平凉市煤矿瓦斯气象预警系统.pdf

第10卷第4期 防 灾 科 技 学 院 学 报 Vol.10 No.4 2008年12月 J.of Institute of Disaster-Prevention Science and Technology Dec. 2008 收稿日期2008-07-14 作者简介杨晓华（1957-） ，女，大普，高级工程师，主要从事短期气候预测及短期天气预报工作。 平凉市煤矿瓦斯气象预警系统 杨晓华，马鹏里，王若升，王丽娜，郭振都 （甘肃省平凉市气象局，甘肃平凉 744000） 摘 要利用崇信县气象观测资料，选用华煤集团新柏煤矿瓦斯浓度观测资料，进行多因子分析,探讨气象条 件与矿井瓦斯浓度的关系，选取相关系数绝对值大于 0.3 的因子，用统计学方法中的逐步回归法进行煤矿区 不同回风巷瓦斯浓度预测，建立瓦斯气象条件预警模型，并建立瓦斯气象自动监控预警系统平台，为研究煤 矿瓦斯爆炸，减少煤矿安全生产事故的发生，提供科学依据。 关键词瓦斯浓度；逐步回归；预警系统 中图分类号TD76 文献标识码A 文章编号1673-80472008 04-0053-05 Warning System of the Gas Density under Coal Mines in Pingliang Yang Xiaohua, Ma Pengli, Wang Ruosheng, Wang Lina, Guo Zhendu （Pingliang Meteorological Bureau, Pingliang, Gansu 744000） Abstract Based on the observed meteorological data in Chongxin County and the gas density observed data in Xinbai coal-mine of Huating Coal-mine Company, the relationship between the meteorological conditions and the gas density was analyzed by multi-factors . The predicted factors with the absolute correlative coefficient more than 0.3 were selected by using stepwise regression , and the gas density of different channels in coal-mine area was predicted by statistical s. The prediction model of the gas meteorological condition was established by the stepwise regression. The automatic monitoring warning plat of the gas meteorology was established at the same time. This study provided references of meteorological factors for studying the explosion of coal mine gas and reducing the occurrence of the safety production accidents in coal mines. Keywords gas density; stepwise regression; warning system 前言 瓦斯是一种无色、无味、无臭、无毒的气体， 比重 0.554，来源于煤岩中，在空气中的含量达到 一定浓度时，遇火会燃烧和爆炸；浓度达到 40以 上时，能使人窒息。在煤矿采掘地点的瓦斯浓度达 到 516时， 有高于最低点燃能量的热源及存在 时间大于瓦斯的引火感应期， 同时瓦斯与空气的混 合气体中的氧气浓度大于 12时， 瓦斯被点燃引起 爆炸。 所以瓦斯爆炸是煤矿生产中最严重的一种自 然灾害。 在煤炭开采过程中，瓦斯爆炸、煤尘爆炸、煤 与瓦斯突出、中毒、窒息、矿井火灾等多种灾害事 故时有发生[1]。