（安全技术及工程专业论文）工作面瓦斯涌出量预测的研究与应用.pdf

摘要 a b s t r a c t t h eg a si so n eo ft h em o s ti m p o r t a n tf a c t o r sw h i c he n d a n g e rt h es e c u r i t yo ft h e m i n i n gp r o d u c t i o n i th a sag r e a ts i g n i f i c a n c et oi m p r o v et h es t u d yo nt h ep r e d i c t i o n m e t h o do ft h ea m o u n to fg a se m i s s i o nt oe n h a n c et h ec o a l m i n es a f e t ys i t u a t i o ni n c h i n a t h ep a p e rw h i c hi sb a s e do nt h ed e e pr e s e a r c ho nt h eg a se m i s s i o np r e d i c t i o n m e t h o d s ，a n a l y z e sa n dc o m p a r e st h ec o m m o np r e d i c t i o nm e t h o d s ，a n dc o n c l u d e st h e r a n g eo fu s ea n dr e l a t i v em e r i t so fk i n d so fp r e d i c t i o nm e t h o d s i tp r i m a r i l ys t u d i e so n t h ea p p l i c a t i o no fn e u r a ln e t w o r k si ng a se m i s s i o np r e d i c t i o n t h er e s u l t si n d i c a t et h a t t h ef o r e c a s tm o d e lh a sh i g hp r e c i s i o no fp r e d i c t i o na n dm i n o re r r o ra n da d e q u a c ys h o w t h ep o w e r f u la d v a n t a g ei nh a n d i n gt h en o n l i n e a rp r o b l e m o nt h e b a s i so ft h ew o r k i n gf a c ef o r e c a s t i n gm o d e l ，a n da c t i v e xc o n t r o l s i n t e g r a t e d ，g a se m i s s i o nf o r e c a s t i n gs y s t e mi sd e v e l o p e db yu s i n gv i s u a lb a s i c ，s q l s e r v e ra n dm a t l a ba st h ed e v e l o p i n gs t a g e t h es y s t e m ，w h i c ho f e r sa s i m p l ea n d e f f i c a c i o u sw a yt od e v e l o ps o f t w a r e ，h a sw e l lm a n - m a c h i n ei n t e r f a c e s i tc a nc o m p l e t e d a t am a n a g e m e n t ，p r e d i c t i o ng a se m i s s i o n ，d a t aq u e r ya n de t cf u n c t i o n s f i g u r e 【18 】t a b l e 【9 】r e f e r e n c e 【3 7 】 k e yw o r d s ：a m o u n to fg a se m i s s i o n ，f o r e c a s t ，b pn e u r a ln e t w o r k ，vis u a lb a sic ， m a t l a b c h i n e s e b o o k sc a t a l o g ：t d 7 1 2 i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得塞徵堡王太堂或其他教育机构的学位或证书而使用过 的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：里笙丝日期：上丑年月监日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解塞邀堡三太堂有保留、使用学位论 文的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位 属于塞徵理工大堂。