CN102587984B - 一种煤矿井下工作面分布式水情监测系统 - Google Patents
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Abstract
一种煤矿井下工作面分布式水情监测系统，属于煤矿井下自动化与水灾害防治技术领域，可用于煤矿井下工作面区域动态水情的自动监测系统。其特征在于是一种在采掘工作面区域内进行非均匀分布式、多方位传感器布置及多参数动态突水信息监测的系统，该系统的优点在于：建立了对开采工作面区域的非均匀式水情多点监测网络，突出了对隐患区域的重点监测，采用了小波法滤波器提取特征值样本数据，再经过突水等级评价模型计算，提高了计算结果的准确性，采用了自主专利技术本安型数字水位传感器，解决了井下小水仓、导水沟内水位测量难题，而且，将工作面动态水情和主水仓排水系统连接，有利于水灾害超前探测、超前预警和及时防治。
Description
技术领域
本发明一种煤矿井下工作面分布式水情监测系统，属于煤矿井下自动化与水灾害防治技术领域，可用于煤矿井下工作面区域动态水情的自动监测系统。
背景技术
近年来，煤矿井下突透水事故已经成为矿难频繁发生的主要原因之一，煤矿水害事故的频繁发生，不仅严重制约了我国煤矿的高效安全开采，而且造成了重大的人员伤亡和财产损失，透水淹井造成的国家经济损失和社会影响是无可估量的。
煤矿矿井水是指在采煤过程中渗入井下采掘空间的水，常见的矿井水来源主要有地下水、地表水、老空水、断层水四种。正常情况下，井下巷道均有大大小小的导水沟，由于生产开凿从岩层中涌出的水，经汇水、疏水系统自然涌入采区水仓，据不完全统计，全国煤矿年矿井涌水约22×108m3，平均吨煤涌水量为4 m3。
煤矿水害事故的诱因，一般有老采空区透水、断层突水和溶洞突水等，造成这些事故的原因是多种多样的，如雨季引起地表水、地下水骤增，采掘工作面顶、底板断层水带破裂，盲目开采使老空区、地下溶洞打穿透水等等，因现场人员水害防治知识匮乏，已有水患预兆而未采取措施，特别是对其无监测、无预警、无应急措施，使矿井突水、透水等水灾隐患增多。
长期以来，国内在矿井水害预防方面虽做了大量的工作，但这项工作一般行政隶属于水文地质勘探行业，在探测水方面全部依靠物探、钻探方法和专家经验在开采前进行水文地质勘探并规划可开采区，没有进行采动条件下水情变化的实时监控数据，形不成自动监测系统。最近几年，人们对井下工作面现场动态水情的监测越来越重视，一些以自动化检测手段的应用研究也越来越多，如中国矿业大学（徐州）钱建生教授《基于物联网的煤矿综合自动化系统设计》（煤炭科学技术 2011.2 p73-76），提出了将物联网技术应用在煤矿井下进行生产现场的自动监测方法，但它是针对矿井全局状态的监测，缺乏延伸到井下工作面水情监测的具体手段，太原理工大学张英梅教授的发明专利“一种隔爆兼本安型数字化自动排水系统”（专利号：200710185265.3），针对煤矿井下小水仓、导水沟水面浅、污物多，其水位监测没有适合的传感器，发明了本安型数字水位传感器及自动排水系统，但只是一种单点测控系统，太原理工大学硕士研究生魏红霞学位论文《煤矿井下多参数突水信息的动态评价方法及系统设计》，虽然提出了在井下工作面进行多参数传感器布置和突水等级评价方法，但传感器布置属均匀分布方式，没有考虑对重点隐患处密集布置和重点监测，而且对井下导水沟水位监测也没用合适的传感器，突水等级评价方法虽采用了BP神经网络和D-S证据理论两级融合算法，但传感器数据不经过预处理直接作为BP神经网络的样本数据，易造成分类精度低、网络训练时间长、不易收敛和诊断准确性不高等一系列问题。因此，如何实时准确地进行煤矿井下工作面的动态水情监测与突透水事故的超前探测与预警一直是煤矿井下水灾害防治领域渴望要解决的难题。
发明内容
本发明一种煤矿井下工作面分布式水情监测系统的目的在于，解决上述现有技术中缺乏有效的针对煤矿井下水害的动态监测手段的难题，从而公开一种在采掘工作面区域内进行非均匀分布式、多方位传感器布置及多参数动态突水信息监测系统的技术方案。
