王曦开题报告

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基于熵的改进支持向量机煤层瓦斯突出预计方法研究

目录

1课题的提出11.1研究的背景11.2研究的目的和意义22国内外研究现状及发展趋势22.1熵理论的发展22.2支持向量机理论的发展32.3煤层瓦斯突出预警指标体系的发展5

2.3.1煤与瓦斯突出机理52.3.2突出预报方法62.3.3突出预计指标研究8

3本文的研究内容和技术路线103.1研究内容103.2技术路线114可能的困难和问题115预期目标126论文工作量和经费来源127研究进度安排128XX科技大学硕士研究生学位论文开题报告

2.3煤层瓦斯突出预警指标体系的发展2.3.1煤与瓦斯突出机理

关于突出机理的研究，可以分为两个阶段，即早期的寻求突出的影响因素阶段和近期的摸索突出作用过程阶段。

（1）早期的学者提出的主要观点有：瓦斯作用论、地应力作用论、综合假说等。综合假说较全面的考虑了突出动力（地应力、瓦斯）和阻力（煤强度）两个方面的主要因素，因而得到国内外学者的普遍认可，若某区域地应力越大，瓦斯含量（压力）越高，煤越松软，则该区域突出危险性越大。对采掘工作面突出而言，突出与地应力、瓦斯和煤物理力学性质各参数的原始值有关，还在很大程度上取决于近工作面各参数的变化，即工作面附近煤岩应力，瓦斯压力的分布状况和煤体强度性质的变化。工作面前方应力和瓦斯压力梯度越大，煤强度越不均质，则工作面突出危险性也就越大。

（2）大部分学者认为突出是多因素作用的过程，在此基础上，众多学者开展了含瓦斯煤体具体破坏过程的研究。

于非凡[37]（1975，1979）从煤与瓦斯突出的发生过程进行研究，提出了煤与瓦斯突出是从离工作面某一距离处的发动中心开始的，而后向四周扩散的中心扩张说。郑哲敏[38]（1982）通过量纲分析和能量对比方法，从力学角度出发，指出煤体中的瓦斯能是发煤与瓦斯突出生突出的主要能量。李中成[39]（1987）认为煤与瓦斯突出就是煤体所储存的瓦斯内能和弹性应变能突然释放的过程，是煤体盘形拉伸破坏的连锁反应过程。俞善炳[40]（1988）建立了煤与瓦斯突出理想的一维运动模型，指出煤的破碎起动与瓦斯渗流的祸合是煤与瓦斯突出的内在因素。李萍丰[41]（1989）从煤与瓦斯突出的主要动力源进行研究，认为突出的本质是在突出中心形成了煤粒和瓦斯的二相流体，突出的主要动力源是二相流体压缩积蓄，卸压膨胀放的能量，而不是瓦斯膨胀能和煤岩膨胀，从而提出了二相流体假说。丁晓良[42]（1989）认为煤与瓦斯突出的内在因素是煤的破碎与瓦斯渗流的祸合，通过对理想一维突出模型的分析，给出了煤与瓦斯突出波阵面后气、固两相流的动量守恒方程和质量守恒方程。周世宁和何学秋[43]（1990）认为煤与瓦斯突出是含有瓦斯的煤体受到采掘活动的影响后，孔隙瓦斯气体与地应力祸合的一种流变过程，从而提出了流变假说。梁冰和章梦涛[44]（1995）根据煤体

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变形破坏与其中瓦斯渗流的相互影响和相互作用机理提出固流祸合理论，认为煤与瓦斯突出是地应力、瓦斯及煤体二个主要因素作用的结果，是含瓦斯煤体在采掘活动影响下，局部发生迅猛、突然破坏而造成的。蒋承林和俞启香[45]（1995）通过对突出过程的理论分析，提出了煤与瓦斯突出机理的球壳失稳假说。郭德勇、韩德馨[46]（2023）提出了煤与瓦斯突出的粘滑失稳机理，对煤与瓦斯突出中的振动波动、延期突出及突出间歇等现象进行了新的理论解释，指出煤与瓦斯突出粘滑失稳伴生的AE等物理现象对瓦斯突出非接触式连续预报有重要理论意义。胡千庭[47]（2023）对煤与瓦斯突出过程的力学作用机理进行了深入研究，对突出的准备、发动、发展和终止过程重新进行了划分给出了各个过程详细的描述。2.3.2突出预报方法

