本發明屬于煤礦安全開采技術領域，具體涉及一種個性化確定采煤工作面底板突水危險等級的方法。
背景技術：
目前評價煤礦安全開采底板突水危險性的方法主要采用突水系數法。突水系數計算公式T＝p/M是我國1964年焦作水文地質大會戰期間借鑒匈牙利工程師韋格弗倫斯對隔水厚度(T＝M/p)概念提出的，公式中p為煤層底板含水層水壓，M為煤層底板隔水層厚度。該公式提出后，以焦作、峰峰、井陘、邯鄲、肥城、淄博等大水礦區底板突水案例以及基礎數據為依據，計算得出T≤0.06MPa/m為安全，0.06MPa/m＜T≤MPa/m為較安全，0.1MPa/m＜T為危險。突水系數反映了水文地質學中地下水滲流最基本的規律。
在以后相當長的歷史時期，突水系數對于指導煤礦安全開采起到了重要的作用。但是隨著淺層煤層資源開采殆盡，煤炭開采逐步轉向深部，奧灰水的水壓逐步升高，在實際開采中突水系數遠遠大于《煤礦防治水規定》的0.1MPa/m。后期雖然有人考慮煤層底板破壞程度、隔水段巖層巖性組合及其它影響因素，提出了各種突水系數的計算公式，但所提出的鄰接系數仍然采用1964年提出的鄰接值。顯然，這是不妥當的。
目前的突水系數計算方法存在如下問題：
1.影響突水危險性的因素考慮不全面
突水系數計算公式僅考慮了水壓與隔水層厚度，沒有考慮煤層底板礦壓破壞程度、隔水段巖層巖性組合、底板承壓地下水導升高度、含水層富水性指標等有關因素。
2.沒有采用機器學習方法建立突水危險性與影響因素間的函數依賴關系
早期的突水系數計算公式考慮因素少，計算公式簡單。后期的計算公式考慮因素多，在采集樣本較少的情況下，無法擬合出突水系數與影響因素間的函數依賴關系。
3.突水系數給出的僅僅是突不突水的危險性，而與突水量無關
從其計算公式T＝p/M可以看出，目前的突水系數僅考慮煤層底板含水層水壓，煤層底板隔水層厚度等因素，與實際突水量沒有關系。在實際開采過程中如果底板含水層富水性較差，即使是突水，因突水量較小，也不會對煤炭開采工作面帶來較大危害。
技術實現要素：
針對現有技術存在的上述問題，本發明提出了一種個性化確定采煤工作面底板突水危險等級的方法。
本發明所采用的技術解決方案是：
一種個性化確定采煤工作面底板突水危險等級的方法，按以下步驟進行：
步驟一：收集煤礦生產過程中采煤工作面綜合數據，分析最大突水量與多種影響因素的相關性，選擇相應種類影響因素作為影響底板突水危險等級的自變量；
步驟二：根據具體礦山綜合排水能力與最大突水量數據，個性化劃分底板突水危險等級；
步驟三：將自變量的向量組合記作x，底板突水危險等級記作y，建立自變量與底板突水危險等級的隱式函數依賴關系；
步驟四：將新采集到的自變量的向量組合x代入步驟三中建立的隱式函數依賴關系，計算得到底板突水危險等級y，然后依據步驟二確定底板突水危險等級。
上述方法還包括以下步驟：
步驟五：利用步驟三建立的隱式函數依賴關系，對各自變量細分插值，在各底板突水危險等級范圍內，反向演算求取各自變量的極大、極小值，建立各自變量與底板突水危險等級的綜合評價指標體系；
步驟六：根據步驟五建立的各自變量與底板突水危險等級的綜合評價指標體系，現場工作人員對新采集到的自變量數據，即可通過查詢綜合評價指標體系確定底板突水危險等級。
優選的，步驟一中：所述采煤工作面綜合數據包括最大突水量、突水系數、煤層底板礦壓破壞程度、隔水段巖層巖性組合、底板承壓地下水導升高度及含水層富水性指標等；分析最大突水量分別與突水系數、煤層底板礦壓破壞程度、隔水段巖層巖性組合、底板承壓地下水導升高度及含水層富水性指標等多種影響因素的相關性，并根據相關性大小選擇相應種類影響因素如煤層底板礦壓破壞程度、底板承壓地下水導升高度等作為影響底板突水危險等級的自變量。