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交 论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权安徽 理工大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进 行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论 文。( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：梁华诊 签字日期：硼年6 月冲日 签字日期叼年伽乒日 绪论 1 绪论 1 1 引言 瓦斯是危害矿井安全生产的重要因素之一。瓦斯对矿井安全的威胁主要有爆 炸、突出、窒息等三种形式，其中瓦斯煤尘爆炸和煤与瓦斯突出给煤炭矿山企业 带来的危害极大，它严重威胁着井下人员的生命和矿井设施的安全，并迫使矿井 停产，投入大量的人力物力进行抢险救灾。据资料统计，1 9 8 1 至1 9 9 5 年，我国重 点煤矿在加强对瓦斯灾害防治的前提下，仍因瓦斯爆炸死亡1 5 8 2 人，瓦斯突出死 亡5 9 6 人，瓦斯窒息死亡2 8 7 人，每年造成直接经济损失近1 0 亿人民币，而直接经 济损失与间接经济损失的比值是一比三。近年来，我国煤矿瓦斯灾害事故仍呈上 升趋势，给煤矿安全生产造成极大危害。 瓦斯涌出量预测是以煤层瓦斯含量及其分布规律，或以煤层瓦斯涌出量变化 规律为基础，结合地质因素、开采因素选取合理参数，以一定的方法预计瓦斯涌 出量多少的工作过程。所得的数据可以确定矿井或水平以致采区、采煤工作面和 掘进工作面的瓦斯涌出量，是划定矿井或水平开采时瓦斯涌出等级，进行矿井设 计的和选择瓦斯防治措施的依据。因此，瓦斯涌出量预测的准确性特别重要。工 作面瓦斯是煤矿生产过程中的主要不安全因素，工作面瓦斯涌出量对矿井设计、 建设和开采都会产生重要影响。并且随着开采深度和产量的增加，瓦斯潜在的影 响将变得更加显著。工作面瓦斯涌出量是决定矿井通风的主要指标，其预测结果 的正确与否，将直接影响矿井的技术经济指标。预测的涌出量偏低，矿井投产不 久就需要进行通风改造，或者被低产量，从而造成很大的经济损失；若预测的涌 出量偏高，势必增加不必要的投资，造成很大的浪费。因此，准确预测工作面瓦 斯涌出量，不仅具有十分重要的学术价值，而且对于指导矿井设计、矿井配风和 改善我国煤矿安全生产状况具有重要的现实意义。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 国外研究现状 近年来，作为瓦斯防治不可缺少的重要环节之一的瓦斯预测技术越来越得到 世界各产煤国的重视。国外各采煤国加大了大量的人力财力进行技术攻关，取得 了许多可供我们参考与借鉴的经验和研究成果。据有关煤矿安全技术类期刊文献 报道，国外在煤矿瓦斯预测技术研究方面的技术水平及现状概述如下： 安徽理工大学硕士论文 1 ) 预测技术方法化、规范化；俄罗斯早在二十世纪八十年代初制定了针对不 同类型及煤层赋存条件与生产条件的矿井瓦斯涌出量预测规范t 以法规形式规定 煤层在开采时必须进行瓦斯预测工作；其它主要产煤国也研究建立适合各自国情 的预测方法，如：英国的艾黎( a i r e y ) ，德国的文特( w i n t e r ) 法，美国的匹茨堡矿 业研究法等。 2 ) 预测方法动态化；由于瓦斯涌出量是一个含多因素的复变函数，受时间、 空间及煤层赋存条件的影响很大，具有多变性，国外一些主要产煤国研究建立了 瓦斯涌出动态预测方法，例如：英国建立了考虑有时间和开采技术条件影响因素 的艾黎法，德国提出了采掘工作面时空序列瓦斯动态预测法，这些方法可以根据 开采技术条件和赋存条件的变化超前准确预测采掘工作面瓦斯涌出变化动态值， 并可根据预测结果随时调整工作面的风量并采取合理的瓦斯处理技术措施，取得 了良好的应用效果。 3 ) 预测内容多元化、综合化；如俄罗斯在瓦斯预测时，不但预测煤层瓦斯含 量、涌出量，而且还预测煤层瓦斯分区分带特性、瓦斯储量丰度，并且对矿井中 长期瓦斯涌出态势及防治对策做出评价。 1 2 2 国内研究现状 从目前国内在瓦斯涌出量预测方面研究工作来看，瓦斯涌出量预测方法可分 为两类“1 。一类是建立在数理统计基础上的矿山统计法，这种方法依据矿井瓦斯 涌出量随开采深度变化的统计规律，外推到预测的新区，主要适用于地质条件简 单的矿井；另一类是以煤层瓦斯含量为基本预测参数的瓦斯含量法，这种方法通 过计算井下各涌出源的瓦斯涌出量，得到矿井或某一预测范围的涌出量预测值。 瓦斯涌出量预测是煤矿安全生产中十分重要的课题。国内许多专家学者结合 煤矿的实际情况，探讨了许多瓦斯涌出量预测方法。例如，曲方提出了基于煤壁 瓦斯涌出初速度的综掘工作面瓦斯涌出量预测方法；该方法根据综合机械化掘进 工作面具有采、装运连续作业的特点和瓦斯涌出的特点，以此为基础建立了综掘 工作面瓦斯涌出量预测模型”。袁东升将三维灰趋势面分析法应用于瓦斯涌出量 预测中，因为瓦斯作为地质实体中的一部分，它的生成运移和赋存必然受到地质 条件的控制和支配。