CN103899356A - 矿井水害监测、预警、管理与控制一体化信息系统 - Google Patents

Abstract

本发明公布了一种矿井水害监测、预警、管理与控制一体化综合信息系统，它是将矿井物探数据采集系统、化探数据采集系统和水害防治监控预警系统三个子系统的数据通过通信网络传送到监控中心服务器。改变目前物探、化探、水害防治监控预警系统等装备单一运行、数据不能共享的模式，将每一台防治水装备作为一个网络化智能数据终端，通过在矿井、集团公司和远程数据中心设置的监测服务器采集智能终端数据，为矿井提供强大的数据实时储存、动态分析、智能判别等功能，构建我国水害防治管控一体化综合信息系统，实现探、放、排等矿井防治水关键装备的自动化、网络化、智能化、系统化运行，使得防治水管理专业化、流程化、自动化和决策科学化。

Description

矿井水害监测、预警、管理与控制一体化信息系统

技术领域

本发明涉及矿井水害防治动态监测监控系统。 

背景技术

矿井水害问题一直是制约我国煤炭生产的重要因素之一, 严重威胁着煤矿的安全生产。随着开采深度、开采强度、开采速度、开采规模的增加和扩大, 来自地下水的威胁日益严重。我国大中型煤矿中，水文地质条件属于复杂或极复杂类型的煤矿占25.04%，2007-2009年发生的煤矿透水事故中属于一般事故的为23起，较大事故的为38起，重大事故的为9起。几乎每次透水事故都会造成人员伤亡，其中造成3人以上死亡的事故占到总数67.1%，这严重影响了煤矿的安全生产，给国家和人民造成了很大的财产和生命损失。我国煤矿重特大事故中，水害的发生次数位于瓦斯和顶板事故，而在死亡人数上仅次于瓦斯事故，其所造成的经济损失则高居榜首。由上可知，我国煤矿的水害防治工作非常紧迫和必要；但我国的矿井水害防治技术较为落后，具体表现为水害防治手段单一、自动化水平低，而且我国各煤炭集团普遍存在下属单位分散、沟通不畅、信息不对等问题，一旦发生水害，往往因为信息无法有效传递，导致延误救援时机，给各煤炭集团造成巨大的人员和财产损失。 

目前水害防治物探设备、化探设备和水害防治信息系统之间还处于孤立运行阶段。物探工程师和水化学分析工程师应用单体物探设备或者化探设备进行勘探化验后，一般通过手工方式将数据导出，然后输入到计算机，通过数据处理软件计算后得到处理结果，撰写数据分析报告上报相关组织或领导。由于物探或者水化学分析是一个专业性较强的工作，一般分析人员的到的分析结果与实际情况可能存在较大偏差，整个探测过程通过人工手动去完成，耗费时间长，并且不能及时得到资深专家指导，不能很好地促进安全生产。 

建立矿井水害监测、预警、管理与控制一体化综合信息系统，并开发智能化程度高的物探、化探、监测预警装备与之配套，当各煤矿集团的下属矿井所属的物探仪器、化探仪器和监测预警仪器在探测完成后，通过网络自动将探测数据上传矿井水害防治综合信息平台，自动存储到数据库中进行数据关联性分析、智能故障巡查、警情自动预测预报等，并将数据存储至远程数据服务器，以供平台上有权限的防治水专家进行参考分析并提出针对性意见；当一个矿井发生水害时，平台上各水害防治专家共同分析，平台上各煤矿人员、物资集中支援，平台上相应范围内的水文数据全面共享，实现群策群力，共同救灾，有效保障矿井和人身安全，避免公共财产和生命损失。 

在各矿业集团公司（矿井上级管理部门）或在上级监管部门授权下建立数据服务中心，记录所有设备测量数据，实现各设备采集数据的实时同步、共享；实现用户水害防治设备的统一管理；实现矿井与集团，矿井与远程数据中心的实时通信；实现测量结果在华安奥特数据中心统一分析操作，实现决策科学化；建立并实现抢险救援的应急联动机制。实现各项业务的标准化管理，即： 

