基于非线性理论的煤与瓦斯突出预测技术研究

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。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。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m3[3]。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、井田、煤层和采掘区域性的突出危险性；第二是局部预测，它是在区域性的基础上，根据钻探、采掘工程等资料，进一步对局部地区(如采区)或地点的突出危险性做出判断；第三是日常预测，它是在区域性预测、局部预测的基础上，根据突出预兆的各种异常效应(如声、电、磁、震、热等)，对突出危险发出警报。我国将突出危险性预测只分为区域突出危险性预测和工作面突出危险性预测两类。区域突出危险性预测，用于预测煤层和煤层区域(包括井田、新水平和新采区)的突出危险性，并在地质勘探、新井建设、新水平和新采区开拓或准备时进行。其预测的依据是查明突出区域性特征，即各区域的突出主要因素(地应力、瓦斯和煤的物理力学性质)与突出危险性之间的联系。工作面预测也叫点预测、日常预测，它包括石门揭煤工作面、煤巷掘进工作面和回采工作面的突出危险性预测。其任务是确定工作面附近煤体的突出危险性，即该工作面继续向前推进时，有无突出危险。工作面预测是依据上述三个因素在工作面前方的分布状态及其随工作面推进的变化。根据人们对瓦斯突出机理的研究，考虑众多影响瓦斯突出的因素，提出不同的观点，这些方法对预测瓦斯突出起到了根本性的作用。主要分以下两大类：静态预测(点预测)和动态预测(连续预测)。1.2.1静态预