煤矿瓦斯监测数据插值与预测研究

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1、ChinaUniversityofMining&Technology,Beijing博士学位论文煤矿瓦斯监测数据插值与预测研究学院：资源与安全工程学院学号：WBP120101011作者：魏永强学科专业：采矿工程导师：刘文永2015年6月中图分类号：TD713密级：单位代码：11413博士学位论文中文题目：煤矿瓦斯监测数据插值与预测研究英文题目：InterpolationandPredictionofCoalMineGasMonitoringData作者：魏永强学号：WBP120101011学科专业：

2、采矿工程研究方向：资源开发新技术导师：刘文永职称：教授论文提交日期：2015年4月14日论文答辩日期：2015年6月8日学位授予日期：2015年6月24日中国矿业大学（北京）独创性声明本人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工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中国矿业大学（北京）或其他教学机构的学位或证书而使用过的材料。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作了明确的说明并表示谢意

3、。作者签名：日期：关于论文使用授权的说明本人完全了解中国矿业大学（北京）有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅或借阅；学校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。（保密的论文在解密后应遵守此规定）作者签名：导师签名：日期：.摘要井工煤矿是我国煤矿的主体。由于煤炭资源赋存的地质结构非常复杂，与煤系地层共生的地下水、火、瓦斯、地温、煤尘和顶板等多相介质受采矿工程动态作业的影响，改变了地下空间环境中固体、液体和气体等的物理、化学和力学

4、等自然特性，在地应力或其他外部因素扰动下失稳、失控，造成围岩断裂、巷道破坏、煤与粉尘突出、透水、瓦斯等煤矿事故灾害。瓦斯事故是一项危害较为严重的事故。2014年，全国煤矿发生瓦斯事故47起、死亡266人，同比减少15起、101人，分别下降24.2%和27.5%。虽然近几年煤矿瓦斯事故逐年大幅度下降，但瓦斯事故总量依然较大，重大瓦斯事故没有得到有效遏制，非法违规生产矿井瓦斯事故多发，煤矿瓦斯防治形势依然严峻。由于岩体破坏形式的多样性、煤岩物理力学性质的非线性及瓦斯赋存与运移过程的复杂性，导致瓦斯事故发

5、生的原因、过程及一些细节问题不十分明确，现场存在着大量特殊的事故现象无法解释。主要原因在于现场与瓦斯有关的各种类型的监测数据没有得到充分的挖掘和利用，并且瓦斯预测技术的研究还很不充分，预测的准确性并不高。通过国内外瓦斯预测研究现状的分析，煤矿瓦斯分析预测关键在于瓦斯分析方法的有效性和实用性，而传统方法在分析瓦斯涌出规律和预测模型的建立过程中，在影响因素的选取、建模过程以及实际应用等方面都具有极大的局限性。岩石或岩体力学行为具有非线性的本质特征，瓦斯活动规律也具有非线性的复杂的动力学属性，所以，对瓦斯

6、进行预测研究应该充分考虑其非线性特征，利用目前的非线性科学理论，去寻找对瓦斯数据进行预测的新方法。鉴于矿井瓦斯监测数据具有混沌特性，利用混沌理论对矿井瓦斯数据进行分析和建模是科学的和实用的。论文首先进行了大量的文献研究，进行了深刻的分析总结，把煤矿分为低瓦斯矿井和高瓦斯矿井，高瓦斯矿井选取山西阳煤集团新元煤矿为实验对象，低瓦斯矿井选取北京京煤集团木城涧煤矿、河南能源化工集团城郊煤矿和耿村煤矿为实验对象，实验对象涵盖华北，华中主要矿井，具有较为广泛的代表性；深入剖析了瓦斯数据的混沌特性，并以此进行相空

7、间重构、建模，瓦斯数据的插值算法对比研究，最后进行瓦斯混沌时间序列预测模型分析、应用与验证。论文所做的主要工作概括如下：（1）混沌理论研究。研究了混沌理论的起源、混沌系统的基本特征以及时间序列混沌特性判定方法。在此基础上，对瓦斯时间序列样本数据的选取进行了分类，即根据采样周期不同，分别按照每5分钟、每小时、每天取均值的瓦斯时间序列作为基础样本数据。通过定性定量分析，利用小数据量法和G-P算法分别I求最大Lyapunov指数值和关联维数混沌系统特征量，计算结果得出三种类型瓦斯样本时间序列的关联维数均为

8、非正整数，最大Lyapunov指数均大于零。由此证明了瓦斯时间序列具有混沌特性，对瓦斯所处混沌系统进行短期预测具有可行性。（2）瓦斯混沌时间序列相空间重构。介绍了相空间重构的基本理论，使用延迟坐标法对重构相空间中嵌入维数和延迟时间两个主要参数选取的方法做了比对分析。针对三种不同采样周期的瓦斯浓度时间序列样本，在确定延迟时间间隔时分别使用自相关法和互信息法进行对比，结果得出使用互信息法更符合瓦斯浓度时间序列的非线性特征。介绍了Cao氏法和伪邻近点（FNN）法确定嵌入维数