（计算机应用技术专业论文）基于svm的煤与瓦斯突出预测模型研究.pdf

论文题目：基于s v m 的煤与瓦斯突出预测模型研究 专业：计算机应用技术 一j 厂 硕士生：朱莉( 签名)坠娄1 指导教师：龚尚福( 签名) 缝丝 摘要 煤与瓦斯突出是引发煤矿重大恶性事故的隐患，在防突治理方面，如何提高瓦斯突 出危险性预测的精度，使防突措施减少盲目性，增强针对性的研究工作是有实用意义的。 煤与瓦斯突出预测问题是一个受多种因素综合影响的复杂的、非线性的、高维问题， 传统的方法往往难以奏效，寻求一种有效的煤与瓦斯突出预测方法一直是煤矿地质工作 者积极探索的研究方向。 本文在分析了煤与瓦斯突出机理和影响因素的基础上，把统计学习理论的最新方法 一支持向量机，应用于煤与瓦斯突出的预测中，为解决矿井瓦斯突出预测问题提供了一 条新途径。 本文主要开展了以下几个方面的工作：首先了解了煤与瓦斯突出机理；分析了与瓦 斯突出相关的各个影响因素，对基于支持向量机的几种多分类方法的性能进行研究和比 较；接着采用“一对一”机制，对现有分类经典算法从分类级别上进行改进，并运用 m a t l a b 语言编程实现了本预测模型所需的多类支持向量机算法。最终根据研究区的 自然地理情况，利用网格搜索法和交叉确认法确定输入因子，选取合适的核函数和核参 数，构建了煤与瓦斯突出预测模型，并完成预测实验，结果与多种预测算法相比较，该模 型的预测准确性较高，表明本文所用的支持向量机用于煤与瓦斯突出预测的方法是可行 的，将为进一步探索切实有效的煤与瓦斯突出预测方法提供一定的参考价值。 关键词：支持向量机；多类分类；预测：煤与瓦斯突出：预警模型 研究类型：应用研究 s u b j e c t ：p r e d i c t i o nm o d e lo fc o a la n dg a so u t b u r s tb a s e do ns u p p o r t v e c t o rm a c h i n e s s p e c i a l t y ：c o m p u t e ra p p l i c a t i o nt e c h n o l o g y n a m e：z h ul i i n s t r u c t o r ：g o n gs h a n g f u a b s t r a c t ( s i g n a t u r e ) 哆从目 ( s i g n a t u r e ) c o a la n dg a so m b u r s ti sh i d d e nd a n g e rt h a tl e a d st om a j o rc o a lm i n ea c c i d e n t s i nc o a l a n dg a so u t b u r s tp r e v e n t i o n ，t h er e s e a r c hi so fp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c ef o ri n c r e a s i n gt h e a c c u r a c yo fp r e d i c t i o no fc o a la n dg a so u t b u r s tr i s k ，r e d u c i n gt h eb l i n d n e s sa n de n h a n c i n g t a r g e t e di np r e v e n t i o nm e a s u r e s t h ep r e d i c t i o no f c o a la n dg a so u t b u r s ti sac o m p l i c a t e d ，n o n l i n e a ra n dh i g hd i m e n s i o n a l p r o b l e m ，a n da l s os y n t h e t i c a l l ya f f e c t e db ym u l t if a c t o r s i ti so f t e nd i f f i c u l tt os o l v ew i t h t r a d i t i o n a lm e t h o d s i ti sa na c t i v er e s e a r c hd i r e c t i o nf o rt h em i n eg e o l o g i s t st os e a r c ha n e f f e c t i v em e t h o df o rp r e d i c t i o no fc o a la n dg a so u t b u r s t an e ww a yt os o l v ep r e d i c t i o no fc o a la n dg a so n t b u r s ti sp u tf o r w a r di nt h i st h e s i s m e c h a n i s ma n di n f l u e n c i n gf a c t o r so fc o a la n dg a so