CN105351007A - 一种煤矿水质快速检测及水害预警系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种煤矿水质快速检测及水害预警系统，其特征在于，它包括传感器组、离子电极插座、手柄和二次仪表；所述传感器组用于采集检测点水中含有的离子和气体的模拟信号，所述传感器组中的每一传感器均固定设置在所述离子电极插座的一端，所述离子电极插座的另一端固定连接所述手柄，所述手柄内设置一变送器，所述变送器将检测到的所述传感器组采集的模拟信号转换为数字信号发送给所述二次仪表，所述二次仪表根据接收到的信号进行水质分析和水源判别并作出水害预警。本发明，可以大大降低煤矿的恶性水害事故，提高煤矿生产的安全性，对减少煤矿伤亡。

Description

一种煤矿水质快速检测及水害预警系统

技术领域

本发明涉及煤矿检测预警技术领域，特别是关于一种煤矿水质快速检测及水害预警系统。

背景技术

我国是世界上煤矿灾害最为严重的国家之一。近几年，尽管国家采取了相应的管理措施使煤矿年死亡人数略有下降，但是由煤矿水害造成的年死亡人数仍在上升，造成这一局面的主要原因是老空区透水、陷落柱突水、冲积层溃水和地表水灌入频繁发生。近几年，各种频繁发生的矿难和煤矿淹井都是由这四种水害引起的，因此煤矿水害的预警对降低、甚至杜绝恶性矿难具有重大意义。

老空区透水造成重大灾害频发的原因有三种：1、老空区普遍存在，几乎所有的生产矿井都存在老空区积水的问题；2、老空区的位置难以确定，乱采乱掘的地方小矿，其老空区的位置难以确定，除对地方小矿的本身造成威胁以外，还对相邻的国有大矿造成威胁；3、老空区透水前兆隐蔽，透水发生迅猛。老空区透水从出现微弱的渗流到发生猛烈的透水，中间虽有足够长的时间间隔(对于逃生)，但是没有明显的过渡水量，没有肉眼能够捕捉到的透水前兆，一旦发生透水，则来势迅猛，人员不及撤离。陷落柱突水，虽从微弱的渗流到大流量的突水之间有明显的过渡期，人员能够逃离，但是因水压高，通道大，水量往往超过矿井的排水能力，容易造成淹井，给企业带来巨大经济损失。冲积层水害和老空区水害类似，也是因为防水煤岩柱不足所造成的。它通过顶板裂隙而溃入矿坑。由于冲积层含水丰富，渗透率高，涌水量大，灾害严重。地表水往往是河流、水库、湖泊、海洋水通过与顶板裂隙或井口灌入井下的，由于水源巨大，危险性很大。

灾害预警系统在国内外气象、军事、卫生、财政等许多领域都得到广泛应用，而在地质方面主要应用于地震、滑坡、泥石流领域。在矿山灾害方面，预警技术主要用于瓦斯和顶板管理方面，国外有学者利用地质信号预警煤矿围岩破坏，预警研究的焦点在于接收顶板垮落之前岩体高频电磁波射线以预警顶板垮落。在水害预警方面，国外已有针对煤矿挡水墙建立的预警监测系统，主要通过压力传感器和液位指示器进行在线监测，当挡水墙设置出现紧急情况时进行报警。在水质预警方面，澳大利亚首先开发和建立了自动化水质分析QUALTEL系统，长期自动地化监测地表水源体的水质，该系统集约了样品制备、处理、传感器校正和清洗，数据存储、遥测直至数据提供给用户全过程。

国内许多科技人员也对煤矿灾害的预警技术进行过研究，内容涉及预警机制、必要性、预警模式、预警方法以及系统建设等，但是多停留在理论探讨上，目前，即使有个别煤矿开展了水害预警研究，预警的指标仅限于水量、水压和水温，即对地面观测孔水位实时无线遥测，对井下观测孔和出水点的水情实时有线监测，再将各分站的信息通过KJ95或KJ90监测系统传送到地面监测中心。目前国内外已有的预警方法多限于对物理参数(应力、应变、水压、水温)的监测与底板应力场的结合方面，而对水害的化学预警技术目前尚没有人研究。以前的研究工作仅限于矿井突水水源判别，但是该方法需要将井下水样取出送到专门的实验室化验，速度慢，周期长，难以解决生产中的紧急问题，达不到预警的目的，无法杜绝老空透水等突发性矿井水害事件，特别是在煤岩壁微弱的渗流等老空透水、陷落柱突水、冲积层溃水前兆，因水量太小，难以取样化验的情况下，更是错过了宝贵的识别水源时机，使得本来可以避免的灾害变得束手无策。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种能够准确地对煤矿老空区透水、陷落柱突水、冲积层溃水、地表水灌入灾害进行预警，有效减少煤矿重大水害事故发生的煤矿水质快速检测及水害预警系统。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种煤矿水质快速检测及水害预警系统，其特征在于，它包括一传感器组、一离子电极插座、一手柄和一二次仪表；所述传感器组用于采集检测点水中含有的离子和气体的模拟信号，所述传感器组中的每一传感器均固定设置在所述离子电极插座的一端，所述离子电极插座的另一端固定连接所述手柄，所述手柄内设置一变送器，所述变送器将检测到的所述传感器组采集的模拟信号转换为数字信号发送给所述二次仪表，所述二次仪表根据接收到的信号进行水质分析和水源判别并作出水害预警。

