王曦開題報告

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基于熵的改進支持向量機煤層瓦斯突出預計方法研究

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國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢22.1熵理論的發(fā)展22.2支持向量機理論的發(fā)展32.3煤層瓦斯突出預警指標體系的發(fā)展5

2.3.1煤與瓦斯突出機理52.3.2突出預報方法62.3.3突出預計指標研究8

3本文的研究內(nèi)容和技術(shù)路線103.1研究內(nèi)容103.2技術(shù)路線114可能的困難和問題115預期目標126論文工作量和經(jīng)費來源127研究進度安排128XX科技大學碩士研究生學位論文開題報告

2.3煤層瓦斯突出預警指標體系的發(fā)展2.3.1煤與瓦斯突出機理

關(guān)于突出機理的研究，可以分為兩個階段，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程階段。

（1）早期的學者提出的主要觀點有：瓦斯作用論、地應(yīng)力作用論、綜合假說等。綜合假說較全面的考慮了突出動力（地應(yīng)力、瓦斯）和阻力（煤強度）兩個方面的主要因素，因而得到國內(nèi)外學者的普遍認可，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)域突出危險性越大。對采掘工作面突出而言，突出與地應(yīng)力、瓦斯和煤物理力學性質(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，煤強度越不均質(zhì)，則工作面突出危險性也就越大。

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

于非凡[37]（1975，1979）從煤與瓦斯突出的發(fā)生過程進行研究，提出了煤與瓦斯突出是從離工作面某一距離處的發(fā)動中心開始的，而后向四周擴散的中心擴張說。鄭哲敏[38]（1982）通過量綱分析和能量對比方法，從力學角度出發(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）認為煤與瓦斯突出就是煤體所儲存的瓦斯內(nèi)能和彈性應(yīng)變能突然釋放的過程，是煤體盤形拉伸破壞的連鎖反應(yīng)過程。俞善炳[40]（1988）建立了煤與瓦斯突出理想的一維運動模型，指出煤的破碎起動與瓦斯?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動力源進行研究，認為突出的本質(zhì)是在突出中心形成了煤粒和瓦斯的二相流體，突出的主要動力源是二相流體壓縮積蓄，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。丁曉良[42]（1989）認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，通過對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、固兩相流的動量守恒方程和質(zhì)量守恒方程。周世寧和何學秋[43]（1990）認為煤與瓦斯突出是含有瓦斯的煤體受到采掘活動的影響后，孔隙瓦斯氣體與地應(yīng)力禍合的一種流變過程，從而提出了流變假說。梁冰和章夢濤[44]（1995）根據(jù)煤體

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

國內(nèi)外眾多學者通過對突出的規(guī)律及其前兆現(xiàn)象的研究，提出了大量突出預報方法，這些方法在防治突出的發(fā)生及減小突出災難的損失中起到了重要的作用。

（1）利用溫度異常預報突出。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，煤體聚集高應(yīng)變能，使打鉆時出現(xiàn)頂鉆、夾鉆、卡鉆和噴孔等突出危險性的前兆現(xiàn)象，并使鉆孔進尺速度減慢，鉆孔孔底煤壁與鉆頭摩擦時間增長，從而鉆屑溫度上升。郭立穩(wěn)等通過分析認為，煤與瓦斯突出過程中的溫度變化的主要影響因素是地應(yīng)力、瓦斯壓力和煤體強度，因而溫度反映了突出的各因素的綜合作用，他進一步通過試驗室研究發(fā)現(xiàn)，突出過程中，煤體溫度先升高后降低，認為通過對煤體溫度進行連續(xù)觀測能夠?qū)崿F(xiàn)突出預報。梁冰通過數(shù)值模擬，結(jié)果也說明，當溫度變化梯度較大時，將發(fā)生煤與瓦斯突出。但有一些學者對用煤體溫度作為評價瓦斯突出危險性指標持有異議，認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量的影響，與煤層瓦斯突出危險性關(guān)系不大。

（2）根據(jù)電磁輻射預報突出。20世紀90年代初，何學秋、劉明舉、王恩元等對煤等強度較低巖石變形破碎電磁輻射效應(yīng)進行了研究。研究結(jié)果說明，電磁輻射與煤巖體的載荷及變形破碎過程呈正相關(guān)，基本上隨著載荷及變形破碎強度的增加而增加。進一步的研究還發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)場中有突出危險性的煤層，其電磁輻射強度（幅值）或脈沖數(shù)較沒有危險時明顯增大且呈增長趨勢。林海燕等通過對

