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基于激光诱导荧光技术的煤矿水源识别研究

光谱学与光谱分析 2020年第7期40卷 2176-2181页

作者：闫鹏程尚松行周孟然胡锋刘瑜安徽理工大学深部煤矿采动响应与灾害防控国家重点实验室安徽淮南232001 安徽理工大学电气与信息工程学院安徽淮南232001

快速准确的识别煤矿含水层水源对于煤矿突水预警及灾后救援意义重大,针对传统水源识别耗时较长,不适宜构建在线式预警系统,提出使用激光诱导荧光技术用于煤矿水源类型识别的方法。利用激光激发待测水样,获取其荧光光谱,结合模式识别对... 详细信息

快速准确的识别煤矿含水层水源对于煤矿突水预警及灾后救援意义重大,针对传统水源识别耗时较长,不适宜构建在线式预警系统,提出使用激光诱导荧光技术用于煤矿水源类型识别的方法。利用激光激发待测水样,获取其荧光光谱,结合模式识别对水源进行快速辨识。实验采集了淮南矿区谢桥煤矿的两种纯水样本-老空水与砂岩水,并根据不同混合比配成5种混合水样进行实验。首先针对获取的水源荧光光谱中可能会存在的各种噪声及干扰信息,采用SG、 Normalize、 Gapsegment求导、 Detrend和MSC 5种常用的光谱预处理算法对光谱数据进行处理。其次针对荧光光谱数据量过大,对数据进行PCA降维,作为对比6种预处理方式(含原始光谱)主成分数皆取3,结果显示SG预处理累计贡献度最大,为97.26%;其次是原始光谱,为92.38%, Normalize与Detrend累计贡献度相差不大,分别为88.04%和87.59%, MSC为66.41%, Gapsegment最差,为22.65%。最后分别对PCA降维后的数据使用线性LDA以及非线性RBF-SVM模型进行识别对比。使用LDA进行建模, SG-PCA-LDA正确率最高,达到了98.86%,依据建立的LDA模型,对验证集数据进行识别, SG-PCA-LDA的正确率依然最高,为100%。使用RBF-SVM进行建模, Original-PCA-RBF-SVM, SG-PCA-RBF-SVM, Normalize-PCA-RBF-SVM正确率最高,皆为97.14%,依据建立的RBF-SVM模型,对验证集数据进行识别, Original-PCA-RBF-SVM和SG-PCA-RBF-SVM正确率依然最高,为97.14%。对比两类模型可以发现, LDA验证集正确率较建模集有一定的提升,而RBF-SVM验证集正确率较建模集有小幅度降低,说明LDA模型对于此煤矿水源荧光光谱数据的泛化能力较好,且成功率较高。结果表明, SG-PCA-LDA模型结合激光诱导荧光技术是一种较佳的应用于本地煤矿水源识别的方法,且验证了对老空水、砂岩水的纯水样和混合水样识别的可能性,可以推广到煤矿其他混合水源的识别中。

关键词：激光诱导荧光技术水源识别煤矿含水层 LDA RBF-SVM

LIF技术与SIMCA算法在煤矿突水水源识别中的研究

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光谱学与光谱分析 2016年第9期36卷 243-247页

作者：闫鹏程周孟然刘启蒙张开远何晨阳安徽理工大学电气与信息工程学院安徽淮南232001 矿山地质灾害防治与环境保护安徽省重点实验室安徽淮南232001 安徽理工大学地球与环境学院安徽淮南232001

煤矿突水水源类型的快速识别对于煤矿水害预警防治意义重大。针对传统水化学方法水源识别耗时较长的问题,提出一种基于激光诱导荧光光谱(LIF)技术与簇类的独立软模式(SIMCA)算法的煤矿突水水源快速识别方法。激光诱导荧光光谱技术具有... 详细信息

煤矿突水水源类型的快速识别对于煤矿水害预警防治意义重大。针对传统水化学方法水源识别耗时较长的问题,提出一种基于激光诱导荧光光谱(LIF)技术与簇类的独立软模式(SIMCA)算法的煤矿突水水源快速识别方法。激光诱导荧光光谱技术具有分析速度快、灵敏度高等特点,在激光器的辅助下,荧光光谱仪实时采集荧光光谱,根据水样的荧光光谱即可进行水源类型识别,在数据库完备的情况下,只需几秒即可进行煤矿水源判断,对于煤矿的水害预警以及灾后救援来说意义重大。实验利用405nm激光器发射激光,打入被测水体,得到五种常见突水水样的共100组荧光光谱,对各水样的荧光光谱进行光谱预处理。每种水样使用15组共75组荧光光谱作为预测集,剩余的25组水样的荧光光谱作为测试集。利用主成分分析(PCA)分别对五种水样进行建模,而后依据所建模型进行SIMCA分类。实验发现不同水样的荧光光谱差异明显,经过Gaussian-Filter预处理后的荧光光谱,在主成分数为2,显著性程度α=5%的情况下,利用SIMCA算法进行水样分类,预测集和测试集的正确率皆为100%。

