（安全技术及工程专业论文）基于控制分区瓦斯监测数据可信度与异常值分析.pdf

s u b j e c t：a n a l y s eo fc o n f i d e n c ea n da b n o r m a lv a l u eo fg a s m o n i t o r i n gd a t ab a s e do nc o n t r o la r e a s p e c i a l t y：s a f e t yt e c h n o l o g ya n de n g i n e e r i n g n a m e：z h a ol ong(signa i n s t r u c t o r ：z h a n gj i a n r a n g ( s i g n a t u r e ) a b s t r a c t t h r o u g ho v e r - v i e w i n gt h ep r e s e n tc o n d i t i o no f t h es a f e t yi nc o a lm i n eo f t h ec o u n t r yi n t h i st h e s i s ，i tp o i n t so u tt h a tt h eg a sh a sb c ! c , o m et h em a i nf a c t o ri n f l u e n c i n gc o a lm i n e s a f e t ya n dp r o d u c ea b i l i t y i tc 锄b es 蚴f r o mr e a l i s t i c a l l yi n v e s t i g a t i n g , t h a tt h e r ei sv e r y m u c hd a t ar e l a t e dt og a sa n dv e n t i l a t i o nw e d e t e c t e da n ds a v e df r o mh o m e w o r kl o c a t i o n a n dk e yp o s i t i o n se v e r y d a y o nt h eo t h e rh a n d , s e l d o md o e st h eg a sd a t ak e e p sa l o n g e rl i f e c y c l es e v e r m gt h es a f et e c h n o c r a c y ，t oj u d g ew h e t h e ro rn o ta l l o w i n gn o r m a lp r o d u c t i o n g o i n gb a s e do ng a sl e v e lo v e r t a k i n g a n dt h ed a t ai sn o tu s e da n y r o o r ea f t e rt h a tt i m e o t h e r t h a nt h ei n f o r m a t i o no ft h ed a t ai n d i c a t i n gt h el e v e lo fg a s ，t h e r ei sa g r e a td e a lo fs a f er u l e s s u c ha st h eg a sm o v i n ga n da c c u m u l a t h l g ，i n c l u d e di nt h ed a t a s oi ti si m p o r t a n tf o rf a t h e r i n g g a st h r e a t e ni nm i n et oe f f e c t i v e l ys t u d yt h et i m es p a c es e q u e n c eo fg a sa n dv e n t i l a t i o nd a t a , i n c l u d i n gg a sg u s h i n g , m m s f e r r i n g ，b a l a n c i n g , a n da c c u m u l a t i n gi nl a n e w a ye i t h e ro np r e s e n t o ro nf u t u r e a n dr e a lt i m e l ya n a l y 2 i n gm c 硒哦d a t at oc o n f i r mo p e n e d u pt h ew e l lv e n f i l a m l g a sa b n o r m a l i t y a i m 砒t h ec h a r a c t e r i s t i c sa n dt h ei n f l u e n c ef a c t o ro ft h eg a sm o n i t o r 姚a n d c o m b i n i n sa c t u a lp r o d u c eo fc o a lm i n e , i tm a k e sa na