煤与瓦斯突出危险性实时跟踪预测技术研究
|
摘要
我国高瓦斯突出矿井分布广,且随着开采力度的加大,突出危险性明显增大,严重威胁煤矿工人的生命安全,阻碍煤矿安全生产的正常进行,因此致力于煤与瓦斯突出危险性实时跟踪预测技术研究,了解突出机理、积极开发基于声发射和瓦斯实时动态预测新技术的研究有重要的现实意义。
本文对煤与瓦斯突出危险性实时跟踪预测方法和数据分析进行深入研究,在煤与瓦斯突出机理分析基础上,通过数值试验了解突出前后应力分布、瓦斯压力变化及声发射特征,总结突出机理;分别对声发射和瓦斯单项指标进行了研究,利用概率分布建立声发射基础参数判定模型;运用时间序列分析对瓦斯涌出进行分析,建立指数平滑预测模型和瓦斯涌出变化模型对掘进工作面瓦斯涌出特征进行评价。
在瓦斯和声发射各自参数确定的前提下,分别以声发射基本参数为基础,运用层次分析-模糊综合法建立声发射项综合指标AE(Acoustic Emission),并根据现场实际需要,设定8h长时指标和3h短时指标。以瓦斯评价参数偏差和方差为基础,提出了瓦斯项综合指标WS(Wa Si)和基于声发射项综合指标和瓦斯项综合指标的煤与瓦斯突出危险性实时跟踪预测新综合指标DI(Dangerous Index),实现对掘进工作面的突出危险性进行评价,提高了实时预测的准确性。
对比常规预测指标,验证了瓦斯项综合指标WS及声发射项综合指标AE用于突出危险性实时跟踪预测的可行性和准确性。
High coal and gas outburst mine distribute widely around our counry, meanwhile with deep minning, burst risk heavily increased, threated coal workers and heavily blocked safety production, so it is great significant to study real-time trace techniques in risk prediction of coal and gas outburst and mechanism, develop new real-time dynamic prediction skills.
Detailed study is implemented to the real-time trace techniques in risk predition methods and data analysis of coal and gas outburst in the paper, and based on analysis of the outburst mechanism, find out the stress distribution, the changes of gas pressure and the stadus of AE(Acoustic Emission) before-after the outburst. Studied the single index of AE and gas emission, and established the basic parameters determined model using probability distribution. In order to evaluating the gas emission quanlity in driving face, built the exponent smoothing prediction model and gas emission model applying time series analysis.
Under precondition of gas and AE parameters, established the item of AE comprehensive index using AHP (analytic hierarchy process) analysis and fuzzy synthetic method, and set long index in 8h and short index in 3h. On the basis of the parameters of deviation and variance, built the item of gas comprehensive index, put foreward the new comprehensive index DI (Dangerous Index) based on the comprehensive index of AE and gas emission.
Comparing with the routine prediction indes, it has proved the feasibility and accuracy of WS and AE in the application of real-time trace techniques in risk prediction of burst, and the real-time property is much better than the routine prediced index.
本文对煤与瓦斯突出危险性实时跟踪预测方法和数据分析进行深入研究,在煤与瓦斯突出机理分析基础上,通过数值试验了解突出前后应力分布、瓦斯压力变化及声发射特征,总结突出机理;分别对声发射和瓦斯单项指标进行了研究,利用概率分布建立声发射基础参数判定模型;运用时间序列分析对瓦斯涌出进行分析,建立指数平滑预测模型和瓦斯涌出变化模型对掘进工作面瓦斯涌出特征进行评价。
在瓦斯和声发射各自参数确定的前提下,分别以声发射基本参数为基础,运用层次分析-模糊综合法建立声发射项综合指标AE(Acoustic Emission),并根据现场实际需要,设定8h长时指标和3h短时指标。以瓦斯评价参数偏差和方差为基础,提出了瓦斯项综合指标WS(Wa Si)和基于声发射项综合指标和瓦斯项综合指标的煤与瓦斯突出危险性实时跟踪预测新综合指标DI(Dangerous Index),实现对掘进工作面的突出危险性进行评价,提高了实时预测的准确性。
对比常规预测指标,验证了瓦斯项综合指标WS及声发射项综合指标AE用于突出危险性实时跟踪预测的可行性和准确性。
High coal and gas outburst mine distribute widely around our counry, meanwhile with deep minning, burst risk heavily increased, threated coal workers and heavily blocked safety production, so it is great significant to study real-time trace techniques in risk prediction of coal and gas outburst and mechanism, develop new real-time dynamic prediction skills.