1）         统一的水害防治流程标准化管理

2）         统一的水害防治计划、报表管理

3）         统一的水害防治数据备份管理

4）         统一的水害防治方案及设计管理 

5）         统一的水害防治工程管理

6）         统一的水害防治安全技术措施管理

7）         统一的水害预测、预报管理 

8）         统一的水害防治资产管理

9）         统一的水害防治设备采购管理

10）    统一的水害信息发布平台

本发明致力于建立一个专注于矿井水害防治的综合信息系统，使全国各煤矿应用的物探设备、化探设备、应急救援设备、水文地质信息系统、水害防治监控系统等统一监管、调度，使全国各煤矿的水文地质数据和实时监控信息在各煤矿集团有效共享，并最终形成全国范围的水文地质数据中心。通过先进的水害监测预警机制、全面而完善的业务管理功能、统一的水害防治装备监管平台、共享的数据存储查询服务和便捷的网络数据传输系统，连通全国各煤炭集团的各个矿井，组成一个全国范围的煤矿水害防治和煤矿企业管理网络平台，具有重大意义。

发明内容

本发明采用以下的技术方案来实现： 

矿井水害监测、预警、管理与控制一体化综合信息系统，分为五层：第一层为设备层，第二层为子系统层，第三层为矿井层，第四层为集团公司层，第五层为远程数据中心层，各层之间通过通信网络连接在一起；设备层包括物探设备、化探设备、系统设备等；物探设备包括电法类设备、磁法类设备、震法类设备、无线电波透视类设备等；电法类设备包括：直流电法仪、高密度交流电法仪、隧道超前探测电法仪等各种应用电法原理制作出的仪器；磁法类设备包括：本安型瞬变电磁仪、地面大功率瞬变电磁仪、发射接收线圈一体化便携式瞬变电磁仪等各种应用地质体二次场实现地球物理探测的仪器；震法类设备：单通道地震仪、多通道地震仪、三维地震仪、槽波地震仪、MSP（矿井地震仪）、微震监测仪、瑞利波勘探仪、多分量地震探测仪、TSP（隧道超前探测仪）等应用地震原理进行地球物理探测的设备；无线电波透视类设备包括：地质雷达、无线电波透视仪等应用无线电波透视原理进行地球物理探测的仪器；化探设备包括矿井水离子含量分析类仪器、矿井水中同位素分析类仪器、光谱分析类仪器和水源快速识别类仪器等。

子系统层包括：物探数据采集系统、化探数据采集系统、水害防治监控预警系统、矿井水文监测系统、底板水害监控系统、顶板水害监控系统、超前探测监控系统；各子系统通过Wifi、Zigbee、3G等无线方式或者以太网、RS485、CAN、电话线等有线方式采集所属设备的数据信息，并把采集的数据通过电话线、以太网交换机或工业现场总线设备传送到井上设置的矿用数据通信接口，通过矿用数据通信接口至矿井设置的装有监测分析软件的监测服务器；矿井监测服务器通过以太网交换机把数据发送给集团公司设置的监测服务器和远程数据中心服务器，并通过GPRS收发器至GPRS公共数据网。 

监测分析软件的处理步骤是： 

第一步：先根据矿井情况设置各子系统参数及报警阈值；

第二步：监测服务器接收到的实时数据与报警阈值进行比较，比较结果超出阈值范围，软件发出事件报警信息；

第三步：同时将实时数据定时存入数据库；

第四步：对数据库中的数据进行动态趋势分析、多参数关联分析和智能判别分析；

第五步：将以上分析情况再根据各系统输入的参数作以下处理，一是生成综合报表，二是输出矿井各子系统的危险性综合预测情况，三是输出到GPRS收发器，对授权用户进行GPRS数据输出；

第六步：当矿井或者集团公司发现监测数据出现异常情况时，可以通过数据通信网络把异常信息发送给远程数据中心；远程数据中心有强大的后台数据专家系统，专家系统会对接收到的异常数据进行综合分析和判断，并把判断结果即时反馈给矿井和集团公司用户。

本发明的优点是：

（1）本发明实现了全矿区、全集团公司乃至全国水文地质数据共享，有效推动矿井水害防治技术和手段的提高。通过建立水害防治管控一体化综合信息系统，上级部门可以有效监督下级部门水害防治措施落实情况，及时对问题进行处理，促进管理水平的提高。

（2）本发明改变了水害防治物探设备、化探设备和水害防治信息系统之间孤立运行状态，通过三者获取数据的信息融合分析提高了水害预测预报的准确性。其理论依据是基于矿山水情分布的“内外应力场理论”和“下三带理论”。随采场推进，上覆岩层运动和矿山压力分布都处于不断变化之中，其上覆岩层（包括顶板）运动的规律性决定了矿山压力分布及其压力分布的规律性；底板导水破坏带由于采动矿压的作用，底板岩层连续性遭到破坏，导水性发生明显改变，影响有效隔水层保护带保持采前岩层的连续性及其阻抗水性能，从而使得承压水导升带中含水层的承压水沿隔水底板中的裂隙或断裂带上升。通过物探设备、化探设备和水害防治信息系统动态监测矿压、水位、水温、水质、水源类型、底板视点阻率、导水构造发育情况等信息，可以有效遏制水害事故的发生； 

