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1、基于非线性理论的煤与瓦斯突出预测技术研究摘要我国是一个资源大国，但也是地质灾害最严重的国家，煤与瓦斯突出就是其中的一种较普遍的矿井生产自然灾害。我国煤与瓦斯突出矿井数量多，分布范围广且突出事故频繁。尤其是随着矿井开采深度的增大，开采地质条件日益复杂，瓦斯压力不断增大，大大提高了突出的危险性。因此，致力于煤与瓦斯突出预测预报和预处理的方法研究对提高矿井的安全生产有着非常重大的现实意义。本文采用非线性理论对煤与瓦斯突出机理及危险性预测方法进行了较深入研究，通过分析煤与瓦斯突出非线性机理，以表征地应力大小的声发射指标和表征瓦斯状况的瓦斯浓度指标为影响瓦斯突出的敏感指标。并以此分别对声发射和瓦斯单项指
2、标进行了研究，编制相应的 BP 神经网络程序，建立了 ANNS 声发射预测模型和 ANNC 瓦斯浓度指标预测模型。在总结和分析煤与瓦斯突出机理及影响因素的数字表征基础上，运用滚动预测法，确定了 1 小时声发射频数值和 10 分钟瓦斯浓度平均值为样本的输入参数，并探讨了网络模型结构的设计，包括输入输出层单元指标的选取、隐层单元、训练样本的确定以及输入输出数据的处理。在此基础上运用层次分析法得出了声发射 1 小时和 8 小时 6 个指标的权重，从而计算出声发射的综合指标值，最后结合瓦斯浓度指标得出了预测煤与瓦斯突出的综合指标 CI，并给出了危险临界值。通过对现场数据进行预测分析，对比常规指标，验证
3、了综合指标在预测工作面前方后续时间段内突出危险状况是准确且可行的。关键词：煤与瓦斯突出；非线性预测；声发射；瓦斯浓度；综合指标ABSTRACTChina is a country with extensive resources, but also is one of the most affected countriesof geological disasters, coal and gas outburst is one of the common natural disasters in mineproduction. Large numbers, wide distribution
4、and the frequent accidents are the characteristicsof coal and gas outburst mine in our country, especially with the increase of mining depth, thegrowing complex geological conditions and the gas pressure increasing constantly, magnitudeof coal and gas outburst is greatly enhanced. Therefore, the res
5、earch of prediction andpretreatment method of coal and gas outburst contributed to improve the safety of mine.In this paper, based on the nonlinear theory mechanism and prediction method of coal and gas outburst were further studied. By analyzing the theory, the acoustic emission indexwas used to di
6、splay the ground stress value and the gas concentration index was used tocharacterize the status of gas, both of the two indices were made as the sensitive indicatorsaffecting the coal and gas outburst. And on this basis, acoustic emission and gas index werestudied, the corres ponding BP neural netw
7、ork was programmed, ANNS AE model and ANNC prediction model of gas concentration were established.Based on the summary and analysis of gas outburst mechanism and the number land of influencing factors, using rolling forecast method, determined the sample input parameters with 1 hour acoustic emissio
8、n frequency value and 10 minutes gas concentration average, and discussed the design of network model structure, including the selection of input or output layer unit index, the determination of hidden layer unit and training sample, and the process of input or output data. Based on these above, the
