【摘要】 瓦斯災(zāi)害一直是目前困擾我國煤礦安全生產(chǎn)的最重要因素之一。充分利用煤礦現(xiàn)場的海量安全監(jiān)測數(shù)據(jù)并加以有效分析，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確、可靠的瓦斯?jié)舛阮A(yù)測，將能夠顯著提高對于瓦斯災(zāi)害的預(yù)警能力。瓦斯?jié)舛阮A(yù)測是瓦斯災(zāi)害防控的有效手段，也是礦井通風(fēng)瓦斯安全研究中的重要課題。本文針對煤礦安全監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)時采集的瓦斯監(jiān)測數(shù)據(jù)，研究基于關(guān)聯(lián)分析的瓦斯?jié)舛阮A(yù)測及預(yù)警分析方法，開展了以下研究工作：研究了煤礦瓦斯監(jiān)測數(shù)據(jù)的預(yù)處理方法。分析了煤礦現(xiàn)場瓦斯監(jiān)測數(shù)據(jù)的實(shí)際表現(xiàn)特點(diǎn)，通過對瓦斯監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行異常數(shù)據(jù)替代、缺失數(shù)據(jù)補(bǔ)齊、數(shù)據(jù)消噪處理，在盡可能消除隨機(jī)、不確定性因素對預(yù)測分析影響的前提下，研究了瓦斯監(jiān)測數(shù)據(jù)希爾伯特—黃變換（HHT）分析方法，通過經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解（EMD）方法將瓦斯?jié)舛葧r間序列分解成不同瞬時頻率固有模態(tài)函數(shù)（IMF）分量的疊加，依據(jù)瓦斯?jié)舛葧r間序列的瞬時特征選取適合的方法進(jìn)行預(yù)測，以降低預(yù)測復(fù)雜度并提高預(yù)測精度，實(shí)現(xiàn)了有效的瓦斯監(jiān)測數(shù)據(jù)預(yù)處理，并為準(zhǔn)確、可靠的瓦斯?jié)舛阮A(yù)測奠定了基礎(chǔ)。研究了監(jiān)測點(diǎn)瓦斯?jié)舛阮A(yù)測方法�；谕咚�?jié)舛缺O(jiān)測數(shù)據(jù)預(yù)處理，以預(yù)測有效度作為預(yù)測精度的評估準(zhǔn)則；結(jié)合灰色關(guān)聯(lián)聚類分析方法和高斯過程回歸模型，動態(tài)確定瓦斯?jié)舛葧r間序列樣本最佳重構(gòu)維數(shù)；通過將瓦斯?jié)舛葮颖緞澐殖申P(guān)聯(lián)度較強(qiáng)的若干類別，作為虛擬變量表示諸多隨機(jī)、不確定性因素共同作用下的瓦斯?jié)舛葎討B(tài)特征，以消除這些因素對預(yù)測精度的影響；依據(jù)瓦斯?jié)舛葧r間序列HHT分析結(jié)果，綜合自回歸模型（AR）和高斯過程回歸（GPR）兩種預(yù)測，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測點(diǎn)瓦斯?jié)舛茸赃m應(yīng)預(yù)測。