趋势面分析法是用数学方法研究地质变量的空间分布与瓦斯 变量变化规律间相互关系的一种多元统计分析方法。在矿井瓦斯涌出量的预测中， 可以从矿并己采区瓦斯涌出量调查中获得瓦斯涌出量这一变量随地质变量变化的 空间分布规律。生产现场表明，地质构造、煤厚变化等对瓦斯涌出量的影响，都 2 绪论 有一个变化过程，故在一个矿井范围内瓦斯涌出量沿煤层走向和倾向的变化趋势 总是呈趋势性变化。因而可以通过分析已采区瓦斯涌出量沿煤层走向和倾向的变 化趋势去预测未采区的瓦斯涌出量。夏红春提出了基于最d , - 乘法的矿井深部 区域瓦斯涌出量预测方法，该方法运用最小二乘法建立了工作面开采深度与相对 瓦斯涌出量之间的一元线性回归方程，利用此方程对深部区域的瓦斯涌出量进行 预测“。陈富勇将数值分析应用于矿井未开采区瓦斯涌出量预测中，用数值分析 对已有瓦斯涌出量和深度的离散数据进行拟合分析，可寻找到瓦斯涌出量和开采 深度的近似函数，从而实现对未开采区瓦斯涌出量预测的目的“”。赵朝义将遗传 规划应用于采煤工作面瓦斯涌出量预测中，采煤工作面瓦斯涌出量的预测对于矿 井设计和安全生产有着重要意义。由于影响采煤工作面瓦斯涌出量的各因素之间 关系不明确，而遗传规划特别适用于各影响因素之间因果关系不明确的复杂非线 性问题，因此，它为预测采煤工作面瓦斯涌出量提供了一条新的技术途径。应用遗 传规划理论，建立了采煤工作面瓦斯涌出量的预测模型。 国内学者还探讨了矿井瓦斯涌出量预测的分源预测法“。通过对地质构造带 。瓦斯赋存规律、不同采煤方法的瓦斯涌出规律、煤的残存瓦斯量、围岩和采空区 瓦斯涌出规律及掘进巷道瓦斯涌出和瓦斯排放带宽度的研究，提出了地质构造单 元分源预测矿井瓦斯涌出量的思路；通过对我国煤层采掘条件分析来探讨影响矿 t 井瓦斯涌出量的各种因素，并从煤田地质、矿井开采条件、层位关系等诸多因素 人手，分析矿井瓦斯涌出量与其实质性联系，从而形成了适合于矿井瓦斯涌出量 预测的规范。分源预测法预测矿井瓦斯涌出量，是以煤层瓦斯含量、煤层开采技 术条件为基础，根据各瓦斯涌出源的瓦斯涌出规律，计算出回采工作面、掘进工 作面、采区及矿井的瓦斯涌出量。 近若干年来，一些学者将神经网络等新技术、新方法引入瓦斯涌出量预测领 域。曾勇进行了矿井瓦斯涌出量预测的模糊分形神经网络研究，将模糊控制技术、 分形理论中的时间序列分析方法与神经网络技术有机地结合起来，并运用于矿井 瓦斯涌出量的预测中；通过对矿井瓦斯涌出量数据进行分形处理，根据结构分维 值的大小并结合神经网络，自适应地调整模糊控制参数，最终建立矿井瓦斯涌出 量的模糊分形神经网络预测模型，对矿井瓦斯涌出量做出精确预测”1 。刘新喜提 出了基于b p 人工神经网络的矿井瓦斯涌出量预测方法，该方法应用b p 人工神 经网络模型和算法，建立了煤层群开采矿井瓦斯涌出量预测模型；人工神经网络 以其高度的非线性映射、自组织结构、高度并行处理，将影响矿井瓦斯涌出量的 诸因素视为输入节点，并通过一定方式连接，对网络进行学习与联想记忆，从而 3 安徽理工大学硕士论文 实现矿井瓦斯涌出量预测“。郁云。1 提出了将灰色理论引入人工神经网络的瓦斯 涌出量预测新模型，并通过实验证明该模型在瓦斯预测中得到了比较理想的结果。 薛鹏骞鉴于传统神经网络方法解决非线性问题收敛速度慢，易陷入局部最优解的 缺陷，笔者提出一种既充分利用小波变换的时频局部化性质，又能结合神经网络的 自学习能力的小波神经网络预测瓦斯涌出量的方法，并建立了预测模型。通过实例 分析表明该方法较传统神经网络收敛迅速，预测精度高”。吴财芳将神经网络与遗 传算法有机地结合起来，以神经网络理论为基础，利用遗传算法优化隐含层神经元 个数和网络中的连接权值，建立瓦斯含量预测模型。 1 3 主要研究的内容 目前，国内对瓦斯涌出量预测的研究开展有了一段时间和成果，但在瓦斯涌出 量预测中还存在以下几方面的问题： ( 1 ) 在实际的瓦斯涌出量预测过程中，如何合理选择工作面瓦斯涌出量的影响 因素，但目前还没有一个有效的原则进行选择。 ( 2 ) 针对瓦斯涌出量预测所建立的人工神经网络模型，大多数是用来预测不同 工作面瓦斯涌出量，针对同一工作面瓦斯涌出量预测建立的神经网络模型还很少。 ( 3 ) 对样本数据如何筛选，没有一个有效的原则。 ( 4 ) 计算机的发展日新月异，但是目前还没有完善的瓦斯涌出量预测软件系 统。 论文研究的主要内容如下： ( 1 ) 在深入研究瓦斯涌出量预测方法的基础上，对瓦斯涌出量预测方法进行 分类，对常用预测方法进行分析和比较，归纳总结各种预测方法的优缺点及使用 范围，指导针对实际情况选择合适的预测方法。 ( 2 ) 在深入理解神经网络基本原理和借鉴前人利用神经网络进行预测研究 成果的基础上，结合实际情况建立工作面瓦斯涌出量神经网络预测模型，使预测 精度得到进一步提高。 ( 3 ) 合理划分工作面瓦斯涌出量的影响因素，使其尽可能减少预测含量，又 加大信息覆盖面，从而保证预测精度；在划分影响因素上，认真搜集、分析调查 数据，运用概率论与数理统计的原理方法进行数据的筛选，保证数据的可靠性。 ( 4 ) 根据实际数据检验预测模型。 ( 5 ) 瓦斯涌出量预测管理系统的各功能设计与实现。 4 瓦斯涌出量影响因素及其预测方法 2 瓦斯涌出量影响因素及其预测方法 2 1 预测理论 2 1 1 预测的概念 从6 0 年代起，由于定量方法和手段的逐步完善，预测科学才具备了加速发展 的条件，正在逐步形成一门综合性的科学。