通风预警系统

§4．6　通风预警系统

矿井通风系统具有繁杂的空间地理属性，分布于井下生产的各个角落，是一个涉及数据多、信息量大、通风信息参数和地点分散复杂的动态系统。只有适时、准确地掌握通风网络中每段路线的情况，对潜在的风险进行监控预警，才能最大限度地避免事故的发生或降低事故造成的损失。虽然目前我国大中型矿山都装备了安全监测系统，但在信息处理、监控方式、预测预警、动态图像显示方面还存在明显不足，对存在的安全隐患和已经发生的事故不能作出及时有效的处理，无法适应现代矿山通风系统发展的需要，因此需要开发一套适用有效的通风预警系统。

4．6．1　矿井通风预警基本理论

所谓预警就是要在警情发生之前对之进行预测预报。而矿井通风信息预警是指在科学理论指导的基础上，通过建立的指标体系和预警准则，得出矿井通风信息警情状况，从而达到预警的目的。监测人员和相关管理人员可根据预警结果采取相应的调控措施，尽量避免那些可以避免的不良态势或事件的发生，最大限度地促进矿井通风持续、良好运行，保证煤矿生产安全。

4．6．1．1　传统预警系统分类及介绍

简单地说，预警原理就是预警过程中遵循的理论和原则，也就是预警理论框架。预警系统是指在一定的预警原理下，为了完成预警任务而建立的一套完整系统。

4．6．1．1．1　传统预警系统分类

传统的预警系统依据其机制可分为黑色预警系统、黄色预警系统、红色预警系统、绿色预警系统、白色预警系统。

（1）黑色预警系统。即根据时间序列波动规律不借助于警兆直接预警。这种预警系统不引入警兆概念，只考察警情指标的时间序列变化规律，即循环波动性。根据这种循环波动的周期性、递增或递减特点，就可以对警情的走势进行预测。

（2）黄色预警系统。即依据警兆进行预警。这是最基本的预警系统，也有人把它称为灰色分析。它根据警兆的警级预报警情的警度，是一种由因到果的分析。它又有以下几种情况：

1）指标预警系统。这种方式是利用警兆的某种反映警级的指标来进行预警。指标预警系统不仅可以独立作为预警系统使用，而且还可以为统计和模型预警系统提供变量基础。指标预警系统类似于西方国家的先导指标预测方法，又叫做景气指标预测方法。

2）统计预警系统。这种预警方式是对警兆与警情之间的相关关系进行统计处理，然后根据警兆的警级预测警情的警度。具体过程是首先对警兆与警情进行时差分析，确定其先导长度、相关程度，然后依据警兆变动情况，确定各警兆的警级，结合警兆的重要性进行警级综合，最后预报警度。

3）模型预警系统。这种预警系统是在统计预警方式基础上对预警的进一步分析，是对统计预警的一种补充。其实质是建立滞后模型进行回归预测。模型预警系统是对统计预警的补充和丰富。

（3）红色预警系统。即依据警兆以及各种因素进行预警。这种预警系统的特点是重视定性分析。主要内容是对影响警情变动的有利因素和不利因素进行全面分析，然后进行不同时期的对比研究，最后结合预测者的直觉、经验及其他有关专家、学者的估计进行预警。这种预警方法的效果也是良好的。

（4）绿色预警系统。即依据警情的生长态势，预测未来状况。

（5）白色预警系统。即在基本掌握警因的情况下，用计量技术进行预测。

4．6．1．1．2　几种典型预警系统介绍

（1）指标预警系统。有的文献中把指标预警系统也称为指数预警系统。需要注意的是，设计指标预警系统时，要兼顾指标预警客体的实际情况，不能用也不允许采集脱离现实现行统计之外的数据。在指标预警系统中，决策者（专家）可以根据各种信息及经验、直觉来确定以下这些参数：各个警兆指标的报警区间；各个警情指标的安全警限；各个警兆指标的重要性及先导长度。之后每个决策者皆可作出预警，最后再对每个决策者的初始预测结果进行处理，作为最终预警结果。在指标预警系统中，如果把警兆指标警度或水平进行处理（利用CI或DI指数对警兆指标警度进行处理，最后得到警情指标警度的预警方法），最后得到预警结果的预警方法看作是一种预警算法F，那么指标预警系统的预警实质就是：

警兆指标水平｜警度—（通过采用预警算法F）—得到警情指标警度预警体现在由现象到本质的过程，即通过警兆指标对警情指标进行预警。

指标预警系统的缺点是警情、警兆指标系统的选择可能有冗余或不足；警情指标的警限、报警区间的确定、警度确定等环节，由于受国家政策、领导者以及决策者（专家）的经验、直觉等因素影响，使指标预警系统的预警结果带有一定程度的人为因素。但是其优点是接近于人们一般的分析习惯，易于接受，操作简单易行。一旦警情、警兆指标选定，警情、警兆指标的综合处理方法确定后，这种方法操作起来也变得非常简单，适合于计算机处理，且能够较好地反映该系统的基本情况。所以，本系统为指标预警系统。

