基于时间序列游程检验的瓦斯灾害预警方法

摘要

本发明提供一种基于时间序列游程检验的瓦斯异常涌出预警方法，包括：计算t时刻的掘进工作面瓦斯浓度时间序列的均值；生成符号序列；进行游程检验；若瓦斯浓度时间序列是平稳的，则处于正常状态，取t＝s+1瓦斯浓度时间序列进行游程检验；若t＝s+1时刻瓦斯浓度时间序列是平稳的，取t＝s+2的瓦斯浓度时间序列进行游程检验；直到某一时刻是非平稳的；若瓦斯浓度时间序列是非平稳的，则t＝s时刻可能处于异常状态，取t＝s+1的瓦斯浓度时间序列进行游程检验；若t＝s+1仍是非平稳的，则处于异常状态；进行瓦斯异常涌出预警判断。本发明提取瓦斯浓度时间序列的变化特征，对工作面瓦斯异常涌出进行实时动态预警，使得瓦斯灾害预警从事后向事前转移，有利于瓦斯事故预防和控制。

说明书

技术领域

本发明涉及煤矿掘进工作面瓦斯灾害的预警技术领域，特别涉及一种基于时间序列游程检验的瓦斯灾害预警方法。

背景技术

长期以来瓦斯灾害严重威胁着矿工的生命安全，常给国家和社会带来巨大的经济损失。随着科研工作者的努力，各种瓦斯灾害预测预报新理论、新技术得到研发与应用，矿山瓦斯灾害事故也得到了明显改善。然而，目前在我国煤矿普遍使用的诸多瓦斯灾害预测预报方法，由于均使用井下专用仪器静态测量相关参数，计算相应指标，按照防突细则规定进行预测，需要一定的工程量和2～3小时的预测作业时间。将小波理论、混沌动力学、分形理论、突变理论和人工神经网络理论、支持向量机理论、灰色系统理论、遗传算法等引入瓦斯灾害预测的现代方法，仍以传统预测方法所得静态样本为研究对象，但距离在线实用相差甚远，短期内无法取得突破性进展。

在正常情况下可将各班次的掘进工作面的供风量视为常数的假定下，基于时间序列分析理论与方法，以矿井日常瓦斯监测数据为研究对象，通过分析某个时段监测点瓦斯浓度数据关联特征来提取有效信息，用来表达各影响因素共同作用下瓦斯浓度的变化特征，以此作为瓦斯灾害预警分析的依据，对于现场安全管理具有重要的指导意义。

发明内容

针对现有技术以静态样本作为研究对象并且需要较大工作量的不足，本发明提出了基于时间序列游程检验的瓦斯灾害预警方法，可广泛应用于煤矿瓦斯灾害的预测预警中。

为了解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：

基于时间序列游程检验的瓦斯异常涌出预警方法，包括：

计算t时刻的掘进工作面瓦斯浓度时间序列的均值；

生成符号序列：在保持瓦斯浓度时间序列原有顺序的情况下，将其中的不小于该均值的瓦斯浓度值、小于该均值的瓦斯浓度值用不同符号标记，得到一个符号序列；在符号序列中每一段连续相同的符号子序列称为一个游程；

基于符号序列对瓦斯浓度时间序列进行游程检验；

若游程检验后瓦斯浓度时间序列是平稳的，则当前t＝s时刻掘进工作面瓦斯涌出处于正常状态，取下一时刻t＝s+1的瓦斯浓度时间序列，生成符号序列并基于符号序列对瓦斯浓度时间序列进行游程检验；若游程检验后t＝s+1时刻瓦斯浓度时间序列是平稳的，取下一时刻t＝s+2的瓦斯浓度时间序列，生成符号序列并基于符号序列对瓦斯浓度时间序列进行游程检验；依此类推，直到某一时刻游程检验后瓦斯浓度时间序列是非平稳的；

