煤矿瓦斯重大灾害预警系统研究Word文档格式.docx
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X913.4密级:
公开
UDC:
单位代码:
10460
ResearchonEarlyWarningSystemsofGreatGasDisastersinCoalmines
申请人姓名
高永才
申请学位
工程硕士
学科专业
矿业工程
研究方向
矿山系统工程
导师
李化敏
职称
教授
提交日期
2009.10.8
答辩日期
致谢
值此论文完成之际,谨向对我提供过各种形式帮助的人士表示诚挚的谢意!
首先向辛勤培育我的导师李化敏教授表示崇高的敬意和衷心地感谢!
自读工程硕士以来,导师在百忙之中经常与我联系,关心我论文的每一个阶段,经常给予指导。
导师严谨的治学态度、渊博的专业知识、敏锐的思维和对学科发展前沿的洞察力,是我求学做人的楷模,恩师对我至真至诚的关怀将使我终身难忘。
感谢能源学院为我上课的所有老师,他们给予了我很多的知识和方法,提供了大量的帮助,从而使我的论文得以顺利完成。
感谢在百忙之中评阅我的论文的专家们!
感谢我拜读过的文章的作者们给予我的启发!
特别的感谢给予我的爱人×
×
女士,是她带着我们8岁的女儿长大,独自一人承担了所有的家务,默默地给予了我莫大的支持和帮助,在此表示衷心的谢意!
感谢我的父母、我的家人和许多朋友,他们或提供有价值的建议,或默默地提供各种形式的帮助,他们对我的鼓励和帮助使我克服了许多困难,在此一并表示深深的谢意!
感谢所有关怀和帮助我的人!
摘要
据国家煤矿安全监察局统计,自2001年以来的煤矿重特大事故中,瓦斯事故始终占据了第一位,已经成为我国煤矿生产中首要的重大灾害。
因此,如何将现在被动的事故后处理的安全管理方式转变为事前控制的管理方式是改变目前瓦斯事故多发局面,实现本质安全的根本出路所在。
而瓦斯重大灾害预警系统则可以在事故萌芽阶段即发出警报,提示决策人员采取预控对策,以消除事故隐患,实现系统安全。
所以对瓦斯重大灾害预警系统进行深入研究就具有重要的理论意义和重大的现实意义。
通过运用预警理论和可拓理论等多学科交叉理论,理论分析与实证研究并重,对煤矿瓦斯重大灾害预警系统进行了深入地研究,为煤矿实施瓦斯灾害预警系统提供理论支持和技术支撑。
提出了煤矿瓦斯灾害预警系统的组成,瓦斯预警机制及系统目标,煤矿瓦斯灾害预警管理体系和煤矿瓦斯灾害预警系统应满足的要求。
在介绍预警指标体系建立原则的基础上,给出了瓦斯爆炸预警的指标体系和煤与瓦斯突出预警的指标体系。
基于熵理论和可拓理论建立了基于熵权—可拓理论的综合预警模型。
最后利用建立的指标体系和预警模型对平顶山东矿区的4个样本进行了预警分析,得出了预警的等级以及4个样本突出危险程度的差异。
关键词:
瓦斯灾害;
预警系统;
预警模型;
预警指标;
预警机制
Abstract
AccordingtothestatisticofStateAdministrationofCoalMineSafety,Gasaccidentshavebeenchiefandfataldisasterincoalmineproductioninextremeheavilyaccidentssince2001.Sohowtoconvertthepassiveandafterthefactsafetymanagementpatterntoprecontrolmanagementpatternisthefundamentalwaytochangetheacualitywhichgasaccidentshappenfrequently.Itisalsothefundamentalwaytoassuresafetyinessence.Gasdisasterearlywarningsystemcangivealarmduringtheearlystagesoastotakecountermeasurestoassuresafety.Therefore,itissignificantintheoryandacualitytoresearchdeeplygasdisasterearlywarningsystem.
