吴兆耕 毕业设计专题和致谢

1、中国矿业大学 2012 届本科生毕业设计第124页专题部分瓦斯管理的关键技术研究第一章 绪 论1.1 课题研究的目的意义煤炭是国民经济建设的动力能源，在我国能源结构中占 70%以上。至 2006 年底， 全国在册的大小煤矿共有 2.6 万个， 均为瓦斯矿井， 其中 50%以上属于高瓦斯矿井。煤矿由于受自然地质条件、井下开采条件、矿工技能条件、技术和装备条件的限制， 一直存在着安全可靠程度差、安全事故频率高等问题。尤其是瓦斯，其更是严重：一是牺牲的人数多。据统计，20 世纪初，在辽宁抚顺煤矿和本溪煤矿分别发生了牺牲矿工 917 人、1549 人的特大瓦斯爆炸事故；1949 年之后，煤矿一次死亡以

2、上的事故 95%都是瓦斯事故。1990 1999 年的十年间， 全国煤矿共发生 3 人以上死亡事故 4002 起， 共死亡 27495 人， 其中， 瓦斯事故 2767 起， 共死亡 20625 人， 占的 75% 。二是经济损失大。井下一旦发生瓦斯爆炸或者瓦斯突出， 将产生高温、高压和大量有害气体， 并形成破坏力很强的冲击波， 产生负传导效应， 不仅伤害矿工生命， 而且严重地摧毁矿井巷道和设备， 甚至还可能引起煤尘爆炸和井下火灾， 从而扩大了灾害的损失程度。2005 年辽宁阜新矿务局孙家湾煤矿“ 2.14” 瓦斯爆炸事故的直接经济损失超过 8000 万元， 2004 年陕西铜川矿务局陈家山煤

3、矿“ 11.28” 瓦斯爆炸事故后的一年之中井下正常生产秩序都没有得到恢复。三是社会影响恶劣。一方面， 每次瓦斯爆炸都会引起全社会的关注， 更是给牺牲的矿工亲属带来沉重的精神打击， 对煤炭事业健康发展以及矿区和谐社会环境建设都产生了不良的影响。另一方面， 我国煤炭安全生产现状与世界一些发达国家或发展中国家相比差距很大。目前我国煤炭产量约占全球煤炭产量的 1/3，而约占全世界煤矿的 4/5。我国煤矿百万吨死亡率（煤矿主要安全考核指标）是美国的 100 倍、俄罗斯的 10 倍、的 12 倍。因此，采矿专家范维唐等提出必须大力发展瓦斯治理科学技术， 保障煤矿安全生产。瓦斯是无色、无味、无嗅、可以燃烧

4、或爆炸、可以使人窒息死亡的气体， 在成煤过程中形成， 是煤炭的伴生物。在煤炭开采过程中， 瓦斯随煤体的采掘松动而涌出。a. 瓦斯涌出量预测技术。瓦斯是腐植型有机物在成煤过程中生成的，其含量与煤层埋藏深度、煤层与围岩的透气性等多种因素有关， 因而难以准确预测。由于不能准确地预测工作面前方的瓦斯涌出量， 因此不能及时采取预警和有针对性的防范措施， 使得瓦斯管理工作具有较大的盲目性和风险性， 增加了瓦斯控制的难度和发生事故的概率。黑龙江宝兴煤矿“ 11.1” 瓦斯爆炸事故、安徽潘三煤矿“ 11.13” 瓦斯爆炸事故、辽宁龙凤煤矿“ 5.28” 瓦斯爆炸事故等都是由于没有准确预测瓦斯而酿成。b. 瓦斯

5、排放过程管理方法。根据科学实验， 空气中瓦斯浓度达到 5% 16% 时遇到明火即发生爆炸， 瓦斯浓度达到 57%时人员即因为窒息而死亡。据统计， 瓦斯事故都是发生在瓦斯从煤体涌出到被安全排放至地面空气的管理过程之中。其中， 96%的瓦斯爆炸事故发生在采煤或掘进工作面。因此，在瓦斯从煤体涌出后的排放过程中， 如何采取管理措施使得瓦斯不能达到爆炸、燃烧或使人窒息所必须的浓度， 又如何采取管理措施使得井下没有瓦斯爆炸必须的火源， 从而避免中国矿业大学 2012 届本科生毕业设计第125页的发生， 这是防止瓦斯的关键。c.时的最优逃逸路径确定。煤矿井下的地质条件千变万化，矿工技能素质参差不齐， 井下工

6、作环境错综复杂， 从井口到工作面绵延数十公里， 如果万一瓦斯排放过程管理失效而发生事故， 事故灾区的人员尽快撤离、逃逸则是防止事故负传导效应、减少灾害损失的唯一选择。井下的巷道很多， 如果逃逸路径选择不当，会使得一些矿工失去生存的机会，进而加重的损失和家庭的悲剧。2004年发生的陕西陈家山煤矿“ 12.28” 瓦斯爆炸中有 127 名矿工（ 其中包括 43 名伤员）从灾区成功逃逸，而河南大平煤矿“ 10.22”瓦斯爆炸事故有 56 名矿工牺牲在逃逸的路途中。d. 矿工瓦斯管理技能的提升方法。根据对中国煤矿 1980 2000 年的统计， 在瓦斯事故中， 人为的诱发因素占 96.59%（ 故意违

7、章占 44.89%、管理失误占44.89%、缺陷设计占 6.90%）， 其原因是矿工的瓦斯管理技术和操作能力（ 煤矿称为管理“ 技能”， 本文以下同） 相对较低， 违章操作、违章管理现象比较严重，山西细水煤矿的“ 3.19” 瓦斯爆炸事故、黑龙江新富煤矿“ 3.14” 瓦斯爆炸事故等都是由于矿工违章而引发。我国煤矿有着庞大的 700 万人的矿工队伍，其文化程度相对较低， 要提高他们的瓦斯管理技能只能通过不断培训、学习， 而要提高培训和学习效果则必须开发和提升矿工的学习力， 否则事倍功半。因此， 提高矿工瓦斯管理技能能够减少事故发生， 而开发和提升矿工的学习力则是提高他们瓦斯管理技能的关键环节。