優選的，步驟二中：底板突水危險等級劃分為安全、較危險、危險三個等級；最大突水量小于或等于具體礦山綜合排水能力三分之二定為安全等級1；最大突水量大于具體礦山綜合排水能力三分之二且小于或等于具體礦山綜合排水能力定為較危險等級2；最大突水量大于具體礦山綜合排水能力定為危險等級3。
優選的，步驟三中：根據具體礦山已知n個觀測樣本(x1,y1),(x2,y2)……(xn,yn)在若干函數{f(x,ω)}中求一個最優函數f(x,ω0)，對未知依賴關系進行估計，使式R(ω)＝∫L(y,f(x,ω))dF(x,y)所示的期望風險最小。
上述步驟三中，建立的自變量與底板突水危險等級的隱式函數依賴關系，借助機器學習理論實現，具體地：
(1){f(x,ω)}為預測函數集，ω稱為廣義參數，L(y,f(x,ω))為損失函數；
(2)損失函數采用L(y,f(x,ω))＝(y-f(x,ω))2；
(3)在訓練過程中可以利用的信息只有樣本數據，因此期望風險
R(ω)＝∫L(y,f(x,ω))dF(x,y)無法計算，采用對其進行估算；
(4)在計算過程中，訓練采用回歸預測的危險等級是連續值，采用四舍五入的方法取整。
優選的，步驟四中：自變量的向量組合x在施工勘探、采煤工作過程中實際獲取；對于未進行物理勘探的地段，通過三維礦山數字模型進行插值預測，先預測、后調整。
優選的，步驟五中具體地：
(1)分析自變量的向量組合x的各個分量的極大、極小值；
(2)以極大值減去極小值之差的百分之一為單位，細分插值；
(3)求取各插值點的底板突水危險等級，此時的危險等級不進行四舍五入處理；
(4)求突水危險等級在區間[0，1.5)、[1.5，2.5)、[2.5，3.5)時，各自變量的極大、極小值，建立各自變量與底板突水危險等級的綜合評價指標體系。
本發明的有益技術效果是：
與現有技術相比，本發明綜合考慮具體礦山排水能力、影響突水量的各種因素，建立突水危險評級與影響因素間的隱式函數依賴關系、采用參數區間插值確定指標框架，解決了突水數據小樣本建模、隱式函數應用困難等技術難題，使得突水危險等級評價更加科學合理，符合礦山生產實際。
附圖說明
圖1為本發明一種個性化確定采煤工作面底板突水危險等級方法的流程圖。
具體實施方式
本發明提供了一種個性化確定采煤工作面底板突水危險等級的方法。該方法綜合考慮采煤工作面底板水壓、隔水層厚度、煤層底板礦壓破壞現象、隔水段巖層巖性組合、底板承壓地下水原始導升發育現象等因素，建立這些影響因素與突水危險等級的隱式函數依賴關系，通過插值分析該隱式函數的突變點，建立評價底板突水危險等級的綜合評價指標體系。該方法全面考慮影響煤炭開采底板突水威脅的各種因素，建立各影響因素與突水系數的函數依賴關系，解決了傳統方法只考慮水壓力與隔水層厚度或無法建立影響因素與突水系數函數依賴關系的難題，為突水系數計算提供了新方法。
下面結合附圖以及具體實施方式對本發明作進一步詳細說明：
如圖1所示，一種用于個性化確定采煤工作面底板突水危險等級的方法，按照如下步驟進行：
步驟一：收集煤礦生產過程中采煤工作面最大突水量、突水系數、煤層底板礦壓破壞程度、隔水段巖層巖性組合、底板承壓地下水導升高度、含水層富水性指標等綜合數據，分析最大突水量與突水系數、煤層底板礦壓破壞程度等其它影響因素的相關性，選擇相關性較高的影響因素作為影響最大突水量的自變量。
步驟二：根據具體礦山綜合排水能力與最大突水量數據，個性化劃分各組數據的底板突水危險等級。一般情況下劃分為安全、較危險、危險三個等級。最大突水量小于或等于具體礦山綜合排水能力三分之二定為安全等級1；最大突水量大于具體礦山綜合排水能力三分之二且小于具體礦山綜合排水能力定為較危險等級2；最大突水量大于或等于具體礦山綜合排水能力定為危險等級3。
