（安全技术及工程专业论文）基于分形—混沌理论的煤与瓦斯突出预测研究.pdf

a b s t r a c t c o a la 1 1 dg a so u t b u r s t i sav e f yc o m p l i c a t e dd ) ，i l a m i cp h e n o m e n o no fc o a lm c k w h i c hc o n t a i n sg a s ，“c a nb er e g a r d e da sac a t a s 拄o p h eb e h a v i o ro fac o m p l i c a t e d n o n - j i n e a rd ”锄i cs y s t e md u r i n gi t se v o l v i n gp r o c e s si ns p a c e 跚dt i m e ，a n da i s ob e o n eo ft h em 句o rd i s a s t e r si n n u e n c i n gs a f ep r o d u 以o no fc o a lm i n e i th a sv e r y t h e o r e t i c a ls i g n j f i c a n c ea 1 1 de n g i n e e r i n ga p p l y i n gv a l u ef o re 虢c t i v ea i l df o r e c a s t i n go n c o a ls e 踟n r et oe x p l o r et h ei n 廿i n s i cr u l ei nt h cc o a la i l dg a so u t b u r s t t h e r e f o r e ，i nt h i s p a p e r ，f r o m 也ev i e wo fn o n l i n e a rs c i e n c e ，s o m er e s e a r c h e so nd y n 肌i cg a se m i s s i o n h a sb e e nd o n eo nc h a o sa n d 舶c t a l t h e 0 融a n dan e w 印p r o a c hi sp r o p o s e dt 0p r e d i c t c o a la i l dg a so u t b l l r s t b yr e c o n s t r u c t 抽gp h a s es p a c e st ot 1 1 e r c p r c s e n t a t i v et i m e s e r 呈e s d a t eo fd ”a m i cg a se 血s s i o nv ，h i c ht h i d u 曲d 8 t ap r e t r e a t m e n t ，a n dd i s c u s s e d “sc h a o s p 猢e t e r s ，c o n s c q u e n t l yi t i sp r o v e dt h a tt i m e s e r i e sp o s s e s sc h a o sa 1 1 d 丹a c t a l c l l a m c t e r i s t i c s ，a n dt l l em a ) 【i m a lf o r e c a s t i n gt i m ec a nb eg o tb yt h em e t h o db a s e do nt h e m a x i m a ll y a p u n o ve x p o n e n t r e s e a r c h i n go nt h et i m es e r i e so fc o a la u t o x i d a t i o n i n d i c a t e st h a tt i m es e r i e sc a nb eq u a l i t i c a t i o nd e s c r i b e dw i t h 疗a c t a ld i m e n s i o nu n d e r n o s c a l e dz o n e a 皿di to b e y st h e r a c t a ld i s 啊b u t i o n s ，a i t h o u 曲i ti sd i s o r d e r l ya n d l l i l s y s t e m a t i co nt 1 1 es 曲c e f i n a l l y m et i m es e r i e sh a v eb e e nf o r e c a s t e db ym em e t h o d b 船e do n 也em a ) 【i m a ll y a p u n o ve x p o n e m 锄da 1 1a m f i c 砸n e m ln e t w o r km o d e l i ss e t u pf o ro u t b