（地质工程专业论文）矿井瓦斯涌出量及突出危险性预测研究.pdf

摘要 摘要 矿并瓦斯问题一直是制约煤炭企业安全生产的一个重大因素，瓦斯涌出量预 测和煤与瓦斯突出危险性预测研究是矿井通风管理以及制定合理瓦斯防治措施的 必要环节。因此矿井瓦斯问题一直是国内外煤矿安全研究的主要课题。 本项研究在现场采用井下钻屑解吸法和水泥注浆测压法成功对研究煤层的瓦 斯含量和瓦斯压力了进行测定，在实验室对所采集的煤样进行了瓦斯放散初速度 p 、煤的坚固性系数f 等瓦斯参数测定。对钻孔揭露的地层资料以及其它瓦斯地 质资料进行分析，总结出煤层瓦斯的赋存规律，运用综合指标法和瓦斯地质指标 法相结合的方法。对研究煤层进行了瓦斯地质区划，划分出突出危险区、突出威 胁区、无突出危险区。 在现场调研的基础上，系统收集和整理了薪集二矿的瓦颠地质资料，运用 v p s t i l d i o 、s u 彘r 8 o 、a u t o c a d 2 0 0 4 和g r a p h e r 4 0 软件绘制了一系列相关的瓦斯 地质图件( 煤厚等值线、砂岩比等僵线、埋藏深度等值线、层间距等值线、基岩 厚度等值线、外来系厚度等值线、本地系厚度等值线、瓦斯含量等值线等) 。通过 对影响煤层瓦斯赋存的缝质因素进行分析，运用数量化理论i 作为建模工具，建 立了包括基岩深度、上覆5 0 m 砂岩比、断层、8 煤层与9 - 煤层间距4 个变量的瓦 斯涌出最预测模型，并对深部未采区的瓦斯涌出量迸行了预测。通过理论和实际 检验，预测精度较高，表明这4 个地质因素是影响该煤层瓦斯涌出的主要因素。 根据对研究煤层的瓦斯地质分析，绘制了包括瓦斯含量等值线、瓦斯压力等 值线、瓦斯涌出量等值线、瓦斯含量点、瓦斯压力点、突出危险区、突出威胁区、 无突出危险区等主要瓦斯信息的瓦斯地质图。并提出瓦斯治理方案及建议。 关键词：煤与瓦斯突出瓦斯涌出量数量化理论i 瓦斯含量瓦斯压力 河南理工大学硕士学位论文 r e s e a r c ho ng a se mis sio na n dg a so u t b u r s t p r e d ic tio n a b s t r a c t t h ec o a ln l i r l eg a si sa ni m p o r t a n tf a c t o rt or e s 砸c t i n gt h es a f e t yi np r o d u c t i o no f c o a le n t e r p r i s e sa l lt h et i m e t h ep r e d i c t i o no fg a se m i s s i o na i l d g a so u t b u r s ti nm e c o a l i i l i n e si sap r e r e q l l i s i t ep r e c o n d i d o no f v e n t i i 撕o nm a i l a g e m e ma n dm a k 血gr a t i o 叫 g a sp m p h y l 枷c t 1 1 e r 印e l m cm e 鹊u r e s ，t h e r e f b r e ，c l o s ea _ t t e n t i o n sh a v eb e c np a i dt 0 血e f e s e a r c hf i e l da l lo v e r 饿ew o e d h o l l o wi n c l u s i o nm e 也o di sa p p l i e ds u c c e s s 剐l yt om e a s u r eg a sp r e s s u r ea n dg a s c o n t e n ti nn i er e s e a r c hc o a i s e a m ，t h eg 嬲p a r 锄e 衄。ss u c ha sm ei l l i t i a lv e i o c i t yo f 血e g a sd i f 如s e ( p ) a n dm ef i m n e s so fc o a l ( f ) e t ch a v eb e e nm e a s u r c di 1 11 a b o r a t o u0 n t h eb a s i so fc o m p r e h e n s i v ea 1 1 a l y 西n g 缸1 l i n gd a t aa n ds t r a t 啪l a y e rg a sd a t a ，也eg a s p r e s e n ，a t i o ni sc o n c l u d e d g a sg e 0 1 0 9 yz o i l i l l g ，删c hd i 啊d em ec o a ls e 锄i n t 0g a s d u t b u r s td a n g e r o u sz o n e s ，o u t b u 斌d a n g e f o u sz o n e sa n dn oo u t b u r s td a t l g e r o u sz o n e s ，i s b l