Detailed study is implemented to the real-time trace techniques in risk predition methods and data analysis of coal and gas outburst in the paper, and based on analysis of the outburst mechanism, find out the stress distribution, the changes of gas pressure and the stadus of AE(Acoustic Emission) before-after the outburst. Studied the single index of AE and gas emission, and established the basic parameters determined model using probability distribution. In order to evaluating the gas emission quanlity in driving face, built the exponent smoothing prediction model and gas emission model applying time series analysis.
Under precondition of gas and AE parameters, established the item of AE comprehensive index using AHP (analytic hierarchy process) analysis and fuzzy synthetic method, and set long index in 8h and short index in 3h. On the basis of the parameters of deviation and variance, built the item of gas comprehensive index, put foreward the new comprehensive index DI (Dangerous Index) based on the comprehensive index of AE and gas emission.
Comparing with the routine prediction indes, it has proved the feasibility and accuracy of WS and AE in the application of real-time trace techniques in risk prediction of burst, and the real-time property is much better than the routine prediced index.
引文
[1]黄运飞.煤-瓦斯介质力学[M].北京:煤炭工业出版社, 1993.1
[2]许江,尹光志等.煤与瓦斯突出潜在危险区域预测的研究[M].重庆:重庆大学出版社, 2004. 6
[3]王凯,俞启香.煤与瓦斯突出的非线性特征及预测模型[M].徐州:中国矿业大学出版社, 2005. 3
[4]周世宁,林柏泉.煤矿瓦斯动力灾害防治理论及控制技术[M].北京:科学出版社, 2007
[5]程五一等.煤与瓦斯突出区域预测理论及技术[M].北京:煤炭工业出版社, 2005
[6]胡千庭.煤与瓦斯突出非接触式预测技术的研究[J].煤炭科学研究院重庆分院, 1997
[7]李树刚,常心坦,徐精彩.煤岩与CO2突出特征及其预防技术研究[J].西安科技学院学报, 2000, 20(4): 1~4
[8]聂百胜,何学秋等.煤与瓦斯突出预测技术研究现状及发展趋势[J].中国安全科学学报, 2003, 13(4): 40~43
[9]樊栓保.国内外煤与瓦斯突出预测的新方法[J].矿业安全与环保, 2000, 27(5): 17~19
[10]漆旺生,凌标灿,蔡嗣经.煤与瓦斯突出预测研究动态及展望[J].中国安全科学学报, 2003, 13(12): 1~4
[11]苏燹等.工作面突出危险性实时跟踪预测技术及装备的研究科学技术报告[R].煤炭科学研究总院重庆分院. 2000. 2
[12]王凯,王轶波,卢杰.煤与瓦斯突出动态前兆的非线性特征研究[J].采矿与安全工程学报, 2001, 13(4): 22~26