u t b u r s tw e r ea n a l y z e da n dt h el a t e s t s t a t i s t i c sl e a r n i n gt h e o r y - - s u p p o r tv e c t o rm a c h i n e s ( s v m ) w a su s e d ，ap r e d i c t i o nm e t h o d o fc o a la n dg a so u t b u r s tb a s e do nt h es v mi ss t u d i e da n dp r o p o s e d t i l em a i nr e s e a r c ha c h i e v e m e n tc a nb ei n clu d e da sf o llo w s ：f i r s to fa 1 1 t h em e c h a n i s m a n di n f l u e n c i n gf a c t o r so fc o a la n dg a so u t b u r s tw e r ea n a l y z e d ，s e v e r a lm u l t i - c l a s s - c l a s s i f i c a t i o nm e t h o d sb a s e do ns v mw e r er e s e a r c h e da n dc o m p a r e da b o u tt h ep e r f o r m a n c e ， a f t e rt h a t ，、) r i t i lo n e - a g a i n s t - o n em e c h a n i s m ，i m p r o v e dt h ee x i s t i n gc l a s s i c a la l g o r i t h mf r o m t h ec l a s s i f i c a t i o nl e v e l t h em u l t i c l a s sc l a s s i f i c a t i o na l g o r i t h mr e q u i r e dt h i sp r e d i c t i o n m o d e lb a s e do ns v mw a si m p l e m e n t e dw i t hm a t l a b p r o g r a m m i n g ，f i n a l l y ，a c c o r d i n gt o t h ec i r c u m s t a n c e so fp h y s i c a lg e o g r a p h yi nt h es e l e c t e da r e ao fc o a lm i n e ，f a c t o r sa s m i n i m u mc o m b i n a t i o nf o rp r e d i c t i o nw e r ee x t r a c t e df r o mc o a la n dg a so u t b u r s ta f f e c t i o n f a c t o r ss e tb yf e a t u r es e l e c t i o n ，面ds e a r c ha n dt h ec r o s sv a l i d a t i o nw e r ea d o p t e dt os e a r c ht h e b e s tp a r a m e t e r so fs v m ，a n ds u i t a b l ek e m e lf u n c t i o na n dp a r a m e t e r si nt h ef o r e c a s tw e r e s e l e c t e d t h i sp a p e re s t a b l i s h e sap r e d i c t i o nm o d e lo f c o a la n dg a so n t b u r s t t h i se x p e r i m e n t o b t a i n sb e t t e re f f e c ti na c c o r d a n c ew i t hp r o c e d u r ei nt h i sf o r e c a s t a n dc o m p l e t e dt h e e x p e r i m e n t a l ，t h er e s u l t ss h o wt h a tt h eb a s e d o ns v mh a se f f e c t i v e l yi n c r e a s e dt h e f o r e c a s t i n gp r e c i s i o nc o m p a r e dw i t hav a r i e t yo fp r e d i c t i o na l g o r i t h m s i ti sf e a s i b