l i l ti nm ec o a ls e 锄u t i l i z i l l g 吐1 eg a sg e o l o g yi n d i c a t o rm e 1 0 da d a g g r e g a t i v e i n d i c a t o rm e m o d b ya 1 1 a i y z i l l ga n dc a l c u l a t i n gag r e a td e a lo fd a t aa b o u tg a sg e o l o g ) ，州c hi s c o i l e c t e d 矗_ o mx i n j in o 2m i n e ，as 嘶e so fc o m b 协e dg e 0 1 0 9 ym a p s 盯ed r a w n 耐t h s 1 1 r 颤8 ，o a u c o c a d2 0 0 4a n dv p s n l d i os o 盎咄e n e s em 印si n c l u d ec o m o i l ro f c o a l s e 锄“c 1 ( 1 1 e s s ，血er a t i oo f o v e 州n gs a n d s t o n et h i c k n e s s ，m eb u r i a id 印也o f c o a ls e 踟， t h ei n 钯t l a y e rs p a c i n 函妇t h i c 妇e s so fb e d r o c k ，也ct l l i c k n e s so fl o c a ls 心a 诅s y s t e m ，血e t h i c b e s so fc x 打a 1 1 e o l l s 咖t as y s t e ma n dg a sc o i l t e n te t c b ya 1 1 a i y z i l l gt h eg e o l o g y f a c t o r sw h i c h 砌u e n c eg a sa c c u n “a t i o n ，ag a se m i s s i o np r e d i c t i o nm 弛e m 撕c a l m o d e lh a sb e e nb u i l t 谢协也e 1 e o r yo fq u a n t 墒c a t i o ni t h em o d e li n c l u d e s f o u 。 i n d e 口e n d e n tv a r i a b l e s ，w 1 1 姒la r eb e d r o c kd 印血，f h er a t 沁o fo v e r l y i n gs a n d s t o n e t h i c k l l e s st o6 q m ，f a u l t s ，m ei n t e r l a y e rs p a c i n gb e 柳e e n8a n d9c o a l1 a y e r s 加1 dt 1 1 e n f o m l sa 舛e d i c t i o nf o r i n u l at op r e d i c t 也eu n w o r k e dc o u n _ 【r yi nd e e p s e a e dc o 幻s e a m t 1 1 r o u 曲m e o r ya n dp r a c t i c ee x a r n j n i n & t h er e s m ts h o w s 也a t 吐1 ep r e c i s i o n o f p r e d i c t i o ni sr e l a t i v e l yh i 曲，i tm d i c a t e s 也ef b 世g e o l d g i c a lf 如t o r sa r et h em a i n f 如t o r st oi n 丑u e n c et h eg a se m i s s i o no f t h ec o a ls e a m a b s 仃a c t a c c o r d i n gt ot 1 1 ea i l a l y s i sa b o u tg a sg e o i o g yo f l es t l l d i e dc o a ls e 眦，m ef o m l a l g a s - g e o l o g ym a p sw h i c hc o n t a i n 也ec o n t o u ro fg a sc o n t e n t ，g a sp r e s s u r e ，g a sg u s h j n g o u ta m o u n t ，g a sc o n t e n tm e a s u r i n gp o i n t s ，g a sp r e s s u r em e a s 谢n gp o i m s ，o u t b u r s t z o n e s ，o u t b u r s td a n g e r o u sz o n e s ，n oo u t b l l r s td a i l g