Numerical analysis of time series of the mine air parameters

• Autorzy: Szywacz, J. , Wasilewski, S.

Warianty tytułu

PL

Analiza numeryczna szeregów czasowych parametrów powietrza kopalnianego

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

Implemented in coal mines, the systems for monitoring and control of gas hazards and ventilation performance provide a great number of data onto the surface. The purpose of those systems is current control maintained by the mine's dispatch service in relation to the mine atmosphere, and in particular in the aspects of potential methane and fire hazards. As the test had proved (Dziurzyński, Wasilewski 1999), such data may be also applied for both the analyses and prophylactic-preventive measures carried out by ventilation services in mines. This paper presents is the analysis of time series of signals from measurement of the mine air, registered in systems for monitoring and control of ventilation. Observation of the signals representing physical-chemical parameters of the mine air (pressure, air flow velocity or gases CH4, CO, and smoke concentration) prove that the above are subjected to disturbances of random amplitude and duration. Reliability and effectiveness of the analyses being carried out require both the information on properties of physical-chemical parameters of mine air and identification of the signals' frequency/time structure. Occurrence of the random disturbances in ventilation process and insufficient knowledge of the venue structure bring about a necessity of the statistic methods of identification to be applied in practice. A significant advantage of the statistic methods of processes identification (Mańczak 1971) may be the fact that their application docs not require experiments, but is based on data registered in conditions of the venue's regular operation. These are just the most appropriate methods that enable to evaluate characteristics of the objects subjected to non-measurable random disturbances. For this purpose a numerical analysis of measuring data, based on the correlation-spectral theory of stationary stochastic processes is proposed. The air physical-chemical parameters are the continuous realisation of the stochastic process observed only at discrete moment in time, because in computerised monitoring systems they are subjected to sampling with a fixed frequency, giving a sequence of real numbers that form a time series. As a result of the numerical analysis of a stochastic process the characteristics of signals (Bendat, Piersol 1976; Otnes, Enochson 1978) with regards to amplitude (statistical analysis), time (correlative analysis) and frequency (spectral analysis) were determined. In the correlative-spectral analysis of time series the calculation algorithms based on the discrete Fourier transform are applied. Independently of individual signals testing, the paper presents the results of testing of inter-dependencies between signals registered at various points of the mine workings network. So obtained information may be applied to the multi-aspect identification of the network parameters, with the use of signals correlation. The numerical analysis of time series in a complex network may be also used (Wasilewski 1998) for evaluation and balance of gases being released during of exploitation work, e.g. shooting, or gas-dynamic phenomena caused by rapid outflow of methane due to bump, methane breakout or explosion (Report of the Commission WUG, 2002).

PL

Zainstalowane w kopalniach systemy monitorowania i kontroli zagrożeń gazowych i stanu wentylacji dostarczają na powierzchnię dużą liczbę danych. Celem tych systemów jest doraźna kontrola przez dyspozytorów kopalń stanu atmosfery kopalnianej, szczególnie pod kątem zagrożeń metanowych i pożarowych. Doświadczenia pokazują (Dziurzyński, Wasilewski 1999), że dane te mogą być również wykorzystywane przez służby wentylacji kopalń do analiz i działań profilaktyczno-prewencyjnych. W artykule przedstawiono analizę szeregów czasowych sygnałów pomiarowych parametrów powietrza kopalnianego rejestrowanych w systemach monitorowania i kontroli wentylacji. Obserwacja sygnałów reprezentujących parametry fizyczno-chemiczne powietrza kopalnianego (ciśnienie, prędkość powietrza czy stężenie gazów CH4, CO, oraz dymu) pokazują, że podlegają one silnym zakłóceniom o przypadkowej amplitudzie oraz czasie trwania. Wiarygodność i skuteczność wykonywanych analiz wymaga zarówno informacji o właściwościach parametrów fizyczno-chemicznych powietrza kopalnianego, jak i znajomości struktury częstotliwościowo-czasowej sygnałów. Występowanie przypadkowych zakłóceń w procesie wentylacji oraz niedokładna znajomość struktury obiektu powodują konieczność stosowania w praktyce statystycznych metod identyfikacji. Istotną zaletą statystycznych metod identyfikacji procesów (Mańczak 1971) jest fakt, że nic wymagają one dodatkowych eksperymentów, ale wykorzystują dane rejestrowane w warunkach normalnej eksploatacji. Właśnie te metody pozwalają na ocenę właściwości obiektów poddawanych niemierzalnym zakłóceniom przypadkowym. W tym celu proponuje się analizę numeryczną danych pomiarowych opartą na teorii korelacyjno--widmowej stacjonarnych procesów stochastycznych. Parametry fizyczno-chemiczne powietrza są ciągłymi realizacjami procesu stochastycznego obserwowanymi tylko w dyskretnych chwilach czasu, ponieważ w komputerowych systemach monitorowania podlegają próbkowaniu z ustaloną częstotliwością, dając ciąg liczb rzeczywistych stanowiących szereg czasowy. W wyniku analizy numerycznej procesu stochastycznego wyznacza się zdeterminowane charakterystyki sygnałów (Bendat, Piersol 1976; Otnes, Enochson 1978) w dziedzinie amplitudy (analiza statystyczna), czasu (analiza korelacyjna) oraz częstotliwości (analiza widmowa). W analizie korclacyjno-widmowej szeregów czasowych wykorzystuje się algorytmy obliczeniowe oparte na dyskretnym przekształceniu Fouriera. W artykule niezależnie od badania pojedynczych sygnałów dokonano również badania zależności wzajemnych sygnałów rejestrowanych w różnych punktach sieci wyrobisk kopalnianych, które mogą być szeroko wykorzystywane do identyfikacji parametrów sieci z wykorzystaniem korelacji wzajemnej sygnałów. Analiza numeryczna szeregów czasowych w złożonej sieci może być również wykorzystywana (Wasilewski 1998) do oceny i bilansu gazów wydzielających się w czasie prowadzenia robót eksploatacyjnych, np. strzelania czy zjawisk gazodynamicznych wywołanych nagłym wypływem metanu w wyniku tąpnięcia, wyrzutu czy wybuchu metanu (Sprawozdanie Komisji WUG, 2002).

