劉 明，周一童，伍永平，多依麗

(1.西安科技大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 710054;2.遼寧石油化工大學(xué) 環(huán)境與安全工程學(xué)院，遼寧 撫順 113001；3.西安科技大學(xué) 能源學(xué)院,陜西 西安 710054)

0 引 言

大傾角煤層是以煤層傾角超過煤的自然安息角所出現(xiàn)的滑動(dòng)、失穩(wěn)等現(xiàn)象為主要特征而命名的。大傾角煤層由于傾角較大，其工作面系統(tǒng)可靠性較低，防護(hù)裝置效率偏低，安全事故屢有發(fā)生[1-3]。采煤工藝優(yōu)化雖然可以減少飛矸形成的數(shù)量，但仍無法從根本上避免對(duì)人員設(shè)備的傷損害事故發(fā)生。

我國的專家學(xué)者先后對(duì)大傾角煤層長壁工作面出現(xiàn)的飛矸現(xiàn)象進(jìn)行研究與實(shí)踐，并且設(shè)計(jì)提出了多種擋桿設(shè)備與防護(hù)技術(shù)。文獻(xiàn)[4]設(shè)計(jì)了一種光柵識(shí)別的大傾角煤層自動(dòng)擋矸裝置，該設(shè)備可以有效解決因飛矸運(yùn)動(dòng)的隨機(jī)性而引起的飛矸防護(hù)困難的問題。劉明申等[5]研究發(fā)明了一種漁網(wǎng)狀柔性擋矸網(wǎng)、鐵質(zhì)遮擋和擋矸輸送帶的防護(hù)裝置。隨著飛矸治理與控制能力的提升，何貴榮等[6]提出了改進(jìn)版的“擋煤簾”“柔性擋桿設(shè)施”等。雖然目前的防護(hù)裝置很多，但對(duì)于大傾角煤層飛矸災(zāi)害防治大多都是采取被動(dòng)防護(hù)裝置及措施[7-8],少有學(xué)者研究飛矸的運(yùn)動(dòng)機(jī)理，根據(jù)飛矸的運(yùn)動(dòng)機(jī)理去設(shè)計(jì)防護(hù)裝置[9-11]?；诖耍ㄟ^Rocfall結(jié)合正交試驗(yàn)方法，找出影響飛矸威脅的因素，最后利用動(dòng)態(tài)貝葉斯網(wǎng)絡(luò)對(duì)飛矸威脅等級(jí)進(jìn)行評(píng)估。

1 基于正交試驗(yàn)飛矸威脅因素分析

1.1 工作面飛矸運(yùn)動(dòng)模型的構(gòu)建

在大傾角煤層開采過程中，采煤機(jī)甩煤、推移刮板輸送機(jī)、移架等擾動(dòng)下靜止的煤(巖)塊啟動(dòng)。以新疆烏魯木齊艾維兒溝2130煤礦25221大傾角大采高綜采工作面為例，設(shè)飛矸初速度為3 m/s，工作面長度為120 m，工作面底板為砂巖，飛矸質(zhì)量為5 kg，數(shù)量為100，角速度為30 rad/s，基本參數(shù)見表1。

表1 模型參數(shù)Table 1 Model parameters

表1中，碰撞恢復(fù)系數(shù)表征了碰撞前后物體間速度的比例關(guān)系，只與碰撞物體材料有關(guān)。

工作面飛矸發(fā)生空間如圖1a所示，通過Rocfall模擬100次，得到飛矸運(yùn)動(dòng)軌跡如圖1b所示。

圖1 大傾角煤層工作面Fig.1 Working face of steeply dipping seam

由于飛矸模型參數(shù)均具有隨機(jī)性，當(dāng)參數(shù)發(fā)生變化時(shí)，飛矸運(yùn)動(dòng)軌跡也會(huì)隨之變化，同時(shí)飛矸的總動(dòng)能、彈跳高度、沿工作面運(yùn)動(dòng)距離等觀測變量也會(huì)發(fā)生顯著變化，為了探究哪些因素對(duì)飛矸威脅具有決定性的影響，需通過正交試驗(yàn)進(jìn)行分析[12-13]。