8、e.保障瓦斯安全的煤矿安全文化建设策略。安全文化能够同化矿工在瓦斯管理方面的安全思维、引导矿工在瓦斯管理方面的安全行为、保障煤矿瓦斯管理安全。但是， 煤矿的安全发展战略十分模糊， 安全与生产的战略关系长期冲突， 煤矿工人违章现象比较严重， 煤矿的各类管理制度、各种操作规程得不到很好的执行。辽宁孙家湾“ 2.14” 特大瓦斯爆炸事故后， 专家调查组发现该矿安全制度、安全宣传、安全培训都很正常， 但管理者重视生产任务的完成而轻视矿工安全， 矿工对既有煤矿安全文化的认同程度很低， 安全文化与安全战略相脱节。因此， 必须建设与煤矿安全战略相一致的、能够得到矿工认同的、对瓦斯安全有保障作用的安全文化。原

9、因， 主要是一些现场管理环节比较薄弱。在这些薄弱的现场管理环节中，我国瓦斯管理专家周、采矿专家宋振骐等以及国外采矿界 Panshin J C、Johnson R C 等学者认为煤矿最迫切需要研究和解决的关键管理技术问题主要有中国矿业大学 2012 届本科生毕业设计第126页上述专家观点以及煤矿瓦斯事故暴露的突出问题都证明了瓦斯预测、排放管理、最优逃逸路径确定、矿工瓦斯管理技能提升以及煤矿安全文化建设等是煤矿瓦斯管理中急需解决的关键技术。这五个关键管理技术是煤矿瓦斯管理系统中相互关联、相互支持的五个方面， 其中， 预测、排放管理、逃逸是瓦斯管理流程中相互连结的三个核心环节： 瓦斯预测是瓦斯管理流

10、程的第一步， 是排放管理的基础， 能使瓦斯排放管理更有针对性； 排放管理是瓦斯管理流程的第二步， 是瓦斯预测的目的， 根据预测结果进行的排放管理具有更高的可靠性；瓦斯管理流程的第三步， 是瓦斯排放管理万一失效的补救措施， 是应对逃逸是发生的预案。而提升矿工瓦斯管理技能以及建设煤矿的安全文化是上述预测、排放管理、逃逸等管理环节的支撑平台和环境保障。这五个关键管理技术的关联性如图 1.1 所示1.2 国内外研究概况1.2.1 瓦斯涌出量预测技术研究现状 国内外传统的预测瓦斯涌出量的方法有两大类一类是建立在数理统计基础之上的矿山统计法。这种预测方法依据瓦斯涌出量随开采深度变化的统计规律， 外推到预测

11、的新采区。矿山统计法仅需要瓦斯涌出量的历史数据和对应的开采深度， 因而操作简单、预测方便。但在使用矿山统计法时， 要求待预测矿井的煤层开采技术条件与已采集历史数据的煤层开采技术条件相同或类似， 如果待预测煤层的自然和技术条件不满足上述要求， 则瓦斯涌出量预测值与实际值会严重偏离。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。目前这类预测方法有近十种， 主要有前苏联李金法、德国温特尔法、英国采矿研究所法、重庆煤研所与阳泉矿务局科研所法、列表计算法等， 它们之间的基本区别在于确定各涌出源瓦斯涌出率的数学模型不同。

12、由于瓦斯含量计算法以待测煤层瓦斯含量作为预测的基础， 因而待测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。近年来， 国内外专家学者结合煤矿的实际情况， 又探讨了许多新的瓦斯涌出量预测方法。付永水研究了适合于低瓦斯煤层工作面的瓦斯涌出量预测方法， 该方法利用瓦斯地质数学模型法建立的工作面瓦斯涌出量数学模型来预测未采区工中国矿业大学 2012 届本科生毕业设计第127页作面瓦斯涌出量。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（ 综掘工作面） 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

13、出量预测模型。李曲将基因表达式程序设计方法应用于采煤工作面瓦斯涌出量预测中， 建立了采煤工作面瓦斯涌出量的预测模型。夏红春提出了基于最小二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。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

14、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预测。刘新喜提出了基于 BP 人工神经网络的矿井瓦斯涌出量预测方法， 该方法应用 BP 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。目前， 这些瓦斯涌出量的预测方法都还存在预测精度有待进一步提高的问题， 都还没有被煤矿推广应用。由于影响瓦斯生成含量和涌出量因素的复杂性， 瓦斯涌出量与各影响因素之间、以及各种影响因素自身之间存在的非线性关系

15、， 迄今为止， 仍然没有一种有效的方法能够准确预测瓦斯涌出量。1.2.2 瓦斯排放管理方法研究现状 国内外对瓦斯从煤体涌出后排放到地面大气之中的过程管理都是采用综合防治技术， 主要管理方法包括：a. 瓦斯检查员专职管理。国内外煤矿都设有专职瓦斯检查员（ 煤矿简称为“ 瓦斯员”）， 负责瓦斯的测量、检查工作。瓦斯员使用便携式瓦斯检查仪， 按照规定时间、地点进行瓦斯监测， 发现瓦斯异常及时报警或采取相关措施处置。瓦斯员队伍归总工程师领导， 对采煤、掘进等生产活动中的瓦斯情况进行监督， 并建立了工作区域负责制、现场图表督察制、现场交制、班中汇报制等管理制度。专业人员技术熟练， 处置经验丰富， 但专业

