用户名: 密码: 验证码:
煤与瓦斯突出判识及灾害气体运移规律研究
详细信息    本馆镜像全文|  推荐本文 |  |   获取CNKI官网全文
摘要
我国煤矿发生特别重大事故中,绝大多数是瓦斯爆炸事故,且不少重特大瓦斯爆炸事故都是由局部瓦斯事故在一定时间后引发瓦斯爆炸而形成的。本文针对这一情况,基于人工神经网络建立了瓦斯涌出异常类型识别模型,采用多传感器联合判识方法实现了突出地点判识和灾变影响范围解算;对灾害气体在通风系统中扩散运移规律及非稳态下通风网络仿真进行了研究,并将二者进行结合,建立了非稳态条件下风网及瓦斯分布解算模型;开发了一套矿井煤与瓦斯突出在线判识及应急辅助决策软件,能快速识别并判断瓦斯涌出异常事件发生地点、类型,自动分析、预测灾害气体波及范围,并提供应急辅助决策建议,实现了在线预警和可视化显示,可为灾变时期应急提供科学、快捷的辅助决策手段,具有创新性。
     论文取得的主要研究成果如下:
     ①对各类瓦斯异常涌出特征进行分析,并从浓度曲线峰值、浓度上升阶段变化、浓度衰减阶段变化及瓦斯异常涌出持续时间,对各类瓦斯异常涌出进行了对比,得出了各类瓦斯涌出异常浓度曲线特征。
     ②利用人工神经网络理论,建立了以浓度峰值、上升速度(%/min)、衰减速度(%/min)、衰减时是否有负指数特征作为判识指标的瓦斯涌出异常类型判识模型。
     ③采用多传感器联合判识方法,实现了煤与瓦斯突出地点、事故扩散范围判识与计算。
     ④将非稳态条件下通风网络解算模型和一维纵向移流扩散有限差分模型进行结合,建立了统一的计算模型,实现了煤与瓦斯突出过程中灾害气体运移情况动态仿真。
     ⑤利用图论相关理论,建立了灾变已波及范围和将波及范围计算方法;给出了基于波及范围判定的自动断电策略和人员伤亡评估方法。
     ⑥开发了一套矿井煤与瓦斯突出在线判识及应急辅助决策软件,能快速识别并判断瓦斯涌出异常事件发生地点、类型,自动分析、预测灾害气体波及范围,实现了在线预警和可视化显示,为矿井发生煤与瓦斯突出灾变后应急提供科学、快捷的辅助决策手段。
Major accidents in coal mines in China are caused mostly by gas explosion, among which a number of serious ones result from local gas accidents after a certain amount of time. Under this situation,abnormal gas emission type recognition model has been established based on artificial neural network, while using multiple sensors to identify jointly,thus emission locations can be identified,and disaster effect range can be resolved; The diffusion and migration law of disaster gases in ventilation system and ventilation network simulation under unsteady condition has also been researched, through combination of which, solution model for ventilation network and gas distribution under unsteady condition has been established;In this way, a set of software on online identification of coal and gas emission and decision support under emergency has been developed, which can recognize and judge fastly the location and type of abnormal gas emission, analyze and forecast automatically the spread range of disaster gases, With the aid of advice and recommendation for decision support under emergency, online warning and visual of display can be implemented, providing a scientific and fast method for decision support under period of disaster emergency which has great innovation.
     Main researches are achieved in this essay as follows:
     ①to analyze characteristics of various abnormal gas emission,comparing with peak values on the concentration curve, changes of concentration increased stage and concentration decay stage, duration of abnormal gas emission,thus to come up with features of curves for abnormal gas emission concentration.
     ②using the theory of artificial neural network,to establish an identification model for abnormal gas emission with indications of peak value of concentration, ascent speed(%/min), decaying speed(%/min), whether there are negative indexes character while decaying.
     ③adopting multiple sensors identification methods,to realize the identification and calculation for locations of coal and gas outburst, accident spread range.
     ④combining ventilation network calculation model under unsteady conditions and finite - difference model of one dimensional vertical flow and migration, to establish a uniform calculation model, realizing dynamic simulation of disastrous gas migration in coal and gas outburst process.
