(yīng)用線性內(nèi)插公式構(gòu)造評(píng)價(jià)對(duì)象的隸屬函數(shù)，采用海明距離法獲得評(píng)價(jià)對(duì)象與評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的相似程度，并用最小海明距離進(jìn)行類別評(píng)判，從而得出評(píng)價(jià)結(jié)果。實(shí)例分析結(jié)果表明，海明距離法的評(píng)價(jià)結(jié)果與煤樣的實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)沖擊傾向性一致；對(duì)處于同一沖擊傾向性級(jí)別的煤樣的海明距離大小進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果認(rèn)為海明距離法比模糊綜合評(píng)判法和熵權(quán)-理想點(diǎn)法具有更高的分辨率。

關(guān)鍵詞：煤巖沖擊傾向性； 海明距離； 線性內(nèi)插； 次貼進(jìn)度

0引言

煤巖動(dòng)力災(zāi)害-沖擊地壓以其突然、劇烈、猛烈的破壞特征對(duì)煤礦、金屬礦井、隧道等的安全構(gòu)成嚴(yán)重威脅，甚至造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡。隨著礦井開采深度的增加，沖擊地壓的危險(xiǎn)也在逐步增加，已成為制約礦井安全生產(chǎn)的重大隱患。國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究表明，煤巖具有沖擊傾向性是發(fā)生沖擊地壓的必要條件[1]。對(duì)煤巖沖擊傾向性進(jìn)行合理有效的評(píng)價(jià)，是防治沖擊地壓的理論及實(shí)踐基礎(chǔ)。

目前煤巖沖擊傾向性評(píng)價(jià)指標(biāo)主要有動(dòng)態(tài)破壞時(shí)間、彈性能量指數(shù)、沖擊能量指數(shù)和單軸抗壓強(qiáng)度[2]。在煤巖沖擊傾向性的綜合評(píng)價(jià)過程中，這4個(gè)指標(biāo)值往往同時(shí)處于不同的沖擊傾向性級(jí)別中，難以準(zhǔn)確判斷采用哪個(gè)指標(biāo)[1]。針對(duì)煤巖沖擊傾向性的研究中，齊慶新等[3]指出單軸抗壓強(qiáng)度可以與動(dòng)態(tài)破壞時(shí)間、彈性能量指數(shù)、沖擊能量指數(shù)一樣作為煤巖沖擊傾向性的評(píng)價(jià)指標(biāo)；趙同彬等[4]進(jìn)行了基于顆粒流理論的煤巖沖擊傾向性細(xì)觀模擬試驗(yàn)研究，但僅研究了單軸抗壓強(qiáng)度和彈性能量指數(shù)對(duì)煤巖傾向性的影響；潘一山等[5]進(jìn)行了煤層沖擊傾向性與危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)指標(biāo)研究，提出了臨界應(yīng)力系數(shù)、臨界軟化區(qū)域系數(shù)、沖擊能量速度這3項(xiàng)新的評(píng)價(jià)指標(biāo)，但無法準(zhǔn)確計(jì)算出巷道發(fā)生沖擊地壓時(shí)的臨界巖體應(yīng)力和臨界尺寸；白漢營(yíng)等[6]應(yīng)用模糊綜合評(píng)判法評(píng)價(jià)煤巖沖擊傾向性，在運(yùn)算過程中舍去了一部分影響因素，導(dǎo)致隸屬函數(shù)值被權(quán)重系數(shù)值代替；王超等[7-8]采用熵權(quán)-理想點(diǎn)法綜合評(píng)價(jià)煤巖沖擊傾向性，該方法無法區(qū)分處于同一沖擊傾向性的多種煤樣間的沖擊傾向性強(qiáng)度。

海明距離法是一種多目標(biāo)、多因素的綜合評(píng)價(jià)方法[9-11]，其原理簡(jiǎn)單、科學(xué)，操作性強(qiáng)，能夠?qū)⒍嘁蛩亍⒍鄬?duì)象的模糊問題定量化，從而更準(zhǔn)確、更科學(xué)地評(píng)價(jià)模糊事件。海明距離法已應(yīng)用于空氣質(zhì)量評(píng)價(jià)[12]、垃圾填埋場(chǎng)地下水質(zhì)量評(píng)價(jià)[13]、礦井通風(fēng)系統(tǒng)評(píng)價(jià)[14]等領(lǐng)域，但在煤巖沖擊傾向性評(píng)價(jià)方面的應(yīng)用還缺乏系統(tǒng)研究。本文采用海明距離法對(duì)煤巖沖擊傾向性進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，采用線性插值法構(gòu)造評(píng)價(jià)對(duì)象的隸屬函數(shù)，來避免權(quán)重系數(shù)值代替隸屬函數(shù)值的問題，并采用更加客觀、科學(xué)的雙指標(biāo)表示評(píng)價(jià)結(jié)果。