若游程检验后瓦斯浓度时间序列是非平稳的，则判断当前t＝s时刻掘进工作面瓦斯涌出可能处于异常状态，取下一时刻t＝s+1的瓦斯浓度时间序列，生成符号序列并基于符号序列对瓦斯浓度时间序列进行游程检验；若游程检验后时刻t＝s+1的瓦斯浓度时间序列仍是非平稳的，则当前时刻掘进工作面瓦斯涌出处于异常状态；并对掘进工作面瓦斯涌出所处的异常状态进行瓦斯异常涌出预警判断：

若t＝s+1时刻的瓦斯浓度的时间序列仍是非平稳的，则判定掘进工作面瓦斯涌出已进入异常阶段，即瓦斯涌出异常开始时刻处于t＝s-1时刻和t＝s时刻之间，在t＝s时刻掘进工作面瓦斯涌出已进入异常阶段，并发出瓦斯异常涌出预警；否则，取下一时刻t＝s+2的瓦斯浓度的时间序列，生成符号序列，并基于符号序列对瓦斯浓度时间序列进行游程检验。

所述基于符号序列对瓦斯浓度时间序列进行游程检验，包括：

计算所述符号序列中的游程总数和所述符号序列中两种符号出现的次数，判断两种符号出现的次数是否均不超过15：

若两种符号出现的次数均不超过15，则在给定显著水平下判断所述符号序列中的游程总数是否属于正常范围：是，则瓦斯浓度时间序列是平稳的；否则瓦斯浓度时间序列是非平稳的；

若两种符号出现的次数全部超过15或者其中一个超过15设定值，则计算瓦斯浓度时间序列的游程期望数和游程标准差，在给定显著水平下，若检验统计量的绝对值小于1.96，则瓦斯浓度时间序列是平稳的；若检验统计量的绝对值不小于1.96，则瓦斯浓度时间序列非平稳的。

所述符号序列中的游程总数既有上限又有下限时，所述正常范围是所述符号序列中的游程总数大于其下限且小于其上限；

所述符号序列中的游程总数仅有下限时，所述正常范围是所述符号序列中的游程总数大于其下限。

所述瓦斯浓度时间序列的游程期望数其中，r为所述符号序列中的游程总数，n₁、n₂分别为所述符号序列中两种符号出现的次数。

所述游程标准差其中，r为所述符号序列中的游程总数，n₁、n₂分别为所述符号序列中两种符号出现的次数。

所述检验统计量其中，r为所述符号序列中的游程总数，E(r)为所述瓦斯浓度时间序列的游程期望数，D(r)为所述游程标准差。

所述符号序列是在保持瓦斯浓度时间序列原有顺序的情况下将其中的不小于该均值的瓦斯浓度值、小于该均值的瓦斯浓度值用不同符号“+”、“-”标记得到的。

有益效果：

本发明基于时间序列游程检验的瓦斯灾害预警方法，具有以下方面的优点：利用现代时间序列分析方法与技术，提取瓦斯浓度时间序列的变化特征，对工作面瓦斯异常涌出进行实时动态预警，使得瓦斯灾害预警从事后向事前转移，以主动式预防取代传统被动式的事故防治，有利于瓦斯事故预防和控制。

附图说明

图1是本发明一实施例的煤矿掘进工作面瓦斯浓度时间曲线图；

图2是本发明一实施例的基于时间序列游程检验的瓦斯异常涌出预警方法流程图；

图3是本发明一实施例的时间序列X₍₂₇₎至X₍₁₅₀₎的游程检验结果。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

根据文献资料，2005年9月23日研究区淮南潘三矿东四8号煤运输上山综掘时瓦斯突出前后一段时间内的瓦斯浓度数据(采样周期为一分钟，共150个瓦斯浓度数据)，绘制瓦斯浓度时间曲线如图1所示。以研究区淮南潘三矿东四8号煤运输上山掘进工作面瓦斯异常涌出孕育时期为例，基于时间序列游程检验的瓦斯异常涌出预警方法的流程如图2所示，包括如下步骤：