（2）统计预警系统。统计预警系统在无外推情况下的预警实质与指标预警系统相似。有外推情况下的预警实质是：

现在警兆指标水平｜警度—（通过采用预测算法F）—得到未来警兆指标水平｜警度—（通过采用预警算法F）—得到未来警情指标警度。

统计预警系统充分应用了统计方法，与指标预警系统相比较，它是指标预警系统合乎逻辑的精确和深化。但是统计预警系统区间分析技术确定的警情、警兆指标的警限和警区，仍然具有一定程度的人为性。除此之外，和指标预警系统本质上没有根本的区别。

（3）模型预警系统。模型预警系统是在对整个预警系统有了深入分析、了解之后，对预警工作从定性到定量化的最高提升，体现了人们在认识预警系统及掌握预警技术水平上的一种飞跃。矿井系统是一个复杂庞大的系统，要建立一个实用性较强的模型预警系统是相当困难的。

4．6．1．2　预警系统及预警系统框架范式

4．6．1．2．1　预警系统的框架范式

在分析了几种典型预警系统的预警实质的基础上，可以总结归纳出这些预警系统的框架范式。

（1）无外推预警情况：

警情指标水平｜警度—（通过采用预警算法F1）—得到总警度（范式1）

警兆指标水平｜警度—（通过采用预警算法F2）—得到警情指标警度（范式2）

绿色、白色、红色、黄色和黑色预警系统的预警原理，都可以用上面的两个框架范式解释。显然这两个范式还不能完全说明所有系统的预警实质，比如在实际工作中，就可能存在由多个警情指标的警兆指标直接对预警对象的总警度进行预警的情况，如一些基于神经网络的预警系统就是这样的系统。因此，这里另外补充一种范式：

警兆水平｜警度—（通过采用预警算法F3）—得到总警度（范式3）。

至此，归纳总结的框架范式已经完备了，任何预警系统的预警过程都可以用这些范式中的某一个进行解释。

（2）有外推预警情况：

现在警情指标水平｜警度—（通过采用预测算法χ1）—得到未来警情指标水平｜警度—（再运用预警算法F1）—得到未来总警度（范式4）

现在警兆指标水平｜警度—（通过采用预测算法χ2）—得到未来警兆指标水平｜警度—（再运用预警算法F2）—警情指标警度（范式5）

现在警兆指标水平｜警度—（通过采用预测算法χ3）—得到未来警兆指标水平｜警度—（再运用预警算法F3）—未来总警度（范式6）

4．6．1．2．2　预警系统的组成

一个完整的预警系统是指由预警指标子系统、预警方法子系统、报警子系统、辅助决策子系统等多级结构组成的综合系统。

（1）预警指标子系统主要完成警源分析；警兆、警情指标的确定；警情指标的警限、警兆指标的警区确定；警兆、警情指标实际水平的预处理等工作。

（2）预警方法子系统主要完成各种预警算法的比较、选择、评估工作，当有外推预警时还要负责为预警系统选择预测算法。

预警方法是预警系统进行预警的手段，各种预警方法实质上都是由框架范式中的前项确定后项的算法描述，可以是任何形式的算法。

（3）报警子系统是预警系统的输出界面部分，负责向用户报告系统的警度情况，特别是当系统处于有警状态时，还要显著地提示用户警度的大小、发生警情的警情指标和警兆指标以及它们的警度，另外，预警结果的可靠性以及错误报警风险或损失、代价的研究也是由这一子系统完成的。

（4）辅助决策子系统的工作是，在报警子系统输出的基础上，给用户一些避免发生预警的建议。本书鉴于对矿井理论和实践的局限，这一部分未做分析。

4．6．2预警指标

矿井通风系统是一个动态的、随机的、模糊的、复杂的大系统，对矿井通风系统进行预警，首先必须确定能够真实反映矿井通风系统主要特征和基本状况的参数指标，以反映系统存在的危险状态为目标，在科学合理评价的基础上，建立指标体系、指标的构成要素是否客观、全面会直接影响到预警系统的成效，选择的指标要素过多会影响指标结构的难度并削弱或掩盖关键要素的作用，指标要素太少又不能全面地反映真实状况。

一个好的评价指标体系应满足以下要求：评价指标能全面准确地反映出矿井通风系统的状况与技术质量特征；评价模式简单明了，可操作性强，易于掌握；所选用评价指标应易于获取，数据处理工作量小；采用的评价指标具有明确的评价标准。

为实现对通风实时的预警功能，系统需要确定通风的预警指标。建立可反映矿井通风状况的指标，并以此作为系统预警研究的基础，进而通过通风预警的数学模型完成预警的功能。根据实时通风监测信息，确定预警指标，如图4－12所示。