优选地，所述二次仪表包括一水源判别模块、一显示存储模块、一预警模块和电池；所述水源判别模块根据所述变送器发送的信号，判断检测点水中所含离子和气体的种类及浓度完成水质分析并将分析结果发送到所述显示存储模块进行存储显示，并根据所含离子和气体的种类和浓度采用判别分析和聚类分析方法判断检测点水的来源以及是否为危险源，如果判别检测点的水源为危险源，并达到设定的预警阈值则发送信号到和预警模块，所述预警模块发出预警信号，所述电池用于为所述传感器组、变换器和二次仪表进行供电。

优选地，所述传感器组包括若干传感器，每一传感器均采用煤矿水质离子敏传感器，所述煤矿水质离子敏传感器为Na⁺、K⁺、Ca²⁺、Mg²⁺、Fe²⁺、Cl^-、SO₄ ^2-、HCO₃ ^-、CO₃ ^2-

一种煤矿水质快速检测及水害预警系统，其特征在于，它包括若干多通道水质巡回监测分站、一网关和一地面监测中心站；所述多通道水质巡回监测分站分别固定设置在煤矿中的相应检测点，根据设定的采样频率采集检测点水中所含离子和气体的模拟信号，并将采集的模拟信号转换为数字信号进行放大，并将放大的数字信号通过网关和通信总线发送到所述地面监测中心站，所述地面监测中心站根据接收到的信号判断各个检测点水中离子和气体种类及浓度，进行水质分析和水源判别并作出水害预警。

优选地，所述多通道水质巡回监测分站包括一传感器组、一数模转换器、一信号放大装置和一二次仪表，所述传感器组用于实时采集检测点水中含有的离子和气体的模拟信息，并通过所述数模转换器将模拟信号转化为数字信号后通过所述信号放大装置进行放大并通过所述二次仪表发送到所述地面监测中心。

优选地，该检测及预警系统还包括一网络设备，所述计算机通过所述网络设备与其它计算机通过Internet进行远程传输，实现异地监测。

优选地，该检测及预警系统还包括一通信适配器，所述计算机通过所述通信适配器与中国移动或联通兼容实现手机通讯。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明的单机型煤矿水质快速检测及水害预警系统包括传感器组、离子电极插座、手柄和二次仪表，各个部分组成一个便携式系统，该系统可以带入矿井进行水质快速检测，且传感器组可以对多种离子进行检测，功能和指标均能够满足煤矿生产的需要，且对水样要求不高，只要煤岩壁发生潮湿或“出汗”即可进行测试，使用方便。2、本发明的二次仪表包括水源判别模块、显示存储模块和预警模块，水源判别模块可以即时判别水源，显示存储模块用于对水化学成分进行存储显示，预警模块用于对达到预警阈值结果进行预警，因此本发明快速、实时、准确，适合用于掘进头、掌子面和其他不宜安装网络型预警系统的工作面，特别是没有条件安装化学预警系统的地方小煤矿，可以大大降低煤矿的恶性水害事故，提高煤矿生产的安全性，对减少煤矿伤亡。3、本发明的电池用于为传感器组、变送器、二次仪表进行供电，不需要外接电源，因此可以在任何场合下使用。4、本发明煤矿水质快速检测及水害预警系统包括若干多通道水质巡回监测分站、一网关和一地面监测中心站，多通道水质巡回监测分站固定设置在煤矿中的相应检测点，可以自由设定采样频率，能够实时检测水质的细微变化过程，使得水源判别和预警结果更加准确可靠，实现煤矿水质实施实时监测或快速的在线测试，为采取安全措施赢得时间。5、本发明由于在传感器组中的每一传感器前端均设置有一信号放大装置，因此可以避免因信号衰减而导致的检测不准。本发明可以广泛应用于煤矿重大水害的预警过程中。