研究了工作面多變量瓦斯?jié)舛阮A(yù)測方法�；谕咚�?jié)舛缺O(jiān)測數(shù)據(jù)預(yù)處理，將工作面及其關(guān)聯(lián)巷道監(jiān)測點(diǎn)瓦斯?jié)舛葧r間序列視為關(guān)聯(lián)變量，通過貝葉斯網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)，建立了多變量瓦斯?jié)舛葧r間序列關(guān)聯(lián)分析模型；應(yīng)用貝葉斯網(wǎng)絡(luò)推理提取工作面瓦斯?jié)舛葧r間序列強(qiáng)關(guān)聯(lián)變量，形成工作面強(qiáng)關(guān)聯(lián)多變量瓦斯?jié)舛葧r間序列樣本組；通過混沌相空間重構(gòu)方法確定多變量瓦斯?jié)舛葧r間序列樣本重構(gòu)維數(shù)，構(gòu)建多變量瓦斯?jié)舛阮A(yù)測模型，應(yīng)用高斯過程回歸方法實(shí)現(xiàn)工作面瓦斯?jié)舛阮A(yù)測。研究了基于瓦斯?jié)舛阮A(yù)測的瓦斯預(yù)警分析方法。在瓦斯?jié)舛阮A(yù)測的基礎(chǔ)上，將預(yù)警指標(biāo)確定為預(yù)警基本指標(biāo)和關(guān)聯(lián)性指標(biāo)，通過瓦斯?jié)舛缺O(jiān)測數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析確定基本指標(biāo)閾值；通過瓦斯?jié)舛缺O(jiān)測數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)分析方法分析瓦斯?jié)舛葮颖镜年P(guān)聯(lián)特征，確定關(guān)聯(lián)性指標(biāo)閾值；通過預(yù)測值與預(yù)警指標(biāo)閾值的比較進(jìn)行瓦斯?jié)舛犬惓７治�，劃分預(yù)警等級，實(shí)現(xiàn)動態(tài)和精細(xì)化的瓦斯預(yù)警分析。研究了瓦斯?jié)舛阮A(yù)測及預(yù)警分析應(yīng)用。通過對寧夏汝箕溝煤礦瓦斯監(jiān)測數(shù)據(jù)的應(yīng)用分析表明，井下重要監(jiān)測點(diǎn)和主要采掘工作面瓦斯?jié)舛阮A(yù)測精度較高，預(yù)測區(qū)間有效，預(yù)警閾值及結(jié)果表達(dá)合理，驗證了該技術(shù)應(yīng)用于煤礦現(xiàn)場的有效性和適用性。本文針對煤礦瓦斯監(jiān)測數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，基于時間序列數(shù)學(xué)方法的綜合應(yīng)用所提出的瓦斯?jié)舛阮A(yù)測及預(yù)警模型，對于煤礦現(xiàn)場的瓦斯?jié)舛阮A(yù)測及預(yù)警表現(xiàn)出了良好的適應(yīng)性和精度控制能力，為煤礦瓦斯災(zāi)害的風(fēng)險預(yù)控提供了新的決策支持方法和手段。 