n a l 蜘c a lr e s e a r c ha b o u tt h ec r e d i b i f i t y a n de x g 凇7 , e n tv a l u et ot h eg a sm o m t o rd a t a a sf o r t h ec r e d i b i l i t yt h er e s e a r c h , d u et ot h e s a f e t y 吼l p e r v i s e sa n dc o n t r o ls y s t e mi si t sm a i ni n f l u e n c e , r e l i 曲i l 畸t h e o r yi sc a r r yo n m a b 咒i n gt b c 飘l p 盯v i 辩a n dc o n 舡o ls y 鼬吼c o n t r a c to nt h eh o l dt y p ee x a m i n a t i o ni n s t n u n e u t , t h es e c u r i t yo ft h es a f e t ys u p e r v i s i o ns y s t e mi sw o 嘲a sf o rt h ee x c r e s c e n tv a i n es t u d yi s d o n e f i r s t , ad i v i d i n gt h ea 蝴p r o c e s s i n gi 3c a r r i e do f fb yt h em e a s u r e di n f o r m a t i o no f g a so f t h ew h o l em i n e r a ls y s t e m a n dt h e n , t h eg u s h i n g q u a n t i t yo f g a s ( f u n c t i o nv a r i a t i o nw i t ht i m e s e r i a l ) i so b t a i n e db yt h ev o l u m eo ff l o w i n ga i ra n dt h eg a sc o n s i s t e n c em c a s i l r e dw i t h8 0 1 1 始 m o m t o ri nc e r t a i nd i s t r i c t i nt h ee n d , t h eg u s h e dg a si sa s s i g n e dt oe a c ht u n n e la c c o r d i l l gt o t h ea v e r a g ea l l o t m e n to fp r i n c i p l e , a n dt h eg a sm o t i o nd i a g r a m , k e e ps q u a r ed i a g r a ma n dt h e t o t a la m o u n td i i i 辨啦i sc a l c u l a t e d a n dt h em o n t e - c a r l oc a l c u l a t i o ni 3e m p l o y e dt os t u d ya l l t h eg u s h i n gr u l e si nt h ew h o l em i l l eb yt e s t i n ge v e r ys a m p l eo fe a c ht u n n e l t h er e a l - t i m e m o n i t o rv a l u ei ss t u d i e dt h r o u g ht h ec a t l s ea n de f f e c ta n a l y s i st om a k es 呲s o m ea b n o r m a l i t y v a l u e s t oa c h i e v eac e r t a i nd e g r e et h a td e s c e n di m p o r t a n ta n dd a n g e r o u ss o u r t h em a t h e m a t i c sm o d e l sa b o u tt h ec r e d i b i l i t ya n dt h ee x c r e s c e n tv a l u ea r ec a l c u l a t e d b a s e do nt h ef o u n d a t i o no ft h et h e s i sa n a l y z e si sc o m p l e t e d a f t e ra l lo ft h eg u s h e dd a t ai s o b t a i n e di nt h em i n e , i ti su s e f u lf o rm a n a g e r sa n de n g i u e e r st om a k et h er i s ka n a l y s i so f f , a s k e y w o r d s ：g a sm o n i t o r i n gd a t ac r e d i b i l i t y t h e s i s ：a p p l i c a t i o ns t u d y a b n o r m a lv a l u e c o n t r o lc e n ta r e a 西妻料技大学 学位论文独创性说明 本人郑重声明：所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及 其取得研究成果。