煤矿回采工作面瓦斯涌出非线性特性分析及预测仿真理论研究_甜梦文库
煤矿回采工作面瓦斯涌出非线性特性分析及预测仿真理论研究
中南大学 博士学位论文 煤矿回采工作面瓦斯涌出非线性特性分析及预测仿真理论研究 姓名：何利文 申请学位级别：博士 专业：安全技术及工程 指导教师：施式亮
博士学位论文摘要摘要回采工作面瓦斯涌出来源复杂、影响因素多并且作业区域内瓦斯 分布不均匀，容易造成回风巷和局部瓦斯积聚（尤其是上隅角），限 制工作面的生产。因此选取回采工作面瓦斯涌出作为研究对象，结合 回采工作面瓦斯浓度实测数据，针对煤矿井下空间复杂结构及动态变 化条件下瓦斯涌出特征与规律的关键问题，以系统科学、安全科学和 矿井通风与安全学等理论的原理辨识了煤矿瓦斯涌出各影响因素，应 用非线性科学、现代应用数学、计算机科学等理论对回采工作面瓦斯 涌出进行了非线性分析与预测仿真理论的研究，建立了基于支持向量 机的瓦斯涌出混沌时间序列预测模型以及基于瓦斯涌出时空混沌行 为的耦合映像格子模型，其主要研究内容和结果如下： （１）对１１１０２４回采工作面瓦斯浓度序列进行时间结构变异系数 特征分析，万值的复杂变化特征表明在瓦斯涌出在时间或空间不断发 生变异，呈现出复杂的非线性特征。这也说明了传统的瓦斯涌出研究 方法存在局限性，必须从非线性理论的角度来考察瓦斯涌出系统特性 与规律； （２）结合现场瓦斯实测数据对７１２６回采工作面相对瓦斯涌出和 绝对瓦斯涌出进行综合分析，结果表明该工作面瓦斯涌出变化起伏较 大且呈现出明显的复杂性，相对瓦斯涌出量和绝对瓦斯涌出量表现出 较明显的不稳定性，体现了煤矿回采工作面瓦斯涌出的各要素之间及 其与外部系统的相互作用存在着的复杂的非线性关系。对回采工作面 瓦斯涌出进行系统分析，表明该系统存在与混沌系统相耦合的特征， 这证明了混沌理论对该系统进行研究的可行性； （３）对１１１０２４回采工作面的绝对瓦斯涌出时序数据，通过ＧＰ 算法与互信息函数法，分别确定了嵌入维数ｍ为１０与延迟时间ｆ为 １５，在此条件下，通过功率谱、自相关函数、Ｐｏｉｎｃａｒｅ截面和返回映 像等混沌特征分析方法，对１１１０２４回采工作面进行非线性特征判别， 根据各分析图形特征，可明显判定煤矿回采工作面瓦斯涌出具有混沌 特性，进一步证明了运用混沌理论对回采工作面瓦斯涌出进行研究的 合理性和可行性； （４）通过对１１１０２４回采工作面绝对瓦斯涌出量时间序列Ｒ／Ｓ分 析，证明了对其进行预测的可行性，对其进行最大Ｌｙａｐｕｎｏｖ指数计 算与分析，发现随步长ｋ的增加，其Ｌｙａｐｕｎｏｖ指数值趋于稳定，其博士学位论文摘要值大约为０．０４１．０．０４２，是一个有限的正值，这说明采掘工作面瓦斯涌 出系统的吸引子为奇怪吸引子，系统运动呈混沌状态，可预报尺度的 确定避免了在进行采掘工作面瓦斯涌出预测研究时时间尺度过大的 情形。通过运用混沌理论中相空间重构方法建立的人工神经网络和支 持向量机的瓦斯涌出预测模型对比分析结果表明，基于ＳＶＭ的瓦斯 涌出混沌时间序列预测模型具有较好的预测精度，同时，基于ＳＶＭ 的瓦斯涌出混沌时间序列预测模型具有建立更简便、训练速度更快等 优点。这样，由于充分考虑了瓦斯涌出时间序列的混沌性，使得预测 更科学。这结果也为回采工作面瓦斯涌出的可预测性及预测模型的选 择提供了一种新的依据。 （５）瓦斯涌出系统是时空混沌系统，它不仅在时间维度上是混 沌的，而且在空间维度上也是混沌的，借助耦合映像格子模型对该时 空混沌动力系统进行了仿真研究，并建立了瓦斯涌出耦合映像格子模 型，定性模拟了实际系统的时空发展行为。瓦斯涌出耦合映像格子模 型演化特性表明，可以通过合适的技术措施和管理措施来抑制瓦斯涌 出混沌的产生，提高回采工作面的安全度。 （６）将瓦斯涌出非线性预测模型和耦合映像格子模型应用到 １１１０２３回采工作面的瓦斯治理，根据这两个模型采取了针对性的措 施，结果显示瓦斯压力与瓦斯涌出均呈下降趋势，瓦斯浓度也未超限， 实施效果明显，为１１１０２３回采工作面的生产提供了较大的安全空间， 同时也验证了模型的准确性。 回采工作面瓦斯涌出非线性特性分析及预测仿真理论研究，将为 回采工作面瓦斯涌出开创一个新的研究领域，其研究成果的获得和应 用对有效预防和控制瓦斯事故以及改善煤矿安全生产状况具有重要 的现实意义和较广阔的应用、推广前景，对其他类型的事故控制也有 较大的指导作用。 关键词回采工作面；瓦斯涌出；非线性；预测；仿真；混沌； 支持向量机；耦合映像格子模型ｎ博士学位论文ＡｂｓｔｒａｃｔＡｂｓｔｒａｃｔＴｈｅｓｏｕｒｃｅｏｆ ｇａｓ ｅｍｉｓｓｉｏｎ ｉｎ ｔｈｅ ｗｏｒｋｉｎｇ ｆａｃｅ ｉｓ ｃｏｍｐｌｅｘ ａｎｄ ｇａｓｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｉｎ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ ｒｅｇｉｏｎ ｉｓ ｕｎｅｖｅｎ．Ｇａｓ ｅａｓｉｌｙ ａｃｃｕｍｕｌａｔｅｓ ｉｎ ｒｅｔｕｒｎ ａｉｒｗａｙ ａｎｄ ｓｏｍｅ ｃｅｒｔａｉｎｐａｒｔｓ（ｅｓｐｅｃｉａｌｌｙｏｎｔｏｐｃｏｍｅｒ），ｓｏｔｈｅｗｏｒｋ ｉｎ ｔｈｅ ｈｅａｄｉｎｇ ｆａｃｅ ｉＳ ｒｅｓｔｒｉｃｔｅｄ．Ｔｈｅｒｅｆｏｒｅ．ｇａｓ ｅｍｉｓｓｉｏｎ ｉｎ ｔｈｅｈｅａｄｉｎｇ ｆａｃｅ ｗａｓ ｓｅｌｅｃｔｅｄａｓｔｈｅ ｒｅｓｅａｒｃｈｏｂｊ ｅｃｔ．Ｆｏｃｕｓｅｄｏｎｔｈｅ ｃｏｍｐｌｅｘ ｏｆ ｇａｓｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ ｃｏａｌ ｍｉｎｅ ａｎｄ ｔｈｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓａｎｄ ｌａｗｅｍｉｓｓｉｏｎ ｕｎｄｅｒ ｄｙｎａｍｉｃ ｃｈａｎｇｉｎｇ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ，ｃｏｍｂｉｎｅｄ ｗｉｔｈ ｍｅａｓｕｒｅｄ ｄａｔａ ｏｆ ｇａｓ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎｓ，ｔｈｅ ｉｎｆｌｕｅｎｃｉｎｇ ｆａｃｔｏｒｓ ｏｆ ｃｏａｌ ｍｉｎｅ ｇａｓ ｅｍｉｓｓｉｏｎ ｗｅｒｅ ｉｄｅｎｔｉｆｉｅｄ ｗｉｍ ｔｈｅ ｔｈｅｏｒｉｅｓ ｓｕｃｈａｓｓｙｓｔｅｍａｔｉｃ ｓｃｉｅｎｃｅ，ｓａｆｅｔｙ ｓｃｉｅｎｃｅ，ｖｅｎｔｉｌａｔｉｏｎ ａｎｄ ｓａｆｅｔｙ ｏｆ ｍｉｎｅ ｅｔｃ．Ｔｈｅ ｎｏｎ．１ｉｎｅａｒ ａｎａｌｙｓｉｓａｎｄ ｔｈｅ ｔｈｅｏｒｙ ｆｏｒ ｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎ ａｎｄ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ａｂｏｕｔ ｇａｓ ｅｍｉｓｓｉｏｎ ｗａｓｐｒｏｃｅｓｓｅｄｂｙａｐｐｌｙｉｎｇｔｈｅｎｏｎ―ｌｉｎｅａｒｓｃｉｅｎｃｅ，ｍｏｄｅｍｃｈａｏｔｉｃｏｎａｐｐｌｉｅｄｓｅｒｉｅｓｍａｔｈｅｍａｔｉｃｓ，ｃｏｍｐｕｔｅｒ ｓｃｉｅｎｃｅ ｅｔｃ．Ｔｈｅｎ，ｔｈｅｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ｇａｓ ｅｍｉｓｓｉｏｎ ｗｈｉｃｈ ｉＳ ｂａｓｅｄｔｉｍｅｔｈｅＳＶＭａｎｄ ｔｈｅＣＭＬｓ ｍｏｄｅｌｗｈｉｃｈ ｉｓ ｂａｓｅｄｓｅｔ ｕｐ．Ｔｈｅｏｎｔｈｅ ｓｐａｔｉｏｔｅｍｐｏｒａｌ ｃｈａｏｓ ｂｅｈａｖｉｏｒ ｏｆ ｇａｓｃｏｎｔｅｎｔ ａｎｄｅｍｉｓｓｉｏｎ ｗｅｒｅｆｏｌｌｏｗｓ：ｍａｉｎ ｒｅｓｅａｒｃｈｒｅｓｕｌｔｓａｒｅａｓ（１）Ｇａｓａｎａｌｙｚｅｄｃｏｍｐｌｅｘｏｎｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ ｓｅｒｉｅｓｏｆ ｔｈｅ Ｎｏ．ＩＩ １ ０２４ ｗｏｒｋｉｎｇ ｆａｃｅｉＳｉｔｓ ｔｉｍｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｖａｒｉａｔｉｏｎｃｏｅ硒ｃｉｅｎｔ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ．Ｔｈｅｃｈａｎｇｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ ｏｆ万ｉｎｄｉｃａｔｅｓ ｔｈａｔ ｇａｓ 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ｖａｌｉｄａｔｉｏｎ ｉｓ ａｌｓｏ ｖｅｒｉｆｉｅｄ．