冲击地压电磁辐射前兆信息的时间序列数据挖掘及群体识别体系研究

论文摘要

电磁辐射技术已经在国内多个煤矿用于冲击地压灾害的预测。如何有效地识别冲击地压电磁辐射监测数据中的前兆信息,研究冲击地压电磁辐射前兆特征,实现冲击地压准确预报,是电磁辐射预测技术今后的发展方向。本文实验室研究了冲击煤岩的电磁辐射特征,现场测试和分析了工作面应力变化和不同构造的电磁辐射响应规律;运用时间序列数据挖掘方法,对冲击地压电磁辐射监测数据进行处理和挖掘,对冲击地压电磁辐射前兆信息进行了定量识别,建立了冲击地压电磁辐射前兆信息群体识别体系。(1)实验研究了冲击煤岩在全应力应变峰前、峰后阶段以及煤岩摩擦的电磁辐射特征。煤岩在全应力应变峰前阶段的电磁辐射信号随应力增加而增强,在峰后阶段随应力降低呈先上升后下降的趋势;煤岩摩擦面切应力的增加和加载速率的增加,使得电磁辐射信号增强。(2)现场测试和分析了工作面应力变化和不同构造的电磁辐射响应规律。电磁辐射的测试结果能够反映工作面应力分布及变化的规律;断层和褶曲等地质构造周围的电磁辐射信号有异常反映。(3)运用传统时间序列分析方法对冲击地压电磁辐射前兆数据进行了分析,并采用变量R聚类的数据挖掘方法,度量了冲击地压电磁辐射前兆子序列的相似性。研究表明,有冲击危险的电磁辐射数据是一个非白噪声平稳序列,蕴含有可提取的前兆信息,可以用ARMA时间序列模型来拟合及预测;依据相似性度量结果能够对监测范围进行危险性区域划分,确定冲击地压的重点防治区域。(4)建立了以均值和方差为参数的电磁辐射强度异常判别及预警准则,提出了个体和群体电磁辐射异常的判别指标,对冲击地压电磁辐射前兆信息进行了定量识别。结果表明,电磁辐射强度异常判别及预警准则能够评价电磁辐射异常的危险程度,个体和群体电磁辐射异常判别指标能够对前兆信息进行有效识别。(5)基于冲击地压电磁辐射前兆信息的定量识别,建立了冲击地压电磁辐射前兆群体识别体系,并进行了验证。结果表明,该体系的三个识别层次(包括:个体异常识别、子群体异常识别和群体异常识别)能够对冲击地压电磁辐射前兆信息进行有效的提取和识别。本文的创新性主要体现在冲击地压电磁辐射前兆的时间序列数据挖掘和前兆信息群体识别研究两个方面。本文对冲击地压电磁辐射前兆信息的识别进行了比较系统的研究,对冲击地压的预测具有重要的理论和实用价值。

