本文關(guān)鍵詞：基于小波分析的掘進(jìn)工作面瓦斯涌出模式識別研究

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【摘要】：長期以來,礦井瓦斯災(zāi)害一直是威脅我國煤礦安全生產(chǎn)的最重要因素之一。而在防治礦井瓦斯災(zāi)害中掘進(jìn)工作面瓦斯的防治是整個礦井瓦斯防治工作的重中之重,由于掘進(jìn)工作面首先揭露煤層,瓦斯涌出量大,在掘進(jìn)巷道極易發(fā)生瓦斯積聚,最易導(dǎo)致瓦斯事故發(fā)生。同時,在掘進(jìn)工作面掘進(jìn)過程中可能會遇到各類異常災(zāi)害,而這些大部分異常災(zāi)害發(fā)生的根本原因是在掘進(jìn)施工作業(yè)時,改變了煤體應(yīng)力、煤體中瓦斯壓力以及煤的多種物理力學(xué)性質(zhì);并且由于不同類型的掘進(jìn)作業(yè)工序?qū)蜻M(jìn)工作面煤體穩(wěn)定性的破壞程度不同,導(dǎo)致不同類型的掘進(jìn)作業(yè)工序具有不同的瓦斯涌出規(guī)律和特征,從而可能引起不同類型的異常瓦斯災(zāi)害;因此掌握煤礦掘進(jìn)工作面在不同類型作業(yè)工序時的瓦斯涌出規(guī)律以及風(fēng)流和瓦斯流動規(guī)律是礦井安全掘進(jìn)的一個重要依據(jù),也是礦井掘進(jìn)工作面通風(fēng)設(shè)計、制定合理的瓦斯防治措施的重要參考。與此同時,掘進(jìn)工作面瓦斯傳感器面每天都會記錄獲得大量的瓦斯?jié)舛葧r間序列等原始監(jiān)測數(shù)據(jù),因此可以掘進(jìn)工作面瓦斯涌出濃度特征為基礎(chǔ),對掘進(jìn)工作面實時作業(yè)工序類型進(jìn)行模式辨識,進(jìn)而有助于煤礦的工程技術(shù)人員更加迅捷地掌握和判斷掘進(jìn)工作面的實時掘進(jìn)作業(yè)狀況以及煤體前方受掘進(jìn)作業(yè)因素影響的強(qiáng)烈程度。而近年來,小波變換作為一種數(shù)學(xué)理論和現(xiàn)代數(shù)字信號處埋方法在越來越多的領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。依靠伸縮和平移等運算功能能夠?qū)π盘?函數(shù))進(jìn)行多尺度細(xì)化分析,在時域和頻域都具有表征信號特征的能力,同時可聚焦到信號的任意細(xì)節(jié),將信號分解到各個不同的頻帶上,從而能有效地從信號中提取特征信息,成為當(dāng)前一種新興的信號分析處理技術(shù)。特別是小波包分析能為信號提供一種更精細(xì)的分析方法;由于其對信號的低頻和高頻部分都能進(jìn)行分解,因此,可對非平穩(wěn)和突變信號進(jìn)行精確的特征提取,更有效地反映信號的時頻特征。除此之外,不同類型掘進(jìn)作業(yè)工序的改變是一個漸變過程,所表現(xiàn)出來的瓦斯?jié)舛葧r間序列信號特征在很多情況下具有模糊性,同時神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型不能夠充分體現(xiàn)不同類型掘進(jìn)作業(yè)工序瓦斯?jié)舛葧r間序列特征信號的模糊特性;而以模糊數(shù)學(xué)為理論基礎(chǔ)的聚類分析方法為解決這類模糊性問題提供了新的途徑。綜上所述,本文首先選取了山西煤炭進(jìn)出口集團(tuán)左權(quán)宏遠(yuǎn)煤礦的150201綜采工作面回風(fēng)順槽綜掘工作面和150201綜采工作面運輸順槽炮掘工作面作為實驗煤礦掘進(jìn)工作面制定了現(xiàn)場測定方案用以現(xiàn)場測定掘進(jìn)工作面的原始數(shù)據(jù),如瓦斯?jié)舛�、風(fēng)速、風(fēng)量、進(jìn)尺以及各掘進(jìn)工序流程的作業(yè)起始時刻等;其次以煤層瓦斯賦存及流動理論為基礎(chǔ),建立了掘進(jìn)工作面不同作業(yè)工序的瓦斯涌出的數(shù)學(xué)模型,然后對掘進(jìn)工作面不同作業(yè)工序的瓦斯涌出進(jìn)行數(shù)值模擬,進(jìn)而模擬得出掘進(jìn)工作面不同作業(yè)工序的瓦斯涌出濃度分布,并與實測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比以驗證該數(shù)學(xué)模型的正確性,從而得到煤礦掘進(jìn)工作面不同作業(yè)工序的瓦斯涌出規(guī)律;同時根據(jù)模擬出局部通風(fēng)掘進(jìn)工作面的風(fēng)流流場及瓦斯的分布,得到掘進(jìn)巷道風(fēng)流流場和瓦斯分布的一般規(guī)律,為采取合理的防止掘進(jìn)工作面瓦斯聚集的措施提供可靠的理論依據(jù),保證安全生產(chǎn)。