本发明一种煤矿井下工作面分布式水情监测系统，其特征在于是一种在采掘工作面区域内进行非均匀分布式、多方位传感器布置及多参数动态突水信息监测的系统，该系统的具体组成结构为：由井下工作面测点网络1、井下分站控制器2、突水等级评价模型3、采区水仓排水系统4、矿井主排水系统5和地面综合监控管理系统6组成，所述井下工作面测点网络1由压力传感器7、水位传感器8、明渠流量计9和瞬变电磁仪10组成，其传感器数量在使用时按需要确定，其布置方式：沿顶板和底板走向，在工作面顶板和底板区域内安装压力传感器7，在导水沟内和采区水仓内安装水位传感器8，压力传感器7和水位传感器8按照现场实际情况采用非均匀方式布置，在导水明渠内安装明渠流量计9，在采掘工作面前方安装瞬变电磁仪10，构成井下工作面分布式、多参数动态突水信息的测点网络，所述井下分站控制器2选择内部包括有数据处理单元、数据储存单元和控制单元的通用型PLC控制装置，并安装在井下移动变电站内，所述突水等级评价模型3由滤波器11、神经网络算子12和D-S证据理论算子13组成并设计成计算软件，直接固化在井下移动变电站内的CPU核心芯片上，所述采区水仓排水系统4采用隔爆兼本安型数字化自动排水系统安装在采区水仓内，所述矿井主排水系统5是矿井主要设备之一位于矿井主水仓和副水仓内，所述地面综合管理系统6安装在地面调度中心，上述井下工作面测点网络1、井下分站控制器2、突水等级评价模型3、采区水仓排水系统4安装在井下工作面区域内或者同时安装在多个井下开采工作面区域内，并用并联组网方式和矿井主排水系统5与地面综合监控管理系统6联接；上述的井下工作面测点网络1的全部传感器分别与井下分站控制器2和突水等级评价模型3的滤波器11做电气联接，井下分站控制器2与采区水仓排水系统4和矿井主排水系统5联接，并通过光缆经井下环形以太网与地面综合监控管理系统6保持双向对接，所述采区水仓排水系统4除和上述井下分站控制器2联接外，同时也和井下工作面测点网络1中安装在采区水仓内的水位传感器8直接联接，上述的滤波器11接收全部传感器数据后采用小波分析法剔除噪声提取特征值，送神经网络网络算子12计算，再送D-S证据理论算子13进行两级数据融合计算后输出突水等级状态信号，突水等级状态分为安全、较安全、较危险或危险四个等级，其等级状态信号送回井下分站控制器2或直接通过光缆经井下环形以太网送地面综合监控管理系统6，井下分站控制器2接收全部传感器测量数据和突水等级状态信号后经内部数据处理单元处理后送存储单元分类存储，并根据等级状态信号控制启动采区水仓排水系统4或直接启动矿井主排水系统5并通知地面综合监控管理系统6；采区水仓排水系统4按照井下分站控制器2的控制指令启动排水或按照安装在采区水仓内的水位传感器8设定的水位上限直接自动排水，实现多参数和单参数双路控制以保证采区水仓及时排水，矿井主排水系统5除完成矿井一般排水任务外，将矿井主排水系统5和井下分站控制器2联接，实现井下动态水情超前探测，危险状态时立即启动主排水系统为抢险赢得时间，地面综合管理系统6随时监控井下采掘过程中动态水情的变化情况，危险状态及时决策指挥和组织应急预案。
上述的一种煤矿井下工作面分布式水情监测系统，其特征在于所述的压力传感器7和水位传感器8按照现场实际情况采用非均匀方式布置，在重点隐患处密集布置传感器，压力传感器7间隔距离为1~1.5m，导水沟内水位传感器8间隔距离为30~35m；在非重点隐患处，压力传感器7间隔距离为3~5m，导水沟内水位传感器8间隔距离为40~60m，在重点隐患处和非重点隐患处均采用等间隔或非等间隔布置。
上述的一种煤矿井下工作面分布式水情监测系统，其特征在于所述的水位传感器8使用专为解决井下导水沟和小水仓水面浅、煤泥多，没有合适的传感器问题而设计的ZL200710185265.3中的本安型数字水位传感器，根据水沟深度不同，分为50cm和80cm两种长度规格，在采区水仓使用时，根据水仓深度不同有1m、2m和3m三种规格。
上述的一种煤矿井下工作面分布式水情监测系统，其特征在于为提高输出结论的正确性，所述的突水等级评价模型3经过小波法滤波器11滤波后再送两级融合算子计算，且一般情况下等级评价模型3通过分站控制器2和地面联接，紧急状态时通过光缆经井下环形以太网直接将危险信号通知地面综合监控管理系统6，保证危险状态信号双路输出。