Ｎｏｎｌｉｎｅａｒ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ ａｎａｌｙｓｉｓ ａｎｄ ｔｈｅ ｔｈｅｏｒｙ ｏｆ ｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎ ａｎｄｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ａｂｏｕｔ ｇａｓ ｅｍｉｓｓｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｗｏｒｋｉｎｇ ｆａｃｅ ｗｉｌｌｃｒｅａｔｅ ａ ｎｅｗ ｆｉｅｌｄｏｆ ｓｔｕｄｙ ｔｏ ｇａｓ ｅｍｉｓｓｉｏｎ ｉｎ ｔｈｅ ｗｏｒｋｉｎｇ ｆａｃｅ．Ｔｈｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｒｅｓｕｌｔａｎｄｉｔｓａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｈａｖｅ ｐｒａｃｔｉｃａｌ ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｃｅ ａｎｄ ｂｒｏａｄｅｒ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｐｒｏｓｐｅｃｔ ｆｏｒ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ ｐｒｅｖｅｎｔｉｏｎａｎｄｃｏｎｔｒｏｌ ｏｆ ｇａｓ ａｃｃｉｄｅｎｔｓ ａｎｄ ｔｏ ｉｍｐｒｏｖｅ ｃｏａｌｔｏ ｏｔｈｅｒ ｔｙｐｅｓ ｏｆ ａｃｃｉｄｅｎｔｓｍｉｎｅ ｓａｆｅｔｙ，ａｎｄ ａｌｓｏ ｈａｖｅ ｇｒｅａｔｅｒ ｇｕｉｄｉｎｇ ｒｏｌｅｃｏｎｔｒ０１．Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓｗｏｒｋｉｎｇｆａｃｅ，ｇａｓｅｍｉｓｓｉｏｎ，ｎｏｎｌｉｎｅａｒ，ｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎ，ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ，ｃｈａｏｓ，ＳＶＭ，ＣＭＬｓＶ博士学位论文第一章绪论第一章绪论１．１研究意义我国目前的原煤年产量达２８亿吨。随着新能源和可再生能源、水电、核电 的发展，煤炭在一次能源中的消费比例在逐年下降，但资源条件决定了我国近阶 段只能选择以煤为主的～次能源结构，煤炭的主导地位在一定时期内难以改变， 煤炭在相当长的时间内仍将是我国主要的一次能源，到２０２０年，我国能源消费 结构中煤炭的比重仍会占到６０％左右。因此，在今后相当长的时期内，仍然需要 保持煤炭的高产、稳产，才能满足国民经济建设的需要，而我国９５％的煤矿是地 下作业，环境恶劣，地质条件复杂多变，开采技术难度大，特别是近十多年来， 随着开采深度的加大，导致开采条件更趋于复杂，出现了高地应力、高瓦斯、高 非均质性、低渗透性和低强度煤体的特征（三高两低），原有的安全技术及基础 已经难以适应当前煤矿安全、高效生产的迫切需求。伴随煤矿开采的瓦斯、粉尘、 水灾和火灾等灾害事故，不仅造成了人民生命财产的巨大损失和环境灾害，而且 还制约着煤矿生产的发展，乃至影响整个国民经济和社会的可持续发展。 据统计，煤矿是工业生产中伤亡最严重的行业，尤以瓦斯爆炸事故所造成的 人员和经济损失最大【１１。如２００４年１０月至２００５年２月先后发生河南郑煤集团大 平煤矿、陕西铜川矿务局陈家山煤矿和辽宁阜新海州立井３起我国历史上罕见的 瓦斯爆炸灾难，造成５２８人死亡，损失惨重；随后的２００５年３月至７月，又发 生山西细水煤矿、河北暖儿河煤矿、山西贾家堡煤矿和新疆神龙煤矿瓦斯爆炸事 故，死亡２４１人；２００６年１１月２５日至２６日仅两天内在黑龙江远华煤矿、云南 昌源煤矿和山西芦苇滩煤矿等发生３起瓦斯爆炸事故，死亡７８人。在国内外均 产生了巨大的负面社会影响。２００７年我国的安全生产形势依然严峻，事故总量仍 然过大，重特大事故时有发生，根据国家安全生产监督管理局２００７年的统计资 料及其他统计数据，全国煤矿事故死亡人数达到３７８６人，其中瓦斯爆炸事故所 造成的人员和经济损失最为严重，共发生事故４２起，死亡人数达到了４６２人， 其中特大事故死亡人数及起数占到了全国煤矿特大事故的五成，其中典型的是１２ 月５日，山西省临汾市瑞之源煤业有限公司发生瓦斯爆炸事故，１０５人遇难。由 此可见，煤矿瓦斯爆炸事故是制约我国煤炭工业生产安全的关键因素。 从相关资料可以看出，虽然各级政府近年来加大了对煤炭工业企业的安全管 理和调控力度，在装备方面也加大了投入（如国家发行专项国债为煤矿改善装备 条件），而且２００２年以来国家下大力气关停了一批安全检查不合格的煤矿，处分博士学位论文了有关责任领导，但是２００３年５月１３日安徽芦岭煤矿瓦斯爆炸事件为各煤矿敲 响了安全警钟，接下来的８天内辽阳、山西和云南又接连发生煤矿瓦斯爆炸，死 亡１３０多人。接下来的几年里煤矿瓦斯爆炸事故的状况不仅没有好转，形势反而 更加严峻。更应该值得关注的是，发生这些重特大事故的不是地方小煤矿，而是 承担我国煤炭生产主力任务的国有或地方国有煤矿。显然我们没有充分的理由认 为，在芦岭矿难发生后，政府和企业未加强管理，企业没有重视煤矿的通风与安 全工作，或者未重视安全检查。这说明在以往历次事故总结出的诸如玩忽职守、 职工素质差、企业领导不重视安全生产等原因之外，尚有本质的科学问题没有被 认识和科学上的问题有待于解决，这就导致了政府管理绩效得不到充分的发挥， 即使政府按传统的方式出台诸如重大事故行政领导责任制和责任追究制、加大政 府监督和处罚力度等相应的宏观调控手段进行干预，重特大事故的频繁发生及其 呈上升的势头说明这种干预的效果受到了某种程度的约束，需要从科学的角度进 行比较系统的、且带有基础性的分析和研究。 由以上分析可知有效预防与控制瓦斯爆炸事故大致可以分为两个方面来进 行，一个是管理方面，二是基础问题的研究方面。从实际的管理情况来分析，对 安全管理进行调控的方向与力度及时性和准确性取决于对煤矿生产与安全系统 运行规律和机制的认识，尤其是对重特大瓦斯爆炸事故演变特性和规律的认识和 把握，这对提高我国煤炭工业事故的预防水平具有非常重要的作用；从瓦斯爆炸 防治的国内外研究现状来看，其防治理论和技术的研究进程明显滞后于经济、社 会对矿业发展的要求，在事故特性、预防和控制理论研究方面尚存在着很多薄弱 环节【２ｌ，目前对瓦斯爆炸事故预防与控制的研究主要集中在瓦斯爆炸事故发生后 的如爆炸温度、冲击传播特性、火焰传播特性及规律等方面【３。２９】，其侧重点大多 放在了事故后果的控制方面，对事故发生前从原因（初始条件）演化成事故发生 的这一过程特性及其预防理论等基础研究尚不够深入，开展这一领域的研究对瓦 斯爆炸事故的预防具有现实的迫切性。 在这两个方面中，基础理论的研究水平、研究成果往往决定管理的模式，瓦 斯爆炸事故治理的难点也在于理论研究的薄弱环节上，在这个问题上，首当其冲 的是瓦斯涌出的问题。因为从瓦斯爆炸事故引发的三个条件（瓦斯涌出积聚且浓 度达到５％．１６％；一定温度的引火源，且存在的时间大于瓦斯的引火感应期；空 气中氧含量大于１２％）来分析，在煤矿井下除密闭空间以外的作业区域，为保证 作业人员的生理需要，根据煤矿安全规程规定氧气浓度要求不低于２０％，而井下 引火源在矿井生产系统中的存在是客观的，瓦斯涌出、积聚及分布成为了瓦斯爆 炸事故引发最关键的因素。在矿井生产中，回采工作面瓦斯涌出量占全矿井涌出 量的５０％一８０％，是全矿井主要的瓦斯涌出源，而且回采工作面瓦斯涌出来源复杂、２博士学位论文第一章绪论影响因素多并且作业区域内瓦斯分布不均匀，容易造成回风巷和局部瓦斯积聚 （尤其是上隅角），限制工作面的生产ｐｏＪ，因此对回采工作面瓦斯涌出特征、规 律及瓦斯涌出量预测的研究是开展煤矿瓦斯治理的基础，对于指导矿井安全生产 和制定行之有效的瓦斯治理措施、防止恶性瓦斯爆炸事故的发生具有重大的经 济、社会效益和深远的现实意义。１．２瓦斯涌出机理、影响因素及回采工作面瓦斯涌出来源分析一般来说，瓦斯在煤体或围岩中是以游离状态和吸附状态存在的，煤层的多 孔隙，裂隙结构构成了瓦斯涌出的通道【３１刁９】。完整的煤体内，游离瓦斯和吸附瓦 斯处于动平衡状态，煤层的瓦斯含量可以看作稳定不变。在煤层或煤层附近进行 采掘或者钻孔作业时，煤、岩的完整性遭到破坏，应力分布发生变化，部分煤、 岩的透气性增加，游离瓦斯在瓦斯压力作用下，经过煤层的暴露面渗透流出，涌 向采掘空间或钻孔中，这就导致了原有瓦斯动平衡状态的破坏，原有一部分的吸 附瓦斯转变为游离瓦斯而逸出；另一方面，随着工作面向前推进，工作面后方的 煤层顶板不断冒落下来，形成采空区，采空区上方煤层、岩层产生变形、下沉及 断裂等变化，形成裂隙、裂纹，采空区下方煤层在强大的地应力作用下，开采层 下方的地层即向采空空间鼓起，在层间形成大量的裂隙，从而改变了瓦斯原来的 流动状态和赋存状态，瓦斯从煤层、上下邻近层及围岩中通过贯穿的空隙空间向 着采空区和工作面流动，甚至大量的涌出。 １．２．１瓦斯涌出机理 煤层内部、围岩及采空区内瓦斯涌出的能量来源于浓度差（压差），即由于 煤层内部、围岩及采空区深部的瓦斯浓度（压力）高于采面瓦斯浓度（压力）， 气体就从浓度（压力）高的地方向浓度（压力）低的地方渗流或扩散，直至浓度 （压力）平衡１４…。 １．２．１．１煤层瓦斯运移机理 在压力作用下，煤层瓦斯以物理吸附的形式吸附在煤基质的内表面上，煤层 压力的降低是导致煤层瓦斯解吸、运移的直接原因，使瓦斯从煤基质的内表面解 吸，进而从基质向割理扩散，然后在割理及外生裂隙中运移。由于煤层气的赋存 方式除吸附和游离外，还有水溶，因此瓦斯在涌出过程中经历了解吸、扩散和渗流三个阶段。解吸是指煤层压力降低时，被吸附的瓦斯与煤的内表面脱离，解吸出来进入 游离相，是吸附的完全可逆过程，该过程可用朗格缪尔方程描述。对于井下瓦斯 抽放，利用煤炭开采使瓦斯吸附压力降低，使其在低压下达到饱和状态。博士学位论文第一章绪论扩散是指瓦斯在煤层压力和吸附压力差的作用下，从高浓度区向低浓度区的 运移过程。该过程可用Ｆｉｃｋ定理来描述。从煤基质中扩散出来的瓦斯量除与浓度 有关外，还与煤层割理方向有关，与面割理方向相同容易扩散，与面割理方向垂 直扩散量最小。最后是渗流阶段，主要是瓦斯在外生裂隙中由浓度和外界压力的 驱动下，以紊流形式流动，该过程可用达西定律表述。由瓦斯在原始煤层中的运 移机理得出煤层卸压是瓦斯涌出的关键。 １．２．１．２瓦斯在煤层的流动状态及其流动场 瓦斯在煤层中是以具有压力的气体存在着，当石门揭煤或在煤岩中进行采 掘、钻孔等作业时，破坏了原有的瓦斯压力平衡状态，形成瓦斯流动场【４ｌ】，其瓦 斯压力等压线和瓦斯流动线路，即流网和流线，如图１．１所示。图１－１巷道周围煤体中的瓦斯流动场在流动场内，瓦斯流动类型，按其空间几何形状，基本上可以分为：（１）单 向流动，即巷道全部开切煤层时，煤层内的瓦斯沿着垂直于巷道方向的流动；（２） 径向流动，即石门或钻孔垂直穿过煤层时，在煤中形成同心圆状的瓦斯压力等压 线作用下发生的径向流动；（３）球向流动，即特厚煤层掘进工作面的迎头和钻孔 孔底以及煤块瓦斯的放散，在煤体中形成同心球状等压线、放射状流线的流动。基本的流动状态如图１．２所示。流动场就是瓦斯在煤层中由高压向低压流动的范围，也就是说，在流动场内 瓦斯才有流动。由于煤层的非均质性和自然条件的不同，使流动场处于复杂状态， 而且流动场的范围也是随着时间变化而变化。４博士学位论文第一章绪论（１）单向流动（２）径向流动（石门） 图１－２流动场内瓦斯流动的类型（３）径向流动（钻孔）１．２．２影响煤矿瓦斯涌出的主要因素 煤矿瓦斯涌出具有不均衡分布的特点，表现在为在同一矿井的不同煤层，同 一煤层的不同区域，瓦斯涌出普遍存在着差异性，这种不均衡性分布往往与地质 条件密切相关，除地质条件外，煤矿瓦斯涌出还与开采技术因素有关，采用不同 的采煤方法和采掘工艺，瓦斯涌出量亦发生变化，它是一个随地质条件、煤的赋 存状态、开采工艺、开采量、开采深度、推进速度、周期来压、地质构造、温度、 大气压等多种影响因素波动复杂的物理量【４２１。 １．２．２．１地质因素 （１）煤层和围岩的瓦斯含量 煤、岩的瓦斯含量，直接影响到矿井瓦斯涌出量的大小，它是影响瓦斯涌出 量大小的决定因素，煤的瓦斯含量与相对瓦斯涌出含量虽然其表达单位相同，但 是其物理意义却不相同，而且在数量上也不相等，这是因为瓦斯涌出量不仅包括 来自于采出煤炭所涌出的瓦斯，而且还包括矿井内一切煤层岩层涌出的瓦斯，尽 管采出煤的残余瓦斯含量随煤运至地面而未涌入矿井，但是后一来源的量大，所 以相对涌出量比开采层的瓦斯含量大。例如焦作中马村矿开采大煤的工作面，其 相对瓦斯涌出量为其含量的１．２２～１．７６倍，淮南谢二、谢三两矿，开采Ｃｌ，煤层 的相对涌出量为其含量的１．５８～１．７３倍。可见，煤层的瓦斯含量越高，其相对瓦 斯涌出里也越大。 单一煤层的薄煤层和中厚煤层开采时，瓦斯主要来自煤层的暴露面和采落的 煤炭。在近代开采深度内，矿井瓦斯相对涌出量一般不会超过１５～２０ｍ３／ｔ。如果 开采煤层附近赋存有瓦斯含量大的煤层、夹层和岩层时，由于本煤层开采的采动 影响，通过采动产生的裂隙，附近煤、岩（夹）层中的瓦斯通过这些裂隙进入开 采层的采空区，在进入生产作业空间（回采面或掘进面等），从而增加了回采面、 采区、某一翼、全矿井瓦斯的瓦斯涌出量。在这种情况下，开采层的瓦斯涌出总５博士学位论文第一章绪论量可能大大超过本煤层的瓦斯含量。 （２）煤层和围岩的瓦斯渗透性 煤层与围岩的渗透性对于矿井瓦斯涌出量的大小具有十分重要的影响。渗透 性强的煤层，瓦斯易于在其中流动，流速快，瓦斯涌出强度大，矿井瓦斯涌出量 就大；围岩的瓦斯渗透性强，有利于邻近层的瓦斯向开采层的开采空间放散，矿 井的瓦斯涌出量也随之增大。 影响煤层和岩层渗透性的因素除与原生孔隙度，孔隙大小，后期遭受构造破 坏的程度及构造裂隙的性质有关外，还与在受采动后煤层和围岩所产生的采动裂 隙的发育程度以及采动裂隙发育的范围有关。采动裂隙的发育程度及发育范围又 与顶底板岩石的机械物理性质，松散比，工作面长度，开采范围，作业方式等因素有关。１．２．２．２自然因素 （１）地面大气压力变化 受地面大气压力下降影响，引起瓦斯涌出增加的是工作面后部采空区与老采 区的瓦斯涌出，而掘进巷道与掘进区几乎不受影响。影响程度可以按马略特定律 （等温过程）来估计。每个矿井应掌握矿井瓦斯涌出量随大气压力变化的规律， 以防瓦斯事故的发生。据报道美国１９１０年～１９６０年５０年间，有一半的瓦斯爆 炸事故发生在大气压力急剧下降时。（２）地震地震是一个增大瓦斯涌出量的因素。据前苏联谢布尼诺每矿在地震期间对瓦斯涌出两的观测，是正常时外涌出量的３．５―５倍，最高时达到了１卜１５倍。地震可以产生较大的地质构造变化，它破坏了原有瓦斯涌出的平衡：破坏了 采区与风流相隔离的密闭；增加了煤、岩层中的裂隙．其结果是增大了从顶底板 及邻近层向采空区涌出瓦斯的强度；增大了从破坏的密闭涌向风流的瓦斯；经过 新形成的裂隙增大了围岩和煤层流向生产区域的瓦斯。 地震还是诱发煤与瓦斯突出的重要因素。了解地震对瓦斯涌出的影响，可使 我们在突发事情来临时有所准备。 １．２．２．３开采因素 （１）开采深度 在瓦斯风化带内开采的矿井，相对瓦斯涌出量与深度无关；在甲烷带内开采 的矿井，随着开采深度的增加，相对瓦斯涌出量增高。值得注意的是，在深部开 采时邻近层与围岩所涌出的量比开采层增加得快，因此深部开采矿井更应注意邻 近层与围岩瓦斯涌出。 在世界各采煤国家中，矿井瓦斯涌出量与开采深度的关系，是通过考察离地６博士学位论文第一章绪论表不同深度处煤层的瓦斯含量和井巷瓦斯涌出量的方法来进行研究。在本世纪 初，主要是研究不同深度的开采矿井的瓦斯涌出量。最初的这种研究工作是德国 和英国的工程师在鲁尔煤田和兰卡希尔斯克煤田进行的。曾经证实，我国也有不 少矿井查证，开采深度越大，矿井的相对瓦斯涌出量就越大。在中国现有的生产 规模下，大部分矿井的瓦斯涌出量均遵循这一规律。（２）开采顺序与回采方法首先开采的煤层（或分层），其相对瓦斯涌出量较大，而后开采的煤层（或 分层），其涌出量较少。 回收率低的回采方法，相对瓦斯涌出量较大。陷落式顶板管理方法比充填式 造成更大范围的围岩破坏与卸压，邻近层瓦斯涌出的分量较大。因此，前者的相 对瓦斯涌出量也比后者高。水采水运的采煤方法，比旱采相对瓦斯涌出量降低， 这是因为湿煤残余瓦斯含量增大的缘故。（３）回采速度当回采速度不高时，绝对瓦斯涌出量与回采速度（日推进速度）成正比，即 相对瓦斯涌出量保持常数；当回采速度较高时，相对瓦斯涌出量中开采层涌出分 量与邻近层涌出分量都相对减小，即相对瓦斯涌出量有所降低，因此，绝对瓦斯 涌出量随回采速度的增加而增高量低于线性增量。在高瓦斯综采工作面的实测结 果表明，快采必须快运，使采落煤炭及时运出，减少其在工作面停留排放瓦斯时 间），可明显地减少瓦斯涌出。 （４）落煤工艺与老顶来压步距 两者对瓦斯涌出量的峰值与波动即瓦斯涌出不均匀系数有显著影响，不仅影 响绝对瓦斯涌出量，而且在一定程度上影响相对瓦斯涌出量。采用浅截深的连续 落煤工艺和缩短老顶来压步距都能显著减少瓦斯涌出不均匀系数。据统计，同正 常平均瓦斯涌出相比，风镐落煤时瓦斯涌出增大到１．１～１．３倍；放炮时为１．４～ ２．Ｏ倍；采煤机采煤时为１．３～１．６倍，水枪落煤时为２～４倍。（５）通风压力与风量通风压力的增减，必然影响到瓦斯涌出平衡压力的变化，即影响到矿井瓦斯 涌出量的变化。抽出式通风的矿井，瓦斯涌出量随着矿井通风压力的提高而增大， 压入式通风的矿井，瓦斯涌出量随着矿井通风压力的降低而增加。 