1基于海明距離法的煤巖沖擊傾向性綜合評(píng)價(jià)模型

海明距離法通過選取最小海明距離來評(píng)判煤巖沖擊傾向性級(jí)別。其原理：首先選取各評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)模糊集下確界構(gòu)成評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)矩陣，再將該矩陣轉(zhuǎn)換為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)隸屬度矩陣，然后針對(duì)評(píng)價(jià)矩陣，運(yùn)用線性內(nèi)插公式構(gòu)造評(píng)價(jià)對(duì)象隸屬度矩陣，最后求取各評(píng)價(jià)對(duì)象隸屬度矩陣與評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)隸屬度矩陣間的海明距離，并將海明距離按大小進(jìn)行排序，選取最小的海明距離。

1.1確定評(píng)價(jià)因子和評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

假設(shè)有n個(gè)評(píng)價(jià)對(duì)象，每個(gè)評(píng)價(jià)對(duì)象有m個(gè)評(píng)價(jià)因子，則有n×m階評(píng)價(jià)矩陣：

(1)

式中：aij為第i(i=1,2，…，n)個(gè)評(píng)價(jià)對(duì)象的第j(j=1,2，…，m)個(gè)評(píng)價(jià)因子。

假設(shè)有t級(jí)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，則對(duì)于n個(gè)評(píng)價(jià)對(duì)象，有t×m階評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)矩陣：

(2)

引入線性內(nèi)插公式，得aij的隸屬值：

(3)

式中：b1j,btj分別為第j個(gè)評(píng)價(jià)因子的1,t級(jí)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)值。

用式(3)將式(1)轉(zhuǎn)換為評(píng)價(jià)對(duì)象隸屬度矩陣：

(4)

煤的沖擊傾向性評(píng)價(jià)具有模糊性?？紤]2種極端情形，即無沖擊傾向性煤樣和強(qiáng)沖擊傾向性煤樣，其余任何一種煤樣均介于這2種極端情形之間。所有的煤樣因各自不同的特點(diǎn)，對(duì)無沖擊傾向性煤樣和強(qiáng)沖擊傾向性煤樣分別具有不同的隸屬度。假設(shè)無沖擊傾向性煤樣和強(qiáng)沖擊傾向性煤樣的m個(gè)評(píng)價(jià)因子分別對(duì)自身的隸屬度為0和1，得到某煤樣對(duì)自身的隸屬度：

(5)

式中：bhj為第j個(gè)評(píng)價(jià)因子的h(h=1,2,…,t)級(jí)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)值；chj為bhj的隸屬度。

利用式(5)將式(2)轉(zhuǎn)換為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)隸屬度矩陣：

(6)

1.2評(píng)價(jià)原則與評(píng)價(jià)方法

海明距離法在求評(píng)價(jià)對(duì)象與標(biāo)準(zhǔn)對(duì)象的相似程度上可有效提高評(píng)價(jià)結(jié)果的分辨率。假設(shè)評(píng)價(jià)對(duì)象d和標(biāo)準(zhǔn)對(duì)象e均包括m個(gè)評(píng)價(jià)因子x1,x2,…,xm，且評(píng)價(jià)對(duì)象d對(duì)xj的隸屬度為μd(xj)，標(biāo)準(zhǔn)對(duì)象e對(duì)xj的隸屬度為μe(xj)，則評(píng)價(jià)對(duì)象d與標(biāo)準(zhǔn)對(duì)象e之間的海明距離為

(7)

μd(xj)為式(3)中的fij；μe(xj)為式(5)中的chj。

加權(quán)海明距離為

(8)

式中wj為第j個(gè)評(píng)價(jià)因子的權(quán)重。

(9)

由此可得評(píng)價(jià)對(duì)象隸屬度矩陣與評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)隸屬度矩陣之間的加權(quán)海明距離：

(10)