[13]刘明举,刘希亮,何俊.煤与瓦斯突出分形预测研究[J].煤炭科学技术, 1998, 23(6)
[14]赵旭生,董银生,岳超平.煤与瓦斯突出预测敏感指标及其临界值的确定方法[J].矿业安全与环保, 2007, 34(3)
[15]唐春安,芮勇勤等.含瓦斯“试样”突出现象的RFPA2D数值模拟[J].煤炭学报, 2000, 25(5): 501~504
[16]张宏伟,陈学华,王魁军.地层结构的应力分区与煤瓦斯突出预测分析[J].岩石力学与工程学报, 2000, 19(4): 462~465
[17]汤友谊,陈江峰等.瓦斯突出煤体探测的物性前提及应用[J].焦作工学院学报, 2000, 19(6): 407~410
[18] Yunxing Cao, Dingdong He, David C. Glick. Coal and gas outbursts in footwalls of reverse faults: International Journal of Coal Geology 48 (2001) 47~63
[19] T. Xua, C.A. Tanga, T.H. Yangc, W.C. Zhu, J. Liu. Numerical investigation of coal and gas outbursts in underground collieries: International Journal of Rock Mechanics & Mining Sciences 43 (2006) 905~919
[20] Xiao-Zhao Li, An-Zeng Hua. Prediction and prevention of sandstone-gas outbursts in coal mines: International Journal of Rock Mechanics & Mining Sciences 43 (2006) 2~18
[21] Yaqin Wu, Kai Wang, Maoguang Wang. Study on compound genetic and back propagation algorithm for prediction of coal and gas outburst risk: Intelligent Information Processing III (2006) 233~241
[22] M.B. Wold, L.D. Connell, S.K. Choi. The role of spatial variability in coal seam parameters on gas outburst behavior during coal mining: InternationalJournal of Coal Geology (2008)
[23]吕绍林,何继善.瓦斯突出煤体的粒度分形研究[J].煤炭科学技术, 1999, 27(2): 46~4
[24]郝吉生,袁崇孚.模糊神经网络技术在煤与瓦斯突出预测中的应用[J].煤炭学报, 1999, 24(6): 624~62
[25]倪小明,郝吉生.采掘工作面煤与瓦斯突出预测专家系统的研制[J].湘潭师范学院学报(自然科学版), 2004, 12(4): 67~70
[26]煤炭科学研究总院重庆分院. AE声发射监测煤与瓦斯突出技术[R].重庆:煤炭科学研究总院重庆分院, 2003
[27]伍爱友,姚建,肖红飞.基于灰色关联分析的煤与瓦斯突出预测指标优选[J].煤炭科学技术. 2005, 33(4): 55~58
[28]范金志,郭德勇,张建国.层次分析法确定煤与瓦斯突出影响因素的权重[J].矿业安全与环保. 2001, 31(3): 4~7
[29]成新龙,何新矿,白国基.能量守恒分析在防治煤与瓦斯突出中的研究[J].煤炭科学技术, 2002, 30 (10): 52~55
[30]朱连山.煤与瓦斯突出机理浅析[J].矿业安全与环保, 2002, 29(2): 23~25
[31]何学秋.含瓦斯煤岩流变学[M].徐州:中国矿业大学出版社, 1995
[32]曹树刚.煤岩的蠕变损伤、瓦斯渗流和煤与瓦斯突出关系的研究[D].重庆:重庆大学, 1994
[33]李中锋.煤与瓦斯突出机理及其发生条件评述[J].煤炭科学技术. 1997, 25(11): 44~47
[34]于不凡,王佑安.煤矿瓦斯灾害防治及利用技术手册[M].北京:煤炭工业出版社, 2000
[35]周世宁,何学秋.煤和瓦斯突出机理的流变假说[J].中国矿业大学学报, 1990(2): 1~9
