一种基于配风瓦斯耦合的煤矿隐蔽采掘面智能识别方法与流程

本发明涉及煤矿安全监测与智能通风，具体为一种基于配风瓦斯耦合的煤矿隐蔽采掘面智能识别方法。

背景技术：

1、煤矿隐蔽采掘活动会破坏矿井原有的通风系统平衡，带来严重的安全隐患。在现有的矿井通风与瓦斯监测体系中，针对隐蔽采掘面的排查工作面临诸多技术瓶颈。

2、在通风状态监测方面，传统排查手段主要依赖人工测风或简单的静态风量比对，这种常规方式难以将隐蔽采掘面接入所引发的微弱空气动力学阻抗突变从矿井正常的背景风流波动中分离出来，导致难以准确锁定发生阻力异动的目标通风分支以及隐蔽用风节点。

3、在瓦斯异常预警方面，现有的监测系统通常仅依赖瓦斯浓度超限阈值进行报警，当出现未解释的瓦斯涌出异常时，系统只能给出定性的异常提示，缺乏基于气体运移物理规律的深度解析机制，无法定量反推出未知瓦斯源距离下游甲烷传感器的实际物理运移距离，由于无法同时获取异常通风分支的拓扑位置与瓦斯源的相对物理运移距离，现有技术无法进行多维数据的几何轨迹寻迹与空间交汇，进而无法生成疑似隐蔽采掘面开口的确切物理空间坐标及现场核查路径，这导致矿井安监人员在实际排查非法盗采作业时缺乏直观的现场物理位置指引，往往只能依靠经验进行大范围搜寻，整体排查与取证效率低下。

技术实现思路

1、针对现有技术的不足，本发明提供了一种基于配风瓦斯耦合的煤矿隐蔽采掘面智能识别方法，解决了现有技术中矿井隐蔽采掘面识别严重依赖人工排查、缺乏定量空间物理坐标溯源手段的问题。

2、为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：一种基于配风瓦斯耦合的煤矿隐蔽采掘面智能识别方法，包括：

3、建立矿井静态通风基线与数据空间映射，获取有向通风网络拓扑图、理论需风量基线与已知分源瓦斯涌出量动态基线；

4、注入风压微扰信号并启动锁相联动采样，获取相位对齐的风速时间序列数据与瓦斯浓度时间序列数据；

5、计算实测总回风量与各主要用风地点实测配风量之和的配风差额，在所述配风差额超出正常调节范围外的情况下判定存在额外用风需求，结合所述有向通风网络拓扑图中的巷道断面属性将所述风速时间序列数据转化为风量时间序列数据，基于所述风量时间序列数据构建实测微扰响应雅可比矩阵，结合理论雅可比矩阵进行阻抗残差解算，将发生空气动力学阻抗突变的通风分支锁定为目标拓扑分支；

6、基于合法爆破产生的瓦斯浓度脉冲的时序波形，标定特定通风分支的实际纵向频散系数；

7、基于所述瓦斯浓度时间序列数据与所述已知分源瓦斯涌出量动态基线提取未解释的瓦斯涌出残差，对所述未解释的瓦斯涌出残差进行相干性滤波得到有效残差脉冲，并将所述实际纵向频散系数代入逆向解算模型，计算未知瓦斯源距离下游甲烷传感器的实际运移距离；

8、提取所述目标拓扑分支在采掘工程平面图中的三维空间走向曲线，结合所述实际运移距离进行空间几何交汇，生成疑似隐蔽采掘面区域的确切物理空间坐标。

9、本发明的核心创新原理在于：将流体力学中的微扰响应分析与气体一维对流扩散模型相结合，建立阻抗拓扑定位与频散距离逆算的联合三维溯源机制，通过向矿井通风管网注入特定频率的风压微扰信号，利用相干性滤波将隐蔽采掘面带来的微弱空气动力学阻抗变化从背景噪声中分离，进而构建微扰雅可比矩阵定位异常分支，同时，利用合法爆破脉冲标定巷道瓦斯频散信道，基于波形展宽效应逆算未解释瓦斯源的物理运移距离，将拓扑分支的走向与逆向解算的实际运移距离进行空间几何交汇，实现隐蔽采掘面开口物理坐标的精确定量。