u r s tp r e d i c t i o no fc o a ls e 锄咖l i n gf 如eb a s c do nt 1 1 ec h a o sa n df r a c t a l c h a r a c t e r i s t i c so f t i m e s e r i e s f i g 【2 2 1 曲i e 6 】r c f e r e n c e 【3 4 k e yw o r d s ：c o a la i l dg a so u t b u r s tp r e d i c t i o n ；g a se m i s s i o np r e d i c t i o n ；t i m e s e r i e s ； c l l a o s1 1 1 e o r ) r ；f r a c t a ln l e o r y ；a n i f i c i a ln e u r a ln e 铆o r k 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 塞徵堡王盍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。 ，、艄2 学位论文作者签名：兮功j 移签字日期：0 6 年( ) 月1 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解塞徽理王太堂有保留、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 属于安徽理工大学。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。本人授权塞筮理工大 l 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) 。同时本人保证，毕业后结合学位论文 研究课题再撰写的文章一律注明作者单位为安徽理工大学。 学位论文作者签名：危每第锄签名：f 力 签字目期：。f 1 年b 月1 日签字日期：孔蹦肆月日 安徽理工大学硕十论文 绪论 第一章绪论 1 1 引言 煤炭是我国国民经济发展的基础能源，在工业生产邻域，煤矿重大灾害危险 源最多、安全隐患最大。煤矿安全是煤炭工业走新型工业化道路、实现可持续发 展的前提和保障。煤与瓦斯突出，简称突出，是煤矿的主要灾害，它是煤矿井下 生产过程中发生的一种异常复杂的动力现象，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，甚至引起瓦斯爆炸。各采 煤国家投入了大量的人力物力，开展突出机理、预测及防治技术的研究，提出的 关于突出机理的假说已有十几种，在一些方面取得了进展，但由于煤岩物理力学 性质的非线性、岩体破坏形式的多样性和瓦斯赋存与运移过程中的复杂性，对于 突出的原因、过程及一些细节还不十分明确，现场存在着相当一一些特殊的突出现 象也无法理解，问题还远远没有得到解决。 在煤与瓦斯突出防治方面，我国己形成包括突出危险性预测、防治突出措施、 防突措施效果检验、安全防护措施的“四位一体”综合防治体系，突出危险性预 测是防治煤与瓦斯突出综合措施的第一步。突出危险性预测包括区域性预测和工 作面预测。区域性预测又分为矿井、煤层、水平或采区三个层次。根据预测结果 分别将矿井、煤层和采区划分为突出区和非突出区。在突出区内进行采掘作业时， 还应进行工作面突出危险性预测。当工作面预测有突出危险时，必须采区防治突 出措施和进行防突效果检验“。我国在突出危险性预测方面取得了很多的成就，但 也还存在着突出预测准确率不高，防突措施可靠性较差、执行预测和措施时与生 产工艺相干扰、预测自动化程度和连续实时性较差等问题。 煤与瓦斯突出预测预防是一项系统工程。目前国内外在局部检测和解危措箍 方面的研究已近成熟，但在实施方面存在一定的难度，是一种被动的低层次的治 理方式。国内外开采突出煤层的实践表明，突出的发生具有区域性分布或带状分 布的特点，突出危险带的面积一般还不到突出煤层的总面积的1 0 “1 。统计还表 明，煤巷掘进时期发生的煤与瓦斯突出次数占矿井突出总次数的首位，因此煤巷 掘进工作面又是突出预测的重点。因此在宏观上，研究导致煤与瓦斯突出的影响 因素，对突出危险性进行区域预测，使这些区域从煤与瓦斯突出灾害的威胁中解 放出来，变为无突出危险的区域。在预测突出的危险区域，研究采取其它行之有 效的措旌和方法，最终达到消除煤与瓦斯突出的目的。 安徽理1 i 大学硕士论文 结论 1 2 国内外煤与瓦斯突出概况 1 2 1 国外煤与瓦斯突出概况 煤与瓦斯突出是煤矿矿井中的一种非常复杂的动力现象，1 8 3 4 年3 月，在法 国的鲁阿雷煤田发生了世界上第一次有记载煤与瓦斯突出，使人们首次认识了这 种严重的地质灾害。1 8 7 9 年4 月，比利时的阿格拉普矿发生的一次煤与瓦斯突出， 1 2 2 名矿工丧生，沉痛的损失唤起了人们对这一问题的高度重视，正式开始了煤与 瓦斯突出产生原因和条件的研究。 煤与瓦斯突出是一种非常严重而又比较普遍的威胁煤矿安全生产的自然灾 害。