e r o u sz o n e se t ca r ed r a w n b a s e d0 n t h e s e ，t l l ea u m o rp u t ；f b 刑a r dt h es c h e m e sa 工l ds u g g e s t i o n sa b o u tg a sc o n 订o lp r i n c i p l e k e y w o r d s ：c o a la i l dg a so u t b l l r s tg a se m i s s i o n t h e o r yo fq u a i l t m c a t i o ni g a sd r e s s u r eg a sc o n t e n t i i i 河南理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：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。论文中除了特别加以标注和致谢的地方 外，不包含任何其他个人或集体已经公开发表或撰写过的研究成果。其 他同志对本研究的启发和所做的贡献均已在论文中作了明确的声明并 表示了谢意。 本人学位论文与资料若有不实，愿意承担一切相关的法律责任。 学位论文作者签名：羔虱鱼 州，年5 月，日 河南理工大学 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，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河南理工大学。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电子版。本人允许论文被查 阅和借阅。学校可以将本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和汇编本学位论文。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名：显因皇指导教师签名：i ! 塑 ”f f 4 翮年j 月0 p 日年月日 第1 章前言 1 1 课题来源 1 前言 本论文的研究课题来自于横向研究项目“国投新集能源股份有限公司新集二 矿瓦斯地质研究”。 1 2 矿井瓦斯涌出量预测研究历史及现状 瓦斯是成煤过程中的伴生物，只要开采煤炭就会有瓦斯涌出，自从煤炭开采 以来，煤层瓦斯就是影响煤矿安全的主要因素。世界各产煤国均投入大量的人力、 物力对矿井瓦斯涌出规律进行研究。随着煤炭开采深度增大、开采技术提高和产 量增加，矿井瓦斯预测到目前为止仍面临着巨大困难，瓦斯事故已经占到煤矿生 产事故的7 0 以上。因此，在煤矿开拓开采之前，预先对开采煤层的瓦斯分布规 律进行研究，并进行瓦斯涌出量预测，无论对新建矿井或改扩建矿井、生产矿井 新水平、新采区进行通风设计及制定合理的瓦斯防治措施，还是对人力、财力的 节省、工作时间的缩短。均是不可缺少的重要环节。 我国的煤矿瓦斯涌出量预测起步较晚，在上世纪5 0 年代，主要从宏观上定性 分析某区域某些地质因素与煤层瓦斯涌出量的关系，并提出预测的依据，也尝试 着用定量方法解决预测煤层瓦斯涌出量的问题。1 9 5 3 年首次在辽源矿务局中央竖 井应用矿山统计法计算煤层瓦斯含量梯度，1 9 5 9 年开展了煤层瓦斯含量及其影响 因素的理论研究，探索煤中水分、孔隙率、煤阶、温度等因素对瓦斯含量的影响。 1 9 5 9 年国内首次在淮南矿务局谢家集二矿应用矿山统计法预测矿井深部瓦斯涌出 量。1 9 5 9 1 9 6 4 年先后完成了抚顺煤田、北票台吉矿、蜂峰煤田、南桐、梅田等 矿区矿井深部瓦斯涌出量预测工作。此后，矿山统计法在全国矿井得到了广泛应 用。1 9 7 8 年抚顺煤科分院从美国引进了直接测定钻孔煤层瓦斯含量方法并加以 改进，使勘探阶段瓦斯评价向前迈进了一步。七十年代由杨力生教授在我国首创 的瓦斯地质学科，为瓦斯涌出量预测方法的研究提供了新思路【1 】 2 l 3 4 l 。进入八十 年代，矿井瓦斯涌出量预测研究进入定量化、微观化发展阶段，世界上一些主要 的产煤国家如英国、前西德、法国、波兰、前苏联等开始进行煤层瓦斯含量法预 测矿井瓦斯涌出量的研究，提出了各自的计算公式。其中以前苏联提出的计算公 河南理工大学硕士学位论文 式最具有代表性。1 9 8 6 年，中国煤炭科学研究总院抚顺分院的于良臣教授首次将 前苏联的方法引入我国，在淮南矿务局潘三矿进行了矿井瓦斯涌出量预测。之后 抚顺煤科分院与阳泉矿务局合作，以前苏联预测方法为基础，结合我国煤矿实际 情况对一些参数进行修改，提出了改进后的预测方法分源预测法【5 嗣 7 】嘲。 经过最近二十年的发展，矿井瓦斯涌出量预测已经达到实用化阶段，从目前 国内外研究现状来看，矿井瓦斯涌出量预测方法可以分为三类： 第1 类是建立在数理统计基础上的矿山统计法f 9 】。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。此方法又分为瓦斯梯度法和 一元回归法两种，二者的区别在于所利用的已知点数量不同，计算得到的瓦斯涌 出量随深度的平均变化率精度不同，而物理模型基础是相同的。