16、队伍人数有限， 难以覆盖煤矿井下生产流程的全过程和每一个工作地点。同时， 其他矿工没有管理瓦斯的责任， 也没有相互之间监督安全行为的管理责任， 造成了瓦斯管理责任缺失， 因此， 容易产生违章行为而诱发瓦斯事故。b. 监控系统辅助管理。国内外煤矿都设立瓦斯监测装置对井下工作地点和主要巷道的瓦斯浓度进行自动监测，英国的 MINOS 监测系统、德国的 TF-200 监测系统、波兰的 CMM-20 系统、美国的 SCADA 监测系统、我国自行研制的KJ 型系列安全监测系统都在煤矿得到了有效地推广和应用， 对及时发现瓦斯浓度超限起到了监督作用。但是， 自动检测装置普遍存在灵敏度不稳定、经常发生误报等问题

17、， 有时瓦斯超限时， 由于瓦斯自动监测装置可靠性差而不能按规定自动切断井下电源。中国矿业大学 2012 届本科生毕业设计第128页1.2.3 最优逃逸路径确定方法研究现状目前，煤矿在确定井下发生的逃逸路径时，都是遵循“ 逆新鲜逃逸”的原则（ 即“ 顶风逃逸”）。在制定逃逸预案时，都是采用“ 图上作业法”。具体办法是： 工程技术人员在采矿平面图上标注发生时的逃逸路径， 假定井下工作面发生瓦斯时， 立即逆新鲜的方向， 向井口安全地点逃逸。这是由于一旦发生瓦斯爆炸、燃烧、突出（ 大量瓦斯从煤体中瞬间喷出） 等事故， 回中瓦斯浓度会更高，所以必须逆风而逃。这种图上作业法操作简单、易于矿工掌握， 但没有

18、考虑逃逸路径的距离长短， 容易造成因逃逸路径太长而意外伤亡。在逃逸路径的理论研究方面， 煤矿安全专家王德明、王省身作了矿井火灾时期井巷可通行性及最佳救灾与避灾路线研究， 提出避灾路线的选择与灾情的发展及井巷的条件有关， 并推导了不同类型避灾路线可通行性的判别公式， 还利用计算机技术进行计算模拟。但该方法没有对避灾影响因素进行深入研究， 同时， 只是针对煤矿井下火灾而不是瓦斯因而不具有可比性。发生的情况，相比之下，瓦斯的情况更复杂、多变，1.2.4 矿工瓦斯管理技能提升方法研究现状 瓦斯管理专家张铁岗认为， 加强安全技能培训， 提高矿工队伍素质， 让矿工掌握瓦斯安全的知识和管理技能， 这是瓦斯管

19、理的重要基础。国内外煤矿都重视瓦斯管理技能培训， 但实际的培训效果则相差较大。国外煤矿一方面对矿工的文化程度要求较高，矿工都具有高中以上文化程度， 使得矿工自身的素质比较高， 而且， 国外煤矿鼓励矿工自主管理、工作创新， 从而促进了矿工的学习力开发。另一方面， 国外煤矿对矿工的培训时间以及培训效果十分重视， 美国的矿山安全规程对安全健康培训作了详细规定， 美国矿山安全与健康监察局认为“ 监察重要，培训比监察更重要”。新工人进矿工作之前必须进行 40 小时以上的强制培训，然后再跟着有经验的老工人现场培训实习 6 个月时间。矿工的高素质使得美国从 1996 年以来每年牺牲的矿工人数都低于 40人，

20、 事故率远远低于机械、建筑等行业， 成为美国最安全的行业之一。我国对矿工培训也很重视，矿山安全法、煤矿安全规程对矿工培训都作了强制性规定， 煤炭行业也建立了“ 国家 省 矿务局 煤矿” 培训体系， 对各要害工种进行定期培训，并实行“ 持证上岗”制度。但是，我国的矿工队伍有 700 万人，都来自经济和文化落后的偏远农村，大部分只有初中以下文化程度甚至文盲。虽然对矿工定期进行了培训， 由于没有重视对矿工学习力的开发、提升， 矿工在瓦斯管理方面的技能仍然较弱， 以致违章操作和安全自我保护能力比较差。1.2.5 煤矿安全文化建设研究现状 安全文化及其模式是 1988 年国际核安全咨询组织提出的，199

21、2 年我国核工业及中国劳动保护科学技术的专家开始研究安全文化。徐德蜀研究了人的素质与安全文化的关系， 认为安全的结症在于人口素质低， 提出不断提高全民安全文化素质才能使大众自律安全，安全文化才是解决我国意外伤亡事故的“ 金钥匙”。张争认为煤矿安全文化应突出“ 以人为本” 的管理思想， 把握人的生理需求、安全需求、自我实现需求等多层次的动态需求， 把“ 人的生命高于一切” 作为“ 安全第一” 的宗旨。张富有、苗道领认为加强安全文化建设首先要健全安全管理法中国矿业大学 2012 届本科生毕业设计第129页规机， 让矿工明白什么是对的、什么是错的， 应该怎样干、不应该怎样干， 违反规定应将受到什么处

22、罚， 从而使安全管理有法可依、有据可查。袁旭、曹琦研究了安全文化的管理模式， 认为安全文化是安全管理的一种新方法， 是将管理的诸要素耦合而构成现代安全管理的结构， 安全文化渗透在管理的每一个要素之中， 使安全管理系统发挥出整体功能。田日禄在研究煤炭企业安全文化建设问题时认为，煤矿生产组织是一个多系统、多岗位、多工程、条件多变的复杂的系统工程， 任何一个系统和岗位上的疏忽、麻痹、侥幸、违规操作都可能导致事故的发生， 而煤矿十次事故中有九次是人为的， 这就是煤矿安全文化建设的个性特征。王洪进认为安全文化建设要强调人的主动性、积极性、创造性，做到“ 三不伤害”（ 不伤害别人、不伤害自己、不被别人伤害