据统计，目前大约有1 8 个国家和地区有煤与瓦斯突出发生，其中中国、法国、 俄罗斯、波兰和日本的突出情况最为严重。 法国是仅次于中国的突出发生严重的国家，1 8 7 9 年至1 9 6 5 年共发生突出6 2 7 8 次，最大突出强度为5 6 0 0 t 煤，突出的瓦斯类型为二氧化碳、甲烷和混合气体，突 出地区主要集中在塞伟内煤田。前苏联也是发生煤与瓦斯突出严重的国家，1 9 4 6 年至1 9 8 2 年共发生突出3 6 2 7 次，突出的次数多而且强度大，顿巴斯加加林煤矿 曾发生国世界上最大的一次煤与瓦斯突出，突出煤1 4 0 0 0 t ，沼气2 5 万立方米。日 本的突出事故多发生在北海道，这和当地的地质条件有密切的关系，1 9 5 0 年至1 9 8 2 年，日本共发生煤与瓦斯突出事故1 3 0 起，最大突出强度为3 0 0 0 t 煤”3 。 1 2 2 国内煤与瓦斯突出概况 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。1 9 5 0 年前，我国无 煤与瓦斯突出的完整记载。在1 9 5 0 年5 月，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。根据1 9 9 5 年的调查统计，建国以来，我国 先后在4 5 个矿务局、1 3 8 个国有重点煤矿的1 7 8 个井口，共发生突出1 0 8 1 5 次， 死亡1 2 6 6 人，共突出煤量8 1 5 8 0 0 t ，占世界突出总次数的3 5 。突出强度超过1 0 0 0 t 的突出次数达l o o 次，其中突出强度最大的是发生在天府矿务局三汇坝一矿+ 2 8 0 m 水平平峒揭穿煤层时，达到了1 2 7 8 0 t 。我国绝大多数的突出为煤与甲烷突出， 但在北票矿区的深部、阜新矿务局东梁矿和王营矿发生过为数不多的岩石与甲烷 突出，吉林营城矿发生过特大型的砂岩与二氧化碳突出。 目前我国国有煤矿中具有瓦斯灾害的矿井5 0 9 个，其中高瓦斯矿井1 6 3 个， 煤与瓦斯突出矿井1 0 7 个。随着采掘深度不断增加，地应力与瓦斯压力不断加大， 安徽理上大学硕士论文 绪论 煤炭开采的地质条件和技术条件也日趋复杂，煤与瓦斯突出矿井的数目增多，次 数频繁，强度加大，解决矿井煤与瓦斯突出灾害的问题已经迫在眉睫”3 。 1 3 国内外关于突出预测现有研究成果综述 1 3 1 单项指标法 在指标法中，预测的基础是含瓦斯煤体性质及其赋存条件的某些量化指标， 包括瓦斯指标、煤层性质指标、地应力指标和综合指标。p a u l ( 1 9 8 0 ) ，n o a c k n 9 8 3 ) 和王佑安( 1 9 8 4 ) 等学者研究了瓦斯含量指标，提出了不同的瓦斯突出临界值： 于不凡( 1 9 8 5 ) 和俞启香( 1 9 8 7 ) 详细地讨论了瓦斯压力指标，但认为瓦斯压力 不能单独用作突出预测指标；前苏联科学院地址所于1 9 5 8 年提出了煤体结构指标， 把煤分成5 种破坏类型，认为、v 两类煤具有突出危险，在国内外受到广泛重 视；中国矿业大学瓦斯组在1 9 7 9 年把煤体结构划分为3 种破坏类型，其丙类煤为 突出危险煤；焦作矿业学院瓦颠她质研究所( 1 9 9 1 ) 根据煤的宏观特性，以构造 煤类型为基础，以突出的难易程度为依据，把煤体结构分为4 种类型，取得了较 好的应用效果”1 。采用煤的破坏类型、瓦斯的放散初速度n 煤的坚固系数，厂和 煤层瓦斯压力p 作为预测指标，各种指标的突出危险临界值应根据实测资料来定， 无实测资料可参考表1 1 所列数据。只有全部指标达到或超过临界值时方可划为 突出煤层。 袭1预测突出危险性单项指标 煤层突出瓦斯放散初速度煤的坚固性煤层瓦斯 破坏类型 危险性却指标 系数压力p 突出危险、v1 00 5 0 7 4 m p a 无突出危险ii i 1 0 0 5 3 5 和无烟煤的比电阻的对数值1 0 9p 3 3 时，无突出危险，而挥发分 v 。= 1 8 2 2 时，突出危险程度最高，突出危险性之所以成这种分布形式，取 决于煤变质过程中煤的分子结构及一系列物性的重大变化。 瓦斯放散初速度p 是煤的重要得气动力学特征之一，它表征“煤一气”平衡 状态开始破坏时，煤解吸或吸附瓦斯作用得动力学特征，能较好地反映煤层得突 出危险性，这一指标在世界很多国家都得到了应用。 1 3 2 综合指标d 与k 法 抚顺煤研所、北票矿务局提出用综合指标d 与k 来预测煤层的突出危险性”3 ， 预测综合指标k 和d 已被列入我国的防突细则，得到了广泛的应用。其临界值参 照表l 2 所列数值。 表2 预测突出指标k 和d 煤层突出危险性指标 突出危险性 dk 0 2 5 0 7o 2 5 l0 4 无危险 0 7 0 4 5o 2 5 0 7 51 1 50 4 1 0 过渡性 o 4 5o 7 51 51 ，o 危险 1 3 4 地质统计法 该法的实质是根据己开采区域突出点分布与地质构造( 包括褶曲、断层、煤 层赋存条件变化、火成岩侵入等) 的关系，然后结合未采区域的地质构造条件来 大致预测突出可能发生的范围。