关键词：煤矿突水水源识别激光诱导荧光光谱簇类的独立软模式主成分分析

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拉曼光谱联合WOA特征筛选的矿井水源识别方法研究

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光谱学与光谱分析 2024年第4期44卷 1039-1044页

作者：周茗皓陈小刚崔继峰卞凯胡锋内蒙古工业大学理学院内蒙古呼和浩特010051 安徽理工大学电气与信息工程学院安徽淮南232001

在矿井突水灾害防治过程中,准确、快速判别突水水源类型对煤矿安全生产意义非常重大,而传统的水化学方法存在耗时长、检测复杂等不足,为此提出采用拉曼光谱进行矿井突水水源辨识这一新思路。首先从淮南矿区采集老空水、顶板砂岩裂隙水... 详细信息

在矿井突水灾害防治过程中,准确、快速判别突水水源类型对煤矿安全生产意义非常重大,而传统的水化学方法存在耗时长、检测复杂等不足,为此提出采用拉曼光谱进行矿井突水水源辨识这一新思路。首先从淮南矿区采集老空水、顶板砂岩裂隙水、奥灰水、太灰水和地表水以及它们混合的水样作为实验对象,并借助拉曼光谱系统收集水样的拉曼光谱数据。随后,采用常见的光谱预处理方法对原始拉曼光谱进行降噪。接着,采用鲸鱼优化算法(WOA)对水样的拉曼光谱进行特征信息筛选,得到最能够表征矿井水样的特征拉曼信息。最后,将筛选出的特征拉曼信息作为输入,分别构建BP神经网络(BPNN)、K-近邻算法(KNN)、支持向量机(SVM)、决策树(DT)以及朴素贝叶斯(NB)分类模型,以此来验证拉曼光谱结合WOA筛选特征拉曼信息用于矿井水源识别的可行性。实验证明:利用WOA可以从2048个拉曼数据点中筛选得到102个特征拉曼信息,将拉曼信息的点数缩减为原来的4.98%,而且WOA筛选的特征拉曼信息的建模精度高于全拉曼数据建模精度,此外,采用WOA筛选的特征拉曼信息构建BPNN、KNN、SVM、DT和NB水源辨识模型时,其分析速度都有着不同程度的提升。研究结果表明,采用WOA筛选矿井水源拉曼光谱的特征信息,可以有效地减少拉曼光谱数据的冗余,提升拉曼光谱分析的速度,这可以为矿井水源的快速检测提供借鉴。

关键词：拉曼光谱矿井突水水源识别鲸鱼优化算法特征筛选

基于Piper-层次聚类-灰色关联度的突水水源识别

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煤炭科学技术 2024年第S1期52卷 221-227页

作者：潘军庆阳新庄煤业有限公司新庄煤矿甘肃庆阳745203

快速准确地识别煤矿突水的来源对于煤矿安全开采十分重要,是煤矿防治水的基础工作。基于Piper三线图-层次聚类-灰色关联度的综合方法对甘肃省某煤矿的突水水源进行了识别。工作面井下排水、断层裂隙水和顶板砂岩裂隙水的水化学类型均为S... 详细信息

快速准确地识别煤矿突水的来源对于煤矿安全开采十分重要,是煤矿防治水的基础工作。基于Piper三线图-层次聚类-灰色关联度的综合方法对甘肃省某煤矿的突水水源进行了识别。工作面井下排水、断层裂隙水和顶板砂岩裂隙水的水化学类型均为SO_(4)-K·Na型水,地表水水化学类型为SO_(4)·HCO_(3)-Ca型水。在Piper三线图中,井下排水与其他类型水在图中的距离较远,初步判断井下排水是来自多种水源的混合水。通过层次聚类分析得到煤层开采产生的井下排水与顶板砂岩裂隙水以及断层裂隙水的水质特征相对距离较近,特征类似。最后,采用灰色关联度判别模型进行判断,结果表明煤层顶板裂隙水以及断层裂隙水与井下排水的关联度较好。综合上述3种方法可知,工作面开采产生的井下排水主要来源于顶板砂岩水和断层裂隙水,与地表水的关系较小。推测可能是在开采过程中地层扰动导致的顶板水补给以及导水裂隙带导通孔隙水补给。因此,顶板含水层和导水裂隙带的研究与探查是该煤矿今后防治水工作的重点。