国内外众多学者通过对突出的规律及其前兆现象的研究，提出了大量突出预报方法，这些方法在防治突出的发生及减小突出灾难的损失中起到了重要的作用。

（1）利用温度异常预报突出。煤层在受到高地应力（或高应力集中）和高瓦斯压力的作用下由于挤压和瓦斯吸附，围岩和煤体温度要上升；同时，煤体聚集高应变能，使打钻时出现顶钻、夹钻、卡钻和喷孔等突出危险性的前兆现象，并使钻孔进尺速度减慢，钻孔孔底煤壁与钻头摩擦时间增长，从而钻屑温度上升。郭立稳等通过分析认为，煤与瓦斯突出过程中的温度变化的主要影响因素是地应力、瓦斯压力和煤体强度，因而温度反映了突出的各因素的综合作用，他进一步通过试验室研究发现，突出过程中，煤体温度先升高后降低，认为通过对煤体温度进行连续观测能够实现突出预报。梁冰通过数值模拟，结果也说明，当温度变化梯度较大时，将发生煤与瓦斯突出。但有一些学者对用煤体温度作为评价瓦斯突出危险性指标持有异议，认为钻孔温度与煤壁温度的差值主要是受矿井大气温度和工作面供风量的影响，与煤层瓦斯突出危险性关系不大。

（2）根据电磁辐射预报突出。20世纪90年代初，何学秋、刘明举、王恩元等对煤等强度较低岩石变形破碎电磁辐射效应进行了研究。研究结果说明，电磁辐射与煤岩体的载荷及变形破碎过程呈正相关，基本上随着载荷及变形破碎强度的增加而增加。进一步的研究还发现，现场中有突出危险性的煤层，其电磁辐射强度（幅值）或脉冲数较没有危险时明显增大且呈增长趋势。林海燕等通过对

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含瓦斯煤断裂的地磁辐射试验研究发现，含瓦斯煤断裂破坏产生的电磁辐射直接反映了采掘工作面前方的煤层受力破坏状况，因而可作为突出预报方法。

（3）利用声发射现象预报突出。长期的防治煤与瓦斯突出研究工作中发现，由于煤岩体的非均质体，其中存在各种微裂隙、孔隙等，以致煤岩体在受到外力作用时就会在这些缺陷部位产生应力集中，发生突发性破碎，使积聚在煤岩体中的能量得以释放，且以弹性波的形式向外传播，而形成声发射现象。石显鑫等研究认为，声发射的总事件、大事件和能量参数能较好地反映声发射活动的特征，总事件的频繁增多、大事件的急剧增加，是判别突出的预兆。王恩元在试验室研究发现，尽管煤岩体破碎时的声发射信号十分丰富，但在煤岩体的破坏过程中是阵发性的，说明白煤岩体的变形破坏过程不是连续的，而是阵发性的、不均匀的，因而在进行煤与瓦斯突出预报时需进行连续监测。

（4）根据微震预报突出。采动使岩体发生应力的重新分布，岩石内部结构发生小规模的调整，其结果导致释放地震能。该法主要用来监测矿井岩层的破碎，试验研究结果说明，低频多探头微震系统可以连续监测煤体结构中应力的集中和变化，可以预报冲击破坏以及可能发生突出的地点，为消除高应力集中区而采取措施提供依据。高频率的微震系统可以用来监测各种类型的破坏。综合利用两种（高频、低频）微震技术不仅能够圈出瓦斯突出可能发生的地点，还能预报瓦斯突出的发生时间。

