多類型傳感器綜合瓦斯監測預警體系的應用研究

李貴保

（山西潞安郭莊煤業有限責任公司， 山西 長治 046100）

引言

目前，各個煤礦均建立了以瓦斯傳感器為核心的煤礦井下瓦斯濃度監測預警體系，對預防瓦斯突出事故起到了較大的作用，但隨著綜采作業深度的不斷增加、綜采作業環境的日趨復雜，現有預警體系采用單一的傳感器設備所存在的瓦斯誤報率高、監測精度差、可靠性不足的缺陷日益突出[1]。因此提出了一種新的多類型傳感器綜合瓦斯監測預警體系，該多類型傳感器監測系統將多類型傳感器設備進行相互配合，利用多證據匹配理論，對各個傳感器監測數據進行綜合判斷，最終確定井下精確的瓦斯濃度，該新型的監測預警系統的優點在于能夠顯著地減少單個傳感器誤報警事故的發生并有效地提升瓦斯濃度監測預警靈敏性。

1 預警體系結構

根據煤礦井下實際情況及對瓦斯監測預警的需求，結合多證據匹配理論及數據融合處理概念，本文所提出的多類型傳感器綜合瓦斯監測預警體系整體結構如圖1 所示[2]。

由圖1 可知，該多類型傳感器綜合瓦斯監測預警體系實際上是一個雙級體系的數據融合監測預警系統，處于煤礦井下各個監測點位上的瓦斯濃度傳感器、溫度傳感器、一氧化碳濃度傳感器、風速傳感器等將實際監測到的信息傳輸到數據分析處理中心，對監測數據進行初步分析處理和融合，處理器將初步分析結論傳輸到監測信息決策層進行更深一步的分析處理，獲取最終的煤礦井下綜采作業環境狀態評估結論，根據評估結果確定是否需求進行報警。該系統中的雙級體系數據融合[3]就是對不同監測區域根據實際情況和要求劃分為不同的監測組，在每一個監測組內均設置一個小組內數據融合處理中心，對該監測區域內的監測情況進行分析判斷，然后將該區域的分析判斷結果傳輸到更上一次的決策層，決策層根據各個監測小組的區域監測結果進行綜合判斷，確定最終的井下環境狀態。該雙級監測處理系統具有數據處理速度快、數據分析準確性高的優點，能夠根據不同的區域情況，獲取該區域最佳的監測狀態，從而實現對煤礦井下整個監測環境的最優評價。

圖1 多類型傳感器綜合瓦斯監測預警體系結構示意圖

2 預警體系預警方式的優化

當前，多數煤礦的井下瓦斯監測預警體系均通過對監測傳感器設定一個區域范圍的方式來進行超越報警[4]，但由于井下實際綜采環境比較復雜，單純依靠特定的范圍限定的方式來進行報警不僅極易產生誤差而且會頻繁發出誤報警，影響煤礦井下正常綜采作業，因此需要對瓦斯監測預警體系中的預警方式進行優化，提升其工作的穩定性和精確性。

多證據匹配理論又稱D-S 證據理論[5]，該理論體系中，首先對各類傳感器監測到的煤礦井下的環境狀態數據進行分類分析，先通過第一級的數據融合后提升原始數據的判斷精度，然后再利用柯西模糊集合的數據處理方式來對各個傳感器監測信號和控制目標之間的數據函數進行匹配，獲取不同類型數據的修正處理結果。最終通過模糊分析判斷的方式進行監控數據和結果的判斷，輸出最終的井下瓦斯態勢，該理論體系整體結構如圖2 所示。

圖2 多理論匹配體系結構示意圖

3 預警體系的應用

為了驗證該多類型傳感器綜合瓦斯監測預警體系的實際應用效果，本文搭建了監測預警體系實驗驗證平臺，對傳統單一傳感器監測下的瓦斯濃度監測精確性和誤報警情況進行對比測試，結果如圖3 所示。

由圖3 可知，在實驗時設定的報警濃度上限值為3%，在9 h 的監測過程中，采用傳統的單傳感器監測，瓦斯濃度變化趨勢和實際瓦斯濃度變化趨勢一致，但其在對應時間點的濃度差值存在較大的偏差，在監測過程中發生了7 次瓦斯超限誤報警。但采用新的多類型傳感器綜合瓦斯監測預警體系后，在監測過程中的監測結果和實際值的變化趨勢一致，結果也基本符合，整個過程中未發生誤報警情況，表現出了較高的穩定性和可靠性，極大地提升了煤礦井下瓦斯監測精度和可靠性。

圖3 不同監測結果對比曲線

4 結論

1）雙級監測處理系統具有數據處理速度快、數據分析準確性高的優點，能夠根據不同的區域情況，獲取該區域最佳的監測狀態，從而實現對煤礦井下整個監測環境的最優評價。

2）多證據匹配理論可先通過第一級的數據融合后提升原始數據的判斷精度，然后再利用柯西模糊集合的數據處理方式來對各個傳感器監測信號和控制目標之間的數據函數進行匹配，獲取不同類型數據的修正處理結果，具有精度高、可靠性好的優點。