一种基于扰动传播的瓦斯涌出预测方法及系统与流程

本发明涉及煤矿瓦斯监测与数据处理，尤其涉及一种基于扰动传播的瓦斯涌出预测方法及系统。

背景技术：

1、煤矿瓦斯抽采过程中，通常需要对不同煤层、钻场、钻孔或者抽采支路对应的瓦斯抽采流量进行连续监测，并结合瓦斯浓度、压力、温度以及煤层瓦斯赋存情况对区域瓦斯治理效果进行评价。随着抽采计量技术的发展，已经能够对主管、支管以及单孔的瓦斯抽采参数进行在线监测，并能够按照工作面、评价单元或者不同瓦斯来源进行抽采效果分析。

2、现有瓦斯涌出预测方法通常根据当前瓦斯浓度、瓦斯抽采流量、压力、采掘进度等参数的数值大小或者变化趋势判断后续瓦斯涌出状态。例如，当瓦斯流量连续升高或者瓦斯浓度超过相应阈值时，提高瓦斯涌出风险等级。部分方法还可通过机器学习方法建立多个监测参数与瓦斯涌出量之间的映射关系。

3、然而，瓦斯抽采区域内部不同瓦斯源之间可能存在隐性的运移联系。当某一抽采位置的抽采状态发生变化时，其影响可能通过煤体裂隙或者瓦斯运移通道传递至其他瓦斯源。仅根据自然工况下各瓦斯源自身参数的变化进行预测，难以区分某一瓦斯变化是局部随机波动还是区域内部瓦斯重新分配产生的持续响应，也难以提前发现尚未形成明显瓦斯涌出增量的潜在异常区域。

4、因此，有必要提供一种能够主动形成受控扰动，并根据扰动在不同瓦斯源之间产生的异常传播响应预测瓦斯涌出状态的方法。

技术实现思路

1、本技术提供了一种基于扰动传播的瓦斯涌出预测方法及系统，提高了瓦斯涌出预测的针对性、可解释性及可靠性。

2、本技术提供了如下方案：

3、根据第一方面，提供了一种基于扰动传播的瓦斯涌出预测方法，包括：获取目标区域多个瓦斯抽采单元的瓦斯抽采流量，并确定各瓦斯抽采单元对应的瓦斯源；从所述瓦斯抽采单元中确定第一扰动单元和第二扰动单元，调节对应抽采阀门或抽采负压，使第一扰动单元的瓦斯抽采流量增加、第二扰动单元的瓦斯抽采流量减少，且第一扰动单元的流量增加量与第二扰动单元的流量减少量之间的差值处于预设波动范围；获取扰动后除第一扰动单元和第二扰动单元对应瓦斯源之外的其他瓦斯源的瓦斯流量变化，确定其中超过扰动前正常波动范围的异常响应量；根据所述异常响应量在不同瓦斯源之间的出现位置及先后关系确定异常响应传播范围；根据所述异常响应传播范围及各瓦斯源对应的异常响应量，确定目标区域的瓦斯涌出预测等级，生成瓦斯涌出预测结果。

4、根据本技术实施例中一可实现的方式，所述确定第一扰动单元和第二扰动单元，包括：从对应不同瓦斯源的瓦斯抽采单元中选取两个流量稳定的瓦斯抽采单元，并分别作为第一扰动单元和第二扰动单元。

5、根据本技术实施例中一可实现的方式，所述调节对应抽采阀门或抽采负压，包括：根据第一扰动单元和第二扰动单元的可调流量范围确定目标流量变化量；将所述目标流量变化量划分为多个连续调节量；按照各连续调节量逐步增大第一扰动单元的瓦斯抽采流量，并逐步减小第二扰动单元的瓦斯抽采流量；每完成一次调节，分别确定第一扰动单元相对于扰动前瓦斯抽采流量的流量增加量以及第二扰动单元相对于扰动前瓦斯抽采流量的流量减少量；当所述流量增加量与流量减少量之间的差值超出所述预设波动范围时，根据所述差值的偏离方向调整第一扰动单元或第二扰动单元；当任一扰动单元达到对应可调流量边界且所述差值仍超出所述预设波动范围时，调整另一扰动单元的瓦斯抽采流量，直至所述差值进入所述预设波动范围，或者取消当前连续调节量。

6、根据本技术实施例中一可实现的方式，所述确定其中超过扰动前正常波动范围的异常响应量，包括：根据扰动前连续多个监测周期的瓦斯抽采流量确定各瓦斯源对应的正常波动范围；当扰动后瓦斯源的瓦斯抽采流量超出对应正常波动范围时，将超出所述正常波动范围的流量变化量确定为异常响应量。

