急倾斜煤层放煤巷道稳定性分类的距离判别分析法及其应用

急倾斜煤层放煤巷道稳定性分类的距离判别分析法及其应用 急倾斜煤层放煤巷道稳定性分类的距离判 别分析法及其应用 第25卷第2期 2010年6月 矿业研究 MineralEngineeringResearch Vo1.25No.2 J吼.2010 急倾斜煤层放煤巷道稳定性分类的距离判别分析法及其应用 朱卓慧,冯涛Lz,谢东海 (1.湖南科技大学煤矿安全开采技术湖南省重点实验室,湖南湘潭411201;2.湖南科技大学能源与安全工程学院,湖南湘潭411201: 3.中南大学资源与安全工程学院,湖南长沙410083) 摘要:维护放煤巷道稳定是急倾斜煤层放顶煤采煤法成功的关键.根据放煤巷道断面收缩率和支架损坏率.将放煤巷道稳定 性分为3类:稳定,中等稳定和不稳定.首先充分考虑影响放煤巷道稳定性的围岩条件,放煤工艺参数和支护等3个方面的11 个因素,并借鉴距离判别分析理论,建立了放煤巷道稳定性分类的距离判别分析模型.最后.把该模型用于放煤巷道支护方案的优 选.模型检验结果和实际应用表明:距离判别分析模型分类性能好,识别精度高,是放煤巷道稳定性分类的一种有效.该方法对 巷道稳定性分类和支护方案选择等具有重要意义. 关键词:急倾斜煤层;放煤巷道:稳定性分类:支护方案:优选:距离判别分析 中图分类号:TU443文献标识码:A文章编号:1674—5876(2010)02—0006—03 急倾斜煤层巷道放顶煤采煤是在一个采区内沿 倾斜方向按一定标高划分若干个区段,在每个区段底 部沿煤层顶板布置一条放煤巷道,如图1所示,于放煤 巷道内侧帮全长内以一定间距均匀布置放煤小眼,在 放煤小眼内放炮形成破碎补偿空间,顶煤在矿山压力, 自重应力,瓦斯压力等因素的作用下破碎,并自行垮 落,从放煤小眼均匀放出,运出放煤巷道.其中,放煤巷 道集落,装,运,放,行人,通风等诸多功能于一体,是该 采煤法的主体工程,其稳定与否直接决定该采煤法的 经济效益与安全状况ti1.因此,合理选择支护方案,维护 放煤巷道稳定,是该采煤法成功的关键团. 图1急倾斜煤层巷道放顶煤采煤法嘲 近年来,在放煤巷道稳定性分类及支护方案选择 方面,已取得了一些研究成果[2-3].本文从另一个角度出 发,试图运用判别分析理论,建立放煤巷道稳定性分类 的距离判别分析模型,并将该模型用于放煤巷道支护 方案的选择,取得了良好的效果,为放煤巷道稳定性分 类及支护方案选择提供了一条新思路. 1距离判别分析理论 距离判别分析是用于判别样品所属类别的一种 应用性很强的多元统计分析方法,该方法已在岩爆烈 度分级[41,岩体质量分类[51,顶煤可放性识别【句等方面得 到了应用.其基本思想是【7】:样品和哪个总体的距离最 近,就判断它属于哪个总体. 1.1距离判别准则 设G为m元总体,其中样本=舭,…,令 ?(i=1,2,…,,则G的均值向量为=l,,…, lG的协方差阵为 A=Cov(G)=E[(G)(G)1],(1) 用Mahalanobis距离定义样本与总体G的距离咧: Fig.1Systemofroadwaysub—levelcavinginsteepseamIdG)=[')T?').(2) 6 收稿日期:2009—1o-l7. 基金项目:国家自然科学基金重点项目(5os34oo5);1~家安全总局资助项目(07— 2101 通信作者:朱卓慧(1982一),男,湖南岳阳人,博士生,讲师,研究方向:采矿工程.E— nlail:zhuzhuohui1982@tom.com 对总体和到和的距离的平= d一dGp)=一2?一?】'(3) 其中, ?=(?一一0.一, ':(?一~)TX-O.qrA一 由此可得 d2?G?, Gp)<??. 利用各总体的学习样本对和?进行求解.设来 自的样本为…O=l,2,…,其中 是的样本个数,则的估计量为 : (孙一,)=(,…五)T'(4) ?的估计为协方差阵 = ()()l(5) 当?--A(q=l,2,…,|j})时,得到?的估计为 fnq一11(一1),(6)(?一)(一1),(6 以和分别代替和?,从而可以得到%? =】,2,…,七)的估计量为 ():(一1一Xq)Tx--0.5()TzL(7) 因此,多总体情况下的距离判别准则为:若总体 满足 %o()=ma)【‰(),(8) 则X? 1.2判别模型的评价 采用误判率评价判别模型的优良性.其方法是:将 所有学习样本逐个代人判别模型,判别其归属,计算误 判样本个数与学习样本数的比值,该比值即为误判率. 