论文目录

• 致谢
• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 论文研究目的及意义
• 1.2 冲击地压机理、判据及预测方法综述
• 1.2.1 冲击地压机理及判据
• 1.2.2 冲击地压预测方法
• 1.3 电磁辐射法预测冲击地压的研究综述
• 1.3.1 煤岩电磁辐射研究现状
• 1.3.2 电磁辐射预测冲击地压研究现状
• 1.4 存在的问题及不足
• 1.5 主要研究内容及创新点
• 1.5.1 主要研究内容
• 1.5.2 主要创新点
• 2 时间序列分析和数据挖掘理论
• 2.1 时间序列分析
• 2.1.1 时间序列的定义
• 2.1.2 时间序列分析研究现状
• 2.1.3 时间序列的特征、分类及适用模型
• 2.1.4 时间序列分析软件SAS
• 2.2 数据挖掘
• 2.2.1 数据挖掘的定义
• 2.2.2 数据挖掘的一般过程
• 2.2.3 数据挖掘的主要技术
• 2.3 时间序列数据挖掘
• 2.3.1 时间序列数据挖掘的定义
• 2.3.2 时间序列数据挖掘研究现状
• 2.3.3 时间序列相似性度量
• 2.4 小结
• 3 影响冲击的应力变化和地质构造的电磁辐射响应规律
• 3.1 冲击地压和应力变化、构造的关系
• 3.1.1 冲击地压概念的确定
• 3.1.2 应力变化与冲击地压的关系
• 3.1.3 冲击地压与构造的关系
• 3.1.4 应力变化和构造对冲击地压的综合作用
• 3.2 工作面应力分布和变化的电磁辐射响应规律
• 3.2.1 电磁辐射监测工作面应力变化的可行性
• 3.2.2 回采工作面应力变化的电磁辐射响应规律
• 3.2.3 掘进工作面的电磁辐射响应规律
• 3.3 不同构造的电磁辐射响应规律
• 3.3.1 断层附近的电磁辐射响应规律
• 3.3.2 褶曲附近的电磁辐射响应规律
• 3.3.3 其他构造的电磁辐射响应规律
• 3.4 小结
• 4 冲击煤岩的电磁辐射实验特征及冲击地压前兆研究
• 4.1 冲击地压与煤岩全应力应变及峰后特征的相关性
• 4.1.1 冲击地压与煤岩全应力应变的相关性
• 4.1.2 冲击地压与煤岩峰后特性的相关性
• 4.2 冲击煤岩变形破坏的电磁辐射实验特征
• 4.2.1 冲击煤岩变形破坏的电磁辐射实验系统
• 4.2.2 煤岩全应力应变及峰后的电磁辐射特征
• 4.2.3 煤岩摩擦的电磁辐射特征
• 4.3 煤岩体变形破坏的电磁辐射产生机理
• 4.3.1 压电效应机理
• 4.3.2 摩擦起电及摩擦热激发电子机理
• 4.3.3 煤岩变形及裂纹扩展过程中的电荷分离
• 4.4 冲击地压的电磁辐射前兆规律及机理
• 4.4.1 冲击地压的电磁辐射前兆规律
• 4.4.2 冲击地压电磁辐射机理
• 4.5 小结
• 5 冲击地压电磁辐射时序分析及数据挖掘
• 5.1 冲击地压电磁辐射时序数据的特点及参数定义
• 5.1.1 冲击地压电磁辐射时序数据特点
• 5.1.2 冲击地压电磁辐射参数定义
• 5.2 现行的电磁辐射数据处理及危险预测
• 5.2.1 现行的电磁辐射数据处理
• 5.2.2 现行的电磁辐射危险预测
• 5.3 基于时序分析的电磁辐射数据处理及预测
• 5.3.1 基于时序分析的电磁辐射数据处理
• 5.3.2 无危险状态电磁辐射序列的时序特征
• 5.3.3 基于时序分析的电磁辐射冲击预测
• 5.4 冲击电磁辐射时序数据挖掘
• 5.4.1 时间序列相似性的度量
• 5.4.2 聚类分析的相似性度量
• 5.4.3 电磁辐射时间序列的相似性度量实例
• 5.5 小结
• 6 冲击地压电磁辐射前兆信息的群体识别
• 6.1 冲击地压的发生概况
• 6.1.1 鹤岗矿区的地质构造及矿震统计
• 6.1.2 工作面的地质及开采情况
• 6.1.3 工作面冲击地压统计
• 6.2 冲击地压的电磁辐射前兆异常特征曲线
• 6.2.1 “12.12 冲击”的电磁辐射前兆异常特征曲线
• 6.2.2 “1.12 冲击”的电磁辐射前兆异常特征曲线
• 6.2.3 “1.19”有危险状态的电磁辐射前兆异常特征曲线
• 6.2.4 “5.11 冲击”的电磁辐射前兆异常特征曲线
• 6.3 冲击地压电磁辐射前兆的群体信息识别
• 6.3.1 个体电磁异常的判别准则及时空迁移
• 6.3.2 个体的电磁辐射异常特征
• 6.3.3 个体电磁辐射异常的识别指标
• 6.3.4 群体定义及群体电磁辐射异常识别指标
• 6.3.5 冲击地压的电磁辐射前兆信息识别体系
• 6.4 冲击地压电磁辐射前兆群体识别体系的验证
• 6.4.1 “12.12 冲击”电磁辐射异常的群体识别
• 6.4.2 “1.19 有危险”电磁辐射异常的群体识别
• 6.4.3 “5.11 冲击”电磁辐射异常的群体识别
• 6.5 小结
• 7 总结与展望
• 7.1 总结
• 7.2 展望
• 参考文献
• 作者简历
• 学位论文数据集