基于小波分析与ARMA组合模型的矿压显现预报研究.pdf

论文题目基于小波分析与 ARMA 组合模型的矿压显现预报研究 1 专 业管理科学与工程 硕 士 生靳甜甜徐一帆 （签名） 指导教师张金锁锁 （签名） 摘要 煤矿生产中， 矿山压力周期性地作用于回采工作面， 对煤矿安全生产造成一定影响， 并有可能引发煤矿事故。为此，回采工作面来压显现及其强度预测研究对促进煤矿安全 生产具有重要理论与现实意义。 本文在分析国内外相关研究综述基础上，通过文献分析、理论分析与实地调研，综 合运用矿压显现理论、统计分析、小波分析、时间序列分析、定性与定量分析相结合的 研究方法对矿压显现预报进行系统研究，主要工作和结论如下 （1）分析了矿压显现预报研究现状，针对目前以矿压理论为基础的力学方法应用 最为广泛、概率统计方法也在来压判据、动载系数等方面有所应用的现状，本文采用研 究非线性问题的新兴智能技术方法，目前该方法在矿压显现预报方面应用较少。 （2）以南梁 20307 工作面煤层为实例，根据数据统计结果，得出如下结论该工 作面周期来压判据为24.4MPa； 直接顶来压强度为24.86MPa； 直接顶来压步距为10.36m； 工作面老顶初次来压强度为31.68MPa； 老顶周期来压步距为22.5m， 来压强度为37.1MPa。 （3）在分析顶板来压影响因素基础上，构建了小波去噪与 ARMA 的组合模型以及 Mallat 算法与 ARMA 的组合模型， 分析了这两种组合模型在矿压显现预报中的可行性。 （4）将提出的两种组合模型运用于陕北某煤矿工作面，通过模型误差分析得出 在矿压显现预报中，组合模型要优于单个 ARMA 模型，两种组合模型皆能较为准确的 预测支架阻力值与周期来压步距、持续推进距离。并且， Mallat 算法与 ARMA 组合模 型误差更低，更能满足安全生产需要。同时，在顶板压力及步距预测中，各影响因素提 取相比去噪对预测结果的精度影响更大， 在此类研究中， 应充分考虑各影响因素的作用， 次之是噪声信号的作用。 本文的研究成果对工作面矿压显现规律以及周期来压预报研究具有一定的参考价 值，并为矿压显现预报提供了一种可以借鉴的新方法。 关 键 词小波分析；ARMA 建模；矿压显现；预报 研究类型应用型研究 1 本文获国家自然科学基金项目“不确定条件下我国重要能源供给安全管理的理论与政策研究（71273206）”资助。 万方数据 万方数据 Subject Mine Pressure Prediction Study Based on Wavelet Analysis and ARMA Combination Model Specialty Management Science and Technology Name Jin Tiantian （（Signature）） Instructor Zhang Jinsuo （（Signature）） ABSTRACT Mine pressure acts on the mining face periodically during the coal production, which impacts on coal mine production safety and even leads to mine accidents. Thus, the study on the pressure behavior and its intensity of the mining face has important theoretical and practical significance to the safety production in the coal mining process. This paper reviewed the relevant research both home and abroad, conducting a systematic study on the underground pressure forecasts through literature analysis, theoretical analysis and field research and comprehensive usage of mine pressure behavior theory, statistical analysis, wavelet analysis, time series analysis, qualitative and quantitative analysis. The main work and conclusions are as follows 1 This paper analyzes the study status on the mine pressure behavior prediction, the conclusions are The mechanical based on the mine pressure theory is the most widely used; The probabilistic s are also used in pressure criterion and dynamic load factor; The newly emerging smart technology s aiming at nonlinear issues in mine pressure behavior forecasting are seldom used 2 The paper takes 20307 Coal Seam of Nan Liang Coal Enterprise as an example, according to the statistical results, the paper gets the following conclusions The periodic weighting criterion for 20307 Coal Seam is 24.4MPa; The pressure intensity of the immediate roof is 24.86MPa; The pressure step of the immediate roof is 10.36m; The initial pressure intensity of the main roof is 31.68MPa; The periodic pressure step of the main roof is 22.5m and the pressure intensity is 37.1MPa. 3 The paper builds the Wavelet Denoising and ARMA Combined Model, as well as Mallat Algorithm and ARMA Combined Model according to the analysis of the roof weighting factors. Then the paper further discusses the feasibility of the two proposed combined models in the mine pressure behavior prediction. 