王曦開(kāi)題報(bào)告

本文格式為Word版，下載可任意編輯——王曦開(kāi)題報(bào)告XX科技大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文開(kāi)題報(bào)告

基于熵的改進(jìn)支持向量機(jī)煤層瓦斯突出預(yù)計(jì)方法研究

目錄

1課題的提出11.1研究的背景11.2研究的目的和意義22國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)22.1熵理論的發(fā)展22.2支持向量機(jī)理論的發(fā)展32.3煤層瓦斯突出預(yù)警指標(biāo)體系的發(fā)展5

2.3.1煤與瓦斯突出機(jī)理52.3.2突出預(yù)報(bào)方法62.3.3突出預(yù)計(jì)指標(biāo)研究8

3本文的研究?jī)?nèi)容和技術(shù)路線103.1研究?jī)?nèi)容103.2技術(shù)路線114可能的困難和問(wèn)題115預(yù)期目標(biāo)126論文工作量和經(jīng)費(fèi)來(lái)源127研究進(jìn)度安排128XX科技大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文開(kāi)題報(bào)告

2.3煤層瓦斯突出預(yù)警指標(biāo)體系的發(fā)展2.3.1煤與瓦斯突出機(jī)理

關(guān)于突出機(jī)理的研究，可以分為兩個(gè)階段，即早期的尋求突出的影響因素階段和近期的摸索突出作用過(guò)程階段。

（1）早期的學(xué)者提出的主要觀點(diǎn)有：瓦斯作用論、地應(yīng)力作用論、綜合假說(shuō)等。綜合假說(shuō)較全面的考慮了突出動(dòng)力（地應(yīng)力、瓦斯）和阻力（煤強(qiáng)度）兩個(gè)方面的主要因素，因而得到國(guó)內(nèi)外學(xué)者的普遍認(rèn)可，若某區(qū)域地應(yīng)力越大，瓦斯含量（壓力）越高，煤越松軟，則該區(qū)域突出危險(xiǎn)性越大。對(duì)采掘工作面突出而言，突出與地應(yīng)力、瓦斯和煤物理力學(xué)性質(zhì)各參數(shù)的原始值有關(guān)，還在很大程度上取決于近工作面各參數(shù)的變化，即工作面附近煤巖應(yīng)力，瓦斯壓力的分布狀況和煤體強(qiáng)度性質(zhì)的變化。工作面前方應(yīng)力和瓦斯壓力梯度越大，煤強(qiáng)度越不均質(zhì)，則工作面突出危險(xiǎn)性也就越大。

（2）大部分學(xué)者認(rèn)為突出是多因素作用的過(guò)程，在此基礎(chǔ)上，眾多學(xué)者開(kāi)展了含瓦斯煤體具體破壞過(guò)程的研究。

于非凡[37]（1975，1979）從煤與瓦斯突出的發(fā)生過(guò)程進(jìn)行研究，提出了煤與瓦斯突出是從離工作面某一距離處的發(fā)動(dòng)中心開(kāi)始的，而后向四周擴(kuò)散的中心擴(kuò)張說(shuō)。鄭哲敏[38]（1982）通過(guò)量綱分析和能量對(duì)比方法，從力學(xué)角度出發(fā)，指出煤體中的瓦斯能是發(fā)煤與瓦斯突出生突出的主要能量。李中成[39]（1987）認(rèn)為煤與瓦斯突出就是煤體所儲(chǔ)存的瓦斯內(nèi)能和彈性應(yīng)變能突然釋放的過(guò)程，是煤體盤形拉伸破壞的連鎖反應(yīng)過(guò)程。俞善炳[40]（1988）建立了煤與瓦斯突出理想的一維運(yùn)動(dòng)模型，指出煤的破碎起動(dòng)與瓦斯?jié)B流的禍合是煤與瓦斯突出的內(nèi)在因素。李萍豐[41]（1989）從煤與瓦斯突出的主要?jiǎng)恿υ催M(jìn)行研究，認(rèn)為突出的本質(zhì)是在突出中心形成了煤粒和瓦斯的二相流體，突出的主要?jiǎng)恿υ词嵌嗔黧w壓縮積蓄，卸壓膨脹放的能量，而不是瓦斯膨脹能和煤巖膨脹，從而提出了二相流體假說(shuō)。丁曉良[42]（1989）認(rèn)為煤與瓦斯突出的內(nèi)在因素是煤的破碎與瓦斯?jié)B流的禍合，通過(guò)對(duì)理想一維突出模型的分析，給出了煤與瓦斯突出波陣面后氣、固兩相流的動(dòng)量守恒方程和質(zhì)量守恒方程。周世寧和何學(xué)秋[43]（1990）認(rèn)為煤與瓦斯突出是含有瓦斯的煤體受到采掘活動(dòng)的影響后，孔隙瓦斯氣體與地應(yīng)力禍合的一種流變過(guò)程，從而提出了流變假說(shuō)。梁冰和章夢(mèng)濤[44]（1995）根據(jù)煤體