预测科学的生命力是很强的，因为人 们需要预测。由于科学技术的飞速发展，人们已经深深地感到科学地研究和预测 未来地必要性和迫切性。另外，人们意识到，在预测方面花费的精力和费用，同 由于对未来估计不足造成的损失相比，是微不足道的。到7 0 年代末，终于形成一 门自成体系的综合性科学一一预测学。这门学科以研究社会和科学技术发展变化 规律为对象，运用科学的方法和工具，根据事物的发展规律，对社会、经济、科 学、技术、军事等方面的发展作出预测，同时估计由于这种发展变化对未来可能 产生的影响，设计应变的对策和行动方案。 预测是对尚未发生或目前还不明确的事物进行估计和推测，是在现实对事物 将要发生的结果进行探讨和研究。预测的过程是从过去和现在已知的情况出发， 利用一定的方法和技术去探测和模拟不可知的、未出现的、复杂的中间过程，推 断出结果。预测研究的是事物的未来，而未来之所以会使人们感兴趣，是因为与 人们目前的行动有密切的联系。主要表现在两个方面。一是了解事物发展的未来 状况后，人们可在目前为它的到来做好准备。如果事物未来的发展状况对人们有 利，则可通过对目前的决策去利用或扩大这个有利的将来。二是通过预测可以了 解目前决策可能带来的后果。并通过对后果的分析来确定目前的决策。 预测的要素有预测主体，预测对象及信息，预测方法以及预测结果，预测对 象是人感兴趣的一切事物，包括人的活动在内。用数学语言来说，就是要明确预 测对象的边界条件。对象明确了，就要收集与对象有关的信息资料，包括那些可 以量化及不可量化的信息。信息是预测的基础。根据信息分析预测对象的特征， 从而选择合适的预测方法进行预测，进而得出预测结果，对预测结果进行分析， 看是否合乎道理，是否满足预测目的。 预测的技术基础是数学和计算机技术。数学是定量分析的工具，使用数学方 法是预测科学性的体现。数理统计方法、线性代数、线性规划等方法是预测中常 用的。预测称为一门学科，还得益于计算机技术。没有计算机技术的迅速发展。 就不可能有预测学的迅速发展。数学与计算机结合产生了各种经济预测软件。它 安徽理工大学硕士论文 为预测科学化、普及化打下了坚实的基础，极大地方便了需要预测地人们。 2 1 2 预测的特征 未来性。对已发生的未知事件的估计是推测，推测的对象是一种实实在在的 存在，可以通过观察、调查、考证来研究它。一切已经发生或正在发生的事物不 属于预测研究的范围。那些已发生或正在发生事情的未来状态则是预测研究的内 容。 不确定性。未来确定要发生的事情是不需要预测的。事物未来状况的不确定 性，来源于未来的多样性、可选择性、可创造性。进行预测的目的在于将这种不 确定性极小化。 前提性。所以预测都是在一定的前提下得出的。预测是在一定前提下所作的 选择和创造。对于预测结果应当清楚它是在什么前提下提出的，前提是否合理。 2 1 3 预测误差 预测学不仅要研究反映历史的演变规律，判断未来的预测规律，更重要的是 还要研究应用预测规律的误差范围和可能出现的转折点。预测的难度、技巧和精 华，主要在于如何处理好预测误差范围和转折点，使预测规律更好地反映或接近 于客观规律。在确定误差范围内，要考虑到： 1 ) 时间地影响。预测未来地时间越长，误差就越大； 2 ) 因素的影响。要求考虑影响未来预测的因素越多，误差就越大。 当预测信息不确切时考虑的因素过多，会造成各种误差的链式积累，以至使预测 失去科学意义； 3 ) 成熟程度的影响。被预测对象发展的成熟程度越低，误差就越大。 2 1 4 预测技术分类 预测技术共分五类： 1 ) 定性分析一一定性预测技术。定性分析是对定量分析进行准备工作；在缺 乏定量数据时，直接用于预测；对定量预测的结果进行评价；与定量方法结合起 来应用提高预测的可信程度。凡是属于研究预测目标的未来发展性质的分析、方 法与手段，都归类为定性分析。定性分析，多用经验调查法，如专家调查法、主 观概率法、相互影响分析法等。 2 ) 因果分析一一定量预测技术。目的是研究影响因素与预测影响之间的因果 6 瓦斯涌出量影响因素及其预测方法 关系及其影响程度。影响因素是前因，造成预测目标的某种变化是后果。预测不 是一般地研究因果关系，而是要确定影响程度，即定量分析。凡是属于研究预测 目标地未来发展程度地分析、方法与手段，都归类为因果分析。因果分析，多采 用数理统计中的回归法，称为单方程回归预测技术。 3 ) 时间分析一一定时预测技术。是研究目标与时间之间的关系，包括时间序 列的发展趋势、季节变化、周期变化和不规则变化，并同有经验的主观判断与假 设相结合，寻求预测模型。凡是属于研究预测目标的未来发展过程的分析、方法 与手段，都归类为时间分析定时分析多采用实际序列预测技术，其中可分为确 定型时间序列预测技术和随机型时间序列技术。 4 ) 结构分析一一定比预测技术。这种结构关系也是一种因果关系，其特点是 在不同预测目标之间是互为因果的。凡是属于研究不同预测目标之间的未来发展 比例的分析、方法与手段，都归类为结构分析。多采用多方程回归与技术以及投 入产出技术。 5 ) 评价分析一一评价预测技术。对预测目标从各方厩进行计算、分析与判断 以后，还必须对预测的可信程度进行评价。预测评价分阶段评价和总体评价。