9、 weighting of six indexes including 1 hour and 8 hours and so on, were obtained by the analytical hierarchy process (AHP) as well as the acoustic emission comprehensive index. Finally, comprehensive index CI ,used to predict coal and gas outburst, and the critical value of risk were got by synthetic
10、ally analyzing both the acoustic emission comprehensive index and gas density index. Through analysis of field data to predict the contrast of conventional indicators, we have been validated for the front side indicators in forecasting the follow-up time period outburst situation is accurate and fea
11、sible.Keywords ：Coal and gas outburst Non-linear prediction Acoustic emissionGas concentration Comprehensive index1 绪论1.1 选题的背景及研究的意义据统计，我国能源工业中，煤炭占一次能源生产和消费结构中的 70%左右，预计到 2050 年依旧占到 50%以上。然而，我国煤层客观的地质赋存状况，决定了各类煤矿事故的频繁发生，煤与瓦斯突出就是其中的一种非常严重且比较普遍的矿井生产自然灾害。煤与瓦斯突出，简称突出，是一种极其复杂的动力现象，它是指煤和瓦斯在极短的时间里向巷道或工作面大
12、量涌出的过程。表现为大量的煤体和瓦斯突然抛向巷道空间，造成煤流埋人、巷道充满瓦斯、使人窒息。这种动力现象发生时间短，煤和瓦斯向空间抛出或放散的速度快，发生突出后人员很难迅速反应并逃生，抛出的瓦斯如若达到爆炸条件，还会伴随瓦斯爆炸、粉尘爆炸等次生灾害的发生，因此一直以来成为煤矿安全生产中的主要制约因素。煤与瓦斯突出不仅对煤矿安全带来很大的威胁，同时对煤矿的生产造成很大的影响，煤与瓦斯突出严重地影响巷道掘进速度和采煤工作面的推进速度，给矿井采掘接替的正常衔接带来了很大的困难。1834 年 3 月 22 日，法国的鲁阿雷煤田伊萨克矿井发生了世界上第一次煤与瓦斯突出，使人们首次认识了这种严重的地质灾害
13、。随后，匈牙利、前苏联、澳大利亚等国的煤矿相继发生了突出。迄今为止大约有 22 个国家和地区发生过煤与瓦斯突出，突出总次数已超过 4 万次。其中，中国、法国、俄罗斯、波兰、日本的突出情况最为严重1。我国发生煤与瓦斯突出总次数占世界各国总突出次数的三分之一以上，是世界上发生煤与瓦斯突出最严重、危害性最大的国家之一2。自从 1950 年 5 月 2 日，辽源矿务局富国二矿煤巷掘进时发生过有记载的第一次煤与瓦斯突出现象以来，到目前为止，全国发生突出的矿井总数超过 270 个，累计突出次数超过 15000 万次，占世界突出总次数的 35%以上。其中，突出强度超过 1000t 的突出就多达 100 余次
14、。1975 年 8 月 8 日发生在天府矿务局三汇坝一矿主平硐石门揭煤(垂深 412m)，突出煤量 12780t，突出瓦斯量 140 万 m3，粉煤喷出最远达 1100m，是目前所记录的强度最大的一次突出。1968 年 1 月 20 日南桐矿务局鱼田堡煤矿+150m 水平 1406 大巷发生了突出瓦斯量最大的突出，突出煤量 5000t，突出瓦斯量 350 万 m3。1975 年 6 月 13 日吉林营城五井在垂深439m 处全岩掘进巷道放炮时发生了第一次砂岩与 CO2 突出，突出砂岩 1005t，突出 CO21.1 万 m33。近年来，虽然我国在煤与瓦斯突出防治方面取得了较大的成就，但突出事故
15、依然频繁，突出强度不断加大。2009 年 5 月 30 日 10 时 55 分，松藻煤电公司同华煤矿观音桥三区安稳斜井掘进工作面过煤门时发生煤与瓦斯突出事故，导致 77 人受伤，302 人死亡。2009 年 11 月 21 日 2 时 30 分，黑龙江龙煤集团鹤岗分公司新兴煤矿，三水平二石门后组 15 层探煤道发生煤与瓦斯突出，引起风流逆向，瓦斯随逆向风流进入二段钢带机机头硐室发生爆炸。事故发生导致 104 人遇难，成为2009 年世界范围内一次性死亡人数最多的矿难。根据表 1.1，图 1.1 对我国国家煤矿安全监察局官方网站近 5 年内煤与瓦斯突出事故的统计分析可知，无论是突出事故造成的死亡
16、总人数还是事故平均每次造成的死亡人数都随时间呈现渐进式的增长。图 1.1 我国近 5 年煤与瓦斯突出事故趋势分析（数据来源：国家煤矿安全监察局官方网目前我国国有统配煤矿中具有瓦斯灾害的矿井 509 个，其中高瓦斯矿井163 个，煤与瓦斯突出矿井 107 个。在全国参加瓦斯等级鉴定的 15071 个煤矿中，高瓦斯矿井个数占到了 2859 个，其中乡镇煤矿为 2469 个，煤与瓦斯突出矿井中湖南、贵州、重庆为前三位，如图 1.2 所示。以上资料表明，我国煤与瓦斯突出矿井数量多，分布范围广且突出事故频繁。尤其是随着矿井开采深度的增大，开采地质条件的复杂，突出带来的深部矿井安全问题将愈加明显。因此，致力于煤与瓦斯突出的机制、预测预报和预处理的理论及方法的研究(特别是预测预报的研究)不仅对提高矿井的经济效益，而且对提高矿井的安全和社会效益都有着非常重大的现实意义。图 1.2 全国各地区煤与瓦斯突出矿井数统计图1.2 煤与瓦斯突出预测技术国内外研究现状按预测预报范围和时间的不同，国外将预测方法分为三类：第一是区域性预测，它主要是确定煤田