10、优选的，所述注入风压微扰信号并启动锁相联动采样，获取相位对齐的风速时间序列数据与瓦斯浓度时间序列数据，包括：

11、将周期性风压微扰信号的主动微扰角频率作为参考时钟信号下发至风速传感器与甲烷传感器；

12、风速传感器与甲烷传感器基于所述参考时钟信号生成频率为主动微扰角频率整数倍的同步采样时钟信号；

13、以同步采样时钟信号为触发节拍进行同步采集，获取物理时间轴上相位对齐的风速时间序列数据与瓦斯浓度时间序列数据。

14、优选的，所述基于所述风量时间序列数据构建实测微扰响应雅可比矩阵，结合理论雅可比矩阵进行阻抗残差解算，包括：

15、提取风量时间序列数据在主动微扰角频率下的风量波动幅值；

16、将微扰风压幅值作为系统输入激励，将各通风分支提取的风量波动幅值作为系统输出响应，构建实测微扰响应雅可比矩阵；

17、依照流体力学管网节点流量守恒与回路风压平衡关系计算各通风分支理论风量对微扰节点理论风压的偏导数，组合为理论雅可比矩阵；

18、对实测微扰响应雅可比矩阵以及理论雅可比矩阵分别进行矩阵求逆运算，并将求逆后的实测微扰响应雅可比矩阵减去求逆后的理论雅可比矩阵，得到阻抗残差矩阵。

19、优选的，所述将发生空气动力学阻抗突变的通风分支锁定为目标拓扑分支，包括：

20、对阻抗残差矩阵进行特征值分解运算，提取大于预设判定阈值的特征值对应的矩阵特征向量；

21、定位矩阵特征向量中非零元素对应的矩阵列索引；

22、将矩阵列索引与有向通风网络拓扑图进行空间比对，根据空间编码映射关系将矩阵列索引还原为具体的通风拓扑分支；

23、当判定具体的通风拓扑分支的风压风量关系曲线斜率发生无报备风门调节记录或贯通记录的突变时，将具体的通风拓扑分支锁定为目标拓扑分支。

24、优选的，所述基于合法爆破产生的瓦斯浓度脉冲的时序波形，标定特定通风分支的实际纵向频散系数，包括：

25、获取火工品报备事件信息并将其映射到有向通风网络拓扑图的特定通风分支中；

26、在布置于特定通风分支内的甲烷传感器探测到合法报备的爆破作业产生的瓦斯浓度脉冲时，提取瓦斯浓度脉冲在锁相采样模式下的时序波形，并计算瓦斯浓度脉冲的时序波形在时间轴上的波形展宽方差；

27、提取已知的爆破地点到下游甲烷传感器的物理距离，获取风速传感器同步采集的平均风速；

28、利用波形展宽方差、物理距离以及平均风速标定特定通风分支在当前工况下的实际纵向频散系数，实际纵向频散系数的具体计算方法为：将波形展宽方差乘以平均风速的立方，再除以两倍的物理距离，计算得到实际纵向频散系数。

29、优选的，所述基于所述瓦斯浓度时间序列数据与所述已知分源瓦斯涌出量动态基线提取未解释的瓦斯涌出残差，对未解释的瓦斯涌出残差进行相干性滤波得到有效残差脉冲，包括：

