劉青山，吳騰逸

(1.霍州煤電集團(tuán) 呂梁山煤電有限公司， 山西 呂梁 042202； 2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 安全工程學(xué)院， 江蘇 徐州 221116)

煤礦生產(chǎn)過(guò)程中往往會(huì)受到各種災(zāi)害事故的威脅，例如：瓦斯爆炸、煤與瓦斯突出、礦井透水等，我國(guó)每年發(fā)生的死亡人數(shù)超過(guò)10人的重特大事故中，瓦斯事故占比超過(guò)70%[1]. 目前我國(guó)大部分煤礦井下都安裝了安全監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)來(lái)監(jiān)測(cè)瓦斯，但它們大多數(shù)只能收集瓦斯傳感器監(jiān)測(cè)到的瓦斯數(shù)據(jù)，而不能對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、處理[2].瓦斯傳感器只要監(jiān)測(cè)到瓦斯?jié)舛瘸蘧蜁?huì)報(bào)警，一旦報(bào)警就需要停止工作，撤出人員，調(diào)查原因，如果該瓦斯傳感器是因?yàn)閭萎惓６鴪?bào)警，則會(huì)造成很多不必要的損失。為了杜絕這類(lèi)情況發(fā)生，本文對(duì)瓦斯校驗(yàn)、瓦斯傳感器故障這兩大類(lèi)偽異常的瓦斯數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，以提出具有普適性且能夠有效識(shí)別出這兩類(lèi)偽異常的方法。

1 異常數(shù)據(jù)特征指標(biāo)的選取

瓦斯監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)一般是通過(guò)對(duì)瓦斯?jié)舛冗M(jìn)行不間斷的監(jiān)測(cè)，從而確定瓦斯數(shù)據(jù)異常[3]. 而瓦斯?jié)舛扔质桥袛嗝旱V現(xiàn)場(chǎng)瓦斯是否異常的主要指標(biāo)[4]. 通過(guò)監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)得到瓦斯隨時(shí)間的變化曲線，在同一地點(diǎn)的瓦斯監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)是有著某種趨勢(shì)的，通過(guò)分析現(xiàn)有的瓦斯異常監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，再結(jié)合瓦斯監(jiān)測(cè)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，就可以得到實(shí)時(shí)的瓦斯異常評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)。

要進(jìn)行瓦斯異常識(shí)別，首先要對(duì)已有的瓦斯異常監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。通過(guò)閱讀大量的文獻(xiàn)和標(biāo)準(zhǔn)，可以發(fā)現(xiàn)針對(duì)瓦斯異常的數(shù)據(jù)特征指標(biāo)一般有最值、均值、標(biāo)準(zhǔn)差、極差、上升速率、時(shí)間長(zhǎng)度等[3-7],本文主要選擇最值、極差、上升速率、時(shí)間長(zhǎng)度這幾個(gè)特征指標(biāo)來(lái)進(jìn)行研究。

1) 最值。

最值這個(gè)指標(biāo)又分為最大值(MAX)和最小值(MIN)，煤礦現(xiàn)場(chǎng)瓦斯傳感器報(bào)警的依據(jù)就是瓦斯?jié)舛鹊淖畲笾怠?/p>

2) 極差Ran.

極差同樣也是衡量數(shù)據(jù)離散程度的指標(biāo)，代表著一段瓦斯監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)中最值之間的差，可以體現(xiàn)一組數(shù)據(jù)的變動(dòng)范圍，公式：

R=xmax-xmin

(1)

式中，R為極差；xmax為最大值；xmin為最小值。

3) 上升速率K.

不同原因?qū)е碌耐咚節(jié)舛壬仙?，上升速率?huì)有差異。其計(jì)算公式：

(2)

式中，K為瓦斯?jié)舛壬仙俾?%/min；Cmax為瓦斯?jié)舛壬仙降淖畲笾担?；Cstart為瓦斯?jié)舛乳_(kāi)始上升時(shí)的值, %；t1為瓦斯?jié)舛壬仙阶畲笾禃r(shí)的時(shí)間，s；t0為瓦斯?jié)舛乳_(kāi)始上升時(shí)的時(shí)間，s.

