基于多重分形理论的工作面煤与瓦斯突出预测

作者:邓存宝;凡永鹏; 刊名:辽宁工程技术大学学报(自然科学版) 上传者:张国银

【摘要】为对工作面煤与瓦斯突出进行高效准确的预测,采用多重分形理论分析的方法,对瓦斯涌出时间序列进行研究.绘制了分配函数和划分尺度之间的双对数曲线,计算了广义分形维数D_q、奇异指数α、多重分形谱f(α),分析了k_0、?α、?f(α)在不同时间段的变化规律,从不同角度反应瓦斯涌出量的非均匀质特征.研究结果表明:无论是q>0时还是q<0时所有ε区间上的分配函数和划分尺度之间的双对数曲线都是直线,瓦斯涌出量时间序列具有多重分形特征,在较大测度内满足标度不变性.多重分形参数k0、?α、|?f(α)|在一般情况会不断小幅度的变化但都趋于稳定,在快接近煤与瓦斯突出发生时间点时显著大于正常水平.它们之间有很好的相关性,可以共同对煤与瓦斯突出进行预测.

全文阅读

0引言随着煤矿采掘深度的加深,煤与瓦斯突出问题变的越来越严重[1],严重威胁着矿井安全和生产,所以对煤与瓦斯突出进行预测也变的越来越重要.对瓦斯涌出规律的分析是预测煤与瓦斯突出的一 种重要方法.付华[2]等提出了蚁群聚类算法对Elman神经网络进行优化,进而绝对瓦斯涌出量进行动态预测.魏春荣[3]等用灰色理论对煤矿瓦斯进行长期预测.毛政利[4]基于分形理论对工作面煤与瓦斯突出进行预测作为煤与瓦斯突出的预测依据. 突出是由于煤岩系统的复杂性,在采掘活动的影响下所发生的动力灾害现象.影响煤与瓦斯的因素有很多,相互作用关系复杂且系统各影响因素都具有非线性特征[5-6].许多国内外学者运用非线性理论对煤与瓦斯突出进行研究.张有狮[7]等基于非线性理论对煤与瓦斯突出进行了综合预测.王凯[8]应用混沌理论,描述了煤与瓦斯突出发生前瓦斯涌出量的非线性特征,为煤与瓦斯突出规律的研究提供了新的方式.施式亮[9]等说明了运用混沌理论对掘进工作面瓦斯涌出规律特征进行分析的科学性.王亚军[10]等运用混沌理论对采掘工作面煤与瓦斯突出特征进行研究.何俊[11]等对煤与瓦斯涌出时间序列的混沌力学特征进行了研究.说明了瓦斯涌出时间序列的混沌力学特征.本文基于多重分形理论对工作面瓦斯涌出时间序列Q进行分析,得出多重分形参数k0、?f()、?在突出前的规律,进而对煤与瓦斯突出进行预测.1多重分形理论在通常所使用的盒计数法中,如果盒子下覆盖的有像素或者图像就将该盒子计算进来,而不考虑盒子下具体覆盖了多少像素或者像素,这样在分形维数的计算中丢失了许多信息[12].而多重分形考虑到了每个盒子所覆盖的像素或图像的的大小差别.本文使用盒维数法来计算瓦斯涌出时间序列Q的多重分形特征值,把每段时间序列划分为的N个子集,每个子集的概率分布满足关系式Pi(),(1)式中,为奇异指数,它可以反映出时间序列各小段的奇异程度,所以值和它所处的子集有关[13].将把每个子集所含单元个数设为N(),则N()和的关系式为N()?f(),(2)式中,f()为每个被划分的子集的分形维数,其和呈一一对应关系,把f()-称为多重分形谱,描述整个瓦斯涌出时间序列的分形信息.本文使用统计物理法对多重分形谱进行计算,它首先定义一个分配函数,对概率Pi()用q(-q+)次方进行加权求和其数学表达式[14]为q()=Pi()q=(q).(3)如果Pi()q=(q)等式成立,那么lnq()-ln直线的斜率为(7)(8)ln(7)(8)=lnqq,(4)式中,(q)为质量指数,由质量指数(q)可以得到广义分形维数Dq[14]的计算式为Dq=()1-qq.(5)对(q)、q进行勒让德变换后得到多重分形谱f(),()qq-=f();(6)()qqdd=,(7)f()-曲线即为多重分形谱.能反应瓦斯涌出时间序列不均匀性质.2现场概况A矿14218工作面煤层平均厚度为3.6m,瓦斯含量为5.37m3/t,原始瓦斯压力为1.5MPa,通过上保护层开采的方法进行煤层瓦斯消突;B煤矿8203工作面所在煤层瓦斯平均含量为16.6m3/t,最大瓦斯压力值为2.12MPa,该煤层倾角为2~8较为平缓但具有煤与瓦斯突出的危险,采用底板岩巷大面积穿层钻孔预抽法保证回采安全;C矿5301工作面煤层平均瓦斯含量为12.01m3/t,原始瓦斯压力为1.8MPa,煤层瓦斯消突的方式为顺层钻孔抽采的方法.3个煤矿的工作面分别在2005年8月24日01时36分、2007年7月20日13时02分、2013年3月18日22时12分发生了煤与瓦斯突出.瓦斯涌出的变化规律和

参考文献

引证文献

问答

我要提问