尽我所知，除了文中加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人或集体已经公开发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西安科技大学 或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料与我一同工作的同志对本研究所 做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 n、 学位论文作者签名：釜d 稻1 日期：莎乙p t 刁7 l d f 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期间 论文工作的知识产权单位属于西安科技大学。学校有权保留并向国家有关部门或 机构送交论文的复印件和电子版。本人允许论文被查阅和借阅。学校可以将本学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存和汇编本学位论文。同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课 题再撰写的文章一律注明作者单位为西安科技大学。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名： 指导教师签名：乌粝1 ； c 内) 年v 月。莎日 l 绪论 l 绪论 i 1 问题的提出及意义 煤炭是我国国民经济和社会发展的基础，并在相当长的时期内仍将是我国的主要能 源【煤炭的安全生产和科学利用在我国具有现实的和战略性的重要意义，然而煤炭开 采却是我国工业灾害最严重的行业。特别是随着开采深度和开采强度的增加，我国煤矿 安全生产面临许多复杂问题，重大、特大事故频频发生，近六年我国煤矿安全状况见下 表1 1 i 衰1 12 0 e l 2 0 e 6 年全国煤矿安全生产基本情况表埘 对以上表中数据进行分析，不难看出，近几年我国煤矿事故总体趋于下降无论是 从事故死亡人数，还是百万吨死亡率看，目前我国煤矿安全总的发展趋势是逐步好转的 但是，近6 年内我国煤矿的重、特大事故情况非常不稳定，还没有从根本上得到控制 随着开采深度和强度的加大，我国高瓦斯和煤与瓦斯突出矿井( 简称高突矿井) 已 占全国总矿井数的4 8 ，此外，5 6 以上矿井具有煤层自然发火倾向性，跖3 的矿井煤 层具有煤尘爆炸危险网近年来，我国煤矿安全生产形势在相对好转的情况下瓦斯事故 却异常突出。我国9 5 以上的煤矿是井工开采，各种灾害严重，其中瓦斯灾害始终是煤 矿安全生产中的最大威胁。瓦斯不治，国无宁日嗍 为了提高我国煤炭工业的现代化水平，在煤矿领域内要运用高新技术改造传统技 术，大力发展电子技术和计算机应用技术，引进、消化、开发电子技术和计算机技术的 应用产品，并积极在煤炭工业各部门，尤其是重点骨干企业及大中型企业进行推广是当 务之急唧嘲国家“十一五”煤炭科技主要任务规划中就已将煤矿生产安全技术的研究作 为一个主要方面，在国家傲出的行业技术发展重点报告中将煤炭安全保障技术的研究作 为技术发展方向和重点之一在此方向中包括了对通风计算技术、井下重大危险源辨识 等方面的研究而目前迫切需要研制出安全、高效、计算能力强、便于扩展的通风分析 系统和井下重大危险源辨识系统以指导现场工作随着科学技术的不断发展，对现代矿 西安科技大学硕士学位论文 井进行科学的管理的要求也越来越高，如何将有关通风系统和瓦斯监测系统的实测资 料、历史监测数据和网络解算与分析融为一体，实现对矿井安全生产的一体化管理，是 人们十分关心的问题i ，j 。 煤矿现场的作业地点和相关重要位置是煤矿瓦斯监测的重点，矿井安全监测系统和 瓦检人员队伍是保障煤矿安全生产的重要基础，每班均有大量通风和瓦斯的数据测得和 保存，因而煤矿现场积累的瓦斯数据是十分丰富的。目前矿山所测定的瓦斯数据进入安 全技术管理的生命周期十分短，主要仅用来判断当时当地瓦斯是否超限以决定是否允许 正常作业生产，其后即被保存而很少再用，这样大量的瓦斯数据所反映的矿井瓦斯涌出 规律并未得到充分分析和利用。大量通风和瓦斯的测定数据形成了浩大的时空序列，除 了直接指示测点区域的安全状况以外，其中还包含了瓦斯运移与积聚的重要信息。有效 解读通风瓦斯数据时空序列所隐含的瓦斯涌出、转移、平衡、积聚的趋势和现状，并将 日常测值予以实时分析以确定该测值可能揭示的通风瓦斯异常和瓦斯灾害预警，对于掌 握瓦斯治理主动权有着重要的意义。矿井瓦斯涌出规律及其对矿井风流瓦斯分布的影响 是矿井安全生产管理十分重要的信息，有必要对此展开数据分析工作。