基于非線性理論地煤與瓦斯突出預測技術研究

基于非線性理論的煤與瓦斯突出預測技術研究摘要我國是一個資源大國，但也是地質災害最嚴重的國家，煤與瓦斯突出就是其中的一種較普遍的礦井生產(chǎn)自然災害。我國煤與瓦斯突出礦井數(shù)量多，分布范圍廣且突出事故頻繁。尤其是隨著礦井開采深度的增大，開采地質條件日益復雜，瓦斯壓力不斷增大，大大提高了突出的危險性。因此，致力于煤與瓦斯突出預測預報和預處理的方法研究對提高礦井的安全生產(chǎn)有著非常重大的現(xiàn)實意義。本文采用非線性理論對煤與瓦斯突出機理及危險性預測方法進行了較深入研究，通過分析煤與瓦斯突出非線性機理，以表征地應力大小的聲發(fā)射指標和表征瓦斯狀況的瓦斯?jié)舛戎笜藶橛绊懲咚雇怀龅拿舾兄笜?。并以此分別對聲發(fā)射和瓦斯單項指標進行了研究，編制相應的BP神經(jīng)網(wǎng)絡程序，建立了ANNS聲發(fā)射預測模型和ANNC瓦斯?jié)舛戎笜祟A測模型。在總結和分析煤與瓦斯突出機理及影響因素的數(shù)字表征基礎上，運用滾動預測法，確定了1小時聲發(fā)射頻數(shù)值和10分鐘瓦斯?jié)舛绕骄禐闃颖镜妮斎雲(yún)?shù)，并探討了網(wǎng)絡模型結構的設計，包括輸入輸出層單元指標的選取、隱層單元、訓練樣本的確定以及輸入輸出數(shù)據(jù)的處理。在此基礎上運用層次分析法得出了聲發(fā)射1小時和8小時6個指標的權重，從而計算出聲發(fā)射的綜合指標值，最后結合瓦斯?jié)舛戎笜说贸隽祟A測煤與瓦斯突出的綜合指標CI，并給出了危險臨界值。通過對現(xiàn)場數(shù)據(jù)進行預測分析，對比常規(guī)指標，驗證了綜合指標在預測工作面前方后續(xù)時間段內(nèi)突出危險狀況是準確且可行的。關鍵詞：煤與瓦斯突出；非線性預測；聲發(fā)射；瓦斯?jié)舛?；綜合指標ABSTRACTChinaisacountrywithextensiveresources,butalsoisoneofthemostaffectedcountriesofgeologicaldisasters,coalandgasoutburstisoneofthecommonnaturaldisastersinmineproduction.Largenumbers,widedistributionandthefrequentaccidentsarethecharacteristicsofcoalandgasoutburstmineinourcountry,especiallywiththeincreaseofminingdepth,thegrowingcomplexgeologicalconditionsandthegaspressureincreasingconstantly,magnitudeofcoalandgasoutburstisgreatlyenhanced.Therefore,theresearchofpredictionandpretreatmentmethodofcoalandgasoutburstcontributedtoimprovethesafetyofmine.Inthispaper,basedonthenonlineartheorymechanismandpredictionmethodofcoalandgasoutburstwerefurtherstudied.Byanalyzingthetheory,theacousticemissionindexwasusedtodisplaythegroundstressvalueandthegasconcentrationindexwasusedtocharacterizethestatusofgas,bothofthetwoindicesweremadeasthesensitiveindicatorsaffectingthecoalandgasoutburst.Andonthisbasis,acousticemissionandgasindexwerestudied,thecorrespondingBPneuralnetworkwasprogrammed,ANNSAEmodelandANNCpredictionmodelofgasconcentrationwereestablished.Basedonthesummaryandanalysisofgasoutburstmechanismandthenumberlandofinfluencingfactors,usingrollingforecastmethod,determinedthesampleinputparameterswith1houracousticemissionfrequencyvalueand10minutesgasconcentrationaverage,anddiscussedthedesignofnetworkmodelstructure,includingtheselectionofinputoroutputlayerunitindex,thedeterminationofhiddenlayerunitandtrainingsample,andtheprocessofinputoroutputdata.Basedontheseabove,theweightingofsixindexesincluding1hourand8hoursandsoon,wereobtainedbytheanalyticalhierarchyprocess(AHP)aswellastheacousticemissioncomprehensiveindex.Finally,comprehensiveindexCI,usedtopredictcoalandgasoutburst,andthecriticalvalueofriskweregotbysyntheticallyanalyzingboththeacousticemissioncomprehensiveindexandgasdensityindex.Throughanalysisoffielddatatopredictthecontrastofconventionalindicators,wehavebeenvalidatedforthefrontsideindicatorsinforecastingthefollow-uptimeperiodoutburstsituationisaccurateandfeasible.Keywords：CoalandgasoutburstNon-linearpredictionAcousticemissionGasconcentrationComprehensiveindex1緒論1.1選題的背景及研究的意義據(jù)統(tǒng)計，我國能源工業(yè)中，煤炭占一次能源生產(chǎn)和消費結構中的70%左右，預計到2050年依舊占到50%以上。然而，我國煤層客觀的地質賦存狀況，決定了各類煤礦事故的頻繁發(fā)生，煤與瓦斯突出就是其中的一種非常嚴重且比較普遍的礦井生產(chǎn)自然災害。煤與瓦斯突出，簡稱突出，是一種極其復雜的動力現(xiàn)象，它是指煤和瓦斯在極短的時間里向巷道或工作面大量涌出的過程。表現(xiàn)為大量的煤體和瓦斯突然拋向巷道空間，造成煤流埋人、巷道充滿瓦斯、使人窒息。這種動力現(xiàn)象發(fā)生時間短，煤和瓦斯向空間拋出或放散的速度快，發(fā)生突出后人員很難迅速反應并逃生，拋出的瓦斯如若達到爆炸條件，還會伴隨瓦斯爆炸、粉塵爆炸等次生災害的發(fā)生，因此一直以來成為煤礦安全生產(chǎn)中的主要制約因素。煤與瓦斯突出不僅對煤礦安全帶來很大的威脅，同時對煤礦的生產(chǎn)造成很大的影響，煤與瓦斯突出嚴重地影響巷道掘進速度和采煤工作面的推進速度，給礦井采掘接替的正常銜接帶來了很大的困難。1834年3月22日，法國的魯阿雷煤田伊薩克礦井發(fā)生了世界上第一次煤與瓦斯突出，使人們首次認識了這種嚴重的地質災害。隨后，匈牙利、前蘇聯(lián)、澳大利亞等國的煤礦相繼發(fā)生了突出。迄今為止大約有22個國家和地區(qū)發(fā)生過煤與瓦斯突出，突出總次數(shù)已超過4萬次。其中，中國、法國、俄羅斯、波蘭、日本的突出情況最為嚴重[1]。我國發(fā)生煤與瓦斯突出總次數(shù)占世界各國總突出次數(shù)的三分之一以上，是世界上發(fā)生煤與瓦斯突出最嚴重、危害性最大的國家之一[2]。