·400 北京科技大学 学 报 2005年第4期 险性之间的内在机制，运用多因素模式识别技术 进行综合智能分析，应用神经网络和模糊推理方 =品22品品94盒8出2山4品·名品点品 法确定预测区域各单元的危险概率，建立煤与瓦 斯突出危险性多因素模式识别概率预测模型，对 煤与瓦斯突出的危险性进行分类，划分煤与瓦斯 突出危险区、突出威胁区和无突出危险区， 煤与瓦斯突出预测步骤如下：(1)输入变量模 糊化：(2)模糊算子的应用与模糊蕴含：(3)模糊合 成：(4)反模糊化：（⑤）区域预测及结果后处理. 进行预测时需选定井田区域，以影响煤与瓦 斯突出的多因素参数作为输入数据建立预测矩 阵，采用模式识别方法完成整个区域预测过程. 输出每一单元的突出危险性概率值，将突出危险 图1模式识别系统运行界面 性概率值存储在数据库中，完成区域预测 Fig.1 GUI of the pattern recognition system 22影响因素和概率预测指标确定 3应用实例 研究中，选用八个影响因素：活动构造、最大 主应力、应力梯度、顶板岩性、煤坚固性系数、瓦 3.1潘一井田构造特征及煤与瓦斯突出 斯放散初速度、瓦斯压力和瓦斯含量：分析各单 潘一井田位于潘集背斜南翼及东西部倾伏 一因素进行数据处理，提取特征，将单一因素分 转折端南翼.地层走向自东向西为N30E至N60° 别与井田内已经发生突出的数据复合， W,倾向SE-SW,倾角由浅入深逐渐变缓(20 确定煤与瓦斯突出危险性的概率预测准则： 7).井田内以斜切张扭性断层为主，压扭性断层 危险区概率预测指标>0.6，威胁区概率预测指标 次之.张扭性断层为潘一矿井田主要断层，是影 为0.60.3，安全区概率预测指标<0.3. 响井开拓、生产的主要地质因素：主要压扭性 23煤与瓦斯突出多因素模式识别概率预测 断层为走向和背斜轴向基本一致或二者交角20 煤与瓦斯突出预测模式识别基本原理是基 30°的逆断层，其落差较大，是确定井田边界及采 于这样的认识：煤与瓦斯突出是受多因素控制. 区边界的地质依据.潘一井田构造纲要图见图2. 如果取n个因素研究，把每一个因素看作一个向 潘一矿13-1煤层煤与瓦斯突出情况见表1. 量的元素，那么，n个因素就组成一个n维向量.n 3.2潘一矿13-1煤层煤与瓦斯突出模式识别 个因素的每一种组合就是一种模式识别，都在” 对井田区域进行网格划分，将潘一矿划分为 维特征空间维惟一对应一个位置.一个合理的假 100m×100m的网格共计7474个，研究中为避免 设是同类模式在特征空间相距很近，不同类的模 边界效应，研究区域略大于井田范围， 式相距较远；也就是说相距很近的模式它们的特 煤与瓦斯突出多因素模式识别概率预测结 征相差不大，如果用某种方法分割空间，使得同 果：图3是以突出危险性概率值大小生成分层着 一类模式大体在特征空间的同一个区域中.对于 色预测图.图4是各预测单元的概率统计直方 待分类的模式，就可根据它的特征向量在特征空 图，预测结果与工程图结合可生成单元预测图. 间的哪一个区域而判定它属于哪一类模式.模式 对单元突出危险性概率值分析统计结果表明，潘 识别的任务就是用某种方法划分特征空间，使得 一矿13-1煤层突出危险性概率值最大值为 同类的模式位于同一个区域.对特征空间进行划 0.7431,最小值为0.1462，最大值位于井田西南 分是一套严密的数学计算方法，习惯上称之为分 部，最小值位于井田西北部低应力区，系统对潘 类器或学习机可. 一矿13-1煤层突出危险性区域预测的结果表明 系统采用Windows标准图形用户界面，上部 该煤层存在严重的突出危险. 为系统菜单，中间为工具条，左边为图层显示控 33模式识别概率预测突出危险性效果检验 制栏，通过全视图方便地实现全图缩放、图形移 潘一矿从全矿范围看，预测基本分为三个条 动和图形浏览（见图1）. 带，即煤层浅部为安全区、中部为突出威胁区、深· 4 00 . 北 京 科 技 大 学 学 报 2 0 5 年 第 4 期 险性 之 间的 内在 机制 , 运用 多因素 模式 识别 技术 进 行 综合智 能分 析 , 应用 神经 网络 和模 糊推 理方 法确 定预测 区 域 各单 元 的危 险概率 , 建立煤与瓦 斯 突 出危险 性 多因 素 模式 识别概 率预 测模 型 , 对 煤 与 瓦斯突 出 的危险 性进 行分类 , 划分 煤与 瓦斯 突 出危 险 区 、 突 出威 胁 区 和 无突 出危 险 区 . 煤与 瓦斯 突 出预测 步骤 如下 : ( l) 输入 变量 模 糊 化 ; (2) 模糊 算 子 的应用 与 模糊 蕴含 ; (3) 模 糊 合 成 ; (4 ) 反模糊化 ; (5 ) 区 域预 测及 结 果 后处 理 . 进 行 预测 时需 选 定井 田区域 , 以影响煤与 瓦 斯 突 出 的多 因素 参 数 作 为输 入 数据 建 立 预测 矩 阵 , 采 用模 式 识别 方 法完成 整 个 区域 预测 过 程 . 