（3）本发明提高了水害防治的自动化水平，降低了人员的劳动强度，实现物探、化探设备的自动化、网络化、智能化、系统化，企业管理信息化和企业决策科学化，大幅度降低煤矿安全事故、提高救援效率，增强煤矿企业管理能力，降低煤矿企业管理成本，提高煤矿企业竞争力，为煤矿的安全保驾护航；

（4）本发明为我国的矿井水害防治工作提供技术支撑体系和专业信息平台，对提高我国矿井水害防治智能预警的有效性及我国的矿井水害防治的技术水平，促进煤矿安全管理方式的转变，增强资源整合，提高资源利用率，减少水害事故发生，保障各矿山企业的安全生产，增加煤矿企业的经济收益，提高产业层次，延伸产业链，促进技术结构调整，加速自主品牌的推广具有重大意义。

  

附图说明

图1 是本发明矿井水害管控一体化综合信息系统结构图。

图2 是本发明数据处理过程示意图。 

  

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。 

如图1所示，本发明矿井水害监测、预警、管理与控制一体化综合信息系统主要分为五层：第一层为设备层，第二层为子系统层，第三层为矿井层，第四层为集团公司层，第五层为远程数据中心层，各层之间通过通信网络连接在一起；设备层包括物探设备、化探设备、系统设备等；物探设备包括电法类设备、磁法类设备、震法类设备、无线电波透视类设备等；电法类设备包括：直流电法仪、高密度交流电法仪、隧道超前探测电法仪等各种应用电法原理制作出的仪器；磁法类设备包括：本安型瞬变电磁仪、地面大功率瞬变电磁仪、发射接收线圈便携式瞬变电磁仪等各种应用地质体二次场实现地球物理探测的仪器；震法类设备：单通道地震仪、多通道地震仪、三维地震仪、槽波地震仪、MSP（矿井地震仪）、微震监测仪、瑞利波勘探仪、多分量地震探测仪、TSP（隧道超前探测仪）等应用地震原理进行地球物理探测的设备；无线电波透视类设备包括：地质雷达、无线电波透视仪等应用无线电波透视原理进行地球物理探测的仪器；化探设备包括矿井水离子含量分析类仪器、矿井水中同位素分析类仪器、光谱分析类仪器和水源快速识别类仪器等。下面对各子系统分别进行介绍： 

1、子系统层包括：物探数据采集系统、化探数据采集系统、水害防治监控预警系统、矿井水文监测系统、底板水害监控系统、顶板水害监控系统、超前探测监控系统；各子系统通过Wifi、Zigbee、3G等无线方式或者以太网、RS485、CAN、电话线等有线方式采集所属设备的数据信息，并把采集的数据通过电话线、以太网交换机或工业现场总线设备传送到井上设置的矿用数据通信接口，通过矿用数据通信接口至矿井设置的装有监测分析软件的监测服务器；矿井监测服务器通过以太网交换机把数据发送给集团公司设置的监测服务器和远程数据中心服务器，并通过GPRS收发器至GPRS公共数据网。

、物探数据采集系统可以由多个多功能数据采集分站及智能物探设备组成。多功能数据采集分站具备Wifi、Zigbee、3G等无线方式和以太网、RS485、CAN、电话线等多种数据接口，通过数据接口与电法类设备（包括：直流电法仪、高密度交流电法仪、隧道超前探测电法仪等各种应用电法原理制作出的仪器）、磁法类设备（包括：本安型瞬变电磁仪、地面大功率瞬变电磁仪、发射接收线圈便携式瞬变电磁仪等各种应用地质体二次场实现地球物理探测的仪器）、震法类设备（包括：单通道地震仪、多通道地震仪、三维地震仪、槽波地震仪、MSP（矿井地震仪）、微震监测仪、瑞利波勘探仪、多分量地震探测仪、TSP（隧道超前探测仪）等应用地震原理进行地球物理探测的设备）、无线电波透视类设备（包括：地质雷达、无线电波透视仪等应用无线电波透视原理进行地球物理探测的仪器）相连。数据采集分站将采集到的数据通过电话线、以太网交换机或工业现场总线设备与上位的矿井监测服务器连接，进行数据传输； 