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含瓦斯煤斷裂的地磁輻射試驗研究發(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，因而可作為突出預報方法。

（3）利用聲發(fā)射現(xiàn)象預報突出。長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就會在這些缺陷部位產(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。王恩元在試驗室研究發(fā)現(xiàn)，盡管煤巖體破碎時的聲發(fā)射信號十分豐富，但在煤巖體的破壞過程中是陣發(fā)性的，說明白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。

（4）根據(jù)微震預報突出。采動使巖體發(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)果導致釋放地震能。該法主要用來監(jiān)測礦井巖層的破碎，試驗研究結(jié)果說明，低頻多探頭微震系統(tǒng)可以連續(xù)監(jiān)測煤體結(jié)構(gòu)中應(yīng)力的集中和變化，可以預報沖擊破壞以及可能發(fā)生突出的地點，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)可以用來監(jiān)測各種類型的破壞。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，還能預報瓦斯突出的發(fā)生時間。

（5）利用采場壓力變化預報突出。張智明認為，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爭動力破壞的能力。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)瓦斯涌出特征預報突出。國內(nèi)外的大量的突出實例說明，相當一部分突出發(fā)生前，工作面的瓦斯涌出有變化。曾慶陽分析炮落式煤層巷道掘進期間，工作面瓦斯涌出來源為煤層暴露面和放炮后的落煤，而落煤對風流中的瓦斯?jié)舛扔绊憰r間不長，由此，風流中的瓦斯?jié)舛戎饕从车氖枪ぷ髅娴耐咚?。進一步的分析認為，作業(yè)過程中工作面瓦斯涌出的變化反映了巷道前方存在相當高應(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。

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西德H·?？藸栍^測分析伊本比倫煤礦工作面風流中的瓦斯?jié)舛龋l(fā)現(xiàn)突出之前，瓦斯含量出現(xiàn)了一致的高值，并認為值變大時，預示突出可能發(fā)生。

（7）地電場預報瓦斯突出。煤層在破壞過程中，除了有明顯熱效應(yīng)在內(nèi)的各類電磁輻射外，地電場特性也隨之而改變，而且還可以表征采動應(yīng)力集中影響程度、瓦斯運移動能和煤體破壞極限應(yīng)力帶寬度、煤的孔隙率和煤的強度等因素。也就是說，地電場的電勢和電流強度變化反映了瓦斯突出參數(shù)的變化。俄羅斯B.T.塔拉索夫研究說明，突出動力現(xiàn)象往往發(fā)生在卸壓帶邊界上和裂隙產(chǎn)生過程的前沿，煤從彈性狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)閭瘟髯儬顟B(tài)，伴隨著地電場的急劇消失，導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壓短時升高。地電場電勢下降是發(fā)生瓦斯突出的前兆。因此，根據(jù)地電場電勢的變化規(guī)律可進行瓦斯突出預報[48]。

基于經(jīng)驗的傳統(tǒng)預計技術(shù)和基于數(shù)學建模的統(tǒng)計預計方法的應(yīng)用已受到了很大的限制。目前，一些先進的數(shù)學理論方法如計算機模擬、模糊數(shù)學理論、灰色系統(tǒng)理論、支持向量機、專家系統(tǒng)、分形理論和流變與突變理論等，以及計算機科學中的數(shù)據(jù)庫、數(shù)據(jù)挖掘、Gis技術(shù)和三維地學模擬技術(shù)閱等，己開始應(yīng)用于煤與瓦斯突出的定量評價與預計中，并取得了一定的研究成果[49]。2.3.3突出預計指標研究（1）單項指標法

《防治煤與瓦斯突出細則》規(guī)定，預計煤層突出危險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）。判斷其突出危險性單項指標臨界值見下表。只有全部指標達到或超過其臨界值時方可劃分為突出煤層。

煤層突出危險性突出危險無突出危險

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

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（2）D、K綜合指標法

?0.0075H??P???D???3p?0.74K???ff??綜合指標D、K的突出臨界指標應(yīng)根據(jù)本礦區(qū)實測數(shù)據(jù)確定。無實測資料時，可參照下表所列的臨界值確定區(qū)域突出危險性。

煤層突出危險性

綜合指標Ｄ

煤的突出危險性綜合指標Ｋ無煙煤

其它煤種

≥0.25

≥20

≥15

注：當D值兩括號內(nèi)計算結(jié)果全部為負時，則不管D值大小，都定為突出要挾區(qū)域。

（3）其他指標及其相關(guān)臨界值表①．鉆屑指標法

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