（工程力学专业论文）煤与瓦斯突出的混沌动力系统演化规律研究.pdf

摘要 煤与瓦斯突出是煤矿中一种极其复杂的动力现象，是威胁煤矿安全 生产的严重自然灾害之一。是目前国际采矿工程和工程力学界亟待需要 研究解决的科学难题。本文对煤与瓦斯突出发生和预测从混沌动力学方 面进行了系统的理论和方法研究。 本文提出了基于煤与瓦斯突出综合假说基础上的动态反演综合假 说由于系统的复杂性，煤与瓦斯突出发生的机理及其发生的物理力学 过程至今仍停留在假说阶段。煤与瓦斯突出是地应力、瓦斯及煤体物理 力学性质三个主要因素综合作用的结果的假说虽得到普遍认可，但各因 素的权重大小未能得到定量分析。动态反演综合假说将煤与瓦斯突出的 过程作为一个动力演化的过程原系统按时问序列提取的主要影响因素 指标，根据系统相互作用原理，包含了动力系统演化的全部信息。根据 混沌动力学理论由其主要影响因素指标提取的混沌时间序列在微分同 胚意义下同构于按一定的嵌入维数重构的相空间，对相空间演化轨迹分 析预测能得到同一时空的权重并可反演到原煤与瓦斯突出系统，使得在 一定时空条件下分析综合作用中主要因素影响大小成为可行。 在综合分析影响煤与瓦斯突出特点的基础上建立的煤与瓦斯固流 耦合作用理论也是目前得到普遍认可理论，但由于煤岩固体的变形和破 坏对力学参数影响以及固流耦合本构关系停留在试验基础上都使得建 立的数学力学模型与实际问题必然会有偏差，本文作者提出从系统演化 规律的角度出发，基于动力学中t a k e n s 定理，根据混沌时间序列重构 出的相空间，恢复出吸引子，并根据吸引子的类型来分析判断突出的情 况为煤与瓦斯固流耦合作用找到了一种在一定时空下的映射同构系 统，进而得到等价的动力学行为 在混沌动力学理论基础上，系统地分析和论证了离散混沌动力系统 的时间序列分析理论和方法，创造性地提出了混沌时间序列预测中新的 思想方法，包括分段线性逼近，三次样条函数逼近，傅里叶函数和小波 函数逼近以及正态函数逼近等一系列新的基于重构技术的预测方法。 在分析煤与瓦斯突出系统中煤体的孔隙裂隙结构、瓦斯分布、断层 的演化过程各具分形特征的基础上，提出了瓦斯分布的多重分维思想并 给出其相应的数学模型。研究了度量煤与瓦斯突出这个复杂系统的相对 标度不变量分维数。并给出分维数的各种计算和煤与瓦斯突出的一种新 判据。 在由l y a p u n o v 指数数值计算判别系统的混沌特性基础上，系统地实 现了基于混沌时间序列的煤与瓦斯突出系统的相空间重构技术以及多 种预测方法并将理论和方法拓广，自行独立设计出了基于m a t l a b 科学 软件平台的c c 方法、g - p 算法、零阶加权局域法、一阶加权局域法、 神经网络预测法等程序并得到和实际较相符数值实现。 关键词：煤与瓦斯突出；动态反演；混沌时间序列；相空间重构： 多重分维；预测 a b s t i 乙c t c o a la n dg a so u t b u r s ti sa v e r yc o m p l i c a t e dp h e n o m c n o no fd y n a m i c si nc o a lm i n e s i ti sn o t o n l yo n eo ft h em o s ts e r i o u sc a l a m i t i e st h a tt h r e a t e nt h es a f ey i e l 也b u ta l s oa d i 伍c u l tp r o b l e mi ns c i e n c et h a tn e e d st h r a s h e do u tu r g e n t l y 1 k sd i s s e r t a t i o nh a sd o n e a s y s t e m a t i c s t u d y o n t h e p r e d i c t i o n o f c o a l a n dg a s o u t b u r s t f r o m t h e c h a o t i c d y n a m i c s t h i sd i s s e r t a t i o na d v a n c e st h ed y n a m i c a lr e t r i e v a lc o m p r e h e n s i v es u p p o s i t i o nb a s e d o l lt h ec o m p r e h e n s i v es u p p o s i t i o n b e c a u s et h ec o m p l e x i t yo f t h es y s t e m ，t h eo m b u r s t m e c h a n i s ma n dt h ep h y s i c a lp r o c e s sh a v es t i l lr e s t e do nt h ep h a s eo fs u p p o s i t i o n t h e c o m p r e h e n s i v es u p p o s i t i o nw h i c hc o n s i d e r sc o a la n dg a