自從1950年5月2日，遼源礦務局富國二礦煤巷掘進時發(fā)生過有記載的第一次煤與瓦斯突出現(xiàn)象以來，到目前為止，全國發(fā)生突出的礦井總數(shù)超過270個，累計突出次數(shù)超過15000萬次，占世界突出總次數(shù)的35%以上。其中，突出強度超過1000t的突出就多達100余次。1975年8月8日發(fā)生在天府礦務局三匯壩一礦主平硐石門揭煤(垂深412m)，突出煤量12780t，突出瓦斯量140萬m3，粉煤噴出最遠達1100m，是目前所記錄的強度最大的一次突出。1968年1月20日南桐礦務局魚田堡煤礦+150m水平1406大巷發(fā)生了突出瓦斯量最大的突出，突出煤量5000t，突出瓦斯量350萬m3。1975年6月13日吉林營城五井在垂深439m處全巖掘進巷道放炮時發(fā)生了第一次砂巖與CO2突出，突出砂巖1005t，突出CO21.1萬m3[3]。近年來，雖然我國在煤與瓦斯突出防治方面取得了較大的成就，但突出事故依然頻繁，突出強度不斷加大。2009年5月30日10時55分，松藻煤電公司同華煤礦觀音橋三區(qū)安穩(wěn)斜井掘進工作面過煤門時發(fā)生煤與瓦斯突出事故，導致77人受傷，302人死亡。2009年11月21日2時30分，黑龍江龍煤集團鶴崗分公司新興煤礦，三水平二石門后組15層探煤道發(fā)生煤與瓦斯突出，引起風流逆向，瓦斯隨逆向風流進入二段鋼帶機機頭硐室發(fā)生爆炸。事故發(fā)生導致104人遇難，成為2009年世界范圍內(nèi)一次性死亡人數(shù)最多的礦難。根據(jù)表1.1，圖1.1對我國國家煤礦安全監(jiān)察局官方網(wǎng)站近5年內(nèi)煤與瓦斯突出事故的統(tǒng)計分析可知，無論是突出事故造成的死亡總人數(shù)還是事故平均每次造成的死亡人數(shù)都隨時間呈現(xiàn)漸進式的增長。圖1.1我國近5年煤與瓦斯突出事故趨勢分析（數(shù)據(jù)來源：國家煤礦安全監(jiān)察局官方網(wǎng)目前我國國有統(tǒng)配煤礦中具有瓦斯災害的礦井509個，其中高瓦斯礦井163個，煤與瓦斯突出礦井107個。在全國參加瓦斯等級鑒定的15071個煤礦中，高瓦斯礦井個數(shù)占到了2859個，其中鄉(xiāng)鎮(zhèn)煤礦為2469個，煤與瓦斯突出礦井中湖南、貴州、重慶為前三位，如圖1.2所示。以上資料表明，我國煤與瓦斯突出礦井數(shù)量多，分布范圍廣且突出事故頻繁。尤其是隨著礦井開采深度的增大，開采地質條件的復雜，突出帶來的深部礦井安全問題將愈加明顯。因此，致力于煤與瓦斯突出的機制、預測預報和預處理的理論及方法的研究(特別是預測預報的研究)不僅對提高礦井的經(jīng)濟效益，而且對提高礦井的安全和社會效益都有著非常重大的現(xiàn)實意義。圖1.2全國各地區(qū)煤與瓦斯突出礦井數(shù)統(tǒng)計圖1.2煤與瓦斯突出預測技術國內(nèi)外研究現(xiàn)狀按預測預報范圍和時間的不同，國外將預測方法分為三類：第一是區(qū)域性預測，它主要是確定煤田、井田、煤層和采掘區(qū)域性的突出危險性；第二是局部預測，它是在區(qū)域性的基礎上，根據(jù)鉆探、采掘工程等資料，進一步對局部地區(qū)(如采區(qū))或地點的突出危險性做出判斷；第三是日常預測，它是在區(qū)域性預測、局部預測的基礎上，根據(jù)突出預兆的各種異常效應(如聲、電、磁、震、熱等)，對突出危險發(fā)出警報。我國將突出危險性預測只分為區(qū)域突出危險性預測和工作面突出危險性預測兩類。區(qū)域突出危險性預測，用于預測煤層和煤層區(qū)域(包括井田、新水平和新采區(qū))的突出危險性，并在地質勘探、新井建設、新水平和新采區(qū)開拓或準備時進行。其預測的依據(jù)是查明突出區(qū)域性特征，即各區(qū)域的突出主要因素(地應力、瓦斯和煤的物理力學性質)與突出危險性之間的聯(lián)系。工作面預測也叫點預測、日常預測，它包括石門揭煤工作面、煤巷掘進工作面和回采工作面的突出危險性預測。其任務是確定工作面附近煤體的突出危險性，即該工作面繼續(xù)向前推進時，有無突出危險。工作面預測是依據(jù)上述三個因素在工作面前方的分布狀態(tài)及其隨工作面推進的變化。根據(jù)人們對瓦斯突出機理的研究，考慮眾多影響瓦斯突出的因素，提出不同的觀點，這些方法對預測瓦斯突出起到了根本性的作用。