如果瓦斯主要来自开采煤层，则风量变化时，决定瓦斯涌出量变化不大，风 流中的瓦斯浓度将因风量的增加而减少，反之增加。多煤层回采的采区内，采空 区可能积存大量高浓度的瓦斯，风量变化将使原有的采空区瓦斯排出状况改变。 以抽出式通风矿井为例，风量增加时，起初由于负压和采空区漏风量的加大，一 定数量的瓦斯从采空区涌出，绝对瓦斯涌出量增加，回风流中瓦斯浓度也急剧上７博士学位论文第一章绪论升。上升到一定高度便开始下降，但超过原有浓度要维持一段时间。经过一定时 间绝对瓦斯涌出量才恢复接近原有浓度，而回风流中的瓦斯浓度比原有浓度要低； 风量减小时，情况相反。可见风量变化，能引起短时间内瓦斯涌出量的变化。这 一时间的长短决定于采空区漏风中瓦斯浓度和瓦斯涌出量强度，涌出强度越小延 续时间越长。进行采区风量调节时，必须注意回风流中的瓦斯浓度。 （６）采空区管理 采空区是矿井瓦斯的一个重要来源。采空区内积存着大量的高浓度（６０％一 ７０％）瓦斯。如果采空区密闭的质量不好，或其进、回风巷两侧通风压差较大， 就会造成采空区大量漏风、而把更多的瓦斯带出来，从而导致矿井瓦斯涌出量增大。（７）采场通风系统 根据进、回风巷是在煤体内还是在采空区内维护，可把采场通风系统划分为 四种基本类型：“进回皆煤”型、“进回皆空”型、“进煤回空”型与“进空回煤”型。 不论哪种类型，从开采层涌出的瓦斯几乎都是进入采场的，而邻近层与围岩涌出 的瓦斯可能是一部分进入采场，也可能是全部进入采场。此外由于采空区瓦斯被 风流带走的难易程度的不同，四种类型的瓦斯涌出量会有很大差别，当邻近层瓦 斯涌出量大时尤甚。 （８）矿井产量 矿井产量与瓦斯涌出量的关系比较复杂。就绝对涌出量来说，一般情况下， 矿井开拓初期，随着开拓范围的扩大而增加。矿井进入采煤生产阶段后，绝对瓦 斯涌出量大致正比产量。如抚顺胜利矿，以１９５２年平均日产量为１００，绝对瓦斯涌出量为２５ｍ３／ｍｉｎ。１ ９５４年日产量上升到１１ ７ｔ，绝对瓦斯涌出量为４０ｍ３／ｍｉｎ，增加了６０％，当矿井以稳定的产量生产时，绝对瓦斯涌出量也就达到一个数值， 这时短期内（如组织高产时）产量变化，对绝对瓦斯涌出量的影响不大。开采工 作逐渐收缩时，矿井对绝对瓦斯涌出量又随着产量的减少而减少，当达到某一数 值后就不再减少了。对于相对瓦斯涌出量来说，由式仃ｑｇ＝詈．ｆ（１一１）式中ｇ。一相对瓦斯涌出量，ｍ３／ｔ； Ｑ。一绝对瓦斯涌出量，ｍ３／ｄａｙ。可知，它的数值正比于绝对瓦斯涌出量，反比于矿井的产量。故受产量的影响较大。矿井开拓和生产初期，由于产量低，绝对涌出量可能不大，但是相对瓦 斯涌出量可能较大（可达２０＂－－－４０ｍ３／ｔ），这种情况下的相对瓦斯涌出量，实际意博士学位论文第一章绪论义不大，在矿井正常生产的情况下，也会有两种相反的情况出现，例如开滦林西 矿八水平１１年间尽管产量增长近１０倍，相对瓦斯涌出量一直维持在１．０～ １．５ｍ３／ｔ，变化甚微：而抚顺龙凤矿１９７０年９月份平均日产比８月份增加４９％， 绝对瓦斯涌出量仅增加７．５％，相对瓦斯涌出量却下降了３３．４％。一般说来，当 矿井开采具有一定规模后，如果矿井瓦斯主要来源于采落的煤炭，产量变化时， 对绝对瓦斯涌出量影响较明显，对相对瓦斯涌出量的影响则不明显。如果瓦斯主 要来自于采空区，产量变化时，绝对瓦斯涌出量变化较小，相对瓦斯涌出量则有明显变化。 １．２．３回采工作面瓦斯涌出来源分析１．２．３．１瓦斯涌出量定义 瓦斯涌出量是指在煤矿矿井建设和生产过程中从煤与岩石内涌出的瓦斯量， 对应于整个矿井的叫矿井瓦斯涌出量，对应于翼、采区或工作面的，称为翼、采 区或工作面的瓦斯涌出量。瓦斯涌出量大小的表示方法有两种［４３１：（１）绝对瓦斯涌出量绝对瓦斯涌出量是指单位时间内涌出的瓦斯体积，单位为ｍ３／ｄ或ｍ３／ｍｉｎ。 鲛＝ＱｘＣ／１００（１－２）式中Ｑ一绝对瓦斯涌出量，ｍ３／ｒａｉｎ；ｐ一风量，ｍ３／ｍｉｎ； Ｃ一风流中平均瓦斯浓度，％。 （２）相对瓦斯涌出量 相对瓦斯涌出量是指平均日产一吨煤同期所涌出的瓦斯量，单位是ｍ３／ｔ。ｇｇ２ｇ／呜（１－３）式中ｑｇ一相对瓦斯涌出量，ｍ３／ｔ：ｇ一绝对瓦斯涌出量，１１３３／ｄ： 以一日产量，们。相对瓦斯涌出量与瓦斯含量的物理含义是不同的，其数值也是不相等的。因 为瓦斯涌出量中除开采煤层涌出的瓦斯外，还有来自邻近层和围岩的瓦斯，所以 相对瓦斯涌出量一般要比瓦斯含量大。 １．２．３．２回采工作面瓦斯涌出来源分析 回采工作面的瓦斯涌出取决于煤层自然因素和矿山技术条件等诸多因素。一 般情况下，回采工作面瓦斯涌出包括三部分，即落煤瓦斯涌出、煤壁瓦斯涌出及９博士学位论文第一章绪论采空区瓦斯涌出【３３１。对于分层开采或一次不能采全高的工作，采空区瓦斯涌出又 可分为四部分，即围岩瓦斯涌出、未采分层瓦斯涌出、回采残煤瓦斯涌出和邻近 层瓦斯涌出，如图１．３所示。这四部分瓦斯随着采场内煤层、岩层的变形或垮落 而卸压，按各自的规律涌入采空区，混合在一起。然后，在浓度差和通风负压的 作用下涌向工作面。Ｉ回采工作面瓦斯涌出】 砖壁瓦斯涌出】【采空区瓦斯涌出］ｌ厂落煤瓦斯涌出 Ｉ，Ｉ、ｌ残煤 瓦斯涌出｜，、围岩 瓦斯涌出Ｌ ／ ＼未采分层 瓦斯涌出上下邻近层 瓦斯涌出Ｌ／图ｌ－３回采工作面的瓦斯来源构成示意图由于工作面回采而涌出的瓦斯，一部分来自于本开采层（煤壁与采落的煤 炭），另一部分来自于受采动影响的邻近煤层与围岩。前一部分涌出量由于落煤 工艺的不同而有较大的变化，据统计，与平均瓦斯涌出相比，在一般情况下，水 枪落煤为２－－－４倍，放炮落煤为１．４＂－－２．０倍；采煤机采煤时为１．３＂－＇１．６倍；风镐 落煤时为１．１～１．３倍，增加的倍数还与瓦斯来源的构成有关。本开采层的涌出量 在一个循环作业中因工序不同也有很大变化。 近距离高瓦斯邻近层卸压瓦斯的涌出具有时间突然、流量很高的特点，容易 造成瓦斯浓度超限或其他瓦斯事故。厚煤层分层开采时，也会出现类似于邻近层 瓦斯涌出现象，先采的第一分层的瓦斯涌出，不仅有本分层的瓦斯涌出，而且有 邻近尚未开采分层的瓦斯涌出，后采的分层由于其瓦斯已预先排出一部分，所以 瓦斯涌出量小得多。如果以全煤层相对涌出量的平均值为１，则辽源煤矿开采厚 煤层各分层的涌出量是，第一分层为１．８０，第二分层为１．０３，第三层为０．７０，第 四分层为０．４７；焦作中马村矿第一分层为１．４８，第二分层为０．９２，第三分层为 ０．６０；淮南矿区开采Ｇ，煤层顶分层为１．８，中分层为Ｏ．６３，底分层为Ｏ．５７。１．３瓦斯涌出研究现状１．３．１瓦斯涌出规律研究现状 我国在瓦斯涌出规律的研究发展史上，在煤层瓦斯含量测定、煤结构特征、 孔隙分布、比表面积、煤层瓦斯成分、矿井瓦斯涌出量预测、煤层气开发等方面， 取得了长足的发展【删。ｌＯ博士学位论文第一章绪论２０世纪５０年代，我国首次研制了１８８３密闭式岩心采取器，１９５４年建立了 容量法测定瓦斯吸附方法及装置，１９５６年建立了重量法测定瓦斯吸附量发放及装 置，１９５８年在１８８３密闭式岩心采取器基础上研制了抚顺――５８集气式岩心采取 器，同时研制了瓦斯含量真空密封罐、粉样球磨机、脱气仪，建立了全套地勘时 期煤层瓦斯含量测定方法和测定工艺，至今一直在全国煤田勘探中广为应用【４５－４７】ｏ１９５３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， １９５９年开展煤中瓦斯含量及其影响因素理论研究，探索煤中水分、孔隙率、煤阶、 温度等因素对瓦斯含量的影响【４１，４２，４引。１９５９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深部矿井瓦斯涌出量：１９５卜１９６４年先后完成了抚顺煤田、北票台吉矿、峰峰煤田、南桐煤田等矿区矿井深部瓦斯涌出量预测工作。此后， 矿山统计法在全国瓦斯矿井得到了广泛应用【４９Ｊ。１９５９年一１９６１年开展了压汞法测定煤孔隙结构的瓦斯基础理论研究，建立了压汞法测定煤的孔隙结构装置【５０，５１Ｊ。２０世纪７０年代应用扫描电子显微镜、显微光度计等先进手段研究煤的结构 特征，进行了地勘时期直接测定煤层瓦斯压力尝试。“六五’’期间（１９８１年一１９８５ 年），进行了煤的瓦斯解吸规律研究，提出了解吸法直接测定煤层瓦斯含量的新方法，手工编制煤层瓦斯含量等值线副５２】；在我国首次制定了ｗ卜８４解吸法的部颁标准【５３】；同时开展了煤层烃类组分与煤岩煤化关系研究【蚓，对北票、湖南、 重庆等全国重点高瓦斯矿区进行煤层烃类组份详细普查，结合煤层气开发探讨重 烃组份与煤岩成份及煤与瓦斯突出的关系，提出了判别煤层气的“苯指数＂指标。 两项技术均在地勘系统中得到了广泛应用。 “七五’’期间（１９８６年一１９９０年）开展了矿井瓦斯涌出量预测方法ＧＷＲＶＫ一１型瓦斯解吸仪及配套取样装备的国家“七五＂重点科技攻关研究【５５，５６Ｊ，提出了矿井瓦斯涌出量分源预测方法，研制了ＧＷＲＶｌ卜ｌ型等压瓦斯解吸仪、定点煤样采集器。