Значение эмпирических закономерностей для построения теории внезапных выбросов угля и газа и создания метода их прогноза


Для успешной борьбы с внезапными выбросами угля и газа в шахтах и разработки методов их прогноза необходимо ясное понимание природы и механизма этих явлений. Теория внезапных выбросов должна учесть основные факторы, определяющие возникновение, развитие и затухание процесса выброса, и установить количественные закономерности, позволяющие оценивать выбросоопасные ситуации путем математического расчета.

То, что в настоящее время такой уровень понимания процесса выброса не достигнут, не умаляет роли теоретических исследовании, необходимых для более осмысленного подхода к задачам создания методов прогноза выбросоопасности и моделирования выбросов в лабораторных условиях. Однако из-за сложности явления экспериментальное обоснование теории наталкивается на большие трудности, что приводит к произвольному выбору различных теоретических моделей. В связи с этим эмпирические исследования закономерностей возникновения внезапных выбросов представляют большую ценность и существующие теоретические модели должны быть проанализированы с их учетом.

Современная наука предоставляет для эмпирического анализа обширный арсенал методов, успешно примененный при решении ряда задач, сходных с задачей прогноза внезапных выбросов (например, при обнаружении нефтеносных пластов по данным геофизического комплекса, предсказании мест сильных землетрясений, погоды и др.). Эти методы относятся к так называемой теории распознавания образов — сравнительно молодой дисциплине, интенсивно развивающейся в последние два десятилетня. Отметим лишь некоторые принципиальные стороны этого подхода. Ои основан на превращении ЭВМ с помощью специальной программы в автомат, воспроизводящий в определенном смысле поведение человека, занятого поиском эмпирических правил, позволяющих решить задачу классификации объектов пли ситуаций (в рассматриваемом случае задачу классификации пластов или зон по их характеристикам на опасные и неопасные по выбросам). Этот процесс обучения ЭВМ основан на анализе статистического материала о свойствах рассматриваемых объектов. Подобный подход применяется и для нахождения критерия выбросоопасности угольных пластов. В ИГД им. А.А. Скочинского разрабатывается распознающая система, включающая комплекс программ, обеспечивающих функционирование ЭВМ в различных режимах обучения. Рассмотрим некоторые результаты ее работы.

Анализ статистического материала, относящегося к свойствам пластов, опасных и неопасных по выбросам, позволил выявить ряд функций, коррелирующих с выбросоопасностью. Приведем одну из них, удовлетворяющую условию:

Здесь р — давление газа в пласте; С — число угольных пачек; q — прочность угля, определенная по глубине погружения прочностномера; G — граничное значение (приведено ниже).

Давление газа р определяет энергию газа в угольном пласте, в то время как прочность угля в массиве q и число пачек С характеризуют его устойчивость. Функция Ф от этих параметров характеризует состояние угольного пласта и его способность терять устойчивость при определенном сочетании их значений.

Ниже приведены характеристики функции pC/q и некоторых других функций, коррелирующих с выбросоопасностью. Эти функции позволяют проводить локальный прогноз выбросоопасности, т.е. классифицировать пласты на опасные и неопасные по выбросам.

Величины р, С, ом, М, q являются средними значениями соответствующих параметров на данной выборке пластов (р = 30 кгс/см2, С = 2,99 пачек, ом = 0,761 м, М = 0,861 м, q = 67,1 мм-1).

Более подробную информацию о свойствах функций

дают гистограммы, приведенные на рис. V.8, а и б. При рассмотрении этих рисунков следует учесть, что масштаб по оси абсцисс на некоторых участках уменьшен, чтобы избежать слишком большой плотности точек, а на некоторых — увеличен (если плотность точек очень мала). Такой прием обеспечил большую наглядность и характерность картины.

Нa гистограммах опасные пласты отмечены символами О, неопасные по внезапным выбросам газоносные угольные пласты — символами +. Зачерненные кружки соответствуют случаям, когда выброс наблюдался непосредственно до или сразу после измерения характеристик пласта. Фактически это примеры выбросоопасных зон. Абсцисса каждой точки равна значению соответствующей функции для данного пласта (верхнему граничному значению для интервала). Точки развернуты по вертикали, чтобы не происходило их наложения друг на друга. Полученная картина соответствует гистограмме распределения пластов по значениям функций. Особенностью этой картины является резкое различие в расположении точек, описывающих опасные и неопасные пласты. Точки, соответствующие неопасным пластам, сосредоточены в узкой области малых значений функций, а точки, соответствующие опасным, занимают обширную область и характеризуются большими значениями этой функции.