步骤1、从潘三煤矿安全生产监测监控系统中获得t＝9min时刻的掘进工作面瓦斯浓度时间序列X₍₉₎{x_t，t＝1，2，…，9}，该时间序列长度为T₀＝9，t表示采样时刻，x_t表示t时刻的瓦斯浓度。

随着从煤矿安全生产监测监控系统中获得的瓦斯浓度监测数据的动态更新，分别获得新的瓦斯浓度时间序列X₍₁₀₎，X₍₁₁₎，X₍₁₂₎……时间序列的长度依次为T₁＝10，T₂＝11，T₃＝12……。

各瓦斯浓度时间序列的相关信息详见表1：

表1 瓦斯浓度时间序列信息表

步骤2、计算t时刻的掘进工作面瓦斯浓度时间序列的均值，即X₍₉₎{x_t，t＝1，2，…，9}的均值

步骤3、生成符号序列：在保持瓦斯浓度时间序列X₍₉₎{x_t，t＝1，2，…，9}原有顺序的情况下，将其中的不小于该均值的瓦斯浓度值、小于该均值的瓦斯浓度值用不同符号标记，得到一个符号序列。将X₍₉₎{x_t，t＝1，2，…，9}中不小于的瓦斯浓度值记为“+”，将其中小于的瓦斯浓度值记为“-”，这样相应于原瓦斯浓度时间序列X₍₉₎{x_t，t＝1，2，…，9}得到符号序列：

——++————+——+——

在该符号序列中每一段连续相同的符号子序列称为一个游程。

步骤4、基于符号序列对瓦斯浓度时间序列X₍₉₎{x_t，t＝1，2，…，9}进行游程检验。

步骤4-1、计算所述符号序列X₍₉₎{x_t，t＝1，2，…，9}中的游程总数r＝7和所述符号序列中两种符号“+”和“－”出现的次数n₁、n₂，判断两种符号出现的次数是否均不超过15：

若两种符号出现的次数均不超过15，则执行步骤4-2；若两种符号“+”和“－”出现的次数n₁、n₂全部超过15或者其中一个超过15，则执行步骤4-3；

步骤4-2、在给定显著水平α＝0.05下判断所述符号序列中的游程总数是否属于正常范围：是，则瓦斯浓度时间序列X₍₉₎{x_t，t＝1，2，…，9}是平稳的；否则瓦斯浓度时间序列X₍₉₎{x_t，t＝1，2，…，9}是非平稳的。

所述符号序列中的游程总数r既有上限r_U又有下限r_L时，所述正常范围是所述符号序列中的游程总数大于其下限且小于其上限，即r_L＜r＜r_U；r_L和r_U可查表2得到；

所述符号序列中的游程总数r仅有下限时，所述正常范围是所述符号序列中的游程总数大于其下限，即r_L＜r。

本实施方式中，在给定显著水平α＝0.05下查表2得到n₁＝4，n₂＝5时游程总数r的下限r_L＝2、上限r_U＝9，r_L＜r＝7＜r_U，则认为该瓦斯浓度时间序列X₍₉₎{x_t，t＝1，2，…，9}是平稳的，直接执行步骤5。

步骤4-3、计算瓦斯浓度时间序列X₍₉₎{x_t，t＝1，2，…，9}的游程期望数和游程标准差在给定显著水平α＝0.05下，若检验统计量的绝对值|Z|＜1.96，则瓦斯浓度时间序列X_(t){x_t，t＝1，2，…，n}是平稳的；若检验统计量的绝对值不小于1.96，则瓦斯浓度时间序列非平稳的。

步骤5、根据游程检验后瓦斯浓度时间序列是否平稳进行瓦斯异常涌出预警判断：

若游程检验后瓦斯浓度时间序列X_(t){x_t，t＝1，2，…，n}是平稳的，则当前t＝s时刻掘进工作面瓦斯涌出处于正常状态，取下一时刻t＝s+1的瓦斯浓度时间序列，生成符号序列并基于符号序列对瓦斯浓度时间序列进行游程检验，重复执行步骤2至步骤5；

