一种煤矿回采工作面低氧成因识别与协同治理方法及系统

本发明涉及煤矿通风与矿井安全智能控制，具体涉及一种煤矿回采工作面低氧成因识别与协同治理方法及系统，尤其涉及一种基于多源监测数据有效性校验、低氧风险量化、低氧成因置信度识别、安全优先级仲裁、通风与均压挡风协同调控、受限含氧空气补给安全联锁、模糊pid自整定控制以及复核防振荡机制的煤矿回采工作面低氧闭环治理技术。

背景技术：

1、煤矿回采工作面、回风隅角以及采空区邻近区域受工作面供风变化、局部风流短路、进回风压力分布失衡、采空区气体涌入、煤氧化耗氧、瓦斯涌出及设备运行扰动等因素影响，可能出现氧气浓度降低现象。低氧环境不仅会影响井下作业人员的生理状态和作业安全，还可能与甲烷积聚、一氧化碳升高、采空区漏风及煤自燃风险相互耦合，形成具有多参数关联特征的复合安全风险。

2、现有煤矿低氧监测方式通常以氧气浓度是否低于预设阈值作为报警依据。该方式能够判断监测位置是否出现低氧，但难以进一步区分低氧是由有效供风不足、均压状态异常、采空区气体涌入、煤氧化耗氧还是传感器异常引起。不同低氧成因可能表现出相近的氧气浓度下降现象，而其对应的治理方向并不相同，仅依靠单一氧气浓度指标容易导致低氧成因误判和治理措施选择不当。

3、现有监测系统在出现单个氧气浓度测点突降时，通常缺少相邻测点趋势校验以及氧气浓度与风速、压差、甲烷浓度和一氧化碳浓度之间的协同变化校验。当传感器发生瞬时漂移、通信异常或局部测量失真时，系统可能将异常数据直接作为低氧事件输入控制过程，进而引起辅助通风机、风门、风窗或其他执行机构误动作。

4、现有低氧治理措施主要包括增加风量、调节风门或风窗、设置挡风设施以及局部补充含氧气体。然而，低氧成因不同，对应调控措施及安全边界亦存在差异。当低氧由供风不足引起时，提高有效风量能够改善氧气浓度；当低氧由均压失衡或采空区气体涌入引起时，盲目增风可能改变工作面与采空区之间的压差和漏风路径；当存在煤氧化耗氧、一氧化碳持续升高或火灾征兆时，直接补充含氧气体可能改变局部氧化条件。因此，通风调节、均压挡风调节和含氧空气补给不能采用固定且相互独立的控制方式。

5、现有低氧治理系统通常缺少报警撤人、通风与均压挡风调控以及含氧空气补给之间的安全优先级和冲突仲裁机制，也未充分考虑甲烷浓度、一氧化碳浓度、风速、压差、火灾征兆、通信状态、设备状态及补给管路状态等安全约束。当高风险状态已经触发报警撤人条件时，若系统仍继续执行含氧空气补给或其他低优先级调控动作，可能增加次生灾害风险。

6、此外，煤矿回采工作面的风量、压差和气体浓度具有非线性、时变性和相互耦合特征。采用固定参数pid控制时，难以同时兼顾调控响应速度、稳态误差和控制超调，容易造成辅助通风机功率、均压风门开度、调节均压风窗开度、挡风帘状态或含氧空气补给流量频繁变化。现有系统在控制输出限幅、单步调节约束、补给流量爬坡限制以及安全条件失效后的故障关闭方面仍有不足。

7、同时，现有低氧治理过程通常侧重于低氧发生后的即时动作，缺少调控后的复核时间窗、恢复条件连续判定、控制死区、执行机构最小保持时间和逐级退出机制。当氧气浓度发生小幅波动或风险指数短时变化时，系统容易在不同调控等级之间频繁切换；当治理措施过早解除时，还可能出现低氧风险反弹。