不同矿区控制突出的地质构造因素是不同的，某 些矿区的突出主要受断层的控制，另一些矿区则主要受褶曲或煤厚变化控制，因 此，各矿区可根据已采区域主要控制突出的地质构造因素，来预测未采区域的突 出危险性。 安徽理工大学硕士论文 绪论 1 3 5 瓦斯地质单元法 瓦斯地质单元法是由焦作矿业学院瓦斯地质研究所提出来的，白1 9 7 7 年以来 他们一直用瓦斯地质的观点来研究煤与瓦斯突出。通过对湘、赣、豫三省1 2 个矿 区6 l 对突出矿井进行的研究，提出了瓦斯她质区划理论，认为突出的分布是不均 衡的，具有分区分带的特点；瓦斯突出的分区分带与地质条件有着密切的关系。 地质因素的分区分带控制突出的分区分带；进而通过地质因素的区域划分来预测 突出区带。彭立世等( 1 9 8 7 ) 在瓦斯地质区划的基础上突出了用地质观点进行突 出预测的方法，即瓦斯地质单元法。这种方法根据地质构造、煤层厚度及其变化、 煤体结构和煤层瓦斯等瓦斯地质参数，把煤层按照突出危险程度划分为不同的瓦 斯地质单元，从而实现突出的区域预测。 1 3 6 无线电波透视探测技术 无线电波透视探测技术在国内外都进行了较为广泛的研究及推广应用。前苏 联早在1 9 2 3 年就开始了这方面的研究。上个实际7 0 年代中期在东顿涅次无烟煤 矿区进行了系统试验。煤炭科学研究院重庆分院等单位在1 9 7 6 年研制成功的我国 第一台无线电波坑道透视仪。随后，煤炭科学研究总院重庆分院、河北煤炭科学 研究所相继对仪器进行了换代改造，推出了第三、第四代产品，并在全国范围内 煤矿井下探测陷落柱、断层及其它地质构造等方面得到了广泛的应用。同时，针 对实际应用中的具体问题，进行了大量的基础性研究，取得了丰硕的成果，该技 术的应用为采煤工作面的高产高效提供了地质保障，即预先探明采煤工作面内地 质构造，以保证采煤的顺利进行。该技术在韩城、南桐、阳泉、平顶山等矿务局 应用中多次发现无线电波透视圈定的断层、褶曲、产状变化、力学性质变化等地 质异常带，往往是煤与瓦斯突出多发地带，研究认为具有不同结构和含气条件的 构造煤体和非构造煤体具有明显不同的电性特征，构造煤体中存在各种规则和不 规则的界面对无线电波传播产生影响。可以通过无线电波透视探测出采煤工作面 内存在的地质构造破碎带来达到预测煤与瓦颊突出危险区域的目的“”。 1 3 7 地质动力区划方法 辽宁工程技术大学张宏伟、段克信教授将地质动力区划方法应用于岩体应力 状态研究与矿井动力现象区域预测”31 9 9 0 1 9 9 3 年，与俄罗斯国家地质力学与 矿山测量研究所合作，在北票矿区开展了用地质动力区划方法对煤与瓦斯突出得 6 安徽理工大学硕士论文 绪论 预测预防研究。在“九五”国家重点科技攻关项目“煤层区域突出三因素分布规 律及区域突出危险性预测方法研究”中，应用矿井动力现象统一预测理论和方法 进行煤与瓦斯突出区域预测，用地质动力区划方法确定平项山矿区的地质构造模 型，进而对区域岩体应力状态作出预测，为合理地进行矿井开拓开采提供依据。 在“十五”国家重点科技攻关项目“煤与瓦斯突出区域预测的地质动力区划和可 视化技术”中，在淮南矿业有限责任潘一矿、谢一矿进行了地质动力区划研究， 在查清各级活动断裂、划分断块和评估其相互作用的基础上，确定了矿区现今构 造运动的地质构造格架，评估了构造应力场、断裂活动性和煤与瓦斯显现趋势， 在国内外首次应用多因素模式识别概率预测方法完成了煤与瓦斯突出危险性的区 域预测工作，开辟了煤与瓦斯突出区域预测和防治新的研究方向。 1 3 。8 瓦斯涌出动态特征法 利用可以连续监测钻孔涌出参数的测试仪器，刘明举根据工作面瓦斯涌出特 征，利用模式识别技术对基于矿井监测系统的突出预测系统进行了研究，结果认 为，在现有矿井监测系统的基础上考虑工作面瓦斯涌出特征，利用计算机模式识 别技术研究非接触式煤与瓦斯突出预测系统是可行的。而中国矿业大学王凯等利 用监测装置获取了连续动态变化的钻孔瓦斯涌出量时间序列，对此序列进行分析 研究后发现它具有分形特征，进而尝试用关联维作为定量判别指标，对煤层突出 危险性的识别问题进行了研究分析”钔。 1 4 存在的问题 近年来，主要产煤国家都投入了大量的人力、物力和财力对煤层突出危险性 以及在井田和采区范围内突出危险带预测的有效方法进行了广泛而深入的研究， 特别是能够及时预报危险性的一系列煤层突出危险性参数连续监测方法的改进研 究，已经取得了丰硕的成果，并广泛应用于矿井生产实践，取得了良好的经济效 益和社会效益。但现有预测手段主要建立在矿井开采的经验数据和某些煤层参数 数量的基础上，因而这些方法存在局限性，预测结果的可靠性、准确性和时效性 远远不能满足矿井生产和安全管理的需要。在防突措施中，突出预测是极为重要 的，是防止瓦斯突出的第一步。当前我国突出预测基本处于定性预测阶段，即只 能预测有无突出危险，而对与生产和人身安全的危险程度关系最为密切的突出强 度还不能做到准确预测。因此，深入研究煤与瓦斯突出预测和防治技术、实现定 性向定量研究转变已势在必行“。 安徽理t 大学硕士论文 绪论 ( 1 ) 单纯运用单项指标法并不可靠，导致煤与瓦斯突出的发生并非完全由某 一单项因素决定，因此单项因素的预测指标不能做出基本符合实际的突出预测， 有时甚至还会出现和实际情况相反的预测结果。 ( 2 ) 突出的综合预测指标虽然是以突出的综合说为理论基础提出的，但综合 说只不过粗略地回答了造成突出发生的因素是什么，而地应力、煤体的物理力学 性质又是多种多样的，因此，综合预测指标所包括的有关应力、瓦斯和煤质三个 主要因素的参量很不相同，由各参量所组成的数学形式更不一样，用这些因素所 建立的综合指标的数学关系式中所含的常数较多，而且没有明显的物理意义，只 是突出者为了保持与来自实际的一些数据的某种程度的吻合。显然，综合预测指 标中多包含的参数、数学形式主要还是依据大量的实际资料的统计分析，依靠经 验，甚至是主观感觉而决定的，因此缺乏理论基础和科学依据“。由于目前尚未 能阐明关于突出发生的复杂动力机制，还难以从理论上确定预测突出的敏感指标 及其临界值，所以现有指标都是根据实测资料，采用统计法确定的。因此实测数 据的多少和覆盖范围就决定了敏感指标的可靠性，以致各指标的临界值有时出现 相互矛盾的现象；同时在确定综合指标时，只是用作图法简单地划分突出与不突 出的界限，并没有从理论上解决指标问相互交叉的问题，使得现有综合指标的表 达式不能不进行人为调整。 ( 3 ) 瓦斯地质统计法根据已开采区域确切掌握的煤层赋存和地质构造条件与 突出分布的规律，利用瓦斯地质规律推断或利用地质勘探工程确定大、中型构造 的分布，进行大面积范围的突出危险区域预测是可行的，但要进一步细分就困难 了，因为要用瓦斯地质规律预测或地质勘探工程确定突出小构造是非常困难的， 即使能预测，其准确度也是很低的，以前往往是揭露了才知道有没有构造和构造 类型，雨这对突出危险区域预测已没有意义了。 ( 4 ) 单纯依靠井下巷道、钻孔揭露的地质资料或钻孔预测指标进行突出危险 区域预测，由于资料的有限和井下瓦斯地质分布情况的复杂性，对于未能掌握的 区域的情况很难准确确定，预测精度也不能满足生产的需求。所以，运用钻孔预 测指标大都进行局部预测和有限的区域预测。 1 5 课题的提出和本文的主要研究内容 1 s 1 课题的提出 从国内外瓦斯突出预测的研究现状来看，应用特征指标进行煤巷突出预测取 安徽理工人学硕士论文 得了一定的成果。而在这些预测方法中，瓦斯涌出量因为综合地反映了各因素的 变化而成为表征煤层突出危险性的重要前兆和预测指标，但对检测后所取得的数 据处理尚未达到令人信服的定量模型化阶段。本文将在对国内外应用瓦斯涌出特 征指标预测煤巷采掘工作面突出危险的研究成果进行综述的基础上，提出本文的 研究课题、研究内容及采取的技术途径。 从系统的观点来看，突出是相应的含瓦斯煤岩系统在外界扰动下的动力失稳 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与外部系 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 程的高度菲线性的不可逆性；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；系统 内部及其与外部系统之间的非线性能量耗散等。因此，突出的发生是一复杂的非 线性动力系统在时空演化过程中的灾变行为，从非线性科学的角度对煤与瓦斯突 出进行研究，可以更深刻地认识突出的内在规律，对突出的预测和防治工作具有 重要意义。 根据非线性动力学的观点，含瓦斯煤岩系统的动力行为与对应的非线性动力 系统的拓扑和演化特性具有确定的对应关系。在突出的孕育阶段，可以通过对反 映系统行为的某些参数进行实际观测，利用所观测的时序数据在时间域里重建系 统的动力学特征，分析系统的内在特征及其与实际突出危险性的关系，寻求预测 突出的新途径。在这种情况下，由于煤体瓦斯涌出动态数据时间序列中数据顺序 和数据大小含有大量系统动态演化过程的痕迹和特征信息，运用非线性科学理论 对工作面瓦斯涌出动态数据进行分析，研究突出过程中的非线性特征和规律，并 应用其于突出危险性的识别和预测。 由于目前应用突出前瓦斯涌出动态数据非线性特征进行预测研究较少，对利 用非线性特征判定和识别突出危险性的探讨还有待深入，在如下方面需要进一步 深入研究和解决： 1 ) 具有代表性的瓦斯涌出动态数据时间序列的获取； 2 ) 非线性理论中分形理论用于瓦斯动态涌出数据存在其特殊性。在分维计算 中采用不同的尺度、起点、边界都会对结果精确性产生影响。由于计算分形的方 法很多，每种计算方法由于用于尺度选择的对象不同，计算原理的不同，瓦斯涌 出动态数据时间序列分形的计算结果和精度有所差别： 3 ) 如何将瓦斯动态涌出数据时间序列的非线性特征和规律应用于预测。 9 安徽理工大学硕士论文 1 5 2 本文主要研究内容 非线性科学是当代发展迅速的一门跨学科、综合性基础科学。近年来，非线 性科学理论不断发展和完善，广泛应用于各学科当中，取得了令人瞩目的成果。 就煤与瓦斯突出而吉，一些学者应用有关非线性理论，从矿井地质断层分形分布 与突出的关系、突出煤体分形及孔隙分形特征、突出的材料分叉理论、突出起动 过程的突变研究、突出预测的神经网络模型等方面进行了探索。本文是通过获取 瓦斯涌出时间序列，运用混沌理论和分形理论，对采掘工作面的瓦斯动力系统的 相关问题进行研究；将煤巷采掘工作面瓦斯涌出量动态时序数据的混沌值和分形 值作为预测突出的基本特征指标，用神经网络对系统建模并进行预测。