5

XX科技大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文開(kāi)題報(bào)告

變形破壞與其中瓦斯?jié)B流的相互影響和相互作用機(jī)理提出固流禍合理論，認(rèn)為煤與瓦斯突出是地應(yīng)力、瓦斯及煤體二個(gè)主要因素作用的結(jié)果，是含瓦斯煤體在采掘活動(dòng)影響下，局部發(fā)生迅猛、突然破壞而造成的。蔣承林和俞啟香[45]（1995）通過(guò)對(duì)突出過(guò)程的理論分析，提出了煤與瓦斯突出機(jī)理的球殼失穩(wěn)假說(shuō)。郭德勇、韓德馨[46]（2023）提出了煤與瓦斯突出的粘滑失穩(wěn)機(jī)理，對(duì)煤與瓦斯突出中的振動(dòng)波動(dòng)、延期突出及突出間歇等現(xiàn)象進(jìn)行了新的理論解釋，指出煤與瓦斯突出粘滑失穩(wěn)伴生的AE等物理現(xiàn)象對(duì)瓦斯突出非接觸式連續(xù)預(yù)報(bào)有重要理論意義。胡千庭[47]（2023）對(duì)煤與瓦斯突出過(guò)程的力學(xué)作用機(jī)理進(jìn)行了深入研究，對(duì)突出的準(zhǔn)備、發(fā)動(dòng)、發(fā)展和終止過(guò)程重新進(jìn)行了劃分給出了各個(gè)過(guò)程詳細(xì)的描述。2.3.2突出預(yù)報(bào)方法

國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者通過(guò)對(duì)突出的規(guī)律及其前兆現(xiàn)象的研究，提出了大量突出預(yù)報(bào)方法，這些方法在防治突出的發(fā)生及減小突出災(zāi)難的損失中起到了重要的作用。

（1）利用溫度異常預(yù)報(bào)突出。煤層在受到高地應(yīng)力（或高應(yīng)力集中）和高瓦斯壓力的作用下由于擠壓和瓦斯吸附，圍巖和煤體溫度要上升；同時(shí)，煤體聚集高應(yīng)變能，使打鉆時(shí)出現(xiàn)頂鉆、夾鉆、卡鉆和噴孔等突出危險(xiǎn)性的前兆現(xiàn)象，并使鉆孔進(jìn)尺速度減慢，鉆孔孔底煤壁與鉆頭摩擦?xí)r間增長(zhǎng)，從而鉆屑溫度上升。郭立穩(wěn)等通過(guò)分析認(rèn)為，煤與瓦斯突出過(guò)程中的溫度變化的主要影響因素是地應(yīng)力、瓦斯壓力和煤體強(qiáng)度，因而溫度反映了突出的各因素的綜合作用，他進(jìn)一步通過(guò)試驗(yàn)室研究發(fā)現(xiàn)，突出過(guò)程中，煤體溫度先升高后降低，認(rèn)為通過(guò)對(duì)煤體溫度進(jìn)行連續(xù)觀測(cè)能夠?qū)崿F(xiàn)突出預(yù)報(bào)。梁冰通過(guò)數(shù)值模擬，結(jié)果也說(shuō)明，當(dāng)溫度變化梯度較大時(shí)，將發(fā)生煤與瓦斯突出。但有一些學(xué)者對(duì)用煤體溫度作為評(píng)價(jià)瓦斯突出危險(xiǎn)性指標(biāo)持有異議，認(rèn)為鉆孔溫度與煤壁溫度的差值主要是受礦井大氣溫度和工作面供風(fēng)量的影響，與煤層瓦斯突出危險(xiǎn)性關(guān)系不大。

（2）根據(jù)電磁輻射預(yù)報(bào)突出。20世紀(jì)90年代初，何學(xué)秋、劉明舉、王恩元等對(duì)煤等強(qiáng)度較低巖石變形破碎電磁輻射效應(yīng)進(jìn)行了研究。研究結(jié)果說(shuō)明，電磁輻射與煤巖體的載荷及變形破碎過(guò)程呈正相關(guān)，基本上隨著載荷及變形破碎強(qiáng)度的增加而增加。進(jìn)一步的研究還發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)場(chǎng)中有突出危險(xiǎn)性的煤層，其電磁輻射強(qiáng)度（幅值）或脈沖數(shù)較沒(méi)有危險(xiǎn)時(shí)明顯增大且呈增長(zhǎng)趨勢(shì)。林海燕等通過(guò)對(duì)

