煤矿瓦斯智能预警系统的研究与实现

1、太原理工大学 硕士学位论文 煤矿瓦斯智能预警系统的研究与实现 姓名：刘冠举 申请学位级别：硕士 专业： 指导教师：段富;牛保宁 太原理工大学硕士研究生学位论文 I 煤矿瓦斯智能预警系统的研究与实现 摘 要 山西省是全国能源重化工基地，全省119个县级行政区中94个县地下有 煤，91个县有煤矿，其中属于高瓦斯和按高瓦斯矿井管理的矿井（简称双 高矿井）902座，占矿井总数的21%。煤矿事故在全省重特大安全事故中的 比重最大，而瓦斯事故又是煤矿事故中的主要部分。为此，山西煤矿瓦斯 监测监控网系统于2003年10月建成并开通运行,实现了监控信息在 INTRANET/INTERNET上的实时传输,并在本地服务器上利用数据库和数据仓 库技术保存有效数据, 同时也为授权的各级机构实时提供相关的井下动态 工况信息。但是,各煤矿企业布置的监测点个数数以百计,各监测点年复一 年地观测所采集和积累的数据是海量的,人工一般是很难理解这些数据及 其关系的,更不用说及时地总结并进行预测。现有煤矿瓦斯三级监管系统只 是对海量的监测到的瓦斯等气体的浓度数据进行简单的上传存储显示，忽 略了这些海量数据的内在联系和其中蕴

2、含的有价值的知识信息。因此，本 文提出运用时序数据挖掘技术，研究瓦斯等气体浓度变化的趋势和规律， 在原系统的基础上构建煤矿瓦斯智能预警系统。 本文在对煤矿瓦斯监测监控系统的现状综述的基础上，针对采集回来 的数据误差较大，谎报警情等问题，通过对最大值填充，平均值填充，线 性插值填充，拉格朗日插值填充和高次拉格朗日插值填充等数据预处理技 术和方法进行实验分析，选用高次拉格朗日插值进行空缺数据的填充和非 法数据的替换；通过对基于统计理论的模型，基于灰色系统的模型和基于 太原理工大学硕士研究生学位论文 II 人工神经网络的模型进行实验分析，比较其对于井下瓦斯不同测点的预测 效果，选择有效的预测模型进行预警。 最后，沿用原系统的J2EE架构，建立了预警数据库，并采用MATLAB与 JAVA混合编程技术，应用B/S模式，实现了煤矿瓦斯智能预警的原型系统。 关键词：瓦斯预警，插值填充，三次指数平滑，灰色系统，神经网络，混合 编程 太原理工大学硕士研究生学位论文 III STUDY AND REALIZATION OF THE INTELLIGENT WARNING SYSTEM FOR GAS IN

3、 COAL MINE ABSTRACT Shanxi is an energy and heavy chemical industry base. There are 119 county-level administrative districts in the province. 94 of them have coal in the ground, 91 counties have coal mines, 902 of which are the high gas and high-gas coal mine by management (referred to Double-High-Mine), accounting for 21 percent of the total number of mines. Coal mine accidents are the major security incidents in the province, and the coal mine gas accidents are the main part of the accidents.

4、 Therefore, the Shanxi coal mine gas monitoring network and monitoring system was completed in October 2003 and opened to achieve the monitoring information in the INTRANET/INTERNET on the real-time transmission, and used the local server database and data warehouse technology to save valid data. At the same time，all levels of authorized institutions was provided relevant real-time downhole information of dynamic conditions. However, the number of the monitoring points of coal mining enterprises

5、 is hundreds, the observation-data is massive, and it is difficult to understand the relationship among these data. Not to mention suming up in time and predicting. Now the three-rank regulatory-system just shows and saves the data of gas concentration neglecting some valuable information among these massive data. Therefore, this paper proposes time-series-data-mining techniques to study changing trends and patterns of gas concentration.On the basis of original system, build intelligent warning

6、system. 太原理工大学硕士研究生学位论文 IV In this paper, on the basis of overviewing the status of gas monitoring system , aiming to the big error of collection-data, warning the wrong situation and other problems, analyzed the results with data pre-processing techniques of filling maximum value, average value, linear interpolation value , Lagrand and high-Lagrand , and selected high-Lagrange interpolation to fill vacancies and to replace the illegal data. On the basis of statistical theory model, gray system