瓦斯涌出量预测技术有了较大的发展，并得到了初步推广应用。 “八五”期间（１９９１年一１９９５年）主要开展“地勘瓦斯含量测定”、“矿井瓦 斯涌出时预测方法及规范＂、“自动地勘瓦斯解吸仪”、“微机绘制瓦斯地质图件和 煤矿瓦斯综合评价系统的研究＂等多项国家重点科技攻关项目１５７石１ｌ。在国内外首 次建立了提钻模拟瓦斯解吸装置，进行了提钻模拟解吸试验，研制成功了ＺＡＭＧ一１型自动化地勘瓦斯解吸仪，解决了５００－－１０００ｍ深孔瓦斯含量测定成功率低、准确性差的技术难题，使瓦斯含量预测准确率达到９０％以上。瓦斯涌出量预测在 分源预测基础上，提出了构造单元分源预测法，首次建立了全国统一的矿井瓦斯 涌出量预测方法和预测规范，将预测精度提高到８５％以上。在收集了我国２０个博士学位论文第一章绪论矿务局４５个矿井１ｌ万个综合瓦斯数据的基础上，建立了瓦斯地质图件和煤矿瓦 斯综合评价微机绘图处理系统及瓦斯基础参数数据库，实现趋势面优化、非规则 区域控制、地质构造区等直线编绘自动化。 “九五＂期间（１９９６年―２０００年），进一步研究了高产高效采煤工作面和综掘 工作面的瓦斯涌出规律，对回采工作面瓦斯涌出量引入工作面推进度修正系数， 研究了综掘落煤瓦斯的均匀性与落煤量、运煤速度、工作面长度有关。通过研究 完善了矿井瓦斯涌出量预测方法【６２ｌ。５０年的不懈努力，尤其是经过“六五＂、“七 五”、“八五”、“九五＂攻关，进行了含量测定、涌出量预测到矿井瓦斯地质图件 绘制全部实现微机化、自动化、规范化，形成了成熟、完善、配套的矿井瓦斯预 测技术，为新矿井设计、老矿井深部改造、矿井通风、瓦斯抽放设计提供了科学依据。１．３．２瓦斯涌出量预测技术研究现状 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。它是新建矿井和改建矿井通风设计、制定合理的瓦斯防治措施必不可少的环节。近年来，瓦斯涌出量预测技术越来越得到世界各产煤国的重视【６３】。各国投入 大量的人力财力进行技术攻关，取得了许多可供参考与借鉴的经验和研究成果。 如英国、德国、法国、波兰和俄罗斯等国很早以前就开始利用煤层瓦斯含量预测 矿井瓦斯涌出量的方法研究，陆续产生了从不同角度出发，研究适合各自国家煤 层条件的矿井瓦斯涌出量预测方法。 国外在煤矿瓦斯涌出量预测技术研究方面的技术水平及现状概述如下【删： （１）预测技术方法化、规范化：俄罗斯早在２０世纪８０年代初制定了针对不 同类型矿井及煤层赋存条件与生产条件的矿井瓦斯涌出量预测规范，以法规形式 规定煤层在开采时必须进行瓦斯预测工作；其它主要国家也研究建立适合各自国 情的预测方法。如：英国的艾黎（Ａｉｒｅｙ）法、德国的文特（Ｗｉｎｔｅｒ）法、美国的 匹兹堡矿业研究院法等。 （２）预测方法动态化：由于瓦斯涌出受时间、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：英国建立了考虑由时间和开采技术条件为影响因素的艾黎法；德国提出采掘 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 变化超前准备预测采掘工作面瓦斯涌出动态变化值，从而根据预测结果随时调整 工作面的风量采取合理的瓦斯处理措施，取得了良好的应用效果。 （３）预测内容多元化、综合化：在瓦斯预测时，不但预测煤层瓦斯含量、涌博士学位论文第一章绪论出量，而且还能预测煤层瓦斯分区分带特性、瓦斯储量，并且对矿井中长期瓦斯 涌出态势及防治对策作出评价。 我国的煤矿瓦斯涌出量预测起步较晚，在上世纪５０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。１９５３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，１９５９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。１９５９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。１９５９．１９６４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。１９７８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【６孓６ ７１。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 式最具有代表性。１９８６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【６８。。７０Ｊ。 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 国内研究现状来看，我国采用的传统矿井瓦斯涌出量预测方法主要有：矿山统计 法、瓦斯含量法、分源计算法和类比法。随着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Ｉ＿７１】，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、速度预测法、基于灰色系统理论的预测法以及基于遗传规划的预测法等。 １．３．２．１矿山统计法矿山统计法依据矿井瓦斯涌出量随开采深度变化的统计规律，外推到预测新 区瓦斯涌出量的一种方法【４２】。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，博士学位论文第一章绪论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，而且该方法还存在以下局限性： ①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１００－－，２００ｍ，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。 ②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。 １．３．２．２瓦斯含量法 以煤层瓦斯含量为基本预测参数的瓦斯含量法，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【７２１。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。 １．３．２．３分源计算法 分源计算法，是煤炭科学研究总院抚顺分院在借鉴国外矿井巷道预测法的基 究出的适合我国煤炭条件的煤层瓦斯涌出量预测方法。其实质是以煤层瓦斯含地 质与开采技术条件为基础，根据各基本瓦斯源（开采层、临近层、围岩）的瓦斯 涌出规律，分别计算采煤工作面、掘进工作面、采区以及矿井瓦斯涌出量。由于 分源计算法的计算公式采用的是经验公式，预测结果有时误差比较大。１．３．２．４类比法类比法认为：瓦斯生成、赋存、排放条件是受地质构造因素控制的出量的大 小，一方面受控于地质因素，另一方面受开采方法的影响也很个煤田或一个矿区 范围内，在地质条件相同或相似的情况下，矿井瓦斯瓦斯含量之间存在一个自然１４．博士学位论文第一章绪论比值，根据已知的矿井瓦斯涌出量可预测相质、开采条件的矿井瓦斯涌出量。类比法对矿井瓦斯涌出的预测精度很低，只能够作定性的分析【７３，７４１。１．３．２．５瓦斯地质数学模型法 瓦斯地质数学模型法的基本原理是【７３】：通过对瓦斯地质规律研究，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，对矿井未开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作为建模工具。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。数理化理论工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问题。采用数量化理论Ｉ建立预测瓦斯涌出量的数学模型具有比较广泛的适用性。在矿井生产阶段对深部未采区域进行瓦斯涌出量预测，瓦斯地质数学模型法可以充分利用瓦斯涌出量实测资料，综合考虑地质条件、开采深度等多种影响因素，提供较为可靠的预测结果。１．３．２．６速度法有学者认为：瓦斯涌出量预测指标的确定，建立在研究煤层中瓦斯的涌出机 理和涌出特性的基础上，从瓦斯涌出速度上着手解决。近年来应运而生的速度法， 正是一种新的以瓦斯动力学为理论基础的瓦斯涌出量预测方法【７５】。在采动影响的煤层中，瓦斯的运移主要取决于瓦斯的压力及煤的透气性，但 瓦斯在煤层中运移的动力学过程，最终反映在煤壁瓦斯涌出速度的变化上。