王曦开题报告Word文件下载.docx
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频繁发生的事故不仅给企业造成巨大的经济负担，也给国家和人民带来严重的心理创伤。
而在我国煤炭事故中，瓦斯事故危害程度最大，造成的损失也最严重。
新中国成立以来，死亡百人以上的煤矿事故中，95%为瓦斯事故。
在我国724处国有重点煤矿中，高瓦斯矿井152处，占21.0％；
煤与瓦斯突出矿井154处，占21.3％；
低瓦斯矿井418处，占57.7％。
45户煤矿安全重点监控企业中，高瓦斯和煤与瓦斯突出矿井250处，占45户煤炭企业矿井总数的60.4％。
地方国有煤矿和乡镇煤矿中，高瓦斯和煤与瓦斯突出矿井占15％。
随着开采深度的增加，瓦斯涌出量的增大，高瓦斯和煤与瓦斯突出矿井的比例还会增加，这种情况直接增加了瓦斯爆炸和煤与瓦斯突出的危险性[3]。
下面是近几年我国煤矿事故的统计图[4]：
图1近几年煤矿事故死亡人数统计
2009年，我国煤矿可查事故共110起，死亡、失踪人员864人。
其中煤与瓦斯突出16起，死亡212人；
瓦斯燃烧、爆炸28起，死亡212人；
瓦斯中毒、窒息事故16起，死亡86人；
冒顶坍塌事故19起，死亡62人；
机电事故7起，死亡29人；
透水事故21起，死亡125人；
其他事故3起，死亡45人[5]。
这些都说明了我国煤炭企业安全状况依然严峻。
因此，如何在瓦斯事故发生之前对可能发生的危险进行科学地辨识、评价、预测和预警，并应用于煤矿企业，便成为当前煤矿安全生产中需要尽快解决的问题。
1.2研究的目的和意义
煤与瓦斯突出（简称突出）是煤矿的重大灾害之一，是煤矿井下生产过程中发生的一种异常复杂的动力现象，表现为大量的煤体和瓦斯突然抛向巷道空间，造成煤流埋人、巷道充满瓦斯、使人窒息，甚至引起瓦斯爆炸。
各采煤国家投入了大量的人力物力，开展突出机理、预测及防治技术的研究，提出的关于突出机理的假说已有十几种，在一些方面取得了进展，但由于煤岩物理力学性质的非线性、岩体破坏形式的多样性和瓦斯赋存与运移过程的复杂性，对于突出的原因、过程及一些细节还不十分明确，现场存在着一些特殊的突出现象也无法解释，问题还远远没有得到解决。
因此我们很有必要研究导致煤与瓦斯突出的影响因素，对突出危险性进行区域预测，对突出区域的煤与瓦斯突出危险性进行划分，从而在预测出的危险区域，采取行之有效的措施和方法，最终达到减少煤与瓦斯突出的目的。
本文拟用支持向量机的相关知识对煤矿瓦斯状况进行分析和评估，从而判定特定区域有无瓦斯突出危险，为煤矿企业瓦斯防治工作提供一定依据。
2国内外研究现状及发展趋势
2.1熵理论的发展
熵（Entropy）一词是在1865年由德国物理学家克劳修斯（K.Clausis）创立。
他是在《热之唯动说》一书中为了将热力学第二定律格式化而引入这个概念的[6]。
1912年，普朗克指出各种物质的完美晶体，在绝对零度时，熵为零，这就是热力学第三定律。
1920年，路易斯（Lewis）和吉布逊（Gibson）提出对于过冷液体或内部运动未达平衡的纯物质（如NO，CO等），存在所谓的“残余熵”。
到了19世纪末和20世纪初，杜亥姆（Duhem.P）、纳汤生（Natason.L）、乔门（Jaumann.G）、劳尔（Lohr.E），及20世纪40年代爱卡尔脱（Eckart.C）等的工作，将热力学第二定律与物质、能量和动量的变化联系起来，从而得到熵产生率，即由于不可逆过程而引起的熵随时间的变化。
另一方面，在20世纪20年代，德唐得（deDonder.T）将化学反应亲和势与反应进度相结合，得到了化学反应的熵产生率。
1931年，昂萨格（Onsager.L）证明了倒易关系的存在，从而使非平衡态热力学的能动性有了实质性的飞跃。
进一步由卡西米尔（Casimir.H.B.G）、梅克斯纳（Meixner）和普里高京（Prigogine.I）等将倒易关系与熵产生率结合，建立了不可逆过程的唯象理论，从而诞生了非平衡态热力学[7]。
此外，薛定谔（Schrdinger）于1944年提出了负熵的概念，70年代普利高京则利用负熵的概念把封闭系统的热力学第二定律推广到开放系统。
1948年，香农（Shannon）在BellSystemTechnicalJournal上发表了《通信的数学原理》（AMathematicalTheoryofCommunication）一文，将熵的概念引入信息论中，提出了信息熵的概念[8]。
此后，国外学者开始将熵理论的知识应用到其他方面，如MatthiasDehmer等（2008）将其应用到分级网络技术的研究[9]；
GregoryR.Bowman等（2008）提出的基于熵的结构预测模型[10]；
JasonW.Locasale等（2009）将最大熵方法运用到定量蛋白质组学数据的动态网络模型重建[11]；
MayankBhagat等（2009）运用小波熵进行大脑对于彩色闪动刺激反应的测定[12]；
ChristopherJ.Rhodes等（2010）将进化熵的相关知识运用到流行病学模式的探讨之中[13]。
1923年科学家普兰克首次将“熵”引入我国，随后我国涌现出了许多熵理论的研究学者，很多学者开始尝试着把这定义用在管理学的研究中，也有很多学者将熵应用在企业的知识治理、品牌文化扩散和企业效益评价等领域中。
如纪福兴（1988）把熵理论运用到利用外资方面[14]；
赵红州等（1991）提出了知识熵的概念，用来作为衡量物理定律知识单元混乱度的标志[15]；
张成科（1998）将熵应用到水质模糊评价上[16]；
赵佩华（1999）提出的熵理论与可持续发展[17]；
李薇，龚声武等人（2008）利用熵技术进行安全培训质量的评价[18]；
黎枫，陈亚宁等人（2010）将熵权应用到水资源的可持续评价中[19]；
桂文林，韩兆洲等人（2010）提出了基于熵的中国股市极值风险测度[20]。
2.2支持向量机理论的发展
1995年，Vapnik出版的《统计学习理论》[21]专著中提出了支持向量机（SupportVectorMachine，SVM）方法，并在其统计学理论专著[22]中详细地介绍了基于支待向量机的回归方法和信号处理方法。
支持向量机是一种在统计学习理论的基础上发展起来的新的通用学习方法，能非常成功地处理回归问题（时间序列分析）和模式识别（分类问题、判别分析）等诸多问题，并可推广于预测和综合评价等领域。
随着对支持向量机的深入研究，Scholkopf提出了v-SVM[23]，Suykens提出了LS-SVM（LeastSquaresSVM）[24]，Osuna提出的分块（Chunking）算法，Platt提出了序贯最小优化（SequentialMinimalOptimization，SMO）算法，Chen等通过对SMO的分析提出了SMO的分解算法，从而使算法更合理、运算速度更快。