矿山统计法只考 虑瓦斯涌出量与开采深度一个因素的关系，因而其实用性和准确性受到制约。对 于地质条件简单的矿井，瓦斯涌出量变化主要受开采深度影响，用此方法预测深 部未采区域的瓦斯涌出量是可行的，基本上可以满足生产要求。而在多数生产矿 井，由于地质条件的变化，瓦斯涌出是受多因素控制的，仅仅考虑开采深度这一 个因素，其预测精度难以满足生产要求。 第1 i 类是以煤层瓦斯含量为基本预测参数的瓦斯含量法，通过计算并下各涌 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【1 0 【1 1 。这种方法既 考虑了决定瓦斯涌出量大小的基本因素煤层瓦斯含量，还考虑了一些相关的地 质因素和开采因素。如在地质因素方面，国内外不同的学者提出的预测公式都包 括有开采煤层厚度、邻近煤层厚度、邻近层至开采层间距、煤层倾角等；在开采 因素方面，多数方法都用到了煤层的开采厚度和顶板控制方法，有些还考虑了回 采率、分层开采的层数和开采顺序等对瓦斯涌出的影响。目前存在的问题是还没 有形成统一的、公认的预测公式。由于各种方法在确定各涌出源的瓦斯涌出率时 所考虑的影响因素不同，或采用的物理模型不一样，因而形成了不同的计算公式。 对同一矿井采用不同的瓦斯含量法，其预测结果相差较大。另一方面，由于瓦斯 含量法以煤层瓦斯含量作为预测的基础依据，因而对煤层瓦斯含量测定值的可靠 性和含量点的分布及密度有较高的要求。如果预测区内只有很少的瓦斯含量测定 点( 这种情况是比较普遍的) ，那么第一步的瓦斯含量预测就不可靠，由此而进行的 瓦斯涌出量预测，其精度将难以保证f 1 2 【1 3 l 【1 4 1 。 第1 类是瓦斯地质数学模型法。其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和影响瓦斯涌出量变化的主要地质因素。在此基础上，根 2 第l 章前言 据矿井已采地区的瓦斯涌出量实测数据和相关的地质资料，综合考虑开采深度在 内的多种影响因素，采用数量化理论i 作为建模工具，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。数量化理论i 是一种既可以处理定量变量同时又可以处理定性变量的 数学方法，可以实现某种趋势性的定性变量与定量变量之间的相互转化，根据需 要选择最佳模型参数，最早由日本科学家提出【1 5 】【1 6 】【1 7 】【1 钔。 1 3 煤与瓦斯突出预测现状 煤与瓦斯突出( 以下简称突出) 是煤矿井下采掘过程中煤和瓦斯突然喷出并产 生巨大动力效应的煤岩动力灾害，还可能导致瓦斯爆炸，是煤矿事故发生频率高、 人员伤亡大的地质灾害。它是由于积蓄在煤体中的弹性应变能及瓦斯在外力打破 原来平衡状态下突然释放，导致巨量的煤和瓦斯流从煤体中喷出，涌向采掘空间 而造成极大破坏性的一种灾变现象【1 9 】。 自法国1 8 3 4 年发生世界首次突出以来，突出已经在世界主要采煤国家肆虐了 近两个世纪。国内外突出研究实践表明，突出分布是不均衡的，突出煤层的面积 仅占突出煤层的l o 2 0 ，具有分区分带的特点。1 9 8 2 年，焦作矿业学院在调查湖 南、河南和江西三省瓦斯突出分布与地质因素关系的基础上，明确地指出了瓦斯 突出具有分区分带的特点，总结了地质因素对分区分带的控制作用，提出了瓦斯 地质区划论，奠定了突出区域预测的基础。 突出区域预测的目的是准确划分出突出的区带，缩小防治瓦斯突出的范围， 提高突出灾害防治的针对性和有效性，节省大量人力、物力，提高煤炭生产的经 济效益，保障国民经济发展对能源的需求。 。突出区域预测的方法很多，但大致可以划分为指标法和以地质研究为主的方 法。目前，应用比较成熟并被列入我国防治煤与瓦斯突出细则的方法主要有 单项指标法、瓦斯地质统计法和综合指标法【2 0 】。 指标法提出的主要依据是突出机理，不论是单项指标，还是综合指标，都与 瓦斯、应力和煤的物理力学性质密切相关。二十世纪六十年代，前苏联通过对顿 巴斯、库兹巴斯、卡拉干达矿区等的突出煤层的研究，率先在世界上提出了区域 预测煤与瓦斯突出危险性的单项指标法和综合指标法。二十世纪七十年代，我国 煤矿瓦斯灾害防治科研人员借鉴前苏联的方法与经验，并结合我国煤层的突出实 际，先后提出了具有中国特色的区域预测煤与瓦斯突出危险性的单项指标法和综 第1 章前言 据矿井已采地区的瓦斯涌出量实测数据和相关的地质资料，综合考虑开采深度在 内的多种影响因素，采用数量化理论i 作为建模工具，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。数量化理论i 是一种既可以处理定量变量同时又可毗处理定性变量的 数学方法，可以实现某种趋势性的定性变量与定量变量之间的相互转化，根据需 要选择最佳模型参数最早由日本科学家提出$ s 】 1 6 】【l7 】【。 1 3 煤与瓦斯突出预测现状 煤与瓦斯突出( 以下简称突出) 是煤矿井下采掘过程中煤和瓦斯突然喷出并产 生巨大动力效应的煤岩动力灾害，还可能导致瓦斯爆炸，是煤矿事故发生频率高、 人员伤亡大的地质灾害。