若游程检验后瓦斯浓度时间序列X_(t){x_t，t＝1，2，…，n}是非平稳的，则判断当前t＝s时刻掘进工作面瓦斯涌出可能处于异常状态，取下一时刻t＝s+1的瓦斯浓度时间序列X_(s+1){x_t，t＝1，2，…，n，n+1}，生成符号序列并基于符号序列对瓦斯浓度时间序列进行游程检验；若游程检验后时刻t＝s+1的瓦斯浓度时间序列仍是非平稳的，则当前时刻掘进工作面瓦斯涌出处于异常状态；并对掘进工作面瓦斯涌出所处的异常状态进行瓦斯异常涌出预警判断：

若t＝s+1时刻的瓦斯浓度的时间序列仍是非平稳的，则判定掘进工作面瓦斯涌出已进入异常阶段，即瓦斯涌出异常开始时刻处于t＝s-1时刻和t＝s时刻之间，在t＝s时刻掘进工作面瓦斯涌出已进入异常阶段，并发出瓦斯异常涌出预警；否则，取下一时刻t＝s+2的瓦斯浓度的时间序列X_(s+2){x_t，t＝1，2，…，n，n+1，n+2}，生成符号序列，并基于符号序列对瓦斯浓度时间序列进行游程检验，重复执行步骤2至步骤5。

本实施方式中，瓦斯浓度时间序列X₍₉₎{x_t，t＝1，2，…，9}是平稳的，则当前t＝9min时刻掘进工作面瓦斯涌出处于正常状态，取下一时刻更新后的瓦斯浓度时间序列X_(10）{x_t，t＝1，2，…，10}，重复执行步骤2至步骤5。依此类推对潘三矿东四8号煤运输上山掘进工作面瓦斯异常涌出前后一段时期内的瓦斯浓度时间序列进行检验，瓦斯浓度时间序列X₍₉₎{x_t，t＝1，2，…，9}至X₍₂₆₎{x_t，t＝1，2，…，26}中的游程总数r及“+”和“一”出现的次数n₁、n₂如表3所示，查表2可知X₍₉₎{x_t，t＝1，2，…，9}至X₍₂₆₎{x_t，t＝1，2，…，26}都是平稳的，因此时刻t＝9min至t＝26min时间段内的瓦斯涌出处于正常状态。瓦斯浓度时间序列X₍₂₇₎{x_t，t＝1，2，…，27}至X₍₉₈₎{x_t，t＝1，2，…，98}的检验统计量|Z|均小于1.96，因此时刻t＝27min至t＝98min时间段内的瓦斯浓度时间序列是平稳的，掘进工作面瓦斯涌出处于正常状态；从瓦斯浓度时间序列X₍₉₉₎{x_t，t＝1，2，…，99}开始出现检验统计量|Z|＝1.984＞1.96的情况，取下一时刻t＝s+1的瓦斯浓度的时间序列X_(s+1){x_t，t＝1，2，…，n，n+1}，生成符号序列，并基于符号序列对瓦斯浓度时间序列进行游程检验，重复执行步骤2至步骤5。

本实施方式中取时刻t＝100min的瓦斯浓度，执行步骤2至步骤5，瓦斯浓度时间序列X₍₁₀₀₎{x_t，t＝1，2，…，100}的检验统计量|Z|＝2.097＞1.96，因此在t＝99min时刻瓦斯涌出开始进入异常状态，在掘进工作面瓦斯大量涌出前14分钟发出预警信息，此时工作人员要提高警惕并排查安全隐患。

时间序列X₍₂₇₎{x_t，t＝1，2，…，27}至X₍₁₅₀₎{x_t，t＝1，2，…，150}的检验结果如图3所示。

表2 游程检验用r分布表

表3X₍₉₎至X₍₂₆₎中r、n₁、n₂汇总表