凡 是属于对预测结果进行评价的分析、方法与手段，都归类为评价分析，可采用上 述的方法继续比较，在一般情况下多采用经验调查法进行概率估计。目的是研究 预测方案的可信程度，即实现的可能性。当预测方案选定以后，还要进行经济效 果方面的评价。 2 1 5 预测的过程 预测是一种预计与推测，根据过去和现在推测未来，根据已知推知未知。实 践、实验、统计数据等都是从过去到现在的已知。预测就是根据这些已知，通过 预测的科学分析来研究未知。预测是一项活动，是一个过程。预测过程应当按照 一定程序进行，通常包括以下几个步骤： 1 ) 确定预测目标。首先通过分析研究，确定预测对象及其具体要求。包括具 体的经济指标、预测期限、可能选用的预测方法以及要求的基本资料和数据。 2 ) 收集和整理资料和数据。根据已经明确的预测方法和预测指标，把有关的 历史和现在的资料、数据尽可能收集齐全，在此基础上进行进一步分析整理，最 后整理成一个一个的数据样本。 3 ) 选择预测技术。预测技术的种类很多，由于人力、物力、财力、时间等条 件的限制，往往只能选择一种或几种就可以。根据经济、方便效果好合理选择。 7 安徽理工大学硕士论文 4 ) 建立预测模型。预测模型是对预测对象发展规律的近似模拟。要收集足够 的资料、用一定的方法加以处理，建立预测数学模型。 5 ) 评价模型。模型是利用历史资料得出的，反映的是事物发展的历史规律， 所以应对得到的模型分析和研究，评价其能否应用于对未来实际的预测。比如回 归系数的统计意义、相关系数。模型预测值区间。误差序列是否有随机性等是否 合理。 6 ) 利用模型进行预测，利用经过评价所确定的模型，计算出预测对象发展的 未来结果。 7 ) 分析预测结果。在计算和推测过程中难免会产生误差；就是有的模型模拟 效果好些，有的可能就差些。因此，分析、修正结果，使之更接近于实际。 完好、可信的预测，不可能如上列步骤做一遍就可以达到，有时需要反复做，在 反复做的过程中，有时需要改变一下样本数，有时需要补充一些信息，有时需要 修正一下模型等等，预测的步骤可见图1 所示。 8 瓦斯涌出量影响因素及其预测方法 i输出预测结果 图1 预测的基本步骤 f i g1b a s i cs t e p so ff o r e c a s t i n g 9 安徽理工大学硕士论文 2 2 瓦斯涌出量概念 1 瓦斯涌出量定义 瓦斯涌出量是指在矿井建设和生产过程中从煤与岩石内涌出的瓦斯量。其表 达方法有两种：绝对瓦斯涌出量系指在单位时间内涌出的瓦斯量，单位为 m 3 r a i n 或m 3 d ，相对( 吨煤) 瓦斯涌出量系指平均日产一吨煤同期所涌出 的瓦斯量，单位是m 3 f ，两者的关系是： q c h 4 - q 口4 彳 ( 2 1 ) 式中：q c h 。相对瓦斯( c h 4 ) 涌出量，m 3 t ； 一日产煤量，t d ： q 。地对瓦斯涌出量，m 3 d 。 2 瓦斯涌出形式 瓦斯涌出形式系指瓦斯涌出在时间上与空间上的分布形式，对此，可以分为 普通( 一般) 涌出与特殊( 异常) 涌出。普通涌出是在时间与空间上比较均匀、普遍 发生的不间断涌出，它决定了矿井的瓦斯平衡与风量分配；特殊瓦斯涌出量是在 时间与空间上突然、集中发生，涌出量很不均匀的间断涌出。 2 3 影响瓦斯涌出量的因素 瓦斯涌出量的大小，决定于自然因素和开采技术因素的综合影响，现概述如 下： ( 1 ) 自然因素 煤层和围岩的瓦斯含量 煤的瓦斯含量包括游离瓦斯和吸附瓦斯。煤层瓦斯含量的大小，主要决定于 煤层保存瓦斯的自然条件，诸如煤层和围岩的结构( 如透气性) 、物理化学特性( 如 吸附性能) 、成煤后的地质运动和地质构造、煤层的赋存条件、围岩性质等。瓦斯 含量是决定瓦斯涌出量多少的最重要的因素。单一的薄煤层和中厚煤层开采时， 瓦斯主要来自煤层暴露面和采落的煤炭，因此煤层的瓦斯含量越高，开采时的瓦 斯涌出量也越大。在近代开采深度内，矿井的相对瓦斯涌出量，一般不会超过1 5 2 0m 3 t 。但在开采煤层附近赋存有瓦斯含量大的煤层或岩层时，由于煤层回采的 影响，在采空区上下形成大量的裂隙，这些煤层或岩层中的瓦斯，就能不断的流 向开采煤层的采空区，再进入生产空间，从而增加矿井的瓦斯涌出量。在此种情 况下，开采煤层的瓦斯涌出量有可能大大超过它的瓦斯含量。 1 0 瓦斯涌出量影响因素及其预测方法 地面大气压变化 地面大气压在一年内夏冬两季的差值可达5 3 8 k p a ，一天内个别情况下可达 到2 2 7 k p a 。地面大气压变化引起井下大气压的相对变化，它对采空区( 包括回 采工作面后部采空区和封闭不严的老空区) 或坍冒处瓦斯涌出的影响比较显著。当 地面大气压突然下降时，瓦斯积存区的气体压力将高于风流的压力，瓦斯就会更 多的涌入风流中，使工作面的瓦斯涌出量增大。反之，工作面的瓦斯涌出量将减 少。 ( 2 ) 开采技术因素 开采规模 开采规模指开采深度、开拓与开采范围和矿井产量。在甲烷带内，随着开采 深度的增加相对瓦斯涌出量增大。这是由于煤层和围岩的瓦斯含量随深度而增加 的缘故。开拓与开采的范围越广，煤岩的暴露面就越大，因此，矿井瓦斯涌出量 也就越大。 矿井产量与矿井瓦斯涌出量的关系比较复杂，一般情况下：矿井达产之前，绝 对瓦斯涌出量基本随着开拓氛围的扩大而增加，绝对瓦斯涌出量大致正比于产 量，相对瓦斯涌出量数值偏大而没有意义；矿井达产后，绝对瓦斯涌出量基本随 产量变化并在一个稳定数值上下波动。