[36]李萍丰.浅谈煤与瓦斯突出机理的假说——二相流体假说[J].煤矿安全, 1989 (11): 29~35
[37]梁冰,章梦涛等.煤和瓦斯突出的固流耦合失稳理论[J].煤炭学报, 1995, 20(5): 492~496
[38]蒋承林,俞启香.煤与瓦斯突出机理的球壳失稳假说[J].煤矿安全, 1995, 16 (2): 17~25
[39]卢连宁,张迎新等.煤与瓦斯突出机理的球壳失稳假说[J].黑龙江科技学院学报, 1995, 17(1): 1725
[40]徐学锋.地质构造对煤与瓦斯突出的影响研究[M].阜新:辽宁工程技术大学出版社, 2003
[41]唐春安,王淑红,傅宇方著.岩石破裂过程数值试验[M].北京:科学出版社, 2003
[42]于不凡.煤和瓦斯突出机理[M].北京:煤炭工业出版社, 1985
[43]霍多特B B.煤与瓦斯突出[M].宋士钊,王佑安译.北京:中国工业出版社, 1966
[44]胡千庭.煤与瓦斯突出的力学作用机理及应用研究[D].北京:中国矿业大学(北京), 2007
[45]刘卫东,孟晓静,丁恩杰.岩体声发射监测系统的设计与实现[J].煤炭科学技术, 2007, 35(5): 64~66
[46]邹银辉.煤岩声发射机理初探[J].矿业安全与环保, 2004, 31(1): 31~35
[47]曹树刚,刘延保,张立强.突出煤体变形破坏声发射特征的综合分析[J].岩石力学与工程学报, 2002, 26(增1): 2794~2799
[48]胡千庭.煤与瓦斯突出非接触式预测技术的研究[J].煤炭科学研究院重庆分院, 1997
[49]黄运飞著.煤-瓦斯介质力学[M].北京:煤炭工业出版社, 1993
[50]黄仁东等.声发射技术在湘西金矿深井安全开采中的应用[J].中国安全科学学报, 2004, 4(12): 101~103
[51]邹银辉,赵旭生,刘胜.声发射连续预测煤与瓦斯突出技术研究[J].煤炭科学技术, 2005, 33(6): 61~65
[52]纪洪广等.无损伤监测中常用声发射参数分析与评价[J].无损检测, 2001, 23(7): 289~292
[53]西安科技大学西安西科测控设备有限责任公司. GDD-1矿用矿压动态传感器(矿用本质安全型)使用说明书. 2004, 4
[54]西安科技大学西安西科测控设备有限责任公司. KJ110N型矿井安全综合监控系统软件使用说明书. 2004, 8
[55]程伟.煤与瓦斯突出危险性预测及防治技术[M].徐州:中国矿业大学出版社, 2003, 7
[55]王凯,俞启香,蒋承林.钻孔瓦斯动态涌出的数值模拟研究[J].煤炭学报, 2001, 26(3)
[56]俞善炳,谈庆明等.含气多孔介质卸压层裂的间隔特征——突出的前兆[J].力学学报, 1998, 30(2)
[57]张铁岗.矿井瓦斯综合治理技术[M].北京:煤炭工业出版社, 2001
[58]秦汝祥,张国枢,杨应迪.瓦斯浓度序列的煤与瓦斯突出预报方法及应用[J].安徽理工大学学报(自然科学版), 2008, 28(3)
[59]王振龙,胡永宏主编.应用时间序列分析[M].北京:科学出版社, 2007, 5
[60]杨叔子,吴雅.时间序列分析的工程应用[M].武汉:华中科技大学出版社, 2003
[61]苏文叔.利用瓦斯涌出动态指标预测煤与瓦斯突出[J].煤炭工程师, 1996(5)
[62]史玉峰,宁津生.指数平滑法改进灰色模型及其在形变数据分析中的应用[J].煤炭学报, 2005, 30 (2): 206~209
[63]郭德勇,范金志等.煤与瓦斯突出预测层次分析-模糊综合评判方法[J].北京科技大学学报, 2007, 29 (7): 660~604
[64]叶义成,柯丽华,黄德育.系统综合评价技术及其应用[M].北京:冶金工业出版社, 2006
[65]张跃,皱寿平,宿芬.模糊数学方法及其应用[M].北京:煤炭工业出版社, 1992
[2]许江,尹光志等.煤与瓦斯突出潜在危险区域预测的研究[M].重庆:重庆大学出版社, 2004. 6
[3]王凯,俞启香.煤与瓦斯突出的非线性特征及预测模型[M].徐州:中国矿业大学出版社, 2005. 3
[4]周世宁,林柏泉.煤矿瓦斯动力灾害防治理论及控制技术[M].北京:科学出版社, 2007
[5]程五一等.煤与瓦斯突出区域预测理论及技术[M].北京:煤炭工业出版社, 2005
[6]胡千庭.煤与瓦斯突出非接触式预测技术的研究[J].煤炭科学研究院重庆分院, 1997
[7]李树刚,常心坦,徐精彩.煤岩与CO2突出特征及其预防技术研究[J].西安科技学院学报, 2000, 20(4): 1~4