随着支持向量机的理论不断完善，其应用方面的研究也越来越多，主要集中在模式识别、回归分析和概率密度估计等领域。
在模式识别方面最突出的应用研究是贝尔实验室对美国邮政手写数字库进行的实验，用SVM方法得到的识别结果明显优于决策树和多层神经网络。
SVM在时间序列分析和回归分析等领域的应用属于现阶段比较前沿的应用研究，例如：
混沌时间序列的支持向量机预测模型；
利用SVM来解决非线性系统的控制问题；
SVM识别单一视觉的三维物体问题等。
与其它技术进行比较，线性SVM表现出了可喜的效果，此外，SVM在概率密度估计的应用领域中也表现了良好的性能。
国内诸多学者积极支持向量机的研究和推广。
如张学工、许建华、李国正等人翻译出版了Vapnik的关于统计学习理论和支持向量机的经典著作[21-22]；
邓乃扬、田英杰出版了《数据挖掘中的新方法支持向量机》[25]；
李建民、张钹（2003）等提出了序贯最小优化的改进算法[26]；
周水生等（2004）提出了训练支持向量机的低维Newton算法[27]；
王玲等（2005）人在隐空间中采用最小二乘损失函数，提出了最小二乘隐空间支持向量机[28]；
张翔等（2006）基于样本之间紧密度提出了模糊支持向量机[29]；
杨绪兵等（2007）提出了基于广义特征值的最接近支持向量机（GEPSVM）[30]等。
许多学者也将支持向量机应用到矿业工程领域。
如杨凌霄，沈鹰等（2006）进行了基于支持向量机的煤与瓦斯突出预测研究[31]；
梅灿华、李明（2007）提出了基于支持向量机的瓦斯传感器资料验证方法[32]；
闫志刚、白海波等（2008）提出了一种新型矿井突水分析与预测的支持向量机模型[33]；
师旭超、韩阳（2009）提出了煤与瓦斯预测的支持向量机模型[34]；
崔邯龙、李海涛、孟文清（2009）提出了综掘工作面瓦斯涌出量的支持向量机预测模型[35]；
赵华杰，田水承（2010）提出了基于粗糙集支持向量机的瓦斯爆炸危险源评价模型[36]等。
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探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。
于不凡[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]（2003）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]（2008）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，提出了许多突出预报方法，这些方法在防治突出的发生及减小突出灾害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，他进一步通过实验室研究发现，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，结果也表明，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裂电磁辐射效应进行了研究。
研究结果表明，电磁辐射与煤岩体的载荷及变形破裂过程呈正相关，基本上随着载荷及变形破裂强度的增加而增加。
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。
林海燕等通过对含瓦斯煤断裂的地磁辐射实验研究发现，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情况，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，发生突发性破裂，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。
王恩元在实验室研究发现，尽管煤岩体破裂时的声发射信号非常丰富，但在煤岩体的破坏过程中是阵发性的，表明了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裂，试验研究结果表明，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），瓦斯流动的通道被封闭，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抵抗动力破坏的能力。
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表明，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。
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.塔拉索夫研究表明，突出动力现象常常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。
地电场电势降落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]。
基于经验的传统预测技术和基于数学建模的统计预测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测中，并取得了一定的研究成果[49]。
2.3.3突出预测指标研究
（1）单项指标法
《防治煤与瓦斯突出细则》规定，预测煤层突出危险性可用煤的破坏类型、煤的坚固性系数（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
煤的破坏
类型
瓦斯放散初速度
△P
煤的坚固性系数
f
煤层瓦斯压力
p（Mpa）
突出危险
Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ
≥10
≤0.5
≥0.74
无突出危险
Ⅰ、Ⅱ
＜10
＞0.5
＜0.74
（2）D、K综合指标法
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。
注：
当D值两括号内计算结果全部为负时，则不论D值大小，都定为突出威胁区域。
（3）其他指标及其相关临界值表
．钻屑指标法
△
（pa）
最大钻屑量
突出危险性
Kg/m
L/m
ml/（g.