4 The paper applies the two proposed combination models in a mine in northern 万方数据 Shaanxi and gets the following results according to the model error analysis The combination model is better than the single model. Both of the two Combined Models have encountered relatively accurate predictions of bracket resistance, periodic weighting step distance and the promote distance. And, Mallat algorithm and ARMA Combined Model has a relatively higher accurecy than the other Combined Model according to the error analysis, which can better meet the security needs of the production. Meanwhile, extracting each factor has a further influence on the accuracy of the roof pressure and the promote distance prediction than de-noising. Thus, extracting various factors should be firstly considered in such studies, followed by is the noise signal . The results of this study can offer some reference value for grasping the Mine pressure rule and Periodical Pressure Forecast Research, providing a reference for mine pressure behavior prediction. Key wordsWavelet Analysis; ARMA Modeling; Mine Pressure Behavior;Prediction Thesis Applied Research 万方数据 目录 I 目录 1 绪论 ........................................................................................................................................ 1 1.1 选题背景及研究意义 ................................................................................................... 1 1.1.1 选题背景 ............................................................................................................ 1 1.1.2 研究意义 ............................................................................................................ 2 1.2 研究方法、研究内容与章节安排 ............................................................................... 2 1.2.1 研究方法 ............................................................................................................ 2 1.2.2 研究内容 ............................................................................................................ 3 1.2.3 章节安排 ............................................................................................................ 3 2 研究综述 ................................................................................................................................ 6 2.1 小波分析 ....................................................................................................................... 6 2.1.1 小波发展综述 .................................................................................................... 6 2.1.2 小波分析的应用现状 ........................................................................................ 7 2.2 自回归移动平均（ARMA）模型 ............................................................................... 8 2.2.1 时间序列发展综述 ............................................................................................ 8 2.2.2 ARMA 模型应用现状 ...................................................................................... 10 2.3 矿压显现研究综述 ..................................................................................................... 11 2.3.1 采场矿压显现的一般规律 .............................................................................. 11 2.3.2 矿压显现预报研究现状 .................................................................................. 12 2.4 研究述评 ..................................................................................................................... 14 3 基于概率统计的矿压显现规律分析 .................................................................................. 16 3.1 回采工作面概况 ........................................................................................................ 16 3.2 矿压观测方案及测点布置 ........................................................................................ 17 3.2.1 测站布置 .......................................................................................................... 17 3.2.2 观测方案 .......................................................................................................... 18 3.3 20307 工作面矿压观测统计结果分析 ...................................................................... 18 3.3.1 综采工作面周期来压判据 .............................................................................. 