[8]聂百胜,何学秋等.煤与瓦斯突出预测技术研究现状及发展趋势[J].中国安全科学学报, 2003, 13(4): 40~43
[9]樊栓保.国内外煤与瓦斯突出预测的新方法[J].矿业安全与环保, 2000, 27(5): 17~19
[10]漆旺生,凌标灿,蔡嗣经.煤与瓦斯突出预测研究动态及展望[J].中国安全科学学报, 2003, 13(12): 1~4
[11]苏燹等.工作面突出危险性实时跟踪预测技术及装备的研究科学技术报告[R].煤炭科学研究总院重庆分院. 2000. 2
[12]王凯,王轶波,卢杰.煤与瓦斯突出动态前兆的非线性特征研究[J].采矿与安全工程学报, 2001, 13(4): 22~26
[13]刘明举,刘希亮,何俊.煤与瓦斯突出分形预测研究[J].煤炭科学技术, 1998, 23(6)
[14]赵旭生,董银生,岳超平.煤与瓦斯突出预测敏感指标及其临界值的确定方法[J].矿业安全与环保, 2007, 34(3)
[15]唐春安,芮勇勤等.含瓦斯“试样”突出现象的RFPA2D数值模拟[J].煤炭学报, 2000, 25(5): 501~504
[16]张宏伟,陈学华,王魁军.地层结构的应力分区与煤瓦斯突出预测分析[J].岩石力学与工程学报, 2000, 19(4): 462~465
[17]汤友谊,陈江峰等.瓦斯突出煤体探测的物性前提及应用[J].焦作工学院学报, 2000, 19(6): 407~410
[18] Yunxing Cao, Dingdong He, David C. Glick. Coal and gas outbursts in footwalls of reverse faults: International Journal of Coal Geology 48 (2001) 47~63
[19] T. Xua, C.A. Tanga, T.H. Yangc, W.C. Zhu, J. Liu. Numerical investigation of coal and gas outbursts in underground collieries: International Journal of Rock Mechanics & Mining Sciences 43 (2006) 905~919
[20] Xiao-Zhao Li, An-Zeng Hua. Prediction and prevention of sandstone-gas outbursts in coal mines: International Journal of Rock Mechanics & Mining Sciences 43 (2006) 2~18
[21] Yaqin Wu, Kai Wang, Maoguang Wang. Study on compound genetic and back propagation algorithm for prediction of coal and gas outburst risk: Intelligent Information Processing III (2006) 233~241
[22] M.B. Wold, L.D. Connell, S.K. Choi. The role of spatial variability in coal seam parameters on gas outburst behavior during coal mining: InternationalJournal of Coal Geology (2008)
[23]吕绍林,何继善.瓦斯突出煤体的粒度分形研究[J].煤炭科学技术, 1999, 27(2): 46~4
[24]郝吉生,袁崇孚.模糊神经网络技术在煤与瓦斯突出预测中的应用[J].煤炭学报, 1999, 24(6): 624~62
[25]倪小明,郝吉生.采掘工作面煤与瓦斯突出预测专家系统的研制[J].湘潭师范学院学报(自然科学版), 2004, 12(4): 67~70
[26]煤炭科学研究总院重庆分院. AE声发射监测煤与瓦斯突出技术[R].重庆:煤炭科学研究总院重庆分院, 2003
[27]伍爱友,姚建,肖红飞.基于灰色关联分析的煤与瓦斯突出预测指标优选[J].煤炭科学技术. 2005, 33(4): 55~58
[28]范金志,郭德勇,张建国.层次分析法确定煤与瓦斯突出影响因素的权重[J].矿业安全与环保. 2001, 31(3): 4~7
[29]成新龙,何新矿,白国基.能量守恒分析在防治煤与瓦斯突出中的研究[J].煤炭科学技术, 2002, 30 (10): 52~55