Gasdisasterearlywarningsystemwasdeeplystudiedwiththeuseofearly-warningandextennicstheories.Theoreticalanalysisandacualityresearchwereallappliedduringthestudy.Thiscanprovidetheoreticandtechnicsupporttocoalmines.Themakeupofgasdisasterearlywarningsystemwasputforward.Earlywarningmechanism,systemgoals,managementsystemandrequirmentsfotearlywarningsystemwerebuilt.Onthebasisofprinciplsforbuildingearlywarningindicessystem,indicessystemsofgasesplosionandcoalandgasoutburstwereputforward.Syntheticearlywarningmodelbasedonentropyweightandextensibletheorywasbuilt.AtlastfourexamplesinPingDingshaneastareawereanalyzedwiththeindicessystemandearlywarningmodelbuiltabove.Earlywarningdegreeanddifferencesamongthefourexamplesarepointedout.
Keywords:
Gasdisaster;
earlywarningsystem;
earlywarningmodel;
earlywarningindices;
earlywarningmechanism
1煤矿瓦斯重大灾害预警概述
1.1预警理论概述
预警(EarlyWarning)一词最早出现于军事领域,是指为了对付突然袭击的防范措施。
当预警目标的构成模式和目标量接近或者超过设定的目标量阈值时,预示着即将发生突然袭击,因而预先发出警报,提供预警主体做出相应对策性决定,由此出现了军事预警系统。
近三十多年来,预警这一概念已延伸到社会和自然科学的诸多领域中,如地震预警、人口预警、农业灾害预警、粮食预警、地球环境预警、财务预警、宏观经济预警和行业预警等,并取得了丰硕的研究成果。
预警理论起源于西方发达国家,它的起源可以追溯到19世纪末期,目前在经济和军事领域运用得比较多。
早在1888年,巴黎统计学大会上,就出现了以不同色彩作为经济状态评价的论文。
20世纪初,西方经济统计学界开始了对建立景气指示系统的努力,尤其是频繁发生的经济危机更推动了这类研究的进行,当时,指示宏观景气的“晴雨计”风行一时。
但是,真正对现代预警系统有直接影响的研究是从20世纪50年代开始的。
1950年,美国经济学家穆尔从近千个统计指标的时间数列中选择了具有代表性的21个指标,构建了一个新的多指标综合信息系统——扩散指数(DiffusionIndex)。
扩散指数以宏观经济综合状态为测度对象,同时编制先行、同步、滞后三种指数,不再限定于经济运动的某一侧面,正因为如此,扩散指数的构成模式一直沿用至今。
此后,预警理论不断发展和完善,新的理论和方法不断产生,例如:
20世纪60年代美国经济统计学家希斯金的综合指数(CompositeIndex)理论、70年代美国经济学家摩尔的商业经济周期理论以及西方20多个工业国家组成的经济合作与发展组织(OrganizationforEconomicCooperationandDevelopment,OECD)在1978年建立的先行指标系统等。
美国商务部从20世纪60年代起就逐月发表以数据和图表两种形式提供宏观景气动向的信号,日本、加拿大、英国等国家也有相似的经济预警系统,我国从1989年起,也每月发表经济景气监测预警指数。
从20世纪80年代开始,预警理论开始应用到管理领域,当时在美国兴起的企业危机管理震撼了管理界。
此后,预警理论与方法的研究经历了一个从定性为主到定性与定量相结合、从点预警向状态预警转变的过程。
目前欧美发达国家在企业财务、商业银行、自然灾害等很多风险比较大的领域成功地实施了预警管理,有效的防范和减少了危机和风险。