本发明一种煤矿井下工作面分布式水情监测系统的优点在于：和现有技术相比，建立了对开采工作面区域的非均匀式水情多点监测网络，突出了对隐患区域的重点监测，采用了小波法滤波器提取特征值样本数据，再经过突水等级评价模型计算，提高了计算结果的准确性，采用了自主专利技术本安型数字水位传感器，解决了井下小水仓、导水沟内水位测量难题，而且，将工作面动态水情和主水仓排水系统连接，有利于水灾害超前探测、超前预警和及时防治。
附图说明
图1. 系统整体结构图
图2. 井下工作面测点网络结构图
图3. 突水等级评价模型图
1、井下工作面测点网络 2、井下分站控制器
3、突水等级评价模型 4、采区水仓排水
5、矿井主排水 6、地面综合监控管理中心
7、压力传感器 8、水位传感器
9、明渠流量计 10、瞬变电磁仪
11、滤波器 12、神经网络算子
13、D-S证据理论算子。
具体实施方式
实施方式1：
本发明一种煤矿井下工作面分布式水情监测系统在西山煤电某矿应用，该矿采区工作面顶板有明显断层裂隙处，采用本发明的系统由井下工作面测点网络1、井下分站控制器2、突水等级评价模型3、采区水仓排水系统4、矿井主排水系统5、地面综合监控管理系统6组成，所述井下工作面测点网络1由压力传感器7、水位传感器8、明渠流量计9和瞬变电磁仪10组成，其传感器数量和传感器布置方式（如图1、图2）。选用20个型号为YBP-YB-003的防爆本安型压力传感器7，按照传感器布置原则，首先在顶板断层裂隙处周围按1m等间隔密集布置5个压力传感器7，其余沿工作面顶板和底板走向，等间隔为5m距离分别在顶板和底板区域内分布安装共15个压力传感器7，顶、底板压力传感器可监测采掘过程中导水层压力的变化状态，第二，选择较规整的导水沟3条，分别安装共9个水位传感器8，水位传感器8使用ZL200710185265.3中的的本安型数字水位传感器并按照导水沟深度选择50cm长的6个、80 cm长的3个；水位传感器8安装间隔距离按照30m等间隔，同时在采区水仓内安装水位传感器8，水位传感器8也使用本安型数字水位传感器并按照水仓深度选择2m长度规格，第三在导水明渠内安装明渠流量计9，明渠流量计9选用矿用防爆兼本安型明渠流量计，型号为LCM127，并选用壁挂式和矩形堰槽式，按流量计说明书要求确定合适的位置侧壁安装，所述水位传感器8、明渠流量计9可监测现场各测点水位及流量的变化；第四在采掘工作面前方安装一台瞬变电磁仪10，瞬变电磁仪10选用加拿大产品PROTEM-47型号，可用于井下前方大面积电阻率测老窑水系统，全部测点构成井下工作面分布式、多参数动态突水信息的测点网络；井下分站控制器2采用内部包括有数据处理单元、数据储存单元和控制单元的西门子S7-300PLC通用型控制装置，安装在井下移动变电站内，所述突水等级评价模型3（如图3）由滤波器11、神经网络算子12和D-S证据理论算子13组成并设计成计算软件，直接固化在井下移动变电站内的CPU核心芯片上，所述采区水仓排水系统4采用隔爆兼本安型数字化自动排水系统安装在采区水仓内，所述矿井主排水系统5是矿井主要设备之一位于矿井主水仓和副水仓内，所述地面综合管理系统6安装在地面调度中心；上述的井下工作面测点网络1的全部传感器分别与井下分站控制器2和突水等级评价模型3的滤波器11做电气联接，井下分站控制器2与采区水仓排水系统4和矿井主排水系统5联接，并通过光缆经井下环形以太网与地面综合监控管理系统6保持双向对接，所述采区水仓排水系统4除和上述井下分站控制器2联接外，同时也和井下工作面测点网络1中安装在采区水仓内的水位传感器8直接联接；上述的滤波器11接收全部传感器数据后采用数学领域中广泛应用的小波分析法进行预处理剔除背景干扰、去除奇异点，提取有效数据，送神经网络网络算子12计算、再送D-S证据理论算子13进行两级数据融合计算后输出突水等级状态信号，突水等级状态分为安全、较安全、较危险和危险四个等级，其等级状态信号送回井下分站控制器2或直接通过光缆经井下环形以太网送地面综合监控管理系统6（如图1），输出的等级状态信号一般情况下通过分站控制器2和地面联接，紧急状态时