）
≥200
≥6
≥5.4
≥0.5
突出危险工作面
﹤200
﹤6
﹤5.4
﹤0.5
无突出危险工作面
其中，△
和
表示钻屑瓦斯解吸指标。
．R指标法
指标
；
突出危险程度
≥30
有突出危险
﹤30
其中，
表示每个钻孔沿孔长的最大钻屑量，
表示每个钻孔的最大钻孔瓦斯涌出初速度。
．复合指标法
钻孔瓦斯涌出初速度
q（L/min）
钻屑量
S（kg/m）
（L/m）
5
6
5.4
如果实测到的指标q、S的所有测定值均小于临界值，并且没发现其他异常情况，则该工作面预测为无突出危险工作面；
否则，为突出危险工作面。
3本文的研究内容和技术路线
3.1研究内容
本文的研究内容主要有以下几个方面：
（1）列举目前瓦斯突出预测的主要方法，指出其优缺点；
（2）到具体煤矿企业收集最新的相关数据；
（3）用熵理论的知识对瓦斯突出指标数据进行优化和筛选，并对支持向量机方法进行改进；
（4）用改进的方法进行预测，给出精确度分析，并与传统方法进行对比。
3.2技术路线
本文技术路线如下图所示：
图3.2技术路线图
4可能的困难和问题
由于本课题具有一定的创新性，而自己的理论知识有限，因此在完成论文的过程中可能会遇到以下困难：
①本文需要的数据量很大，除了需要具体煤矿企业不同测试点的横向数据，还需要以时间为序列的纵向数据；
②各个矿区的实际情况不同，对于瓦斯突出预测指标的选定也必须根据实际情况变化；
③传统预测方法的选定以及改进支持向量机模型的构建。
5预期目标
到具体煤矿企业收集相关数据，并用熵理论的相关知识对其进行筛选和优化，再用改进的支持向量机方法对其进行预测，以期获得比传统方法更好的精度及泛化能力，从而给煤矿企业领导人做出相关决策提供依据。
6论文工作量和经费来源
本课题的工作量是比较大的，除了需要了解很多种预测方法和对支持向量机方法进行改进以外，还要现场调研，收集论文所需数据。
但是指导小组的资深专家和教授都具有十分丰富的理论知识和实践经验，为本课题的研究创造了十分良好的条件。
经费来源主要是课题的基金费用和研究生经费。
7研究进度安排
由于本课题的调查、计算与应用相对独立，因此对论文工作各阶段的主要安排如下：
2010.12—2011.01继续查阅资料文献，掌握更多理论和最新科技动态，完善与课题研究相关知识，扩充自己的知识。
2011.01—2011.02对瓦斯突出机理及体系进行研究，加强对各软件的学习；
2011.03—2011.06熟悉原有方法和改进相关算法；
2011.07—2011.08根据现场数据，用改进方法进行预测，得出结论；
2011.08—2011.09完成论文整体框架；
2011.09—2011.10完成论文；
2011.11—2011.12校对完善论文；
2012.01—2012.03准备答辩。
8参考文献
[1]推动煤矿瓦斯防治工作新水平．
[2]中国煤炭工业发展前景
[3]崔兆华．2001—2008年我国煤矿瓦斯事故统计及原因分析[J].科技情报开发与经济，2009，19（21）:
139-140
[4]邓奇根，刘明举等．2008年我国煤矿事故统计分析及防范措施[J]．煤炭技术，2010,29（6）：
14-16
[5]2009煤矿瓦斯事故统计..
[6]郭春荣．基于熵的供应链系统的自组织性与混沌性分析[J]．现代管理科学，2008
（2）：
39-61.
[7]杰里米•里夫金，特德•霍华德．熵：
一种新的世界观[M]．上海：
上海译文出版社，1987.2
[8]陈建珍，赖志娟．熵理论及其应用[J]．江西教育学院学报（综合），2005，26（6）：
9-12.
[9]MatthiasDehmer,StephanBorgert等．EntropyBoundsforHierarchicalMolecularNetworks[J].PLO
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