so u t b u r s ti sc a u s e db ye a r t h s t r e s s ，g a sa n dp h y s i c a lm e c h a n i c sc h a r a c t e ro fc o a l ，i sc c r t i f i c a t eu n i v e r s a l l y , b u t q u a n t i t a t i v ea n a l y s i si sn o td o n ei nt h ew e i g h to ft h ef a c t o r s d y n a m i c a lr e t r i e v a l c o m p r e h e n s i v es u p p o s i t i o nt h i n k st h ep r o c e s so fo u t b u r s ti sap r o c e s so fd y n a m i c a l e v o l u t i o n a c c o r d i n gt ot h ep r i n c i p l eo fs y s t e mr e c i p r o c i t y , t h ef a c t o ri n d e xi no r i g i n a t s y s t e mc o n t a i n sa l lt h ei n f o r m a t i o ni ne v o l u t i o no ft h ed y n a m i c a ls y s t e m s ot h et i m e s e r i e ss h o wt h e s y s t e m s e v o l u t i o n i nt h em e a n i n go fd i f f e r e n t i a lc o e 伍c i e n t h o m c o m o r p h i s mt i m es e r i e si si s o m o r p h i ct oap h a s es p a c e a n a l y s i st h ee v o l u t i o nt r a c k o fp h a s es p a c ew i l lp r e d i c tt h ew e i g h to fi n d e xi nt h es a m et i m ea n dt h es a m ep l a c e a s w e l la sr e t r i e v a lt ot h eo r i g i n a lc o a la n dg a ss y s t e m i ti sp o s s i b l et h a tt h ed o m i n a n t f a c t o rw i l lb eg o tt t l ：r o u g ha n a l y z i n gt h er e s u l to f r e t r i e v a l 1 1 蛇w a r pb e t w e e nm a t h e m a t i c a lm o d e la n dp r a c t i c a lp r o b l e mm u s tb ee x i s t , b e c a u s e t h ed e f o r m a t i o na n dd e s t r u c t i o no f c o a la n dr o c kw i l la f f e c tt h em c c h a n i e sp a r a m e t e r , 嬲 w e l la st h es t u d yo nf l u i da n ds o l i dc o u p l i n gc o n s t i t u t i v er e l a t i o ni sd e d u c e df r o m e x p e r i m e n t n l i sd i s s e r t a t i o ns u g g e s t sa s e a t o - m e t h o dt oa n a l y z eo u t b u r s t a c c o r d i n gt o t a k e n st h e o r e mi nd y n a m i c s , i fa na p p r o p r i a t ee m b e d d i n gd i m e n s i o ni sg i v e n , t h et i m e s e r i e sw h i c hr e f l e c tt h eo r i g i n a ls y s t e mw i l lb ee m b e d d e di nar e c o u s t r u c t e dp h a s es p a c e ， t h ea t t r a c t o ri nt h es y s t e mw i l lb er e t r i e v e d f r o mt h et y p eo ft h ea t t r a c t o r , t h es i t u a t i o n o fo u t b u r s tw i l lb ea t t a i n e d i nt h i sw a y , am a p p e di s o m o r p h i cs y s t e mw h i c hr e p r e s e n t s t h ef l u i da n ds o l i dc o u p l i n go fc o a la n dg a si sg a m e d , a n dt h a te q u i v a l e n td y n a m i c b e h a v i o ri sg o t b u s e do nt h ec h a o t i cd y n a m i ct h e o r y , t h et h e o r ya n dm e t h o do f t i m es e r i e si nd i s c r e t e d y n a m i cs y s t e mi sa n a l y z e d , n e wt h o u g h tw a y si nc h a o t i ct i m es e r i e sp r e d i c t i o ni s b r o u g h tf o r w a r de r e a t i v e l y t h en e wp r e d i c tm e t h o db a s e do nr e c o n s t r u c t e dp h a s es p a c e i n c l u d i n gp i e c e w i s el i n e a ra p p r o x i m a t i o n s ，c u b i cs p l i n ef u n c t i o na p p r o x i m a t i o n s ， f o u r i e rf u n c t i o n a p p r o x i m a t i o n s w a v e l e t a p p r o x i m a t i o n s a n dg a u s sf u n c t i o n a p p r o x i m a t i o n s n 地m u l t i f r a c t a ld i m e n s i o ni ng a sd i s t r i b u t i o na n dt h ec o r r e s p o n d i n gm a t h e m a t i c m o d e la r eg i v e na f t e ra n a l y z i n gt h ef r a c t a lf e a t u r ei nh o l ea n dc r a c k so fc o a l g a s d i s t r i b u t i o na sw e l la sf a u l te v o l u t i o np r o c e s s n ec o m p a r a t i v e l yi n v a r i a n t 丘a c t a l d i m e n s i o ni sm e a s u r e dc o a la n dg a so u t b u r s t t h e r ea g em a n yw a y st oc a l c u l a t ef r a c t a l d i m e n s i o n ，i ti san e wc r i t e r i o nt op r e d i c to u t b u r s t n 圯l y a p u n o ve x p o n e n ti su s e dt od i s t i n g u i s ht h ec h a o t i cf e a t u r ei ns y s t e m , i ft h e s y s t e mi sc h a o t i c ，i tc a r lb ea n a l y z e di nc h a o t i cd y n a m i cm e t h o d , i n c l u d i n gc o a la n dg a s o u t b u r s ts y s t e mi f t h et i m es e r i e so f s y s t e mi sc h a o t i c ，a n dm a n yn e ww a yo f p r e d i c t i o n c a nb eu s e di nt h e 丘e i d t h ec - cm e t h o d g pa r i t h m e t i ca r eu s e di np h a s es p a c e r e c o n s t r u c t i o n ，a d d i n gw e i g h tz e r o r a n kw e i g h tl o c a lm e t h o d ，a d d i n gw e i g h to n e r a n k l o c a lr e