2放煤巷道稳定性分类的距离判别分 析模型 2.1放煤巷道稳定性影响因素 研究表明[1-3,10-11影响放煤巷道稳定性的因素包括 围岩条件,放煤工艺参数,支护方案等3个方面的l1 个因素,如图2所示. 2.2放煤巷道稳定性分类 放煤巷道不同于永久巷道,其服务时间较短.根据 巷道变形量和支架损坏情况,将放煤巷道稳定性分为 稳定,中等稳定和不稳定等3类. 放 煤 巷 道 稳 定 性 乏 参 茎 __—— 围 橐 件 支 护 方 案 (1)分段高度 (2)放煤小眼间距 (3)顶板强度 (4)煤层强度 (5)煤层厚度 (6)煤层倾角 (7)围岩节理发育程度 匝耍壅夏] 罚历] (10)支护材料 (II)支架间距 图2放煤巷道稳定性影响因素 Fig.2Influencingfactorsofcavingroadwaystability 2.3放煤巷道支护方案 根据图2,支护方案包括的3项内容.在已进行放 顶煤开采的放煤巷道中,采用过梯形刚性支架,梯形可 缩性支架,拱形可缩性支架等3种支护形式和9号矿 用工字钢,11号矿用工字钢,25号u形钢等3种支护 材料,以及0.50,0.55,0.60m等3种支架间距. 根据对同一条放煤巷道采用同一种支护形式和 支护材料及0.50,0.55,0.60m等3种不同支架间距 时的稳定性进行分析,支架间距对该支护条件下放 煤巷道稳定性的影响较小.本文不考虑支架间距对 放煤巷道稳定性的影响,并根据支护形式和支护材 料的不同组合,参考现场使用情况,提出5种支护方 案,如表l所示. 表1放煤巷道支护方案 Tab.1Supportpatternsofcavingroadway 2.4距离判别分析模型的建立 选择6个工业性试验矿井的18条巷道作为学习 样本,如表2所示.以顶板强度01),煤层强度?,煤层厚 度?,煤层倾角?,巷道埋深,围岩节理发育程度 ?,分段高度7),放煤小眼间距?,支护方案?等9 7 个指标作为输人层单元,以放煤巷道稳定性作为输出 层单元,利用上述样本数据进行训练,得到放煤巷道稳 定性分类的距离判别分析模型: l一5.907xl一18532x2+34215x3+11.860x4— 0.900x~56.12xd-421.931x1-.4495lx8+ 3&079x~一1101名2& 】I[)=一5.531一l5.o08xzt-28.362x3+10.604— 0.763xn+50.268x6+367.19538.473xrl- 30.527轴一874.687. 3x3=一6.262xI—l1,610x2+32.41lx3+10.160x4— 0.6815_9.775x6+357.167--32.00B+ 25.707x9—898.39. 表2距离判别分析模型分类结果 Ta1).2ClassificadONresultsobtained withdistancediscriminantanalysismodel 篱瑟簸躲瓣麓薅蒸门/I~ff'a/MPa/MPa/MPa/m/m笤幔 分类结果 实际本文 情况方法 注:表中围岩节理发育程度1-5分别对应于很发育,较发育,中等 发育,不发育和很不发育;支护方案1-5分别对应于表1中的5种支护 方案. 2.5距离判别分析模型的检验 利用上述距离判别分析模型对学习样本进行回 代判别,结果如表2所示.分类结果与实际情况完全相 符,所以误判率为0.由此可见,距离判别分析模型用于 放煤巷道稳定性分类是可行的. 3放煤巷道支护方案优选 梅田六矿四是急倾斜煤层巷道放顶煤工业性试验 地点之一.其中一条放煤巷道煤层顶板强度为51MPa, 煤层强度为l2MPa'煤层厚度为4.6m,煤层倾角为 73~,巷道埋深为305m,围岩节理裂隙中等发育;放煤工 8 艺参数为:分段高度20m,放煤小眼间距1.8m.经初步 论证,该放煤巷道可采用的支护方案有5个C见表1).将 上述数据代入距离判别分析模型,结果如表3所示. 表3不同支护方案的支护效果 Tab.3Supporteffectsofdifferentsupportpatterns 支护方放煤巷道稳定性支护方放煤巷道稳定性 1中等稳定4稳定 2中等稳定5稳定 3中等稳定 由表3可见,方案4和方案5都能满足该放煤巷 道的支护要求.但u型刚拱形支架的成本远远高于矿 用工字钢梯形支架.经综合比较,该放煤巷道选用支护 方案4,即支护形式采用梯形可缩性支架,支护材料采 用11号矿用工字钢.