它是由于积蓄在煤体中的弹性应变能及瓦斯在外力打破 原来平衡状态下突然释放，导致巨量的煤和瓦斯流从煤体中喷出，涌向采掘空间 而造成极大破坏性的一种灾变现象【l ”。 自法国1 8 3 4 年发生世界首次突出以来，突出已经在世界主要采煤国家肆虐了 近两个世纪。国内外突出研究实践表明。突出分布是不均衡的，突出煤层的面积 仅占突出煤层的1 0 以0 ，具有分区分带的特点。1 9 8 2 年，焦作矿业学院在调查湖 南、河南和江西三省瓦斯突出分布与地质因素关系的基础上，明确地指出了瓦斯 突出具有分区分带的特点，总结了地质园素对分区分带的控制作用，提出了瓦斯 地质区划论，奠定了突出区域预测的基础。 突出区域预测的目的是准确划分出突出的区带，缩小防治瓦斯突出的范围， 提高突出灾害防治的针对性和有效性，节省大量人力、物力，提高煤炭生产的经 济效益，保障国民经济发展对能源的需求。 突出区域预测的方法很多，但大致可以划分为指标法和以地质研究为主的方 法。目前，应用比较成熟并被列入我国防治煤与瓦斯突出细则的方法主要有 单项指标法、瓦斯地质统计法和综合指标法。 指标法提出的主要依据是突出机理，不论是单项指标，还是综合指标，都与 瓦斯、应力和煤的物理力学性质密切相关。二十世纪六十年代，前苏联通过对顿 巴斯、库兹巴斯、卡拉干达矿区等的突出煤层的研究，率先在世界上提出了区域 预测煤与瓦斯突出危险性的单项指标法和综合指标法。二十世纪七十年代，我国 煤矿瓦斯灾害防治科研人员借鉴前苏联的方法与经验，并结合我国煤层的突出实 际。先眉提出了具有中国特色的区域预测煤与瓦斯突出危险性的单项指标法和综 际，先后提出了具有中国特色的区域预测煤与瓦斯突出危险性的单项指标法和综 河南理工大学硕士学位论文 合指标法，其中综合指标d 和k 在我国普遍采用并被纳入煤矿安全规程和防 治煤与瓦斯突出细则。突出区域预测指标综合指标d 和k 配套使用构成了我国 区域预测的基本构架。 地质方法主要有瓦斯地质方法和地质动力区划方法。瓦斯地质区域预测的核 心是瓦斯地质区划理论，它包含的主要内容为：( 1 ) 突出的分布是不均衡的，具有 分区分带的特点；( 2 ) 突出的分区分带性与地质因素有密切的关系，并且受到地质 因素的制约：( 3 ) 突出具有分级控制的特点，不同级别、不同范围内控制突出的主 要地质因素有一定的区别。2 0 年来，瓦斯地质研究主要集中在影响突出的地质因 素上，对影响突出的地质因素有了更深入的认识，主要表现在提出了地质构造主 要通过控制构造煤来控制突出分布的认识。另外。在“八五”和“九五”期间， 瓦斯地质研究也试图通过瓦斯地质理论和物探技术相结合来开展突出的区域预 测，并取得了明显的效果。瓦斯地质方法适用于不同尺度的突出区域预测，重点 是矿井突出区和工作面突出带的预测口1 1 【2 3 1 ( 2 4 1 。 地质动力区划根据区域构造形式划分得到断裂区划图，根据数值计算得到区 域岩体应力图，划分应力升高区、应力梯度区和应力降低区，然后根据岩体应力 分布状态、区域构造形式、断裂的活动性和已经发生的突出等预测突出的区域范 围，其本质是基于应力分布开展突出区域预测。突出预测的瓦斯地质方法和地质 动力区划法可在大尺度突出区域预测上互为补充，使大尺度突出区域预测更准确。 另外，除了以上预测方法外还有地理信息系统法【2 5 】和非线性分析法 2 6 1 、灰色 系统理论法【2 7 】、费歇准则法闯等。 地理信息系统( g j s ，g g 雄i ci n f o 蕊a 廿o ns y s 把m ) 是集成计算机技术、地学 理论、空间科学、信息管理技术的一门新兴边缘学科。它不仅能存储、分析和表 达现实世界中各种对象的属性信息，而且能处理其空间定位特征。将空间数据和 属性信息结合起来，形象地、直观地提供数据查询、检索、分析等功能。g i s 为矿 井煤与瓦斯突出区域预测提供了集成的数据环境和可视化的分析平台，有利于多 源信息的复合和多源数据的无缝连接。实现区域预测与管理决策的一体化使煤 与瓦斯突出区域预测向多因素、多目标、多维方向发展，提高区域预测的准确性 和决策的科学性。 非线性分析法。从系统的观点来看，煤与瓦斯突出是相应的含瓦斯煤岩系统 在外界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与外部系统的相互作用具有明显的非线性特征。例如，煤岩 4 第1 章前言 体受力破坏，应力一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和( 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。非线性分析法具体包括遗传规划法【2 9 1 和神经网络法【3 0 l 【3 1 】【3 2 】 两类。 遗传规划法 遗传规划的基本思想是：随机产生一个适用于所给问题环境的初始群体，即 问题的搜索空间：按照所给定的问题，对群体中的每个个体绘定一个适合值，即 适应度；按照达尔文适者生存原则，选用合适的遗传算子以个体进行遗传操作， 产生下一代群体；如此循环下去，直至达到某一终止条件，然后找出最好的个体 作为问题的解。