23、）。李宜在研究航空系统安全文化时，认为应该建立群体安全文化， 并且提出了构建群体安全文化的确定价值层面、确立奋斗目标、营造安全文化、制定安全目标、施行安全奖励等五个建设步骤。甘心孟在研究安全文化时， 提出安全文化应使一个企业在安全生产上有自己独特的指导思想、经营哲学、价值观念、道德准则、文化传统、生活信念， 从根本上解决企业安全生产问题。尽管广大专家、学者对煤矿安全文化做了大量研究， 煤矿企业对安全文化建设也做了大量工作，但煤矿安全事故仍然较高，违章行为仍很严重， 这表明煤矿安全文化仍需要进一步改进和加强。第二章 基于数据重构的神经网络瓦斯涌出量预测方法研究2.1 引言瓦斯预测是煤矿瓦斯安全管

24、理的基础和前提。开展瓦斯涌出量预测方面的研究， 一方面可以为矿井通风设计提供科学依据， 其预测结果的正确与否将直接影响矿井技术经济指标； 另一方面可以有助于加强瓦斯性，从而减少瓦斯灾害的发生。2005 年发生的、预警和防治工作的针对相对较多的唐山刘官屯83 人的“ 7.11” 事故、河煤矿牺牲 106 人的“ 12.7” 事故、阜康煤矿牺牲北暖儿河煤矿牺牲 50 人的“ 5.9” 事故、山西细水煤矿牺牲 72 人的“ 3.9”事故、辽宁孙家湾煤矿牺牲 214 人的“ 2.14”事故都是由于发生前没有能够对瓦斯涌出量进行准确预测而引起的。因此， 一些专家学者呼吁要重视和加强瓦斯涌出量预测方面的研

25、究工作。目前， 煤矿常用的瓦斯预测方法主要是矿山统计法和瓦斯含量法。这两种方法的模型都比较简单， 易于煤矿使用。但是， 这两种方法也有各自的局限性。一方面， 这两种方法都有严格的条件限制： 矿山统计法要求待测煤层的开采技术条件与已采集历史数据的煤层开采技术条件相同， 如果待预测煤层的自然和技术条件发生改变， 则瓦斯涌出量预测值与实际值就会严重偏离； 瓦斯含量计算法以待测煤层实际测量的瓦斯含量作为预测的基础， 因而要求待测煤层瓦斯含量测量值必须可靠， 测量点的分布及密度必须达到一定要求。另一方面， 通过煤矿长期使用效果分析， 这两种方法的预测准确度还有待提高。因此， 本章将借助具有很强的自学习能

26、力的神经网络开展瓦斯涌出量预测方法研究， 以改善预测效果。神经网络预测瓦斯有两种建模路径： 一种是建立机理性模型， 另一种是建立时间序列模型。目前， 在神经网络预测瓦斯涌出量研究方面， 刘新喜等已经开展了一些研究工作，他们都是利用神经网络建立瓦斯涌出量与各影响因素之间的机理性模型。中国矿业大学 2012 届本科生毕业设计第130页由于瓦斯涌出量影响因素多而复杂， 因而建立准确反映瓦斯涌出量与影响因素之间定量分析的机理性神经网络预测模型十分困难， 另外， 在实际应用机理性模型时也会因为参数难以获取而无法使用。但是， 从煤矿生产工作面获得的瓦斯涌出量历史数据是几十种因素对瓦斯涌出量综合影响的结果，

27、 因而能比较准确反映瓦斯涌出量与各种状态参数之间存在的对应关系。因此， 本章以瓦斯涌出量历史数据为基础形成瓦斯涌出量信息表， 利用具有高度非线性和很强学习功能的多层神经网络建立瓦斯涌出量预测模型来解决瓦斯涌出量预测问题。神经网络建立预测模型的一个关键点是输入维数和时间延迟的科学确定， 本章偿试将混沌时间序列分析方法， 解决瓦斯涌出量预测时神经网络数据重构维数和时间延迟确定问题.2.2 影响瓦斯涌出量的主要因素分析2.2.1 瓦斯涌出量的计量方式选择 瓦斯涌出量是指在矿井建设和生产过程中， 从煤与岩石涌出到采掘空间的瓦斯数量， 通常用单位时间内或单位质量的煤体释放出的瓦斯数量表示其大小。目前，

28、人类还不能完全揭示瓦斯变化的机理瓦斯涌出量有两种计量方式， 即瓦斯的绝对涌出量和相对涌出量。瓦斯绝对涌出量是指单位时间涌出的瓦斯数量， 瓦斯相对涌出量是指平均日产一吨煤同期所涌出的瓦斯数量。煤矿在瓦斯实际测量时， 均采用绝对涌出量， 因此， 本文所述的瓦斯涌出量指的是绝对涌出量。2.2.2 影响瓦斯涌出量的主要因素分析 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。影响瓦斯涌出量的主要因素包括：a. 煤层和围岩的瓦斯含量煤层和围岩的瓦斯含量是影响瓦斯涌出量的决定因素。如果煤层和围岩的瓦斯含随着煤层开采深度的增大， 煤层的瓦斯含量将增大， 因而开采过程中的瓦斯

29、涌出量也就越大。c. 煤层开采顺序在煤层群中的最先开采煤层， 由于其涌出的瓦斯不仅来源于开采层本身， 而且还来源于上、下邻近层， 因此， 最先开采煤层的瓦斯涌出量往往比开采其他各层时大好几倍。d. 开采方法采煤方法的回采率越低， 瓦斯涌出量就越大， 因为丢煤中所含瓦斯的绝大部分仍要涌入巷道。由于采用陷落法管理顶板比采用充填法管理顶板时造成顶板更大范围的破坏与松动， 因而采用陷落法管理顶板时瓦斯涌出量大。e. 地面大气压力的变化当气压下降时， 采空区积存的瓦斯会更多地涌入中， 使矿井瓦斯涌出量增大； 当气压变大时， 矿井瓦斯涌出量会明显减小。从以上分析可以得出 3 点结论： 人类还不能完全揭示瓦