3、化探数据采集系统可以由多个多功能数据采集分站及智能物探设备组成。多功能数据采集分站具备Wifi、Zigbee、3G等无线方式和以太网、RS485、CAN、电话线等多种数据接口，通过数据接口与矿井水离子含量分析类仪器、矿井水中同位素分析类仪器、光谱分析类仪器和水源快速识别类仪器相连。数据采集分站将采集到的数据通过电话线、以太网交换机或工业现场总线设备与上位的矿井监测服务器连接，进行数据传输；

4、水害防治监控预警系统通过数据交换机将矿井水文监测系统、底板水害监控系统、顶板水害监控系统、超前探测监控系统采集的数据通过电话线、以太网交换机或工业现场总线设备与上位的矿井监测服务器连接，进行数据传输；

5、矿井水文监测系统可以由多个多功能数据采集分站及水位传感器、压力传感器、温度传感器、水质传感器、管道流量传感器、明渠流量传感器及其供电系统组成。传感器通过钻孔、水仓、排水管或者明渠测量矿井水的水位、水压、水温、水质、流量等信息，并通过RS485接口、CAN通信接口与多功能数据采集分站相连，数据采集分站通过电话线、以太网交换机或工业现场总线设备与上位的矿井监测服务器连接，进行数据传输；

6、底板水害监控系统可以由多个电法数据采集分站、电极控制器及其连接线组成。每台电法数据采集分站连接若干个电极控制器，按照高密度电法原理布置电极控制器，通过多芯电缆传送指令来控制电极的转换和数据采集。地面控制中心计算机放置在地面上，由用户设置报警条件；用户通过地面控制中心控制数据采集计算机完成电极的转换和数据采集；数据采集完毕后，由数据采集计算机将采集数据发送至地面控制中心计算机，由地面控制中心计算机处理、分析数据，并通过绘图软件绘制视电阻率图像，并当场显示，便于用户查看、分析煤矿巷道底板监测区域的地质构造状况；数据处理完毕后，地面控制中心计算机通过网络将采集的数据发送至数据服务器，由数据服务器进行保存，若所测区域的状况达到了预先设置的报警条件，地面控制中心计算机发出报警信息，向预先指定的客户端报警接收装置发送报警信息。远程用户可通过远程管理计算机通过网络随时、随地查看地面控制中心计算机的数据和视电阻率图像，也可对地面控制中心计算机进行设置或更改预先设置的报警条件、报警方式以及指定接收报警信息的客户端报警接收装置；通过网络可查看数据服务器中储存的历史采集数据，并根据采集的数据分析、判断煤矿巷道的底板是否存在危险地质情况。

、顶板水害监控系统可以通过在相邻巷道顶板布置多个电法数据采集分站、电极控制器及其连接线实现。实现原理、数据传输方式及数据处理方式与底板水害预警系统类似。 

、超前探测监控系统通过在掘进巷道设置多个电法数据采集分站、电极控制器及其连接线实现。可以通过三极超前勘探原理实现掘进巷道前方富水性的超前探测，数据传输方式与底板水害监控系统类似。 

、监测分析软件的处理步骤是：

第一步：先根据矿井情况设置各子系统参数及报警阈值；

第二步：监测服务器接收到的实时数据与报警阈值进行比较，比较结果超出阈值范围，软件发出事件报警信息；

第三步：同时将实时数据定时存入数据库；

第四步：对数据库中的数据进行动态趋势分析、多参数关联分析和智能判别分析；

第五步：将以上分析情况再根据各系统输入的参数作以下处理，一是生成综合报表，二是输出矿井各子系统的危险性综合预测情况，三是输出到GPRS收发器，对授权用户进行GPRS数据输出；

第六步：当矿井或者集团公司发现监测数据出现异常情况时，可以通过数据通信网络把异常信息发送给远程数据中心；远程数据中心有强大的后台数据专家系统，专家系统会对接收到的异常数据进行综合分析和判断，并把判断结果即时反馈给矿井和集团公司用户。