通过分析这些数 据，在一定程度上可以预防瓦斯事故的发生，为煤矿安全生产提供技术保障。 煤矿通风、瓦斯监测数据以完整且不断延续的时空序列的方式提供，但目前所有通 风瓦斯数据的使用，均仅限于实测的提交和随后的存档。与此同时，与通风瓦斯相关的 计算、决策辅助、专家系统、优化分析等均是技术人员在人为限定命题、且与通风瓦斯 前台管理相分离的条件下完成的，主观因素重，对日常管理的作用往往是问接的。因而 效果不显著。 从总体上讲，矿井安全监控系统仍以监测功能为主，附加有一些简单逻辑控制功能， 系统软件网络功能往往较差。系统仅能对采集到的各类数据进行实时及历史曲线显示等 常规处理，不能形成对瓦斯状况的预警与工程措施效果预案分析等专业功能。应该看到， 矿井通风瓦斯监测数据除直接指示相应测点的通风瓦斯现状外，还包含有重要的系统性 信息。通风瓦斯的日常监测数据有着不可避免的波动。这使得相关数据在通风网络解算 等计算中难以直接应用，但其中包含的采矿作业、人员及车辆通行、气象条件变化等因 素影响，又是需要分析和了解的重要背景。 ， 鉴于矿井通风系统的复杂性，即使是有经验的通风瓦斯技术人员，也难于对通风瓦 斯测值的某种异常直接判断出造成异常的原因及其对于矿井安全的后果影响唧针对影 响瓦斯涌出和风量波动的因素的复杂性和不确定性，通过蒙特卡罗方法，获得矿井分区 的瓦斯涌出规律，以及通风系统所有风道的风流和瓦斯流的波动规律。以此作为矿井通 风瓦斯的波动背景，对所有通风瓦斯测定数据进行实时比对，并在通风网络分析理论的 基础上对每组测定数据的合理性展开分析；对测定异常值做出其前因后果的判断，指示 潜在的危险源或危险区域；对瓦斯涌出区域特点的变化趋势、采空区漏风受大气条件变 2 l 绪论 化的影响特点等做出判断；实现对矿井分区域分巷道的瓦斯流量( 浓度) 预测，用以指 导矿井调风和瓦斯管理；对于日常瓦斯安全管理中显现的异常发展趋势及瓦斯灾害预警 作出指示。从而完成对井下的安全薄弱环节辨识，进而实现重大危险源辨识的目的，以 提升煤矿安全生产的水平，为煤矿安全生产提供技术支持与保障。 1 2 本课题国内外研究现状 1 2 1 矿井监控系统 矿井监控系统是指对煤矿井上、井下的环境参数及有关生产环节的机电设备等运行 状态进行检测，用计算机对采集数据进行分析处理，对设备、局部生产环节或过程进行 控制。其组成包括：传感器和执行器，包括声光报警器、控制器和工作电源等；信 息传输装置，包括传输接口、分站、传输线和电源等；中心站或主站的硬件，包括计 算机、外围设备及电源等；中心站或主站的计算机软件，包括应用程序、操作系统( 或 监控程序) 及存储介质等。 ，。 瓦斯的实时监测已成为国内外瓦斯防治的基本手段。从2 0 世纪7 0 年代后期开始， 工业发达国家开始研制矿井瓦斯监控系统，主要有法国o l d l i a m 公司的c t r 6 3 4 0 u 集 中监控系统；波兰的c m m - 2 0 m 和c m m - i 监控系统；英国h s d e 公司的功，n a i n k 微型 计算机监控系统m i n o s ( m i n eo p e r a t i o ns y s t e m ) ；德国a e g 公司c p 8 0 自动可编程控 制系统；德国f - h 公司的t f 2 0 0 h 信息传输系统和z m 4 0 0 遥控系统；美国的d a n 6 4 0 0 系统以及加拿大的m 咖6 0 0 安全生产监测系统。这些系统通常由地面中心站设备、数据 通讯设备、监控设备、传感器及报警断电设备构成。国内在2 0 世纪8 0 年代成功引进了 m 料o s ，d n 6 4 0 0 等煤矿安全生产监控系统，9 0 年代又引进森透里昂6 0 0 监控系统。 在引进的同时，我国在“六五”至“十五”期间相继自行研制了煤矿安全监控系统，主要有 k j i 、k j 2 、k j 2 2 、k j l 2 a 、i 【j 4 、a 8 0 0 0 等系列，近年来又从多方面进行更新，推出了 6 6 、l 。9 5 、l u 9 0k j l 0 1 、u f 2 0 0 0 、k j 4 j 2 0 0 0 、g 2 0 0 0 等。国产监测系统经多年 的研究积累，达到了一定的水平，取得了较大的成功，在煤矿中得到了大面积的推广应 用，有效地提高了矿井生产的自动化水平和煤矿生产的安全性。 自2 0 0 0 年以来，随着国家对煤矿企业安全生产要求的不断提高和企业自身发展的需 要，我国各大、中，小煤矿的高瓦斯或瓦斯突出矿井陆续在装备矿井监测监控系统。该 系统的装备大大提高了矿井安全生产水平和安全生产管理效率，同时也为该技术的正确 选择、使用、维护和企业安全生产信息化管理提出了更高的要求【1 9 1 。 现有的矿井监测监控系统在保证煤矿安全生产方面发挥了重要作用。但由于这些系 统监测参数单一、监测容量小、电缆用量大、系统性能价格比低、难以满足煤矿安全生 产的需要 西安科技大学硕士擘位论文 。 1 2 2 监测数据分析 国内外学者对于监测数据分析、预测的研究已形成了诸多的方法，这些方法总的来 说可以分成两类：一类是定性的预测方法，另一类是定量的预测方法。定性的预测方法 是对事物发展的历史和现状做出解释、分析以及判断，从而综合地指出事物发展的一种 趋势或者是事物发展的多种可能性【3 l 。