30、斯变化的机理； 瓦斯涌出量受多种因素影响； 中国矿业大学 2012 届本科生毕业设计第131页一些因素目前只能定性描述。d. 开采方法采煤方法的回采率越低， 瓦斯涌出量就越大， 因为丢煤中所含瓦斯的绝大部分仍要涌入巷道。由于采用陷落法管理顶板比采用充填法管理顶板时造成顶板更大范围的破坏与松动， 因而采用陷落法管理顶板时瓦斯涌出量大。e. 地面大气压力的变化当气压下降时， 采空区积存的瓦斯会更多地涌入增大； 当气压变大时， 矿井瓦斯涌出量会明显减小。中， 使矿井瓦斯涌出量从以上分析可以得出 3 点结论： 人类还不能完全揭示瓦斯变化的机理； 瓦斯涌出量受多种因素影响； 一些因素目前只能定性描述。2

31、.3 神经网络的瓦斯涌出量预测方法2.3.1 瓦斯涌出量预测思路 在瓦斯涌出量预测过程中， 建立比较准确的预测模型是关键环节。瓦斯涌出量预测建模是在对瓦斯涌出量问题进行必要抽象和简化的基础上， 用数学工具建立瓦斯涌出量和某些参数间的关系式的过程。瓦斯预测模型的建立方法主要有两类。一类是揭示瓦斯涌出客观现象的机理性方法。瓦斯涌出规律的彻底揭示需要人们完全了解瓦斯产生、瓦斯涌出、瓦斯流动等机理， 机理性方法是在准确了解瓦斯涌出现象基础上建立机理模型而形成的方法。另一类方法是从分析已经收集到的瓦斯涌出的历史数据入手， 利用涌出量历史数据建造时间系列的黑箱模型， 以黑箱模型为基础推测瓦斯涌出量的发展趋

32、势。根据 2.2 分析，考虑到瓦斯涌出量与自然条件、开采条件等几十种因素切相关， 其中许多影响因素对瓦斯涌出量的影响只能定性分析， 而且目前人类还没有完全揭示瓦斯变化的机理，因此，建立比较准确的瓦斯涌出量机理模型十分困难。另外， 即使能建立比较准确的瓦斯涌出量机理模型， 在实际应用时也会因为参数难以得到而无法使用。而从开采和掘进生产工作面获得的瓦斯涌出量历史数据是几十种因素对瓦斯涌出量综合影响的结果， 因而能比较准确反映瓦斯涌出量与各种状态参数间存在的对应关系。因此， 本章以瓦斯涌出量历史数据为基础， 形成由输入和输出构成的瓦斯涌出量信息表， 建立基于瓦斯涌出量历史数据的预测模型来进行瓦斯涌出

33、量的预测。2.3.2 基于神经网络的瓦斯涌出量预测原理 基于神经网络的瓦斯涌出量预测需要解决以下几个关键问题： 瓦斯涌出量数据重构、神经网络模型结构的选择、神经网络的学习方法确定。2.3.2.1 瓦斯涌出量数据重构 20 世纪下半叶，以混沌为代表的非线性科学得到了蓬勃发展。混沌现象介于确定关系和随机关系之间。混沌蕴含着有序的特性， 因而不同于随机运动。混沌轨迹发散但逃逸不出奇异吸引子的约束, 因此，混沌具有一定程度的可预测特性。瓦斯涌出量数据可以看作是时间序列数据， 另外， 瓦斯涌出量数据又蕴含着众多影响因素之间存在的高度非线性关系， 且人们已经探讨表明瓦斯涌出量测问题。本章将偿试将混沌时间序

34、列分析方法应用于瓦斯涌出量历史数据的重构预测， 试图通过时间序列的瓦斯数据重构将数据蕴涵的涌出规律更好地表现出来， 为神经中国矿业大学 2012 届本科生毕业设计第132页网络模型建立奠定良好的基础。混沌时间序列预测的基础是状态空间的重构理论, 即把具有混沌特性的时间序列数据构造为高维空间系统数据。通过相空间重构,可以找出隐在混沌吸引子的演化规律, 使现有的数据纳入某种可描述的框架之下, 从而为时间序列的研究提供了一种崭新的方法和思路。相空间重构是非线性时间序列分析的重要步骤,重构的质量直接影响到模型的建立和预测。瓦斯涌出量历史数据重构过程如图2.1所示：2.4 应用实例从 2004 年元月至

35、 2004年 12月，在江苏 J 矿进行了瓦斯涌出量数据的预测试验。该矿 1969年投产， 是年产 180 万吨的大型矿井， 现有矿工 6000 人。主要有 2 个开采煤层， 有 4 个采煤工作面、9 个掘进工作面。瓦斯鉴定级别为低瓦斯矿井， 局部为高瓦斯区域。1973 年 6 月 23 日和 1977 年 2 月 19 日， 中国矿业大学 2012 届本科生毕业设计第133页该矿发生了两次瓦斯爆炸， 分别牺牲矿工 50 人、9 人。该矿一直采用矿山统计法预测瓦斯， 方法是将矿井积累的历史数据与其对应的开采深度相比较， 计算出涌出量梯度， 根据涌出量梯度外推至预测深部区域， 其预测精度一般在

36、60% 70%。选择该矿采煤一区 2440 工作面连续 90 天的瓦斯涌出量历史数据进行重构。瓦斯涌出量历史数据如表 2.1 所示。利用神经网络来建立预测模型。预测结果与实测结果进行比较分析， 以考核神经网络预测方法的准确性。利用 C-C 法对瓦斯涌出量历史数据进行嵌入维数和时间延迟参数的计算， 得到嵌入维数 m 为 5,时间延迟为 1。以表 2.1 历史数据为基础进行瓦斯涌出量数从表 2.3 可以看出，本章所研究的基于神经网络的瓦斯涌出量预测模型平均误差为 4.6，误差低于 8 的数据占到全部试验数据的 90。与该矿传统的矿山统计法预测效果（ 精度在 60% 70%） 相比， 神经网络模型的