对于相对瓦斯涌出量来说，如果矿井涌出 的瓦斯主要来源于采落的煤炭，产量变化时，对绝对瓦斯涌出量的影响虽然比较 明显，但对相对瓦斯涌出量影响却不大，如果瓦斯主要来源于采空区和围岩，产 量变化时，绝对瓦斯涌出量变化比较小，相对瓦斯涌出量却有明显的变化；开采 工作逐渐收缩时，绝对瓦斯涌出量又随产量的减少而减少，并最终稳定在某一数 值，这是由于巷道和采空区瓦斯涌出量不受产量减少的影响，这是相对瓦斯涌出 量数值又因产量低而偏大，再次失去意义。 开采顺序与回采方法 首先开采的煤层( 或分层) 瓦斯涌出量大。因除其本煤层( 或本分层) 的瓦 斯涌出外，邻近煤层( 或末层的其它分层) 的瓦斯也要通过回采产生的裂隙与孔 洞渗透出来，使瓦斯涌出量增大；采空区丢失煤炭多，回采率低的采煤方法，采 区瓦斯涌出量大；顶板管理采用陷落法比充填法能造成顶板更大范围的破坏和卸 压，邻近层瓦斯涌出量就比较大，回采工作面周期来压时，瓦斯涌出量也会大大 增加。 生产工艺 瓦斯从煤层暴露面( 煤壁和钻孔) 和采落的煤炭内涌出的特点是，初期瓦斯 1 1 安徽理工大学硕士论文 涌出的强度大，然后大致按指数函数的关系逐渐衰减。落煤时瓦斯涌出量总是大 于其它工序。落煤时瓦斯涌出量增大，增大值与落煤量、新暴露煤面大小和煤块 的破碎程度有关。 风量变化 矿井风量变化时，瓦斯涌出量和风流中的瓦斯浓度会发生扰动，但很快就会 转变为另一稳定状态。无邻近层的单一煤层回采时，由于瓦斯主要来自煤壁和采 落的煤炭，采空区积存的瓦斯量不大。回风流中的瓦斯浓度随风量减少而增加或 随风量增加而减少。 煤层群开采和综采放顶煤工作面的采空区、煤巷的冒顶孔洞内，往往积存大 量高浓度的瓦斯。一般情况下，风量增加时，起初由于负压和采空区漏风的加大， 一部分高浓度瓦斯被漏风从采空区带出，绝对瓦斯涌出量迅速增加，回风流中的 瓦斯浓度可能急剧上升。然后，浓度开始下降，经过一段时间，绝对瓦斯涌出量 恢复到或接近原有值，回风流中的瓦斯浓度才能降低到原值以下。风量减少时， 情况相反。 采区通风系统 采区通风系统对采空区内和回风流中瓦斯浓度分布有重要影响。 采空区的密闭质量 采空区内往往积存着大量高浓度的瓦斯( 可达6 0 7 0 ) ，如果封闭的密闭 墙质量不好，或进、回风侧的通风压差比较大，就会造成采空区大量漏风，使矿 井的瓦斯涌出增大。 2 4 影响工作面瓦斯涌出量的主要因素 瓦斯涌出量是一个受多种因素影响的变量，而且各影响因素之间的关系很难 精确地描述。它具有明显的模糊性、随机性和信息不完全性。根据以上所述，影 响工作面瓦斯涌出量的因素是多方面的，但总有一种或几种因素是主要影响因素。 应该通过经常和专门的观测，找出其主要因素和规律，才能采取有针对性的预测 方法来进行瓦斯涌出预测。 下面是影响工作面瓦斯涌出量的主要因素【4 】： 1 ) 瓦斯含量是瓦斯涌出量的直接来源与涌出量大小呈正相关关系； 2 ) 煤层埋藏深度它反映煤层瓦斯的封闭条件、压力及含量大小与瓦斯涌出 量呈正相关关系； 3 ) 煤层厚度它反映瓦斯的生成及赋存量大小与瓦斯涌出量呈正相关关系； 瓦斯涌出量影响因素及其预测方法 4 ) 地质构造封闭型地质构造有利于封存瓦斯，开放型地质构造有利于排放 瓦斯，断层对瓦斯涌出也有较大影响； 5 ) 工作面日产量它综合反映了工作面煤层赋存条件及产量大小与涌出量之 间的关系。 2 5 主要预测方法简介 目前，预测瓦斯涌出量的方法有统计法、分源预测法，它们大都是利用回归 分析的方法建立的涌出量与其影响因素之间的线性关系式进行预测的，计算过程 复杂，数据处理量大，其计算精度不高，不利于推广使用。在瓦斯涌出量预测的 过程中，瓦斯涌出量与其影响因素之间存在着复杂的非线性关系，是非结构性问 题，并且受许多客观因素的影响。随着现代科技的迅速发展，特别是数学方法和 计算机技术的发展，原有的预测方法和应用范围得到了拓展，出现了一些新的或 进一步优化的预测方法，如瓦斯地质数学模型法以及基于灰色系统理论的预测法、 基于遗传规划的预测法，基于神经网络的预测法等。 2 5 1 统计预测法 矿山统计预测法是国内外有关矿井长期以来普遍采用的矿井瓦斯涌出量预测 方法，该方法的基本原理是：根据矿井已采区域历年测定的相对瓦斯涌出量及相 应的开采深度，采用数理统计方法建立二者之间的线性或非线性回归方程，并通 过检验，确认回归方程有意义后，用于对深部( 或条件相同矿井) 未采区域的瓦斯 涌出量作出预测。而通常采用的瓦斯涌出量梯度实际上是瓦斯涌出量对开采深度 的回归方程的回归系数。 一般情况下，统计预测法主要用于生产矿井深部水平或开采技术条件、地质 条件相同或类似的邻近矿井的瓦斯涌出量预测。此外，也可根据已采工作面的相 对瓦斯涌出量及相应的开采深度之间的统计规律，进行瓦斯涌出量预测外；近年 来，国内外有些研究人员还通过建立瓦斯涌出量与煤层瓦斯含量之间的回归关系 式，预测新区的瓦斯涌出量，还有一些研究人员采用多元统计分析中的数量化理 论，建立预测瓦斯涌出量的多变量数学模型，预测未采区的瓦斯涌出量，以期提 高瓦斯涌出量的预测精度。但是，目前在瓦斯矿井中，最常用、最简单的预测方 法还是线性回归法。 矿山统计法是根据矿井已往生产中获得的大量的相对瓦斯涌出量与开采深度 的数据，按统计规律预测深部水平瓦斯涌出量的方法。