2實(shí)例分析

2.1評(píng)價(jià)因子與評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的選取

根據(jù)參考文獻(xiàn)[2]，選取動(dòng)態(tài)破壞時(shí)間(DT)、彈性能量指數(shù)(WET)、沖擊能量指數(shù)(KE)和單軸抗壓強(qiáng)度(RC)作為煤巖沖擊傾向性評(píng)價(jià)因子，根據(jù)評(píng)價(jià)結(jié)果將煤巖沖擊傾向性分為無沖擊傾向性(Ⅰ)、弱沖擊傾向性(Ⅱ)、強(qiáng)沖擊傾向性(Ⅲ)3類。各評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)單因子模糊分級(jí)界限見表1。

表1　煤巖沖擊傾向性各評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)單因子模糊分級(jí)界限

2.2評(píng)價(jià)結(jié)果

選取實(shí)測(cè)煤樣數(shù)據(jù)[8]進(jìn)行煤巖沖擊傾向性等級(jí)判定，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)見表2。

表2　某煤礦煤巖沖擊傾向性實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)

由表2可得6個(gè)評(píng)價(jià)對(duì)象的4個(gè)評(píng)價(jià)因子實(shí)測(cè)數(shù)椐構(gòu)成的矩陣：

(11)

根據(jù)模糊集距離的概念進(jìn)行模糊評(píng)價(jià)，均需確定單因子各級(jí)模糊界限值。其一般由式(12)確定：

(12)

由式(12)處理表1數(shù)據(jù)可得3×4階煤巖沖擊傾向性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)矩陣：

(13)

假設(shè)無沖擊傾向性煤樣和強(qiáng)沖擊傾向性煤樣的m個(gè)評(píng)價(jià)因子分別對(duì)應(yīng)自身的隸屬度為0和1，由式(5)可將評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)矩陣B3×4轉(zhuǎn)換為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)隸屬度矩陣：

(14)

由式(3)可將實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)矩陣A6×4轉(zhuǎn)換為評(píng)價(jià)對(duì)象隸屬度矩陣：

(15)

由式(9)得到6個(gè)評(píng)價(jià)對(duì)象、4個(gè)評(píng)價(jià)因子的權(quán)重矩陣：

(16)

經(jīng)歸一化可得

(17)

由式(10)可計(jì)算出各評(píng)價(jià)對(duì)象的海明距離，見表3。

表3　各評(píng)價(jià)對(duì)象的海明距離

從表3可看出，6個(gè)評(píng)價(jià)對(duì)象的最小海明距離分別為0.139，0.361，0.158，0.184，0.009，0.258?？芍?號(hào)礦10槽煤、1號(hào)礦7槽煤、2號(hào)礦18層煤、3號(hào)礦237工作面、4號(hào)礦B2煤和5號(hào)礦5層煤這6種煤樣的沖擊傾向性分別與強(qiáng)沖擊傾向性級(jí)別、弱沖擊傾向性級(jí)別、強(qiáng)沖擊傾向性級(jí)別、無沖擊傾向性級(jí)別、無沖擊傾向性級(jí)別和弱沖擊傾向性級(jí)別最貼近，即認(rèn)為6種煤樣的沖擊傾向性分別屬于強(qiáng)沖擊傾向性、弱沖擊傾向性、強(qiáng)沖擊傾向性、無沖擊傾向性、無沖擊傾向性、弱沖擊傾向性。

2.3評(píng)價(jià)結(jié)果分析

煤樣的實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)沖擊傾向性與模糊綜合評(píng)判法[7]、熵權(quán)-理想點(diǎn)法[8-9]、海明距離法的評(píng)價(jià)結(jié)果見表4。

表4　不同方法評(píng)價(jià)結(jié)果對(duì)比

由表4可知，海明距離法的評(píng)判結(jié)果與煤樣的實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)沖擊傾向性一致，說明海明距離法可作為一種評(píng)價(jià)煤巖沖擊傾向性的有效方法。根據(jù)煤樣的實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)沖擊傾向性知，3號(hào)礦237工作面與4號(hào)礦B2煤的沖擊傾向性處于無沖擊傾向性類別，則海明距離法的評(píng)價(jià)結(jié)果與熵權(quán)-理想點(diǎn)法評(píng)價(jià)結(jié)果相比具有更高的準(zhǔn)確性。