18 3.3.2 工作面直接顶运动规律分析 .......................................................................... 23 3.3.3 工作面老顶运动规律分析 .............................................................................. 24 3.4 本章小结 .................................................................................................................... 26 4 周期来压预报的组合模型构建 .......................................................................................... 28 4.1 组合模型在周期来压预报中的适应性分析 ............................................................ 28 4.1.1 顶板来压影响因素分析 .................................................................................. 28 万方数据 西安科技大学硕士学位论文 II 4.1.2 研究思路及模型适应性分析 .......................................................................... 28 4.2 小波除噪与 ARMA 组合模型构建 .......................................................................... 30 4.2.1 小波去噪 .......................................................................................................... 30 4.2.2 小波去噪过程 .................................................................................................. 30 4.2.3 ARMA 模型 ...................................................................................................... 30 4.2.4 ARMA 模型建模过程 ...................................................................................... 31 4.2.5 小波除噪与 ARMA 组合模型 ........................................................................ 32 4.3 Mallat 算法与 ARMA 组合模型构建 ....................................................................... 33 4.3.1 Mallat 算法原理及步骤 ................................................................................... 33 4.3.1 Mallat 算法与 ARMA 组合模型 ..................................................................... 36 4.4 模型评价方法 ............................................................................................................ 36 4.5 本章小结 .................................................................................................................... 37 5 组合模型在周期来压预报中的实例应用 .......................................................................... 39 5.1 数据选取说明 ............................................................................................................ 39 5.2 小波除噪与 ARMA 组合模型在周期来压预报中的实例应用 .............................. 40 5.2.1 原始矿压数据小波去噪 .................................................................................. 40 5.2.2 除噪矿压数据 ARMA 建模 ............................................................................ 42 5.3 Mallat 算法与 ARMA 组合模型在周期来压预报中的实例应用 ........................... 46 5.3.1 Mallat 算法数据分解与尺度还原 ................................................................... 47 5.3.2 各子序列 ARMA 建模 .................................................................................... 48 5.3.3 各子序列预测值重构 ...................................................................................... 56 5.4 组合模型在矿压显现预报中的应用效果评价 ........................................................ 57 5.5 本章小结 ..................................................................................................................... 58 6 结论与展望 ........................................................................................................................... 60 6.1 研究结论 .................................................................................................................... 60 6.2 研究展望 .................................................................................................................... 61 致谢 .......................................................................................................................................... 63 参考文献 .................................................................................................................................. 