Если между областями опасных и неопасных пластов провести границу, которая для функции (V.4) пройдет через значение Ф*10=4 (рис. V.8,а), то лишь два опасных пласта попадут в неопасную область и 15 неопасных — в опасную. Таким образом, точность классификации с помощью критерия (V.4) составит для неопасных пластов около 90%, а для опасных пластов более 97%. Интересно, что лишь в одном случае точка, изображающая выбросоопасную зону, попала в неопасную область. Это выгодно отличает функцию Ф от других критериев вибросоопасности, хотя она и не является лучшей в отношении точности при локальном прогнозе.

Лучшая (в отношении точности локального прогноза) функция F имеет вид линейной комбинации четырех параметров: М (мощности пласта), ом, р, C, один из которых (ом) характеризует изменчивость структурных (числа пачек и мощности) и прочностных свойств угольного пласта.

Параметр ом является комплексным показателем выбросоопасности, отражающим влияние изменчивости о рассматриваемой части пласта величин Q, М и С. Согласно
Значение эмпирических закономерностей для построения теории внезапных выбросов угля и газа и создания метода их прогноза

где n — число определений параметра Mc:

здесь а, у, в1, a1, в — коэффициенты, для пластов Донбасса равные соответственно 0,16; 0,35; 1,35; 0,35; 7,2.

Гистограммы убедительно демонстрируют хорошую корреляцию рассматриваемых функций с выбросоопасностью. Они позволяют сделать вывод, что найденные критерии, будучи очень простыми по форме, не уступают в точности более сложным критериям выбросоопасности. Один из таких критериев, сформулированный в ряде работ характеризуется гистограммой, приведенной на рис. V.8, в.

Окончательный выбор критерия выбросоопасности и его сравнение с существующими правилами прогноза внезапных выбросов будут сделаны после анализа с помощью описанной программы более представительного статистического материала.

В связи с проблемой выбора критерия выбросоопасности остановимся из некоторых существенных особенностях найденных функций. Достоинство функций pC/q и F заключается в том, что они содержат относительно малое число параметров пласта и, следовательно, в меньшей степени, чем более сложные критерии, зависят от подгонки коэффициентов. Это внушает уверенность, что высокая точность соответствующих нм критериев на рассмотренной выборке не случайна. (Чем меньше параметров и подгоночных коэффициентов содержит функция, тем вероятнее, что полученные результаты носят неслучайный характер и не изменятся при рассмотрении новых выборок примеров опасных и неопасных пластов). Поэтому предпочтение следует отдать тем функциям, которые при равных условиях в отношении точности критерия содержат минимальное число параметров и подгоночных коэффициентов.

Вопрос о минимизации числа параметров пласта, входящих в критерии выбросоопасности, важен также и потому, что измерение лишних параметров связано с дополнительной затратой труда и времени. Статистические данные, относящиеся к опасным и неопасным пластам, содержат в ряде случаев несколько десятков типов физико-механических параметров пластов и вмещающих пород. Чтобы избежать напрасных затрат труда -на их измерение, необходимо провести исследование с целью определения их информативности. Это даст возможность определить минимальное число наиболее информативных параметров, достаточное для достижения максимальной точности прогноза.

К интересным результатам привел поиск критерия выбросоопасности с помощью распознающей обучающейся программы при анализе статистических данных, включающих концентрацию парамагнитных центров N для выбросоопасных и неопасных зон угольных пластов. При анализе 37 примеров (23 опасных и 14 неопасных зон) был найден простой критерий:

Функция F, по значениям которой можно идентифицировать выбросоопасные зоны, имеет вид

где Hа и Ca — атомные содержания водорода и углерода в образце угля.