主要分以下兩大類：靜態(tài)預測(點預測)和動態(tài)預測(連續(xù)預測)。1.2.1靜態(tài)預測（點預測）靜態(tài)預測的根據(jù)就是含瓦斯煤體性質及其賦存條件的某些量化指標。這些指標主要包括瓦斯指標、煤層性質指標、地應力指標或它們的綜合指標，預測則是考察其中的單個或同時多個指標是否超過臨界值。具體說來，目前較多采用的指標有鉆屑量S、鉆孔瓦斯涌出初速度q、瓦斯放散指數(shù)ΔP、煤體堅固性系數(shù)f、瓦斯壓力p。單項指標法。該方法主要用于煤層突出危險性預測，以劃分出突出煤層和非突出煤層。該方法的基本思想是根據(jù)煤與瓦斯突出機理，用煤的破壞類型、煤的瓦斯放散初速度指標ΔP、煤的堅固性系數(shù)f以及煤層的瓦斯壓力p4個單項指標來進行預測[4]。表1.2具體給出了這4個單項指標的劃分標準。(2)D，K綜合指標法。煤炭科學研究總院撫順分院、北票礦務局與紅衛(wèi)礦提出用綜合指標D與K來預測煤層的突出危險性[5]，(1.1)()()???=Δ=fDHfKP/0.0075/-3p-0.74式中，H—開采深度；f—煤層軟分層的平均堅固性系數(shù)；p—煤層瓦斯壓力；ΔP—煤層軟分層煤的瓦斯放散初速度指標。D，K綜合指標法適用于煤層的區(qū)域預測或石門揭煤工作面突出危險性預測，已被列入我國的防突細則，得到了廣泛的應用。其臨界值參照表1.3所列數(shù)值。表1.3(4)鉆孔瓦斯涌出初速度q法和鉆屑瓦斯解吸指標()法。該法是前蘇聯(lián)運用最廣2Δh泛的日常預測法，已被列入前蘇聯(lián)的《有煤、巖石和瓦斯突出傾向煤層安全采掘規(guī)程》中。鉆孔瓦斯涌出初速度被認為是一個反映煤體物理力學性質、煤層瓦斯和煤層應力狀態(tài)的綜合指標，已被列入我國防治煤與瓦斯突出細則。這兩個指標被廣泛應用在我國煤與瓦斯突出礦井的突出預測中。(5)鉆屑量法和鉆屑倍率法。鉆屑量被認為是反映地應力大小的一個有效指標，首先由德國學者Noack等提出并得到了廣泛的應用。在我國，煤炭科學研究總院撫順研究所對北票礦務局所屬煤礦的17個石門進行了鉆屑量測量。初步結果表明，鉆屑倍率n可作為突出預測指標，當n大于4時有突出危險。煤炭科學研究總院重慶分院在南桐和梅田對煤巷進行了試驗，認為鉆粉量為正常量的3倍時最易傾出或壓出，如果瓦斯壓力大就會發(fā)生較大的突出。鉆屑量指標maxS為每米鉆孔鉆屑量的最大值，其在我國也被廣泛采用。1.2.2動態(tài)預測（連續(xù)預測）當前所采用的靜態(tài)工作面突出危險預測方法，都是通過鉆孔來實現(xiàn)的，因此又可稱為靜態(tài)的鉆孔法。靜態(tài)法打鉆及參數(shù)測定需占用作業(yè)時間和空間，工程量大，預測作業(yè)時間較長，對生產(chǎn)有一定的影響，并且這種靜態(tài)法的準確性也不是很高，易受人工影響。由于煤層或煤體及其內(nèi)部所含的瓦斯并不均勻分布，煤體也隨著開采處于動態(tài)變化中，在鉆孔附近取得的預測結果僅僅是局部的，預測時刻取得的結果也只是靜態(tài)，并不能完全代表整個預測步長范圍內(nèi)及煤體穩(wěn)定前整個時期內(nèi)的突出危險性。因此，動態(tài)連續(xù)預測的研究正日益引起人們的重視。(1)聲發(fā)射技術。煤和巖石內(nèi)部存在大量的裂隙等缺陷，煤巖變形及破壞的結果就是裂隙的產(chǎn)生、擴展、匯合貫通[6]。研究表明，裂隙的產(chǎn)生和擴展都將以彈性波的形式產(chǎn)生能量輻射，這就是聲發(fā)射。聲發(fā)射技術可以對破裂源進行定位。早在20世紀40年代初，美國就利用聲發(fā)射技術監(jiān)測金屬礦井的巖爆。隨著計算機技術的應用，該項技術在礦井中的應用更加廣泛。近年來，加拿大的研究人員研究了多種聲發(fā)射監(jiān)測系統(tǒng)，用于巖爆預測。法國的研究人員也做了很多這方面的研究工作。前蘇聯(lián)的頓巴斯煤田對聲發(fā)射用于煤與瓦斯突出預測進行了較多研究工作，早在1974年，突出嚴重的中央?yún)^(qū)已有121個工作面采用了這項技術。前蘇聯(lián)用記錄噪聲脈沖數(shù)的方法預報煤與瓦斯突出并在頓巴斯煤田進行了推廣應用。我國的研究起步較晚，在現(xiàn)場應用也較少。