劉青山，吳騰逸

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

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

1 異常數(shù)據(jù)特征指標(biāo)的選取

瓦斯監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)一般是通過對瓦斯?jié)舛冗M行不間斷的監(jiān)測，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)場瓦斯是否異常的主要指標(biāo)[4]. 通過監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)得到瓦斯隨時間的變化曲線，在同一地點的瓦斯監(jiān)測數(shù)據(jù)是有著某種趨勢的，通過分析現(xiàn)有的瓦斯異常監(jiān)測數(shù)據(jù)，再結(jié)合瓦斯監(jiān)測的實時數(shù)據(jù)，就可以得到實時的瓦斯異常評判標(biāo)準(zhǔn)。

要進行瓦斯異常識別，首先要對已有的瓦斯異常監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析。通過閱讀大量的文獻和標(biāo)準(zhǔn)，可以發(fā)現(xiàn)針對瓦斯異常的數(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、時間長度等[3-7],本文主要選擇最值、極差、上升速率、時間長度這幾個特征指標(biāo)來進行研究。

1) 最值。

最值這個指標(biāo)又分為最大值(MAX)和最小值(MIN)，煤礦現(xiàn)場瓦斯傳感器報警的依據(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仙俾蕰胁町?。其計算公式?/p>

(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_始上升時的值, %；t1為瓦斯?jié)舛壬仙阶畲笾禃r的時間，s；t0為瓦斯?jié)舛乳_始上升時的時間，s.

4) 時間長度。

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

2 瓦斯偽異常特征研究

2.1 瓦斯校驗導(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)測數(shù)據(jù)失真[8]. 為保障監(jiān)測監(jiān)控的可靠性，現(xiàn)場需要定時對瓦斯傳感器的檢測精度、準(zhǔn)度進行標(biāo)定。根據(jù)《煤礦安全規(guī)程》的要求，煤礦現(xiàn)場每15天必須對采用催化元件的瓦斯監(jiān)測儀器進行標(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)校前必須確定測試點區(qū)域5 m內(nèi)支護可靠、頂板完好無淋水。

3) 確定標(biāo)準(zhǔn)氣樣的瓦斯?jié)舛戎怠?/p>

4) 進行瓦斯傳感器標(biāo)校必須先進入標(biāo)校模式。

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

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樣本所采用的標(biāo)準(zhǔn)氣樣瓦斯?jié)舛葹?%.

2.1.1 瓦斯校驗數(shù)據(jù)最值特征分析

挑選李雅莊煤礦瓦斯監(jiān)測數(shù)據(jù)中的1 452組不同時間、不同地點的瓦斯校驗數(shù)據(jù)，提取出每次瓦斯校驗數(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，并進行分析，見圖1，圖2.

圖1 瓦斯校驗數(shù)據(jù)最大值統(tǒng)計圖

圖2 瓦斯校驗數(shù)據(jù)最小值統(tǒng)計圖

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 瓦斯校驗數(shù)據(jù)極差特征分析

通過分析1 452組瓦斯監(jiān)測數(shù)據(jù)，可以計算出每次瓦斯校驗的極差情況，具體分析見圖3.

圖3 瓦斯校驗數(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%開始往后以及從2.28%開始往前出現(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?%的氣樣進行瓦斯校驗時，實際瓦斯監(jiān)測數(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 瓦斯校驗數(shù)據(jù)上升速率特征分析

根據(jù)式(2)，對1 452組瓦斯校驗數(shù)據(jù)進行處理、分析，具體分析見圖4.

圖4 瓦斯校驗數(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)進行瓦斯校驗時，瓦斯?jié)舛鹊纳仙俾蚀蟾怕试?.5～2.5，少數(shù)校驗時的瓦斯上升速率較快，會在2.5～4.5，由此可得到：

0

(6)

2.1.4 瓦斯校驗數(shù)據(jù)時間特征分析

瓦斯數(shù)據(jù)異常持續(xù)時間也是一個非常值得關(guān)注的點，有時通過異常持續(xù)時間可以有效縮小造成異常的原因范圍。通常情況下，瓦斯校驗從開始到徹底結(jié)束持續(xù)3～10 min，本文將會對瓦斯校驗期間瓦斯?jié)舛葟漠惓ｉ_始上升到最大值所用的時間t1和從最大值開始降低到環(huán)境平穩(wěn)值所用的時間t2進行分析，具體分析見圖5，6.

圖5 t1頻率分布統(tǒng)計圖

圖6 t2頻率分布統(tǒng)計圖

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)頻率相對較小的區(qū)間除去，則t1∈(0，240],累計占比為95.592%，t2∈(0，180]，累計占比為98.279%.