7、根据本技术实施例中一可实现的方式，所述根据所述异常响应量在不同瓦斯源之间的出现位置及先后关系确定异常响应传播范围，包括：记录各瓦斯源首次出现异常响应量的响应时刻，并按照所述响应时刻对对应瓦斯源进行排序；确定排序相邻的两个瓦斯源之间的空间位置关系；当排序靠后的瓦斯源与排序靠前的瓦斯源空间相邻，且二者响应时刻之间的时间间隔不超过预设传播时间间隔时，在两个瓦斯源之间建立异常响应传播关系；将连续建立异常响应传播关系的多个瓦斯源确定为同一异常响应传播链，并将所述异常响应传播链中各瓦斯源所在区域的组合范围确定为所述异常响应传播范围。

8、根据本技术实施例中一可实现的方式，所述根据所述异常响应传播范围及各瓦斯源对应的异常响应量，确定目标区域的瓦斯涌出预测等级，包括：确定第一扰动单元的流量增加量与第二扰动单元的流量减少量之间差值的绝对值，作为扰动剩余量；对所述异常响应传播链中各瓦斯源对应的异常响应量进行累加，当累加结果大于所述扰动剩余量时，将二者之差确定为净逃逸响应量；确定所述异常响应传播范围内包含的瓦斯源数量；根据所述净逃逸响应量确定响应等级，根据所述瓦斯源数量确定传播等级，并根据所述响应等级和传播等级确定对应的瓦斯涌出预测等级。

9、根据本技术实施例中一可实现的方式，生成所述瓦斯涌出预测结果之前，还包括：在第一扰动单元和第二扰动单元的瓦斯抽采流量恢复至扰动前的正常波动范围后，对第一扰动单元和第二扰动单元施加与前次扰动方向相反的反向扰动；

10、获取所述反向扰动后各瓦斯源的瓦斯抽采流量，并分别确定其相对于扰动前基准瓦斯抽采流量的增大状态或减小状态；确定在前次扰动和所述反向扰动中均出现异常响应量的瓦斯源；当所确定瓦斯源在两次扰动中的增大状态或减小状态相同时，将对应瓦斯源确定为不可逆响应瓦斯源；根据所述不可逆响应瓦斯源提高目标区域的瓦斯涌出预测等级。

11、根据本技术实施例中一可实现的方式，所述方法还包括：保持第一扰动单元不变，从其余瓦斯抽采单元中选取对应不同瓦斯源的第三扰动单元，并采用第三扰动单元替换第二扰动单元重新执行扰动；获取重新扰动后各瓦斯源出现异常响应量的响应时刻，并按照所述响应时刻确定各瓦斯源的响应序位；当所述不可逆响应瓦斯源再次出现异常响应量，且其响应序位不晚于前次扰动中的响应序位时，将对应瓦斯源确定为持续逃逸瓦斯源；根据所述持续逃逸瓦斯源提高目标区域的瓦斯涌出预测等级。

12、根据本技术实施例中一可实现的方式，所述方法还包括：获取多次扰动对应的异常响应传播范围、异常响应量及扰动后的实际瓦斯涌出等级，形成扰动传播样本；根据所述异常响应传播范围和异常响应量对各扰动传播样本进行聚类，得到多个扰动传播状态类别；根据当前扰动所属的扰动传播状态类别及该类别对应的实际瓦斯涌出等级，对所述瓦斯涌出预测结果进行校正。

13、根据第二方面，提供了一种基于扰动传播的瓦斯涌出预测系统，包括：数据获取模块，用于获取目标区域多个瓦斯抽采单元的瓦斯抽采流量，并确定各瓦斯抽采单元对应的瓦斯源；扰动控制模块，用于从所述瓦斯抽采单元中确定第一扰动单元和第二扰动单元，调节对应抽采阀门或抽采负压，使第一扰动单元的瓦斯抽采流量增加、第二扰动单元的瓦斯抽采流量减少，且第一扰动单元的流量增加量与第二扰动单元的流量减少量之间的差值处于预设波动范围；异常响应确定模块，用于获取扰动后除第一扰动单元和第二扰动单元对应瓦斯源之外的其他瓦斯源的瓦斯流量变化，确定其中超过扰动前正常波动范围的异常响应量；传播分析模块，用于根据所述异常响应量在不同瓦斯源之间的出现位置及先后关系确定异常响应传播范围；预测模块，用于根据所述异常响应传播范围及各瓦斯源对应的异常响应量，确定目标区域的瓦斯涌出预测等级，生成瓦斯涌出预测结果。

14、根据本技术提供的具体实施例，本技术公开了以下技术效果：

15、本技术通过在两个不同瓦斯抽采单元之间构造流量增减基本相互抵消的受控扰动，使目标区域总体抽采流量保持相对稳定，从而降低整体抽采工况变化对瓦斯响应判断的干扰；在此基础上，进一步提取其他瓦斯源超出扰动前正常波动范围的异常响应，并结合异常响应在不同瓦斯源之间的出现位置及先后关系确定传播范围，能够更加突出潜在瓦斯运移联系及局部异常释放状态。通过综合异常响应传播范围和异常响应量确定瓦斯涌出预测等级，可在明显瓦斯涌出形成前获得区域异常变化趋势，提高瓦斯涌出预测的针对性、可解释性及可靠性。

16、当然，实施本技术的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。