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D0I:10.13374/1.issnl00103.2007.04.002 第29卷第4期 北京科技大学学报 Vol.29 No.4 2007年4月 Journal of University of Science and Technology Beijing Apr.2007 煤与瓦斯突出预测灰色理论神经网络方法 郭德勇)李念友12)裴大文3) 郑登锋) 1)中国矿业大学（北京）资源与安全工程学院，北京1000832)四川为天矿山安全科技评估咨询公司，成都610083 3)平顶山煤业集团公司，平顶山467000 摘要将灰色理论一神经网络方法应用于煤与瓦斯突出预测中，利用灰色系统理论的灰色关联法确定了控制矿井煤与瓦斯 突出的主控因素，并对煤与瓦斯突出主控因素进行筛选·建立了煤与瓦斯突出危险性预测人工神经网络的数学模型和系统结 构·在平顶山八矿突出区进行了煤与瓦斯突出危险性预测应用，预测效果表明：利用灰色系统理论一神经网络方法对预测矿井 煤与瓦斯突出是可行的 关键词煤与瓦斯突出：突出预测：灰色关联；人工神经网络 分类号TD713+.2 煤与瓦斯突出是煤矿最严重的地质灾害之一， 层倾角增大有增多的趋势，强烈破坏的松软煤层， 煤与瓦斯突出是地应力、煤层瓦斯、煤体结构物理性 由于强度低，极易发生煤与瓦斯突出，平煤集团八 质共同作用的结果，瓦斯地质研究]表明：瓦斯 矿的突出基本上发生在软分层，较大型的突出都发 分布和瓦斯突出分布是分区分带的，突出分布的不 生在软分层厚度变化区， 均匀性受地质条件控制.最新瓦斯地质研究3]将构 (3)地应力因素，地应力由岩层自重应力和构 造物理学理论用于瓦斯地质研究，提出瓦斯突出构 造应力组成，构造应力是构造带发生瓦斯突出能量 造物理环境的概念，指出不同的地质构造及地质构 的重要组成部分，构造应力在突出中起重要作用， 造的不同部位具有不同的突出危险性，对瓦斯突出 在平顶山八矿的现代应力测试表明，矿井现代地应 预测指标研究3)]表明，煤与瓦斯突出预测指标具 力受构造应力场控制，水平应力是最大应力，主应力 有不确定性，对煤与瓦斯突出的准确预测仍然是世 方向与构造应力方向一致. 界性难题，同时是瓦斯防治工作必须解决的实际问 (4)瓦斯因素，煤与瓦斯突出前总是伴随着一 题 些特征，这些特征是预测煤与瓦斯突出的依据之一· 1控制煤与瓦斯突出的主要因素 突出特征主要有巷道顶板来压、掉渣、片帮、响煤炮、 闷雷声、瓦斯压力增大、喷孔、顶钴、卡钴等，发生突 (1)地质构造因素，地质构造是控制瓦斯突出 出前并非所有特征同时出现，往往出现其中一种或 发生的主导地质因素，地质构造类型、规模、性质、疏 某几种预兆 密程度、排列组合以及构造部位等的差异，对瓦斯突 出均有不同程度的影响，地质构造带状分布的特 2煤与瓦斯突出控制因素灰色系统理 征，控制瓦斯突出危险区呈带状分布，如平顶山八矿 论研究 大多数突出发生在地质构造带 灰色系统理论是在经典控制理论、现代控制理 (②)煤层因素、煤层因素包括煤层厚度、煤层 论（包括大系统理论）、模糊控制理论（即白色控制理 倾角、软分层厚度和煤层埋藏深度，煤层越厚特别是 论)的基础上，针对要求高而又难于用传统方法建模 软分层越厚突出越频繁，突出次数和突出强度也同 的系统发展起来的新方法9]. 时增多。平顶山八矿较大型突出发生在煤层厚度变 2.1灰色关联模型 化煤层，尤其是软分层变化煤层。受煤自重影响，倾 设煤的突出强度为母因素，各影响因素为子因 角越大的煤层越容易发生突出，突出的次数随着煤 素，母因素观察值为： 收稿日期：2006-11-07修回日期：2006-12-09 1x0(0)}t=1,2,3,…,m. 基金项目：国家自然科学基金资助项目(N。,40472084):教育部新 子因素观察值为： 世纪优秀人才基金资助项目(No,NECT05O214) {x9(i)}i=1,2,3,…,n;t=1,2,3,…,m 作者简介：郭德勇(1966一)，男.