高风险行业的预警系统研究基本上达到了能够实用的程度,建立了相应的预警指标体系和预警模型。
国际上日本在自然灾害(地震、海啸、火山、恶劣天气(台风、降雨、降雪、洪水、泥沙))预警系统建设方面走在了前列,其所取得的成绩和所积累的经验对世界各国,特别是发展中国家有着重要的指导作用和借鉴意义。
2006年3月,日本政府发布了《日本自然灾害预警系统与国际合作行动》的报告,对日本自然灾害预警系统的建设以及参与国际合作的状况做了全面、系统的披露。
但就检索到的文献来看,国外在煤矿重大灾害预警方面几乎没有进行研究,这是由于诸如美国、澳大利亚等产煤大国的煤炭开采业安全生产的水平很高,在各自的国内属于很安全的行业。
我国从20世纪90年代才开始在学术界研究预警理论,并逐渐成为理论界研究的热点,目前主要还停留在理论研究阶段,而且研究内容也主要局限在预警指标体系、预警模型和预警管理。
其中具有代表性的著作有:
1990年陈永昌教授的《经济周期与预警系统》、1993年顾海兵教授的《未雨绸缪——宏观经济预警研究》、1999年佘廉教授主编的预警管理丛书(包括技术创新风险管理、产品开发预警管理、企业营销预警管理等)、2004年佘廉教授主编的灾害预警管理丛书(采掘业、水运交通灾害预警等)、2006年文俊的《区域水资源可持续利用预警系统研究》、曹庆贵教授的《企业风险管理与监控预警技术》、2007年葛晓立教授的《典型地区土壤污染演化与安全预警系统》、李毛的《煤矿地面系统预警管理:
以煤矸石山灾害预警管理为例》、2008年景国勋、杨玉中的《矿山重大危险源辨识、评价及预警技术》。
预警理论在煤炭行业的应用起步较晚,20世纪80年代末90年代初开始研究预警理论,90年代中后期开始出现单项作业预警和经济预警,如1996年在徐州矿务局开始使用的矿井通风安全管理预警提示系统,王慧敏等1998年进行的煤炭工业经济预警等,2002年兖州矿业集团在实时监测系统的基础上,提出了利用监测数据二次开发进行安全预警的设想,2004年太原理工大学的王汉斌等人开始研究煤矿安全预警系统,2004年辽宁工程技术大学的王洪德博士利用基于粗集—神经网络的理论对通风系统可靠性进行预警,2005年开始本项目组成员就已开始了煤矿安全预警系统的研究,国家自然科学基金委自2002年以来共支持了以下4项研究项目,其中包括两项重点项目,如表1-1所示。
但就检索到的文献来看,仅见到葛运健主持的国家自然科学基金重点项目的2008年1月17-18日中期检查结果的报道,其研究成果主要包括:
研制以纳米颗粒、纳米带材料为载体的催化传感元件,提高传感器灵敏度;
研制基于MEMS工艺的催化瓦斯敏感阵列,提高传感器寿命和精度;
提出并设计了适用于煤矿井下安装的微型吸收池和分布式检测技术;
首次将含瓦斯煤岩流变破坏与快速拉裂破坏——层裂破坏统一起来,提出了流变-拉裂破坏的延时煤与瓦斯突出机理;
首次提出了“分类指导、分级定标”的煤矿重大危险源辨识理论;
提出了基于云理论和数据场理论的煤与瓦斯突出知识发现新方法;
建立了煤矿瓦斯突出历史案例库,引入支持向量机方法及留一法进行最优特征属性组合寻找;
提出了基于软交换的矿区通信网总体架构,深入研究煤矿井下通信主干环网的构建和矿区地面、井下多个环网互连的相关技术问题;
研究井下物理自然环境的建模方法,提出了建立井下合成自然环境的概念模型;
提出了信息采集和矿难救援复用型无线传感器网络架构;
针对无线传感器网络在井下的若干典型应用完成了通信算法研究和硬件设计。
此外,“十一五”国家科技支撑计划重点项目“煤矿瓦斯、火灾与顶板重大灾害防治关键技术研究”的八个课题中,有五个都是瓦斯治理方面的课题,这些课题在2006年底开始启动,但到目前为止,尚未见到有关研究成果的报道。
表1-1国家自然科学基金委资助的瓦斯预警项目
Tab.1-1ResearchprojectofgasfundedbyNSFC
项目编号
项目名称
负责人
负责人单位
资助金额
起止时间
50574005
/E041504
可调谐半导体激光光谱技术的煤矿瓦斯预警模型的研究
周孟然
安徽理工大学
23
2006-2008
50534060
/E04
煤矿瓦斯传感技术和无线与综合预警信息系统基础理论与关键技术研究
杨维
北京交通大学
150
2006-2009
50534050