     ⑤using graph theory, to establish calculation method for ranges of catastrophic gases spread and to be spread, thus to develop an automatic power shutoff policy and casualty assessment method based on identification of spread ranges.
     ⑥develope a set of software on online identification of coal and gas emission and decision support under emergency, thus to recognize and judge fastly the location and type of abnormal gas emission, analyze and forecast automatically the spread range of disaster gases,realizing online early warning and visual display, and providing a scientific and fast method for decision support under period of disaster emergency which has great innovation
引文
[1]胡社荣,刘海荣.中国煤矿超大死亡事故及其原因雏析[J].中国矿业,2009,18(5):99-103.
    [2]吴祥,程远平,周红星等.大平煤矿重特大瓦斯事故关键链分析及对策研究[J].煤炭技术,2010,29(4):83-86.
    [3]刘金城,郭德勇,邹山旺.大平煤矿瓦斯爆炸事故原因分析及对策[J].矿业安全与环保,2006,33(2):23-25.
    [4]文一.孙家湾煤矿“2.14”特大瓦斯爆炸——事故调查专题报道[J].安全与健康,2005,(11):4-8.
    [5]王宝兴,经建生,李晨等.鹤岗新兴煤矿瓦斯爆炸的几个疑点与矿难主要原因[J].消防科学与技术,2010,29(4):338-340.
    [6]曾宇航.我国煤矿安全监控系统研究综述[J].软件导刊,2010, 9(7):140-142.
    [7] Mine Safety and Health Administration of United States.Mine data retrieval system as developed by PEIR[DB/OL]. http://www.msha.gov/drs/drshome.htm,2009-11-2.
    [8]刘建军,梁冰,章梦涛.煤和瓦斯突出过程中瓦斯作用机理的研究[J].中国安全科学学报,2000,10(3):63-66.
    [9]马中飞,俞启香.煤与瓦斯承压散体失控突出机理的初步研究[J].煤炭学报,2006,31(3):329-333.
    [10]王凯,俞启香.煤与瓦斯突出的非线性特征及预测模型[M].徐州:中国矿业大学出版社, 2005.
    [11]张我华,金荑,陈云敏.煤/瓦斯突出过程中的能量释放机理[J].岩石力学与工程学报, 2000, 19(增): 829-835.
    [12] Valliappan S, Zhang Wohua. Numerical modelling of methane gas migration in dry coal seam[J]. Int. J. for Num. and Analy. Meth. in Geomechanics, 1996, 20(6): 571-593.
    [13] Valliappan S, Zhang Wohua. Role of methane gas emission in coal outbursts[C]. In: Marinos, Koukis, Tslamnaos and Stournaras ed. Int. Proc. of Symp. of IAEG-Athens 97,Engineering Geology and the Environment, Athens, Greece:Balkema Rotterdam, 1997, 2549-2554.
    [14]吕绍林,何继善.关键层-应力墙瓦斯突出机理[J].重庆大学学报(自然科学版),1999,22(6):80-84.
    [15]罗新荣,夏宁宁等.掘进煤巷应力仿真和延时煤与瓦斯突出机理研究[J].中国矿业大学学报,2006,35(5):571-575.
    [16]张九零,张云鹏.利用球壳失稳理论确定煤与瓦斯突出瓦斯压力临界值[J].河北理工学院学报,2005,5(2):1-3.
    [17]陈忠海.煤与瓦斯突出的流变机理[J].煤炭技术,2005,24(12):48-30.
    [18]张我华.煤/瓦斯突出过程中煤介质局部化破坏的损伤机理[J].岩土工程学报,1999,21(6):731-736.
    [19]王恩义.煤与瓦斯突出机理研究[J].焦作工学院学报(自然科学版),2004,23(11):419-422.
    [20]刘保县,鲜学福等.煤与瓦斯延期突出机理及其预测预报的研究[J].岩石力学与工程学报,2002,21(5):647-650.
    [21]郭德勇,韩德馨.煤与瓦斯突出粘滑机理研究[J].煤炭学报,2003,28(6):598-602.
    [22]王继仁,邓存宝等.煤与瓦斯突出微观机理研究[J].煤炭学报,2008,33(2):131-135.
    [23]漆旺生,凌标灿,蔡嗣经.煤与瓦斯突出预测研究动态及展望[J].中国安全科学学报,2003,13(12):1-4.