平頂山礦務局從俄羅斯引進了聲發(fā)射監(jiān)測系統(tǒng)，并用于煤與瓦斯突出預報試驗研究[7]。我國重慶煤科分院生產(chǎn)了聲發(fā)射監(jiān)測系統(tǒng)，“九五”攻關期間在平頂山礦區(qū)進行了應用。石顯鑫等研究認為，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，是判別突出的預兆。王恩元在實驗室研究發(fā)現(xiàn)，盡管煤巖體破裂時的聲發(fā)射信號非常豐富，但在煤巖體的破壞過程中是陣發(fā)性的，表明了煤巖體的變形破壞過程不是連續(xù)的，而是陣發(fā)性的、不均勻的，因而在進行煤與瓦斯突出預報時需進行連續(xù)監(jiān)測[8]。聲發(fā)射技術用于礦井已有幾十年的歷史，其在巖爆監(jiān)測方面已取得一些成果，盡管很多人認為聲發(fā)射突出預測系統(tǒng)是一種很有發(fā)展前途的預測方法，各國都投入了大量的人力物力進行了廣泛的研究，但目前其突出預測的可靠程度與生產(chǎn)實際的需要還有差距。隨著大容量、高速度計算機系統(tǒng)的引入和聲接收技術的發(fā)展，用聲發(fā)射技術進行突出預測可望獲得突破。(2)利用V30(V60)及Kv指標預報突出。V30(或V60)是指掘進煤巷炮后30min(或60min)內(nèi)的噸煤瓦斯釋放量。德國研究表明，如果V30值達到崩落煤可解析瓦斯量的40%，則說明存在突出可能性，如果達到60%，則表示有突出危險。國內(nèi)重慶、撫順分院利用WTC瓦斯突出參數(shù)儀和礦井環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，通過對煤巷掘進工作面瓦斯動態(tài)涌出的連續(xù)觀測和分析，用掘進煤巷炮后V30(或V60)來反映出瓦斯涌出量的上升幅值，將其作為一項突出預測指標。俄羅斯斯闊欽斯基礦業(yè)研究院根據(jù)連續(xù)監(jiān)測掘進煤巷每個落煤循環(huán)的瓦斯涌出量數(shù)據(jù)，采用相對均方根偏差公式計算瓦斯涌出變動系數(shù)Kv表征瓦斯涌出增減的變化幅度[9]。國內(nèi)V30(或V60)和Kv兩個指標相結合，在部分礦區(qū)進行了突出預測試驗，并取得了一定的效果。目前，已采用電子計算機求V30值，爆破后風流中瓦斯?jié)舛惹€的下降段可用冪函數(shù)描述，如圖1.3。根據(jù)放炮后前10min的瓦斯?jié)舛?、涌出量及崩落煤量，即可算出V30值，偏差不超過10%。圖1.3煤巷爆破后瓦斯?jié)舛惹€(3)電磁輻射監(jiān)測技術。煤巖體同其他固體材料一樣，都是由成千上萬的電子、原子等基本粒子組成，當煤巖體受載變形破裂時，電子等帶電粒子變速運動就會向外輻射電磁波，這就是電磁輻射現(xiàn)象。我國和前蘇聯(lián)是較早開展此研究的國家，日本、希臘、美國、瑞典、德國等國也開展了這方面的研究。中國礦業(yè)大學經(jīng)過十多年時間對受載煤巖體及瓦斯解吸流動等情況下的電磁輻射進行了較為深入的研究[10~12]，結果表明受載煤巖的變形破裂過程中，電磁輻射信號基本呈逐漸增強的趨勢，這對于預測預報煤巖動力災害現(xiàn)象具有重要意義。他們還開發(fā)了KBD5型煤與瓦斯突出電磁輻射監(jiān)測系統(tǒng)，并在我國二十多個礦井進行了煤與瓦斯突出、沖擊礦壓的試驗及推廣。結果顯示利用電磁輻射特征來監(jiān)測工作面易突出煤層的應力狀態(tài)是可行的，該電磁輻射監(jiān)測系統(tǒng)進行預測的指標是電磁輻射強度和脈沖數(shù)兩個指標，這大大提高了預測準確率。重慶煤科分院對煤礦井下掘進工作面前方煤體內(nèi)電磁輻射進行了測定，考察了掘進過程中電幅度與鉆屑量、瓦斯涌出初速度、鉆孔排放措施之間的關系，以及突出前后電幅度的變化，他們使用的是電幅度一項指標。(4)根據(jù)煤層溫度狀況預測突出的危險性。利用溫度狀況預測突出危險性的理論根據(jù)是：瓦斯解吸時吸熱，導致煤層溫度降低。溫度降低越多，說明煤層瓦斯解吸能力越強，則突出危險性越大。實踐表明，煤層瓦斯含量越高，這一效應越明顯。換句話說，采掘工作引起工作面前方煤體中應力變化，導致瓦斯存在狀況變化，當壓力降低時吸附瓦斯解吸為游離瓦斯，吸收周圍煤體的熱量，因而煤體溫度降低。