l et op r e d i c t o u t b u r go fc o a la n dg a s t h em e t h o dp r o v i d e sr e f e r e n c ev a l u et of u r t h e re x p l o r et h ep r a c t i c a l a n de f f e c t i v ep r e d i c t i o no fc o a la n dg a so u t b u r s t k e y w o r d s ：s u p p o r tv e c t o rm a c h i n e s m u l t i - c l a s sc l a s s i f i c a t i o np r e d i c t i o n c o a la n df a so u t b u r s t e a r l yw a r n i n gm o d e l t h e s i s ：a p p l i c a t i o nr e s e a r c h 要料技大学 学位论文独创性说明 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t 作及 其取得研究成果。尽我所知，除了文巾加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人或集体已经公开发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西安科技大学 或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。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做了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：习涵 日期：a 阳d 弓 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阅 论文工作的知识产权单位属于西安科技大学。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。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西安科技大学。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名：沫勃 勿肛 参石 麝唯 1 工 名签苻o y教导指 1 绪论 1 1 问题的提出 1 绪论 煤与瓦斯突出，简称突出，是一种极其复杂的动力现象，它是指煤和瓦斯在极短的 时间向巷道或工作面大量涌出的过程。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，这种动力现象发生时间短， 煤和瓦斯向空间抛出或放散的速度快，发生突出后人员很难迅速反应并逃生，所以这种 事故对人员造成的威胁是非常严重的，是煤矿安全生产中的主要制约因素。煤与瓦斯突 出不仅对煤矿安全带来很大的威胁，同时对煤矿的生产造成很大的影响，煤与瓦斯突出 严重地影响巷道掘进速度和采煤工作面的推进速度，给矿井的采掘接替的正常衔接带来 了很大的困难。同时由于突出的影响，使煤矿在安全装备上要有更大的投入，使煤矿在 突出防治措施上要花费更大的精力，这就需要突出矿井要花费更多的人力和财力用于突 出防治。由此可见，一方面突出影响煤矿的采掘速度，造成煤矿生产衔接紧张，降低煤 炭产量，制约了煤矿经济效益的发展，另一方面防治突出又要耗费大量的人力和财力， 要增大投入，这就使各突出矿井的经济状况越来越差，于是出现了安全及生产中防治突 出的经费不足，措施不到位，造成了煤与瓦斯突出事故频繁发生的局面。这是由于煤与 瓦斯突出而造成的种恶性循环。 随着煤与瓦斯突出的迅速扩展，人们对突出的认识也逐渐增强。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，现场存在着相当一些特殊的突出现象也无法解释，问题还远远没有得到彻底解 决。 在煤与瓦斯突出防治方面，我国已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n 3 。“四位一体”综合防突 措施的总体思路是先进行突出预测，在预测有突出危险的地区采取防突措施，防突措施 实施后进行效果检验，个体防护措施贯穿防突工作的整个过程。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、区段) 三个层次。根据预测结果分别将矿井、 煤层和采区或区段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，必须采取防治突出的措施和进行防 突效果检验。“四位一体的综合防突措施的意义在于：解决了防突措施的盲目性， 国内外开采实践表明，煤与瓦斯突出的发生呈区域性分布，而灾害发生区域只占整个开 西安科技大学硕士学位论文 采区域的8 - - - 1 2 乜1 。