37、预测精度更高。2.5 本章小结由于瓦斯涌出量影响因素多而复杂， 因而建立能够准确反映瓦斯涌出量与影响因素之间定量分析的机理性神经网络预测模型比较困难， 另外， 在实际应用机理模型时也会因为参数 难以得到而无法使用。但是，从煤炭生产工作面获得的瓦斯涌出量历史数据是几十种因素对瓦斯涌出量综合影响的结果， 因而能比较准确地反映瓦斯涌出量与各种状态参数之间存在的对应关系。本章以瓦斯涌出量历史数据为基础， 借助神经网络来研究瓦斯涌出量预测方法。文中将混沌时间序列分析方法引入瓦斯涌出量预测领域， 解决神经网络第三章 面向瓦斯排放过程的责任管理方法研究3.1 引言只要进行煤炭开采活动， 煤体中赋存的瓦斯就会

38、不断涌出。涌出的瓦斯通过井下的进行稀释而降低到安全浓度， 最终被排放到大气之中。这个过程的管理被称为“ 瓦斯排放管理”。瓦斯排放管理是瓦斯预测之后的主要管理流程，是瓦斯管理的重要工作， 瓦斯爆炸、燃烧、窒息等事故都发生在这步管理流程之中。瓦斯排放管理的任务就是调节风量或风速、监测瓦斯浓度变化。经过煤矿工作者长期的实践， 井下工作地点供应的风量和风速已经满足瓦斯安全稀释的需要， 再进一步加大风量或风速反而不利于井下安全生产（ 可能扬起煤尘而导致爆炸）。目中国矿业大学 2012 届本科生毕业设计第134页前， 煤矿瓦斯排放管理的重点是测量井下现场空气中瓦斯浓度的变化情况， 并根据变化情况采取相应的

39、处置措施。一旦瓦斯排放过程管理失效， 则必然造成瓦斯事故。因此， 瓦斯排放过程的管理是瓦斯事故防范的关键。围绕瓦斯排放管理， 目前全国煤矿都是采用“ 瓦斯员+监测仪器” 的管理模式。技术手段之一是瓦斯员现场检测： 瓦斯员携带瓦斯检查仪， 按照规定地点、规定时间对瓦斯进行测量， 发现问题可及时采取处置措施， 但这种手段没有建立瓦斯员之外的其他矿工参与瓦斯管理的机制， 更没有解决矿工在瓦斯管理方面的责任缺失这一要害问题。技术手段之二是瓦斯自动监测仪井下监控和报警： 瓦斯自动监测仪能及时发现中的瓦斯含量变化情况并及时采取断电措施， 但瓦斯自动监测仪只能定点监测， 其监测覆盖面有限， 而且， 在井下潮

40、湿的环境下， 监测仪灵敏度也不可靠， 经常误报或误操作。3.2 瓦斯排放管理现状分析3.2.1 瓦斯事故诱因分析 瓦斯是无色、无味、无嗅、可以燃烧或爆炸的气体， 以甲烷（ CH4） 成份为主。瓦斯从煤体释放和涌出后， 容易随巷道内的空气流动。瓦斯事故主要是指由于瓦斯浓度超过一定标准后， 引起人员窒息、瓦斯燃烧、瓦斯爆炸等， 其中， 事故频率最高、破坏程度最大、经济损失最多的是瓦斯爆炸。 瓦斯爆炸是瓦斯和空气组成的爆炸性混合气体在火源引发下发生的一种迅猛的氧化反应的结果。瓦斯爆炸需要同时满足三个条件： 瓦斯浓度达到 5% 16%、氧气浓度不低于 12%、有火源存在。空气中氧气的浓度一般在 21%

41、左右， 是矿工生理所须的基本元素， 不可能降低其浓度。而瓦斯和火源则对安全生产十分有害。所以， 防止瓦斯爆炸事故的关键是“ 双控制”： 控制瓦斯积聚、控制火源产生。瓦斯积聚是指局部区域或空间的瓦斯浓度超过 2%的现象， 造成瓦斯积聚的原因是瓦斯不断地大量涌出， 同时对其冲淡、稀释的风量不足甚至停风。除了瓦斯突出这一异常情况外，正常情况下造成风量不足的原因包括风机供风能力不足、井下风机停电、井下风筒脱落或漏风、风门被长时间打开等。这些通风管理因素都与人的责任行为有关， 可以通过加强责任管理而消除隐患。根据以上分析得出结论： 瓦斯事故的诱因是瓦斯积聚和产生火源， 而瓦斯积聚以及火源产生都与人的责任

42、行为有关。因此， 预防瓦斯事故的关键措施就是提高矿工的责任行为能力和责任意识， 防止矿工责任缺失。. 3.2.2 瓦斯管理体系分析 中国矿业大学 2012 届本科生毕业设计第135页煤矿瓦斯管理长期形成的基本体系是总工程师领导下的专业队伍和瓦斯自动监测装置相结合的管理体系。在煤矿，总工程师负责矿井的通风、瓦斯防治工作，是瓦斯管理的第一责任者。各矿下设通风工区， 通风工区一般再分设通风班组、瓦斯班组、防尘班组以及其它专业班组， 瓦斯班组的瓦斯员们分早、中、晚三个班专管瓦斯现场检测工作。这种管理体系的优点是管理队伍专业、管理技术熟练、管理职责明确， 不足之处是瓦斯员人数很有限， 一名瓦斯员在井下需

43、负责 1 5 个工作地点， 难以覆盖井下全部区域，也难以监管井下全部矿工的行为。这种管理体系的产生结果是： 仅有少数人（ 主要是瓦斯员和少数管理人员） 对瓦斯管理重视、负责， 更多的矿工和管理者则没有明确的瓦斯管理责任。事实上， 导致瓦斯积聚、产生爆炸火源的都不是瓦斯员， 引发瓦斯事故的都是缺乏瓦斯安全知识和安全管理责任的其他矿工。根据以上分析得出结论： 瓦斯管理必须由矿工全体参与、共同负责。3.2.3 瓦斯管理流程分析 一般地， 井下瓦斯管理的流程是： 瓦斯员入井到达工作区域 与上一班瓦斯员工作交接 瓦斯员对区域内的每个检查点第一次检查， 并将检查结果记录在工作地点的“ 瓦斯浓度记录牌板”上