输 出每 一 单元 的突 出危 险性概 率值 , 将 突 出危 险 性 概 率值 存储 在 数据 库 中 , 完 成 区 域预 测 . .2 2 影 响 因素和 概 率预 测 指标确 定 研 究 中 , 选用 八 个影 响 因素 : 活动 构造 、 最 大 主应 力 、 应 力 梯度 、 顶板 岩 性 、 煤 坚固性 系数 、 瓦 斯 放散 初速 度 、 瓦斯 压 力和 瓦斯 含 量 : 分 析各 单 一 因 素进 行数 据 处理 , 提 取 特 征 , 将单 一 因素 分 别 与井 田 内 己 经 发生 突 出 的数据 复合 . 确定 煤与 瓦 斯突 出危 险性 的概 率预 测准 则 : 危 险 区 概 率预 测指 标 > .0 6 , 威胁 区 概率 预测 指 标 为 .0 6一.0 3 , 安 全 区 概率 预 测指 标 < .0 3 . .2 3 煤 与 瓦斯 突 出多 因素 模 式识 别概 率 预测 煤与 瓦斯 突 出预 测模 式识 别 基 本 原 理 是 基 于这 样 的认 识 : 煤 与 瓦斯 突 出是 受 多 因素控制 . 如 果取 n 个 因素研 究 , 把 每 一个 因 素看 作一 个 向 量 的元 素 , 那 么 , n 个 因素 就组 成 一个 n 维 向量 . n 个 因素 的每 一种 组 合 就是 一种 模 式识 别 , 都 在 n 维特 征空 间维 惟一对 应 一个位 置 一个合 理 的假 设是 同类 模式 在特 征空 间相距 很近 , 不 同类 的模 式相 距较 远 ; 也就 是说 相距 很近 的模 式它们 的特 征相 差 不 大 . 如 果用 某种 方法 分 割空 间 , 使 得 同 一类 模式 大体 在特 征 空间 的同一 个 区 域 中 . 对 于 待分 类 的模式 , 就 可根 据它 的特 征 向量在特征 空 间的哪一 个 区域而 判定 它属 于哪 一类模 式 . 模 式 识 别的任 务就 是用 某种 方法 划分特 征 空 间 , 使 得 同类 的模式位 于 同一个 区 域 . 对特 征 空 间进 行 划 分 是一套 严 密 的数 学计 算方 法 , 习 惯 上称 之 为分 类 器或 学 习 机闭 . 系统 采用 Wi n do w s 标准 图形 用 户 界面 , 上 部 为系统 菜 单 , 中 间 为工 具条 , 左 边 为 图层 显示 控 制 栏 , 通 过全 视 图方 便地 实 现全 图缩放 、 图形 移 动 和 图形 浏 览 (见 图 1) . 图 1 模 式识 别系统 运行界 面 F ig . 1 G lU o f tb e p a et , 民 e o g . 州。 . sy s et m 3 应用 实例 .3 1 潘一 井 田 构造 特 征 及煤 与瓦 斯 突 出 潘 一井 田 位 于 潘 集 背斜 南 翼 及 东 西 部倾 伏 转 折端 南 翼 . 地层走 向 自东 向西为 N3 o0 E至 N 6 o0 W , 倾 向 S ~E S W , 倾 角 由浅入 深 逐渐 变缓 (20 一 7o ) . 井 田 内 以斜 切 张扭 性 断层 为主 , 压 扭性 断层 次之 . 张 扭性 断层 为潘 一 矿井 田 主要 断层 , 是影 响矿 井 开拓 、 生产 的主 要 地质 因素 ; 主 要压 扭性 断层 为走 向和 背斜轴 向基 本一 致或 二者交 角 20 一 3 0 的逆 断层 , 其落 差较 大 , 是确定井 田 边界 及采 区 边 界 的地 质依 据 . 潘 一井 田构 造纲要 图见 图2 . 潘一 矿 13一 1 煤 层煤 与 瓦斯 突 出情 况见 表 1 . .3 2 潘 一矿 13 一1 煤层 煤 与瓦 斯突 出模 式 识别 对 井 田区 域进 行 网格划 分 , 将潘 一矿 划 分为 I O0 m x l o m 的 网格共 计 7 4 74 个 , 研 究 中为避 免 边界 效应 , 研 究区域 略 大 于井 田范 围 . 煤 与 瓦 斯 突 出 多 因素 模 式 识 别概 率预 测 结 果 : 图 3 是 以突 出危 险性 概 率值 大小 生成 分层 着 色预 测 图 . 图 4 是 各预 测 单元 的概 率统 计直 方 图 , 预 测 结果 与工 程 图结 合可 生成 单元 预 测 图 . 对单 元突 出危 险性 概率值 分析 统计 结果表 明 , 潘 一 矿 13一 1 煤 层 突 出 危 险 性 概 率 值 最 大 值 为 .0 74 3 1 , 最小值 为0 . 146 2 , 最大 值位 于井 田 西南 部 , 最 小值 位 于井 田 西北 部低 应 力 区 . 系统 对潘 一矿 13 一 1 煤层 突 出危 险 性 区域预 测 的 结果 表 明 该煤 层 存在 严 重 的突 出危 险 . .3 3 模式 识 别概 率 预测 突 出危 险性 效果 检验 潘一 矿从 全矿 范 围看 , 预 测基 本 分为三 个条 带 , 即煤 层 浅部 为安全 区 、 中部 为突 出威胁 区 、 深