4) 時(shí)間長(zhǎng)度。

瓦斯異常持續(xù)時(shí)間是瓦斯異常形態(tài)特征之一。不同的原因造成的異常時(shí)間都會(huì)有一定差距，尤其是偽異常中瓦斯異常時(shí)間都有比較明顯的規(guī)律，如瓦斯校驗(yàn)、瓦斯傳感器故障等。

2 瓦斯偽異常特征研究

2.1 瓦斯校驗(yàn)導(dǎo)致的異常特征分析

煤礦井下工作環(huán)境復(fù)雜，容易造成傳感器失準(zhǔn)、失靈，導(dǎo)致傳感器監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)失真[8]. 為保障監(jiān)測(cè)監(jiān)控的可靠性，現(xiàn)場(chǎng)需要定時(shí)對(duì)瓦斯傳感器的檢測(cè)精度、準(zhǔn)度進(jìn)行標(biāo)定。根據(jù)《煤礦安全規(guī)程》的要求，煤礦現(xiàn)場(chǎng)每15天必須對(duì)采用催化元件的瓦斯監(jiān)測(cè)儀器進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)氣樣標(biāo)定和空氣調(diào)校。具體可分為以下幾個(gè)步驟[9]：

1) 井下瓦斯傳感器標(biāo)校前必須先檢查甲烷探頭的路線是否完好，甲烷探頭外觀是否正常。

2) 瓦斯傳感器標(biāo)校前必須確定測(cè)試點(diǎn)區(qū)域5 m內(nèi)支護(hù)可靠、頂板完好無(wú)淋水。

3) 確定標(biāo)準(zhǔn)氣樣的瓦斯?jié)舛戎怠?/p>

4) 進(jìn)行瓦斯傳感器標(biāo)校必須先進(jìn)入標(biāo)校模式。

5) 進(jìn)行瓦斯傳感器標(biāo)校必須先通入新鮮空氣約90 s，確定傳感器的零點(diǎn)。

6) 再通入標(biāo)準(zhǔn)氣樣約90 s，確定傳感器的最高值。

7) 退出標(biāo)校狀態(tài)，待瓦斯傳感器回零后再通入標(biāo)準(zhǔn)氣樣，觀察瓦斯傳感器數(shù)值是否與標(biāo)準(zhǔn)氣樣數(shù)值相符。

8) 標(biāo)校完畢后，清理傳感器表面灰塵并調(diào)整傳感器懸掛位置。

本文選取的瓦斯校驗(yàn)樣本所采用的標(biāo)準(zhǔn)氣樣瓦斯?jié)舛葹?%.

2.1.1 瓦斯校驗(yàn)數(shù)據(jù)最值特征分析

挑選李雅莊煤礦瓦斯監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)中的1 452組不同時(shí)間、不同地點(diǎn)的瓦斯校驗(yàn)數(shù)據(jù)，提取出每次瓦斯校驗(yàn)數(shù)據(jù)的最大值和最小值，以這些數(shù)據(jù)繪制最值分布頻率圖，并進(jìn)行分析，見(jiàn)圖1，圖2.

圖1 瓦斯校驗(yàn)數(shù)據(jù)最大值統(tǒng)計(jì)圖

圖2 瓦斯校驗(yàn)數(shù)據(jù)最小值統(tǒng)計(jì)圖

根據(jù)圖1和圖2所展示的結(jié)果并根據(jù)大數(shù)定律可以得到瓦斯校驗(yàn)數(shù)據(jù)的一些約束條件：

1.92%≤Cmax≤2.15%

(3)

0≤Cmin≤0.11%

(4)

2.1.2 瓦斯校驗(yàn)數(shù)據(jù)極差特征分析

通過(guò)分析1 452組瓦斯監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，可以計(jì)算出每次瓦斯校驗(yàn)的極差情況，具體分析見(jiàn)圖3.

圖3 瓦斯校驗(yàn)數(shù)據(jù)極差分布頻率圖

根據(jù)圖3可以了解到，瓦斯校驗(yàn)數(shù)據(jù)的極差滿足以下條件：

1) 在1 452組數(shù)據(jù)中，出現(xiàn)頻率較高的極差有1.96%、1.97%、1.98%、1.99%、2%，它們所占的比例分別為6.276%、11.295%、6.543%、10.675%、10.468%.

2) 在1.81%～2.28%這些數(shù)據(jù)中，將從1.81%開(kāi)始往后以及從2.28%開(kāi)始往前出現(xiàn)頻率小于0.3%的連續(xù)區(qū)段刪去，剩下的數(shù)據(jù)為1.83%～2.21%，其占總比例的98.243%.