30、获取总回风或分区回风的风量与甲烷浓度，将总回风或分区回风的风量乘以甲烷浓度以及单位换算系数生成实际风排瓦斯涌出量；

31、将实际风排瓦斯涌出量减去已知分源瓦斯涌出量动态基线以及合法爆破扰动解释量，计算得到未解释的瓦斯涌出残差；

32、提取未解释的瓦斯涌出残差的残差时序波形，对残差时序波形与周期性风压微扰信号进行频域转换；

33、计算残差时序波形与周期性风压微扰信号的互交叉相干函数，并提取互交叉相干函数在主动微扰角频率处的相干系数值；

34、当相干系数值大于设定的相干性判定阈值时，将具备主动微扰角频率调制特征的残差时序波形确认为有效残差脉冲。

35、优选的，所述将所述实际纵向频散系数代入逆向解算模型，计算未知瓦斯源距离下游甲烷传感器的实际运移距离，包括：

36、提取有效残差脉冲的时间偏度特征，计算有效残差脉冲在时间轴上的残差波形展宽方差；

37、将实际纵向频散系数代入一维对流扩散方程的逆向解算模型中；

38、将残差波形展宽方差乘以平均风速的立方，再除以两倍的实际纵向频散系数，计算得到未知瓦斯源距离下游甲烷传感器的实际运移距离。

39、优选的，所述结合所述实际运移距离进行空间几何交汇，生成疑似隐蔽采掘面区域的确切物理空间坐标，包括：

40、获取下游甲烷传感器在三维空间走向曲线上的基准空间坐标；

41、以基准空间坐标为起点沿着三维空间走向曲线逆着通风气流方向进行几何轨迹寻迹，在寻迹的曲线长度等于实际运移距离时，将寻迹的终点确认为确切物理空间坐标；

42、调取配风差额沿着进风至用风地点至回风路径追踪得到的额外用风方向，提取阻力异动沿着风门以及密闭寻找得到的风路变化位置；

43、将确切物理空间坐标与额外用风方向以及风路变化位置进行空间几何交汇，生成疑似隐蔽采掘面区域；

44、提取配风差额的持续时间与偏离幅度并映射为配风差额置信度得分，提取阻抗残差矩阵中目标拓扑分支的特征值变化量并映射为阻抗残差置信度得分，提取有效残差脉冲的互交叉相干系数值并映射为瓦斯残差频散置信度得分；

45、将配风差额置信度得分、阻抗残差置信度得分与瓦斯残差频散置信度得分分别乘以对应的预设权重系数后进行加权求和，生成疑似隐蔽采掘面的综合预警评分；

46、在综合预警评分大于预设评分阈值时，在有向通风网络拓扑图中进行寻径规划，生成通往疑似隐蔽采掘面区域的现场核查路径。

47、本发明第二方面提供一种基于配风瓦斯耦合的煤矿隐蔽采掘面智能识别系统，包括：

48、矿井环境感知网络，包含部署于各分支巷道内的风速传感器与甲烷传感器，用于采集物理时间轴上相位对齐的风速时间序列数据与瓦斯浓度时间序列数据；

49、微扰执行机构，用于向矿井通风管网注入周期性风压微扰信号；

50、中央处理计算平台，分别与矿井环境感知网络及微扰执行机构通信连接，中央处理计算平台被配置为执行上述第一方面所述的基于配风瓦斯耦合的煤矿隐蔽采掘面智能识别方法的。

51、本发明提供了一种基于配风瓦斯耦合的煤矿隐蔽采掘面智能识别方法。具备以下有益效果：

52、1、本发明通过向矿井通风管网注入周期性风压微扰信号，并结合锁相联动采样获取风量时间序列数据，构建实测与理论微扰响应雅可比矩阵进行阻抗残差解算，能够将隐蔽采掘面接入通风系统引发的微弱空气动力学阻抗突变特征从背景波动中分离，进而准确定位发生阻力异动的目标拓扑分支，解决了传统单一依靠人工测风难以发现隐蔽用风节点的问题。

53、2、本发明利用合法爆破产生的瓦斯浓度脉冲时序波形标定通风分支的实际纵向频散系数，并将提取出的有效残差脉冲的波形展宽方差代入一维对流扩散方程的逆向解算模型，实现了对未知瓦斯源距离下游甲烷传感器物理运移距离的定量计算，克服了现有技术中瓦斯异常报警只能定性提示而无法定量反推瓦斯源物理距离的技术缺陷。

54、3、本发明提取目标拓扑分支在采掘工程平面图中的三维空间走向曲线，结合逆向解算得到的实际运移距离进行几何轨迹寻迹与空间交汇，并对配风差额、阻抗残差与瓦斯残差等多维证据进行加权综合评分，生成疑似隐蔽采掘面区域的确切物理空间坐标以及现场核查路径，为矿井安监人员提供了直观的现场物理位置指引，提升了矿井非法盗采作业的排查效率。