8、因此，亟需提供一种能够对多源监测数据进行有效性校验，联合判断低氧风险等级和低氧成因，在安全优先级约束下实施差异化协同调控，并通过复核防振荡机制实现稳定闭环治理的煤矿回采工作面低氧成因识别与协同治理方法及系统。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服现有煤矿回采工作面低氧监测和治理过程中存在的监测判据单一、异常数据容易引起误判断、低氧成因难以区分、不同治理措施之间缺少安全优先级、含氧空气补给缺少安全联锁、执行机构调节稳定性不足以及调控后缺少复核防振荡机制等问题，提供一种煤矿回采工作面低氧成因识别与协同治理方法及系统。

2、本发明通过对氧气浓度、甲烷浓度、一氧化碳浓度、风速和压力参数进行同步采集与有效性校验，构建低氧风险指数以表征低氧状态的严重程度，并基于多参数耦合变化计算不同低氧事件类型的置信度，以确定主导低氧成因、复合型低氧或不确定型低氧；根据识别结果、风险等级和安全约束条件，按照报警撤人、通风与均压挡风调控、受限含氧空气补给的安全优先级生成协同调控策略，并通过模糊pid自整定控制、安全联锁、复核时间窗、控制死区及最小保持时间，实现低氧风险的闭环治理。

3、为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

4、本发明提供一种煤矿回采工作面低氧成因识别与协同治理方法，包括如下步骤：

5、s1，利用布置于煤矿回采工作面、回风隅角、进风巷和进风隅角的传感器网络，按照统一采样周期采集氧气浓度、甲烷浓度、一氧化碳浓度、风速和压力参数，并将采集数据传输至矿井低氧智能联控平台。

6、s2，对采集数据进行传感器量程校验、数据突变校验、时序一致性校验、相邻测点变化趋势校验和多参数协同变化校验，将通过校验的数据确定为有效数据，并对疑似异常数据进行复核。

7、进一步地，当一个氧气浓度测点的变化幅度超过预设突变阈值，而相邻氧气浓度测点、风速、压差、甲烷浓度和一氧化碳浓度均未发生对应变化时，将该测点标记为疑似异常；仅在复核测点、复核采样或传感器自诊断确认真实低氧状态后，才将对应数据输入后续风险计算和成因识别过程。

8、s3，从有效数据中提取氧气浓度偏离量、氧气浓度下降速率、风速偏离量、进风隅角与回风隅角之间的压差偏离量、甲烷浓度变化率和一氧化碳浓度变化率，并对上述风险特征进行限幅归一化处理。

9、进一步地，低氧风险指数按照下式确定：

10、其中，依次表示第个采样周期的氧气浓度偏离量、氧气浓度下降速率、风速偏离量、压差偏离量、甲烷浓度变化率和一氧化碳浓度变化率的归一化值，并满足：

11、为对应风险特征的权重，并满足：

12、进一步地，所述权重可根据调控后的复核结果进行限幅修正并重新归一化，以防止修正后的权重出现负值或超过允许范围，并使低氧风险指数适应不同工作面的通风条件、采空区漏风特征和历史治理效果。

13、根据低氧风险指数确定低氧风险等级。所述低氧风险等级用于表征低氧风险的严重程度，但不替代煤矿现场适用的氧气浓度、甲烷浓度、一氧化碳浓度和风速安全限值；当实测氧气浓度低于对应监测地点规定的安全下限时，低氧风险等级不低于预警状态；当触发紧急报警或撤人条件时，直接进入危险状态。

14、s4，根据氧气浓度、风速、进风隅角与回风隅角之间的压差、甲烷浓度和一氧化碳浓度的耦合变化，分别计算供风不足型、均压失衡型、采空区气体涌入型、氧化耗氧型和传感器异常型的置信度。

15、进一步地，所述低氧事件类型包括低氧成因类型和监测异常类型；其中，低氧成因类型包括供风不足型、均压失衡型、采空区气体涌入型和氧化耗氧型，监测异常类型包括传感器异常型。为便于表述，以下将上述类型统称为低氧事件类型。