[30]朱连山.煤与瓦斯突出机理浅析[J].矿业安全与环保, 2002, 29(2): 23~25
[31]何学秋.含瓦斯煤岩流变学[M].徐州:中国矿业大学出版社, 1995
[32]曹树刚.煤岩的蠕变损伤、瓦斯渗流和煤与瓦斯突出关系的研究[D].重庆:重庆大学, 1994
[33]李中锋.煤与瓦斯突出机理及其发生条件评述[J].煤炭科学技术. 1997, 25(11): 44~47
[34]于不凡,王佑安.煤矿瓦斯灾害防治及利用技术手册[M].北京:煤炭工业出版社, 2000
[35]周世宁,何学秋.煤和瓦斯突出机理的流变假说[J].中国矿业大学学报, 1990(2): 1~9
[36]李萍丰.浅谈煤与瓦斯突出机理的假说——二相流体假说[J].煤矿安全, 1989 (11): 29~35
[37]梁冰,章梦涛等.煤和瓦斯突出的固流耦合失稳理论[J].煤炭学报, 1995, 20(5): 492~496
[38]蒋承林,俞启香.煤与瓦斯突出机理的球壳失稳假说[J].煤矿安全, 1995, 16 (2): 17~25
[39]卢连宁,张迎新等.煤与瓦斯突出机理的球壳失稳假说[J].黑龙江科技学院学报, 1995, 17(1): 1725
[40]徐学锋.地质构造对煤与瓦斯突出的影响研究[M].阜新:辽宁工程技术大学出版社, 2003
[41]唐春安,王淑红,傅宇方著.岩石破裂过程数值试验[M].北京:科学出版社, 2003
[42]于不凡.煤和瓦斯突出机理[M].北京:煤炭工业出版社, 1985
[43]霍多特B B.煤与瓦斯突出[M].宋士钊,王佑安译.北京:中国工业出版社, 1966
[44]胡千庭.煤与瓦斯突出的力学作用机理及应用研究[D].北京:中国矿业大学(北京), 2007
[45]刘卫东,孟晓静,丁恩杰.岩体声发射监测系统的设计与实现[J].煤炭科学技术, 2007, 35(5): 64~66
[46]邹银辉.煤岩声发射机理初探[J].矿业安全与环保, 2004, 31(1): 31~35
[47]曹树刚,刘延保,张立强.突出煤体变形破坏声发射特征的综合分析[J].岩石力学与工程学报, 2002, 26(增1): 2794~2799
[48]胡千庭.煤与瓦斯突出非接触式预测技术的研究[J].煤炭科学研究院重庆分院, 1997
[49]黄运飞著.煤-瓦斯介质力学[M].北京:煤炭工业出版社, 1993
[50]黄仁东等.声发射技术在湘西金矿深井安全开采中的应用[J].中国安全科学学报, 2004, 4(12): 101~103
[51]邹银辉,赵旭生,刘胜.声发射连续预测煤与瓦斯突出技术研究[J].煤炭科学技术, 2005, 33(6): 61~65
[52]纪洪广等.无损伤监测中常用声发射参数分析与评价[J].无损检测, 2001, 23(7): 289~292
[53]西安科技大学西安西科测控设备有限责任公司. GDD-1矿用矿压动态传感器(矿用本质安全型)使用说明书. 2004, 4
[54]西安科技大学西安西科测控设备有限责任公司. KJ110N型矿井安全综合监控系统软件使用说明书. 2004, 8
[55]程伟.煤与瓦斯突出危险性预测及防治技术[M].徐州:中国矿业大学出版社, 2003, 7
[55]王凯,俞启香,蒋承林.钻孔瓦斯动态涌出的数值模拟研究[J].煤炭学报, 2001, 26(3)
[56]俞善炳,谈庆明等.含气多孔介质卸压层裂的间隔特征——突出的前兆[J].力学学报, 1998, 30(2)
[57]张铁岗.矿井瓦斯综合治理技术[M].北京:煤炭工业出版社, 2001
[58]秦汝祥,张国枢,杨应迪.瓦斯浓度序列的煤与瓦斯突出预报方法及应用[J].安徽理工大学学报(自然科学版), 2008, 28(3)
[59]王振龙,胡永宏主编.应用时间序列分析[M].北京:科学出版社, 2007, 5
[60]杨叔子,吴雅.时间序列分析的工程应用[M].武汉:华中科技大学出版社, 2003
[61]苏文叔.利用瓦斯涌出动态指标预测煤与瓦斯突出[J].煤炭工程师, 1996(5)
[62]史玉峰,宁津生.指数平滑法改进灰色模型及其在形变数据分析中的应用[J].煤炭学报, 2005, 30 (2): 206~209
[63]郭德勇,范金志等.煤与瓦斯突出预测层次分析-模糊综合评判方法[J].北京科技大学学报, 2007, 29 (7): 660~604
[64]叶义成,柯丽华,黄德育.系统综合评价技术及其应用[M].北京:冶金工业出版社, 2006
[65]张跃,皱寿平,宿芬.模糊数学方法及其应用[M].北京:煤炭工业出版社, 1992