基于自然风压变化的煤矿采空区气体异常涌出监测预警方法及系统与流程

本发明属于煤矿安全监测及预警，涉及一种基于自然风压变化的煤矿采空区气体异常涌出监测预警方法及系统。

背景技术：

1、采空区瓦斯涌出是造成工作面瓦斯事故的重要影响因素。采空区内瓦斯主要以原生源瓦斯和积聚源瓦斯两种形式存在，积聚源瓦斯是采空区内所占比例最大的，开采过后采空区内几乎处于半封闭状态，很少有风流通过，导致瓦斯大量聚集，形成积聚源瓦斯。当大气压升高时，采空区气压则会慢于工作面气压的升高，采空区内外气压平衡被打破，此时工作面气压会高于采空区内气压(正压差)，采空区内气压不会向外涌出(吸入)；反之，大气压降低，采空区气压降低慢于工作面气压，此时采空区气压会高于工作面气压(负压差)，由于压差的存在，采空区内瓦斯会向外涌出(呼出)，压差越大、持续时间越长，该瓦斯涌出就越大，进而演变为工作面瓦斯超限，严重时甚至会发生瓦斯爆炸。

2、现有的矿井安全监测系统主要依靠传统的监测设备和人工巡检方式，存在诸多不足。首先，传统监测设备的数据采集和传输速度较慢，难以实现对井下环境的实时监测和预警。其次，人工巡检方式存在漏检和误报的风险，巡检频次和覆盖范围有限，难以全面及时地掌握矿井内部的环境变化。此外，现有系统普遍缺乏有效的数据预处理和分析手段，导致监测数据的准确性和可靠性较低，预警的准确性和及时性也难以保证，无法有效预防和应对突发的矿井安全隐患。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于自然风压变化的煤矿采空区气体异常涌出监测预警方法及系统。

2、为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

3、一种基于自然风压变化的煤矿采空区气体异常涌出监测预警方法，其包括以下步骤：

4、s1、通过地面的大气压传感器实时获取地面大气压变化数据，且通过采空区及工作面的气压传感器和气体传感器实时获取井下气压和气体浓度变化数据；

5、s2、将获取的地面大气压变化数据以及井下气压和气体浓度变化数据通过无线或有线的方式传递至地面控制中心，由地面控制中心对数据进行数据存储以及初步处理；

6、s3、在地面控制中心采用滑动窗口法分别对地面大气压、井下气压、井下气体浓度变化情况进行计算，并通过基于机器学习的多变量回归算法对三者的变化情况进行分析得出预警等级值；

7、s4、根据预警等级值判断预警等级，并给出对应预警等级的预警措施。

8、进一步，在步骤s2中，地面控制中心对接收的数据信息进行即时存储，再对数据进行初步处理和预处理，其中，初步处理包括时间同步、去噪滤波；

9、时间同步是指以时间序列的方式对多个传感器在同一时间点上获取的数据进行整理；

10、去噪滤波过程包括：首先通过高通滤波和低通滤波技术，去除数据中的高频噪声和低频干扰信号；其次，应用移动平均法或卡尔曼滤波算法，对数据进行平滑处理。

11、进一步，在步骤s3中，通过滑动窗口法分别对地面大气压、井下气压、瓦斯浓度变化率进行计算，其中，

12、地面大气压的变化速度计算方式为：

13、

14、其中，pt和pt-1分别为第t个时刻和第t-1个时刻的地面大气压p，v为过去n个时刻的地面大气压p的平均变化速度；

15、井下气压的变化速度计算方式为：

16、

17、其中，分别为第t时刻和第t-1时刻的井下气压pu，vu为前n个时刻的井下气压pu的平均变化速度；

18、井下气体浓度的变化率计算方式为：

19、

20、其中，ct,ct-1分别第t时刻和第t-1时刻的井下气体浓度c，δc为前n个时刻的井下气体浓度c的平均变化率；

21、通过多变量回归模型构建训练集，其中目标变量为蓝色预警、黄色预警、橙色预警和红色预警等级，模型训练表达式为：

22、wl＝α0+α1·v+α2·vu+α3·δc+τ

23、其中，wl表示预警等级值，δ0为截距项，α1,α2,α3为回归系数，τ为误差项。

24、进一步，在步骤s4中，根据预警等级值wl与预先设定的预警阈值之间的关系确定预警等级，其中，预警阈值至少包括第一阈值l1、第二阈值l2以及第三阈值l3，并按照如下逻辑判断预警等级：

25、当wl＜l1时，给出蓝色预警，并给出蓝色预警措施；当l1≤wl＜l2时，给出黄色预警，并给出黄色预警措施；当l2≤wl＜l3时，给出橙色预警，并给出橙色预警措施；当wl≥l3时，给出红色预警，并给出红色预警措施。