16、进一步地，第j类低氧事件类型的置信度按照下式确定：。

17、其中，为第j类低氧事件类型的判别条件数量，为第m个判别条件的权重，为对应判别条件在第k个采样周期的满足度，并满足：。

18、进一步地，对于采用阈值判断的判别条件，满足度可取0或1；对于具有连续变化特征的判别条件，满足度可根据监测值偏离相应阈值的程度确定。参数值越大越符合判别条件时，满足度可按照下式确定：。

19、进一步地，参数值越小越符合判别条件时，满足度可按照下式确定：。

20、其中，为对应判别参数的实测值，和分别为满足度变化区间的下限和上限。

21、进一步地，将各低氧事件类型置信度中的最大值和次大值分别记为和。当满足：，且满足：时，将最大置信度对应的低氧事件类型确定为主导类型。

22、进一步地，当最大置信度不低于预设置信度阈值，但最大置信度与次大置信度之差低于预设差值阈值时，判定为复合型低氧，并按照下式确定复合型低氧成因集合：

23、进一步地，当最大置信度低于预设置信度阈值时，判定为不确定型低氧，并启动加密采样、复核测点确认或传感器自诊断；在低氧成因尚未得到确认前，不启动含氧空气补给装置，也不依据单个疑似异常测点执行强制调控，但低氧风险等级已经达到报警或撤人条件的除外。

24、进一步地，供风不足型低氧的典型特征包括氧气浓度下降、进风巷风速低于允许范围，而压差、甲烷浓度变化率和一氧化碳浓度变化率未出现明显异常。

25、进一步地，均压失衡型低氧的典型特征包括氧气浓度下降，且进风隅角与回风隅角之间的压差持续偏离目标压差。

26、进一步地，模采空区气体涌入型低氧的典型特征包括氧气浓度下降、甲烷浓度或一氧化碳浓度升高，且压差方向表征采空区气体向工作面或回风隅角迁移。

27、进一步地，氧化耗氧型低氧的典型特征包括氧气浓度持续下降、一氧化碳浓度或其变化率持续升高，而甲烷浓度未出现对应幅度升高。

28、进一步地，传感器异常型的典型特征包括单个监测点发生异常变化，而相邻测点、风速、压差、甲烷浓度和一氧化碳浓度缺少协同响应。

29、s5，根据主导低氧成因、复合型低氧成因集合或不确定型低氧状态、低氧风险等级，以及甲烷浓度、一氧化碳浓度、风速、压差、火灾征兆、设备状态、通信状态和管路状态对应的安全约束条件，生成协同调控策略。

30、进一步地，所述协同调控策略按照从高到低的安全优先级依次为报警撤人、通风与均压挡风调控、受限含氧空气补给。当高优先级策略被触发时，停止执行与其相冲突的低优先级策略；当触发紧急报警或撤人条件时，立即停止含氧空气补给，并执行报警、撤人或其他紧急处置措施。

31、进一步地，当主导低氧成因为供风不足型低氧时，优先提高可调速辅助通风机功率、增大调节均压风窗开度或增加工作面有效供风量。

32、进一步地，当主导低氧成因为均压失衡型低氧时，优先调节均压风门、调节均压风窗或挡风帘，以调整工作面风量分配以及进风隅角与回风隅角之间的压差。

33、进一步地，当主导低氧成因为采空区气体涌入型低氧时，优先实施均压控流和挡风调节，并禁止启动含氧空气补给装置。

34、进一步地，当主导低氧成因为氧化耗氧型低氧时，优先实施通风稀释、一氧化碳预警以及防灭火系统或降温系统联动，并禁止启动含氧空气补给装置。

35、进一步地，当识别结果为传感器异常型时，优先执行复核采样、传感器自诊断和故障提示，不依据异常数据直接执行强制通风调控或含氧空气补给。

36、进一步地，当判定为复合型低氧时，采用复合型低氧成因集合中各成因共同允许的保守调控策略；当所述成因集合中包含采空区气体涌入型、氧化耗氧型或传感器异常型时，禁止启动含氧空气补给装置。