2.4次貼進(jìn)度比較

由表3知，1號(hào)礦7槽煤的沖擊傾向性和5號(hào)礦5層煤的沖擊傾向性都處于弱沖擊傾向性(II)，但二者對(duì)無沖擊傾向性(I)的次貼進(jìn)度分別為0.582和0.591。因此，1號(hào)礦7槽煤的沖擊傾向性要弱于5號(hào)礦5層煤的沖擊傾向性，且該結(jié)果與煤礦實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)情況相符合。由此得到6種煤樣的雙指標(biāo)評(píng)價(jià)結(jié)果：

從雙指標(biāo)評(píng)價(jià)結(jié)果可知海明距離以量化概念表征煤巖沖擊傾向性的進(jìn)展程度，直觀地描述煤巖沖擊傾向性的分布規(guī)律，有利于掌握煤巖沖擊傾向性的具體情況。另外，海明距離法評(píng)價(jià)結(jié)果與模糊綜合評(píng)判法、熵權(quán)-理想點(diǎn)法評(píng)價(jià)結(jié)果相比具有更高的分辨率。

3結(jié)論

將海明距離法引入煤巖沖擊傾向性評(píng)價(jià)中，并提出一種用線性插值構(gòu)造各評(píng)價(jià)對(duì)象隸屬函數(shù)的新方法，采用雙指標(biāo)表示評(píng)價(jià)結(jié)果，建立了基于海明距離法的煤巖沖擊傾向性綜合評(píng)價(jià)模型，得出以下結(jié)論：

(1) 海明距離法評(píng)價(jià)結(jié)果與煤礦現(xiàn)場(chǎng)沖擊傾向性一致，證明海明距離法可以作為一種新的、有效的煤巖沖擊傾向性評(píng)價(jià)方法。

(2) 在區(qū)分處于同一沖擊傾向性級(jí)別的煤巖沖擊傾向性強(qiáng)弱方面，海明距離法與模糊綜合評(píng)判法、熵權(quán)-理想點(diǎn)法相比具有更高的分辨率。

(3) 與模糊綜合評(píng)判法相比，海明距離法應(yīng)用線性內(nèi)插公式構(gòu)造評(píng)價(jià)對(duì)象的隸屬函數(shù)，避免權(quán)重系數(shù)值代替隸屬函數(shù)值的現(xiàn)象，同時(shí)具有計(jì)算過程簡(jiǎn)潔、可操作性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)；與熵權(quán)-理想點(diǎn)法相比，海明距離法評(píng)判結(jié)果具有更高的準(zhǔn)確性和科學(xué)性。

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網(wǎng)絡(luò)出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/32.1627.TP.20160126.1539.002.html

Evaluation of rock burst tendency of coal seam based on Hamming distance method

ZHANG Weiqiang1,2,WANG Enyuan1,2,LI Xuelong1,2,KONG Xiangguo1,2,LI Guoai1,2

(1.School of Safety Engineering, China University of Mining and Technology, Xuzhou 221116, China;

2.Key Laboratory of Mine Gas and Fire Disaster Prevention and Control of Ministry of Education,

Xuzhou 221116, China)

Abstract:In allusion to shortcomings of current evaluation methods about rock burst tendency of coal seam, a model was built for comprehensively evaluating rock burst tendency of coal seam on basis of Hamming distance theory. Dynamic failure time, impact energy index, elastic energy index and uniaxial compressive strength are selected as comprehensive evaluation indexes in the model. Membership functions of evaluation objects are structured by use of linear interpolation formula. Then similar degree between the evaluation objects and standard objects is gotten respectively by Hamming distance method. Evaluation results are gotten through using the minimum Hamming distance to evaluate classification. The analysis result of actual example shows that the evaluation results of Hamming distance method are consistent with rock burst tendency of coal seam in actually field; by contrasting Hamming distances of coal samples which are at the same burst tendency level, it is found that Hamming distance method has a higher resolution ratio than fuzzy comprehensive evaluation method and entropy-ideal point method.

Key words:rock burst tendency of coal seam; Hamming distance; linear interpolation; secondary close degree

中圖分類號(hào)：TD713.2

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間：2016-01-26 15:39

文章編號(hào)：1671-251X(2016)02-0007-05

DOI:10.13272/j.issn.1671-251x.2016.02.002

張偉強(qiáng)，王恩元，李學(xué)龍,等.基于海明距離法的煤巖沖擊傾向性評(píng)價(jià)[J].工礦自動(dòng)化，2016,42(2)：7-11.