再者就是根據(jù)以上由現(xiàn)場測定方案得到的掘進(jìn)工作面原始監(jiān)測的時間序列瓦斯涌出濃度數(shù)據(jù),采用小波分析方法對這些原始瓦斯涌出濃度時間序列數(shù)據(jù)進(jìn)行去噪預(yù)處理,并運用小波包變換分解提取掘進(jìn)工作面在掘進(jìn)過程中不同掘進(jìn)作業(yè)工序的瓦斯涌出時間序列信號的能量譜作為特征向量,最后利用由以上小波去噪及小波包變換得到的瓦斯涌出特征向量通過模糊聚類分析方法構(gòu)建模式分類器對掘進(jìn)各不同掘進(jìn)作業(yè)工序類型進(jìn)行識別。具體內(nèi)容如下:(1)確定模式識別的對象及其具體識別方法首先通過對模式識別理論的分析研究,并結(jié)合由影響煤礦掘進(jìn)工作面瓦斯動態(tài)涌出的因素類型以及左權(quán)宏遠(yuǎn)礦掘進(jìn)工作面的實際掘進(jìn)作業(yè)工序類型確定的識別對象,確定了本文以掘進(jìn)工作面原始監(jiān)測的時間序列瓦斯涌出濃度作為識別信號以及以各類掘進(jìn)作業(yè)工序作為識別對象;同時提出了利用小波分析來提取瓦斯涌出特征向量,并且結(jié)合采用模糊聚類分析方法構(gòu)建模式分類器的模式識別方法對本文所研究的具體識別對象進(jìn)行模式識別。(2)原始瓦斯?jié)舛葧r間序列數(shù)據(jù)獲取制定原始數(shù)據(jù)測定方案,首先選取測定對象(選取具有突出危險性的炮掘工作面和綜掘工作面各一個),其次布置好測點位置之后采集數(shù)據(jù),如瓦斯?jié)舛�、風(fēng)速、風(fēng)量、掘進(jìn)進(jìn)尺以及各掘進(jìn)工序作業(yè)流程的作業(yè)起始時刻等,并將這些以各種不同形式表現(xiàn)的原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為計算機(jī)能夠處理的數(shù)據(jù)。為后續(xù)的掘進(jìn)工作面瓦斯動態(tài)涌出規(guī)律研究和基于小波去噪及小波包特征提取提供了對比數(shù)據(jù)依據(jù)。(3)掘進(jìn)工作面不同作業(yè)工序瓦斯涌出規(guī)律研究以煤層瓦斯賦存及煤層瓦斯流動理論為基礎(chǔ),建立了掘進(jìn)工作面煤層瓦斯正常涌出時(煤壁瓦斯涌出和落煤瓦斯涌出)的基本數(shù)學(xué)模型;其次根據(jù)流體力學(xué)中的三大方程:連續(xù)性方程、能量方程及動量方程,并針對掘進(jìn)工作面混合氣體流動遵循流體力學(xué)的一般規(guī)律,從理論分析角度概括了混合氣體流動擴(kuò)散的規(guī)律,再結(jié)合掘進(jìn)工作面瓦斯涌出數(shù)值模擬的湍流模型,建立了炮掘和綜掘工作面瓦斯異常涌出的數(shù)學(xué)模型;最后根據(jù)炮掘和綜掘工作面不同掘進(jìn)作業(yè)工序的特點,并結(jié)合掘進(jìn)工作面煤層瓦斯正常涌出的基本數(shù)學(xué)模型和炮掘和綜掘工作面瓦斯異常涌出的數(shù)學(xué)模型,分別建立了炮掘和綜掘工作面不同作業(yè)工序瓦斯涌出數(shù)值模擬的數(shù)學(xué)模型;運用FLUENT軟件對炮掘和綜掘工作面不同作業(yè)工序瓦斯涌出規(guī)律進(jìn)行數(shù)值模擬,進(jìn)而計算出了炮掘和綜掘工作面的瓦斯涌出量,并與實測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比以驗證該數(shù)學(xué)模型的正確性,從而確定煤礦炮掘和綜掘工作面不同作業(yè)工序的瓦斯涌出規(guī)律。