根據(jù)分析可以得出:當(dāng)用瓦斯?jié)舛葹?%的氣樣進(jìn)行瓦斯校驗(yàn)時(shí)，實(shí)際瓦斯監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的極差大部分都是小于2%的，一般允許的誤差范圍為[1.83%，2.21%]，用字母R表示極差，即可得到：

1.83%≤R≤2.21%

(5)

2.1.3 瓦斯校驗(yàn)數(shù)據(jù)上升速率特征分析

根據(jù)式(2)，對(duì)1 452組瓦斯校驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、分析，具體分析見(jiàn)圖4.

圖4 瓦斯校驗(yàn)數(shù)據(jù)上升速率分布頻率圖

根據(jù)圖4可以了解到，瓦斯校驗(yàn)數(shù)據(jù)的上升速率滿足以下條件：

1) 在1 452組數(shù)據(jù)中，瓦斯?jié)舛壬仙俾试?1，1.5]的次數(shù)最多，有375次，占總組數(shù)的25.826%.

2) 在1 452組數(shù)據(jù)中，其他出現(xiàn)頻率較多的有(0.5，1]、(1.5，2]、(2，2.5]，所占比例分別為21.006%、19.353%、15.634%.

3) 將出現(xiàn)頻率小于0.6%的區(qū)間刪去，剩下的為(0，4.5]，該區(qū)間內(nèi)的數(shù)據(jù)占比98.279%.

根據(jù)以上分析可以得出:當(dāng)進(jìn)行瓦斯校驗(yàn)時(shí)，瓦斯?jié)舛鹊纳仙俾蚀蟾怕试?.5～2.5，少數(shù)校驗(yàn)時(shí)的瓦斯上升速率較快，會(huì)在2.5～4.5，由此可得到：

0

(6)

2.1.4 瓦斯校驗(yàn)數(shù)據(jù)時(shí)間特征分析

瓦斯數(shù)據(jù)異常持續(xù)時(shí)間也是一個(gè)非常值得關(guān)注的點(diǎn)，有時(shí)通過(guò)異常持續(xù)時(shí)間可以有效縮小造成異常的原因范圍。通常情況下，瓦斯校驗(yàn)從開(kāi)始到徹底結(jié)束持續(xù)3～10 min，本文將會(huì)對(duì)瓦斯校驗(yàn)期間瓦斯?jié)舛葟漠惓ｉ_(kāi)始上升到最大值所用的時(shí)間t1和從最大值開(kāi)始降低到環(huán)境平穩(wěn)值所用的時(shí)間t2進(jìn)行分析，具體分析見(jiàn)圖5，6.

圖5 t1頻率分布統(tǒng)計(jì)圖

圖6 t2頻率分布統(tǒng)計(jì)圖

根據(jù)圖5、6可以了解到，t1和t2滿足以下條件：

1) 在1 452組數(shù)據(jù)中，t1在(60，120]的次數(shù)最多，有677次，占總組數(shù)的46.625%；t2在(0，60]的次數(shù)最多，有911次，占總組數(shù)的62.741%.

2) 在1 452組數(shù)據(jù)中，t1出現(xiàn)頻率較多的區(qū)間有(0，60]、(120，180]，它們所占比例分別為28.303%、14.976%；t2出現(xiàn)頻率較多的區(qū)間有(60，120]，所占比例為29.477%.

3) 將t1和t2出現(xiàn)頻率相對(duì)較小的區(qū)間除去，則t1∈(0，240],累計(jì)占比為95.592%，t2∈(0，180]，累計(jì)占比為98.279%.

根據(jù)以上分析可以得出:當(dāng)進(jìn)行瓦斯校驗(yàn)時(shí)，瓦斯?jié)舛葟淖钚≈甸_(kāi)始上升到最大值所用的時(shí)間t1大部分都在3 min內(nèi)。從最大值開(kāi)始降低到環(huán)境平穩(wěn)值所用的時(shí)間t2一般來(lái)說(shuō)比t1短，大部分都小于2 min，甚至1 min，由此可得到：

t1∈(0，240]

(7)

t2∈(0，180]

(8)

2.1.5 瓦斯傳感器校驗(yàn)的診斷準(zhǔn)則

根據(jù)以上對(duì)瓦斯數(shù)據(jù)的最值、極差、上升速率和時(shí)間的特征分析，可以確定部分瓦斯傳感器校驗(yàn)時(shí)的診斷準(zhǔn)則如下： 1.92%≤Cmax≤2.15%∩0≤Cmin≤0.11%∩1.83%≤R≤2.21%∩0