4．6．2．1　瓦斯浓度

瓦斯治理工作是煤矿生产的重中之重，瓦斯浓度是反映矿井空气质量和矿井通风好坏的重要指标，是重点考虑的预警指标。

图4－12　通风信息预警指标

4．6．2．2　温度

温度的高低与风量、风速、地温等相关，温度的高低影响工人的健康和工作效率，是反映矿井通风质量的一个重要方面，它是判断矿井通风状态好坏的一个有效指标。

4．6．2．3　风速

风速与矿井风量、阻力、巷道断面大小等有关。风速太大，易引起粉尘弥漫，降低空气质量，同时影响工人的正常劳动；风速太小，不能满足供风需求和起到降温等作用。

4．6．2．4　有毒有害气体浓度

有毒有害气体浓度与矿井风量等有关，其浓度的高低对工人健康有很大的影响，它是反映空气质量的重要方面，同时也是本预警系统的有效指标之一。

4．6．2．5　风门开启状态

风门的开／启状态对其他相关预警指标有一定的影响，它是判断矿井通风状态稳定与否的一个合理性指标。

4．6．3　预警数学模型

根据通风监测实时数据和安全监控系统数据库储存的历史数据，结合预警指标，建立瓦斯、温度、风速、有毒有害气体与风门控制预警模型，用于分析预警趋势。基于预警分析的结果，当出现异常信息时，管理人员启动相应的应急预案，以确保矿井下的正常生产。本预警系统分级定为四级，即正常、关注、警告和危险四个等级。本书只给出两个预警数学模型。

4．6．3．1　瓦斯监测数据预警模型

结合瓦斯监测数据分析，针对矿井瓦斯含量进行预警。基于掘进工作面瓦斯监控的预警机理如图4－13所示。

该预警机理表明，当井下掘进工作面的瓦斯浓度大于1．0%时，预警系统的警告等级启动；同时，对于采煤工作面回风巷的瓦斯浓度大于1．0%的情况，该工作面及其回风巷内全部非本质安全型电器设备应立即采取断电措施。针对具备实时监控的机械化采煤工作面、水平和煤层厚度小于0．8m的保护层的采煤工作面，利用抽放瓦斯和增加风量等措施，使工作面内的风流达到最高允许风速，若回风巷的瓦斯浓度仍高于1．0%时，此时的瓦斯警告等级启动浓度可设置为1．5%，同时必须确保能够进行工作面的风流控制，且配有专职的瓦斯员。

图4－13　瓦斯涌出量预警机理

瓦斯监测数据处于动态的更新中，在对瓦斯浓度的实时监测值进行预警的同时，预警系统还必须包括对瓦斯实时数据变化更新的判断。

设瓦斯传感器的初始启动时间为T0，当前时间为T，实时监测数据的更新时间段为ΔT，单位均为min；时间T时刻瓦斯的监测值为Xn，前ΔT时间内瓦斯的监测值为Xn－1。由此得：设Xkminm表示前kmin内瓦斯传感器监测平均值，可得：

式（4－1）和式（4－2）中：n表示从传感器初始启动到第n次的实时监测值；m表示从传感器初始启动到第m次kmin内瓦斯浓度的平均值；表示对计算结果取整。

针对瓦斯浓度的预警即基于瓦斯传感器的实时监测数据，以及瓦斯浓度的变化规律进行。根据预警的结果，结合相应的预警等级，为及时采取有效措施提供依据。

4．6．3．2　风量监测数据预警模型

针对风量监控数据，当通风流出现异常时需要对异常风量的产生进行预警分析。风量监测数据预警模型的建立以矿井通风指数KQ为基础，结合矿井有效风量率、矿井总进风、矿井总回风和矿井总漏风率等多个因素。矿井通风指数KQ表示为：

式中：P0——矿井有效风量率；

　　　K1、K2——矿井总入风量、回风量比；

　　　P1、P2——矿井内、外部漏风率。

设

按规定要求P0＞85%，模型计算时取0．85。

矿井总入风量、回风量比：

根据相关规程规定，模型在建立时涉及到计算的部分，矿井的总入风量比值K1取1、总回风量比值K2取0．9，矿井的内部漏风率取0．15，风井无提升时矿井的外部漏风率取0．05，风井兼提升时矿井的外部漏风率取0．15。

KQ1表示风井无提升时的通风指数；KQ2表示风井兼提升时的通风指数。由上述公式可得：

式（4－9）与式（4－10）表明在风井无提升与风井兼提升两种情况下，风速传感器实时监测值V的函数值KQ1＝3．825或KQ2＝2．55可作为预警判别等级的临界值，预警系统根据风速传感器实时监测值所推算出的具体KQ1或KQ2值分别作出相应的预警，同样为及时采取有效控制措施提供依据。

与瓦斯监测数据的动态更新一致，在对风速传感器实时监测值进行预警的同时，预警系统还必须对风速监测数据的变化更新进行判断。当风速传感器的监测数据超出传感器的量程，以及出现负的监测值时，预警系统的启动等级应设置为危险；当前的实时监测值与前Tmin监测的平均值相比，变化绝对值达到前Tmin监测平均值的20%，则预警系统的启动等级应增加一级；同理，变化绝对值达到前Tmin监测平均值的50%时，相应的预警系统启动等级应增加二级。