1.2 影響因素分析

由于大傾角煤層工作面飛矸傷損程度取決于飛矸的能級(jí)，因此將飛矸具有的總動(dòng)能作為飛矸威脅的評(píng)判依據(jù)，飛矸總動(dòng)能為

Ek=(mv2/2+Jω2/2)N

(1)

式中：Ek為飛矸總動(dòng)能；m為飛矸質(zhì)量；v為飛矸速度；J為飛矸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；ω為飛矸角速度；N為飛矸的數(shù)量。

飛矸沿工作面運(yùn)動(dòng)速度為

(2)

式中：vt為切向速度；vn為法向速度。

飛矸的運(yùn)動(dòng)速度v與飛矸的初速度v0和工作面長度L以及煤層傾角θ有關(guān)，工作面越長，煤層傾角越大，飛矸運(yùn)動(dòng)到底端具有的動(dòng)能越大，若飛矸運(yùn)動(dòng)過程中與工作面底板發(fā)生碰撞，則飛矸碰撞后的速度與法向碰撞恢復(fù)系數(shù)Rn、切向碰撞恢復(fù)系數(shù)Rt有關(guān)。從以上分析可知，影響飛矸動(dòng)能的因素有：m、N、ω、θ、L、Rn、Rt、v0。假設(shè)飛矸運(yùn)動(dòng)過程中不發(fā)生解體，所以飛矸數(shù)量是固定的；由于角速度對(duì)總動(dòng)能影響較小，暫不考慮轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)能。綜上所述飛矸威脅評(píng)判依據(jù)有6種影響因素分別為:m、v0、θ、L、Rn、Rt。

1.3 確定參數(shù)取值

采用Rocfall進(jìn)行建模，選取6種影響因素m、v0、θ、L、Rn、Rt進(jìn)行取值分析，根據(jù)正交試驗(yàn)的原理，將飛矸運(yùn)動(dòng)到工作面下端頭處的總動(dòng)能為目標(biāo)，考察各個(gè)因素對(duì)總動(dòng)能大小的影響以及各因素在不同水平下總動(dòng)能的變化規(guī)律和影響因素大小排序。選擇θ：35°～55°；L：100～140 m；v0：1.5～7.5 m/s；m：1～5 kg；Rn：0.30～0.34：Rt：0.82～0.86。

1.4 正交試驗(yàn)

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)正交試驗(yàn)表，選取6因素5水平進(jìn)行正交試驗(yàn)，見表2；25組正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)參數(shù)見表3。為探究同一水平下不同因素對(duì)總動(dòng)能影響的靈敏度大小，引入標(biāo)準(zhǔn)差與極差將不同因素對(duì)結(jié)果影響的大小進(jìn)行排序，得出哪些因素對(duì)總動(dòng)能影響較大。

表2 正交試驗(yàn)因素水平Table 2 Orthogonal experimental factor level

表3 正交試驗(yàn)結(jié)果Table 3 Orthogonal experimental results

設(shè)：Ek1、Ek2、Ek3、Ek4、Ek5為各因素在同一水平下的總動(dòng)能之和，σi為各個(gè)因素在同一水平下的平均功能，R為平均值的極差，極差表示因素的水平變化對(duì)試驗(yàn)影響的大小，極差越大影響越大，反之則越小，因素均值極差表見表4。

由表4可得重要度排序：工作面傾角>質(zhì)量>工作面長度>切向碰撞恢復(fù)系數(shù)>初速度>法向碰撞恢復(fù)系數(shù)。

表4 不同因素下總動(dòng)能之和、均值和極差Table4 The sum,mean and range of total kinetic energy under different factors J

2 基于動(dòng)態(tài)貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的威脅等級(jí)估計(jì)

2.1 貝葉斯網(wǎng)絡(luò)建模

貝葉斯網(wǎng)絡(luò)能綜合利用概率論和圖論進(jìn)行不確定事件分析和推理[14-18]。根據(jù)正交試驗(yàn)結(jié)果可知煤層傾角、飛矸質(zhì)量、飛矸沿工作面運(yùn)動(dòng)距離和速度對(duì)飛矸威脅等級(jí)影響較大，由于考慮到實(shí)際工況下煤層傾角為定值，不隨時(shí)間變化，故選取飛矸質(zhì)量、沿工作面運(yùn)動(dòng)距離和速度作為觀測節(jié)點(diǎn)，如圖2所示。