2.2 瓦斯傳感器故障導(dǎo)致的異常特征分析

由瓦斯傳感器故障導(dǎo)致的異常主要有兩種：“冒大數(shù)”、產(chǎn)生負(fù)值。這兩種情況可能是單獨(dú)發(fā)生也有可能同時(shí)發(fā)生。

2.2.1 瓦斯傳感器數(shù)據(jù)“冒大數(shù)”的異常特征分析

“冒大數(shù)”通俗來(lái)說(shuō)就是指瓦斯傳感器受到脈沖信號(hào)的干擾，導(dǎo)致瓦斯監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)出現(xiàn)快速上升后又立刻快速下降的現(xiàn)象?！懊按髷?shù)”的特點(diǎn)一般有：1) 高值持續(xù)時(shí)間較短。2) 數(shù)據(jù)上升斜率較快。3) 數(shù)據(jù)下降斜率較快。根據(jù)這些特點(diǎn)本文將從最大值、上升速率和持續(xù)時(shí)間這3個(gè)方面特征進(jìn)行分析。

從收集的部分李雅莊煤礦和平頂山一礦的瓦斯監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)中，找到20組瓦斯傳感器故障的數(shù)據(jù)，提取出每次瓦斯傳感器故障產(chǎn)生的異常數(shù)據(jù)的最大值Cmax(表1)進(jìn)行分析。

表1 瓦斯傳感器故障的數(shù)據(jù)最大值統(tǒng)計(jì)表

由表1可知，在20組數(shù)據(jù)中，最大值超過(guò)3%的數(shù)據(jù)占比達(dá)70%，最大值超過(guò)2.5%的數(shù)據(jù)占比高達(dá)85%. 由傳感器故障產(chǎn)生的異常數(shù)據(jù)最大值大部分是比瓦斯校驗(yàn)造成的異常數(shù)據(jù)的最大值大。綜上所述，可得到瓦斯傳感器故障導(dǎo)致的異常數(shù)據(jù)的最大值的約束條件為：

Cmax>2.5%

(9)

根據(jù)式(2)對(duì)以上20組瓦斯傳感器異常數(shù)據(jù)的上升速率(表2)進(jìn)行分析處理。

表2 瓦斯傳感器故障的數(shù)據(jù)上升速率統(tǒng)計(jì)表

由表2可知，在20組數(shù)據(jù)中，瓦斯?jié)舛鹊纳仙俾示笥?%/min，甚至有25%的數(shù)據(jù)大于10%/min. 綜上所述，可得到瓦斯傳感器故障導(dǎo)致的異常數(shù)據(jù)的上升速率的約束條件為：

K>3

(10)

瓦斯傳感器故障導(dǎo)致“冒大數(shù)”時(shí)，瓦斯?jié)舛鹊纳仙俾室话愫芸?，沿用在分析瓦斯校?yàn)數(shù)據(jù)時(shí)間特征分析的指標(biāo)t1(瓦斯?jié)舛葟淖钚≈甸_(kāi)始上升到最大值所用的時(shí)間)和t2(從最大值開(kāi)始降低到環(huán)境平穩(wěn)值所用的時(shí)間)，對(duì)上述20組瓦斯數(shù)據(jù)“冒大數(shù)”(表3，表4)的情況進(jìn)行分析。

表3 瓦斯傳感器故障時(shí)的t1頻率統(tǒng)計(jì)表

表4 瓦斯傳感器故障時(shí)的t2頻率統(tǒng)計(jì)表

由表3和表4可知，在傳感器故障所引起的異常中，瓦斯?jié)舛壬仙阶畲笾岛蛷淖畲笾到档偷狡椒€(wěn)值所用的時(shí)間都很短，與瓦斯校驗(yàn)時(shí)所用的時(shí)間相比短了很多。綜上所述，可得到瓦斯傳感器故障導(dǎo)致的異常數(shù)據(jù)的t1和t2的約束條件為：

t1∈(0，90]

(11)

t2∈(0，60]

(12)