1  緒論 

 

1.1  研究背景及研究意義 

1.1.1  研究背景

目前，我國經(jīng)濟(jì)的持續(xù)快速增長對煤炭工業(yè)發(fā)展保持著高度的需求和緊密的依賴，煤炭是我國能源的基石，是重要的基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)；煤炭在相當(dāng)長的時期內(nèi)仍將是我國的主要能源。2 005年煤炭在我國一次性能源生產(chǎn)和消費(fèi)結(jié)構(gòu)中占的比重分別為76.0%和68.9%，預(yù)計到 2050 年還將分別占到 50％以上 [1] ，煤炭工業(yè)的健康、穩(wěn)定、持續(xù)發(fā)展是關(guān)系國家能源經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重大問題。我國煤炭產(chǎn)量由 2000 年的 12.99 億噸增長到了 2005 年的 21.9 億噸，2009 年全國煤炭產(chǎn)量超過了 30 億噸 [2] ，2011 年全國煤炭產(chǎn)量達(dá)到了 35 億噸 [3] 。然而，我國作為世界上最大的產(chǎn)煤國，同時也是發(fā)生煤礦災(zāi)害事故最嚴(yán)重的國家之一。

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1.2  國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 

1.2.1  礦井監(jiān)測數(shù)據(jù)處理及應(yīng)用研究現(xiàn)狀

煤礦安全監(jiān)測監(jiān)控技術(shù)的發(fā)展為礦井安全監(jiān)測信息處理及應(yīng)用提供了充分的數(shù)據(jù)來源。20 世紀(jì) 70 年代，一些發(fā)達(dá)國家開始研制監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)，在計算機(jī)技術(shù)、新的數(shù)據(jù)傳輸和處理技術(shù)發(fā)展的推動下，波蘭、德國、英國、美國等發(fā)達(dá)國家的監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)開發(fā)取得很大的進(jìn)展。波蘭的 CMM-20M 監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)適合于小煤礦，可配接 20 個測點(diǎn)，以循環(huán)方式檢測各測點(diǎn)的瓦斯?jié)舛群惋L(fēng)速等參數(shù)；德國的 TF-200 監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)采用頻分制傳輸，大大減少了傳輸信道電纜芯線；英國的 MINOS（Mine Operation System）監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)和美國的 SCADA（Supervisory Control and Data Acquisition）監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)，具有抗干擾能力強(qiáng)、傳輸與測點(diǎn)數(shù)無關(guān)、結(jié)構(gòu)簡潔及配置靈活等許多優(yōu)點(diǎn) [12] 等等。 1990 年左右，美國煤礦較普遍地裝備了安全監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)。 

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2  礦井瓦斯監(jiān)測數(shù)據(jù)預(yù)處理方法研究 

 

2.1  礦井瓦斯監(jiān)測數(shù)據(jù)的基本特點(diǎn)分析

煤礦安全監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)周而復(fù)始地對井下CH4、CO、O2、CO2等氣體濃度和風(fēng)速、負(fù)壓、粉塵濃度等環(huán)境參數(shù)進(jìn)行檢測，并且對設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測監(jiān)控。監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集及傳輸是在煤礦生產(chǎn)環(huán)境中完成的，由于井下環(huán)境條件惡劣，會使監(jiān)測系統(tǒng)部件受到溫度、灰塵、水蒸汽等各種干擾因素的影響，并且在監(jiān)測數(shù)據(jù)的采集、傳輸、存儲及處理過程中，還可能存在傳感器故障、存儲介質(zhì)故障及網(wǎng)絡(luò)傳輸故障、電磁干擾，以及人為管理問題的影響。因此，煤礦井下特殊、復(fù)雜的生產(chǎn)環(huán)境與監(jiān)測系統(tǒng)本身的局限性，使得通過監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)采集到的瓦斯監(jiān)測數(shù)據(jù)往往存在數(shù)據(jù)異常、數(shù)據(jù)缺失和監(jiān)測精度不可靠的可能，包含噪聲，表現(xiàn)出復(fù)雜、非線性的特性。

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2.2  異常數(shù)據(jù)處理方法
由以上分析，異常數(shù)據(jù)的存在會大大影響預(yù)測的準(zhǔn)確性。針對礦井瓦斯監(jiān)測數(shù)據(jù)的這一特點(diǎn)，分兩種情況對異常數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。對于異常數(shù)據(jù)中的極大值，究其原因，可能是由于災(zāi)變引起的，并且在整個時間序列中出現(xiàn)的概率很小，所以在建立預(yù)測模型時不能做簡單剔除，根據(jù)其出現(xiàn)頻率做規(guī)范化處理；而對于監(jiān)測數(shù)據(jù)中瓦斯?jié)舛葹榱愕臄?shù)據(jù)必須進(jìn)行處理，但不是簡單的剔除。由于出現(xiàn)零值的情形是檢測信號受到了干擾，但這些數(shù)據(jù)點(diǎn)處的真實(shí)值可認(rèn)為是符合前后一段時間內(nèi)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計規(guī)律的，因此用該數(shù)據(jù)點(diǎn)前后一段時間內(nèi)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計參數(shù)，或通過其它數(shù)據(jù)分析方法得到的估計值進(jìn)行替換。