定量预测是利用过去和现在的各种所得数据，根 据实际情况建立相关的数学模型，用数学模型的方法对事物的发展做出预测嘲。 。 监测数据分析、预测的常用方法如图1 1 所示。 ( a ) 定性预测方法 彻定量预测方法 圈1 1 监测数据分析、预测的的常用方法 ( 1 ) 判断预测法 判断预测法是当前受到关注的一类预测方法。它分为进度判断法、平衡判断法、三 种估计判断法和加权综合判断法。这几种方法中，使用较多的是进度判断法。它的定义 如下：如果一个指标在一个期限内持续、且较均衡地展开或发生，就可根据以往完成的 情况，来判断今后一定期限内预计完成的情况。即将以往完成的指标单位时间的平均值， 作为今后单位时间的预计值。 ( 2 ) 专家评估法 即特尔菲法。这种方法最先由美国兰德公司于1 9 6 4 年用于预测，它是专家会议预 铡法的一种发展，采用匿名方式进行几轮函询以征求专家们的意见，预测领导小组对每 一轮的意见进行汇总整理，并以参考资料的形式再发给每个专家，供他们分析判断提出 新的论证。如此多次反复，专家意见就会趋于一致，结论的可靠性也越来越大 它的实施要点如下： 确定预测主题，编制预测事件一览表； 4 1 绪论 选择专家： 向专家进行访问； 结果的处理与统计包括均值、期望值、中位数、上下四分点、加权综合评分值、 直方图等等。 ( 3 ) 市场调查法 市场调查法是指对某指标进行供求双方的调查。主要有需求方面、行情方面、普通 市场调查、典型市场调查等等。调查所得的资料要进行处理，要计算平均值和标准差， 并按时间顺序绘制统计图，用曲线表示数据的变化，对预测结果进行综合分析。 ( 4 ) 情景分析法 情景分析法( s c e n a r i oa n a l y s i s ) 是美国国防部的技术人员提出的一种系统分析 方法。它是像撰写电影剧本的形式来描述系统的未来情景，因而也可以作为一种宏观预 测的方法。 约瑟夫马丁诺曾经这样定义情景分析：情景描述不是对未来的简单、预测，而是对 系统内外相关的各个方面的问题，做出事物自始至终发展的情景和画面，从事态发展的 连续性来看，这些情景和画面是可以信赖的。情景分析法的产生基于这样一种事实，一 般的预测方法会局限在较小范围内，即往往是“只见树木，不见森林”。而事物发展与演 变总是处在错综复杂的诸多因素的相互联系、相互制约之中。即使是后来发展的有一定 科学依据的定量分析法，也常常是建立一个“有限理性”的数学模型，输入统计数据，以 求出定量计算结果。然而，不同的数学模型，预测的结果却往往是不尽相同，尽管这些 模型都通过了严格的检验，但最终选择哪一种预测结果，往往是莫衷一是。 情景分析的具体方法，迄今还没有系统论述的专著。常用的分析方法有未来分析法、 目标展开法、空隙填补法。 ( 5 ) 灰色预测方法 1 9 8 2 年，华中理工大学自动化系邓聚龙教授首次提出了灰色系统的概念，并建立了 灰色系统理论，引起了国内外许多学者、科技人员的重视。之后，灰色系统理论得到了 较深入的研究，并在诸多方面获得了成功的应用。 灰色系统理论认为，凡是有些信息已知、有些信息未知的系统都是灰色系统，如社 会系统、经济系统、生态系统等等。灰色系统更能准确地描述社会经济系统的状态和行 为，所以在预测中得到了广泛的应用。灰色理论有其自己的预测模型，有一套数据处理 的方法，有模型的精度检验，且需原始数据较少，般有四个数据就可建模。由于灰色 系统能较准确地描述时间序列，所以，用灰色系统理论预测的比重越来越大，精度也由 大量的课题得到了验证。 ( 6 ) 回归分析法 回归预测在研究社会经济、需求等多方面有着十分广泛的应用。线性回归预测模型 西安科技大学硕士学位论文 分为一元回归和多元回归，其模型分别为： y - - a + b x ( 1 1 ) 只= b o + 包五十+ 匆。】0( 1 2 ) 回归预测模型计算后，通常要进行检验。常用的检验方法有：标准离差检验、相关 系数( ，) 检验、显著( ，) 检验和随机性( d w ) 检验 自回归( 彳矗) 模型 设给定时间序列工( f 1 ) ，鹕) ，雄。) 是平稳随机过程序列，并简记为： 娩 = “，恐，h ( 1 3 ) 可以认为，相关时间序列 薯 是由独立正态随机序列娩 通过一个线性变换工产生的， 如图1 2 所示 图1 2 线性平稳模型 在工程应用中，常将线性变换工称之为线性滤波器，给定的时间序列“) 可以看成 输入为h 的滤波器上的输出序列，可用下式表示： 薯= a t 一瞑q 1 一岛q 卜2 一一6 0 薯_ + 砖五- l + 如薯一2 + + o ， ( 1 4 ) 由式( 1 4 ) 可见，它可分为两个部分，一部分是输入q 当前值和过去值的加权和；一 部分是输出本身过去值的加权平方和。 式( 1 4 ) 在计算模拟预测中具有重要意义，它说明给定的相关序列可用一个独立正态 随机序列通过一个线性滤波器来模拟。 为了书写方便，；j i a 后移算子口，有如f _ 。和薯= 薯。则式( 1 4 ) 可以表示为： ，( 功= 口( 功口l( 1 5 ) 式中妒( 回= l 一再口一屯 伏动= l o , b - 一见伊 如果在式( 1 2 ) 中只有前p 个系数张，仍，不为零，则式( 1 3 ) 可以表示为： = a t + 一一l + 戎墨_ 2 + + 五一p ( 1 6 ) 式( 1 6 ) 称之为p 阶自回归模型，简称为a r ( p ) 模型。