Для рассматриваемой выборки опасных и неопасных зон критерий (V.6) имеет стопроцентную точность. Это демонстрирует гистограмма на рис. V.9, а, где по оси абсцисс отложены верхние значения функций для каждого интервала. На верхней кривой точки, относящиеся к опасным зонам, сдвинуты вправо с тем, чтобы избежать их наложения на точки, изображающие неопасные зоны. Опасные зоны (кружки) на этой гистограмме занимают область больших значений F, а неопасные — более узкую область малых значений (для большей наглядности масштаб на некоторых участках гистограммы изменялся). Интересно сравнить эту картину с гистограммой, построенной для параметра N для тех же примеров (рис. V.10,a). Эта гистограмма свидетельствует о высокой степени корреляции N с выбросоопасностью. Однако в этом случае наблюдается перекрытие областей опасных и неопасных зон. Таким образом, множитель Hа/Cа существенно влияет на качество критерия F (заметим, что сами Hа и Са на данной выборке примеров не коррелируют с выбросоопасностью).

Другая группа рассмотренных примеров относится к пластам, вскрытие которых не сопровождалось выбросами угля и газа (случай А), и пластам (случай В), при вскрытии которых наблюдали выброс. Для этих примеров параметры Hа и Cа были неизвестны, зато были определены такие параметры, как давление газа п пласте р, пористость угля П, крепость угля и ряд других (всего 15 параметров). ЭВМ, обучаясь, нашла как лучшую для построения критерия выбросоопасности функцию вида

Как видно из гистограммы распределения пластов (случаи А и В) по значениям этой функции (см. рис. V.9,б), разделение опасных и неопасных зон и в этом случае сравнительно хорошее. Число ошибок при использовании Ф как критерия выбросоопасности составило 4 на 30 примеров. Однако параметр N для этой выборки примеров (рис. V.10,б) хуже коррелирует с выбросоопасностью, чем в предыдущем случае. Проведенный в обоих случаях анализ подтверждает точку зрения, что N наиболее важный параметр для предсказания выбросоопасности. Одной из интересных задач является теоретическая интерпретация наблюдаемой высокой корреляции функций F и Ф с выбросоопасностью.

Поиск полезных функций с помощью описанной программы должен быть продолжен с целью нахождения более точных критериев выбросоопасности. Хорошей формой представления результатов такой работы являются гистограммы типа приведенных на рис. V.8. Они дают наиболее полную информацию о ценности рассматриваемых функций для целей прогноза, причем эта информация представлена в наглядном виде.

Значение полученных результатов для теории внезапных выбросов связано с проблемой ее экспериментального обоснования. В качестве примера обратимся к теории волны дробления, разрабатываемой акад. С.А. Христиановичем. Простым следствием этой теории является критерий

который можно рассматривать как достаточное условие выброса. Здесь р — давление газа в пласте, m — пористость угля, 5 — прочность угля на разрыв. Условие (V.8) напоминает приведенный выше критерий (V.4): pG/q больше G, но, в отличие от него, не содержит параметра С (числа угольных пачек). Этот пример свидетельствует о разрыве между теоретическими и эмпирическими критериями выбросоопасности, выражающемся, в частности, в различии фигурирующих в них характеристик угольного пласта.

Теория С.А. Христиановича содержит интересные идеи о роли развития трещин в призабойной части угольного пласта и условиях возникновения волны дробления. Результаты наших исследований показывают, что эти идеи должны быть дополнены с учетом новых данных о структуре угля, существенно влияющих на выбросоопасность.

На рис. V.11 приведена гистограмма распределения тех же примеров выбросоопасных и неопасных пластов по значениям функции

где С, П, N — число пачек, значение пористости угля и концентрация парамагнитных центров; С, П, N — средние значения этих параметров на рассматриваемой выборке (С=0,014, П = 033, N = 2,53*10в20 ПМЦ*г-1).

Функция Z является лучшей из разделяющих функций в случае вскрываемых пластов. Как следует из рис. V.11, всего два пласта (один опасный и один неопасный) попадают на этой картине в «чужие» области. Таким образом, ошибка разделения пластов на опасные и неопасные составила всего 2/30=6,6%.

По-видимому, точность должна быть еще большей для функции, включающей наряду с С, П, N параметр р (давление газа). Поэтому поиск наилучшей разделяющей функции с помощью распознающей программы будет продолжен.

Имя:*
E-Mail:
Комментарий:
Информационный некоммерческий ресурс fccland.ru ©
При цитировании информации ссылка на сайт обязательна.
Копирование материалов сайта ЗАПРЕЩЕНО!