g i o nm e t h o da n da r t i f i c a ln e u r a lm e t h o da r eu s e df o rp r e d i c t i n gc o a la n dg a s o u t b u r s t r e l a t i v ep r o g r a ma r ce d i t e da n dt h eo u t c o m ei sa n s w e rf o rt h ea c t u a ls i t u a t i o n k e yw o r d s ：c o a la n dg a so u t b u r s t ；d y n a m i c a lr e t r i e v a l ；c h a o t i ct i m es e r i e s ；p h a s es p a c e r e c o n s t r u c t i o n ；m u l t i f r a c t a ld i m e n s i o n ；p r e d i c t i o n 创造性成果声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的 研究工作及取得的研究成果：( 博士填创造性成果内容) 提出基于混沌时间序列重构相空间技术的煤与瓦斯突出的动态 反演综合假说，以及煤与瓦斯固流耦合作用突变预测与重构相 空间中混沌吸引子性态同构的反演判据。给出瓦斯分布的多重 分形模型。系统地以混沌时间序列的理论和方法对煤与瓦斯突 出的预测分析研究，并给出局域法预测中拟合函数新推论和煤 与瓦斯突出局域预测法和神经网络预测法的系统数值实现。 尽我所知，到目前国内外文献未见报道。 辽宁工程技术大学博士学位论文 l 绪论 i 1 引言 瓦斯，这一煤炭生成过程中的伴随物，早在1 5 世纪就开始为人们 所认识我国明代宋应星在天工开物( 1 6 3 7 年) 一书中曾经介绍， 煤层中存在一种能使人窒息和可燃爆的气体，并提出了利用主管引排的 方法；1 6 世纪末，英国和其他西欧国家在采煤时，也遇到了“有害的” 气体，但并未引起人们的重视。1 8 3 4 年3 月2 2 日，在法国的鲁阿雷煤 田伊萨克矿并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。但是，有关瓦斯生成及来源的问题，直到2 0 世纪 4 0 年代才开始逐渐引起人们的重视，并对此进行了研究。 煤与瓦斯突出是煤矿中一种极其复杂的动力现象，它能在很短的时 间内，由煤体向巷道或采场突然喷出大量的瓦斯和碎煤，在煤体中形成 特殊形状的空洞，并形成一定的动力效应，如推倒矿车、破坏支架等； 喷出的煤粉可以充填数百米长的巷道，喷出的瓦斯一粉煤流有时带有暴 风般的性质，瓦斯可以逆风流运行，充满数千米长的巷道。 煤与瓦斯突出是威胁煤矿安全生产的严重自然灾害之一。我国有文 字记载的第一次煤与瓦斯突出是1 9 5 0 年吉林省辽源矿务局富国西二坑， 在垂深2 8 0 米煤巷掘进时突出煤与瓦斯突出事故给我们带来的损失是 惨重的，1 9 6 0 年5 月1 4 日重庆地区松藻矿务局松藻二井+ 3 5 2 m 标 高石门揭穿k ，煤层，发生大型煤与瓦斯突出，突出煤量10 0 0 t ，堵塞 巷道2 5 0 m ，全井充满瓦斯，瓦斯和煤尘逆风流9 0 0 多米冲出平硐口， 造成1 2 5 人窒息死亡，伤1 6 人的特大事故，2 0 0 2 年9 月5 日湖南省 娄底市双峰县秋湖煤矿发生瓦斯突出，3 3 人死亡，2 0 0 3 年1 月2 5 日 焦作煤业集团朱村矿发生煤与瓦斯突出，造成1 9 人遇难 一个半多世纪以来，世界各主要产煤国如俄罗斯、波兰、澳大利亚、 德国、英国、日本等都发生过不同程度的瓦斯突出。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 瓦斯突出现象最严重、危害性最大的国家之一f 1 捌。1 9 5 0 年以前，我国 1 绪论 无煤与瓦斯突出的记录。据不完全统计，目前我国有突出矿井2 7 0 余个， 已发生煤与瓦斯突出万余次近年来，随着煤炭工业的迅猛发展，煤与 瓦斯突出对煤矿安全生产的威胁与日俱增，已成为威胁煤矿安全生产中 的一个严重问题。 1 2 本论文的研究目的和意义 煤与瓦斯突出灾害的防治，关键在于预测。特别是在矿井的设计阶 段应该能对突出做出预测，得出突出发生危险较小的设计方案，掘进过 程能根据时间和区域的有效提取信息经过科学方法进行跟踪预测国内 外的研究表明，突出危险煤层的突出危险具有区域性分布规律。即突出 只发生在某些局部地带，其突出危险带的面积只占整个开采区域的 8 - 2 0 3 1 其长度变动在1 0 一1 0 0 米之间，突出危险带之间往往间隔很 远，有时甚至达千米。若不预测这些突出危险带，必然要在整个突出危 险煤层采取防范措施，从而造成人力物力的极大浪费，还要消耗大量的 工作时间。若长时间在非突出带工作，还会使工人丧失警惕，一旦进入 突出危险带，很容易出伤亡事故。 