随着开采深度和开采强度的增加，发生突出的区域有增加的趋势。 在突出煤层开采的过程中只有很小的区段才发生突出。在对突出区域分布的性质未认识 或无预测突出危险性方法的条件下，要求在突出煤层采掘工作中普遍地采用防突措施是 合理的，但这样做的结果具有一定的盲目性，由于在本无突出危险的区域采用了防突措 施，导致了人力财力的浪费也制约了突出矿井生产的发展1 。随着突出预测水平的提高， 把突出预测作为综合防突措施的第一个环节，其目的是确定突出危险区域和地点，使防 突措施更加具有针对性。及时采取防突措施。综合防突的第二个环节是防突措施，既 在预测有突出危险的区域采取防止突出措施，预防突出的发生。进行效果检验，确保 防突措施不失效。采取了防突措施后，防突措施起到了什么样的作用，是否消除了突出 危险性，利用效果检验进一步核查，其可靠程度有了保障。最大限度地保障人的生命 安全。 但是在“四位一体的综合防突措施的执行过程中，由于受到突出预测技术水平的 限制，在部分地区对煤炭的生产产生较大的影响。目前的突出预测方法是在多次现场实 验中统计分析得出来的，缺乏突出机理的支撑，造成预测方法和指标体系有所偏差，直 接的结果就是预测临界值长期超标。过分强调预测非突出率必须达到1 0 0 ，没有明确定 义突出危险地点的标准，一味地在预测时降低预测指标的临界值以保证在任何诱导因素 作用下都不突出，使预测指标的临界值过低，造成掘进时超标次数过多，人为地增加了 防突措施的实施次数及工程量，影响掘进速度。再加上突出预测指标选择及临界值确定 不准确以及某些关键性指标测试难以把握，所以造成了突出预测水平的缺陷，造成了安 全与生产之间的不协调，给煤矿的经济效益造成了较大的影响。 煤与瓦斯突出预测是一项系统工程，目前国内外在局部检测和解危措施方面的研究 已近成熟，从防治煤与瓦斯突出方面看，这些方法都是有效的，但就实施而言仍存在一 定的难度，处于一种被动的低层次治理状态。而区域预测正可弥补煤与瓦斯突出研究工 作中的这一不足。因此首先在宏观上，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。在预测出的危险区域，研究采取其它行之有效的措施和方法，最终达到消除煤 与瓦斯突出的目的。 1 2 论题的研究意义 煤炭是我国能源的主体，在国家能源中长期发展规划纲要( 2 0 0 4 2 0 2 0 年) 中己 经确定，中国将“坚持以煤炭为主体、电力为中心、油气和新能源全面发展的能源战略 b 3 。显然，煤炭工业是我国的基础产业，其健康、稳定、持续地发展是关系到国家能源 安全的重大问题。在我国的一次能源消费结构中，煤炭约占6 7 ，预计2 0 5 0 年仍将占5 0 以上h 1 。因此，煤炭在相当长的一段时期内将一直是我国居支配地位的主要能源国民经 2 1 绪论 济的快速发展对煤炭的需求日益增加。 一方面由于产业结构的调整，煤炭生产正朝着高效集约化的方向发展，瓦斯煤尘爆 炸和煤与瓦斯突出等灾害事故已成为制约高效集约化开采技术发展最重要的因素：另一 方面，煤矿自然条件差、灾害源增多，使生产条件恶化。煤矿企业事故和死亡人数之多， 对我国国民经济和社会稳定发展造成了恶劣的影响。其中又以瓦斯煤尘爆炸、煤与瓦突 出的重特大事故最为显著h 1 。 因此，煤与瓦斯突出是对矿井生产的严重威胁。所以，致力于煤与瓦斯突出机理、 预测预报和预处理的理论以及方法的研究( 特别是对预测预报的研究) 就显得格外重要。 1 3 国内外煤与瓦斯突出的概况 1 3 1 国外煤与瓦斯突出的概况 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2 2 日，在法国 的鲁阿雷煤田伊萨克矿井发生了世界上第一次煤与瓦斯突出，使人们首次认识了这种严 重的地质灾害3 。1 8 7 9 年4 月1 7 日，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哺1 。 煤与瓦斯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，它们是中国、法国、俄罗斯、波兰、 日本、甸牙利、比利时、英国、捷克、保加利亚、澳大利亚、荷兰、德国、加拿大、罗 马尼亚、南斯拉夫、印度和南非，其中前五个国家的突出情况最为严重旧。 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c 0 2 、c h 4 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过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 万立方米日本也是一个煤与瓦斯突出灾害严重的国家， 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 。 1 3 2 国内煤与瓦斯突出的概况 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 。1 9 5 0 年前，我国无煤与瓦斯突 出现象的完整记载。