（5）利用采场压力变化预报突出。张智明认为，支撑压力使得煤体内的裂隙、孔隙被压缩（合），瓦斯滚动的通道被封闭，煤的孔隙率降低使瓦斯压力和内能增大，煤岩体积聚的弹性变形能增大，同时破坏了煤体，在煤体内产生与煤壁相平行的压裂裂隙，增大了瓦斯的作用面积和降低了煤体抗争动力破坏的能力。因此，支承压力的大小和峰值位置与瓦斯突出存在着数量关系。

（6）根据瓦斯涌出特征预报突出。国内外的大量的突出实例说明，相当一部分突出发生前，工作面的瓦斯涌出有变化。曾庆阳分析炮落式煤层巷道掘进期间，工作面瓦斯涌出来源为煤层暴露面和放炮后的落煤，而落煤对风流中的瓦斯浓度影响时间不长，由此，风流中的瓦斯浓度主要反映的是工作面的瓦斯。进一步的分析认为，作业过程中工作面瓦斯涌出的变化反映了巷道前方存在相当高应力且处于失稳状态，有高瓦斯含量区且煤体易于破坏，而这正是突出易发生地段。

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西德H·埃克尔观测分析伊本比伦煤矿工作面风流中的瓦斯浓度，发现突出之前，瓦斯含量出现了一致的高值，并认为值变大时，预示突出可能发生。

（7）地电场预报瓦斯突出。煤层在破坏过程中，除了有明显热效应在内的各类电磁辐射外，地电场特性也随之而改变，而且还可以表征采动应力集中影响程度、瓦斯运移动能和煤体破坏极限应力带宽度、煤的孔隙率和煤的强度等因素。也就是说，地电场的电势和电流强度变化反映了瓦斯突出参数的变化。俄罗斯B.T.塔拉索夫研究说明，突出动力现象往往发生在卸压带边界上和裂隙产生过程的前沿，煤从弹性状态转变为伪流变状态，伴随着地电场的急剧消失，导致吸附能力大大减小，相应地由于雪崩般解吸瓦斯，瓦斯压力增加1倍以上，造成了瓦斯的静压和动压短时升高。地电场电势下降是发生瓦斯突出的前兆。因此，根据地电场电势的变化规律可进行瓦斯突出预报[48]。

基于经验的传统预计技术和基于数学建模的统计预计方法的应用已受到了很大的限制。目前，一些先进的数学理论方法如计算机模拟、模糊数学理论、灰色系统理论、支持向量机、专家系统、分形理论和流变与突变理论等，以及计算机科学中的数据库、数据挖掘、Gis技术和三维地学模拟技术阅等，己开始应用于煤与瓦斯突出的定量评价与预计中，并取得了一定的研究成果[49]。2.3.3突出预计指标研究（1）单项指标法

《防治煤与瓦斯突出细则》规定，预计煤层突出危险性可用煤的破坏类型、煤的稳固性系数（f）、瓦斯放散初速度（△P）和煤层原始瓦斯压力（P）。判断其突出危险性单项指标临界值见下表。只有全部指标达到或超过其临界值时方可划分为突出煤层。

煤层突出危险性突出危险无突出危险

煤的破坏瓦斯放散初速度煤的稳固性系数煤层瓦斯压力类型Ⅲ、Ⅳ、ⅤⅠ、Ⅱ△P≥10＜10f≤0.5＞0.5p（Mpa）≥0.74＜0.748

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（2）D、K综合指标法

?0.0075H??P???D???3p?0.74K???ff??综合指标D、K的突出临界指标应根据本矿区实测数据确定。无实测资料时，可参照下表所列的临界值确定区域突出危险性。

煤层突出危险性

综合指标Ｄ

煤的突出危险性综合指标Ｋ无烟煤

其它煤种

≥0.25

≥20

≥15

注：当D值两括号内计算结果全部为负时，则不管D值大小，都定为突出要挟区域。

（3）其他指标及其相关临界值表①．钻屑指标法

最大钻屑量△h2（pa）Kg/m≥200﹤200≥6﹤6L/m≥5.4﹤5.4