为了保证开采突出危险煤层的人身安全，减少采取防突措施的盲目 性，改善矿井技术经济指标，各国都非常重视突出的预测预报工作为 此，行之有效的预测将为煤矿的安全生产提供科学的依据，同时也可以 使我们更充分利用宝贵的煤矿资源 自从在各个领域中不断地发现混沌运动以来，混沌时间序列的建模 与预测便成为了具有实际意义的研究课题。混沌时间序列预测是2 0 世 纪8 0 年代末发展起来的一种非线性预测新方法。混沌是确定性系统具 有内在随机性的一种运动，它的行为对初始条件非常敏感。混沌系统从 两个极其邻近的初始点出发的两条轨道，在短时间内差距可能不大，但 在足够长的时间以后将呈现出很大差异这种“蝴蝶效应”表明，对混 沌运动不可能做出长期的精确预测。然而，根据混沌运动所具有的内在 确定性，进行较准确的短期预测还是可能的时间序列一经证实具有混 沌性，就可应用混沌时间序列预测方法通过重构相空间技术，利用拓扑 2 辽宁工程技术大学博士学位论文 同构原理对未来进行预测。由于混沌理论建立一个很小或几乎没有随机 误差的非线性复杂模型，在预测时主要考虑模型本身对时间序列未来值 的影响，能预测时间序列微小的起伏波动等精细结构。同时，根据混沌 动力学预测出的结果，还可以反演到煤与瓦斯突出系统，考察突出的主 导因素，即本论文提出的动态反演综合假说 利用混沌动力学的理论和方法对煤与瓦斯突出灾害进行预测分折， 不仅是煤与瓦斯突出预测方法上的突破，也有助于进一步搞清煤与瓦斯 突出机理，是理论和方法的创新，经过完善，相信会对煤矿的安全生产， 能源开发产生巨大的经济和社会效益。 1 3 煤与瓦斯突出发生机理的研究现状 煤与瓦斯突出是一种复杂的动力现象其发生的突然性和危险性， 使得直接观测突出的发生和发展过程极为困难因而，目前对突出机理 的研究只是根据突出统计资料、突出后的现场观测并辅助采用实验室模 拟的方法得以认识，所以存在许多不同的假说。 煤与瓦斯突出机理研究经历了单因素假说、综合假说( 俄 斯柯钦 斯基，1 9 5 8 ) 和流变假说【4 l ( 何学秋等，1 9 9 1 ) 三个阶段早期主要是 单因素假说。单因素假说主要包括以瓦斯为主的假说、以地压为主的假 说和化学本质假说。到目前为止，化学本质假说在现场观察和实验室实 验两个方面都没有得到支持，已为绝大多数研究者所抛弃而以瓦颠为 主和以地压为主的突出假说只是从一个侧面来说明突出的内在机制，必 然有许多不能解释的现象1 9 5 8 年，前苏联学者斯柯钦斯基 ( c do i ihhck1 4n ) 根据突出煤层的经验和当时的科研成果提出了 综合假说。该假说认为，突出是地压、包含在煤体中的瓦斯、煤的物理 力学性质、煤的微观结构、宏观结构、煤层构造及煤的自重力等因素综 合作用的结果。流变假说是运用流变学的观点分析突出过程，建立了含 瓦斯煤的流变本构方程。 目前，煤与瓦斯突出机理的综合假说已被大多数突出研究者所接 受，成为煤与瓦斯突出预测研究的理论基础但是，不同的学者对瓦斯 1 绪论 和地应力在突出发生中所起的作用认识又不一致。如1 9 8 7 年在北京召 开的第二十一届采矿安全讨论会上，日本的氏平之增，采用有限元方法 进行数值模拟，通过煤壁受瓦斯空隙压力差产生拉伸破裂，说明瓦斯对 突出的发生起主导作用；澳大利亚的哈格费斯通过物理模拟试验所得到 的结果说明突出的发生是应力起主导作用。王恩义对非地质构造的突出 问题也进行了研究，认为地质构造的突出与其它煤与瓦斯突出问题有着 相似性，它们都是在以瓦斯为主导作用下发生的，而地应力只是间接地 参与了作用1 5 , 6 1 我国对煤与瓦斯突出的研究是在本世纪5 0 年代开始起步的。最初 只是着眼于预测和防治方面的研究，因而未见到早期的国内学者在煤与 瓦斯突出的发生理论方面的专门论述 抚顺煤科分院的王佑安教授提出了对煤和瓦斯突出的预测要采用 煤层应力，煤体内瓦斯状态以及瓦斯的物理性质的综合指标做出预测。 倾向于瓦斯突出的综合作用说；重庆分院的于不凡教授在他所著的“煤 和瓦斯突出机理”一书中也赞同综合作用说西安矿业学院的李萍丰 ( 1 9 8 9 ) 提出了瓦斯突出机理的二相流体假说，该假说认为，突出的本 质是在突出中形成了煤粒和瓦斯的二相流体，二相流体受压积蓄能量， 卸压膨胀放出能量，冲破阻碍区形成突出，强调突出的动力源是压缩积 蓄、卸压膨胀能量，不是煤岩弹性能。周世宁和何学秋( 1 9 9 0 ) 提出了 流变假说，他们认为：煤与瓦斯突出是含瓦斯煤受采动影响后地应力与 孔隙瓦斯气体耦合的一种流变过程。周世宁( 1 9 9 0 ) 研究了瓦斯在煤层 中流动的机理：认为瓦斯在孔隙结构中的流动主要是扩敦，符合菲克定 律，在煤层裂隙系统的流动属于渗流，符合达西定律。煤层瓦斯的流动 决定于裂隙系统的特性，而不决定于孔隙结构。中国矿业大学的蒋承林 教授( 1 9 9 5 ) 通过对突出过程的理论分析和大量的实验室研究，提出了 瓦斯突出的球壳失稳机理。他认为，突出的过程实质是地应力破坏煤体、 煤体释放瓦斯、瓦斯使煤体裂隙扩张并使形成的煤壳失稳破坏，煤体的 破坏以球盖状煤壳的形成，扩展及失稳抛出为主要特点这种观点对于 辽宁工程技术大学博士学位论文 解释突出孔洞的形状及形成过程很有帮助。章梦涛和梁冰( 1 9 9 5 ) 提出 了固流耦合理论，他们认为，煤与瓦斯突出是煤与瓦斯固流耦合作用下 煤岩体变形失稳破坏问题，即是由于煤岩体局部区域的应力超过峰值强 度，物理力学性质发生变化，呈现应变软化性质而造成的，故也将这种 变形失稳破坏称为物理上的失稳破坏。 