- 神经网络法 神经网络( 呵n ) 是一门新兴的交叉学科，它对人脑或自然的神经网络的基本特 性进行模拟，具有很强的学习、联想、容错、自适应、自组织及抗干扰能力，是 一种用于处理非线性问题的较好方法，其在信息处理、专家知识获取、模式识别和 预测等方面所具有的优势日益受到人们的重视，在系统工程、控制理论等很多领 域得到了广泛的应用。 从我国和世界突出区域预测研究来看，目前我国突出区域预测研究的技术水 平居世界前列，但区域预测仍然存在一些问题，主要表现在如下几个方面： ( 1 ) 利用先进的物探技术来获取区域预测所需要的技术参数和数据还在起步 阶段，这些新技术之间的配套性还有待进一步研究和提高。 ( 2 ) 对地质条件控制突出的认识需要进一步提高，使地质观点认识突出的理论 更符合突出的本质，以解释突出与小构造密切相关，但不是所有的小构造都发生 突出等突出现象。 ( 3 ) 矿井的突出区域预测还没有完整系统的方法，没有考虑不同尺度区域预测 方法存在的差异性。 ( 4 ) 指标预测法和瓦斯地质预测法还没有很好地结合，区域预测的准确程度不 够高，缺乏集成整合预测方法和预测管理信息技术手段。 河南理工大学硕士学位论文 1 4 本课题研究的目的和意义 随着煤炭工业的发展，开采深度的增加和采掘技术的提高，瓦斯因素现已成 为制约矿井安全生产和经济效益提高的主要瓶颈之一，准确地进行生产前矿井瓦 斯涌出量预测和区域突出危险性预测，一直是煤炭企业面临的急需解决的问题， 同时也是国内外学者研究的主要课题。 矿井瓦斯涌出量预测是矿井通风设计及瓦斯防治与管理的基础，它决定着矿 井主要通风巷道的断面、通风能力、通风系统、采煤方法、开采顺序及煤层瓦斯 抽放方法的选择等。瓦斯涌出量预测的精度直接影响到通风方式、设备选型、巷 道断面等一系列参数的合理确定，关系到煤矿的安全生产和经济效益。在我国， 由于矿井瓦斯涌出量预测不准而造成的矿井通风能力不足，需要设备更新，矿井 长期达不到设计生产能力的教训为数不少，给国家的人力物力造成了巨大的损失， 因此矿井瓦斯涌出量预测对煤矿生产具有十分重要的意义。同时矿井瓦斯突出危 险性区域预测是矿井制定合理的采掘速度、采掘方式、对突出煤层采取经济实用 的防突出措施的基础。准确的突出预测预报方法应建立在对突出机制充分认识的 基础上，由于目前对突出机理的认识还处于假说阶段。采用不同假说所建立的预 测、预报指标不同，雨每一种指标都有一定的局限性和适用范围，且相互之间不 能定量比较。因此，对突出预测、预报的研究不仅具有理论上的价值，而且具有 重大的生产实际意义。 1 5 本课题研究的内容和技术路线 本项研究以国投新集能源股份有限公司新集二矿为实施矿井，选取8 ”突出煤 层为研究对象。主要研究内容和技术路线是：通过对二矿基础资料的收集、整理、 分析、借助g e o c a d 、s u f e r 、a u t o c a d 、v p s t i i d i o 、g r a p h 盯等工具软件，绘制一 系列相关地质图件，综合分析影响瓦斯赋存的地质因素；对未采区瓦斯涌出量进 行预测；瓦斯基础参数的现场测试 0 1 5 ”类目之反应： 出仁矽断层( 定性变量) 项目“有”类目之反应； 出p ，矽8 煤层与9 t 煤层层间距( 定性变量) 项目“ 1 6 ”类目之反应。 预测方程的f 统计量为1 0 9 1 9 ，远远大于o 0 1 显著水平下的f 临界值 础= 4 1 4 ，说明预测方程显著，可用于本煤层瓦斯涌出预测。剩余标准差 s - o 。7 4 2 8 51 ，说明预测精度可以满足生产要求。 表5 28 煤层已知统计单元基础数据表 t d b l e5 2b 鼬i cd 越as h e e to f l ( z l o w n 删i s 廿c a lu i l i t si nn o 8c o a ls e 锄 y x ( m )( m ) ( m ) 1 5 1 5 2 0 ) 2 0 有 1 6 1 1 4 2 6 1 2 0 ( m 3 a ) 篁! 童燮星亘堑塑生量堡型 2 13 9 4 6 2 5 9 13 6 1 9 9 6 3 5 6 5 o3 2 84 7 0 1 0 1o001lll8 9 3 2 33 9 4 6 0 4 8 9 3 6 1 9 3 5 8 4 0 7 73 4 23 0 0 2 43 9 4 6 0 7 4 53 6 1 9 3 4 9 4 0 4 93 4 73 0 5 2 53 9 4 6 1 0 3 2 3 6 1 9 3 3 2 4 0 1 83 8 23 0 8 2 63 9 4 6 0 7 5 0 3 6 1 9 5 3 9 - 4 2 1 53 3 83 2 0 2 73 9 4 6 0 9 9 4 3 6 1 9 5 4 0 - 4 2 0 83 5 53 2 l 2 93 9 4 6 1 0 5 13 6 1 9 7 3 8 - 4 3 9 53 3 03 4 0 3 03 9 4 6 1 1 8 63 6 1 9 7 3 7 _ 4 4 0 63 2 03 3 5 3 13 9 4 6 0 8 6 4 3 6 2 0 0 9 1 4 9 6 23 3 74 0 0 3 23 9 4 6 1 0 2 4 3 6 2 0 0 4 84 9 2 63 2 83 9 4 3 33 9 4 6 1 2 0 33 6 2 0 0 0 5 4 9 2 o3 1 83 9 0 3 53 9 4 6 1 2 6 33 6 2 0 2 9 5 - 5 7 0 。