煤溫降低多少，反映了煤中瓦斯含量大小與應力狀態(tài)的變化情況。實踐還表明，凡是煤溫突然大幅度降低，就預示著工作面附近有較大的地質構造(煤層突然變厚、變薄、傾角突變等)，有發(fā)生突出的可能性[13]。有兩種測溫方法來評價煤層的突出危險性：①測量從每段炮眼采集的鉆屑的溫度；②測量工作面新暴露面的溫度。(5)利用煤層中涌出的氦體積或氡濃度的變化預測突出。近年來，波蘭利用煤層瓦斯中氡濃度進行預測。研究表明，在突出前煤層瓦斯中氡濃度急劇降低，突出后又急劇上升。突出前瓦斯中氡濃度下降的原因可能是開始突出時巖層發(fā)生強烈變形，工作面附近煤樣中孔隙和裂隙閉合使氡濃度下降，突出后原有裂隙張開并出現(xiàn)新裂縫，氡濃度升高[14]。1.3煤與瓦斯突出預測技術的新發(fā)展1.3.1現(xiàn)代數(shù)學理論在煤與瓦斯突出預測中的應用隨著現(xiàn)代數(shù)學理論及計算機通訊技術的高速發(fā)展，使得人們對海量數(shù)據(jù)的處理變成了可能。由于煤與瓦斯突出影響因素眾多，且機理復雜，突出影響因素與突出隨機事件之間的關系很難用一個簡單確定的表達式去描述。目前，基于模糊數(shù)學理論、灰色系統(tǒng)理論、神經(jīng)網(wǎng)絡、支持向量機、分形理論和小波分析理論等一大批先進的數(shù)學方法使得預測煤與瓦斯突出變成了可能，并取得了一定的研究結果。蔡成功，侯錦秀以統(tǒng)計數(shù)據(jù)為依據(jù)，應用7±2心理極限概念和層次分析法確定各因素權重，采用定性數(shù)據(jù)定量化方法建立隸屬度，采用二級模糊綜合評判方法和“加權平均型”評判數(shù)學模型，建立了煤與瓦斯突出強度預測模糊綜合評判方法，實現(xiàn)了定性問題的定量化分析[15]。南存全，馮夏庭利用支持向量機構建了煤與瓦斯突出預測模型。按SVM的二類劃分最優(yōu)分類面和樣本混雜區(qū)的邊界將特征空間細劃為3個區(qū)域，由此建立了可將突出危險性劃分為突出危險、突出威脅、安全3個級別的煤與瓦斯突出的SVM模型，并建立了突出危險判據(jù)指標[16]。趙耀江、王冶基于神經(jīng)網(wǎng)絡建立煤與瓦斯突出預測數(shù)學模型，將模擬人腦信息處理機制為基礎的非線性動力學系統(tǒng)方法應用于煤與瓦斯突出區(qū)域預測，得出了突出規(guī)模與瓦斯壓力、垂深、放散速度、地質構造、煤堅固性系數(shù)的關系，預測大、中、小規(guī)模突出[17]。于洪仕，付興武針對目前濾噪技術不能很好地使聲發(fā)射監(jiān)測得以準確預報的情況，進行了基于小波包變換的去噪研究。該研究利用信號的小波包分析、計算和最優(yōu)小波包基選取的方法，通過計算機數(shù)值計算，模擬了強噪聲下聲發(fā)射信號檢測，并通過Sym8小波包與小波變換去噪的比較，證明前者優(yōu)于后者[18]。高雷阜提出了基于混沌時間序列重構相空間技術的煤與瓦斯突出的動態(tài)反演綜合假說，以及煤與瓦斯固流耦合作用突變預測與重構相空間中混沌吸引子性態(tài)同構的反演判據(jù)，系統(tǒng)的以混沌時間序列理論和方法對煤與瓦斯突出進行了預測分析研究[19]。郭德勇，范金志等將層次分析和模糊綜合評判方法結合起來應用于煤與瓦斯突出預測研究中。運用層次分析法確定了煤與瓦斯突出各影響因素權重系數(shù)，采用隸屬函數(shù)構造了單因素判別矩陣，并運用模糊綜合評判法建立了煤與瓦斯突出預測模型[20]。分形幾何理論作為研究非線性問題的有力的理論工具和方法，近幾年在煤炭業(yè)也得到了廣泛的應用。如呂紹林[21]等進行了突出煤體的粒度分形研究，此外，分形幾何理論在斷層網(wǎng)絡復雜程度、煤與瓦斯突出區(qū)域分布特征方面的分析應用也比較廣泛。1.3.2人工智能技術在煤與瓦斯突出預測中的應用如何把反映突出的各項監(jiān)測數(shù)據(jù)快速、準確的從井下采集到井上并進行快速處理，是實現(xiàn)煤與瓦斯突出實時預測的重要前提。隨著通信技術和計算機技術的飛速發(fā)展，數(shù)據(jù)的采集、傳輸、計算、存儲都變成了可能，一批相關的預測煤與瓦斯突出診斷系統(tǒng)在現(xiàn)場得到了應用，并取得了比較好的預測效果。