在1 9 5 0 年5 月2 日，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、 3 西安科技大学硕士学位论丈 1 3 8 个国有重点煤矿的1 7 8 个井口，共发生煤与瓦斯突出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 ，平均突出强度为2 7 5 t 次。全国突出矿井总数约为2 5 0 个，累计突出次数 为1 4 3 0 0 万次，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1 0 0 余次，我 国绝大多数的突出为煤与c h 。突出，但在北票矿区的深部、阜新东梁矿和王营矿发生过为 数不多的岩石与讯突出，吉林营城矿发生过特大型的砂岩与c 0 ：突出，随着采掘深度不断 增加，地应力与瓦斯压力不断加大，煤炭开采的地质条件和技术条件也r 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问题已经 迫在眉睫4 l 。 1 4 国内外煤与瓦斯突出预测的研究现状 1 4 1 国内外研究瓦斯突出预测的概况 各国对于突出预测的研究，主要围绕地质因素、煤结构应力和瓦斯等方面开展实验 室和现场的实验工作，进行区域性预测和日常预测，有些方法己在生产实际中使用并取 得成效。近年来，由于计算机技术的发展，提高了计算的速度和精度，使煤与瓦斯的突 出预测更加及时和准确。 煤结构研究：由于地质构造的运动，使突出危险煤层的突出危险区煤体结构受到破 坏，这是造成危险区物理力学性质和瓦斯动力特性发生很大变化的主要原因。因此，顿 涅兹克工学院研究利用煤体的两个主要变形指标弹性模量e 和剪切模量g 来确定煤层突 出危险性，研究对1 8 0 个煤层进行采样嘈3 ，包括顿涅兹克、马凯耶夫、苏维埃和奥尔忠尼 启泽等几个煤炭联合公司所属矿井6 5 个突出危险煤层和1 1 5 个无突出危险煤层。煤样纵 向和横向弹性波传播速度测定是在y k 1 0 11 超声波检测装置上进行的，并采用专用计算 机程序进行数据处理，用回归方法得出无突出危险煤层的变形指标与煤的变质程度的关 系曲线，此曲线称为上限分界线。如果煤层的弹性模量和剪切模量分布在此曲线的上方， 则说明此煤层有突出危险。 钻粉法哺3 ：这种方法是在煤层中打一组直径在5 0 1 5 0 m m 的钻孔，在高应力区可能造 成钻进困难，并随着应力的释放，产生不成比例的大量钻屑。根据钻孔产生的钻粉量和 钻粉瓦斯解吸量来判断突出倾向。根据波兰的研究，当钻粉瓦斯的解吸强度大于1 1 8 k p a ， 钻粉量大于4 9 l 时，认为有突出危险。联邦德国对本国突出危险煤层研究得出的钻粉量 临界值如下：1 4 0 m m 直径钻孔为9 0 d m 3 m ，9 5 m m 直径钻孔为5 0d m 3 m ，5 0 m m 直径钻孔为 6 s d m 3 m 。如果超过上述值，说明该区域煤层应力处于危险状态，将会发生突出危险。 瓦斯泄出速度隋1 ：煤层中瓦斯泄出速度是突出危险性的一个重要指标。在初步评价时 通常使用v 3 0 指数，它是根据真空的解吸容器在开始解吸的前6 0 秒内的汞柱的升高值( m m ) 来确定的。它反映了微裂隙或糜棱化的程度，但受煤样灰分的影响。当a p o - 6 0 值超过2 k p a 4 1 绪论 时，说明该区的煤层具有突出倾向。 微震监测阳1 ：在突出之前，一般是煤层及其相邻的岩层出现应力重新分布，煤和岩层 中出现断裂。岩层在断裂发展过程中产生微震。在微震波中，有p 波( 纵波) 和s 波( 横波) ， 但主要能量在横波。煤层中声发射的频率极宽，为1 0 0 h z 1 m h z ，但微震事件频率一般为 5 0 0 2 0 0 0 h z ，利用传感器可以检测到微震波。 煤层温度状况预测喁1 ：研究者在很多煤矿中，对采掘工作面近工作面地段的煤体温 度状况进行了考察研究。回采工作面是在深达6 m 的钻孔中测温的，掘进工作面是在2 2 m 深的钻孔中测温的。根据测温结果认为：在回采工作面近工作面地段煤体温度梯度 t 2 庐t 3 1 ( t 3 1 ：为煤层钻3 m 处与l m 处之间的温度梯度，t 2 - o 为煤体钻孔2 m 处与钻 孔口处之间的温度梯度) 。当t 3 1 s 3 时没有突出危险性，在t 2 - 0 q 掘进面则无突 出危险征兆，t 2 o - 2 2 5 。c 有突出威胁征兆，t 2 加2 5 有突出危险征兆。在用该法试 验期间共掘进6 2 0 m 巷道，其中2 3 0 m 进行了突出危险性日常预测，掘进中发生的6 次突出 全部作出了预报。在加里宁等矿的7 次突出中都用该法及时作出了预报。一些研究者采 用近工作面地带的温度与煤体原始温度之差作为突出预测指标，认为在距煤壁2 0 3 5 m 的煤岩中温差 4 5 就有突出危险。 利用煤层中涌出的氦体积或氛浓度的变化预测突出随1 ：由于地震现象伴随有氡( r n ) 和氦( h e ) 的涌出变化。目前，氡的活动己普遍地作为地震来临的一个预兆。有些科学家 还认为，在地震之前不仅有氡的反常涌出现象，而且有氦的反常涌出。研究者考察了顿 涅茨煤田中2 个不突出煤层和4 个突出煤层的氦含量后指出：自由释放的瓦斯中，氦含量 高，瓦斯压力也相应地高。 