37、进一步地，含氧空气补给仅作为供风不足型低氧在通风调节、均压调节或挡风调节后仍未恢复时的辅助治理措施，不作为均压失衡型、采空区气体涌入型、氧化耗氧型、传感器异常型或不确定型低氧的直接治理措施。

38、进一步地，含氧空气补给装置仅在主导低氧成因为供风不足型低氧、常规调控已经执行预设复核周期且氧气浓度仍未达到恢复条件，并且甲烷浓度和一氧化碳浓度低于对应补给联锁限值、风速和压差处于允许范围、未检测到火灾征兆、设备通信状态和补给管路状态正常、未触发紧急报警或撤人指令时允许启动。

39、进一步地，所述火灾征兆根据一氧化碳浓度及其变化率、温度监测值、烟雾监测信号或矿井已有防灭火监测系统输出信号中的至少一种确定。

40、进一步地，所述含氧空气补给装置对补给气体的氧气体积分数、补给流量、补给持续时间和补给管路压力分别设置允许上限，并对补给流量实施爬坡约束；任一安全约束条件不满足时，通过常闭型切断阀使含氧空气补给装置保持关闭或故障关闭，且所述关闭动作独立于模糊pid控制算法执行。

41、s6，根据协同调控策略选择风速控制回路、压差控制回路或氧气浓度控制回路，以控制偏差和偏差变化率作为模糊推理输入，输出比例系数、积分系数和微分系数的修正量。

42、进一步地，模糊pid自整定控制模块对修正后的pid参数实施上下限约束，采用离散增量式pid算法计算控制增量，并对控制增量和执行机构最终输出分别实施单步变化量限幅、输出限幅和爬坡约束，以降低控制超调和执行机构频繁动作。

43、进一步地，当控制对象为可调速辅助通风机或调节均压风窗时，控制反馈量为风速或氧气浓度；当控制对象为均压风门、调节均压风窗或挡风帘时，控制反馈量为进风隅角与回风隅角之间的压差；当控制对象为含氧空气补给装置时，控制反馈量为氧气浓度或氧气浓度恢复速率。

44、s7，通过驱动控制器根据控制量驱动可调速辅助通风机、均压风门、调节均压风窗、挡风帘和含氧空气补给装置中的至少一种执行机构，实现通风调节、均压挡风调节或受限含氧空气补给。

45、进一步地，当含氧空气补给安全约束条件不满足时，含氧空气补给装置对应的控制输出强制置零，安全联锁关闭指令的优先级高于模糊pid控制指令。

46、s8，在每次调控动作完成后设置复核时间窗，在复核时间窗内重新采集氧气浓度、甲烷浓度、一氧化碳浓度、风速和压力参数，并重新计算低氧风险指数。

47、进一步地，当氧气浓度不低于预设恢复阈值、低氧风险指数不高于预设风险恢复阈值、氧气浓度不再下降、甲烷浓度和一氧化碳浓度未持续升高且压差处于稳定范围时，判定恢复条件成立。

48、进一步地，当恢复条件连续满足预设数量的采样周期后，每次仅降低一个调控等级，并在每次降级后重新启动复核时间窗和执行机构最小保持时间计时。

49、进一步地，当氧气浓度或低氧风险指数的变化量位于对应控制死区内，或者执行机构尚处于最小保持时间内时，维持当前调控等级，不执行反向调节。

50、进一步地，当降级后低氧风险指数升高超过预设反弹阈值，或者氧气浓度再次下降超过预设幅度时，判定为低氧风险反弹，恢复上一调控等级并重新计时。

51、进一步地，当触发紧急报警或撤人条件时，立即升级调控、关闭含氧空气补给装置并执行报警或撤人策略，所述紧急处置不受控制死区和执行机构最小保持时间限制。

52、本发明还提供一种煤矿回采工作面低氧成因识别与协同治理系统，用于实施上述方法。所述系统包括传感器网络、数据传输模块、矿井低氧智能联控平台、驱动控制器、执行机构和报警预警模块。