44、，同时电话报告通风工区值班室 间隔 4 个小时后，进行第二次检查，更改牌板记录并电话报告通风工区值班室 等待下一班次的瓦斯员前来交- 返程、升井。通过以上分析得出结论： 瓦斯管理流程本身存在漏洞，易造成瓦斯管理责任缺失； 井下人员多、工作区域广，需要组织每个矿工参与瓦斯管理；井下工作区域内的矿工隶属关系复杂， 须建立相互的监督关系和责任联结。3.3 瓦斯安全责任链管理模型构建中国矿业大学 2012 届本科生毕业设计第136页根据3.2对瓦斯事故诱因、瓦斯管理体系、瓦斯管理流程的分析结论， 瓦斯事故都与矿工的责任行为有关， 是矿工管理责任缺失所致。责任缺失的表现包括工作中存在管理漏洞或者违反有关

45、安全规定， 例如， 存在瓦斯管理责任空白、大部分矿工不承担瓦斯管理责任、工作中违章、对他人违章行为不予制止、对存在的隐患不主动排除、不正常使用瓦斯管理设施、破坏通风设施， 等等。因此， 避免瓦斯事故的根本办法是强化每一个井下矿工在瓦斯安全管理方面的责任意识和责任行为， 并建立有效的责任监督机制。因此， 瓦斯安全管理是流程维度、职能维度、时间维度构成的三维交互责任结构关系（ 如图 3.3 所示）因此， 瓦斯安全管理是流程维度、职能维度、时间维度构成的三维交互责任结构关系（ 如图 3.3 所示）。根据上节已经确定的瓦斯责任链管理思想、责任联结模式和岗位责任设计，瓦斯安全责任链模型如图 3.4 所示

46、。第四章 瓦斯逃逸路径优化问题研究4.1 引言管理是瓦斯管理流程的重要环节， 是瓦斯常规管理失效的应对措施上一章研究了瓦斯责任链管理方法， 旨在通过建立各种责任关系消除隐患， 提高煤矿中国矿业大学 2012 届本科生毕业设计第137页瓦斯常规管理过程的可靠性。由于煤矿井下地质因素、环境因素以人员素质因素的复杂性， 如果一旦管理失效而发生瓦斯， 割断瓦斯传导效应、避免人员伤亡则是首要目标。瓦斯负传导效应是指直接影响之外， 通过的传导而加重灾害程度， 表现为瓦斯事故后， 由于瓦斯事故诱发的火灾、气体、冲击波、巷道坍塌、瓦斯连锁爆炸、煤尘爆炸等使得更多矿工牺牲在井下。割断瓦斯负传导效应、避免人员伤亡

47、的最根本办法是处在灾区的人员能够在发生的最短时间内逃逸自救。根据对过去发生的煤矿瓦斯事故分析， 由于矿工逃逸路径的选择不当而加重事故损失的现象比较普遍（ 瓦斯负传导效应之一）。因此， 确定最佳的逃逸路径则是赢得时间、成功逃逸的关键。在逃逸路径的现场确定方面， 煤矿一直采用经验法进行选择， 具体规则是：若发生瓦斯沿新鲜(包括瓦斯突出、瓦斯爆炸、瓦斯燃烧、瓦斯浓度超限等）， 始终的反方向向井口安全地点逃逸， 也就是说， 在发生瓦斯时， 不必考虑距离的长短， 只要逆新鲜方向逃逸。这个规则简单明了， 但是， 忽视了几个重要影响因素： 煤矿发生爆炸时，爆炸冲击波瞬间毁损巷道内的通风设施的同时， 也使得巷

48、道内的紊乱或者转向， 此时， 已无法凭新鲜方向判断逃逸路径。 井下的巷道网络是错综复杂的，即使方向没有改变，但这种沿因素）各不相同，新鲜逃逸的路径往往有几条，每一条的道路情况（应该如何选择？ 发生时，人的心理、生理都会发生心悸、恐惧、紧张、惊慌失措等反应，此时，矿工必须在最短的时间内脱离灾区、到达安全地点，为此， 不能不考虑最短路径选择问题。 灾情发生时，往往伴随二次甚至多次灾情的连续发生， 使得受灾区域扩大， 此时矿工在井下多停留一分钟， 就意味着多一份生命危险。2004 年 12 月 28 日陕西铜川矿务局陈家山煤矿发生瓦斯爆炸时， 有1271664.2名矿工从灾区成功逃逸，而在此后的几天

49、，又连续发生 4 次新的爆炸，致使名失踪的矿工失去了任何获救的希望。影响逃逸的关键因素分析2004 年 10 月 20 日河南大平煤矿发生特大瓦斯爆炸，298 名矿工成功逃生，另有 148 名矿工不幸遇难，大部分遇难矿工因为窒息而亡，其中有 62 具矿工遗体是在逃逸的途中被发现。在已经远离事故爆发点的情况下， 由于逃逸路径的选择不当而加重了损失， 由此提出了最佳逃逸路径选择的紧迫性问题。4.2.1 巷道宽度的影响分析 煤矿的巷道主要有回采巷道（ 工作面巷道）、准备巷道（ 采区巷道）和开拓巷道，另外有各种联络巷道。不管是哪一类巷道，其掘进时的宽度一般不会低于 1.5 米。在井下实际使用中， 往往

50、根据其用途， 在巷道内要悬挂各种管线、摆放电器设备、安装皮带运输机、利用矿车运输各种物资等， 这些平时的生产设备在发生时则可能成为障碍物， 这些障碍物会减少巷道的有效通行宽度， 而通行宽度的改变会给发生时巷道内的矿工逃逸带来以下影响：人本身有一定宽度。如果巷道有效宽度越小， 则矿工通行难易程度越大； 如果巷道有效宽度接近人体宽度，则矿工通行十分困难；如果巷道有效宽度小于 0.5米时， 则根据现场测试， 不能作为与巷道有效宽度成反比。发生时的优先通道。总之， 矿工通行难度中国矿业大学 2012 届本科生毕业设计第138页4.2.2 巷道高度的影响分析 巷道挖掘一段时间后， 由于矿山压力的作用，