另外，国外在不断完善突出跟踪预测的基础上，开展了研究瓦斯突出的动态预测技 术和突出危险区域的预测技术阳1 。俄罗斯已建立了区域预测预报的专家系统，将突出煤 层划分为突出危险区( 占突出煤层面积的2 0 - - 3 0 ) 和非突出危险区( 占突出煤层面积的 7 0 - - - 8 0 ) ，从而解放了一大片煤层，降低了防突工作量。德国应用v 等瓦斯涌出动态参 数连续预报突出，己有较成熟的经验，并纳入规程。前苏联、波兰、同本、德国等产煤 国将声发射技术应用于工作面突出预测，已达到实用化程度，正在向自动化方向发展。 这些国家针对不同突出煤层研究了相应的配套防突措施及装备。利用声发射监测系统对 采掘工艺进行随机控制，实现工作面作业的自我保护。波兰和法国已对煤层突出危险进 行了分级，实现了科学管理。 1 4 2 国内目前常用的瓦斯突出预测方法 国内外开采突出煤层的实践都表明，突出事故发生在煤层的某些地带，人们称之为 突出的区域性分布或带状分布，突出危险带的面积还达不到突出煤层总面积的1 0 ，突 出危险带之间往往相隔很远( 有时甚至达至u 1 0 0 0 米) ，而突出危险带之间的地带，危险煤 5 西安科技大学硕士学位论文 层往往是很平静的。无论是打直径2 5 0 3 0 0 毫米的超前钻孔，还是采煤和震动放炮，都 见不到任何突出征兆闭h 3 。因此，近年来世界上主要产煤国家都加强了煤层突出危险性 的研究，并特别注意发展和改进煤与瓦斯突出的预测预报方法，据现有的统计资料，关 于煤与瓦斯的突出预测预报方法主要有下述几种姆1 ： 单项指标法：在该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 、n o a c k 和王佑安 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，于不凡和俞启香详细地讨 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。前苏联科学院地质所 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4 、5 两类煤具有突出危险， 在国内外受到广泛重视，中国矿业学院瓦斯组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，焦作矿业学院瓦斯地质研究室1 9 9 1 年根据煤的宏观特征以构造 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，其中两类为突出危 险煤，取得了较好的应用效果。采用煤的破坏类型、瓦斯放散初速度p 、煤的坚固性 系数f 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，表1 i s 出了这四个单项指标的具体划分标准。 表1 1 单项指标标准 瓦斯地质统计法：该方法主要用于突出煤层的区域预测，以划分突出危险区 域和突出威胁区域。该方法的基本原理是依据瓦斯地质统计资料( 包括突出带的 突出情况统计、突出点与地质构造关系统计、突出点与煤层及煤层结构关系统 计、突出点与开采深度关系统计以及突出点的地质特征统计等) ，瓦斯地质观测资料( 包 括煤层的瓦斯压力、瓦斯含量及其瓦斯涌出量等) 和瓦斯地质图( 包括瓦斯带分布图、瓦 斯含量分布及预测图、瓦斯涌出量分布及预测图和瓦斯突出点分布及预测图) ，经过综 合分析，具体给出该区域是突出危险区域还是突出威胁区域。 综合指标法：抚顺分院北票矿务局与红卫矿提出用综合指标d 与k 来预测煤层的 突出危险性，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。该方 法主要用于突出煤层的区域预测和石门揭煤工作面突出危险性预测，以划分突出危险区 域和突出威胁区域。该方法的基本原理是依据煤与瓦斯突出机理和由煤层瓦斯压力p 、 开采深度h 、煤层软分层的平均坚固性系数，及煤层软分层的煤和瓦斯放散初速度指 标a p 软，按如下的经验公式： 6 1 绪论 d - - f r 0 0 0 7 5 i - i f 软一3 ) ( p 一0 7 4 ) ( 1 1 ) k = a p 软f 软( 1 2 ) 计算所确定的d 和k 综合指标，来判断和确定突出煤层中的区域突出危险性和石门揭 煤工作面突出危险性，表1 2 给出了由中国统配煤矿总公司在防止煤与瓦斯突出细则 中所确定d 和k 的规定临界值n 们。 表1 2d 与k 临界值 石门钻屑指标法：该方法主要应用于石门揭煤工作面突出危险性的预测，以划分出 是突出危险区域还是突出威胁区域。该方法主要是依据钻孔钻屑煤量( 包括最大钻屑煤 量重量指标s m a x ( t ) 并- f l 最大钻屑煤量体积指标s m a k 体) 及钻屑瓦斯解吸量，包括钻屑在解 吸仪内2 分钟时的解吸瓦斯h 2 ，钻屑解吸衰减系数c 和钻屑解吸指标k 。) 来判断石门揭 煤工作面是突出危险区域还是突出威胁区域。 表1 3 给出了由中国统配煤矿总公司在防止煤与瓦斯突出细则中规定的临界值n 们。 