关键词：矿井突水水源识别水化学特征 Piper三线图层次聚类灰色关联度

基于PCA-AWOA-ELM模型的矿井突水水源识别

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煤炭科学技术 2023年第3期51卷 182-189页

作者：于小鸽刘燚菲翟培合江西应用技术职业学院江西赣州341000 山东科技大学资源学院山东泰安271019 山东科技大学地球科学与工程学院山东青岛266590

矿井突水是煤矿生产过程最具威胁的灾害之一,为了保障煤矿安全生产,提高矿井突水水源识别精度,提出一种基于改进鲸鱼优化算法(AWOA)耦合极限学习机的水源识别模型。以岱庄煤矿为例,选取Na^(+)、Ca^(2+)、Mg^(2+)、Cl^(-)、SO_(4)^(2-)、... 详细信息

矿井突水是煤矿生产过程最具威胁的灾害之一,为了保障煤矿安全生产,提高矿井突水水源识别精度,提出一种基于改进鲸鱼优化算法(AWOA)耦合极限学习机的水源识别模型。以岱庄煤矿为例,选取Na^(+)、Ca^(2+)、Mg^(2+)、Cl^(-)、SO_(4)^(2-)、HCO_(3)^(-)作为判别指标,基于SPSS因子分析提取评价指标主成分,6种离子间相关性较大,Ca^(2+)和Mg^(2+),Ca^(2+)、Mg^(2+)与SO_(4)^(2-)、Cl^(-)之间的相关性均达到了0.7以上,SO_(4)^(2-)和Cl^(-)之间的相关性也达0.68,通过主成分分析提取了3个主成分,从六维空间降低到三维空间,在减少了样本指标之间信息重复的同时,也减少了极限学习机输入层数量,提高了模型对各类型数据的泛化能力。其次,引入混沌动态权重因子和精英反向机制对鲸鱼算法进行改进,改进的鲸鱼优化算法克服了极限学习机权值阈值随机取值的缺点,混沌动态权重因子、精英反向机制的引入降低了模型计算复杂度,提高了算法精度,算法速度,跳出了局部寻优。通过训练38组样本数据,优化极限学习机的权值和阈值,最终构建PCA-AWOA-ELM水源识别模型,并对10组未知的测试样本进行预测。结果表明,PCA-AWOA-ELM模型的预测精度达100%,PCA-WOA-ELM模型精度为90%,PCA-ELM、ELM模型精度为60%,PCA-AWOA-ELM模型识别精度、运行速度、稳定性均明显高于PCA-WOA-ELM模型、PCA-ELM模型和ELM模型,为矿井安全生产提供了重要保障。

关键词：矿井突水水源识别主成分分析(PCA) 改进鲸鱼优化算法(AWOA) 极限学习机(ELM)

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矿井突水水源识别的距离判别分析模型

煤炭学报 2010年第2期35卷 278-282页

作者：周健史秀志王怀勇中南大学资源与安全工程学院湖南长沙410083 中国恩菲工程技术有限公司北京100038

应用距离判别分析理论,结合矿井含水层的水化学分析资料,选取6种离子组分的浓度作为突水水源识别的判别因子,建立矿井突水水源识别的距离判别分析模型;以35组采样的水源样品作为学习样本进行训练,建立相应线性判别函数对35组实测数据用... 详细信息

应用距离判别分析理论,结合矿井含水层的水化学分析资料,选取6种离子组分的浓度作为突水水源识别的判别因子,建立矿井突水水源识别的距离判别分析模型;以35组采样的水源样品作为学习样本进行训练,建立相应线性判别函数对35组实测数据用回代估计方法逐一进行检验,正确率为97.14%。将建立的模型对待识别的4个样本进行测试,并与实测结果进行比较。此外,利用本文方法对梧桐庄煤矿的突水水源进行了识别。研究结果表明:距离判别分析模型分类性能良好,预测精度高,回代估计的误判率为0.0286。

关键词：矿井突水水源识别距离判别分析(DDA)

基于PCA-RA的滨海矿井水源识别技术研究

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煤炭科学技术 2021年第2期49卷 217-225页

作者：陈绍杰刘久潭汪锋周景奎唐鹏飞高宗军山东科技大学能源与矿业工程学院山东青岛266590 山东能源龙口矿业集团梁家煤矿山东龙口265700 山东科技大学地球科学与工程学院山东青岛266590