26、进一步，蓝色预警措施包括：持续监控系统正常运行，定期检查传感器状态，定期验证监测数据；黄色预警措施包括：启动井下通风系统增加风量，并提高巡检通知次数；橙色预警措施包括：调节工作面风门，增加静压，启动高位钻孔瓦斯抽放系统，向所有工作人员发送预警信息；红色预警措施包括：立即停止井下作业，向所有工作人员发送警告疏散提醒，并全功率开启毒害气体抽放系统。

27、本发明还提出了一种基于自然风压变化的煤矿采空区气体异常涌出监测预警系统，其包括：数据监测模块、数据输送与存储模块、数据预处理模块、预警分析模块、预警响应模块以及系统维护模块，其中，数据监测模块获取地面大气压信息、井下气压信息以及井下气体浓度信息，并将获取的数据信息通过数据输送与存储模块进行传输、存储和初步处理，再由数据预处理对数据输送和存储模块中的数据信息进行滤波、去噪后，将预处理数据传递至预警分析模块；预警分析模块根据地面大气压变化速度和井下气压变化速度、瓦斯浓度变化率计算预警等级值，并根据预警等级值确定预警等级，再将确定的预警等级传递至预警响应模块，由预警响应模块根据预警等级给出对应的预警措施。

28、进一步，数据监测模块包括地面大气压传感器单元、井下气压传感器单元、井下气体浓度传感器单元，其中，地面大气压传感器单元用于监测地面大气压变化，并通过无线网络传输数据；井下气压传感器单元用于监测采空区及工作面气压变化，通过有线网络传输数据；井下气体浓度传感器单元用于监测井下毒害气体浓度变化，通过有线网络传输数据。

29、进一步，数据输送和存储模块至少包括：天线数据传输单元、有线数据传输单元、数据存储单元、初步处理单元，其中，无线数据传输单元用于传输地面大气压数据至地面控制中心；有线数据传输单元用于传输井下气压和瓦斯浓度数据至地面控制中心；数据存储单元用于存储所有监测数据，提供数据读取和写入功能；初步处理单元用于进行数据格式转换、时间同步初步处理。

30、数据预处理模块至少包括：滤波单元和去噪单元，其中，滤波单元对数据进行低通滤波，去除高频噪声；去噪单元采用平滑处理算法，去除数据中的随机噪声。

31、进一步，预警分析模块至少包括：滑动窗口计算单元、机器学习模型训练单元、实时分析单元，其中，滑动窗口计算单元实时捕捉环境参数的变化，并计算地面大气压信息、井下气压信息以及井下气体浓度信息的变化情况；机器学习模型训练单元利用历史数据进行学习和分析，不断优化地面大气压信息、井下气压信息以及井下气体浓度信息的权重信息；实时分析单元根据滑动窗口计算单元和机器学习模型训练单元确定的地面大气压信息、井下气压信息以及井下气体浓度信息的变化情况和对应的权重信息实时计算预警等级值，并根据预警等级值确定预警等级。

32、预警响应模块至少包括：蓝色预警响应单元、黄色预警响应单元、橙色预警响应单元以及红色预警响应单元，其中，蓝色预警响应单元持续监控系统正常运行，定期检查传感器状态；黄色预警响应单元用于启动井下通风系统，增加风量，提高巡检频次；橙色预警响应单元用于调节工作面风门，增加静压，启动高位钻孔瓦斯抽放系统，发送预警信息；红色预警响应单元用于立即停止井下作业，发送警告疏散提醒，全功率开启毒害气体抽放系统。

33、进一步，系统维护模块至少包括：传感器维护单元、数据传输维护单元、系统升级单元，其中，传感器维护单元定期检查和校准传感器；数据传输维护单元定期检查网络连接和数据传输设备；系统升级单元根据实际需求升级系统软件和硬件。

34、本发明的有益效果在于：

35、本发明系统设置了蓝色、黄色、橙色和红色四种预警等级，并制定了相应的响应措施，包括系统监控、增加通风、调节风门、启动瓦斯抽放和紧急疏散等。通过分级响应机制，系统能够根据不同预警等级快速采取适当的防护措施，确保矿井作业人员的安全和矿井环境的稳定。

36、本发明通过设置地面大气压传感器、井下气压传感器和瓦斯浓度传感器，系统能够全面实时监测地面和井下环境数据，并通过多变量回归算法进行实时分析和预警判断。该功能确保了大气压变化和有害气体浓度变化的及时发现和准确预警，有效预防矿井安全事故的发生。

37、本发明通过系统维护模块的传感器校准、网络连接检查和系统升级，保障了监测系统的长期稳定运行。定期的设备检查和维护，防止了数据误差和传输延迟，提高了系统的整体可靠性和使用寿命，为矿井安全生产提供了坚实的技术支持。

38、本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。