表1 3 突出临界指标 钻孔瓦斯涌出初速度法：该方法主要应用于煤巷掘进工作面和回采工作面突出危险 性的预测，其基本原理是依据钻孔瓦斯涌出初速度愈大，工作面突出危险性就愈大的规 律，来预测煤巷掘进工作面和回采工作面突出的危险性。 r 值指标法：该法主要用来预测煤巷掘进工作面的突出危险性，其基本原理是依据钻 屑煤量和钻孔瓦斯涌出初速度愈大，煤与瓦斯突出危险性就愈大的规律，来预测煤巷工 作面突出危险性。r 值是根据每个钻孔的最大钻屑量s m a x ( k g m ) 和最大钻孔瓦斯涌出初 速度q m 双( l m i n ) 以下公式哺1 计算得到的： r = ( s m a x - 1 8 ) ( q m x 一4 ) ( 1 3 ) 显然，r 值是一个综合指标，它反映了工作面的应力状态，煤的物理力学性质，瓦 斯含量及煤的透气性等决定突出危险性的主要因素。 7 西安科技大学硕士学位论文 掘进钻屑指标法：该方法主要用来预测煤巷工作面的突出危险性，其基本原理与石 门钻屑指标法相同，若任一钻孔中的s m a x ( k g m ) ，h 2 ，c 和k 。之最大值大于或等于其临 界值，则该工作面就确定为突出危险工作面：反之，则确定为突出威胁工作面。 瓦斯地质单元法：该法是由焦作矿业学院瓦斯地质研究室提出来的，自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，提出了瓦斯地质区划理论。1 9 8 5 年，彭立世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 年在瓦斯地质区划的基础上，提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。 无线电波透视探测技术：该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 年就开始这方面的研究工作，上个世纪7 0 年代中期在东顿涅茨无烟煤矿 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推广应用。该技术的应用为采煤工作面的高产高效提供地 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，来达到预测煤与瓦 斯突出危险区域的目的。 现代数学理论预测法：主要是对突出接触性预测指标利用数学上的一些方法进行处 理而得出一些判断结论如赵耀江、王冶基于神经网络建立煤与瓦斯突出预测数学模型， 将模拟人脑信息处理机制为基础的非线性动力学系统方法应用于煤与瓦斯突出区域预 测，得出了突出规模与瓦斯压力、垂深、放散速度、地质构造、煤坚固性系数的关系， 预测大、中、小规模突出n 引；吴斌等应用模糊数学方法对煤层进行区域预测，将煤层局 部地区分为非突出、一般突出危险、严重突出危险n 制；焦作矿业学院的王运泉提出积分 法，将瓦斯涌出量、瓦斯含量、瓦斯压力、瓦斯放散初速度、煤的坚固性系数等多种指 标，根据数值大小分为四个等级，每个等级有不同的积分，将各种指标的积分相加，利 用其总积分将煤层分为非突出、突出危险性小、突出、严重突出四个等级n5 l ；刘建平采 用灰色理论，用灰色聚类法对掘进工作面和采区的突出危险性进行分析，使其与实际所 测的突出危险参数相符n6 l ；冯小平对各种瓦斯突出指标进行灰色优选，用灰色系数对突 出危险性进行评分，将突出规模分为无突出、小型突出、中型突出、次大型突出、大型 突出、特大型突出n7 1 ；孟贤正用综合指标记分法预测急倾斜煤层上山掘进的突出危险性， 将其突出危险性分为突出可能性极小、一般突出危险、严重突出危险n8 | 。近来在突出危 险性的预测上，较多地采用模糊数学方法，如重庆大学的冯涛等人将模糊数学的方法应 8 1 绪论 用于煤与瓦斯突出预测，对煤与瓦斯突出进行三级模糊综合评判，将工作面前方的危险 程度分为安全区、威胁区、危险区三个等级9 | ；吴海清在“模糊数学在煤与瓦斯突出预 测中的应用 中，通过对丰城尚庄矿3 2 起煤与瓦斯突出事例进行统计分析，借助于模糊 数学有关隶属度的知识，对该矿煤与瓦斯突出做出早期预测预报啪：吴斌用模糊数学方 法，对大同一矿的各区域突出危险指标进行分析，使之与实际揭露过程中的突出危险状 况相符曙；张宏伟、李胜基于模式识别对潘一矿1 3 - i 煤层煤与瓦斯突出的区域进行预测， 得到的突出危险区与实际发生的突出点分布范围相吻合乜别。 1 5 存在的问题 煤与瓦斯突出预测、预报的研究不仅有理论上的价值，而且有重大的生产实际意义 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乜朝，研究工作特别重 视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发展和改进，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。不过 准确的预测、预报方法应建立在对突出机理充分认识的基础上。由于目前对突出机理的 认识很少，从而对可靠预测、预报方法的建立带来困难。因此，深入研究煤与瓦斯突出 预测和防治技术、实现定性研究向定量研究转变势在必行他劓。