51、巷道会变形。特别是工作面的回采巷道， 巷道高度变形量都比较大。根据现场经验， 巷道高度的改变会给发生时巷道内的矿工逃逸带来以下影响：人在直立时才能快速行走。巷道高度降低后， 矿工不可能正常直立， 因而影响逃逸速度。当巷道有效高度低于 0.8 米时，则根据现场测试，不能作为生时的优先通道。总之， 矿工通行难度与巷道有效高度成反比。4.2.3 巷道坡度的影响分析 发煤矿井下由于防止煤尘飞扬等原因， 需要喷雾洒水； 煤矿在开采过程中， 岩石中的水份也不断渗出， 因此， 为了排水的需要， 井下巷道需要一定的坡度。同时， 井下煤层的赋存情况都是往深部发展的， 为了开采的需要， 井下巷道也必须带有坡度。坡

52、度的大小不一， 一般不超过 30 度。根据现场经验， 坡度的改变会给发生时巷道内的矿工逃逸带来以下影响：巷道往井口的方向一般都是上坡，坡度越大， 行走越困难。此时， 矿工的逃逸速度与巷道的坡度成反比。4.3 瓦斯4.3.1 瓦斯逃逸路径优化模型研究发生时的逃逸策略 煤矿由于井下空间有限， 一旦发生， 灾害扩散的速度快、范围广， 而且瓦斯、一氧化碳等气体对人体极大， 容易引起负传导效应。因此， 最迅速的逃逸是避免更大伤亡的有效办法。如果盲目选择逃逸路径， 则极易发生误入难通行巷道或盲巷的情况， 从而导致人员伤亡的增加。4.3.2 瓦斯本文将瓦斯逃逸路径优化模型 发生地点到安全区域的逃逸路径用 P

53、 来表示。该路径包含的巷道数目为 n；逃逸路径中第 k 条巷道以 Ak 表示；瓦斯区域的逃逸路径 P 可以描述为发生地点到安全则巷道的当量长度 L(Ak)可用如下公式进行计算：瓦斯逃逸路径优化策略就是寻找最短当量长度的逃逸路径。按照最短当量长度的逃逸路径逃逸， 在逃逸速度相同情况下逃逸时间最短。因此， 按照瓦斯逃逸路径优化策略选择的逃逸路径， 成功逃逸的概率最大.瓦斯逃逸路径优化模型就是在所有的瓦斯发生地点到安全区域的逸逃逸路径优化模型可以路径 P 中，搜索最短当量长度的逃逸路径 P*。瓦斯用如下公式描述：中国矿业大学 2012 届本科生毕业设计第139页式中，K(Ak)表示巷道 Ak 宽度，

54、G(Ak)表示巷道 Ak 高度，F(Ak)表示巷道 Ak风门两面的压差； i、j 是节点编号， N 是节点总数， O 是工人作业节点， V0 是安全出口节点；(ij)表示以节点i、j为端点的有向边， A是有向边的集合。并且特别地， 当某条巷道的当量长度 Lij=， 表示此路不通。灾变环境下逃逸路径优化算法流程如图 4.1 所示：中国矿业大学 2012 届本科生毕业设计第140页第五章 提升安全管理技能的矿工学习力模型研究5.1 引言前三章分别从瓦斯预测、瓦斯责任链管理、瓦斯逃逸等瓦斯管理流程的三个主要环节分别研究了瓦斯事故防治和减灾问题， 而根据对煤矿瓦斯事故的调查分析， 煤矿 96.59%以

55、上的事故都与矿工的个人行为有关， 主要原因是矿工的安全操作技能较低， 难以保障上理流程的安全可靠性， 由此提出了矿工安全操作技能提高的深层次问题。对此， 瓦斯管理专家张铁岗等进一步认为： 提高矿工队伍素质， 让矿工掌握瓦斯安全的操作和管理技能， 这是瓦斯管理的重要基础， 因为没有个人技能做保障， 再先进的装备、再可靠的环境、再科学的管理技术也无法避免瓦斯事故的发生。一般地，提高矿工安全操作技能的途径有 2 条：其一是象国外煤矿和国内的民航企业那样招收高素质的员工，其二是对现有矿工进行岗前或在职培训、学习。由于我国的煤矿生产条件差、危险性高、薪酬少、矿工社会地位低， 难以招收到高素质的员工， 因

56、而第一条途径目前不适合我国的国情和矿情。因此， 只能通过对现有矿工进行不间断培训和学习的方式进行技能提升。目前， 国有煤矿企业对矿工的培训都能够按照煤矿安全规程的有关规定正常开展， 私营煤矿也在监督管理部门的监督下加强了对矿工的培训工作。但是， 由于矿工的知识基础、年龄、学习能力、学习环境、学习激励程度等学习障碍因素的存在， 一般矿工培训和学习的效果比较差， 培训的投入没有得到应有的产出， 培训质量没有达到预期效果， 矿工的瓦斯安全管理技能提高程度改变不明显， 因此， 消除矿工的学习智障， 提高矿工的培训和学习效果， 对矿工瓦斯管理技能的掌握十分关键。5.2 矿工培训状况和学习障碍分析5.2.1 矿工培训和文化结构统计分析 选择江苏 J 矿作调查样本， 对该矿井下矿工的培训和文化结构做调查统计。该矿是国有大型煤矿， 对矿工的培训学习比较重视， 矿上专门设立了负责培训工作的“ 人力资源开发部”。该矿 2004 年 12 月 31 日在册井业的一线矿工和辅助单位矿工共计 3547 人，其培训和文化结构基本状况汇总如表 5.1 所示。表5.1 显示，该矿 3547 名井下矿工中，高中