这里介绍比较常用的两种 安徽理工大学硕士论文 方法。 1 ) 简易统计法 简易统计法一般包括二方面主要内容。首先将矿井历年生产过程中积累的实 际相对瓦斯涌出量经过去伪存真核实后，按其对应的开采深度形成相对瓦斯涌出 量与开采深度统计分析资料；计算出相对瓦斯涌出量梯度d 值。在此基础上根据 瓦斯涌出量梯度a ，外推至预测深部区域，计算出深部待采煤层的相对瓦斯涌出 量n 1 1 。 简易统计法计算瓦斯涌出量的公式如下： 厅一正凰正 ( 2 2 ) q c z 4 - 跆i ( 2 3 ) 式中：h ；统计期内，第i 采煤区段的开采深度，m ； z 统计期内，第i 采煤区段的采煤量，t ； h 统计期内矿井产煤的加权平均开采深度，m ； 口。统计期内的相对瓦斯涌出量，m 3 ； q c 。统计期内各采煤区段瓦斯涌出量与抽放瓦斯量的总和，m 3 在地质条件正常、采煤技术条件相近似的条件下，在甲烷带内相对瓦斯涌出 量与开采深度呈近似线性关系，该直线斜率称为瓦斯涌出量梯度a ( m 3 t ) 。知道 生产水平的瓦斯涌出量梯度，则可按下式预测深部水平相对瓦斯涌出q e h 。 q c z 4 - q o + 口( 月j 一月r o ) ( 2 4 ) 式中，鼋。甲烷带上边界的相对瓦斯涌出量，等于2 3 朋3 t ； h 。甲烷带上边界( 瓦斯风化带下边界) 的深度，m ； 日，预测瓦斯量为q c h 4 处的深度，m ； 2 ) 线性回归法 线性回归法的计算步骤和物理模型基础与简易统计法相同，只是确定瓦斯涌 出量梯度的方法不同，表达瓦斯涌出量与深度的关系在形式上也有区别。线性回 归法是一种应用广泛、理论性较强的定量预测方法，它是数理统计中应用最为广 泛的一种方法之一。它的基本思路是分析预测对象与有关因素的相互联系，用适 当的回归预测模型( 即回归方程) 表达出来，然后再根据数学模型预测其未来状态。 在统计学中，确定回归方程的方法通常采用最小二乘法n 们。相对瓦斯涌出量的预 测值q c x 用下式确定： q c h 。一a l l + 6 ( 2 - 5 ) 式中：口一线性回归系数，即相对瓦斯涌出量梯度( m 3 t ) m ； 1 4 瓦斯涌出量影响因素及其预测方法 卜线性回归常数，肼3 f ； h 一深度，m 在煤炭生产中，瓦斯涌出量的大小受煤层、地质等自然因素和采掘等技术因 素的综合影响。因此影响瓦斯涌出量的因素众多，如煤层和岩层的瓦斯含量、煤 层的物理化学特性、开采规模、回采顺序、落煤方式、通风系统、地面大气压、 风压和风量的变化等。显然瓦斯涌出量与这些众多的影响因素之间存在着高度非 线性关系。因此利用最小二乘法等数理统计的回归分析方法来建立瓦斯涌出量模 型，普遍存在难以得到准确模型等不足。近几年来，模糊数学、灰色系统等有关 理论被用来进行瓦斯涌出量统计模型的建立，以便克服传统数理统计方法的不足。 但矿山统计法仅需要瓦斯涌出量的历史数据，因而使用简单、方便。在使用矿山 统计法时，要求预测矿井的煤层开采技术条件等因素与历史数据相同或类似；如 果待预测煤层的自然和技术条件不满足上述要求，瓦斯涌出量预测值与实际值会 严重偏离。 矿山统计预测法适用于以下几种情况：1 ) 生产矿井的延深水平，2 ) 生产矿井开 采水平的新区，3 ) 与生产矿井邻近的新矿井。在应用矿山统计预测法过程审，必 须保证预测区的开采技术条件( 例如煤层开采顺序、采煤方法、顶板管理等 和地 质条件( 例如地质构造、煤层赋存条件、煤质等) 与生产区相同或类似。应用统计 预测法时的外推范围一般沿垂深不超过1 0 0 2 0 0 m ，沿煤层倾斜方向不超过6 0 0 m 。 统计预测法预测瓦斯涌出量时，有以下局限性： 此法只适用于瓦斯带以下已回采了l 2 个水平的矿井，而且外推深度不得 超过1 0 0 2 0 0 m ，煤层倾角和瓦斯涌出量梯度值越小，外推深度也应越小，否则误 差可能很大。 积累的瓦斯涌出量资料，至少要有一年以上，而且积累的资料愈多，精度 愈高，已采水平或区域的瓦斯地质情况和开采技术条件与新设计水平( 或区域) 愈 相似，预测的可靠性也愈高。否则，应根据有关资料进行相应的修正，或按相似 程度进行分区预测。 2 5 2 分源预测法 分源预测法预测矿井瓦斯涌出量，是以煤层瓦斯含量、煤层开采技术条件为 基础，根据各基本瓦斯涌出源的瓦斯涌出规律。计算回采工作面、掘进工作面、 采区及矿井瓦斯涌出量。含瓦斯煤层在开采时，受采掘作业的影响，煤层及围岩 中的瓦斯赋存平衡状态即遭到破坏，破坏区内煤层、围岩中的瓦斯将涌入井下巷 安徽理工大学硕士论文 道。井下涌出瓦斯的地点即为瓦斯涌出源。瓦斯涌出源的多少、各涌出源涌出瓦 斯量的大小直接决定着矿井瓦斯涌出量的大小。 分源预测法以矿井瓦斯涌出源的瓦斯含量为基础进行涌出量的预测，因此人 们又简称其为瓦斯含量法。这种方法既考虑了影响瓦斯涌出量大小的主要因素一 煤层瓦斯含量，又考虑了与煤层相关的一些地质自然因素和开采技术因素。在 地质自然因素方面，国内外一些学者提出的预测公式中反映了煤层开采厚度、相 邻煤层厚度、邻近层至开采层的层间距、煤层倾角等因素。许多瓦斯含量计算法 都考虑了煤层的开采方法、顶板控制方法、回采率、分层开采的层数和顺序等一 些开采技术因素。