具体研究 内容如下： 1 ) 对所选取的瓦斯涌出时间序列进行预处理，使之满足一定的条件可以进行后 续的研究分析，并划分其与突出危险性的关系； 2 ) 研究工作面瓦斯涌出动力系统的相空间重构方式以及重构参数的确定方 法，探索了瓦斯涌出规律中混沌特征量的计算方法。对时间序列进行相空间重构， 计算各个序列的关联维d 2 ，最大l y 印l m o v 指数和k 0 1 m o g o r o v 熵，通过计算结果 来研究影响瓦斯突出因素中的混沌成分： 3 ) 对瓦斯涌出量的时间序列进行分形分析，发现煤巷采掘工作面在有突出危 险和无突出危险状态下的差异，并研究和说明复杂的瓦斯地质动力系统内多种因 素综合作用对混沌序列的产生所具有的影响； 4 ) 介绍了基于最大l y a p u n o v 指数的时间序列预测模式，并计算其最大预测时 阳1 i 和平均预测时间； 5 ) 介绍神经网络算法原理，应用此神经网络方法建立和分析瓦斯突出预测模 犁。 安徽理工大学硕士论文原始监测数据瓦斯涌出时间序列的预处理 第二章原始监测数据一瓦斯涌出时间序列的预处理 由于进行预测研究的对象是时间序列数据，首先要对时间进行分析处理。一 个时间序列是人们通过观察，按时阃的先后顺序得到的一组数据，分为连续的时 间序列和离散的时间序列。而人们主要研究的对象是后者，即离散的时间序列， 此时间序列还被要求是等时间间隔的。时间序列分析和预测是根据对系统观测得 到的时间序列数据，通过参数估计和曲线拟合等方法来建立该系统的数学预测模 型的理论和方法。 在开始本文研究内容之前，首先得获取具有代表性的煤巷掘进工作面瓦斯涌 出动态时间序列。由于不可能获取和煤与瓦斯突出有关所有因素的连续监测值， 所以我们利用矿井监测系统自动获取煤巷掘进工作面瓦斯涌出动态时序数据。运 用时间序列预测需要监测系统有较高的可靠性，要有足够大的数据量，要求监测 记录为连续、完整并为等时间间隔记录。同时为了能准确地获取掘进工作面在不 同突出危险性时的时间序列的非线性特征，要求矿方能够提供与监测记录相对应 的工作面瓦斯突出危险性预测准确性较高的检验记录或者根据实际情况能够知道 在这个时间段内有无突出危险性的监测记录( 后一种情况一般是指发生突出后取 前一段时间的瓦斯监测记录为研究对象) 。 2 1 混沌时间序列的组成分析 混沌时间序列通常是由相互关联的复杂的多种因素相互作用的结果，为了更 好地对时间序列进行分析，通常可以将时间序列看作几令主要因素作用的结果。 因此，可以将时闻序列分解成几个单独的部分，这些部分是由不同的因素作用而 成，但这些因素之间没有相互依赖关系。一般的时间序列可以看作是由下列两部 分因素作用而成的“7 1 ”。 ( 1 ) 确定性因素 确定性因素基本上是由于一些可以预测的内在的或外在的影响时间序列发展 的因素，它主要包括下面三个方面季节性影响、循环变化因素和整体的变化趋势。 由于季节性因素对瓦斯涌出检测数据几乎没有影响，在此就不予分析。 循环变化因素用于整个时间序列中的周期性交化规律，它是由于一些周期性 f l 勺外界因素产生的，有的是未知的，通棠可以要通过一些比较复杂的统计检验方 法，将这些循环变化因素找出来。但由于大多数时间序列的外界影响因素十分复 杂，基本上不大可能将所有循环变化因素都分离出来，我们主要通过统计中的检 安徽理工人学硕士论文 原始监测数据一瓦斯涌出时间序列的预处理 验方法，近似地去搜索循环变化规律。 整体性的趋势方法用于确定时间序列的整体发展趋势是上升还是下降，它代 表一个时间序列的整体发展方向，大多数时间序列都有一个整体的上升或下降的 趋势，而不是绝对地在一个水平上起伏震荡。 ( 2 ) 随机性因素 随机因素主要是指不规则的因素。 不规则的因素是一些不确定的因素对时间序列的影响，又称为“噪音”。时 间序列中一些无法解释的成分，它的形成有很大的随机性，因此基本上是不可预 测的，如果在一个时间序列中的“噪音”所占的比例很小，可以将它忽略不计， 否则，可以通过给出一些估计值的方法来代替“噪音”，但如果“噪音”过大，将 导致整个预测的结果可能会有较大的偏差。 2 2 原始数据的获取 利用煤层巷道掘进过程中监测系统中的瓦斯涌出数据，来分析瓦斯涌出量在 正常和异常情况下的不同，其第一步就是需要知道用什么标准来判断有突出危险 ( 异常情况) 。因此，提取、判别异常就成了很重要的一步。异常是相对于某一标 准形态而言的过程属性，虽说其标准和内涵具有定的不确定性和相对性，但对 任一自然过程而言，通常当变化幅度超过某一界限时可定义为异常的一种表现形 式，称为幅度异常；或者当一定时间范围内变化次数显著变化时，可称为频度异 常。 而在煤与瓦斯突出过程中，煤体能发生脉动或平缓的变形，主要有压缩变形 和膨胀变形。煤体由压缩变形转变为膨胀变形，表明应力的释放过程。煤体开始 变形后，瓦斯压力也随之发生相应的变化。在压缩变形阶段，瓦斯压力增长，有 时甚至达到1 0 m p a “。煤体进入膨胀变形时，瓦斯压力下降，瓦斯压力变化延缓 时间。在煤体发生膨胀变形时，原有的裂隙扩张并产生新的裂隙。