6

XX科技大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文開(kāi)題報(bào)告

含瓦斯煤斷裂的地磁輻射試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，含瓦斯煤斷裂破壞產(chǎn)生的電磁輻射直接反映了采掘工作面前方的煤層受力破壞狀況，因而可作為突出預(yù)報(bào)方法。

（3）利用聲發(fā)射現(xiàn)象預(yù)報(bào)突出。長(zhǎng)期的防治煤與瓦斯突出研究工作中發(fā)現(xiàn)，由于煤巖體的非均質(zhì)體，其中存在各種微裂隙、孔隙等，以致煤巖體在受到外力作用時(shí)就會(huì)在這些缺陷部位產(chǎn)生應(yīng)力集中，發(fā)生突發(fā)性破碎，使積聚在煤巖體中的能量得以釋放，且以彈性波的形式向外傳播，而形成聲發(fā)射現(xiàn)象。石顯鑫等研究認(rèn)為，聲發(fā)射的總事件、大事件和能量參數(shù)能較好地反映聲發(fā)射活動(dòng)的特征，總事件的頻繁增多、大事件的急劇增加，是判別突出的預(yù)兆。王恩元在試驗(yàn)室研究發(fā)現(xiàn)，盡管煤巖體破碎時(shí)的聲發(fā)射信號(hào)十分豐富，但在煤巖體的破壞過(guò)程中是陣發(fā)性的，說(shuō)明白煤巖體的變形破壞過(guò)程不是連續(xù)的，而是陣發(fā)性的、不均勻的，因而在進(jìn)行煤與瓦斯突出預(yù)報(bào)時(shí)需進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測(cè)。

（4）根據(jù)微震預(yù)報(bào)突出。采動(dòng)使巖體發(fā)生應(yīng)力的重新分布，巖石內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生小規(guī)模的調(diào)整，其結(jié)果導(dǎo)致釋放地震能。該法主要用來(lái)監(jiān)測(cè)礦井巖層的破碎，試驗(yàn)研究結(jié)果說(shuō)明，低頻多探頭微震系統(tǒng)可以連續(xù)監(jiān)測(cè)煤體結(jié)構(gòu)中應(yīng)力的集中和變化，可以預(yù)報(bào)沖擊破壞以及可能發(fā)生突出的地點(diǎn)，為消除高應(yīng)力集中區(qū)而采取措施提供依據(jù)。高頻率的微震系統(tǒng)可以用來(lái)監(jiān)測(cè)各種類型的破壞。綜合利用兩種（高頻、低頻）微震技術(shù)不僅能夠圈出瓦斯突出可能發(fā)生的地點(diǎn)，還能預(yù)報(bào)瓦斯突出的發(fā)生時(shí)間。

（5）利用采場(chǎng)壓力變化預(yù)報(bào)突出。張智明認(rèn)為，支撐壓力使得煤體內(nèi)的裂隙、孔隙被壓縮（合），瓦斯?jié)L動(dòng)的通道被封閉，煤的孔隙率降低使瓦斯壓力和內(nèi)能增大，煤巖體積聚的彈性變形能增大，同時(shí)破壞了煤體，在煤體內(nèi)產(chǎn)生與煤壁相平行的壓裂裂隙，增大了瓦斯的作用面積和降低了煤體抗?fàn)巹?dòng)力破壞的能力。因此，支承壓力的大小和峰值位置與瓦斯突出存在著數(shù)量關(guān)系。

（6）根據(jù)瓦斯涌出特征預(yù)報(bào)突出。國(guó)內(nèi)外的大量的突出實(shí)例說(shuō)明，相當(dāng)一部分突出發(fā)生前，工作面的瓦斯涌出有變化。曾慶陽(yáng)分析炮落式煤層巷道掘進(jìn)期間，工作面瓦斯涌出來(lái)源為煤層暴露面和放炮后的落煤，而落煤對(duì)風(fēng)流中的瓦斯?jié)舛扔绊憰r(shí)間不長(zhǎng)，由此，風(fēng)流中的瓦斯?jié)舛戎饕从车氖枪ぷ髅娴耐咚埂＿M(jìn)一步的分析認(rèn)為，作業(yè)過(guò)程中工作面瓦斯涌出的變化反映了巷道前方存在相當(dāng)高應(yīng)力且處于失穩(wěn)狀態(tài)，有高瓦斯含量區(qū)且煤體易于破壞，而這正是突出易發(fā)生地段。