因此， 瓦斯涌出速度随时间的变化，就成为煤壁瓦斯涌出的主要特征。初速度是反映煤层瓦斯涌出条件及最大动力的参数，是煤层瓦斯涌出强度的重要指标，可作为采、掘工作面瓦斯涌出量的预测指标来使用。可按下式对采掘工作面瓦斯涌出量做出预测：Ｑ：掣（１一Ｐ～２旷ａｂ）（１－５）Ｚ口式中：Ｑ６一采掘工作面瓦斯涌出量，ｍ３／ｍｉｎ；ｖｎ一瓦斯涌出初速度，ｍ３／ｍｉｎ；ｂ一包括移动煤擘在内的瓦斯排放带宽度，ｍ；，一工作面的长度，ｍ；Ｕ一平均推进度，ｍ／ｄａｙ； ａ一衰减系数。博士学位论文第一章绪论应用速度法预测瓦斯涌出量时，瓦斯涌出初速度ｖｎ及衰减系数ａ是两个重要 的特性参数，它们的测定准确与否将直接关系着预测精度的高低。但是现场精确 测量这两个参数是很困难的，因而其预测精度不一定能够保证，而且速度法只适 用于工作面绝对瓦斯涌出量的预测。 １．３．２．７基于灰色系统理论的预测法 灰色系统是指既含有已知的，又含未知的或非确知信息的系统。它是介于信 息完全知道的白色系统和一无所知的黑色系统之间的中间系统。矿井瓦斯涌出是 受多种素影响的动态变化过程，各因素间的关系是动态的、模糊的。灰色模型正 好能反映瓦斯涌出外延明确、内涵不明确系统的内在变化规律。灰色模型的高阶 微分项，也正能反映其动态变化过程【｜７６－７９１。 灰色系统所需数据样本量很少，在矿井瓦斯涌出量预测中，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，就可预测深部矿井瓦斯涌出量。１．３．２．８基于遗传规划的预测法 遗传规划是一种随机的、全局搜索迭代算法。它的基本原理是：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，构成群体的个体都有 一个适应度值。按照达尔文“物竞天择，适者生存”原则，用遗传算子处理高适 应度的个体，产生新的下一代群体，再对新的群体进行遗传操作，如此进化下去， 直到所给问题解或近似解在某一代出现为止。遗传规划最重要的特点是组成群体 的个体是一种动态的树状结构，树的结点是由终结点、原始函数与运算符组成。 其中终结点是将问题划分为子问题后最基本的元素。这种树状结构的层与结点都是可以变化的，可以通过遗传规划的方法来求得瓦斯涌出量与其影响因素之间的近似函数关系来预测瓦斯涌出量【８０Ｊ。 国内外的这些研究工作对指导现场瓦斯灾害防治无疑发挥了重要作用，然而，由于矿井瓦斯涌出规律和涌出量因地而异，影响瓦斯涌出的地质因素也很多，如地质构造、煤层厚度、煤体结构、埋藏深度等等，并且随着回采工作面的不断 推进，新的地质条件、新的开采规模、新的生产工艺等随之不断产生，所有这些 因素之间的非线性关系错综复杂，在不同的时刻各影响因素的相互作用均是动态 变化的，矿井瓦斯涌出量的变化并不按照某一特殊的规律或函数变化，传统的线 性分析方法基本上是以固定的线性关系来实现设定了各因素对瓦斯涌出结果的 映射关系，这显然存在其局限性，而诸如灰色理论、遗传规划等非线性分析方法， 或多或少又存在一些缺陷，如：灰色理论中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１８¨，而遗传规划对矿井瓦斯涌出量的预测要在明确矿井瓦斯涌出量的影响因素并且各因素可量化的情况下才能进行，对现场１６博士学位论文第一章绪论实测数据要求比较高。因此，为了有效地改变目前的这种状况，迫切需要正确把 握瓦斯涌出系统的内在信息，并采用新的科学方法和技术手段研究回采工作面瓦 斯涌出特性与规律，这对促进回采工作面瓦斯涌出研究水平的提高，改善矿井安 全管理水平具有迫切的现实意义和研究价值。１．４研究理论的选取回采工作面瓦斯涌出系统是随时间、空间动态发展的复杂系统，在回采工作 面瓦斯涌出的时空发展过程中，系统内部各要素之间及其与外部系统的相互作用 具有明显的非线性现象。例如，煤岩体受力破坏，应力、应变全过程的高度非线 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ｐ ｏ。。因此，只有从非线性的观点考察瓦斯涌出系 统的过程规律，对其特性进行预测与仿真，才能使人们对瓦斯涌出的内在规律的 认识更为深刻，并且其成果的获得这对煤矿安全管理工作也具有重要意义。 根据非线性动力学理论的观点，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变特性具有确定的对应关系，因此可以通过对反映回采工作 面瓦斯涌出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 或空间域罩重建系统的动力学特征，分析系统的内在特征，而混沌理论对解决这方面的问题具有独到的优势。在这种情况下，由于回采工作面瓦斯涌出动态数据 时间序列中数据顺序和数据大小含有大量系统动态演变过程的痕迹和特征信息，运用基于混沌理论的非线性方法对回采工作面瓦斯涌出相关动态数据进行分析， 研究回采工作面瓦斯涌出预测与仿真理论，其研究成果的获得和应用有助于解决回采工作面瓦斯治理问题。１．５本文主要研究内容本文主要选取淮北矿业集团海孜煤矿１１１０２４回采工作面和１１１０２３回采工作 面为研究区域。针对煤矿井下空间复杂结构及动态变化条件下瓦斯涌出特性与规 律，结合系统科学、安全科学和矿井通风与安全学等理论的原理辨识煤矿瓦斯涌 出各影响因素，应用非线性科学、现代应用数学、计算机科学等研究回采工作面 瓦斯涌出非线性动力学规律特征，建立基于混沌理论与支持向量机的瓦斯涌出时 间序列预测模型以及基于瓦斯涌出时空混沌行为的耦合映像格子模型，其研究成 果的获得将有助于如何采取有效措施防治回采工作面的瓦斯事故，从而正确指导煤矿的安全生产。１７博士学位论文第一章绪论本文主要研究内容为： （１）进行系统的调研，充分收集政府部门、煤矿企业以及学术机构相关的 瓦斯爆炸事故及相关资料，综合分析、总结瓦斯涌出的研究现状、现有防治理论 以及实践研究成果，提出适应回采工作面瓦斯涌出规律的研究理论； （２）结合回采工作面瓦斯涌出系统相关数据，运用丛集理论对该系统在孕 育过程中不同状态转化时的特性进行描述与分析，讨论传统瓦斯涌出时间序列分 析方法的局限性； （３）回采工作面瓦斯涌出系统一些特征表明，该系统具有与混沌系统的耦 合特征，如蝴蝶效应、非周期性、分形几何等，所以应用混沌理论中的相空间重 构、Ｐｏｉｎｃａｒｅ截面、返回映象、功率谱和自相关函数等数学方法对１１１０２４回采工 作面瓦斯涌出时间序列进行混沌特性研究和判别； （４）在获得１１１０２４回采工作面瓦斯涌出系统混沌特性的基础上，本文通过 Ｈｕｒｓｔ指数与Ｒ／Ｓ分析方法对１１１０２４回采工作面瓦斯涌出混沌时间序列进行可预 测性研究，并通过Ｌｙａｐｕｎｏｖ指数来确定该时间序列的可预报尺度，建立基于混 沌理论与人工神经网络的瓦斯涌出时间序列非线性预测模型以及基于混沌理论 与支持向量机的瓦斯涌出时间序列非线性预测模型，通过两个预测模型的预测结 果，进行对比分析，选择适合于回采工作面瓦斯涌出的预测模型； （５）混沌是自然界较为普遍存在的一种行为，它体现了系统的复杂性，如 果一个系统在时间上具有混沌行为，在系统长时问发展以后，其空间上也具有混 沌行为，那么它就具有时空混沌行为，时空混沌是自然界一种复杂而又普遍的现 象，目前一般用数学模型来定性描述。瓦斯涌出系统是时空混沌系统，它不仅在 时间维度上是混沌的，而且在空间维度上也是混沌的，因此采用耦合映象格子模 型对瓦斯涌出的时空复杂行为进行仿真研究，建立基于瓦斯涌出时空混沌行为的 耦合映像格子模型； （６）瓦斯涌出非线性预测模型和耦合映像格子模型的工程应用。１．６本文研究技术路线图本文研究的技术路线如图１．４所示。１８博士学位论文第一章绪论瓦斯涌出原理 与研究现状分析Ｊ传统瓦斯涌出时间序列 分析方法局限性分析Ｊｌ回采工作面瓦斯涌出系统与 ｌ 混沌系统耦合特征分析回采工作面瓦斯涌出 混沌特性判别／／＼＼Ｉ回采工作面瓦斯涌出ｌ非线性预测模型研究＼。▲／应用研究瓦斯涌出系统仿真研究Ｊ完成论文图１．４本文研究技术路线图１９博士学位论文第二章传统瓦斯涌出时间序列分析方法局限性分析第二章传统瓦斯涌出时间序列分析方法局限性分析根据非线性动力学的观点，仅当一个系统以某种足够的方式动作时，过去和 未来的差别（因此还有不可逆性）才能进入到对它的描述中【８２１，系统的状态才 能发生转折变换，重要事件才会发生。对于回采工作面瓦斯涌出系统，如果影响 该系统的相关因素比较稳定，从式（１．２）来看，作为该系统的重要子系统瓦斯浓 度时间序列反映出的活动状态也应该是比较稳定的，但当系统处于不稳定状态 时，系统内部会出现相干行为，使系统内部发生时间变异，出现既有成丛又有周 期和加速活动的多重混合状态，此时系统处于远离平衡的不稳定状态，其涨落变 得异常地大，小的触发因素就可引发瓦斯灾害事故。