这些裂隙逐渐 与巷道沟通，给煤体解吸瓦斯创造条件，使涌出瓦斯增加，这一过程一般会延迟 一段时间。 异常识别的过程在现阶段的实现大多是通过统计分析来实现的，统计实际中 出现的那些异于平常的表现，并分析其与随后的现象的相互关系。煤与瓦斯突出 前夕的瓦斯涌出表现形式多种多样，并不是提出的所有方法都能分析出突出前的 异常表现，因此需要对监测的数据分别加以分析检验，只有当提出的所有方法都 认为瓦斯涌出表现正常时，才能认为是正常的；反之，当有两种及两种以上的方 安徽理工大学硕十论文原始监测数据一瓦斯涌出时间序列的预处理 法提供的信息是异常的，文中都将其列入异常。 统计分析方法的具有代表性的结果往往跟样本容量的多少以及样本选取的典 型性有关。一般情况下，容量越大，其所建模型和处理的结果越准确；而对于某 些方法，恰恰相反，一定容量的样本才是真正反映总体的结果，而且纯粹追求大 容量在实际计算中会出现种种问题，所以在本文中采用的方法不单纯是通过盲目 的扩大样本的容量来提高样本的典型性结果，而是通过选取一定容量的样本选用 特定的方法来研究瓦靳涌出数据的规律性。 在时间序列的预处理方法中首先要解决的是与研究对象相关较大的参数选择 问题。和研究结果相关较大的参数主要是时间间隔。对于时间间隔来说，取的过 短，信息量太少，不能反映序列的总体趋势；取的过长，序列中的噪声过大，有 可能覆盖异常信息。 预测所选样本数据来源于矿井监控系统中瓦斯浓度数据，所选矿井基本情况 如下“3 ： 所选矿井是一座设计年产3 0 0 万吨的大型矿井，1 9 8 3 年投产，矿井可采煤层 为1 5 层，煤层总厚度为3 1 7 m 。矿井采用立井多水平开拓，分二个开采水平，上、 下山开采，目前正在开采第一水平，标高为一5 3 0 m 。共有三个生产采区：西三、东 一、东二采区( 西一采区、西二采区已停采，东三采区正在打开) 。矿井目前主采煤 层为8 煤、1 3 - l 煤、1 1 2 煤，三个煤层均为高瓦斯突出煤层，其中8 煤吨煤瓦斯 含量为5 6 m ，1 3 煤吨煤瓦斯含量为1 2 2 2m 3 t ，l l 煤吨煤瓦斯含量为4 7 5 m 3 t 。 该矿1 3 煤、8 煤和1 1 煤均发生过煤与瓦斯突出动力现象，其中1 3 煤1 5 次， 1 1 煤1 次，8 煤1 次。矿井历年突出情况见表5 2 1 。 矿井根据瓦斯地质统计法、综合指标法、掘进煤巷瓦颠含量及涌出量，并对 巷道突出危险预报进行检验，按煤矿安全规程和防治煤与瓦斯突出细则 的要求，认为： ( 1 ) 1 3 1 煤层标高一4 5 0 m 以下为突出危险区域，标高4 5 0 m 以上为突出威胁区 域；1 3 1 煤底分层采掘工作面为无突出危险区域；11 2 煤下保护层开采后1 3 1 煤 被保护的区域为无突出危险区域；1 3 1 煤层经消突后的区域为突出威胁区域；1 3 1 煤层在上一阶段采空区1 5 m 卸压范围内的区域为突出威胁区域。 ( 2 ) 1 1 2 煤层从一6 2 0 m 标高以下开始具有突出危险性，东一采区6 7 2 m 以上为 无突出危险区域，以下为突出威胁区域和突出危险区域：东二采区6 2 0 m 以上为无 突出危险区域，以下为突出威胁区域和突出危险区域：西部采区一6 3 0 m 以上为无突 安徽理工大学硕士论文 原始监测数据一瓦斯涌出时间序列的预处理 出危险区域，以下为突出威胁区域和突出危险区域；1 1 2 煤层在上一阶段采空区 1 5 m 卸压范围内的区域为突出威胁区域。 ( 3 ) 8 煤层在上一阶段采空区1 5 m 卸压范围内的区域为突出威胁区域：其它 为突出危险区域。 由此可以看出所选矿井发生煤与瓦斯突出的煤层、地点、巷道类别都比较全 面， 在时间上从建井至今问或有突出发生，因此，以该矿数据作为样本具有代表 性。 表4 矿并历年突出情况表 ! ! ! ! ! ! ! 坚! ! ! ! ! ! ! ! i ! 竺垡巴i ! ! ! ! ! ! ! 垡i 1 2 箜! z ! ! ! ! 序号突出地点 突出时间巷道类别巷道标高m 所选矿井监测系统为k j 6 6 系统。选用监测系统监测的某掘进工作面突出前夕 瓦斯涌出数据进行分析，同时选用任意某一掘进工作面正常时期的瓦斯监测数据 采用同样的分析方法，作为对比分析自。灰据。 安徽理_ 大学硕士论文 原始监测数据一瓦斯涌出时间序列的预处理 2 3 时间序列的预处理 由于各种原因，我们无法知道每个班次的随时间变化准确供风量，但风量的 平均值基本保持不变，而工作面的各个时间点上绝对瓦斯涌出量数据的获取也不 太可能，所以我们在后面分析的时候将直接把工作面瓦斯浓度监测数据作为分析 对象，也就是我们所研究的时间序列。 将系统终端得到的瓦斯浓度监测数据作为时间序列，分为两种类别：有突出 危险的和无突出危险的。其次为了方便下面章节的分析，并最可能减少分析的误 差，使时间序列能真实的反映出原来数据的本质特征，对原始数据进行以下预处 理。 首先将以上两组数据还原为监测曲线，就可以对获取的原始数据有了直观的 认识，如图1 和图2 所示。由于从监测数据得到的数据有些并不是完全等时间间 隔的，但由于每两个数据相隔的时间基本上一致，在以后的处理中可以将其看作 是等时间间隔的。