    [24]王恩元,何学秋.电磁辐射法预测煤与瓦斯突出原理[J].中国矿业大学学报,2000,29(3):225-229.
    [25]撒占友,何学秋,张永亮等.煤岩电磁辐射效应及其在煤与瓦斯突出预测中的应用[J].中国矿业,2006,15(1):48-51.
    [26]孙继平,李迎春.红外诊断技术在突出工作面预测中的应用[J].煤矿安全,2006,11:17-20.
    [27]孙艳玲,秦书玉.煤与瓦斯突出预报的模糊聚类关联分析法[J].辽宁工程技术大学学报,2003,22(4),292-293.
    [28]马恒,贾传荧.瑞利波预测煤与瓦斯突出[J].中国安全科学学报[J],2006,14(3):106-110.
    [29]秦汝祥,张国枢.瓦斯涌出异常预报煤与瓦斯突出[J].煤炭学报,2006,31(5):599-602.
    [30]于洪仕,付兴武.小波包变换在煤与瓦斯突出预测中的应用[J].黑龙江科技学院学报,2006,16(5):279-281.
    [31]肖红飞,何学秋.改进BP算法在煤与瓦斯突出预测中的应用[J].中国安全科学学报,2003,13(9):59-61.
    [32]刘建平.灰色系统理论在煤与瓦斯突出预测中的应用[J].焦作工学院学报,1994,2:85-89.
    [33]张克,汪云甲.基于贝叶斯网络的煤与瓦斯突出预测研究[J].计算机工程与应用, 2007,43(29):220-221.
    [34]杨凌霄,沈鹰.基于支持向量机的煤与瓦斯突出预测研究[J].河南理工大学学报,2006,25(5):348-350.
    [35]聂百胜.煤与瓦斯突出预测技术研究现状及发展趋势[J].中国安全科学学报,2003,13(6):40-43.
    [36] Yunxing Caoa,Alan Davis.The influence of tectonic deformation on some geochemical properties of coals—a possible indicator of outburst potential[J].International Journal of Coal Geology,2003,53(2):69-79.
    [37] Y. Fujii.Prediction of coal face rockbursts and microseismicity in deep longwall coalmining[J].International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences,1997,34(1):85-96.
    [38]郭德勇,王仪斌,卫修君等.基于地理信息系统和神经网络的煤与瓦斯突出预警[J].北京科技大学学报,2009,31(1):15-18.
    [39]黄旭超,孙东玲.我国煤矿煤与瓦斯突出现状及预警技术的研究[J].煤炭科学技术,2011,39(7):61-63.
    [40]刘程,赵旭生,李明建等.瓦斯灾害预警技术及计算机系统建设综合解决方案[J].矿业安全与环保,2009,36(S1):23-25.
    [41]刘程,赵旭生,谈国文等.煤与瓦斯突出综合预警技术实现原理及应用[J].煤矿安全,2010,(5):15-17.
    [42]刘明举,郝富昌,刘亮等. GIS技术在瓦斯区域预测中的应用[J].河南理工大学学报,2005,24(1):5-8. [43刘明举,郝富昌.基于GIS的瓦斯预测信息管理系统[J].煤田地质与勘探,2005,33(6):20-23.
    [44]张宏伟.地质动力区划方法在煤与瓦斯突出区域预测中的应用[J].岩石力学与工程学报,2003,22(4):621-624.
    [45]张宏伟,李胜,陈学华. GIS技术在瓦斯动力灾害预测中的应用[J].安全与环境学报,2002,2(1):44-45.
    [46]张宏伟,陈学华,王魁军.地层结构的应力分区与煤瓦斯突出预测分析[J].岩石力学与工程学报,2000,19(4):464-467.
    [47]郝宇.煤与瓦斯突出沿井巷传播规律研究[J].煤炭技术,2009,28(11):74-76.
    [48]秦长江.防止煤与瓦斯突出事故扩大的措施与途径[J].科技资讯,2007,(27):78-79.
    [49]程卫民,王刚,周刚等.煤与瓦斯突出后对防突风门破坏的数值模拟[J].重庆大学学报: 2009,32(3):314-318.