近些年來國內(nèi)外研制預測突出的專家系統(tǒng)，如英國煤炭公司技術發(fā)展部已開發(fā)出UPEL專家系統(tǒng)，該專家系統(tǒng)用于預報井下開采過程中煤與瓦斯突出危險的程序[22]。中國科學院地質研究所也正在研制預測突出的專家系統(tǒng)，該系統(tǒng)被稱為GAS-BURST,它根據(jù)用戶提供的礦區(qū)地質構造、地下水、瓦斯、鉆孔粉塵、地應力和已經(jīng)發(fā)生突出的資料，由該系統(tǒng)劃出煤礦突出危險區(qū)、危險帶，預測突出危險程度隨采深增加的變化趨勢，預報突出點的位置；同時，還能在計算機屏幕上顯示突出危險區(qū)的位置、井下突出點的位置，各次突出間的相互聯(lián)系等。西安西科測控設備有限責任公司根據(jù)瓦斯突出的綜合影響因素，以瓦斯涌出量、聲發(fā)射指標、工作面煤壁溫度為基本監(jiān)測單元，開發(fā)了井下、地面、遠程三級綜合預警分析機制的煤與瓦斯突出專家分析診斷系統(tǒng)，經(jīng)現(xiàn)場的長期試驗及結果表明，該系統(tǒng)預測效果顯著[46]。2煤與瓦斯突出過程及影響因素分析大多自然災害現(xiàn)象都有突發(fā)的特征，都存在非連續(xù)突變并伴隨跳躍過程。煤與瓦斯突出就是發(fā)生在礦井煤巖體中的災害動力現(xiàn)象，是含瓦斯煤巖體的一種劇烈的能量釋放形式。從系統(tǒng)的觀點來看,突出是含瓦斯煤巖系統(tǒng)在采掘活動擾動下發(fā)生的動力災害現(xiàn)象。從突出孕育到激發(fā)以至發(fā)展的過程中,系統(tǒng)內(nèi)部各要素之間及其與外部系統(tǒng)的相互作用具有明顯的非線性特征。因此,突出的發(fā)生是一個復雜的非線性動力系統(tǒng)在時空演化過程中的災變行為，深入研究煤與瓦斯突出過程，找出突出影響因素并分析其顯現(xiàn)特征，是預測煤與瓦斯突出的前提。2.1.1突變理論概述具有煤與瓦斯突出危險性的工作面力學平衡狀態(tài)有穩(wěn)定和不穩(wěn)定之分，當為不穩(wěn)定平衡狀態(tài)時，輕微的開采擾動將使煤巖結構或其組成構件產(chǎn)生很大的變形而最后喪失承載力，這種現(xiàn)象就稱為失去穩(wěn)定性或簡稱失穩(wěn)。為了分析工作面力學系統(tǒng)在外荷載作用下的平衡穩(wěn)定性，較常用兩個判別準則：以地應力-瓦斯壓力為主的靜力準則和地應力-瓦斯壓力能量準則[3]。穩(wěn)定的靜力準則：在滿足靜力平衡條件下具有煤與瓦斯突出危險性的工作面結構體系中，當受到微小的采動影響使其偏離原來的平衡位置時，若因此在該體系上產(chǎn)生一個指向原來平衡位置的力(正恢復力)，當此擾動去除后能使該體系迅速回復到原來位置時，則原來的平衡狀態(tài)是穩(wěn)定的，或稱穩(wěn)定平衡，此時瓦斯壓力和地應力雖能對煤體產(chǎn)生影響，但卻不足以產(chǎn)生突出；若產(chǎn)生背向原來平衡位置的力(負恢復力)，促使偏離愈來愈大，則原來的平衡狀態(tài)是不穩(wěn)定的，或稱不穩(wěn)定平衡，此時地應力與瓦斯壓力超出了煤巖的力學性質，就有發(fā)生突出的危險；若受擾動后不產(chǎn)生任何作用于該體系的力，當擾動去除后，既不能恢復原來的平衡位置又不能繼續(xù)增大偏離，則為中性平衡，使結構處于中性平衡狀態(tài)的荷載稱為臨界荷載Pcr，此時地應力-瓦斯壓力-煤體三者又達到了新的平衡，若沒有外界的擾動就不會發(fā)生突出危險。穩(wěn)定的能量準則：由地應力-瓦斯壓力-煤體組成的結構體系的平衡穩(wěn)定可以用體系的總勢能Π來判別?？倓菽堞笆墙Y構體系內(nèi)的應變能和外荷載勢能兩者的代數(shù)和。如果體系受到微小擾動而變形，體系的總勢能Π是增加的，則原來的平衡狀態(tài)是穩(wěn)定的；假如總勢能Π是減少的，則原來的平衡狀態(tài)是不穩(wěn)定的；假如總勢能Π保持不變，則為中性平衡。也就是說，當體系最初總勢能Π是極小值時，為穩(wěn)定平衡；是極大值時，為不穩(wěn)定平衡。2.2煤與瓦斯突出的影響因素煤與瓦斯突出是在地應力以及包含在煤中的瓦斯及結構力學性質綜合作用下產(chǎn)生的動力現(xiàn)象。