步驟三：將自變量的向量組合記作x，底板突水危險等級記作y。根據具體礦山已知n個觀測樣本(x1,y1),(x2,y2)……(xn,yn)在若干函數{f(x,ω)}中求一個最優函數f(x,ω0)，對未知依賴關系進行估計，使式R(ω)＝∫L(y,f(x,ω))dF(x,y)所示的期望風險最小。
步驟三建立的各影響因素與底板突水危險等級的函數依賴關系為隱式的函數依賴關系，可以借助支持向量機理論等機器學習理論實現。
具體地：
(1){f(x,ω)}為預測函數集，ω稱為廣義參數，L(y,f(x,ω))為損失函數。
(2)損失函數采用L(y,f(x,ω))＝(y-f(x,ω))2。
(3)在訓練過程中可以利用的信息只有樣本數據，因此期望風險R(ω)＝∫L(y,f(x,ω))dF(x,y)無法計算，采用對其進行估算。
(4)在計算過程中，訓練采用回歸預測的危險等級是連續值，采用四舍五入的方法取整。
步驟四：根據步驟三建立的隱式函數依賴關系，對新采集到影響因素的數據向量即自變量的向量組合x，即可代入隱式函數計算其底板突水危險等級。底板突水危險等級影響因素可以在施工勘探、采煤工作過程中實際獲取。對于未進行物理勘探的地段，可通過三維礦山數字模型進行插值預測，先預測、后調整。
步驟五：為方便現場實際應用，利用步驟三建立的隱式函數依賴關系，對各自變量細分插值，在各底板突水危險等級范圍內，反向演算求取各自變量的極大、極小值，建立各自變量與底板突水危險等級的綜合評價指標體系。
具體地：
(1)分析底板突水危險等級影響因素(自變量的向量組合x)的各個分量的極大、極小值。
(2)以極大值減去極小值之差的百分之一為單位，細分插值。
(3)求取各插值點的底板突水危險等級，此時的危險等級不進行四舍五入處理。
(4)求突水危險等級在區間[0，1.5)、[1.5，2.5)、[2.5，3.5)時，各自變量的極大、極小值，建立各自變量與底板突水危險等級的綜合評價指標體系。
步驟六：根據步驟5建立的各自變量與底板突水危險等級的綜合評價指標體系，現場工作人員對新采集到影響因素的數據，即可通過查詢綜合評價指標體系確定底板突水危險等級。
本發明在步驟一中提出突水危險性的關鍵在于突水量，而不僅僅是底板水壓力與隔水層厚度的比值。并在步驟一中綜合考慮了影響突水量的突水系數、煤層底板礦壓破壞程度、隔水段巖層巖性組合、底板承壓地下水導升高度、含水層富水性指標等因素。
在步驟二中根據具體礦山排水能力個性化劃分礦山采煤工作面突水危險等級，而不是統一劃分所有礦山突水危險等級。
在無法給出突水影響因素與最大突水量顯式函數依賴關系的條件下，在步驟三中采用隱式函數依賴關系描述最大突水量與各影響因素的函數依賴關系，該函數依賴關系要求：對于數據樣本(x1,y1),(x2,y2),(x3,y3)……(xn,yn)，在若干函數{f(x,ω)}中求一個最優函數f(x,ω0)，對未知依賴關系進行估計，使得下式所示的期望風險最小。
R(ω)＝∫L(y,f(x,ω))dF(x,y)
在步驟五中對各影響因素細分插值，在各底板突水危險等級范圍內，反向演算求取各自變量的極大、極小值，建立各自變量與底板突水危險等級的綜合評價指標體系。
本發明提出了一種用于個性化確定采煤工作面底板突水危險等級的方法，與現有技術相比，本發明綜合考慮具體礦山排水能力、影響突水量的各種因素，建立突水危險評級與影響因素間的隱式函數依賴關系、采用參數區間插值確定指標框架，解決了突水數據小樣本建模、隱式函數應用困難等技術難題，使得突水危險等級評價更加科學合理，符合礦山生產實際。
上述方式中未述及的部分采取或借鑒已有技術即可實現。
上述說明并非是對本發明的限制，本發明也并不僅限于上述舉例，本技術領域的技術人員在本發明的實質范圍內所做出的變化、改型、添加或替換，也應屬于本發明的保護范圍。