、矿井端软件功能是：

（1）水害相关设备监测数据上传同步，将每次设备测量的数据同步到矿井处的数据库。

（2）新数据同步到矿井端的数据库后，再由矿井端软件将数据同步到集团公司数据库和远程数据中心数据库。 

（3）联机数据分析，矿井端软件可向远程数据中心提交监测和采集数据验证和判别请求，来获取更准确详细的判断成果和结论。 

（4）可以发送消息到集团公司，对集团公司命令的回复和矿井水害状况的上报。 

（5）数据的导出。可对查询汇总数据进行WORD电子文档、EXCEL电子表格、图纸、技术文档、图片格式的导出和打印。 

、集团公司（矿井上级管理部门）软件功能是： 

（1）接受所有矿井端设备测量的全部数据，可对数据进行汇总统计。

（2）联机数据分析，集团（矿井上级管理部门）软件也可向远程数据中心提交监测和采集数据的验证和判别请求，来获取更准确详细的判断成果和结论。 

（3）可向矿井端进行消息命令的下发。 

（4）数据的导出。可对查询汇总数据进行WORD电子文档、EXCEL电子表格、工程图纸、技术文档、图片格式的导出和打印 

12、远程数据中心软件功能是：

（1）对所有水害防治设备进行数据采集分析和判断。

（2）对矿井和集团公司（矿井上级管理部门）提出的请求进行数据分析和判断成果和结论的发送。 

  

应当指出的是，以上所揭露的仅为本发明的一种较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，在不脱离本发明原理的前提下，本领域技术人员还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (11)

1.矿井水害监测、预警、管理与控制一体化综合信息系统，分为五层：第一层为设备层，第二层为子系统层，第三层为矿井层，第四层为集团公司层，第五层为远程数据中心层，各层之间通过通信网络连接在一起。

2.根据权利要求1所述的设备层包括物探设备、化探设备、系统设备等。

3.根据权利要求2所述的物探设备包括电法类设备、磁法类设备、震法类设备、无线电波透视类设备等。

4.根据权利要求3所述的电法类设备包括：直流电法仪、高密度交流电法仪、隧道超前探测电法仪等各种应用电法原理制作出的仪器。

5.根据权利要求3所述的磁法类设备包括：本安型瞬变电磁仪、地面大功率瞬变电磁仪、发射接收线圈一体化便携式瞬变电磁仪等各种应用地质体二次场实现地球物理探测的仪器。

6.根据权利要求3所述的震法类设备：单通道地震仪、多通道地震仪、三维地震仪、槽波地震仪、MSP（矿井地震仪）、微震监测仪、瑞利波勘探仪、多分量地震探测仪、TSP（隧道超前探测仪）等应用地震原理进行地球物理探测的设备。

7.根据权利要求3所述的无线电波透视类设备包括：地质雷达、无线电波透视仪等应用无线电波透视原理进行地球物理探测的仪器。

8.根据权利要求2所述的化探设备包括矿井水离子含量分析类仪器、矿井水中同位素分析类仪器、光谱分析类仪器和水源快速识别类仪器等。

9.根据权利要求1所述的子系统层包括：物探数据采集系统、化探数据采集系统、水害防治监控预警系统、矿井水文监测系统、底板水害监控系统、顶板水害监控系统、超前探测监控系统。

10.根据权利要求1所述的各层之间的网络连接包括：各子系统通过Wifi、Zigbee、3G等无线方式或者以太网、RS485、CAN、电话线等有线方式采集所属设备的数据信息，并把采集的数据通过电话线、以太网交换机或工业现场总线设备传送到井上设置的矿用数据通信接口，通过矿用数据通信接口至矿井设置的装有监测分析软件的监测服务器；矿井监测服务器通过以太网交换机把数据发送给集团公司设置的监测服务器和远程数据中心服务器，并通过GPRS收发器至GPRS公共数据网。

11.根据权利要求10所述的监测分析软件的处理步骤是：

第一步：先根据矿井情况设置各子系统参数及报警阈值；

第二步：监测服务器接收到的实时数据与报警阈值进行比较，比较结果超出阈值范围，软件发出事件报警信息；

第三步：同时将实时数据定时存入数据库；

第四步：对数据库中的数据进行动态趋势分析、多参数关联分析和智能判别分析；

第五步：将以上分析情况再根据各系统输入的参数作以下处理，一是生成综合报表，二是输出矿井各子系统的危险性综合预测情况，三是输出到GPRS收发器，对授权用户进行GPRS数据输出；

第六步：当矿井或者集团公司发现监测数据出现异常情况时，可以通过数据通信网络把异常信息发送给远程数据中心；远程数据中心有强大的后台数据专家系统，专家系统会对接收到的异常数据进行综合分析和判断，并把判断结果即时反馈给矿井和集团公司。

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