自回归的含义指“) 回归到它 自身的过去值。 分析以上的分析、预测方法，可以看出这些分析大多是理论上可行。特别是对于瓦 斯监测数据的分析，这些方法就未必都能发挥其作用了。在瓦斯监测数据可信度研究方 6 l 绪论 向，黑龙江科技学院的孙建华、邵芝梅作了一定的研究，但只是针对瓦斯监控系统的研 究，提出了一些定性分析理论算法，对实际安全生产有一定的指导意义【3 2 l ；在异常值分 析方面，西安科技大学的硕士研究生张强、王雨做了矿井通风系统风量异常值的研究， 他们的研究主要是以风量测值发生异常为线索，在分析风量与风阻变化相关性的基础 上，应用概率统计的知识，对风量正常波动范围进行分析以及对风量异常进行界定，引 入灵敏度的概念，建立风量异常值分析的算法模型，并用程序实现。 从现有的调研资料看，针对矿井瓦斯监测数据进行可信度与异常值分析研究还处在 起步阶段。由于井下情况是非常复杂的，引起瓦斯涌出异常的原因不是单一的，需要多 方面综合考虑，才可能得出比较合理的分析结果。这样才能对矿井的安全生产提供预警、 预报。+ 1 2 3 矿井通风网络解算与辅助决策 风网解算是通风系统定量管理的最基本的工作，也是通风学者研究最早的领域之 一早在上世纪已有人开始研究，首先是串、并联和简单的角联，接着不断出现数学分 析法、图解法解算通风系统中的局部网络。直到2 0 世纪4 0 年代后期开始出现用电模拟法 解算风网，才逐渐形成整个风网的“系统逼近”的解算方法。 电子计算机的应用使风网解算进入了一个新的阶段。我国从1 9 7 6 年开发风网解算程 序以来，随着计算机的普及，广大矿井通风工作者陆续提出许多算法，开发出一系列风 网解算程序。不同的算法各有特点，但大体上可以分为两种，一是以回路为基础的回路 法；另一个是以节点压力为基础的节点风压法。上述两种方法都可用于风网分析，但国 内外应用最普遍的还是回路法中的c r o s s 迭代法。c r o s s 迭代法是美国人h a n d yc r o s s 于 1 9 3 6 年提出用于解算水道管网的逐次计算法。后经英国人d s c o t t 和f m n s l e y 改进用于 风网解算，故又称s c o t t - h i n s l e y 算法。该种方法比较简单、容易理解、占用内存少，其 实质是以图论为基础，以风流运动的基本定律为依据，利用高斯塞得尔迭代法逐次求 解回路修正风量，直到其值不大于一个事先给定的精度为止，以获得接近方程组真实解 的渐进风量。 尽管s c o t t - h i n s l e y 法存在着不足，但实践证明它仍是一种非常实用的风网解算方法。 矿井通风安全计算领域应用的软件系统多数是应用了这种方法，这些软件系统能完成通 风计算的多个方面，具有不同的特色。 由美国密执安技术大学研发的并由美国矿务局推广的m f i r e 2 2 1 1 2 1 1 3 聊软件利用 h a r d yc r o s s 方法计算网络参数，并可进行稳态、动态的模拟计算。近些年来，计算软件 的发展方向更为强调开发交互式、更好的用户界面以及对更复杂的问题更精确的解算。 如：美国矿井通风协会( m i n ev e n t i l a t i o ns e r v i c e s ) 开发的基于大型机的c l i m s i m 和 v n e t ic ，以及由波兰科学院研制的m i n ef i r es i m u l a t o r 软件。 7 西安科技大学硕士学位论文 在矿井通风仿真系统研究领域中，波兰和美国学者的研究成果代表了当今世界领先 水平。在通风计算可视化方面，国外有c a n v e n t 、v e n t i l a t i o nd e s i g n 、v e n d i s 、 v e n t g r a p h 、a u t o w e n t 以及a e r o 等软件【l 习。目前在国际上最具影响力的是波兰科 学院开发研制的真正的可视化v e n t g r a p h 系统，在波兰有7 0 的矿井推广该系统。它 包括1 2 个子系统：文本文件编辑e d t x t ：火灾及逃生路线模拟e d e s c ；仿真可视化 e d r y s 稳态分风、温度、烟雾等计算g r a s ：能表示节点压能的网络图绘制s c h e m a t ； 个体巷道仿真e k o g r a s ：温度仿真t h e r m t 防灭火及救护培训c s r g ；监测监控系 统e s c w i n ；数据分析和仿真a d i s ；非定常状态下的火灾及逃生仿真p o z a r 和 w y r z i m 通风网络与采空区一体化仿真i - z o p o z 。 矿井通风计算是一种对实际风网结构建立模拟模型后进行的数值密集型计算，输 入输出都表现为大量的数据信息。国内近年来在此研究方向上也进行了多方面的探索， 开发出了一些将通风计算与图形生成、绘制、交互相结合的软件系统。在交互技术、结 果展示、可操纵性等方面已取得了相应的进展。 西安科技大学于1 9 9 2 年开发的c f i r e 软件系统独有的快速插入模拟计算功能，使得 建立在严密数学推导基础上的计算机模拟计算首次具备了应用于准实战环境的能力。