煤矿瓦斯传感技术和预警系统基础理论与关键技术研究
葛运建
中国科学院合肥智能机械研究所
180
50274070
/E040105
煤与瓦斯突出的氢氮甲烷联测预警技术基础研究
梁汉东
中国矿业大学(北京)
19
2003-2005
1.2国内外研究现状
1.2.1预警机制的研究现状
在煤矿瓦斯重大灾害预警系统的预警机制方面,国内外仅在矿山危险源辨识及评价方面取得了一定的成果,但尚未达到成熟应用的阶段。
就目前检索到的文献来看,仅见佘廉教授在其2004年出版的灾害预警管理丛书中作了探讨,提出了预警机制、矫正机制和免疫机制作为预警管理系统的预警机制,对预警机制还作了简要分析。
国外的研究偏重在技术层面而缺乏对预警系统基本理论的阐述,所以到目前为止,对重大灾害的预警机制尚缺乏深入研究。
1.2.2预警指标体系的研究现状
预警的关键是建立科学、系统、实用的预警指标体系。
国内外许多学者根据其理论思考与实践经验构建了各自的指标体系,尤其是在财务预警系统方面。
在其他方面,如火灾预警、地震预警、地质灾害、社会突发事件等,也已经建立了相对比较成熟的预警系统。
但在煤矿灾害预警方面,由于发达国家煤矿安全管理水平比较高,煤矿事故率比其他生产行业还低,如美国的煤矿事故率远低于其余20种行业的事故率,日本则将煤矿事故率的目标定为0等等,所以在这方面没有深入的研究。
在国内,单一作业预警系统的指标体系基本上都是按照煤矿安全规程和国家的有关规定建立的,如矿井通风预警系统选取主干通风路线上的风机类、巷道类等8类统计指标构成指标体系、瓦斯监测预警系统采取瓦斯浓度超限作为预警指标等。
关于煤矿整体安全预警系统的指标体系只有太原理工大学的王汉斌等人(2004)提出了一种初步的预警指标体系,该体系中包含井下监测指标体系、地面监测指标体系、外在环境监测指标体系三部分。
本课题组在参考文献[17]中也初步建立了煤矿安全预警的指标体系,而在其他的相关文献中,没有发现有人建立瓦斯重大灾害预警的指标体系,仅见到关于煤与瓦斯突出预测的指标的研究。
如澳大利亚利用直接测定煤层瓦斯含量的方法进行煤层突出预测,这一方法目前国内有些矿井已开始尝试。
国内其他学者也提出了利用不同的指标进行突出预测,如孙继平等提出利用开采深度、煤层厚度等15项指标,郭德勇等提出用最大开采深度、煤层厚度等9项指标进行突出预测,其他学者也分别提出了不同的预测指标体系。
1.2.3预警模型的研究现状
由于国内外关于煤矿灾害预警的研究很少,所以到目前为止,据检索的文献来看,几乎没有见到关于煤矿灾害预警的预警模型。
但国内外在经济预警领域发展的相对比较成熟,目前预警模型的研究主要集中在以下几类模型:
(1)单变量模型。
该模型是运用单一变量、个别指标来预测企业危机的模型。
即当模型中所涉及的几个指标趋于恶化时,通常是企业发生危机的先兆。
最早的单变量模型是由美国的财务分析专家WilliamBeaver于1966年提出的,他在对1954—1964年间出现失败迹象(出现破产、拖欠偿还债券、透支银行账户或无力支付优先股利四项中的任何一项)的79家企业进行分析后得出了如下结论:
通过研究个别财务比率的长期走势可以预测企业所面临的危机状况。
我国学者对此模型也做出了不少可贵的探索,如陈静(1999)以1998年的27家ST和27家非ST公司,利用其1995—1997年的财务报表数据,进行了单变量分析,提出在流动比率、负债比率、总资产收益率、净资产收益率等4个指标中,前两者误判率最低。
吴世农、卢贤义(2001)以70家ST和70家非ST上市公司为样本,应用单变量分析研究财务困境出现前5年内这两类公司21个财务指标各年的差异,最后确定6个预测指标。
单变量模型有两个基本特点:
一是将若干项预警指标组合起来组成预警指标体系,并将各指标值与企业所处行业的平均数据或本企业的历史平均数据进行比较,以此来确定企业所面临风险的大小;
二是所选中的预警指标对风险管理者来说处于同等重要的地位。
(2)多变量统计分析模型。
这类模型采用多个指标作为自变量,同单变量模型相比,它们能够更全面地反映出企业的状况,从而具有更强的辨别能力和实用性。
这类模型还有一个共同的特点,那就是都是根据企业已有的历史数据作为样本来建立等式,而且在选取样本时一般是先选取一定数量的失败企业作为“失败组”,然后再选取与这些失败企业在行业和规模以及已生存年限上相匹配的相同数量的非失败企业作为“非失败组”进行比较判别。