    [50]黄双杰,马心校,蔡樱等.突出瓦斯对通风系统影响的计算[J].矿业安全与环保,2000,27(2):16-18.
    [51]董钢锋,梁运培.突出煤瓦斯涌出规律及逆流形成条件分析[J].煤炭科技,2001,(4):46-48.
    [52]王文铎.大型煤与瓦斯突出对矿井通风系统冲击的分析[J].煤矿安全,1996,(7):14-17.
    [53]鲍尔巴特等.煤与瓦斯突出后的矿井通风,煤矿安全[J],1980,(4):47-48.
    [54] K?Noack.煤与沼气突出对矿井通风的影响,煤矿安全[J],1980,(4):44.
    [55]梁栋,王继仁,王树刚等,巷道风流中瓦斯逆流机理及其实验研究[J].煤炭学报,1998,23(5):476-479.
    [56]王恩元,梁栋,柏发松,巷道瓦斯运移机理及运移过程的研究[J].山西矿业学院学报,1996,14(2):130-135.
    [57]高建良,罗娣,巷道风流中瓦斯逆流现象的数值模拟[J].重庆大学学报,2009,32(3):319-323.
    [58]鹿广利,李崇山,辛嵩,集中有害气体在通风网路中传播规律的研究[J].山东科技大学学报(自然科学版),2000,19(2):120-122.
    [59]刘永立,傅贵,于鹏,矿井瓦斯爆炸毒害气体传播规律初步研究[J].煤矿安全,2008,(5):4-7.
    [60]刘永立,陈海波,矿井瓦斯爆炸毒害气体传播规律[J].煤炭学报,2009,34(6):788-791.
    [61]刘永立,陈海波.瓦斯爆炸毒害气体在矿井通风系统中传播规律研究[C]. 2008(沈阳)国际安全科学与技术学术研讨会, 2008.
    [62]贾智伟;景国勋;张强;瓦斯爆炸事故有毒气体扩散及危险区域分析[J].中国安全科学学报,2007,17(1):91-95.
    [63]魏引尚,常心坦.瓦斯在通风巷道中流动分布情况研究[J].西安科技大学学报,2005,25(3):271-253.
    [64]高运增,周心权,王润华.煤矿井下爆炸烟气动态稀释规律研究[J].矿业安全与环保,2006,33(2):4-9.
    [65]王树刚,刘剑,周西华.金川公司二矿区通风系统风流非定常流动规律研究[J].中国安全科学学报,2001,11(6):73-77.
    [66]王树刚,王继仁等.矿内空气非定常流动规律研究[J].辽宁工程技术大学学报,1998,17(4):337-342
    [67]魏建平,何学秋,王恩元.矿井通风网络非稳定流动数值解收敛性分析[J].中国矿业大学学报,2004,33(3):295-297.
    [68]张兴凯,王振财,姚尔义.矿井火灾时期风流非稳定状态的通风原理[J].煤矿安全,1993,(6):35-40.
    [69]常心坦.矿井火灾通风的模拟计算[J].煤矿安全,1991,(4):22-29.
    [70]胡千庭.煤与瓦斯突的力学作用理及应用研究[D].北京:中国矿业大学(北京),2007.
    [71] H.F雅纳斯.煤样瓦斯解吸过程[J].煤炭工程师,1992(2):11-12..
    [72] Sharpalani,Souyang.A new laboratory technique etoestimate gas diffusion characteristics of coal[C].USA:International Coal Bed Methane Symposium,1999.142-143.
    [73]蒋宗礼.人工神经网络导论[M].北京:高等教育出版社,2008:7-10.
    [74]高隽.人工神经网络原理及仿真实例[M].北京:机械工业出版社,2007.
    [75] Sanpal, liuxinfei_cuc.人工神经网络[EB/OL]. http://baike.baidu.com/view/19743.htm, 2011.9.
    [76]韩力群.人工神经网络理论、设计及应用[M].北京:化学工业出版社,2007.
    [77] Robert Taylor Clemen,Terence Reilly. Making hard decisions with DecisionTools [M].USA: Duxbury/Thomson Learning, 2001.
    [78]王海宁.矿井风流流动与控制[M].北京:冶金工业出版社,2007.
    [79]卢义玉,王克全,李晓红.矿井通风与安全[M].重庆:重庆大学出版社,2006.