在突出過程中，地應力、瓦斯壓力是發(fā)動與發(fā)展突出的動力，煤結構及力學性質是阻礙突出發(fā)生的因素。因此，在研究突出發(fā)生條件時，地應力、瓦斯與煤結構條件是必須首先討論的。2.2.1地應力地應力在突出中的作用有以下三種[24]：(1)圍巖或煤層的彈性變形潛能做功，使煤體產(chǎn)生突然破壞和位移；(2)地應力場對瓦斯壓力場起控制作用，圍巖中的地應力決定了煤層的高瓦斯壓力，從而促進了瓦斯壓力梯度在破壞煤體中的作用；(3)煤層透氣性也取決于地應力狀態(tài)，當?shù)貞υ黾訒r，煤層透氣性按負指數(shù)規(guī)律降低。因此，圍巖中增高的地應力，也決定了煤層的低透氣性，使巷道前方的煤體不易排放瓦斯，而造成較高的瓦斯壓力梯度。煤體一旦破壞，又有較高的瓦斯放散能力，這對突出是十分有利的。從上述分析可以看出，具有較高的地應力是發(fā)生煤與瓦斯突出的第一個必要條件。當應力狀態(tài)突然改變時，圍巖或煤層才能釋放足夠的彈性變形潛能，使煤體產(chǎn)生突然破壞而激發(fā)突出。可以認為，發(fā)生突出的充要條件是：煤層和圍巖具有較高的地應力和瓦斯壓力，并且在近工作面地帶煤層的應力狀態(tài)發(fā)生突然變化，從而使得潛能有可能突然釋放。應力狀態(tài)的突然變化一般有下述幾個原因：(1)巷道進入地質破壞區(qū)；(2)石門揭開煤層時；(3)工作面迅速推進時，如放炮、打鉆等；(4)巷道從硬煤帶進入軟煤帶；(5)煤層突然加載，如巷道頂板下沉等；(6)煤層突然卸壓，如懸臂梁的突然斷裂；(7)煤的冒落。2.2.2瓦斯作用以游離狀態(tài)和吸附狀態(tài)存在于煤裂隙和孔隙中的瓦斯，對于煤體有三方面的作用：(1)全面壓縮煤的骨架促使煤體中產(chǎn)生潛能；(2)吸附在微孔表面的瓦斯分子，對微孔起楔子作用，因而降低煤的溫度；(3)具有很大的瓦斯壓力梯度，從而造成作用于壓力降低方向的力。因此，無論游離瓦斯、還是吸附瓦斯，都參與突出的發(fā)展。突出時，依靠潛能的釋放，使煤體破碎并發(fā)生移動，瓦斯的解吸使破碎和移動進一步加強。并由瓦斯流不斷地把破碎煤拋出，使突出孔洞壁始終保持著一個較大的地應力梯度和瓦斯壓力梯度，致使煤的破碎不斷向深部發(fā)展。因此，突出過程的繼續(xù)發(fā)展或終止，在某種程度上將決定突通道是否暢通，即破碎煤被瓦斯搬走的程度。煤與瓦斯突出發(fā)展的另一個充要條件是：有足夠的瓦斯流把碎煤拋出，并且突出孔道要暢通，以在孔洞壁形成較大的地應力和瓦斯壓力梯度，從而使煤的破碎向深部擴展。2.2.3煤結構和力學性質煤結構和力學性質，與發(fā)生突出的關系很大，因為煤體和煤的強度性質(抵抗破碎的能力)、瓦斯解吸和放散能力、透氣性能等，都對突出的發(fā)動與發(fā)展起著重要作用。一般來說，煤愈硬、裂隙愈小，所需的破壞功愈大，要求的地應力和瓦斯壓力愈高；反之亦然。因此，在地應力和瓦斯壓力為一定值時，軟煤分層易被破壞，突出往往只沿軟煤分層發(fā)展。盡管在軟煤分層中，裂隙叢生，但裂隙的連通性差，因而煤體透氣性差，易于在軟煤分層引起大的瓦斯壓力梯度，又促進了突出的發(fā)生。同時，根據(jù)斷裂力學的觀點，煤層中薄弱地點(如裂隙交匯處、裂隙端部等)最易引起應力集中，所以煤體的破壞將從這里開始，而后在沿整個軟煤分層發(fā)展[25]。在成煤過程和歷次地質構造運動中，造成了煤結構和力學性質沿煤層走向和傾斜方向的不均質性，這種不均質性，不但給工作面附近煤體應力狀態(tài)突然變化創(chuàng)造了有利條件，并且還影響著突出的發(fā)展速度和突出孔洞的形狀及尺寸。2.3煤與瓦斯突出的發(fā)展過程煤與瓦斯突出的發(fā)展過程，一般可分為4個階段，即準備、發(fā)動、發(fā)展和停止階段，如圖2.2所示[26~29]。(1)準備階段在此階段，煤體經(jīng)歷著兩個過程：一是能量積聚的過程，例如地應力的形成使其彈性能增加，孔隙壓縮使瓦斯壓縮能增高等；二是阻力降低過程，例如落煤工序使煤體由三向受壓狀態(tài)轉變?yōu)閮上蛏踔羻蜗蚴軌籂顟B(tài)，煤的強度突然下降等。由于彈性能、壓縮能的增高和應力狀態(tài)的改變，煤體進入不平衡狀態(tài)，外部表現(xiàn)為煤面外鼓、掉渣、瓦斯忽大忽小、發(fā)出劈裂及悶雷聲等有