根据现场观测和统计圈'该巷道采 用方案4进行支护后,巷道断面收缩率为17.2%,支架 损坏率为11.2%,能够满足要求.可见,本文优选结果与 现场吻合较好. 4结论 放煤巷道稳定性分类是合理选择支护方案的基 础.本文将距离判别分析方法用于放煤巷道稳定性分 类,通过实例分析得出以下结论: 1)放煤巷道稳定性分类是一个复杂的多因素决策 问题.主要受围岩条件,放煤工艺参数,支护方案等3 个方面l1个因素的影响. 2)应用表明,采用距离判别分析方法能够准确的 对放煤巷道稳定性进行分类,该方法对于巷道稳定性 分析,支护方案选择等具有重要的参考价值. 3)距离判别分析方法是以大量训练样本为基础 的,在实际应用中应不断补充样本,提高该方法的泛 化能力. 参考文献: [1]1王卫军,朱川曲,谢东海,等.急倾斜煤层巷道放顶煤理论与实践【M】. 北京:煤炭工业出版社.2001. 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Adistancediscriminantanalysismethodforstabilityclassification ???'??-? ??'''?--?'0Icavingroaawayintop-coalCavlnginsteepSeamanditsapplicati0n ZHUZhuohui,FENGTao,XIEDonghai'2'3 (1.HunanProvincialKeyLaboratoryofSafeMiningTechniquesofCoalMines,HunanUniversityofScienceandTechnology,Xiangtan411201,China; 2.SchoolofEnergyandSafetyEngineering,HunanUniversityofScienceandTechnology,Xiangtan411201,China; 3.SchoolofResourcesandSafetyEngineering,CentralSouthUniversity,Changsha410083,China) Abstract:ThestabilityofcavingroadwayisthekeypointoftheSuccessofthesystemofroadwaysub--levelcavingin steepsealn.Accordingtoareareductionratioanddamageratioofsupports,thestabilityofcavingroadwayisclassifiedinto 3types:stability,middlestabilityandinstability.The11factorsonthestabilityofcavingroadwayarefullyconsidered.A distancedicfiminantanalysismodelforstabilityclassificationofcavingroadwayisestablishedbasedonthedistance discriminantanalysistheory.Finally,themodelisappliedtooptimalselectionofsupportpatternsforcavingroadway. Testingresultandapplicationofthemodelshowthatthedistancedicriminantanalysismodelhasagreatclassification capabilityandahighdistinguishingaccuracy,anditisalleffectivemethodforthestabilityclassificationofcavingroadway. Thiswillplayanimportantroleinroadwaystabilityclassificationandsupportpatternsselection. Keywords:steepseam;cavingroadway;stabilityclassification;supportpattern;optimalselection;distance diseriminantanalysis 9