由于突出的复杂性以及研究方法和研究手段的限制，突出的实验室 模拟和现场实际观测都存在着无法克服的困难，我们尚未完全弄清其机 理，还无法准确地预测和监测突出，也无法从根本上阐述突出所带来的 危害因此，迫切需要采用新的方法和手段研究煤与瓦斯突出这种与含 瓦斯煤岩破坏有关的灾害动力现象。 1 4 动态反演综合假说 事实上，即使是突出发生的单项因素起主导作用的学说也并不否认 。突出是具有定物理力学性质的煤体受应力和瓦斯作用破坏而发生的 二动力破坏现象，只不过强调单项因素而已。在综合作用说中虽然承认了 。三个因素均起作用，但对各个因素在突出发生中所起的作用仍然是观点 不同，所以在综合假说中，究竟是应力还是瓦斯在突出发生中起主导作 用的问题仍在争论之中在承认瓦斯综合说的前提下。本文提出了动态 反演综合假说。 大量实例表明，煤与瓦斯突出是在瓦斯流体参与和作用下煤体突然 破坏，碎煤和瓦斯大量涌出而发生的动力现象。从系统的观点来看，突 出是相应的瓦斯煤岩系统在外力扰动下，发生的动力失稳现象。从突出 孕育到激发以至发展的过程中，系统内部各要素之间及其外部系统的相 互作用具有明显的非线性特征。例如，煤岩体受力破坏，应力、应变全 过程的高度非线性和不可逆性；煤岩体内孔隙、裂隙结构所具有的分形 几何特征及瓦斯在煤岩体内的非线性渗流特征；影响突出的各因素之间 的非线性耦合( 包括地应力与煤体透气性及孔隙瓦斯与煤体强度的非线 性关联等) ；系统内部及其与外部系统的非线性能量耗散等。因此，突 出的发生是一个复杂的非线性动力系统在时空演化过程中的失稳和突 1 绪论 变行为假设在不同的时空，一各个因素对突出的影响是不同的。若要研 究既定状态下的突出问题，可以分别从表现地应力，煤体中瓦斯和煤的 物理力学性质因素中，提取相关的指标。利用各个指标在突出前的历史 数据，构造时间序列，分别重构相空间，对各个指标未来时刻的值进行 预测，将各个指标的预测值与发生突出的临界值相比较，确定下一时刻 是非发生突出，并根据误差的大小以构造标准函数的形式确定各个因素 在突出发生过程中的权重，即误差越小，表现出这个指标的因素在突出 中的作用越大。 在不同的对空各个因素所占权重的闽题分析，未见有文献涉猎。动 态反演综合假说从定量的角度以及映射以后系统的演化规律方面反演 分析了综合说中的各个因素在突出过程中所起的作用，是对综合假说的 发展。此外，动态反演综合假说还对煤与瓦斯突出的强度提供了有利的 判据 1 5 煤与瓦斯突出预测的研究现状 研究煤与瓦斯突出机理的根本目的是对突出进行有效的防治，而防 治的首要工作就是对突出作预测在对煤与瓦斯突出进行研究的一个多 世纪中，各国的研究者经过不懈的努力，提出了各种各样的突出预测方 法。 国外将突出危险性预测分为三类：区域性预测、局部预测和日常预 测。我国只分为区域性预测和工作面预测。区域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工作面预测也叫点预测、 日常预测，用于工作面煤层的突出危险性预测。根据突出预测过程及其 连续性，日常预测又可分为静态( 或不连续) 和动态( 或连续) 两类预 测方法 7 , a l 。静态法是指从现场工作面含瓦斯煤体中提取煤体或瓦斯在某 一时刻所处状态的某种量化指标而确定危险性的方法。它主要包括：d ， k 综合指标法、r 指标法、钻孔瓦斯涌出初速度g 法和瓦斯解吸指标 ( 幽：) 法、钻屑量法和钻屑倍率法、钻屑综合指标法等。动态法是指通过 6 辽宁工程技术大学博士学位论文 动态连续地监测能够综合反映含瓦斯煤体所处应力( 或变形) 状态的某 种指标而确定工作面附近煤层危险性的方法由于煤层或煤体及其内部 所含有的瓦斯并不是均匀分布的，也不是稳定的。在钻孔附近取得的预 测结果仅仅是局部的，并不能完全代表整个预测步长范围内的突出危险 性，在预测时刻取得的结果也只是静态的，并不能完全代表煤体稳定前 整个时期内的突出危险性，因为煤体处于动态变化之中，延期突出就是 例证。因此，动态连续预测的研究正日益引起人们的重视。连续预测的 主要包括声发射技术、利用环境监测系统连续监测工作面的瓦斯涌出变 化特征，分析瓦斯涌出与突出的关系从而预测突出和电磁辐射预测技术 等。声发射法和电磁辐射法都属于地球物理方法，是很有发展前途的连 续预测方法。但是，要获得进一步推广应用，需要进行预测指标及预测 设备的标准化和统一化工作 9 - t 6 1 。 此外，国内外学者对煤与瓦斯突出又突出了新的方法。自2 0 世纪 7 0 年代初以来，美国矿业局就用标准微震技术研究煤层结构物破坏同 时，采用超声波监测技术来监测岩层响声能量研究人员利用低频 ( 1 0 - l o k h z ) 微震技术监测和确定最可能发生突出的地点，利用高频 ( 4 0 一l l o k h z ) 微震技术确定发生突出的时间”。 另外，前苏联的一些学者，根据瓦斯解吸时吸热，导致煤层温度降 低的现象，对煤与瓦斯突出作预测温度降低越多，说明煤层瓦斯解吸 能力越强，则突出危险性越大。因此，采用近工作面地带的温度与煤体 原始温度之差作为突出预测指标，利用温度梯度值的预测方法被前苏联 防突委员会推荐使用我国湖南等矿区也进行了这方面的研究，实践表 明，凡是煤温突然大幅度降低，就预示着工作面附近有较大的地质构造 ( 煤层突然变厚、变薄、倾角突变等) ，有发生突出的可能性l l 。