7

XX科技大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文開(kāi)題報(bào)告

西德H·埃克爾觀測(cè)分析伊本比倫煤礦工作面風(fēng)流中的瓦斯?jié)舛?，發(fā)現(xiàn)突出之前，瓦斯含量出現(xiàn)了一致的高值，并認(rèn)為值變大時(shí)，預(yù)示突出可能發(fā)生。

（7）地電場(chǎng)預(yù)報(bào)瓦斯突出。煤層在破壞過(guò)程中，除了有明顯熱效應(yīng)在內(nèi)的各類電磁輻射外，地電場(chǎng)特性也隨之而改變，而且還可以表征采動(dòng)應(yīng)力集中影響程度、瓦斯運(yùn)移動(dòng)能和煤體破壞極限應(yīng)力帶寬度、煤的孔隙率和煤的強(qiáng)度等因素。也就是說(shuō)，地電場(chǎng)的電勢(shì)和電流強(qiáng)度變化反映了瓦斯突出參數(shù)的變化。俄羅斯B.T.塔拉索夫研究說(shuō)明，突出動(dòng)力現(xiàn)象往往發(fā)生在卸壓帶邊界上和裂隙產(chǎn)生過(guò)程的前沿，煤從彈性狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)閭瘟髯儬顟B(tài)，伴隨著地電場(chǎng)的急劇消失，導(dǎo)致吸附能力大大減小，相應(yīng)地由于雪崩般解吸瓦斯，瓦斯壓力增加1倍以上，造成了瓦斯的靜壓和動(dòng)壓短時(shí)升高。地電場(chǎng)電勢(shì)下降是發(fā)生瓦斯突出的前兆。因此，根據(jù)地電場(chǎng)電勢(shì)的變化規(guī)律可進(jìn)行瓦斯突出預(yù)報(bào)[48]。

基于經(jīng)驗(yàn)的傳統(tǒng)預(yù)計(jì)技術(shù)和基于數(shù)學(xué)建模的統(tǒng)計(jì)預(yù)計(jì)方法的應(yīng)用已受到了很大的限制。目前，一些先進(jìn)的數(shù)學(xué)理論方法如計(jì)算機(jī)模擬、模糊數(shù)學(xué)理論、灰色系統(tǒng)理論、支持向量機(jī)、專家系統(tǒng)、分形理論和流變與突變理論等，以及計(jì)算機(jī)科學(xué)中的數(shù)據(jù)庫(kù)、數(shù)據(jù)挖掘、Gis技術(shù)和三維地學(xué)模擬技術(shù)閱等，己開(kāi)始應(yīng)用于煤與瓦斯突出的定量評(píng)價(jià)與預(yù)計(jì)中，并取得了一定的研究成果[49]。2.3.3突出預(yù)計(jì)指標(biāo)研究（1）單項(xiàng)指標(biāo)法

《防治煤與瓦斯突出細(xì)則》規(guī)定，預(yù)計(jì)煤層突出危險(xiǎn)性可用煤的破壞類型、煤的穩(wěn)固性系數(shù)（f）、瓦斯放散初速度（△P）和煤層原始瓦斯壓力（P）。判斷其突出危險(xiǎn)性單項(xiàng)指標(biāo)臨界值見(jiàn)下表。只有全部指標(biāo)達(dá)到或超過(guò)其臨界值時(shí)方可劃分為突出煤層。

煤層突出危險(xiǎn)性突出危險(xiǎn)無(wú)突出危險(xiǎn)

煤的破壞瓦斯放散初速度煤的穩(wěn)固性系數(shù)煤層瓦斯壓力類型Ⅲ、Ⅳ、ⅤⅠ、Ⅱ△P≥10＜10f≤0.5＞0.5p（Mpa）≥0.74＜0.748

XX科技大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文開(kāi)題報(bào)告

（2）D、K綜合指標(biāo)法

?0.0075H??P???D???3p?0.74K???ff??綜合指標(biāo)D、K的突出臨界指標(biāo)應(yīng)根據(jù)本礦區(qū)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)確定。無(wú)實(shí)測(cè)資料時(shí)，可參照下表所列的臨界值確定區(qū)域突出危險(xiǎn)性。

煤層突出危險(xiǎn)性

綜合指標(biāo)Ｄ

煤的突出危險(xiǎn)性綜合指標(biāo)Ｋ無(wú)煙煤

其它煤種

≥0.25

≥20

≥15

注：當(dāng)D值兩括號(hào)內(nèi)計(jì)算結(jié)果全部為負(fù)時(shí)，則不管D值大小，都定為突出要挾區(qū)域。

（3）其他指標(biāo)及其相關(guān)臨界值表①．鉆屑指標(biāo)法

最大鉆屑量△h2（pa）Kg/m≥200﹤200≥6﹤6L/m≥5.4﹤5.4