而在构成煤矿事故的原因中，通常 由瓦斯造成的事故最为严重，由于发生的突然性和 强烈的破坏性，不仅危及矿工人身安全和煤矿安全 生产，也制约了矿井生产能力的发挥，严重影响了 矿井的安全效益和经济效益。瓦斯突出预测技术目 前仍是一项不太成熟的技术[2]，煤矿瓦斯浓度实时 监测报警控制系统[3]，属于电子测控技术领域中涉 及的一种监测报警系统，贵州省气象局就矿井内瓦 斯浓度与天气及前期气象要素的变化之间的关系 进行了分析[4]。气象条件是井下瓦斯爆炸的重要诱 发因素[5]，韩虹等人对山西大同市煤矿的瓦斯浓度 与气象因子进行了相关分析并建立预报模型[6]。在 正常的大气环境中，瓦斯只在一定的浓度范围内爆 54 防灾科技学院学报 第 10 卷 炸，因而矿井气候起了很大作用。上述工作只对当 地的气象条件与瓦斯浓度进行分析研究，在此对位 于陕甘宁 3 省交汇处的华亭煤业集团公司所属的新 柏煤矿开展瓦斯浓度与气象条件之间关系的研究， 建立煤矿瓦斯浓度气象预警系统。该公司是甘肃省 最大的煤炭企业， 矿区煤田总面积 134km2， 地质储 量 34 亿吨，这对煤矿安全生产和预防瓦斯事故发 生，填补我市瓦斯气象预警预报服务空白，突出重 点为煤矿部门服务，有着十分重要的现实意义，建 立的 “瓦斯气象预警系统” 具有实际业务应用价值。 1 资料来源 选取甘肃省华亭煤业集团公司新柏煤矿 2005 年逐日的矿区瓦斯资料， 瓦斯检查方法用瓦检器测 定，在总回风巷、3501 工作面、3501 回风巷、1165 回风巷确定固定的巷道， 测定次数为每日三班各两 次，测定纪录取每日平均值，得出瓦斯逐日资料。 气象资料采取煤矿所在地崇信县气象站气象观测 资料。 2 统计学处理 以瓦斯浓度为因变量 Y，将气象因子作为自变 量 x1,x2..,xn,共有 m 个自变量,样本长度为 n，进 行相关系数普查，对比分析气象要素与瓦斯浓度的 变化。协方差 1 1 j jli n l ilij xxxx n s −− −− ∑ 方差 1 1 − − ∑ xx n s n l iii 1 1 − − ∑ xx n s n l jjj 其相关系数为 jjii ij ij ss s r 3 瓦斯浓度与气象要素的关系 通过相关系数普查分析得出，矿井回风巷瓦斯 浓度升高与当地的气压、气温及湿度有很大的相关 关系，其相关系数在0.3-0.674158 之间。逐月瓦 斯浓度与气象要素的相关系数绝对值≥0.3 的值如 表 1 表 1 逐月瓦斯浓度与气象要素的相关系数绝对值≥0.3 的值 月份 平均气压 最高气压 最低气压 平均气温 最高气温 最低气温 相对湿度 1 月 -0.39459 -0.33772 -0.41102 2 月 -0.30528 3 月 0.369493 0.354618 4 月 -0.30433 0.467999 0.415898 0.395372 5 月 0.31155 0.542029 0.384698 0.674158 6 月 0.458524 0.40866 -0.510736 7 月 -0.349332 -0.41935 0.416624 8 月 0.365445 0.406378 0.3647 -0.392325 -0.528654 9 月 0.491712 0.506929 -0.61903 10 月 0.391465 0.353398 11 月 0.368252 0.482576 0.36.325 12 月 0.371645 0.357327 0.363782-0.33195 第 4 期 杨晓华，等平凉市煤矿瓦斯气象预警系统 55 普查中发现，5 月份相对湿度与瓦斯浓度升高 相关系数最高可达 0.674158，6 月份相对湿度与瓦 斯浓度升高相关系数最高可达-0.510736， 9 月份相 对 湿 度 与 瓦 斯 浓 度 升 高 相 关 系 数 最 高 可 达 -0.61903，春季特别是 5、6 月份的瓦斯浓度值较 其它月份的值要高，2005 年 6 月 1 日 3501 回风巷 瓦斯浓度值高达 0.76， 冬季 12～2 月瓦斯浓度值最 低。分析得出气压、气温及湿度等气象要素是影响 矿采区瓦斯浓度升高的主要因素。 4 建立逐步回归模型 逐步回归是多元线性回归模型中选择回归变 量的一种常用数学方法[7]。其基本思想是在所考 虑的全部自变量中，按其对因变量作用的显著程度 大小，挑选一个最重要的变量，建立只包含这个变 量的回归方程，接着对其他变量计算偏回归平方 和，再引入一个显著性的变量，建立具有两个变量 的回归方程。