因此，正确识别瓦斯浓度时 间序列活动，从状态特征变化关系和非线性系统物理实质出发，分析研究瓦斯浓 度时间序列结构特征，识别瓦斯浓度序列活跃一平静变化的物理意义和前兆含 义，能够恰当对回采工作面瓦斯涌出系统在孕育过程中不同状态转化时的特性进 行描述与分析。这样，根据其分析特征能找出传统瓦斯涌出时间序列分析方法的 局限性所在。２．１分析方法Ｐｘｉｇｏｎｇｉｎｅ指出，远禹半衡念的转变现象是Ｉ司具有宏观范围关联作用的状态 联系在～起的。为了直觉地了解这一过程，有必要以涨落作为观测事物状态的探测器【８３１。（ａ） （ｂ）ｌ ｌ ｌ ｌ ｌ Ｉ Ｉ ｌ ｌ ｌ ｌ Ｉ Ｕ ＬＪ ＬＪ―Ｉ Ｌｊ ＬＪ ｌ 兰三！：！二 Ｌｊ Ｌｊ Ｌｊ ｌ ＬＪ ｌ Ｌｊ ＬｊＬｊ．（ｃ）ｌＩＬＪＬＪ Ｉ！三！：竺 ＬＪ Ｕ ｌＪｌ（由（ｅ）Ｕ ＬＪ ｌ至三竺兰三！：！！时间ｔＩ Ｌｊ（ＤＬｊ Ｌｊ Ｌｊ ｌＬｊＵＩ图２－１具有不同时间变异系数的事件序列（Ｍ＞Ｍｏ）示意图 （ａ）周期性（６＝ｏ）；（ｂ）准周期（Ｏ＜６＜Ｏ．５）；（ｃ）随机性增加过程（０．５＜６＜１）；（ｄ）临界丛集（６ ＝１１：ｆｅｌ显著丛集ｆｌ＜６＜１．研：ｍ强丛集ｆ６＞１．５０博士学位论文第二章传统瓦斯涌出时间序列分析方法局限性分析在概率统计中有两个重要的具有统计性质的量，即方差和协方差，方差可用 来度量相对均值涨落的重要性，协方差可用来度量系统不同区域间的相关程度。 协方差为零，意味着完全没有空间相关性，属理想的泊松分布，是无序的典型。 同时可以引用数理统计学中变差系数或称之为时间变异系数【脚８６１，即 万：兰！堡２ｉ（２．１）式中，ｘ为事件序列中各次显著事件间的时间间隔，Ｔ＝‘＋。－ｔ，＝ｘ，瓯（或 仃，）是显著时间间隔的标准差，ｉ是平均的时间间隔。图２．１是时间变异系数万 不同情况下事件序列示意图。 当６＝Ｏ时，事件为周期活动状态，当万数值在０和１之间时，特别在０和 ０．５之间时，表示瓦斯涌出序列是一种具有准周期的序列，０．５＜６＜１是瓦斯涌出 系统随机性增加的反映，是由准周期状态向随机状态（万＝１）的过渡。（１）泊松随机过程（万＝１）事件当符合泊松分布时，表明事件之间没有关联作用，是无序的典型。在单 位时间内事件的次数刀的概率分布密度是熟知的泊松分布ｊ开ｆ（ｎ）＝÷Ｐ以 刀！等价地，事件之间的时间间隔丁的概率分布密度是负指数分布（２―２）一。０舸）：２ｅ－盯ＤｏＩ（２－３）Ｔ≤０Ｊ力的均值和方差ｏｒ２是五；Ｔ的均值Ａ一，方差ｏｒ２为力ｔ。因此，对于泊松随机分 布，时间变异系数万＝ｏ＇／２＝ｌ（ｉ为７１的均值）。从式（２．３）可见，并不是所有区间 事件发生的可能性都一样，短时间间隔比长时间间隔更可能出现。这意味着事件 以较长时间间隔分成小群成丛地发生。因此，泊松过程不是均匀分布的，而是有 一定的成丛现象，但并不表示较密事件的依赖性比大间隔事件之间更大‘８７１。它们 都是独立的平稳的随机事件，下一次事件与现在事件及过去事件没有任何关联。 事件群体和各事件之间在时间、空间和强度上都是独立的。是一种没有自组织的 无序行为。 因此，泊松随机成丛模式比较适合描述无非平衡约束条件，但是万＝ｌ不等 于就是泊松随机分布，它也可能是临界丛集状态的重要指标。 （２）临界丛集（万＝１） 因为仅当一个系统以某种足够的随机方式动作时，过去和未来的差别（因此 还有不可逆性），才能进入对它的描述中，系统的状态才能发生转折变换，重要 事件才会发生。万＝ｌ表明系统已具有足够的随机性，但这个足够的随机性必须２ｌ博士学位论文第二章传统瓦斯涌出时间序列分析方法局限性分析脱离泊松分布的无序状态，与泊松分布有较大的偏离，并且越来越显著。若协方 差不为零，意味事件在空间上出现关联作用开始发生群集，若事件时间间隔出现 幂型分布，方差较大地偏离均值，则表示时间上事件有较明显的丛集，并且系统 具有自相似性。在非平衡约束条件下，在相继发生的事件引起应变能进一步调整 和集中的反馈作用下，结果对泊松规律的偏离得以维持，而且越来越大，使系统 演化到时间变异系数６＝１的临界状态。它既包含了“过去”事件的影响，也包 含了“未来”新状态的因素，是过去、现在和未来不同状态的综合反映。如果这 时在某种（随机）因素的触发作用下，状态将发生转折、突变，发生进入万＞１的能 量大释放的新状态。 正如Ｐｘｉｇｏｇｉｎｅ所指出的，“现在＂只包含着来自过去的贡献和来自“邻近的＂ 将来贡献。这是与决定论体系不同的，在那里现在即意味着过去和将来【３８】。 （３）显著和强丛集状态（万＞１） 这是应变能量跳跃大释放和逐渐衰减过程的反映，其丛集行为表现出更强的 密集，更长时间的平静间隔，以及长时间拖尾现象，说明即使是过去了很长时间 仍残存着状态改变开始时的影响。２．２分析与讨论２．２．１数据准备本节研究数据来自淮北矿业集团海孜煤矿１１１０２４回采工作面瓦斯浓度监测 数据。１１１０２４回采工作面位于海孜煤矿ＩＩ １０２采区西翼二区段，上区段为ＩＩ１０２２采空区。工作面浅部至ＩＩ １０２４风巷（沿ＩＩ １０２２机巷施工），东到ＩＩ １０２采区上山保护煤柱，西至ＩＩ １０２４切眼，深部到ＩＩ １０２４机巷（１１１０２４回采工作面平面图见 附录一）。标高上限为．５９３ｍ，下限为－６５３ ｍ，走向长５５０ ｍ，倾斜长１６５ｍ。 １１１０２４回采工作面采用的是“Ｕ’’型通风方式。在这种通风方式下，进入工 作面的风流分为两部分，一部分沿工作面流动；另一部分进入工作面的采空区， 在采空区内部沿一定的流线的方向流动，在工作面的后半部分，进入采空区的风 流逐渐返回工作面。整个回采工作面流线分布如图２．２所示。 可见，进入采空区的风流通过在采空区内的气流交换过程，逐渐返回工作面， 最后汇集于采面上隅角，所以，工作面上隅角为采空区瓦斯流入工作面的汇合处。 经过现场观察，采面上隅角靠近煤壁和采空区侧，风流速度很低，局部处于涡流 状态（如图２．３所示）。这种涡流使采空区涌出的瓦斯难以进入到主风流中，从 而使高浓度瓦斯在上隅角附近循环运动而聚集在涡流区中，形成了上隅角的瓦斯积聚。博士学位论文第二章传统瓦斯涌出时间序列分析方法局限性分析Ⅱ１ ０２４风巷图２－２ １１１０２４回采工作面流线分布图因此根据１１１０２４回采工作面地质情况及瓦斯涌出规律，本研究在该工作面布置三个测点，分别在采煤工作面、工作面上隅角以及工作面回风巷距工作面１２０ｍ 处，测点布置如图２－４所示。图２－３ １１１０２４回采工作面上隅角风流状态图２－４ １１１０２４回采工作面上隅角风流状态本节将应用这些测点所得到得数据对回采工作面瓦斯涌出系统进行时间结 构特征研究，各测点数据见表２．１，表２．２，表２．３。博士学位论文第二章传统瓦斯涌出时间序列分析方法局限性分析表２－１ Ｈ１０２４回采工作面测点１瓦斯浓度数据２４博士学位论文第二章传统瓦斯涌出时间序列分析方法局限性分析表２－２ Ｈ１０２４回采工作面测点２瓦斯浓度数据博士学位论文第二章传统瓦斯涌出时间序列分析方法局限性分析表２－３ １１１０２４回采工作面测点３瓦斯浓度数据博士学位论文第二章传统瓦斯涌出时间序列分析方法局限性分析２．２．２数据分析 对１１１０２４回采工作面１、２、３个测点的数据进行分析，３个测点瓦斯浓度变 化如图２．５、图２－６和图２．７所示，３个测点的瓦斯浓度相对偏高，而且测点２的 最高瓦斯浓度达到了１．２１％，超过了规定标准。 由图２．５、图２．６、图２．７可知，该回采工作面确定存在着瓦斯浓度的丛集密 集与平静交替出现的现象，即瓦斯涌出系统存在着在活跃幕较集中与在平静幕中 较分散的物理图像，但也存在一个活跃幕如何划分更为合理及使用何种标准去衡 量其合理性的问题，即在具体划分时存在掌握标准因人而异的问题。鋈趟 ※ 菇坛序列 图２－５测点１瓦斯浓度变化图鋈赵 《 菇堪序列 图２－６测点２瓦斯浓度变化图２７博士学位论文第二章传统瓦斯涌出时间序列分析方法局限性分析鋈蜊 蠖 疑斌序列 ２．７测点３瓦斯浓度变化图万值的起算时间点的选择是很重要的，一般选择显著瓦斯浓度发生的前后时 间，根据各序列演变的特点，并为了避免计算量过大的情形，选取测点１以序列 中瓦斯浓度Ｃ≥Ｏ．８９％为分界点，分段研究瓦斯涌出演变的非线性时间结构关系； 测点２经常持续多天瓦斯浓度相对偏高，起算时间点就要视具体情况而定，如该 时间序列在２０４到２７１之间，１．２１的瓦斯浓度对全局的“控制力＂显然要大于其 他瓦斯浓度，所以以１．２１的瓦斯浓度点为界限计算万。；测点３以序列中瓦斯浓 度Ｃ≥Ｏ．８５％为分界点，分段研究瓦斯涌出演变的非线性时间结构关系，得各分析图如２．８一图２．１４所示。１．Ｏ ０．９ Ｏ．８ ０．７ ２ Ｏｌ８ ６１ｌ ４莲｛醚０．６ｌ２蠖凄０．５０．４ Ｏ．３ ０．２ Ｏ．１ Ｏ．Ｏ ５０ ｌＯＯｌｌ ＯＯ８ ６ ４ ２ ０ＯＯＯＯ５０２００序列图２－８测点１序列１－２１４瓦斯浓度随时间变化图及时间变异曲线博士学位论文第二章传统瓦斯涌出时间序列分析方法局限性分析１．０２．０ １．８ １．６ １．