综合现有的各种预测、预 报突出的方法，存在如下主要问题： ( 1 ) 从突出机理上，尽管目前尚无法准确地确定，但突出是地应力、瓦斯、煤的力 学性质三种因素共同作用的结果，在煤矿安全领域已经达成共识，突出预测基本上是从 以上三种因素来进行，但突出预测的准确率依然很低，是否有其它外因对突出产生重要 影响； ( 2 ) 所有的突出预测、预报方法均系建立在经验的基础上，且多为单指标的，即根 据统计分析有突出危险性和无突出危险性的煤、煤层和煤田等在某些方面的差异，提出 区分或评价突出危险性的指标，其可靠性决定于统计资料的广泛性及其范围，因而对不 同地质条件及不同开采工艺条件的矿山难以普遍适用，在突出预测指标选择、预测指标 敏感性、指标的临界值确定上目前只是根据现场实测的经验，经常造成较大的误差。使 得一些矿区在突出预测中指标长期超限，反复地进行防突措施和效果检验，使得采掘速 度非常缓慢，严重地影响生产； ( 3 ) 目前突出危险的有很多预测方法，如强度预测、分级预测等，但在实际应用的 却很少，主要原因是这些方法只是针对预测数据进行处理，且没有针对不同的分类结果 采取不同的防突程序，没有与“四位一体 的综合防突措施结合起来。煤与瓦斯突出危 险区域预测主要集中在地质勘探时期或补充地质勘探时期。预测结果仅能指导矿井( 或 采区) 的开拓、开采设计，如巷道布置、采煤方法的选取、通风系统设计等，而不能直 9 西安科技大学硕士学位论文 接指导采掘作业。 1 6 本文的主要研究工作 本文首先对煤与瓦斯突出预测的传统方法和现代方法作了简要的论述，并分析了各 种方法的优缺点及适用条件，在总结多项课题研究成果的基础上，本文将统计学习理论 的最新方法一支持向量机与煤与瓦斯突出预测相结合，并将其用于煤i 王i - v 作面煤与瓦斯 突出预测实践中，研究工作主要包括以下几个方面： ( 1 ) 详细了解并总结了国内外煤与瓦斯突出的概况与突出预测方法的现状； ( 2 ) 论述了煤与瓦斯突出的机理、基本规律，对影响煤与瓦斯突出的各种因素进行 了详细分析； ( 3 ) 从机器学习的基本问题出发，介绍了统计学习理论的核心问题以及支持向量机 的理论基础，以及支持向量机方法在实际问题中应用的模型求解步骤； ( 4 ) 详细论述了基于支持向量机多类分类算法的实现机制，采用“一对一”机制， 在现有s v m 典型算法的基础上进行改进并运用m a t l a b 语言编程实现了本预测模型所 需的多类支持向量机算法； ( 5 ) 构建了基于支持向量机的预测模型，并详细介绍了训练与测试样本的选择、特 征、核函数及参数的选取以及应用该预测模型的详细流程，实验结果表明采用本文的支 持向量机方法进行突出预测是可行的； ( 6 ) 对比了基于支持向量机的预测方法与其他几种预测方法对同批现场实测数据预 测的结果，为进一步探索切合实际的有效的煤与瓦斯突出预测方法提供一定的参考价 值。 1 0 2 煤与瓦斯突出预测的影响因素分析 2 1 概述 2 煤与瓦斯突出预测的影响因素分析 由于煤与瓦斯突出现象的复杂性，目前普遍承认煤与瓦斯突出是地应力、瓦斯、煤 体结构等诸因素综合作用的结果，且地质构造起到主导控制作用。事实上地应力是突出 的主要动力来源，高压瓦斯及破碎的煤体结构是突出的物质基础，而工程采掘活动则为 突出提供了适宜的边界条件。目前对突出机理的认识虽然取得不少进展，但都还比较肤 浅，尚未比较全面地反映其本质，对这个问题的认识需进一步深入研究。但因存在诸多 的尚难以克服的困难，期望近期对突出机理的认识取得突破性进展看来是困难的。 我国虽然从6 0 年代开始便建立了一些专业性的防突研究机构对其进行研究，但一 般来说其研究通常局限于具体的工艺措施或具体的防突技术和参数，而对突出机理方 面的理论研究或应用基础理论研究很少，几乎还是空白，从而在煤与瓦斯突出的预测预 报研究方面是一个薄弱环节。无论是从研究深度和广度上与前苏联等国相比都存在较大 的差距，有些工作还刚刚开始起步。即便国际上对其研究较多，可靠地预测预报还需进 行深入的研究，目前在预测预报方面主要进行了如下几方面的研究巧l 羽： ( 1 ) 煤质及煤的物理力学特性的研究：这是目前研究得较多的方面，主要对煤的宏 观和微观结构、孔隙性筛分指数、吸附性能、吸附变形特性、渗透性瓦斯的放散速度、 煤的强度、挥发分含量及物质组成、温度、电阻串、顺磁性声学特性及压电性能等各方 面进行了广泛的研究： ( 2 ) 煤层中瓦斯参数：主要研究煤层中瓦斯的含量、瓦斯压力、瓦斯含量与煤变质 程度的关系、钻孔瓦斯涌出特征及瓦斯组分等； ( 3 ) 矿山地应力的研究：主要研究煤层及围岩的应力状态，钻屑量与应力的关系， 煤层影响及采动围岩变形等； ( 4 ) 地质标志研究：主要研究地质构造与突出的关系以及煤的厚度、变形系数等指 标。 2 2 煤与瓦斯突出的机理 据国内外资料不完全统计，煤矿瓦斯科技工作者近百年的工作共提出3 0 多个突出机 理假说，可归纳为四类观点：地应力假说、瓦斯作用假说、化学本质假说，综合作用假说 1 。其中以地应力、瓦斯和煤的物理力学性质三因素综合作用的假说得到大多数煤矿瓦 斯科技工作者的赞同。由于突出的特殊性和复杂性，对三因素在突出中所起作用的具体 认识上，尚存在较大分歧。综合国内外煤与瓦斯突出机理综合作用的研究，主要可概括 西安科技大学硕士学位论文 为三种：以瓦斯为主要因素、以地应力为主导因素、动态流变机理。 对突