通过光缆经井下环形以太网直接将危险信号通知地面综合监控管理系统6，保证危险状态信号双路输出，井下分站控制器2接收全部传感器测量数据和突水等级状态信号后经内部数据处理单元处理后送存储单元分类存储，并根据等级状态输出控制指令启动采区水仓排水系统4或直接启动矿井主排水系统5并通知地面综合监控管理系统6；采区水仓排水系统4按照井下分站控制器2的控制指令启动排水或按照安装在采区水仓内的水位传感器8设定的水位上限直接自动排水，实现多参数和单参数双路控制以保证采区水仓及时排水功能，矿井主排水系统5除完成矿井一般排水任务外，将矿井主排水系统5和井下分站控制器2联接，实现井下动态水情超前探测、危险状态时立即启动主排水系统为抢险赢得时间，地面综合管理系统6随时监控井下采掘过程中动态水情的变化情况，危险状态及时决策指挥和组织应急预案。
实施方式2：在顶板断层裂隙处周围按1.5m等间隔密集布置5个压力传感器7，其余沿工作面顶板和底板走向，等间隔为5m距离分别在顶板和底板区域内分布安装共15个压力传感器7，其它其它同实施方式1。
实施方式3：水位传感器8使用ZL200710185265.3中的的本安型数字水位传感器并按照导水沟深度选择50cm长的6个、80 cm长的3个；传感器安装间隔距离按照60m等间隔布置，其它其它同实施方式1。
实施方式4：水位传感器8使用ZL200710185265.3中的的本安型数字水位传感器并按照导水沟深度选择50cm长的6个、80cm长的3个；传感器安装间隔距离按照35m等间隔布置，其它其它同实施方式1。
实施方式5：水位传感器8使用ZL200710185265.3中的的本安型数字水位传感器并按照导水沟深度选择50cm长的6个、80 cm长的3个；传感器安装间隔距离按照30m、35m和60m三种非等间隔布置，其它其它同实施方式1。
实施方式6：在山西璐安煤电某矿有两个采区工作面，将两个工作面看成是两个独立的子站，子站相互之间互不影响可独立工作，每个子站系统的井下工作面测点网络1、井下分站控制器2、突水等级评价模型3、采区水仓排水系统4同时安装在各自井下工作面区域内，各子站系统的井下分站控制器2和突水等级评价模型3分别采用并联组网方式与矿井主排水系统5及地面综合监控管理系统6进行联接和集中控制。其它同实施方式1。
实施方式7：在山西晋城煤电某矿，根据现场条件，5个压力传感器7按照1.5m等间隔分布安装在底板裂隙处，10个压力传感器7按照4个3m、4个4m和2个5m间隔分布安装在顶、底板上，选择导水沟2条，共6个水位传感器8，选择规格长度为4个50cm、2个80cm的本安型数字水位传感器，传感器间隔距离为3个40m和3个50m两种，2条导水明渠选2套型号型号为LCM127相同的隔爆兼本安型明渠流量计，3个采区水仓需3个水位传感器8，按照采区水仓深度分别选用长度为1m、2m、3m的本安型数字水位传感器。其它同实施方式1。
Claims (4)
1. 一种煤矿井下工作面分布式水情监测系统，其特征在于是一种在采掘工作面区域内进行非均匀分布式、多方位传感器布置及多参数动态突水信息监测的系统，该系统的组成为：由井下工作面测点网络（1）、井下分站控制器（2）、突水等级评价模型（3）、采区水仓排水系统（4）、矿井主排水系统（5）和地面综合监控管理系统（6）组成，所述井下工作面测点网络（1）由压力传感器（7）、水位传感器（8）、明渠流量计（9）和瞬变电磁仪（10）组成，其传感器数量在使用时按需要确定，其布置方式：沿顶板和底板走向，在工作面顶板和底板区域内安装压力传感器（7），在导水沟内和采区水仓内安装水位传感器（8），压力传感器（7）和水位传感器（8）按照现场实际情况采用非均匀方式布置，在导水明渠内安装明渠流量计（9），在采掘工作面前方安装瞬变电磁仪（10），构成井下工作面分布式、多参数动态突水信息的测点网络，所述井下分站控制器（2）选择内部包括有数据处理单元、数据储存单元和控制单元的通用型PLC控制装置，并安装在井下移动变电站内，所述突水等级评价模型（3）由滤波器（11）、神经网络算子（12）和D-S证据理论算子（13）组成并设计成计算软件，直接固化在井下移动变电站内的CPU核心