64 附录 .......................................................................................................................................... 69 附录一 在校期间发表论文及参与项目情况 ................................................................. 69 附录二 本文搜集数据 ..................................................................................................... 70 附录三 本文核心 Matlab 程序 ........................................................................................ 75 万方数据 1 绪论 1 1 绪论 1.1 选题背景及研究意义 1.1.1 选题背景 能源为我国国民经济的发展提供了强有力的物质基础，我国能源结构主要是以煤、 油、天然气主。然而长期以来，煤炭在能源生产和消费中所占的比例居高不下，一度达 到了 60以上。虽然近年来我国能源结构步入调整期，但受自然资源条件限制，我国在 今后很长时间内能源消费还将以煤炭为主，这种能源格局短期内不会有大的变化。根据 国家计委的研究预测，2015 年，煤炭在全国能源消费总量的比例至少达到 55﹪，直至 2050 年该比例也不会低于 50﹪[1]。 煤炭仍将作为我国能源工业的主力军， 为我国社会主 义现代化进程提供一定的能源保障。 在煤矿生产，尤其是陕北榆林地区低瓦斯、浅埋煤层生产中，矿山压力周期性地作 用于回采工作面，不同程度的矿压显现对煤矿安全生产造成一定影响，并有可能引发煤 矿顶板事故。低瓦斯、浅埋煤层的矿井顶板事故是煤炭事故中发生频率最高，同时也是 伤亡人数最多的安全事故。据统计，顶板事故约占到煤矿伤亡事故的 40-50，高频率 顶板事故的发生不仅给国家带来巨大的经济损失，而且还对矿工生命安全造成极大的威 胁。究其原因，很大程度上是由于对矿压显现规律掌握不充分造成的。因此，在分析回 采工作面顶板来压影响因素的基础上掌握矿山压力显现规律，对回采工作面来压步距及 其强度进行科学预测，能为煤矿生产规避一定的风险，提高该行业的安全性，从而保证 生产安全，达到高产、高效的目的。 目前，我国在矿压显现预报领域已经有了相当深入的研究，从方法学观点来看，矿 压显现预报研究中目前所应用方法可分为三大类[2]，第一大类是基于概率统计与模糊数 学等的数学方法；第二大类是力学方法，它从矿压基本理论与围岩理论研究为出发点， 利用物理学中基础力学知识来构建顶板岩层结构模型，以此考虑来压影响因素并揭示矿 压显现规律[3]；第三大类是最新近发展起来的研究非线性复杂系统的一些方法，该方法 是系统科学与智能技术方法的结合[4]。其中，以矿压理论研究为基础的物理学中基础力 学方法得到了最广泛的应用，概率统计方法也在支架阻力统计、周期来压判据、动载系 数、直接顶垮落强度、步距，老顶垮落步距、强度等方面有所应用，而矿压显现本来就 是一个非线性复杂问题，研究非线性问题的新兴智能技术方法等在矿压显现预报中应用 较少。因而，以研究非线性问题的新兴技术为工具研究矿压显现预报也成为矿压显现规 律研究领域近年来的研究热点，本文针对以上情况，结合概率统计及研究非线性问题的 万方数据 西安科技大学硕士学位论文 2 新兴智能技术开展矿压显现预报研究。 1.1.2 研究意义 在分析回采工作面来压影响因素的基础上掌握矿山压力显现规律，对回采工作面来 压步距及其强度进行科学预测，能为煤矿生产规避一定的风险。 （1）理论意义 矿压显现是一个复杂的非线性问题，综采工作面处于地下，矿压显现受到地下水、 气温、 构造应力等地理因素的影响， 并且地下岩石的岩性也随着时间在不断变化。 其次， 矿山压力与顶板重量、厚度以及煤层厚度、直接顶、老顶离层有着密切的联系。可以预 见，矿压显现预报研究建立在复杂非线性问题、力学问题、统计概率问题等基础上，这 必然涉及到多模型、多方法的相交叉，该研究一定程度上能丰富矿压显现预测的理论与 技术。 （2）现实意义 首先，该研究对工作面的回采具有指导与借鉴意义。掌握矿压显现的一般规律，压 力的变化特征， 得出该工作面周期来压强度、 跨落步距等等， 可以根据工作面地质情况， 推广到相似地质条件、挖掘技术的工作面中，对类似工作面回采予以指导。 其次，该研究可为安全生产规避一定风险。企业可以根据对回采工作面来压及其强 度的预报预测而采取相应的安全保障措施，防患于未然，从而保证安全生产，达到高产 高效的目的。 最后，该研究在一定程度上可为煤矿企业减少一些不必要的经济损失。大的来压往 往造成井下人员伤亡或设备、装置的巨大破坏。给企业带来不小的经计损失。因此，矿 压显现预报可对生产活动进行控制和调整，在一定程度上避免企业经济损失。 1.2 研究方法、研究内容与章节安排 1.2.1 研究方法 本论文采用的研究方法主要有 （1）理论分析 矿压显现预报研究必然离不开矿压一般规律与围岩基本理论的指导。比如，在矿压 显现一般规律中直接顶初次跨落步距、老顶初次来压以及周期来压等等。要掌握矿压 规律，进而对其进行显现预报，就必须将基础的理论指导应用到该研究中。再者，对矿 压数据的建模，先要根据基础围岩理论分析矿压的影响因素，其次建模模型的选取也要 以一定的理论作为支撑，才能建立有效可取的模型，以保证预报的准确性。 （2）统计分析方法 万方数据 1 绪论 3 为掌握综采工作面矿压显现规律，为工作面顶板管理提供一定的科学依据，则需要 对整个回采过程进行连续矿压统计观测。而周期来压判据、周期来压强度等矿压显现参 数的具体值要对矿压观测结果进行统计分析得出。因此本文采取统计分析的方法，对观 测到的矿压信息进行统计分析再结合实际生产中的情况给出矿压显现的一些参数参考， 如来压步距、来压强度等等。 （3）数学建模与实例应用相结合 本文采用数学建模的方法，对支架阻力历史数据进行建模模拟，并据此对矿压来压 信息进行预测，结合矿压显现一般理论，并在对周期来压及周期来压步距进行统计分析 的同时再对支架压力进行合理预测。最后再将预测值与历史数据及记录相对比，运用数 学领域误差评价方法对所建预测模型进行评价，对模型的实用性进行分析。 1.2.2 研究内容 本文围绕矿压显现规律及预报而展开，主要研究内容可以归纳为以下几部分 （1）根据矿压显现一般规律，通过理论指导对直接顶初次垮落强度、初次跨落步 距、老顶初次来压、周期来压等信息进行统计及规律分析。 （2）分析顶板来压影响因素，根据顶板来压特征与收集数据特征，研究适用于顶 板周期来压预报的机制与模型，并提出模型有效性评价方法。 （3）根据研究的组合模型对应用实例进行分析。将提出的组合模型应用到实例当 中，与实际相对比，分析模型的可行性，有效性及其误差，进而对实际生产进行指导。 1.2.3 章节安排 本文章节安排具体分为以下几个部分 第一章，绪论。以矿压显现预报研究现状、方法及存在问题为研究背景，提出本论 文的研究思路和写作方法。 第二章，文献综述。详细整理、总结目前国内外该方向的研究成果，并根据本文的 研究内容， 将其分为小波分析、 自回归移动平均及矿压显现预报三个部分分别予以阐述。 第三章，矿压显现一般规律分析。根据文献综述提出的矿压显现参数，以南梁煤矿 作为研究实例，根据概率统计方法得出该实例的直接顶初次垮落步距、初次来压强度、 老顶初次来压步距及周期来压步距、强度。 第四章，周期来压预报中组合模型的构建。分析顶板来压影响因素，分析组合模型 在周期来压预报中的可行性，并提出两种模型组合。 第五章，组合模型在周期来压预报中的实例应用。针对实际矿压数据，展开组合模 型在周期来压预报的实例应用分析，并根据模型实际误差判断其有效性。 第六章，结论与展望。总结本文工作以及得出的研究结论，并提出论文研究的局限 万方数据 西安科技大学硕士学位论文 4 性以及未来的研究方向。 文章整体思路为 资料收集， 在此基础上进行研究综述归纳总结， 通过对小波分析、 ARMA 模型、矿压显现预报研究现状的详细梳理及分析，得出现有研究的不足之处，从 而确定本文的研究方法与视角。进而以采矿围岩理论为基础，分析矿压显现一般规律， 得出矿压显