93 。2 54 6 5 3 63 9 4 6 1 4 9 13 6 2 0 2 3 7 - 5 7 0 83 2 04 7 5 3 73 9 4 6 1 6 6 2 3 6 2 0 1 9 6 - 5 6 9 43 1 24 8 0 83 9 4 6 2 5 7 8 3 6 1 9 5 9 9 4 9 0 83 3 63 8 3 1 83 9 4 6 3 4 0 73 6 1 9 5 9 4 5 4 6 93 1 04 5 0 2 83 9 4 8 1 1 6 0 3 8 1 9 5 2 3 4 1 9 63 8 03 3 0 o 1 o 0 o o1oo2 7 7 1ol10 0 0 0l2 9 4 l0 1 lo 0o013 ，6 2 1 l00 o o 0 ol1 8 4 110o0 10o12 5 0 ll0o1loo03 ，0 4 1lo1110003 6 6 olo110o0o6 5 1 01oolo0004 3 6 0 l ool0o o0 5 0 5 o0lol0oo 0 5 3 2 00100010o8 7 7 o0l0001007 2 5 0 01 l0ol 1l 6 6 5 0 10o l 1 o ol 5 9 0 l1o o ll o ol 1 9 2 为了进一步分析各自变量对瓦斯涌出量的影响程度，还对每个自变量进行了 显著性检验，以r 和z 表示瓦斯涌出量与基岩深度( i = 1 ) 、项板5 0 m 砂岩比( i = 2 ) 、 有无断层( i = 3 ) 、8 与9t 煤层间距( i = 4 ) 之间的偏相关系数及其t 统计量，r 为复相 关系数，计算结果如下： r = o 9 7 1 5 0 3 墨= 0 9 6 0 4 = 1 7 5 8 5 r 2 = o 7 3 6 4屯= 5 5 4 9 9 玛= o 8 4 6 2r 3 = 8 0 9 6 7 墨= 0 6 3 7 1f 4 = 4 2 1 4 2 复相关系数r 接近l ，表明瓦斯涌出量与这四个自变量关系非常密切，预测方 程显著。查t 分布表，髫1 = 2 7 7 9 ，将t 临界值与各自变量的t 统计量对比表明，4 个自变量的t 统计量均大于其0 0 1 水平的临界值，表明4 个自变量均在0 0 1 水平 上显著，说明瓦斯涌出量与这4 个自变量都存在密切相关性，其中基岩深度变量 最为显著，有无断层通过次之。 5 5 3 预测精度检验 在统计的8 煤层已采区数据中，包括8 、1 8 、2 8 统计单元的瓦斯涌出量数据。 l 0 0 0 0 0 0 l 1 l 1 l l 1 1 o 河南理工大学硕士学位论文 建立数学模型过程中随机抽出这几个统计单元数据未参加预测方程的建立，以便 留作预测效果的实际检验。将这三个单元的基岩厚度、5 0 m 砂岩比、有无断层通过、 8 煤层与9 。煤层的层间距离作为自变量带入所建立的预测方程，得到相对瓦斯涌 出量预测值分别为6 2 8 6 4 3 4 3 t 、6 ，7 6 0 7 2 9 m 3 t 、1 6 6 4 3 7 7 m 3 t ，而实测4 个检 验单元的相对对瓦斯涌出量实际值分别为6 。6 5 一t 、5 8 7 一t 、l l9 2 一t 。预测 相对误差分别为一5 。5 、1 5 。2 、一1 3 。3 ，平均误差为1 1 3 ( 表5 3 ) 。说明所建立 的数学模型可以满足生产要求，可以用作未采区瓦斯涌出量预测。 表5 - 38 煤层预测效果检验表 ! ! 竺! i 曼! 攀! ! 生竺! 丝垡2 翌! ! 型堡堡! 丝竺 基岩5 0 m 砂岩比 。 8 与9 煤涌出量涌出量相对 编号深度 ( ) 6 层间距( m )预测值实际值 偏差 误差 ( m )2 0 2 0 无有1 6 1 6( 瑚3 t )( m 3 t )( ) 5 5 4 未采区瓦斯涌出量预测 在8 煤层底板等高线图上的未采区，以坐标方格网划分出2 5 0 m 2 5 0 m 方格作 为统计单元，共划分出4 7 个统计单元。根据预测方程中确定的自变量，按照与已 采区统计单元自变量相同的取值方法，将预测单元的自变量数据带入上述预测方 程，便可计算出每个预测单元中心点的煤层瓦斯涌出量预测值，计算工作是由我 们自己开发的瓦斯地质数学模型软件来完成约。预测单元的变量数据和预测结果 见表5 4 。 将各预测单元的瓦斯涌出量预测值填绘在底板等高线图上相应的单元的中心 点位置，采用一定的等值距，勾绘出8 煤层瓦斯涌出量等值线。便可绘制出新集 二矿8 煤层未采区瓦斯涌出量预测图( 见图7 1 ) 。 从预测图上可以看出，8 煤层瓦斯涌出量预测等值线大体上与煤层走向一致， 由浅到深煤层的瓦斯涌出量有增大趋势，从底板标高5 0 0 1 0 0 0 m 区域，瓦斯涌 出量从1 0 m 3 t 增加到2 3 m 3 t ，说明瓦斯涌出量与煤层的埋深有密切的关系。瓦斯 风化带深度约在4 0 0 m ，瓦斯涌出量等值线的变化表现为东高西低趋势，这种趋势 第5 章煤层瓦斯涌出量预测 表5 48 煤层未采区基础数据及相对瓦斯涌出量预测值 ! ! 望! i ：! 磐! ! ! 篓! 磐12 堡! i ! ! ! ! g ：型坚i ! ! ! 