    [80]胡汉华.矿井通风系统设计[M].北京:化学工业出版社,2010.
    [81]赵宗升.环境流体力学[M].北京:北京大学出版社,2009.
    [82]余常昭.环境流体力学导论[M].北京:清华大学出版社,1992.
    [83]王英敬.矿内空气动力学与矿井通风系统[M].北京:冶金工业出版社,1994..
    [84] John D.Anderson.JR.计算流体力学入门[M].北京:清华大学出版社,2010
    [85] John D.Anderson.JR.计算流体力学基础及其应用[M].北京:机械工业出版社,2007.
    [86]林建忠,阮晓东,陈邦国等.流体力学[M].北京:清华大学出版社,2005.
    [87]于勇. FLUENT入门与进阶教程[M].北京:北京理工大学出版社,2008.
    [88]王福军.计算流体动力学分析:CFD软件原理与应用[M].北京:清华大学出版社,2004.
    [89]张凯,王瑞金,王刚. Fluent技术基础与应用实例[M].北京:清华大学出版社,2010.
    [90]周俊杰,徐国权,张华俊.FLUENT工程技术与实例分析[M].北京:中国水利水电出版社,2010.
    [91]庄礼贤,尹协远,马晖扬.流体力学[M].北京:中国科学技术大学出版社,2009.
    [92] E·约翰芬纳莫尔,约瑟夫B·弗朗兹尼.流体力学及其工程应用[M].北京:机械工业出版社,2009.
    [93]李进良,李承曦,胡仁喜.精通FLUENT6.3流场分析[M].北京:化学工业出版社,2009.
    [94]王从陆,吴超.矿井通风及其系统可靠性[M].北京:化学工业出版社,2007.
    [95]阳昌明.矿井通风网路的风流状态与控制[M].北京:煤炭工业出版社,1982.
    [96]周心权,吴兵.矿井火灾救灾理论与实践[M].北京:煤炭工业出版社,1996.
    [97]秋元德三,支培法等译.水击与压力脉动[M].北京:电力工业出版社,1981.
    [98]王树刚,刘宝勇,刘贵文.矿内空气非定常流动能量方程及在测阻中的应用[J].矿业安全与环保,2001,28(1):28-30.
    [99]王树刚,刘宝勇,刘淑.矿内空气非定常流动数值模拟分析[J].辽宁工程技术大学学报,2000,19(5):449-453.
    [100]李恩良.井巷紊流传质过程的纵向弥散模型及纵向弥散系数[J].阜新矿业学院学报,1989,8(3):65-69.
    [110]李恩良,王秉权,王振诚.井巷紊流扩散与弥散的实验研究[J].东北工学院学报,1986,(47):38-43.
    [111]李恩良,王秉权.井巷污染物横向紊流扩散系数的研究[J].东北工学院学报,1986,(46):91-96.
    [112]李恩良,王秉权.紊流扩散理论在井巷传质中的应用[J].煤炭学报,1988,(1):65-75.
    [113]胡卫民,魏建平,刘明举.非稳态下井巷瓦斯浓度弥散模型及其求解[J].焦作工学院学报,1996,15(5):3-8.
    [114]陈阳,施介宽,陈亮.一维非稳态河流水质模型的一种数值解法[J].辽宁城乡环境科技, 1998,(06):13-16.
    [115]何丕文.有限差分法在河流水质预测中的应用[J].长江大学学报,2006,3(1):38-39.
    [116]韩培友. IDL可视化分析与应用[M].西安:西北工业大学出版社,2006.
    [117]闫殿武. IDL可视化工具入门与提高[M].北京:机械工业出版社,2003.
    [118] Kenneth P.Bowman. An Introduction to Computer Programming Using Interactive Data Language(IDL)[M].USA: Department of Atmospheric Sciences Texas A&M University, 2004.
    [119] Liam E. Gumley. Practical IDL Programming[M].USA: Morgan Kaufmann ,2001.
    [121] David W. Fanning. IDL Programming Techniques [M].USA: Fanning Software Consulting, 2000.
    [122]李昂,陈强.基于IDL试验数据分析软件系统的设计与实现[J].上海工程技术大学学报,2010,25(1):36-40.