由于在建模时所使用的统计方法的不同,多变量统计分析模型又分为如下几种类型:
l)多元回归分析模型。
这类模型主要是运用现代统计学中回归分析的方法来建立预警指标变量与企业危机之间的因果关系。
最早运用二元回归模型预警企业危机的学者是Meyer和Pifer(1970),他们用二元回归分析模型来评价美国银行的失败风险。
他们在研究了1948—1965年间失败的30家银行及与其相匹配的另外30家非失败银行后建立了模型,并且用由9对相匹配的银行组成的测试样本对模型进行了验证。
1972年,Edmister专门针对小企业建立了危机预警的多元线性回归模型,但由于他一直未向外界公布该模型中Z值的最佳分界点,这使得该模型未被广泛用于小企业中。
2)多元判别分析模型。
该模型作为一种统计分析方法,可用于对研究对象所属的类别进行判别。
由于企业可分为两类:
“失败”企业与“非失败”企业,所以,当失败企业与非失败企业在预警指标上的差异比较显著时,可以运用判别分析法建立判别模型来对企业是否出现危机进行预警。
这里的判别分析又可分三种具体的判别方法:
一是距离判别。
就是根据观测对象到“失败组”与“非失败组”两个总体的距离的不同来判定其归属。
这两个组的特征向量分别为该组中所有样本企业的预警指标的平均值,如果某个企业到“失败组”的距离比到“非失败组”的距离近,则可判定该企业属于失败企业。
二是费歇尔(Fisher)判别。
就是通过将多维数据投影到某个方向上,然后再选择合适的判别规则,将待判的样本进行分类判别,判别的临界点一般是两个总体在投影方向上的中点。
三是贝叶斯(Bayesian)判别。
前两种判别没有考虑总体出现的概率与错判之后所造成的损失,贝叶斯判别法则弥补了上述缺陷,即该方法所要满足的条件就是在该法则下,将某个样本误分类为其他类别的总平均损失达到最小。
3)其他分析模型。
如主成分分析、逻辑模型等,主成分分析也称为主分量分析,是由Hotelling于1933年首先提出来的,它是一种利用降维的思想,把多项指标转化为少数几个综合指标的多元统计分析方法。
利用主成分分析法建立的模型中,较为典型的模型是Diamand模型。
Diamand(1976)使用由75家失败公司与75家非失败公司组成的样本,运用主成分分析法来筛选比率指标,建立模型。
最早将Logit模型运用到企业危机预警研究中的学者是Martin(1977),他用该模型对美国的银行进行了评价。
随后,Ohlson(1980)利用1970—1976年失败的105家美国破产企业与2000家生存企业组成的样本重新构建了Logit模型。
许多学者多根据各国的具体情况,建立了不同的多变量统计分析模型。
如美国纽约大学EdwardAltman教授在1968年提出了Z记分法模型,后来在1977年Altman,Haldeman与Narayanan又在修正Z记分法的基础上建立了Zeta模型,由于该模型具有辨别能力强,使用成本低等特点,因此,它是目前在美国最受欢迎的预警模型;
此外还有Deakin模型(1972),Blum模型(1974),Taffler模型(1974),Diamand模型(1976),Logistic模型(1977),Marais模型(1979),Casey模型(1985),Bayesian模型(2001)等,这些模型在一定程度上为各国的财务、金融预警发挥了重要作用。
我国对多变量预警模型的研究还属于起步阶段,目前也有少数学者在借鉴国外的预警方法来开发适合我国企业操作的危机预警模型。
如F分数模式(周首华,1996),考虑企业未来发展潜力的预警模型(刘渝琳,1998),考虑现金流量的预警模型(戴新民等,2000),考虑“社会贡献率”的预警模型(张凤娜等,2001)等。
(3)神经网络预警模型。
神经网络也称为人工神经网络,是一种从神经心理学和认识科学的研究成果出发,应用数学方法发展起来的并行分布模式处理系统。
该模型利用大量非线性并行处理关系来模拟众多的人脑神经元,用处理器间错综复杂但灵活的关系来模拟人脑神经元的突触行为。
神经网络的发展始于20世纪40年代,McCulloch和Pitts(1943)建立了神经网络的第一个数学模型,目前较成熟的模型有三四十种之多,较为常
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