翌! ! ! ! 堡坚! ! ! 型! ! 塑! ：! 竺! ! ! ! 竺 羞霉统计单神蝴基岩滩s 圳* ，断层骗黼黝崔 ( m )2 0 2 0 有 1 6 ( m 3 t ) l3 9 4 6 5 3 7 53 6 1 9 8 7 58 7 510ol 2 4 8 1 0 3 0 8 23 9 4 6 5 1 2 53 6 1 9 8 7 58 0 0100l2 1 6 2 5 0 8 8 33 9 4 6 4 8 7 53 6 1 9 8 7 58 1 0l00l2 2 0 4 9 7 8 4 4 3 9 4 6 4 6 2 53 6 1 9 8 7 58 0 0olo11 9 7 1 9 3 9 1 53 9 4 6 4 3 7 53 6 1 9 8 7 57 5 00l011 7 5 9 5 9 1 63 9 4 6 4 1 2 53 6 1 9 8 7 56 8 001ol 1 4 6 2 3 0 3 8 73 9 4 6 3 8 7 5 3 6 1 9 8 7 5 6 1 0 o 1 ol1 1 6 5 0 1 6 6 83 9 4 6 3 6 2 53 6 1 9 8 7 55 5 00l1l 1 1 7 3 0 8 8 9 93 9 4 6 3 3 7 53 6 1 9 8 7 54 9 8o101 6 8 9 3 5 7 l l o3 9 4 6 3 1 2 53 6 1 9 8 7 54 1 0ol0l 3 1 5 6 2 4 7 1 1 3 9 4 6 2 8 7 53 6 2 0 1 2 55 3 001o18 2 5 2 5 9 9 1 2 3 9 4 6 3 1 2 53 6 2 0 1 2 55 3 001018 2 5 2 5 9 9 1 3 3 9 4 6 3 3 7 53 6 2 0 1 2 55 5 0ol0l 9 1 0 1 9 9 1 43 9 4 6 3 6 2 53 6 2 0 1 2 5 5 8 0ol011 0 3 7 6 0 7 8 1 53 9 4 6 3 8 7 5 3 6 2 0 1 2 56 4 0o1011 2 9 2 4 2 5 4 1 63 9 4 6 4 1 2 5 3 6 2 0 1 2 57 1 001o11 5 8 9 7 1 2 6 1 7 3 9 4 6 4 3 7 53 6 2 0 1 2 57 8 001ol 1 8 8 6 9 9 9 8 1 83 9 4 6 4 6 2 53 6 2 0 1 2 58 3 801ol2 1 3 3 3 2 3 5 1 93 9 4 6 4 8 7 5 3 6 2 0 1 2 58 2 00lol 2 0 5 6 8 7 8 2 2 0 3 9 4 6 4 1 2 53 6 2 0 3 7 57 0 7ol1l1 8 3 9 8 6 1 6 2 13 9 4 6 3 8 7 53 6 2 0 3 7 5 6 5 7o11l1 6 2 7 5 1 3 6 2 23 9 4 6 3 6 2 53 6 2 0 3 7 5 6 2 00l111 4 7 0 3 7 6 l 2 33 9 4 6 3 3 7 53 6 2 0 3 7 5 5 9 0010l1 0 8 0 0 7 7 4 2 43 9 4 6 3 1 2 53 6 2 0 3 7 55 8 6o1 011 0 6 3 0 8 9 6 2 53 9 4 6 2 8 7 53 6 2 0 3 7 56 2 0 0 1 o11 2 0 7 4 8 6 2 2 63 9 4 6 2 6 7 53 6 2 0 3 7 56 3 010o l1 4 4 0 5 2 5 7 2 73 9 4 6 2 3 7 53 6 2 0 3 7 56 1 5l 0o01 5 4 1 6 1 8 l 2 83 9 4 6 2 1 2 53 6 2 0 3 7 5 5 3 0o10o9 9 0 0 5 6 6 2 93 9 4 6 2 8 7 53 6 2 0 6 2 5 6 3 5011l1 5 3 4 0 8 0 5 3 03 9 4 6 2 6 2 53 6 2 0 6 2 56 8 0 011l1 7 2 5 1 9 3 7 3 1 3 9 4 6 2 3 7 53 6 2 0 6 2 56 8 50l1 11 7 4 6 4 2 8 5 3 23 9 4 6 2 1 2 53 6 2 0 6 2 56 5 0 0lo11 3 3 4 8 9 5 3 33 9 4 6 1 8 7 53 6 2 0 6 2 56 1 50l l11 4 4 9 1 4 1 3 3 43 9 4 6 1 6 2 53 6 2 0 6 2 5 5 8 3010ll o 5 0 3 4 8 7 3 53 9 4 6 1 3 7 53 6 2 0 6 2 5 4 9 7100l8 7 5 6 8 3 63 9 4 6 1 1 2 53 6 2 0 6 2 55 5 0l 0ol1 1 0 0 7 6 8 9 3 7 3 9 4 6 0 8 7 53 6 2 0 6 2 55 6 0l 00i1 1 4 3 2 3 8 5 3 8 3 9 4 6 0 8 7 53 6 2 0 8 7 56 1 0ol0l 1 1 6 5 0 1