教授，博士生导师煤与瓦斯突出预测灰色理论－神经网络方法 郭德勇1） 李念友12） 裴大文13） 郑登锋1） 1） 中国矿业大学（北京）资源与安全工程学院北京100083 2） 四川为天矿山安全科技评估咨询公司成都610083 3） 平顶山煤业集团公司平顶山467000 摘 要 将灰色理论－神经网络方法应用于煤与瓦斯突出预测中利用灰色系统理论的灰色关联法确定了控制矿井煤与瓦斯 突出的主控因素并对煤与瓦斯突出主控因素进行筛选．建立了煤与瓦斯突出危险性预测人工神经网络的数学模型和系统结 构．在平顶山八矿突出区进行了煤与瓦斯突出危险性预测应用预测效果表明：利用灰色系统理论－神经网络方法对预测矿井 煤与瓦斯突出是可行的． 关键词 煤与瓦斯突出；突出预测；灰色关联；人工神经网络 分类号 TD713＋∙2 收稿日期：20061107 修回日期：20061209 基金项目：国家自然科学基金资助项目（No．40472084）；教育部新 世纪优秀人才基金资助项目（No．NECT－05－0214） 作者简介：郭德勇（1966－）男教授博士生导师 煤与瓦斯突出是煤矿最严重的地质灾害之一 煤与瓦斯突出是地应力、煤层瓦斯、煤体结构物理性 质共同作用的结果．瓦斯地质研究［1－2］ 表明：瓦斯 分布和瓦斯突出分布是分区分带的突出分布的不 均匀性受地质条件控制．最新瓦斯地质研究［3］将构 造物理学理论用于瓦斯地质研究提出瓦斯突出构 造物理环境的概念指出不同的地质构造及地质构 造的不同部位具有不同的突出危险性．对瓦斯突出 预测指标研究［3－8］表明煤与瓦斯突出预测指标具 有不确定性．对煤与瓦斯突出的准确预测仍然是世 界性难题同时是瓦斯防治工作必须解决的实际问 题． 1 控制煤与瓦斯突出的主要因素 （1） 地质构造因素．地质构造是控制瓦斯突出 发生的主导地质因素地质构造类型、规模、性质、疏 密程度、排列组合以及构造部位等的差异对瓦斯突 出均有不同程度的影响．地质构造带状分布的特 征控制瓦斯突出危险区呈带状分布如平顶山八矿 大多数突出发生在地质构造带． （2） 煤层因素．煤层因素包括煤层厚度、煤层 倾角、软分层厚度和煤层埋藏深度煤层越厚特别是 软分层越厚突出越频繁突出次数和突出强度也同 时增多．平顶山八矿较大型突出发生在煤层厚度变 化煤层尤其是软分层变化煤层．受煤自重影响倾 角越大的煤层越容易发生突出突出的次数随着煤 层倾角增大有增多的趋势．强烈破坏的松软煤层 由于强度低极易发生煤与瓦斯突出．平煤集团八 矿的突出基本上发生在软分层较大型的突出都发 生在软分层厚度变化区． （3） 地应力因素．地应力由岩层自重应力和构 造应力组成构造应力是构造带发生瓦斯突出能量 的重要组成部分构造应力在突出中起重要作用． 在平顶山八矿的现代应力测试表明矿井现代地应 力受构造应力场控制水平应力是最大应力主应力 方向与构造应力方向一致． （4） 瓦斯因素．煤与瓦斯突出前总是伴随着一 些特征这些特征是预测煤与瓦斯突出的依据之一． 突出特征主要有巷道顶板来压、掉渣、片帮、响煤炮、 闷雷声、瓦斯压力增大、喷孔、顶钻、卡钻等．发生突 出前并非所有特征同时出现往往出现其中一种或 某几种预兆． 2 煤与瓦斯突出控制因素灰色系统理 论研究 灰色系统理论是在经典控制理论、现代控制理 论（包括大系统理论）、模糊控制理论（即白色控制理 论）的基础上针对要求高而又难于用传统方法建模 的系统发展起来的新方法［9］． 2∙1 灰色关联模型 设煤的突出强度为母因素各影响因素为子因 素．母因素观察值为： ｛x （0） t （0）｝ t＝123…m． 子因素观察值为： ｛x （0） t （ i）｝ i＝123…n；t＝123…m． 第29卷 第4期 2007年 4月 北 京 科 技 大 学 学 报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol．29No．4 Apr．2007 DOI:10．13374／j．issn1001－053x．2007．04．002