半監(jiān)督學習和數(shù)值模擬的煤層底板突水預警系統(tǒng)研究.pdf

1、礦井水害事故時常發(fā)生，給企業(yè)和國家造成的人員傷亡和經(jīng)濟損失是不可預估的?，F(xiàn)有的礦井水害預測預報技術(shù)不夠準確是造成事故頻發(fā)的主要原因。因此，研究有效的礦井水害預測預報方法是十分必要的。再者，礦井水害事故一旦發(fā)生，由于井下現(xiàn)場情況的未知性和復雜性，給救援工作帶來了很大的盲目性和挑戰(zhàn)性。對水害發(fā)生后的突水過程進行數(shù)值模擬，能夠及時宏觀地了解井下水害的演化趨勢，分析水害可能影響的區(qū)域，對營救決策的制定具有重要的指導作用。此外，由于目前煤礦企業(yè)的

2、信息化程度有限，在發(fā)生水害時很多數(shù)據(jù)資源由于缺乏系統(tǒng)化的管理，在輔助救援工作中不能發(fā)揮其應有的作用。
　　本文主要針對礦井地下水突水這一課題進行研究，主要研究內(nèi)容分為三個部分：煤層底板突水預測算法、水害蔓延的數(shù)值模擬及煤層底板突水預警系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)。
　　針對礦井突水預測的研究，一方面，目前應用的突水預測預報方法多是依據(jù)決策者結(jié)合現(xiàn)場情況對問題的主觀分析，具有很大的不確定性?；诖吮疚膶⒅悄苄畔⑻幚砝碚摷胺椒☉糜诘V井突水

3、預測的研究。另一方面，雖然基于智能機器學習的突水預測方法已有研究，但現(xiàn)有的基于機器學習的礦井突水預測方法大都是有監(jiān)督的學習，其局限性在于小數(shù)量有標記樣本訓練得到的預測模型泛化能力較差，但大量的有標記樣本的獲得在礦井突水預測中是極其不易的?；谝陨戏治觯疚囊陨倭坑袠擞洏颖镜膶W習為前提，從半監(jiān)督學習的角度出發(fā)，進行礦井突水預測的研究。
　　針對水害蔓延的數(shù)值模擬，結(jié)合流體力學數(shù)值模擬理論，分析造成礦井突水的主要驅(qū)動力來源，總結(jié)突水過

4、程水害的流動規(guī)律，以及影響突水過程中水流蔓延的因素。利用計算機建模方法對礦井巷道進行三維建模并選用Flow-3D軟件對突水過程進行數(shù)值模擬仿真。
　　煤層底板突水預警系統(tǒng)實現(xiàn)方面，根據(jù)現(xiàn)實需求搭建煤層底板突水預警系統(tǒng)平臺，該平臺包括信息管理子系統(tǒng)、突水預測子系統(tǒng)及水害影響區(qū)域分析子系統(tǒng)，實現(xiàn)礦井底板突水預警的信息化、智能化管理。
　　本文完成的主要工作如下：
　　（1）從礦井突水機理的角度出發(fā)，分析煤層底板突水、以及突

5、水通道等的形成原因，總結(jié)影響煤層底板突水的主要因素。從動力學的角度闡述了造成突水的主要驅(qū)動力來源，突水過程中的演化規(guī)律及影響水流蔓延的主要因素，并在此基礎(chǔ)上建立突水因素數(shù)據(jù)庫、水文地質(zhì)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫及巷道信息數(shù)據(jù)庫。
　　（2）針對煤層底板突水預測中有標記樣本數(shù)量有限且不易獲得的情況，提出了基于萬有引力的半監(jiān)督算法。該算法充分利用無標記樣本建立預測模型，彌補了因有標記樣本極度缺乏而造成的預測模型泛化能力差，預測結(jié)果不穩(wěn)定的不足。將算法

6、應用于礦井底板突水預測實驗中，取得良好的預測準確率，較其他有監(jiān)督預測方法充分展現(xiàn)了半監(jiān)督學習方法在煤層底板突水預測中的優(yōu)勢；
　　（3）針對現(xiàn)有礦井突水預測方法預測準確性參差不齊，在實際現(xiàn)場應用過程中易造成預測方法失效的情況，提出了基于圖的半監(jiān)督集成學習算法。這種算法仍以有標記樣本數(shù)量不足為前提，延續(xù)采用半監(jiān)督的學習方式，將無標記樣本作為頂點，樣本間的相關(guān)性作為連接權(quán)值，構(gòu)成圖，集成多種預測方法的預測結(jié)果以求達到預測準確率的最大化

7、。將算法用于煤層底板突水預測實驗中，在少量有標記樣本致使單預測模型的預測結(jié)果不理想的情況下，基于圖的半監(jiān)督集成算法能夠獲得令人滿意的預測結(jié)果；
　?。?）在水害蔓延的數(shù)值模擬方面，利用計算流體力學的相關(guān)方法對突水過程進行模擬仿真。選取一段實際礦井巷道斷面，利用UG6.0進行三維建模，結(jié)合實際礦井突水發(fā)生后救援工作的需要，采用流體分析軟件中的Flow-3D軟件進行數(shù)值計算。對巷道模型進行網(wǎng)格的劃分及邊界條件的設定，使用 TrueVO

8、F方法追蹤自由液面，結(jié)合k?ε紊流模型，通過求解Navier-Stokes方程實現(xiàn)對礦井水害蔓延過程的數(shù)值模擬；
　?。?）搭建煤層底板突水預警系統(tǒng)平臺，采用ArcGIS Engine組件與C＃語言結(jié)合的方式開發(fā)系統(tǒng)，搭建基本功能模塊；系統(tǒng)化地管理煤層底板突水相關(guān)的數(shù)據(jù)資源，并結(jié)合Visual C#.net與MATLAB混合編程技術(shù)實現(xiàn)底板突水預測；結(jié)合數(shù)值模擬的計算數(shù)據(jù)及數(shù)據(jù)庫存儲的礦井采掘位置、巷道線狀走向、巷道長度寬度等數(shù)據(jù)