煤炭开采过程中矿井水害的发生,严重威胁着煤矿的安全生产,确定水源数量和类型对于矿井水害的防治具有重要意义。为了明确滨海煤矿矿井水补给来源的数量和类型,以龙口梁家煤矿为例,对矿区内不同水体(矿井水、第四系水和地表塌陷区积水)... 详细信息

煤炭开采过程中矿井水害的发生,严重威胁着煤矿的安全生产,确定水源数量和类型对于矿井水害的防治具有重要意义。为了明确滨海煤矿矿井水补给来源的数量和类型,以龙口梁家煤矿为例,对矿区内不同水体(矿井水、第四系水和地表塌陷区积水)分别进行取样,并基于水化学和主成分分析-残差分析(PCA-RA)进行矿井水源识别。结果表明:梁家煤矿区内第四系水、地表塌陷区积水和矿井水中的主要化学组分含量差别较大,且受到了海水入侵作用的影响。就均值而言,矿井水中的阳阴离子质量浓度分别存在着ρ(Na^(+))>ρ(Ca^(2+))>ρ(Mg^(2+))>ρ(K^(+))和ρ(HCO_(3)^(-))>ρ(Cl-)>ρ(SO_(4)^(2))>ρ(Cl-)的关系。不同水体中,Cl-和Na+均为优势阴、阳离子,水化学类型以Na-Cl型为主,并且3种水体之间存在着一定的水力联系。选取的水化学数据适合进行PCA,但仅根据特征值大于1或是累计方差贡献率大于85%来确定主成分的数量,并不能很好地表征原始数据的全部信息。基于水化学和PCA-RA方法,确定了梁家煤矿矿井水共有5个补给来源,即海水、富HCO3基岩水、塌陷区积水、混合水和第四系水。PCA-RA法能有效地处理和表征原始水质数据信息,可更加合理地确定矿井水的补给来源类型和数量。研究结果可为滨海煤矿区的水害防治提供科学依据。

关键词：滨海煤矿区主成分分析残差分析水源识别梁家煤矿

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水源识别技术在涩北气田气井出水中的应用

天然气工业 2009年第7期29卷 76-78页

作者：孙虎法王小鲁成艳春李清路艳丽中国石油青海油田公司勘探开发研究院

出水是导致涩北气田气井产量不稳定、产量递减和天然气可采储量降低的主要因素,同时也加剧了气井的出砂。在进行水源定性分析的基础上,通过一系列的技术手段,将多种水源分析方法相结合,综合判断出水层位和出水原因。为此,建立了多因素... 详细信息

出水是导致涩北气田气井产量不稳定、产量递减和天然气可采储量降低的主要因素,同时也加剧了气井的出砂。在进行水源定性分析的基础上,通过一系列的技术手段,将多种水源分析方法相结合,综合判断出水层位和出水原因。为此,建立了多因素水源识别技术模式,并运用理论模型定量计算出凝析水、层内可动水的产出特征,实现了量化界定,提高了涩北气田气井出水水源识别的准确程度,对制订涩北气田防水治水措施起到了积极作用。

关键词：涩北气田气井出水水源识别出水分析

潞安矿区中部煤矿充水水源水化学特征及水源识别意义

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西北地质 2022年第1期55卷 208-215页

作者：杜金龙中煤地生态环境科技有限公司北京100070

采集了潞安矿区中部煤矿5类80份已知水源水样,利用PIPER三线图对不同来源水样水文地球化学特征进行了分析;利用聚类分析方法(Ward法)对三线图上存在重叠的砂岩水、太灰水与奥灰水进行分类,显示奥灰水与太灰水明显聚类,局部存在两者混合... 详细信息

采集了潞安矿区中部煤矿5类80份已知水源水样,利用PIPER三线图对不同来源水样水文地球化学特征进行了分析;利用聚类分析方法(Ward法)对三线图上存在重叠的砂岩水、太灰水与奥灰水进行分类,显示奥灰水与太灰水明显聚类,局部存在两者混合,砂岩水则与上述两者难以区分;最后利用Bayes模型建立了不同水源判别函数(自我检验准确率达91.5%),对采集的19个矿井涌水水样进行了识别,识别出顶板砂岩水样12个,地表水、孔隙水样4个,太灰水样3个;对于后验概率不高的水样(低于80%)存在水源混合的可能性。

关键词：潞安矿区充水水源水化学特征水源识别