2.2.2 瓦斯傳感器數(shù)據(jù)產(chǎn)生負(fù)值的異常特征分析

當(dāng)瓦斯傳感器監(jiān)測(cè)到的瓦斯?jié)舛瘸霈F(xiàn)負(fù)值時(shí)說(shuō)明瓦斯傳感器出現(xiàn)故障，需要立即檢修，但在實(shí)際情況下，很多時(shí)候瓦斯傳感器發(fā)生故障會(huì)導(dǎo)致監(jiān)測(cè)到的瓦斯數(shù)據(jù)同時(shí)出現(xiàn)負(fù)值和“冒大數(shù)”現(xiàn)象，瓦斯?jié)舛葧?huì)從負(fù)值直接上升到最大值，或者從最大值直接下降到負(fù)值，最大值與負(fù)值之間不常有波動(dòng)，并且速率非?？?，即這個(gè)過(guò)程所用時(shí)間非常短，所以本節(jié)將會(huì)從時(shí)間特征對(duì)該情況進(jìn)行具體分析。

以下討論僅針對(duì)由瓦斯傳感器故障導(dǎo)致監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)同時(shí)出現(xiàn)負(fù)值和“冒大數(shù)”的情況。令瓦斯?jié)舛韧ㄟ^(guò)“冒大數(shù)”達(dá)到最大值的時(shí)間點(diǎn)為tmax,瓦斯?jié)舛瘸霈F(xiàn)負(fù)值的時(shí)間點(diǎn)為t，二者之差為Δt. 選取李雅莊煤礦和平頂山一礦符合條件的共18組瓦斯數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,見(jiàn)表5.

表5 瓦斯傳感器故障時(shí)的Δt頻率統(tǒng)計(jì)表

根據(jù)表5可知，在瓦斯傳感器故障導(dǎo)致監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)同時(shí)出現(xiàn)負(fù)值和“冒大數(shù)”的情況中， Δt非常短，大部分瓦斯?jié)舛仍?0 s內(nèi)就可以從最大值降低到負(fù)值或從負(fù)值上升到最大值。綜上所述，可得到瓦斯傳感器故障導(dǎo)致的異常數(shù)據(jù)的Δt的約束條件為：

Δt∈(0，60]

(13)

2.2.3 瓦斯傳感器故障導(dǎo)致異常的診斷準(zhǔn)則

在一般情況下，大部分井下瓦斯傳感器超限報(bào)警的瓦斯?jié)舛乳撝凳?%，當(dāng)瓦斯?jié)舛瘸^(guò)1%就會(huì)發(fā)出報(bào)警。所以需要將瓦斯?jié)舛瘸霈F(xiàn)負(fù)值時(shí)的情況進(jìn)行分類(lèi)討論：第一種是瓦斯?jié)舛瘸霈F(xiàn)負(fù)值且最大值未達(dá)到報(bào)警濃度；第二種是瓦斯?jié)舛瘸霈F(xiàn)負(fù)值且最大值達(dá)到報(bào)警濃度。根據(jù)以上對(duì)瓦斯數(shù)據(jù)的最值、上升速率和時(shí)間的特征分析，可以確定部分瓦斯傳感器故障時(shí)的診斷準(zhǔn)則，有如下幾種：

1)Cmax>2.5%∩K>3∩t1∈(0，90]∩t2∈(0，60]

2)Cmax<1%∩Cmin<0

3)Cmax≥1.0%∩Cmin<0∩Δt∈(0，60]

3 結(jié) 語(yǔ)

目前許多礦井瓦斯預(yù)警體系不夠智能，只設(shè)定了瓦斯?jié)舛阮A(yù)警閾值對(duì)瓦斯異常進(jìn)行預(yù)警，并且對(duì)瓦斯監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)偽異常和真異常進(jìn)行無(wú)差別預(yù)警。針對(duì)此問(wèn)題，本文對(duì)偽異常中瓦斯校驗(yàn)和瓦斯傳感器故障這兩大類(lèi)進(jìn)行研究，通過(guò)對(duì)大量的真實(shí)瓦斯異常數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，結(jié)合最值、極差、上升速率和時(shí)間特征提出了針對(duì)這兩種偽異常的診斷準(zhǔn)則，但本文只采集了兩個(gè)煤礦的瓦斯數(shù)據(jù)，因此統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的分析存在一定的局限性。瓦斯?jié)舛劝l(fā)生偽異常的原因不止只有瓦斯校驗(yàn)和瓦斯傳感器故障這兩種，在此后的深入研究中可以考慮更多瓦斯?jié)舛劝l(fā)生偽異常的因素。