圖2 貝葉斯靜態(tài)結(jié)構(gòu)Fig.2 Bayesian static structure

2.2 貝葉斯網(wǎng)絡(luò)概率

由專家經(jīng)驗(yàn)知識(shí)判斷，威脅等級(jí)先驗(yàn)概率：威脅等級(jí)H、M、T的先驗(yàn)概率P1分別為0.10、0.15、0.75，威脅等級(jí)轉(zhuǎn)移概率見表5。

表5 威脅等級(jí)轉(zhuǎn)移概率Table 5 Threat level transition probability

規(guī)定飛矸質(zhì)量m≤3 kg狀態(tài)為小，記為X；3 kg

飛矸速度v≤3 m/s狀態(tài)為低，記為S；3 m/s

飛矸距離工作面下端頭處人或設(shè)備的距離(Length)越近威脅等級(jí)越高，將工作面長度三等分，工作面上部狀態(tài)為低，記為Y；中部為中，記為Q；工作面下部為高，記為J。

根據(jù)專家經(jīng)驗(yàn)知識(shí)得到各個(gè)觀測節(jié)點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的條件概率見表6，設(shè)其轉(zhuǎn)移概率不發(fā)生變化。

表6 不同因素影響威脅等級(jí)的條件概率Table 6 Conditional probability of different factors affecting the threat level

2.3 動(dòng)態(tài)貝葉斯網(wǎng)絡(luò)建模

基于上述的先驗(yàn)概率、轉(zhuǎn)移概率、條件概率，采用Genie軟件將靜態(tài)貝葉斯網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行動(dòng)態(tài)展開，得到動(dòng)態(tài)貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的展開圖和條形圖如圖3和圖4所示，并得到飛矸威脅等級(jí)曲線如圖5所示。

圖3 動(dòng)態(tài)貝葉斯網(wǎng)絡(luò)展開Fig.3 Dynamic Bayesian network expansion

圖4 動(dòng)態(tài)貝葉斯網(wǎng)絡(luò)展開條形概率Fig.4 Dynamic Bayesian network expansion bar probability

圖5 動(dòng)態(tài)威脅概率Fig.5 Dynamic threat probability

可以看出：飛矸速度在前3個(gè)時(shí)間片中高速和中速的飛矸比例有顯著的升高，因?yàn)槠鹗几咚俸椭兴亠w矸所占比例較少，大部分飛矸剛開始啟動(dòng)，飛矸速度較小，狀態(tài)比較平穩(wěn)，重力勢能可大部分轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，后2個(gè)時(shí)間片高速和中速飛矸變化趨于平穩(wěn)，由于飛矸速度變大時(shí)其運(yùn)動(dòng)狀態(tài)變得不穩(wěn)定，與工作面底板發(fā)生碰撞、摩擦能量會(huì)損耗，所以其速度最終會(huì)穩(wěn)定在一個(gè)水平；隨著飛矸距離下端頭越來越近，有少量飛矸由于底板不平停止運(yùn)動(dòng)。因此，降低飛矸對(duì)人或設(shè)備帶來的威脅，需在飛矸初始位置以及飛矸威脅等級(jí)較高的位置采取防護(hù)措施。

3 結(jié) 論

1)Rocfall結(jié)合正交試驗(yàn)可確定各個(gè)因素對(duì)飛矸威脅等級(jí)影響貢獻(xiàn)度排序。通過Genie動(dòng)態(tài)貝葉斯軟件對(duì)飛矸威脅等級(jí)進(jìn)行動(dòng)態(tài)評(píng)估，可得到飛矸威脅等級(jí)隨時(shí)間片的變化規(guī)律。

2)工作面實(shí)測飛矸的主要來源為煤壁片幫，對(duì)工作面作業(yè)人員和設(shè)備造成極大威脅，結(jié)合本文方法可在飛矸初始位置以及飛矸威脅等級(jí)較高位置處設(shè)置防護(hù)網(wǎng)或者設(shè)置其他自動(dòng)擋矸裝置。

3)本文理論方法的模擬結(jié)果與工作面現(xiàn)場實(shí)測下部區(qū)域設(shè)備破壞程度更加劇烈的情況相符合，更加印證了本文方法用于飛矸威脅等級(jí)評(píng)估的可行性。