53、所述传感器网络包括氧气浓度传感器、附加氧气浓度传感器、甲烷传感器、一氧化碳传感器、风速传感器、第一压力传感器和第二压力传感器。

54、所述氧气浓度传感器、甲烷传感器、一氧化碳传感器和第一压力传感器布置于回风隅角；第二压力传感器布置于进风隅角，并与第一压力传感器共同用于确定进风隅角与回风隅角之间的压差；风速传感器布置于进风巷；附加氧气浓度传感器布置于工作面中部，用于对回风隅角氧气浓度监测结果进行相邻测点趋势校验和复核确认。

55、所述矿井低氧智能联控平台包括数据有效性校验模块、风险计算与分级模块、成因识别模块、安全约束判断模块、协同策略生成模块、模糊pid自整定模块以及复核监测与防振荡模块，各模块之间进行数据交互。

56、所述执行机构包括通风调节机构、均压挡风调节机构以及可选的含氧空气补给装置；所述通风调节机构包括可调速辅助通风机和调节均压风窗中的至少一种，所述均压挡风调节机构包括均压风门、调节均压风窗和挡风帘中的至少一种。

57、所述含氧空气补给装置包括含氧空气源、常闭型切断阀、止回组件、氧气体积分数监测组件、流量监测组件、压力监测组件以及阻燃防静电补给管路。

58、所述含氧空气源、控制部件和常闭型切断阀设置于进风侧安全位置，阻燃防静电补给管路延伸至目标低氧区域附近，补给出口朝向待治理区域。

59、所述安全约束判断模块通过独立安全联锁通道控制常闭型切断阀；当发生通信中断、传感器失效、设备故障、补给管路异常、甲烷浓度或一氧化碳浓度达到对应联锁限值、检测到火灾征兆或者接收到报警撤人指令时，独立安全联锁通道关闭常闭型切断阀，并将含氧空气补给装置的控制输出置零。

60、所述矿井低氧智能联控平台还可通过数据传输模块与矿井防灭火监测系统、温度监测系统、烟雾监测系统、调度系统、应急广播系统或人员定位系统进行数据交互，以接收火灾征兆、报警和撤人指令，或者输出防灭火、降温、报警及撤人联动信号。

61、与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

62、第一，本发明通过传感器量程、突变、时序一致性、相邻测点趋势和多参数协同变化校验，能够识别疑似异常数据，降低单一传感器异常引起低氧误判断和执行机构误动作的可能性。

63、第二，本发明通过低氧风险指数表征低氧严重程度，通过成因置信度表征低氧形成原因，并利用最大成因置信度与次大成因置信度之间的差值区分主导低氧成因、复合型低氧和不确定型低氧，提高了低氧识别结果的完整性和治理策略的针对性。

64、第三，本发明根据不同低氧成因选择通风、均压、挡风、防灭火联动或复核采样策略，并在复合型低氧条件下采用各成因共同允许的保守调控措施，避免采用单一增风或含氧空气补给措施处理不同类型低氧。

65、第四，本发明建立报警撤人、通风与均压挡风调控、受限含氧空气补给的安全优先级，并通过常闭型切断阀、独立安全联锁和故障关闭机制限制含氧空气补给的启动条件，降低不当补给引发次生风险的可能性。

66、第五，本发明通过模糊pid参数自整定、控制增量限制、执行机构输出限幅和补给流量爬坡约束，提高辅助通风机、均压风门、调节均压风窗、挡风帘和含氧空气补给装置的控制稳定性。

67、第六，本发明通过复核时间窗、恢复条件连续判定、控制死区、执行机构最小保持时间、逐级降级和风险反弹恢复机制，能够抑制执行机构频繁启停，降低治理措施过早退出造成低氧风险反弹的可能性。