其次从原始监测数据发现，曲线中有一些不可能出现的浓度值， 主要出现在无突出危险的时间监测数据中，这种情况的出现可能是由予系统的故 障引起的。由于数据采样的间隔很小，不正常的数据也很少，因此可以将超出监 测范围的数据换成其相邻的瓦颠浓度监测值。 经过以上处理，就可以得到本文所研究的时间序列。 图1 潘一矿某工作面无突出危险时一段时间内的瓦斯浓度监测曲线 f gla t 廿拉w o r k j n gf a c ei np a n y im i n e ，岫v 8 r j 厕o no f g 雒c o n c e n 仃a t i o ni n0 n et i m es e c t i o n w i i h o u to u f b u r s tf 缸a l l l e s s 安徽理j 1 大学硕士论文 原始监测数据一瓦斯涌出时间序列的预处理 图2 潘矿某工作面有突出危险时一段时间内的瓦斯浓度监测曲线 f i g2a tt l l ew o r k i n gf a c ei np a n y im 溉t l 】ec u eo f g a sc o n c e n 垤t i o ni no n en m es e c 石o nw i m o u t b u r s t 彘旺a l n e s s 2 4 小结 本章主要介绍了时间序列的构成和本文要处理的时间序列的来源一淮南潘一 矿历年发生突出的基本情况。对正常情况下和有突出危险的矿井瓦斯监测系统原 始监测数据进行了初步分析，确定了本文的研究对象，从而使后续章节的分析研 究得以进行。 安徽理1 ：大学硕士论文瓦斯涌出时间序列的混沌特征 第三章瓦斯涌出时间序列的混沌特征 混沌理论揭示了有序与无序的统一、确定性与随机性的统一，并成为正确 的宇宙观和自然科学的里程碑。混沌理论的发展，让我们了解了确定性系统也 有随机性。混沌理论提高了人类的预测本领。以混沌理论为核心的当代非线性 科学的迅猛发展有力地推动了时间序列分析。人们发现，即使是一个十分简单 的、完全确定的非线性系统，在一定的条件下也可以表现出非常复杂、非常随 机的性质。动力学意义上的非线性时间序列开创于8 0 年代初，它以重建相空间 为基础研究相空问动力轨道的性质，并据此进行预测。这类方法在本质上是动 力学的、非线性的，在观念和方法上都有革命性的创新，形成了当代非线性科 学的一个重要分支，有着广泛的应用前景和强大的生命力1 。 由前人的研究成果可知，井下瓦斯的涌出和煤与瓦斯突出是一个有层次的 复杂动力系统，而瓦斯浓度的不确定，随时间变化而变化，又构成了典型的混 沌运动。应此运用混沌理论对其进行分析研究，从中获取系统演化的特征，可 以成为预测煤与瓦斯突出的新方法。 3 1 相空间重构 相空间重构是进行混沌研究的基础，本文计算关联维d 2 、二阶r e n y i 熵k 2 、 l y a p u n o v 指数和后面章节的分形的所有算法都是在相空间重构的基础上进行 的。 煤与瓦斯突出由复杂的煤岩瓦斯动力系统所控制，在此系统中影响瓦斯涌 出的因素很多，主要有地应力、瓦斯压力：瓦斯含量、煤体的各种物理力学性 质等。这些因素可以看作是随时间变化的状态变量。= 鼍，工：，x 。) ，利用这n 个状态变量可描述与之相应的系统，以这n 个状态变量为坐标轴可以支起一个 n 维空问，这个n 维空间就称为系统的相空间。在t 时刻每个状态变量都有一 个确定的值，这些值决定了相空间的一个点，这个点称为系统状态的代表点， 即它代表了系统t 时刻的状态。随着时间的流逝，代表点在相空间划出一条曲 线，这条曲线称为相轨道或轨线。它代表了系统状态的演化过程。如果知道这 些状态变量在每一时刻的值，就可以完全掌握煤巷掘进过程中系统的状态演变 过程，也就能很好地预测瓦斯突出的危险性。但由于目前的测量技术手段以及 这些因素内在的复杂的相互关联、相互制约的关系，只是不可能准确测出每个 状态变量的值并绘出能表现系统状态演化规律的相轨线。事实上系统任一分量 1 7 安徽理一i 。大学硕十论文瓦斯涌出时间序列的混沌特征 的演化都是由与之相互作用着的其它分量所决定的，因此，这些相关分量的信 息就隐含在任一分量的发展过程中。一个混沌系统产生的轨迹经过一定时间的 变化后，最终会做一种有规律的运动，产生一种规则的、有形的轨迹即混沌吸 引子。为从某一分量的一批时间序列中提取和恢复系统原来的规律，“绘出”系 统在高维空间下的相轨线，以分析系统的演化规律，人们想到用原始系统中的 某变量的延迟坐标来重构相空问。t 酞e n s 洲证明了可以找到一个合适的嵌入维， 即如果延迟坐标的维数m 2 d 十l ，d 是动力系统的维数，在这个嵌入维空间里就 可以把有规律的轨迹恢复出来1 “。 判断瓦斯涌出数据是否存在混沌成分，需要计算与吸引子有关的特征量。 假如瓦斯涌出过程的动力学方程已知的话，判断系统的混沌性态将是非常容易 的，混沌特征量可以直接求出。然而煤与瓦斯突出是个复杂的非线性动力学系 统，由于地质条件复杂，一般不能直接建立其解析形式的完备的数学模型，况 且就算已知数学模型，由于动力系统是n 维，需同时测量2 n + 1 个变量，这在瓦 斯监测领域中是无法做到的，所以往往只能依赖于现场监测仪器所采集的原始 监测资料，