然后反复进行下述两步第一，对已 在回归方程中的变量作显著性检验，显著的保留， 不显著的剔除；第二，对不在回归方程中的变量， 挑选最重要的进入回归方程，直至回归方程既不能 剔除，也不能引入变量为止。逐步回归分析的优点 在于能自动地从大量可供选择的自变量中，选择出 最重要的自变量[8]，并建立回归方程。 选取相关系数绝对值大于 0.3 的气象因子作为预报 因子，将瓦斯浓度作为预报量，应用逐步回归程序 计算，逐月建立重点矿区逐日瓦斯浓度预报模型， 其回归方程见表 2 表 2 逐月重点矿区逐日瓦斯浓度预报模型 月份 地点 方程 复相关系数 1 月 3501 回风巷 y0.956-0.003*最高气压0.002*日最低气压 R0.57055 2 月 3501 回风巷 y1.289-0.001*日最高气压-0.002*日最高气温0.001*日最低气温 R0.62397 3 月 1165 回风巷 y-0.0870.001*日平均气温 R0.51908 4 月 3501 回风巷 y0.1320.018*日平均气温-0.009*日最高气温-0.006*日最低气温0.001* 日平均相对湿度 R0.55035 5 月 3501 回风巷 y-11.2790.013*日最低气压-0.032*日平均气温0.023*日最高气温 0.012*日最低气温0.004*日平均相对湿度 R0.78706 6 月 总回风巷 y0.351-0.003日最高气压0.003日最低气压-0.001日平均相对湿度 R0.55415 7 月 2501 回风巷 y-3.7010.004*日最高气压0.008*日最高气温-0.016*日最低气温 0.002*日平均相对湿度 R0.56852 8 月 2501 回风巷 y-3.7010.004*日最高气压0.008*日最高气温-0.016*日最低气温 0.002*日平均相对湿度 R0.56852 9 月 总回风巷 y-0.1640.001日平均气温-0.001日平均相对湿度 R0.62257 10 月 总回风巷 y-0.0920.003日最高气压-0.003日最低气压0.011日平均气温 -0.004日最高气温-0.005日最低气温 R0.50283 11 月 总回风巷 y0.2660.004日平均气温-0.002日最高气温 R0.60672 12 月 3501 回风巷 y0.956-0.003*最高气压0.002*日最低气压 R0.57055 逐月重点矿区逐日瓦斯浓度预报模型的复相 关系数均大于 0.5，5 月方程复相关系数最大， R0.78706， 10 月方程复相关系数最小， R0.50283。 日最高气压和日最高气温对瓦斯的浓度升高起 着很大的作用，12 个月的方程中有 7 个月被引用， 日最低气温、日平均气温、日平均相对湿度对瓦斯 浓度影响次之，在所建的方程中，日最低气压作为 气象要素对瓦斯浓度的作用相对较小。经分析可以 得出的是，气压、气温及湿度等气象条件是影响矿 采区瓦斯浓度升高的主要因素。在高温、高湿度、 高气压条件下，瓦斯气体的蒸发、散发量会增多， 很容易形成一定浓度的毒瓦斯。预测指标的临界值 为 0.5，当预报量值大于 0.5 时，实际瓦斯浓度值可 达到 0.5。 56 防灾科技学院学报 第 10 卷 5 建立瓦斯气象预警模型操作平台 5.1 系统运行环境 硬件环境 CPU 要在 Pentium4 以上； 内存要在 256MB 以上； 硬盘容量只需 100MB 磁盘空间。 软件环境 操作系统为 Windows 2000 或 Windows Xp； 开发工具为 Microsoft Visual Basic 6.0 可视化编 程语言与 Access 关系数据库。 5.2 系统安装 运 行 瓦 斯 气 象 预 警 系 统 平 台 安 装 程 序 setup.，以人机交互方式，系统自动安装并建立 桌面快捷方式。 5.3 操作说明 5.3.1 启动系统 进入Windows 2000 或 Windows xp系统，双击 桌面的系统图标，屏幕弹出系统平台和主控操作选 项（图1） 。 5.3.2 主控界面 系统分为选择预报日期、建立回归方程、预报 结果三个选项。 5.3.3 预警平台操作方法 （如图 2）其操作步骤是先选择预报日期，然 后筛选因子，其后是建立回归方程并计算。 