根據(jù)以上分析可以得出:當(dāng)進行瓦斯校驗時，瓦斯?jié)舛葟淖钚≈甸_始上升到最大值所用的時間t1大部分都在3 min內(nèi)。從最大值開始降低到環(huán)境平穩(wěn)值所用的時間t2一般來說比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 瓦斯傳感器校驗的診斷準(zhǔn)則

根據(jù)以上對瓦斯數(shù)據(jù)的最值、極差、上升速率和時間的特征分析，可以確定部分瓦斯傳感器校驗時的診斷準(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發(fā)生也有可能同時發(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)”通俗來說就是指瓦斯傳感器受到脈沖信號的干擾，導(dǎo)致瓦斯監(jiān)測數(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)”的特點一般有：1) 高值持續(xù)時間較短。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)這些特點本文將從最大值、上升速率和持續(xù)時間這3個方面特征進行分析。

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)進行分析。

表1 瓦斯傳感器故障的數(shù)據(jù)最大值統(tǒng)計表

由表1可知，在20組數(shù)據(jù)中，最大值超過3%的數(shù)據(jù)占比達70%，最大值超過2.5%的數(shù)據(jù)占比高達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)對以上20組瓦斯傳感器異常數(shù)據(jù)的上升速率(表2)進行分析處理。

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，瓦斯?jié)舛鹊纳仙俾室话愫芸?，沿用在分析瓦斯校驗?shù)據(jù)時間特征分析的指標(biāo)t1(瓦斯?jié)舛葟淖钚≈甸_始上升到最大值所用的時間)和t2(從最大值開始降低到環(huán)境平穩(wěn)值所用的時間)，對上述20組瓦斯數(shù)據(jù)“冒大數(shù)”(表3，表4)的情況進行分析。

表3 瓦斯傳感器故障時的t1頻率統(tǒng)計表

表4 瓦斯傳感器故障時的t2頻率統(tǒng)計表

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)值所用的時間都很短，與瓦斯校驗時所用的時間相比短了很多。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)測到的瓦斯?jié)舛瘸霈F(xiàn)負(fù)值時說明瓦斯傳感器出現(xiàn)故障，需要立即檢修，但在實際情況下，很多時候瓦斯傳感器發(fā)生故障會導(dǎo)致監(jiān)測到的瓦斯數(shù)據(jù)同時出現(xiàn)負(fù)值和“冒大數(shù)”現(xiàn)象，瓦斯?jié)舛葧呢?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，并且速率非?？欤催@個過程所用時間非常短，所以本節(jié)將會從時間特征對該情況進行具體分析。

以下討論僅針對由瓦斯傳感器故障導(dǎo)致監(jiān)測數(shù)據(jù)同時出現(xiàn)負(fù)值和“冒大數(shù)”的情況。令瓦斯?jié)舛韧ㄟ^“冒大數(shù)”達到最大值的時間點為tmax,瓦斯?jié)舛瘸霈F(xiàn)負(fù)值的時間點為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)進行分析,見表5.

表5 瓦斯傳感器故障時的Δt頻率統(tǒng)計表

根據(jù)表5可知，在瓦斯傳感器故障導(dǎo)致監(jiān)測數(shù)據(jù)同時出現(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警的瓦斯?jié)舛乳撝凳?%，當(dāng)瓦斯?jié)舛瘸^1%就會發(fā)出報警。所以需要將瓦斯?jié)舛瘸霈F(xiàn)負(fù)值時的情況進行分類討論：第一種是瓦斯?jié)舛瘸霈F(xiàn)負(fù)值且最大值未達到報警濃度；第二種是瓦斯?jié)舛瘸霈F(xiàn)負(fù)值且最大值達到報警濃度。根據(jù)以上對瓦斯數(shù)據(jù)的最值、上升速率和時間的特征分析，可以確定部分瓦斯傳感器故障時的診斷準(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

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)警閾值對瓦斯異常進行預(yù)警，并且對瓦斯監(jiān)測數(shù)據(jù)偽異常和真異常進行無差別預(yù)警。針對此問題，本文對偽異常中瓦斯校驗和瓦斯傳感器故障這兩大類進行研究，通過對大量的真實瓦斯異常數(shù)據(jù)進行分析，結(jié)合最值、極差、上升速率和時間特征提出了針對這兩種偽異常的診斷準(zhǔn)則，但本文只采集了兩個煤礦的瓦斯數(shù)據(jù)，因此統(tǒng)計數(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。