j 。 有关学者考察了顿涅茨煤田中2 个不突出煤层和4 个突出煤层的氦 含量后指出：自由释放的瓦斯中，氦含量高，瓦斯压力也相应地高。近 来一些国家有人假设煤中涌出的氦体积可以作为预测突出的一个指标。 这项研究目前正在继续进行 7 l 绪论 近些年来国内外研制出了预测突出的专家系统，如英国煤炭公司技 术发展部已开发出u p e l 专家系统，专家系统是一个模拟人类专家解决 某一问题所用知识和经验的计算机程序。该专家系统用于预报井开采过 程中煤与瓦斯突出危险的程序中国科学院地质研究所也正在研制预测 突出的g a s b u r s t 专家系统。 本论文从混沌动力学的角度，研究了煤与瓦斯突出的混沌动力演化 规律。利用了静态法中提取指标进行突出预测的思想，从动态的角度分 析了突出现象。 1 6 混沌时间序列分析的研究现状 离散动力系统的外在表现形式是时间序列，因此对离散动力系统的 研究可以转化为对时间序列的研究。自从在各个领域中不断地发现混沌 运动以来，混沌时间序列的建模与预测便成为了具有实际意义的研究课 题。 1 9 8 0 年，p a c k a r d 提出时间序列的相空间技术1 1 9 】，1 9 8 1 年，f t a k e n s 根据w h i t n e y 哆1 的思想，提出相空间重构理论，证明时间序列五，屯，矗， 在一定嵌入维m 和延迟时间f 下，重构的相空间和原产生序列的模型同 构，即具有等价的运动规律，这已成为混沌系统建模的理论基础。1 9 8 3 年，g r a s s b e r g 和p r o c a c c i a 2 1 , m 做出对嵌入维m 的估计的g p 算法。 f t a k e n s 在m o n d b r o t 做出的分形维数d 的基础上，证明只要m 2 【川+ 1 ， 就足以保证相空问与原动力系统重构【掣挪l ，即恰当的选择嵌入维m ，保 证了这种方法的实际可行性在国内，杨积东等根据矩阵特征值理论1 2 6 1 ， 提出一种解决混沌时间序列重构嵌入空间维数m 的新方法。对于f 的选 择常常是用自相关函数p ( k ) 的第一个近似零点毛来估计。 迄今为止，人们已研究了许多混沌时间序列的建模和预测方法，预 测方法主要分为局域法和全局法两类。在局域预测方面，f a r m e r 等提出 了局域近似预测法 2 7 1 ，根据混沌数据中的部分数据建立局域近似模型。 s u g i h a r am 1 等用混沌时间序列的相邻两时刻之差进行预测，并提出了 区别混沌与噪声的方法。m a n t i c a 和g i r a u d 研究了含有噪声的时间序列 8 辽宁工程技术大学博士学位论文 预测建模方法 2 9 1 。l i n s a y 提出了线性内插的局域预测法p o ，将邻近点 的加权和作为预测值n a v o n e 等提出了局域超平面近似法 3 t l 。6 0 n g 等 提出了矿一邻近点的概念 3 2 1 ，通过一邻近点提高局域预测的精度，且 消除了伪邻近点，并研究了选择预测长度的方法k i d a c h il ”，3 4 1 研究了 由确定性的映射产生的混沌时间序列的预测方法，指出对时间序列差分 变换后可以由前一时刻或前两个时刻的差分值预测下一时刻的差分值， 且预测的精度由时间序列的长度和离散信息空间的粗糙度决定 j a y a w a r d e n a 等提出了局域基函数预测方法p s l ，该方法在广义自由度的 基础上，提出了动态确定最邻近点数的方法国内，王永忠、曾昭磐 提出了“局部”线性回归法p 6 l ，在预测的每个时段都求出两个近似相点 之间应满足的关系式，并将这一关系用于预测计算。任小林等用数值分 析的方法对f a r m e r ，l i n s a y 和n a v o n e 提出的三种典型混沌时间序列局 域线性预测方法进行了研究，指出了这三种方法的性能是相同的口”。丁 涛，周惠成提出了一种加权局域基函数预测方法1 3 s , 3 9 1 ，该方法综合考虑 了广义自由度和邻近点的权重，提出了加权动态确定最邻近点数的判定 条件，并利用基函数拟合确定出的临近点进行预测。李爱国等提出了一 种基于奇异值分解最小二乘法的自适应局部线性化预测方法 4 0 1 ，当嵌入 维数接近最邻近向量的数目时，其性能显著优于局域线性化方法。 在全局预测法方面，c a s d a g l i 等通过数值方法研究了直接从时间序 列构造非线性预测模型的方法 4 1 1 。h e 等用多层径向基网络建立混沌系 统的非线性模型1 4 2 1 ，先通过逐次近似计算法获得初步的近似模型，再结 合线性优化获得较精确的近似模型。g e n c a y 研究了前向神经网络对噪 声数据的非线性预测 4 3 1 ：c a o 等将小波网络用于混沌时间序列的预测 一l ，并较精确地预测参数随时间变化的混沌系统产生的时间序列值和分 形结构，在数据较少时该方法也是有效的。马军海等 4 5 , 4 0 1 提出了一个新 的动力系统实测数据的非线性混沌模型，给出了相应的模型参数辨识方 法，得到的模型对系统预测效果良好。