中 国矿业大学防灭火课题组于1 9 9 3 年推出了专门用于矿井通风系统图形管理和火灾救灾 辅助决策的计算机图形系统m i n e c a d o s 版) i 阚。山东科技大学于1 9 9 9 年研制出 了“矿井灾变处理系统”。近几年，中国矿业大学林在康教授课题组开发的基于a u t o c a d 的数字矿井模型及矿井生产技术软件包嘲及西安科技大学常心坦教授课题组先后开发的 v b 版和a u t o c a d 2 0 0 6 版的矿井通风辅助设计系统已应用到煤矿的实际生产，并受到用 户的好评。 1 3 论文的研究目的及内容 1 3 1 研究目的 本文的研究目的是对瓦斯监测数据进行可信度与异常值分析，通过对历史的瓦斯监 测数据分析得出矿井瓦斯涌出的概率统计规律，从而揭示矿井各风道瓦斯涌出强度变化 的客观规律，进而获得完整的矿井瓦斯涌出背景波动图谱，之后对实时监测的瓦斯数据 进行分析，达到准确判断瓦斯监测数据的异常值，并判断造成异常的原因及可能的后果， 实现对瓦斯灾害的有效预警，为安全生产提供决策依据。 计算完成后，其成果应针对现场通风安全技术人员和管理人员，简洁地予以展示 同时分析计算的结果展示又可分为前台结论展示和后台基础数据展示两部分。其中前台 展示的对象使各个层次的矿山技术人员和管理人员；后台基础数据展示的对象是对相关 数学方法有较深理解、对数据分析中间成果有特定需求的研究人员和技术人员。 1 绪论 1 3 2 研究内容 本文以瓦斯监测数据为研究内对象，利用控制分区方法、可靠性理论和蒙特卡罗方 法对瓦斯监测数据的可信度与异常值进行分析、研究，从而实现煤矿井下重大危险源的 辨识 本文的研究内容有： ( 1 ) 应用控制分区方法，结合瓦斯测点的布置，将矿井通风系统划分为不同的控制 分区 ( 2 ) 对瓦斯监测的历史数据分析处理，得到矿井内每条巷道的瓦斯涌出波动图谱、 瓦斯涌出直方图和瓦斯涌出累计图。 ( 3 ) 分析瓦斯监测数据可信度的影响因素，对主要影响因素进行分析、评价。 ( 4 ) 对瓦斯监测数据的异常值进行分析，应用蒙特卡罗方法得到全矿井的瓦斯涌出 规律，对实时的瓦斯监测数据进行分析，以指导煤矿的安全生产。 ( 5 ) 完成程序各模块功能的划分，并通过计算机程序实现。 ( 6 ) 选用神华宁煤集团金能公司二矿，对本文中提出的数学模型及研发的软件系统 进行验证。 1 4 研究方案 本课题研究采取现场采集数据，理论分析( 含数值分析) 、数学建模、计算机模拟 计算及现场应用验证相结合的研究方法，最终建立了瓦斯监测数据可信度与异常值实时 模拟的理论及其工程化方法。 矿井内分支瓦斯浓度与瓦斯涌出之间的关系研究将贯穿本论文研究的全过程，重点 包括理论研究、现场瓦斯涌出规律的分析。其中瓦斯监测数据的可信度与异常值的研究 将成为本研究的重要基础 1 5 本章小结 ( 1 ) 阐述了我国煤矿企业的安全现状，从而在此基础上得出了本课题研究的意义。 ( 2 ) 分析了风网解算、矿井监测监控系统和监测数据的分析与预测方法的国内外研 究现状。 ( 3 ) 提出本文将利用控制分区方法和概率统计学中的蒙特卡罗方法对瓦斯监测数据 进行可信度与异常值分析研究。 ( 4 ) 提出了本文的研究目的、研究内容，确定了研究方案。 9 西安科技大学硕士学位论文 2 瓦斯监测数据的处理 瓦斯监测是矿井通风安全管理的重要手段。矿井瓦斯的监测值( 瓦斯浓度) 一般通 过两种途径得到：一是由井下瓦斯检测员在一些规定巷道的测点上用检测仪器检测而得 到；二是通过安全监控系统，在井下一些特定的地点安装瓦斯探头，将实时数据传输到 地面上而得到。 2 1 瓦斯监测数据的影响因素 影响瓦斯监测数据的因素主要有瓦斯涌出量、风流大小、监测监控仪器设备的自身 特性等。 2 1 。1 瓦斯涌出量 瓦斯涌出量的大小又受到自然因素和开采技术因素的综合影响。 1 ) 自然因素 【! ) 煤层和围岩的瓦斯含量 。煤层瓦斯含量的大小决定于以下几个方面的因素： 煤的变质程度。煤的变质程度决定了成煤过程中伴生的气体量和煤的含瓦斯能 力。煤的变质程度越高，生成的气体量就越大，煤的微孔隙就越多，总的表面积就越大， 吸附瓦斯的量就越大，含瓦斯能力就越强。因此，在其他条件相同的情况下，变质程度 高的煤层，瓦斯含量就越大。煤的变质程度增高的顺序是褐煤、烟煤、无烟煤 煤系地层保存瓦斯的条件。煤层有无露头对煤层瓦斯含量有很大影响。有露头时 一般存在着瓦斯风化带，在该带内瓦斯沿煤层向大气中运移阻力较小，煤层的瓦斯很容 易放散到大气中去所以，地表有煤层露头时，该煤层的瓦斯含量会很低；煤层顶底板 岩层的透气性，对煤层瓦斯含量影响很大。煤层被透气性很低的岩层包围，煤层的瓦斯 放散不出去，瓦斯含量高；反之，瓦斯含量就低；煤层的地质史的影响，成煤有机物沉 积以后，直到现今的变质作用阶段，经历了漫长的地质年代。其问，地层多次下降或上 升，覆盖层加厚或遭受剥蚀，海相与陆相交替变化并伴有地质构造运动等，这些地质过 程的形式和持续时间对煤层瓦斯含量影响很大。 煤层的埋藏深度。煤层的埋藏深度的增加不仅会因地应力增高而使煤层和围岩的 透气性降低，而且瓦斯向地表运动的距离也增大，这两者的变化均有利于封存瓦斯而不 利于放散瓦斯方向发展。