４ １．２０．９０．８０．７蓬０．６ 越的黎鬟瞳ｏ．５１．０髭留０．６ ０．４ Ｏ．２ Ｏ．０２５０ ３００ ３５０ ４００ ４５０ ５００ ５５０锹０．４０．８厘０．３０．２０．１０．０序列图２－９测点１序列２１５－５６９瓦斯浓度随时问变化及时间变异曲线莲 型 殛 糠 窿∞籁 髅皿ｋ ｛争（庭 苔图２．１０测点２序列１－２０３瓦斯浓度随时闻变化及时间变异曲线１．２２．０ １．８１．Ｏ１．６ １．４０．８ １．２ 述越瑾壕回 ０．６ １．Ｏ ０．８ 的籁帐昧锹垦譬 ０．４ Ｏ．６ ０．４ ０．２ ０．Ｏ ２２５ 序列 ２５０ ０．０Ｏ．２图２―１ｌ测点２序歹Ｉ］２０４．２７ｌ瓦斯浓度随时问变化及时间变异曲线述戗疑壕皿婚籁幡昧锹垦窖图２―１２测点２序列２７２－５６９瓦斯浓度随时间变化及时间变异曲线博士学位论文第二章传统瓦斯涌出时间序列分析方法局限性分析２．０ １．８ １．６ １．４ １．２ 莲”瑙蛏 壕 越籁１．０溪０．８ Ｏ．６ ０．４ ０．２ ０．Ｏ 制 厘 莒图２．１３测点３序列１－３２１瓦斯浓度随时间变化及时间变异曲线ｃｏ述｛哒 蛏 壕 嫁籁１躐咻制厘 ‘蓉图２．１４测点３序列３２２．５６９瓦斯浓度随时间变化图及时问变异曲线３ｌ博士学位论文第二章传统瓦斯涌出时间序列分析方法局限性分析由万值计算公式可知，当８＝０时，序列为周期性活动状态；０＜８≤０．５时，序列为准周期状态；０．５＜８＜１时，显示序列随机性的增加过程；万＝１时，序列 为临界丛集（随机）状态；Ｉ＜８≤１．５时，序列为显著丛集状态；８＞Ｉ．５时，序 列为强丛集状态。将万≈ｌ视为序列变异的标志，则三个测点的瓦斯浓度时间序 列变异系数万值有以下特征： （１）万值的变化过程有３种形式。①８＞Ｉ，序列显示显著丛集或强丛集状 态，随后万值逐渐降低并小于ｌ，即０．５＜８＜１，序列的随机行为在逐渐增强，在 下一个显著丛集状态前８＝Ｉ或万≈１，序列处于完全随机状态（图２．８、图２－９、图２－１４）；②序列在显著丛集状态（８＞Ｉ）和强丛集状态之间持续变异（图２．１１）； ⑧０．５＜８＜ｌ，序列的随机行为逐渐增强，并逐渐增强到显著丛集状态（图２．１３）： ④万≈ｌ，序列长时间处于显著的随机临界丛集状态（图２．１２）；⑤０．５＜８＜Ｉ，序列长时间处于完全随机状态（图２．１０）。 （２）三个测点的时间变异系数万值大都处于Ｉ＜８≤１．５，为显著丛集状态， 三个测点中，瓦斯涌出有两次呈现持续强丛集状态，均在测点２中瓦斯浓度Ｃ≥１ 的时间点附近，在瓦斯涌出的活跃期，艿值均表现持续变异状态。 （３）测点２瓦斯浓度时间序列变异特征相对较明显，测点１次之，测点３ 瓦斯浓度时间序列变异特征不明显。 ２．２．３讨论 瓦斯浓度序列时间结构变异系数万值的复杂变化特征，表明了瓦斯涌出在时 间或空间不断发生变异，呈现出复杂的非线性特征，所以如果仅仅利用传统的时 问序列分析方法建立瓦斯涌出量与其影响因素之间的线性关系对回采工作面瓦 斯涌出特性及规律进行分析，很难解决生产过程中通风与瓦斯管理问题。因为传 统的时间序列分析方法如自回归分析方法、滑动平均方法等【８蚋２１，都是针对具体 变量在特定时间段的变化特征进行分析和拟合，并通过外推的方法对其未来的变 化进行分析。这些方法所构造的模型结构和拟合精度严重依赖于所研究的具体时 间序列，即使对于同一个系统而言，观测变量和时间范围的改变也将使得所得到 的模型面貌产生较大的变化，从而使得这些方法在对复杂系统的研究中受到很大 局限。实际上，传统的方法研究的是描述复杂系统的个别变量在特定时间范围的 局部变化特性。对于描述不同观测变量在不同时间范围内产生的时间序列之间所 蕴藏的系统内在的某种共性，传统的时间序列分析方法是无能为力的，因此只有 从非线性理论的角度来考察瓦斯涌出系统特性与规律，才能对其采取行之有效的 措施进行治理。３２博士学位论文第二章传统瓦斯涌出时间序列分析方法局限性分析２．３本章小结根据瓦斯涌出的原理、影响因素、回采工作面的瓦斯涌出来源以及研究区域 情况，本章在１１１０２４回采工作面布置３个测点，分别在采煤工作面、工作面上 隅角以及工作面回风巷１２０ｍ处，对该回采工作面３个测点的瓦斯浓度序列进行 时间结构变异系数特征分析发现，艿值的复杂变化特征表明在瓦斯涌出在时间或 空间不断发生变异，呈现出复杂的非线性特征。如果仅仅利用传统的时间序列分 析方法建立瓦斯涌出量与其影响因素之间的线性关系对回采工作面瓦斯涌出特 性及规律进行分析，很难解决生产过程中通风与瓦斯管理问题，传统的时间序列 分析方法存在局限性，因此只有从非线性理论的角度来考察瓦斯涌出系统特性与 规律，才能对其采取行之有效的措施进行治理。博士学位论文第三章瓦斯涌出系统与混沌系统耦合特征分析第三章瓦斯涌出系统与混沌系统耦合特征分析回采工作面瓦斯涌出因地而异，影响瓦斯涌出的地质因素也很多，如地质构 造、煤层厚度、煤体结构、埋藏深度等等，并且随着回采工作面的不断推进，新 的地质条件、新的开采规模、新的生产工艺等随之不断产生，所有这些因素之间 的非线性关系错综复杂，所以为了准确把握瓦斯涌出特性与规律，必须从瓦斯涌 出系统中所体现的非线性现象出发，寻求与之相耦合的非线性科学理论对其进行研究。３．１瓦斯涌出系统与混沌系统耦合特征分析瓦斯涌出系统是一个复杂系统，它的状态随时间的推移和空间的改变构成了 整个演变过程，其中存在许多不确定因素，而瓦斯涌出量是这些不确定因素共同 作用下结果的体现。图３．１为淮北矿业集团许疃煤矿７１２６回采工作面的相对瓦斯涌出量ｑ删。及绝对瓦斯涌出量％。综合分析图。图３－１７１２６回采工作面相对瓦斯涌出量ｑ凹．及绝对瓦斯涌出量％．分析图从分析图形可以看出，瓦斯涌出在不同的回采区、带在时间域方面均表现出 明显的平静与活跃交替的丛集现象，其瓦斯涌出的变化起伏较大且呈现出复杂博士学位论文第三章瓦斯涌出系统与混沌系统耦合特征分析性，具有非线性特征，无论是在构造区域内回采，还是在在其他区域回采，相对 瓦斯涌出量和绝对瓦斯涌出量均表现出较明显的不稳定性及系统演变的不规则 性，也就是说其系统的演变不具有明显的规律性，它们在运动过程中不重复原来 的“轨迹”，具有明显的非周期性特征。 回采工作面瓦斯涌出系统是随时间、空间动态发展的复杂系统，在不同的时 刻各影响因素的相互作用均是动态变化的。在工作面推进过程中，由于推进方向 的煤岩层结构和赋存条件的不可知性和不可预测性，作业人员所承担的责任风险 与开采技术条件不承担事故风险的不对称性在这里得到高度的体现。一旦初始条 件形成后（比如来自煤层或岩层的瓦斯涌出量的增大），如果矿井通风系统（包 括采掘工作面的局部通风系统）没有作出符合实际的动态调节来稀释涌出的瓦 斯，就会形成瓦斯积聚状态，构成瓦斯爆炸事故的第一条件。当另外两个条件具 备的时候，将无法控制的灾难突发性地降临，从而形成最具显著特点的从原始条 件演变到不可预测后果的事故现象，即混沌理论中的“蝴蝶现象’’。 另外在回采工作面瓦斯涌出的时空演变过程中，系统内部各要素之间及其与 外部系统的相互作用也具有明显的混沌现象，例如，煤岩体受力破坏，应力、应 变全过程的高度非线性的不可逆性、不规则性；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现象；影响瓦斯涌出的各因素之 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。 回采工作面瓦斯涌出系统与混沌系统的耦合特征，如：蝴蝶效应、非周期性、 分形几何等，证明了回采工作面瓦斯涌出混沌理论研究的可行性，而且有也只有 从非线性理论的角度来考察瓦斯涌出系统特性与规律，才能采取正确的措施来解 决回采工作面的瓦斯治理。３．２混沌理论综述现代非线性理论问题诞生于２０世纪６０年代，到８０年代得到了完整的、重 视的系统研究，人们通过对一些典型的非线性范例（如Ｌｏｒｅｎｚ奇异吸引子等） 的深入分析，发现了极其丰富的非线性现象，提出和发展了多种研究非线性现象 的非线性理论，同时开发了数值计算方法和模拟技术，使得非线性理论在２０世 纪末得到了蓬勃的发展，并对非线性理论和工程技术应用领域产生了十分深刻的 影响，为与其他学科的交叉和应用研究提供了强大的理论基础和工具【９３母６Ｊ。非线 性科学理论对于自然界和社会现象的认识有着不同于传统科学的思想，比如关于非直接因果关系的思想和关于简单和复杂、确定与随机统一的思想掣９６Ｊ，除了能够解释与说明传统科学理论所能解释与说明的现象与问题之外，还能够解释与说 明传统科学理论所不能解释与说明的许多复杂现象或问题，被公认为是２０世纪博士学位论文第三章瓦斯涌出系统与混沌系统耦合特征分析｛鬻ｐ－，博士学位论文第三章瓦斯涌出系统与混沌系统耦合特征分析第一个实例。前者讨论的是保守系统，而洛沦兹方程讨论的是耗散系统，它们分 别从不同的角度说明，两种不同类型的动力系统，在长期的演化过程中是怎样出 现混沌状态的。．１９６４年，法国