同時模擬出局部通風(fēng)炮掘和綜掘工作面的風(fēng)流流場及瓦斯的分布,得到掘炮掘和綜掘進(jìn)巷道風(fēng)流流場和瓦斯分布的一般規(guī)律,為采取合理的防止炮掘和綜掘工作面瓦斯聚集的措施提供可靠的理論依據(jù)。(4)原始數(shù)據(jù)預(yù)處理及瓦斯涌出特征提取基于以上由現(xiàn)場測定方案得到的炮掘和綜掘工作面原始監(jiān)測的時間序列瓦斯涌出濃度數(shù)據(jù),首先采用小波分析閾值去噪方法對原始瓦斯?jié)舛葧r間序列數(shù)據(jù)進(jìn)行去噪預(yù)處理,同時由于小波包的多分辨分析能將信號的不同頻率成分分開,得到不同頻帶的信息;再將不同頻帶上的信號的能量求解出來,因此本文利用小波包變換對降噪處理后的瓦斯?jié)舛葧r間序列信號分解提取在炮掘和綜掘掘進(jìn)過程中的各類不同掘進(jìn)作業(yè)工序的瓦斯涌出時間序列信號各頻帶的能量譜作為特征向量,最后提取該各頻帶的能量譜特征向量作為模糊聚類模式識別的輸入。(5)構(gòu)建模式分類器進(jìn)行模式識別以及應(yīng)用驗證利用由以上小波去噪及小波包變換分解提取得到的各類不同炮掘和綜掘掘進(jìn)作業(yè)工序瓦斯涌出標(biāo)準(zhǔn)樣本集中的特征向量,并將這些標(biāo)準(zhǔn)樣本集中的特征向量建立樣本特性歸一化特征向量矩陣,應(yīng)用絕對值倒數(shù)法計算相關(guān)程度,得到模糊相似關(guān)系矩陣,然后采用傳遞閉包法得到模糊等價關(guān)系矩陣,按截距將標(biāo)準(zhǔn)樣本集進(jìn)行歸類,再通過模糊聚類的方法,建立樣本集分類模式庫,即建立了不同掘進(jìn)作業(yè)工序類型的模糊模式標(biāo)準(zhǔn)分類庫。最后將待識別的新樣本進(jìn)行了模式識別,驗證了該模式識別方法的有效性和準(zhǔn)確性。通過以上小波分析與模糊聚類模式識別相結(jié)合對炮掘和綜掘工作面各不同掘進(jìn)作業(yè)工序類型進(jìn)行模式識別,以及對炮掘和綜掘工作面在不同類型作業(yè)工序時的風(fēng)流和煤層瓦斯流動規(guī)律進(jìn)行數(shù)值模擬研究,從而使得煤礦能夠提前對炮掘和綜掘工作面不同掘進(jìn)工序中的異常災(zāi)害采取相應(yīng)的安全措施預(yù)防災(zāi)害事件的發(fā)生,將災(zāi)害扼殺于萌芽之中。該研究成果對于顯著提高煤礦安全掘進(jìn)水平以及改善當(dāng)前我國煤礦安全生產(chǎn)的嚴(yán)峻形勢具有非常重要的現(xiàn)實意義和應(yīng)用價值。
【關(guān)鍵詞】：瓦斯涌出 掘進(jìn)工序 小波變換 數(shù)值模擬 模式識別
【學(xué)位授予單位】：中國礦業(yè)大學(xué)(北京)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TD712.5
【目錄】：

• 摘要4-7
• Abstract7-14
• 1 引言14-24
• 1.1 研究背景及意義14-16
• 1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀16-19
• 1.2.1 礦井監(jiān)測數(shù)據(jù)處理及應(yīng)用研究現(xiàn)狀16-17
• 1.2.2 掘進(jìn)工作面瓦斯涌出規(guī)律的研究現(xiàn)狀17-18
• 1.2.3 存在問題分析18-19
• 1.3 主要研究內(nèi)容19-20
• 1.4 研究方法和技術(shù)路線20-24
• 2 掘進(jìn)工作面瓦斯涌出模式識別理論及測定方案概述24-34
• 2.1 引言24
• 2.2 影響掘進(jìn)工作面瓦斯涌出因素分析24-25
• 2.3 模式識別理論概述25-29
• 2.3.1 模式識別的概念25-26
• 2.3.2 模式識別的基本特性26-28
• 2.3.3 模式識別理論的應(yīng)用方法28-29
• 2.4 實驗煤礦掘進(jìn)工作面概述29-31
• 2.4.1 掘進(jìn)工作面煤層情況30-31