图 1 瓦斯气象预警模型 在主控菜单上，用鼠标指示到请选择日期的日 期下拉条上，单击鼠标左键，弹出日期的年月日子 菜单可供选择，根据选择，单击鼠标左键，弹出对 应日期窗口，如选择 2007 年 12 月 11 日，建立回 归方程分筛选因子和建立方程并计算，用鼠标指示 到筛选因子模块，单击鼠标左键，后台操作自动从 数据库中调取所需数据。用鼠标指示到建立方程并 计算模块，单击鼠标左键，在预报结果中显出建立 的方程及预测的瓦斯浓度值，例如 2007 年 12 月 1 日最终建立 12 月回归方程为1165 回风巷 0.956-0.003*日最高气压0.002*日最低气压,瓦斯 图 2 预警平台操作步骤 浓度为 0.05。 5.3.4 安全提示 当预测值小于 0.5时， 矿井总回风巷或一翼回 风巷风流中瓦斯或二氧化碳浓度小，不会造成瓦斯 聚积。 本系统提示当预测瓦斯浓度等于或大于 0.5 时，要加强通风管理，防止瓦斯聚积。当预测瓦斯 浓度等于或大于 0.75，矿总工程师必须立即查明 原因，进行处理，并报告矿务局总工程师。这些工 作对有针对性地采取防范措施，提高矿井生产能 力，降低瓦斯爆炸的可能性均有一定的现实意义。 第 4 期 杨晓华，等平凉市煤矿瓦斯气象预警系统 57 5.3.5 资料信息 在主控界面上，用鼠标指示到结果存为文本模 块上，所做方程及预报结果存为文本文件。 5.3.6 退出 用鼠标指示到退出按钮，单击鼠标左键，退出 系统，返回桌面。 瓦斯气象预警系统平台，具有数据处理、安全 提示、作业提醒、预报预警等多项功能，为矿井的 安全生产提供气象保障。系统界面清晰小巧，操 作简便，适合专业预报服务工作的需要。 结束语 （1）矿井回风巷瓦斯浓度升高与当地的气压、气 温及湿度有很大的相关关系，其相关系数在 0.30.674158 之间。 （2） 5 月份相对湿度与瓦斯浓度升高相关系数 最高可达 0.674158，6 月份相对湿度与瓦斯浓度升 高相关系数最高可达-0.510736，9 月份相对湿度与 瓦斯浓度升高相关系数最高可达-0.61903，春季特 别是 5、6 月份的瓦斯浓度值较其它月份的值要高， 2005 年 6 月 1 日 3501 回风巷瓦斯浓度值高达 0.76， 冬季 12～2 月瓦斯浓度值最低。 （3）在建方程中气象因子的选取对瓦斯浓度 预报的准确率有着很大的影响，因此其关键点是准 确分析气象因子对瓦斯浓度的影响，寻找合适的气 象因子，也是预报因子。瓦斯浓度预测是一个极为 复杂的问题，运用不同的预测方法和预测模型都有 合理的一面，但也有一定的局限性，本文的研究证 明，利用逐步回归方法建立瓦斯浓度预测模型，预 测瓦斯浓度在一定程度上是可行的，但仍需进一步 研究完善。在煤矿生产中，把安全工作放在首位， 才能使瓦斯爆炸事故及其他灾害事故大幅度减少。 （4）积累的瓦斯资料，至少要有一年以上， 而且积累的资料愈多、精度愈高，已采水平或区域 的瓦斯地质情况和开采技术条件与新设计水平或 区域愈相似，预测的可靠性也愈高。而由于条件所 限，我们收集到的瓦斯资料仅有一年，所以在统计 处理上，只能根据现有资料进行处理并分区预测。 （5）瓦斯预警研究重点采用预研究后应用的 原则，填补我区瓦斯气象预警预报服务的空白，可 突出重点为煤矿部门服务，实现专业化的服务，预 测方程提前 24 小时提供煤矿的巷道是否有瓦斯浓 度升高的灾害气象条件背景；如能将预测结果与矿 区现有的传统的矿难预警相结合,并采取有针对性 防范管理措施,对降低矿井瓦斯爆炸的可能性有一 定的现实意义。有可能的情况下，我们可将预报结 果提前 2448 小时向本地采煤业等有关用户传递， 服务定会取得较明显的社会服务效益和经济效益。 （6） 目前， 瓦斯气象预警系统建设预研究由于 条件、手段的限制，还属于最大可能性预报，我们 的重点还应建立在瓦斯浓度的短期预测预警服务 上，整个研究及系统还需不断改进完善。 参考文献 [1] 王健,杜贤流.煤矿瓦斯爆炸原因分析与防治对策[J]. 煤矿工程,2006948-49 [2] 黄胜全,赵成军.声发射技术在预测预报煤与瓦斯突出 方面的研究[J].矿山机械,2006,34328-29 [3] 于宏柱,王长庚.一种煤矿瓦斯浓度实时监测报警控制 系统[P].中国专利信息发布平台.专利 号200610016871.分类号GOIN21/17;GO8B21/16 [4] 汪法鉴.安龙“4.15”瓦斯爆炸与天气条件分析[J].贵 州气象,2005638-39 [5] 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