张家树等提出了一种混沌时间序 列的v o l t e r r a 自适应预测法，采用低阶v o l t e r r a 级数展开式作为低维 l 绪论 混沌序列的模型，根据混沌信号的高阶奇异谱特征，忽略了偏离对角线 和坐标轴的其他四阶积累量：后来，他们又提出了混沌时间序列的多层 自适应高阶非线性滤波预测法，一层一层地推进计算预测误差直到达到 给定目标，从而确定模型的阶次 4 7 , 4 s 1 。i n o u e 等提出了一种混沌时间序 列建模的混合网络【4 ”，该网络由通过向后传播法训练的传统前向网络和 由时延嵌入实现的局域模型构成，前向网络具有全局近似的功能，局域 模型具有局域近似的功能，仿真实验表明与其它预测方法相比，该网络 可以进行较长时间的混沌预测。简相超等研究了一种正交多项式混沌全 局建模方法 5 0 i ，所用正交多项式集以吸引子不变测度为核，通过仿真研 究发现在低噪声时模型能充分精确地重构系统方程式，在噪声较大时或 系统较复杂时模型仅用于一步预测。t a k a g i 等提出了用多阶模糊推理系 统( t h em u l t i - s t a g ef u z z yi n f e r e n c es y s t e m ) 来预测混沌时间序列p “， 将模糊推理系统和其输入变量划分为多个阶段，与传统的模糊推理系统 相比，该方法的模糊规则已大大减少：0 h 【5 2 1 等提出了h f p n n ( h y b r i d f u z z yp o l y n o m i a ln e u r a ln e t w o r k s ) ，该网络将模糊模型与多项式网 络相结合，其结构是基于g m d h ( g r o u pm e t h o do fd a t ah a n d l i n g ) 方法 建立起来的。蒋伟进等提出了基于趋势的混沌预测模型，利用混沌系 统的初值，参数敏感性来微调和控制系统扰动，并用改进的最优化方法 估计模型的参数。 1 7 本文的主要工作 本文作者提出了基于煤与瓦斯突出综合假说基础上的动态反演综 合假说。煤与瓦斯突出的综合假说认为煤与瓦斯突出是地应力、瓦斯及 煤体物理力学性质三个主要因素综合作用的结果，虽然综合假说已得到 普遍认可，但各因素的权重大小未能得到定量分析。动态反演综合假说 将煤与瓦斯突出的过程作为一个动力演化的过程。将原系统和由其主要 影响因素指标提取的混沌时间序列在微分同胚意义下建立和其同构的 重构相空间，由此相空间分析得到同一时空的权重反演到原系统 在综合分析影响煤与瓦斯突出特点和煤与瓦斯圃流耦合作用理论 1 0 辽宁工程技术大学博士学位论文 的基础上，提出从系统演化规律的角度出发以动力学中t a k e n s 定理为 基础，根据混沌时间序列重构出相空间，恢复出吸引子，并根据吸引子 的类型来分析判断突出的情况为煤与瓦斯固流耦合作用找到了一种在 一定时空下的映射同构系统，进而得到等价的动力学行为。 在混沌动力学的基础理论基础上，系统地分析和论证了离散混沌动 力系统的时间序列分析理论和方法，创造性地提出了包括以三次样条函 数，傅里叶函数和小波函数以及正态函数作为逼近函数的系统思想。 在分析煤体的孔隙裂隙结构、瓦斯分布、断层的演化过程各具分形 特征的理论基础上，提出了瓦斯分布的多重分维思想并给出其相应的数 学模型研究了煤与瓦斯突出这个复杂系统的一种相对不变量。 系统地实现了基于混沌时间序列的煤与瓦斯突出系统的相空间重 构技术以及多种预测方法并将理论和方法拓广，设计出了基于m a t l a b 科学软件平台的程序并得到和实际较相符数值实现 2 煤与瓦斯突出灾害的基本特点 2 煤与瓦斯突出灾害的基本特点 2 1 煤与瓦斯突出主要影响因素 煤与瓦斯突出是一种复杂的动力现象，自从1 8 3 4 年法国发生世界 上第一次煤与瓦斯突出以来，人们就一直研究煤与瓦斯突出的机理问 题煤与瓦斯突出是地应力，包含在煤中的瓦斯及煤的物理力学性质综 合作用的复杂动力现象由于煤与瓦斯突出现象的复杂性，目前普遍认 可的观点是煤与瓦斯突出是地应力、瓦斯，煤体结构等诸因素综合作用 的结果i s 4 ，且地应力和瓦斯压力是突出的主要动力来源，地质构造起主 导控制作用。 2 1 1 地质构造对煤与瓦斯突出的影响 地质构造是指组成地壳的岩层和岩体在内、外动力作用下发生的变 形，从而形成诸如断层、褶皱、节理、劈理、以及其他各种面状和线状 构造等。地质构造是在成煤后受后期改造作用形成的。由于地质构造， 特别是对矿区或矿井总体上起控制作用的断层及褶皱，对煤与瓦斯的突 出条件及突出点的分布具有显著的作用与影响，因此必须充分考虑。而 本文中“地质构造”一词主要是指与突出关系比较紧密的断层和褶皱。 国内外突出事例的统计分析表明，煤与瓦斯突出的分布受区域地质 构造的控制表现为区域分布的不均衡性大规模的隆起、沉降运动控制 了煤层瓦斯的形成和分布规律。沉降区的煤田瓦斯生成，保存条件好， 瓦斯含量高，煤与瓦斯突出一般较为严重；隆起区的煤田，由于煤化程 度低，瓦斯保存条件差，一般在隆起区瓦斯含量低，突出严重程度也较 轻。煤与瓦斯突出在井田中的分布是不均匀的，比较集中的分布在某些 地质构造带，特别是在对矿区或矿井总体上起控制作用的断层及褶皱。 例如英国的南威尔士矿区及前捷克斯洛伐克的奥斯特洛夫斯克一卡文 尔斯克矿区，突出几乎全部集中在