在煤层瓦斯风化带之下的甲烷带内，煤层的瓦斯压力、瓦斯含 量和矿井瓦斯涌出量与煤层埋藏深度之间都存在正相关关系，即随着煤层埋藏深度的增 加而增加 2 瓦斯监测数据的处理 煤层倾角。在同一埋深及条件相同情况下，煤层倾角越小，煤层的瓦斯含量就越 高。这是因为煤层透气性一般大于围岩；煤层倾角越小，在顶板岩性密封性好的条件下， 瓦斯不易通过煤层排放，煤体中的瓦斯容易得到储存。 煤层和围岩的瓦斯含量是决定瓦斯涌出多少的最重要因素。单一的薄煤层和中厚煤 层开采时，瓦斯主要来自煤层暴露面和采落的煤炭，因此煤层的瓦斯含量越大，开采时 的瓦斯涌出量也越大。在开采煤层附近附存有瓦斯含量大的煤层或岩层时，由于煤层回 采的影响，在采空区上下形成大量的裂隙，这些煤层或岩层中的瓦斯，就能不断她流向 开采煤层的采空区，再进入生产空间，从而增加矿井的瓦斯涌出量。在此情况下，开采 煤层的瓦斯涌出量有可能大大超过它的瓦斯含量。 ( 2 ) 地面大气压变化 地面大气压在一年内夏冬两季的差值可达5 3 s k p a ，一天内，有时也可达2 2 7 k p a 。地面大气压变化引起井下大气压的相应变化，它对采空区( 包括回采工作面后 部采空区和封闭不严的老空区) 瓦斯涌出的影响比较显著。当地面大气压突然降低时， 瓦斯积存区的气体压力将高于风流的压力，瓦斯就会更多地涌入风流中，使矿井的瓦斯 涌出量增大。反之，矿井的瓦斯涌出量将减小 2 ) 开采技术因素 ( 1 ) 开采规模 开采规模指开采深度、开拓与开采范围和矿井产量。随着开采深度的增加，相对瓦 斯涌出量增大。这是由于煤层和围岩的瓦斯含量随深度而增加的缘故。开拓与开采的范 围越广，煤岩的暴露时间就越大，因此矿井瓦斯涌出量也就越大 矿井产量与矿井瓦斯涌出量的关系比较复杂，一般情况下： 矿井达产之前，绝对瓦斯涌出量随着开拓范围的扩大而增加。绝对瓦斯涌出量大 致正比于产量，相对瓦斯涌出量数值偏大而没有意义。 矿井达产后，绝对瓦斯涌出量基本随产量变化并在一个稳定数值上下波动。对于 相对瓦斯涌出量来说，如果矿井涌出的瓦斯主要来源于采落的煤炭，产量变化时，对绝 对瓦斯涌出量的影响比较明显，但对相对瓦斯涌出量影响不大。 开采工作逐渐收缩时，绝对瓦斯涌出量又随产量的减少而减少，并最终稳定在某 一数值，这是由于巷道和采空区瓦斯涌出量不受产量减少的影响，这时相对瓦斯涌出量 数值由于产量低而偏大，再次失去意义。 ( 2 ) 开采顺序与回采方法 首先开采的煤层( 或分层) 瓦斯涌出量大。因除了本煤层( 含本分层) 的瓦斯涌出 外，邻近煤层( 或未采的其它分层) 的瓦斯也要通过回采产生的裂隙与孔洞渗漏出来， 使瓦斯涌出量增大。 采空区丢失煤炭多、回采率低的采煤方法，采空区瓦斯涌出量大。顶板管理采用陷 西安科技大学硕士学位论文 落法充填法能造成顶板更大范围的破坏和卸压，临近层瓦斯涌出量就比较大。回采工作 面周期来压时，瓦斯涌出量也会大大增加。 ( 3 ) 生产工艺 瓦斯从煤层暴露面( 煤壁和钻孔) 和采落的煤炭内涌出的特点是，初期瓦斯涌出的 强度大，然后大致按指数函数的关系逐渐衰减。 落煤时瓦斯涌出量增大，增大值与落煤量、新暴露煤面大小和煤块的破碎程度有关。 综合机械化工作面推进度快，产量高，在瓦斯含量大的煤层内作业时，瓦斯涌出量 很大 ，“) 风量变化 、 矿井风量变化时，瓦斯涌出量和风流中的瓦斯浓度发生扰动，但很快就会转变为另 一稳定状态无邻近层的单一煤层回采时，由于瓦斯主要来自煤壁和采落的煤炭，采空 区积存的瓦斯量不大，回风流中的瓦斯浓度随风量减少而增加或虽风流增加而减少。煤 层群开采和综采放顶煤工作面的采空区内，煤巷的冒顶孔洞内，往往积存大量高浓度的 瓦斯一般情况下，风量增加时，起初由于负压和采空区漏风的加大，一部分高浓度瓦 斯被漏风从采空区带走，绝对瓦斯涌出量迅速增加，回风流中的瓦斯浓度可能急剧上升。 然后，浓度开始下降，经过一段时间，绝对瓦斯涌出量恢复到或接近原有值，回风流中 的瓦斯浓度才能降低到原值以下。风量减少时，情况相反。这类瓦斯浓度变化的时间， 由几分钟到几天，峰值浓度和瓦斯涌出量变化决定于采空区的范围、采空区内的瓦斯浓 度、漏风情况和风量调节的快慢与幅度。 ( 5 ) 采区通风系统 采区通风系统对采空区内和回风流中瓦斯浓度分布有重要影响。不同的采区通风对 于消除工作面的瓦斯有不同的作用，应该根据煤层地质条件、煤层厚度、透气性等综合 考虑。 ( 6 ) 采空区的密闭质量 采空区内往往积存大量高浓度的瓦斯( 可达6 0 7 0 ) ，如果封闭的密闭墙质量不 好，或进、回风侧的通风压差较大，就会造成采空区大量漏风，使矿井的瓦斯涌出量增 大。 总而言之，影响矿井瓦斯涌出量的因素是多方面的，应该通过经常和专门的观测， 找出其主要因素和规律，才能采取有针对性的控制措施控制瓦斯的涌出。 2 1 2 风流影响因素 在矿井生产中，影响风流的因素有很多，通风动力、通风构筑物的非正常工作情况、 自然风压、巷道的贯通与封闭、工作面的推进与转移、采区接替、生产水平的过渡、巷 道中的行人、行车和堆积物等等p 刀。 2 瓦斯监测数据的处理 上述各种因素，可归结为以下三个方面： 一 ( 1 ) 网络结构的变化 通风网络中，串联组成的风网的稳定性最强，并联次之，角联最不稳定。根据矿井 生产的需要，有时需在井下设置一些局部通风设施，如联络巷、挡风墙、密闭等。这些 通风构筑物必然影响整个通风网络的形式，进而影响