由于瓦斯含量计算法以煤层瓦斯含量作为预测的基础，因而煤 层瓦斯含量测定值的可靠性和含量点的分布及密度影响着预测的准确度。一般在 进行瓦斯涌出量预测前，根据已知的瓦斯含量点绘制煤层瓦斯含量等值线，计算 预测区域内煤层瓦斯含量。如果预测区域内只有少量的瓦斯含量测定点，或者煤 层的瓦斯含量分析不够准确，那么以瓦斯含量为基础进行的瓦斯涌出量预测工作 将难以保证准确性“”“”。 2 5 3 灰色系统法 1 灰色系统理论概述 灰色系统理论( g r e ys y s t e mt h e o r y ) 的创立源于2 0 世纪8 0 年代。灰色系统 是指既含有已知信息、又含有未知或非确知信息的系统，灰色系统是通过对原始 数据的收集与整理来寻求其发展变化的规律，这是因为，客观系统所表现出来的 现象尽管纷繁复杂，但其发展变化有着自己的客观逻辑规律，是系统整体各功能 问的协调统一，因此，如何通过散乱的数据系列去寻找其内在的发展规律就显得 特别重要。灰色系统理论认为，一切灰色序列都能通过某种生成弱化其随机性而 呈现本来的规律，也就是通过灰色数据序列建立系统反应模型，并通过该模型预 测系统的可能变化状态。它是将一般系统论、信息论和控制论的观点与方法延伸 到社会、经济、生态等抽象系统，结合运用数学方法，研究解决灰色系统分析、 建模、预测、决策和控制问题。灰色系统理论已成功解决了一大批农业、气象、 环境、军事、经济、人口、生态等领域的重大课题“”。 灰色系统理论认为：1 ) 任何随机过程都可看作是一定时空区域内变化的灰色 过程，随机量可以看作是灰色量；2 ) 无规则的离散时空序列是潜在的有规序列的 一种表现，通过生成变换可将无规序列变成有规序列。 与传统的基于概率统计的随机过程分析相比，灰色系统分析方法有其独特的 1 6 瓦斯涌出量影响因素及其预测方法 优点： ( a ) 通常只要有4 个以上数据即可进行灰色建模，建模所需信息较少； ( b ) 灰色分析方法不必知道原始数据分布的先验特征，通过有限次的生成便可 将无规序列转化为有规序列； ( c ) 由于所建模型是常系数性质的，其参数分布是“灰”的，因此可保持原系 统的特征，能较好的反映系统的实际情况，建模精度较高。 2 灰色系统预测模型“3 目前最常用的灰色预测模型是g m ( 1 ，1 ) 模型，它是一种系统综合模型，将某 一系统中的动态关系找出，建立一串相互关联的模型。 微分方程譬+ 硝( 1 ) - “嬲2g m ( 1 ，1 ) 模型。式中“一萎饥x 搿。x 0 进行累以 岛 加运算后得到x ( ”。其最小二乘估计参数序列满足： 五一( 口，“) 7 - p 7 曰) - 1 8 7 ( 2 - 6 ) 式中：k i x ( 。( 2 ) ，z ( 。( 3 ) ，a ，z ( 。( ) 】r b 一 一三掣) ( 2 ) + ( 1 ) ) 1 一三( ( 3 ) + ( 2 ) ) l m m 一三( ”) + ( 一1 ) 1 于是可得微分方程的解为： j ( 1 ( f + 1 ) 。( z ( 。( 1 ) 一竺弘4 + 兰t = l ，2 ，n ( 2 7 ) a a 或 宕o ( f + 1 ) 一萱( 1 ( f + 1 ) 一j 1 o ) t = 0 ，l ，2 ，n 0 式中雪( 1 ) 一j ( 砷( 0 ) ，一a 主要控制系统发展态势大小，即反映量m ，j 的 发展态势，称为发展系数；b 的大小反映了数据变化的关系，称为灰色作用量。 一般地： ( 1 ) 当一a s 0 3 时，g m ( 1 ，1 ) 可用于中长期预测； ( 2 ) 当0 3 - a c 0 5 时，g m ( 1 ，1 ) 可用于短期预测，中长期预测慎用； ( 3 ) 当0 5 一a s 0 8 时，用g m ( 1 ，1 ) 做短期预测应十分谨慎； ( 4 ) 当0 8 l 时，不宜采用g m ( 1 ，1 ) 模型。 在预测结果得到后，要检测模型地精度，如果误差很大，可对误差序列再建 立残差g m ( 1 ，1 ) 模型进行修正。在建立模型进行相应地预测时，求出参数一般要 进行模型地检验才可使用。对灰色系统g m ( 1 ，1 ) 模型用残差合格模型、关联合格 模型、小误差概率合格模型等三种常用方法。一般情况下，最常用地是相对误差 检验指标“1 。 灰色系统所需数据样本量很少，在瓦斯涌出量预测中，只要通过历年来矿井 瓦斯鉴定资料，找出不同开采深度的瓦斯涌出量，就可能预测深部矿井瓦斯涌出 量，但是灰色系统关联度的求解算法存在着明显缺陷，导致其预测结果可能不精 确。 2 5 4 其它预测方法 1 瓦斯地质数学模型法“钔啪1 瓦斯地质数学模型法的基本原理是：通过瓦斯地质规律研究，分析瓦斯涌出 量的变化规律，筛选影响瓦斯涌出量变化的主要地质因素，在此基础上，根据矿井 已采地区的瓦斯涌出量实测资料和相关的地质资料，综合考虑包括开采深度在内 的多种影响因素，采用一定的数学方法，建立预测瓦斯涌出量的多变量数学模型 ( 预测方程) ，利用所建立的数学模型，对矿井未采区域的瓦斯涌出量进行预测。 瓦斯地质数学模型法采用数量化理论i 做为建模工具。数量化理论是一种可 以同时处理定性变量和定量变量的多元统计分析方法，亦可只包含定性变量或定 量变量。数理化理论i 是数量化理论的方法之一，用于解决从定性的或兼有定量 的自变量出发对因变量的预测