    [123]朱应飞,肖炳甲,罗家融.基于VC与IDL混合编程的数据可视化系统[J].微计算机信息,2011,27(7):6-7.
    [124]赵洁,奚砚涛,赵冉.基于IDL的地层三维可视化[J].地理空间信息,2010,8(2):121-123.
    [125]曾小健.基于IDL的数值模拟在评价水污染扩散中的应用[J].咸宁学院学报,2009,29(3):25-28.
    [126]黄长军,胡丽敏,周新地等. IDL与Matlab的比较分析[J].重庆科技学院学报,2008,10(3):140-143.
    [127]周翀,王汉东,郑力利. IDL在安全监测数据可视化中的应用[J].中国水利,2007,(23):55-56.
    [128]王树禾.图论[M].北京:科学出版社,2009.
    [129]王桂平,王衍,任嘉辰.图论算法理论、实现及应用[M].北京:北京大学出版社,2011.
    [130] Kang-tsungChang.地理信息系统导论[M].北京:清华大学出版社,2009.
    [131]韩鹏,王泉,王鹏等.地理信息系统开发[M].武汉:武汉大学出版社,2008.
    [132]邬伦,刘瑜.地理信息系统:原理方法和应用[M].北京:科学出版社,2005.
    [133]刘惠德,崔希民,张新.基于GIS的煤矿通风网络表达[J].煤矿安全,2001,(8):43-45.
    [134]吴卫斌.可视化矿井通风管理系统的开发与应用[D].北京:北京科技大学,2002.
    [135]杨运良,王振江,程磊等.基于GIS的矿井通风信息系统开发研究[J].矿业安全与环保,2007,34(4):35-36.
    [136]齐敏菊,高光发.组件式通风地理信息系统(GIS)的应用研究[J].中国安全科学学报,2008,18(10):116-119.
    [137]秦跃平,王林,程耀等.基于GIS的通风安全信息系统研究[J].中围矿业,2003,12(11):56-58.
    [138]刘晓宇.基于ArcView GIS的安林煤矿安全信息管理系统的开发[D].北京:中国地质大学,2005.
    [139]杨可明,吴立新,陈书琳等.煤矿矿图的GIS管理、更新与共享[J].地理与地理信息科学,2003,19(2):42-43,51.
    [140]刘明举,郝富昌.基于GIS的瓦斯预测信息管理系统[J].煤田地质与勘探,2005,33(6):20-23.
    [141]郝富昌,郝天轩,刘明举等.基于WebGIS的瓦斯预测信息管理系统[J].煤矿安全,2006,(3):23-25.
    [142]戚正伟,付国庆,蔡松露.嵌入式GIS开发及应用[M].北京:清华大学出版社,2009.
    [143]柳锦宝,张子民,张永福.组件式GIS开发技术与案例教程[M].北京:清华大学出版社,2010.
    [144]高慧卿,樊兰瑛. GIS应用系统开发模式探讨[J].山西农业科学2010,38(8):102-105.
    [145] John sharp.Visual C#2008从入门到精通[M].北京:清华大学出版社,2009.
    [146] Christian Nagel,Bill Evjen,Jay Glynn等.C#高级编程[M].北京:清华大学出版社,2010.
    [147]梁冰,吕双.C#程序开发范例宝典[M].北京:人民邮电出版社,2009.
    [148]吴秀芹,张洪岩.ArcGIS 9地理信息系统应用与实践[M].北京:清华大学出版社,2007.
    [149] Michael Kennedy,Michael F.Goodchild. ArcGIS地理信息系统基础与实训[M].北京:清华大学出版社,2010.
    [150]傅仲良. ArcObjects二次开发教程[M].武汉:中国测绘出版社,2008.
    [151]邱洪钢,张青莲,陆绍强. ArcGIS Engine开发从入门到精通[M].北京:人民邮电出版社,2010.
    [152]蒋波涛.插件式GIS应用框架的设计与实现:基于C#和ArcGIS Engine9.2[M].北京:电子工业出版社,2008.

© 2004-2018 中国地质图书馆版权所有 京ICP备05064691号 京公网安备11010802017129号

地址:北京市海淀区学院路29号 邮编:100083

电话:办公室:(+86 10)66554848;文献借阅、咨询服务、科技查新:66554700