芯片上，所述采区水仓排水系统（4）采用隔爆兼本安型数字化自动排水系统安装在采区水仓内，所述矿井主排水系统（5）是矿井主要设备之一位于矿井主水仓和副水仓内，所述地面综合管理系统（6）安装在地面调度中心，上述井下工作面测点网络（1）、井下分站控制器（2）、突水等级评价模型（3）、采区水仓排水系统（4）安装在井下工作面区域内或者同时安装在多个井下开采工作面区域内，并用并联组网方式和矿井主排水系统（5）与地面综合监控管理系统（6）联接；上述的井下工作面测点网络（1）的全部传感器分别与井下分站控制器（2）和突水等级评价模型（3）的滤波器（11）做电气联接，井下分站控制器（2）与采区水仓排水系统（4）和矿井主排水系统（5）联接，并通过光缆经井下环形以太网与地面综合监控管理系统（6）保持双向对接，所述采区水仓排水系统（4）除和上述井下分站控制器（2）联接外，同时也和井下工作面测点网络（1）中安装在采区水仓内的水位传感器（8）直接联接，上述的滤波器（11）接收全部传感器数据后采用小波分析法剔除噪声提取特征值，送神经网络网络算子（12）计算，再送D-S证据理论算子（13）进行两级数据融合计算后输出突水等级状态信号，突水等级状态分为安全、较安全、较危险或危险四个等级，其等级状态信号送回井下分站控制器（2）或直接通过光缆经井下环形以太网送地面综合监控管理系统（6），井下分站控制器（2）接收全部传感器测量数据和突水等级状态信号后经内部数据处理单元处理后送存储单元分类存储，并根据等级状态信号控制启动采区水仓排水系统（4）或直接启动矿井主排水系统（5）并通知地面综合监控管理系统（6）；采区水仓排水系统（4）按照井下分站控制器（2）的控制指令启动排水或按照安装在采区水仓内的水位传感器（8）设定的水位上限直接自动排水，实现多参数和单参数双路控制以保证采区水仓及时排水，矿井主排水系统（5）除完成矿井一般排水任务外，将矿井主排水系统（5）和井下分站控制器（2）联接，实现井下动态水情超前探测，危险状态时立即启动主排水系统，地面综合管理系统（6）随时监控井下采掘过程中动态水情的变化情况，危险状态及时决策指挥和组织应急预案。
2.按照权利要求1所述的一种煤矿井下工作面分布式水情监测系统，其特征在于所述的压力传感器（7）和水位传感器（8）按照现场实际情况采用非均匀方式布置，在重点隐患处密集布置传感器，压力传感器（7）间隔距离为1~1.5m，导水沟内水位传感器（8）间隔距离为30~35m；在非重点隐患处，压力传感器（7）间隔距离为3~5m，导水沟内水位传感器（8）间隔距离为40~60m，在重点隐患处和非重点隐患处均采用等间隔或非等间隔布置。
3.按照权利要求1所述的一种煤矿井下工作面分布式水情监测系统，其特征在于所述的水位传感器（8）使用专为解决井下导水沟和小水仓水面浅、煤泥多的问题而设计的满足GB3836.4矿用本质安全型标准简称本安型的要求，防爆标志为Exib，是一种直接数字量取样的数字传感器，由数字变送电路、休眠式供电电路、发送电路、检索电路、取样电路和取样感应电极组成，外形结构由两节接插组成，接插部位、引线端子采用防水防爆接插式器件，第一插件内装有数字变送电路和休眠式供电电路，第二插件内装有信号发送电路、检索电路、取样电路和取样感应电极，电路装配调试后，放入圆形模具中，用耐高温环氧树脂浇铸而成，芯片与外壳经浇铸后成为一个圆形棒式实体；所述本安型数字水位传感器（8）中的取样感应电极均匀分布在本安型数字水位传感器（8）的第二插件棒体表面，其间隔距离可按测量精度要求分别为1cm、2cm或3cm，第二插件按使用需要采用防水防爆接插式器件联接，测量范围为0~20m。
4.按照权利要求1所述的一种煤矿井下工作面分布式水情监测系统，其特征在于为提高输出结论的正确性，所述的突水等级评价模型（3）经过小波法滤波器（11）滤波后再送两级融合算子计算，且一般情况下等级评价模型（3）通过分站控制器（2）和地面联接，紧急状态时通过光缆经井下环形以太网直接将危险信号通知地面综合监控管理系统（6），保证危险状态信号双路输出。
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