• 2.4.2 掘進(jìn)工作面掘進(jìn)作業(yè)工序31
• 2.5 瓦斯?jié)舛葧r間序列數(shù)據(jù)的采集31-33
• 2.6 本章小結(jié)33-34
• 3 掘進(jìn)工作面不同作業(yè)工序瓦斯涌出規(guī)律及數(shù)值模擬研究34-64
• 3.1 引言34
• 3.2 掘進(jìn)工作面瓦斯正常涌出時基本數(shù)學(xué)模型的建立34-40
• 3.2.1 煤層瓦斯流動理論34-36
• 3.2.2 掘進(jìn)工作面煤壁瓦斯涌出的基本數(shù)學(xué)模型36-40
• 3.2.3 掘進(jìn)工作面落煤瓦斯涌出的基本數(shù)學(xué)模型40
• 3.3 掘進(jìn)工作面瓦斯異常涌出時數(shù)學(xué)模型的建立40-50
• 3.3.1 掘進(jìn)工作面混合氣體擴(kuò)散的基本方程40-46
• 3.3.2 掘進(jìn)工作面瓦斯涌出數(shù)值模擬的湍流模型的選擇46-47
• 3.3.3 炮掘工作面瓦斯異常涌出的數(shù)學(xué)模型47-48
• 3.3.4 綜掘工作面瓦斯異常涌出的數(shù)學(xué)模型48-50
• 3.4 掘進(jìn)工作面不同作業(yè)工序瓦斯涌出的數(shù)值模擬及分析50-63
• 3.4.1 瓦斯涌出與掘進(jìn)工藝的關(guān)系50
• 3.4.2 實際數(shù)據(jù)處理所得的結(jié)果50-52
• 3.4.3 炮掘工作面的FLUENT模擬情況52-57
• 3.4.4 綜掘工作面的FLUENT模擬情況57-62
• 3.4.5 模擬結(jié)果與實際測定數(shù)據(jù)對比分析62-63
• 3.5 本章小結(jié)63-64
• 4 基于小波包變換的掘進(jìn)工作面瓦斯涌出特征提取64-96
• 4.1 引言64
• 4.2 小波分析的基本理論64-69
• 4.2.1 連續(xù)小波變換65-68
• 4.2.2 離散小波變換68-69
• 4.3 掘進(jìn)面瓦斯?jié)舛葧r間序列的小波閾值去噪69-78
• 4.3.1 小波閾值函數(shù)的選取70-71
• 4.3.2 小波基的選取71-72
• 4.3.3 實驗數(shù)據(jù)去噪72-78
• 4.4 小波包變換基本理論78-80
• 4.5 基于小波包能量譜的掘進(jìn)面瓦斯涌出特征提取80-94
• 4.5.1 炮掘工作面瓦斯涌出特征提取81-88
• 4.5.2 綜掘工作面瓦斯涌出特征提取88-94
• 4.6 本章小結(jié)94-96
• 5 掘進(jìn)工作面瓦斯涌出模式分類方法及其應(yīng)用研究96-128
• 5.1 引言96-97
• 5.2 模糊聚類分析方法概述97-100
• 5.2.1 模糊聚類分析97
• 5.2.2 基于模糊等價關(guān)系的傳遞閉包模糊聚類方法97-98
• 5.2.3 瓦斯涌出模式識別的模糊聚類基本流程98-100
• 5.3 基于模糊聚類分析的掘進(jìn)工作面瓦斯涌出模式標(biāo)準(zhǔn)分類庫100-107
• 5.3.1 炮掘工作面瓦斯涌出模式標(biāo)準(zhǔn)分類庫100-104
• 5.3.2 綜掘工作面瓦斯涌出模式標(biāo)準(zhǔn)分類庫104-107
• 5.4 實例應(yīng)用107-127
• 5.4.1 炮掘工作面瓦斯涌出模式識別現(xiàn)場應(yīng)用108-117
• 5.4.2 綜掘工作面瓦斯涌出模式識別現(xiàn)場應(yīng)用117-127
• 5.5 本章小結(jié)127-128
• 6 結(jié)論和展望128-132
• 6.1 結(jié)論128-130
• 6.2 主要創(chuàng)新點130
• 6.3 展望130-132
• 參考 文獻(xiàn)132-138
• 致謝138-140
• 作者簡介140
• 在學(xué)期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文140
• 在學(xué)期間參加科研項目140

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本文編號：626626