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3  監(jiān)測點(diǎn)瓦斯?jié)舛阮A(yù)測方法研究..........................34 
3.1 監(jiān)測點(diǎn)瓦斯?jié)舛葧r間序列關(guān)聯(lián)分析及預(yù)測 ...............34 
3.2 預(yù)測有效度分析...........................35 
3.3 監(jiān)測點(diǎn)瓦斯?jié)舛葧r間序列關(guān)聯(lián)分析 ........................35 
3.4 監(jiān)測點(diǎn)瓦斯?jié)舛葧r間序列預(yù)測方法 ...................37 
3.5 監(jiān)測點(diǎn)瓦斯?jié)舛阮A(yù)測實(shí)例分析....................43 
3.6 本章小結(jié).................48 
4  工作面多變量瓦斯?jié)舛阮A(yù)測方法研究 ...........................49 
4.1 工作面瓦斯?jié)舛葧r間序列關(guān)聯(lián)分析及預(yù)測.....................49 
4.2 工作面多變量瓦斯?jié)舛葧r間序列關(guān)聯(lián)分析.....................50 
4.3 工作面多變量瓦斯?jié)舛葧r間序列樣本空間重構(gòu).....................57
4.4 工作面多變量瓦斯?jié)舛阮A(yù)測模型..........................59 
4.5 工作面多變量瓦斯?jié)舛阮A(yù)測實(shí)例分析......................61 

4.6 本章小結(jié).......................66 

 

6  礦井瓦斯?jié)舛阮A(yù)測及預(yù)警分析應(yīng)用

 

6.1  礦井概況 

6.1.1  礦井地理概況

汝箕溝煤礦位于寧夏回族自治區(qū)北端、賀蘭山腹地汝箕溝井田南翼。中心地理坐標(biāo)東經(jīng) 106°07′00″，北緯 39°04′00″。距自治區(qū)首府銀川市 98Km，距石嘴山市 38Km，距西大灘火車站 48Km，平汝鐵路通至大峰礦，姚汝公路將礦區(qū)與外界相連。行政區(qū)隸屬石嘴山市平羅縣管轄。礦井四周山巒起伏，溝谷縱橫。地表最高標(biāo)高＋2451.4m、最低標(biāo)高＋1919.4m，坡降 22.16%，巖煤層裸露地表，地面植被稀疏，屬高山地形，地勢西高東低，地形切割最高達(dá) 150m 左右。 

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7  結(jié)論 

 

7.1  結(jié)論

本文在分析了目前國內(nèi)外煤礦監(jiān)測數(shù)據(jù)處理與應(yīng)用、瓦斯?jié)舛阮A(yù)測預(yù)警方法及其應(yīng)用的基礎(chǔ)上，針對煤礦現(xiàn)場瓦斯監(jiān)測數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，提出了瓦斯監(jiān)測數(shù)據(jù)的預(yù)處理方法、基于瓦斯監(jiān)測數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)分析的瓦斯?jié)舛阮A(yù)測方法，以及基于瓦斯?jié)舛阮A(yù)測的預(yù)警分析方法。論文研究主要得出如下結(jié)論：
（1）通過分析煤礦現(xiàn)場瓦斯監(jiān)測數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，提出的瓦斯?jié)舛缺O(jiān)測數(shù)據(jù)預(yù)處理方法，通過異常數(shù)據(jù)替代、缺失數(shù)據(jù)補(bǔ)齊、原始監(jiān)測數(shù)據(jù)消噪處理后的瓦斯?jié)舛葧r間序列，能夠恢復(fù)到符合原始監(jiān)測數(shù)據(jù)整體統(tǒng)計規(guī)律，盡可能保持了數(shù)據(jù)的真實(shí)性和完整性、消除了噪聲數(shù)據(jù)的干擾，為獲得較高準(zhǔn)確性、可靠性的瓦斯?jié)舛阮A(yù)測奠定了基礎(chǔ)。
（2）針對煤礦現(xiàn)場瓦斯監(jiān)測數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，提出的瓦斯?jié)舛葧r間序列 HHT 分析方法，使得高度復(fù)雜、非線性瓦斯?jié)舛葧r間序列預(yù)測問題簡化，可以降低瓦斯?jié)舛葧r間序列預(yù)測的復(fù)雜度，提高監(jiān)測點(diǎn)瓦斯?jié)舛阮A(yù)測精度和性能。

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本文編號：10965