7、model and artificial neural network analysis of the experimental model, compare the forecast results of underground gas of different points, selected effective warning prediction model. Finally, the system follows the J2EE framework of the original system.An early warning databae is established, and the MATLAB and JAVA hybrid programming technology and the application of B/S model are used. Ultimately the gas intelligent early warning system was completed. KEY WORDS: gas early warning, interpola

8、tion filling, three exponential smoothing, gray system, neural network, hybrid programming 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 第一章 绪论 山西省是中国的产煤大省，长期以来，确保煤炭的安全生产都是煤炭工业的重中之 中。随着煤炭市场的供不应求，煤矿的开采强度不断加大，这也给煤矿安全带来巨大的 压力，虽然自 20 世纪 80 年代我国陆续投入使用煤矿瓦斯监控系统以来，安全状况已有 明显好转，但仍不容乐观。 2008 年 3 月份山西省煤矿连续发生两起重特大事故。3 月 9 日，山西省吕梁市交城 县岭底乡香源沟煤矿二坑发生特大瓦斯爆炸事故，造成 29 人死亡，5 人受伤。3 月 19 日，山西省朔州市平鲁区白堂乡细水煤矿发生特别重大瓦斯爆炸事故，并波及相邻的康 家窑煤矿，两矿共计 72 人死亡（其中细水煤矿 52 人、康家窑煤矿 20 人） 。 1.1 选题目的和意义 一直以来，煤炭安全都是工业安全中的重中之重，近年来，虽然国家对煤炭工业安 全生产的投入逐年加大，但煤炭行业的安全生产形势仍然不容乐观，

9、从 2008 年 1 月 2 日到 2008 年的 3 月 5 日仅仅两个月的时间全国煤炭行业发生瓦斯事故就有 7 起之多， 死亡 61 人。本课题以山西省煤炭联网监测监控系统为基础，运用序列模式挖掘技术， 将瓦斯监测监控系统智能化，超限报警及相应处理提前化，提出了煤炭瓦斯智能预警系 统，在提高煤矿安全生产水平的同时也保障了煤矿的持续生产能力。 山西煤炭资源丰富，构造简单，品种齐全，煤质优良。探明储量占全国三分之一， 原煤产量占四分之一，出口量占二分之一，省际调出量占全国调出量四分之三；煤炭在 山西省国民经济中的比重约 40%，从业人员 110 万，是全省的支柱产业。 山西省煤炭工业经过改革开放二十多年来的迅速发展， 缓解了全国能源供应紧张的 局面，有力地促进了全省综合交通运输网络的建设，加快了区域经济体系的形成，使山 西逐步建立起了以煤炭工业为基础，带动电力、冶金、化工、机电、建材、交通运输等 产业发展的经济运行格局，是山西经济可持续发展的重要现实基础，其发展过程关联着 其它行业，直接影响着山西整体经济发展的进程，关系到全面建设小康社会的大局。 山西省是全国能源重化工基地，全省 119 个县级行政区中 94 个县地下有煤，91 个 县有煤矿。截止 2002 年底，共有各类煤矿 4182 座（矿井 4582 对） ，其中：国有重点煤 太原理工大学硕士研究生学位论文 2 矿 73 座，地方国有煤矿 338 座，乡镇煤矿 3771 座。全省煤矿中属于高瓦斯和按高瓦斯 矿井管理的矿井（简称双高矿井）902 座，占矿井总数的 21%。煤矿事故在全省重特大 安全事故中的比重最大，而瓦斯事故又是煤矿事故中的主要部分。搞好煤矿瓦斯治理就 抓住了安全生产的主要矛盾，就能掌握安全生产的主动权，保障煤炭工业的健康稳定发 展。随着信息技术和计算机网络技术的发展,利用现有的煤矿监控系统和企业内部信息 网,实现监控信息在INTRANET/INTERNET上的实时传输,并在本地服务器上利用数据库和 数据仓库技术保存有效数据, 从而除局、矿、井各调度室之外, 为授权的各级机构实时 提

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