Słowa kluczowe

PL

analiza numeryczna sygnałów; pomiary wentylacyjne; parametry powietrza; wentylacja kopalń

EN

numerical analysis of signals; ventilation measurements; air parameters; mine ventilation

• Czasopismo: Archives of Mining Sciences
• Rocznik: 2003
• Tom: Vol. 48, nr 4
• Strony: 445-479
• Opis fizyczny: Bibliogr. 16 poz., rys., tab., wykr.

Twórcy

autor

Szywacz, J.

• Centrum Elektryfikacji i Automatyzacji Górnictwa EMAG, 40-189 Katowice, ul. Leopolda 31,

autor

Wasilewski, S.

• Centrum Elektryfikacji i Automatyzacji Górnictwa EMAG, 40-189 Katowice, ul. Leopolda 31

Bibliografia

• [1] Bendat J.S., Piersol A.G., 1976: Methods of analysis and measurement of random signals. PWN, Warszawa.
• [2] Dziurzyński W., Wasilewski S., 1999: Expert system for mine fire monitoring and fire-fighting. Proceedings of the 8th US Mine Ventilation Symposium, June 11-17, Roiła, Missouri, p. 531-538.
• [3] Findeisen W., Szymanowski J., Wierzbicki A., 1980: Theory and computational methods of optimisation. PWN, Warszawa.
• [4] Greń J., 1974: Mathematical statistics. Models and problems. PWN, Warszawa.
• [5] Krzystanek Z., Szywacz J., Wasilewski S., 1984: Analysis of stochastic signals in the minę ventilation. Works of EMAG, Katowice.
• [6] Mańczak K., 1971: Methods for identification of multi-dimensional objects of control. WNT, Warszawa.
• [7] Otnes R.K., Enochson L., 1978: Numerical analysis of time series. WNT, Warszawa.
• [8] Plucińska A., Pluciński E., 1981: Elements of calculus of probability. PWN, Warszawa.
• [9] Szbatin I., 1982: Introduction to the theory of signals. WKŁ, Warszawa.
• [10] Szywacz J., 2001: Mathematical modelling of time series of carbon monoxide concentration for the early detection of underground fires. Prace Naukowe, Badawcze i Wdrożeniowe EMAG No. 1 (13) 2001, Katowice.
• [11] Wasilewski S., 1986: Analysis of measurement signals of the ventilation process. Prace Naukowe, Badawcza i Wdrożeniowe z. 31, EMAG, Katowice.
• [12] Wasilewski S., 1996: Testing of the air flows in coal mine. Archiwum Górnictwa vol. 41, iss. 4, p. 411-438.
• [13] Wasilewski S., 1998: Non-stationary States of the air flow and methane concentration in the mine workings. Prace Naukowe Badawcze Wdrożeniowe EMAG No. 1 (9).
• [14] Wasilewski S., Szywacz J., 2002: Control of performance of shooting work with application of the automatic CO-metric systems. Proceedings of the 2. Szkoły Aerologii Górniczej. Wyd. Sekcji Aerologii Górniczej Komit. Górnictwa PAN, Zakopane, p. 369-380.
• [15] Wojnar A., 1980: Theory of signals. WNT, Warszawa.
• [16] Report of the Commission established for examination of causes and circumstances of collective accident occurred in the Rybnik Coal Company S.A. in the Coal Mine “Rydułtowy” in Rydułtowy on 23.03.2002, Katowice - July 2002.