附图说明

图1是本发明实施例1的结构示意图；

图2是本发明实施例1的使用过程示意图；

图3是本发明实施例2的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

对于煤矿水害的化学预警研究水的化学成分是预警的基础。由于不同水源体的化学成分是不同的，因此确定水源体的类型是预警的前提。据调研，华北煤田的主要水源体为奥灰含水层、太灰含水层、砂岩含水层、孔隙含水层、老空水和地表水。华南、西南煤田的主要水源体为下二叠的茅口灰岩含水层、上二叠的长兴灰岩含水层、砂岩含水层、老空水体和地表河流水。聚煤区的主要水源体为空隙含水层、老空水、孔隙水。不同水源的水质成分是不一样的，灾害类型及其严重性是不同的，根据水质成分可以判别水源类型和确定灾害程度。老空区透水和陷落柱突水的最为严重的灾害，确定水源是杜绝恶性水害的关键。

实施例1：

如图1所示，本发明提供的单机型煤矿水质快速检测及水害预警系统，它包括一传感器组1、一离子电极插座2、一手柄3和一二次仪表4。

传感器组1由若干传感器组成，传感器组1用于采集检测点水中含有的离子和气体的模拟信号，每一传感器均固定设置在离子电极插座2的一端，离子电极插座2的另一端固定连接手柄3，手柄3内设置一变送器，变送器通过信号电缆连接二次仪表4。变送器对传感器组中的各传感器进行巡回检测，并将检测到的由各传感器采集的模拟信号转换为数字信号发送给二次仪表4，二次仪表4根据接收到的信号判断检测点水中所含离子和气体的种类及浓度进行水质分析和水源判别并作出水害预警。

在一个优选的实施例中，二次仪表4包括一水源判别模块、一显示存储模块、一预警模块和一电源；水源判别模块根据变送器发送的信号，判断检测点水中所含离子和气体的种类及浓度完成水质分析将分析结果发送到显示存储模块进行存储显示，并根据所含离子和气体的种类和浓度采用判别分析和聚类分析的方法，进一步判断检测点水的来源以及是否为危险源，如果判别检测点的水源为危险源，并达到设定预警阈值(不同煤矿的预警阈值不同)则发送信号到预警模块发出预警信号，有关负责人员决定是否向全矿发出预警。其中，老空水、地表水预警阈值的确定方法是：检测点出现老空水，则认为煤岩柱将失稳，立即发出预警信号。陷落柱突水预警阈值的确定方法是：一旦煤岩壁、煤层顶板或底板的涌水被判断为奥灰水源，在排除断层通道以后则发出报警信号。

在一个优选的实施例中，每一传感器可以采用Na⁺、K⁺、Ca²⁺、Mg²⁺、Fe²⁺、Cl^-、SO₄ ^2-、HCO₃ ^-、CO₃ ^2-或H₂S等煤矿水质离子敏传感器。

如图2所示，下面通过具体实施详细说明本发明的单机型煤矿水质快速检测及水害预警系统的具体工作过程：

将本发明带入煤矿中，将传感器组1植入潮湿煤层中的检测点进行水化学成分检测，传感器组检测到的模拟电信号经变送器进行处理后转化为数字信号发送给二次仪表4，二次仪表4对接收的数字信号进行处理，对处理结果进行显示存储，并对达到预警阈值的水源进行预警，煤矿工作人员根据水害预警信号进行安全撤离，并启用相应的紧急救灾方案。根据老空区透水、冲积层溃水、陷落柱突水和地表水灌入四种水害类型的预警目的和依据不同，采用本发明对检测点的选定和监测方法也各不相同，下面分别针对各种水害的预警进行说明：

1、老空区透水的早期征兆是煤壁出现潮湿、出汗等现象，检测、预警方法是将传感器组置入或安装在需要监测的煤壁内检测煤壁微弱渗流的水质。

2、冲积层水在溃入过程中水量和水质有一个渐变的过程，监测、预警是根据煤层顶板在采动过程中发生超前破裂现象(超前距离大于15m)，在煤层顶板，倾斜地迎着开采方向施工钻孔，并终孔于采动裂隙带顶端，用传感器组检测孔口流水的水质，如浓度超过设定预警阈值则进行预警。

3、陷落柱突水早期征兆是小股水流，在大规模突水以前，在＞20m的范围内存在着与陷落柱导水性一致的环带断裂，检测、预警是将水质传感器组置入或安装在从环带导水断裂流出的积水中检测水质，当浓度大于设定预警阈值时，则做出预警。

4、地表水溃入在溃入过程中水量和水质有一个渐变的过程，检测、预警是在地表水可能的入口处安装水质传感器监测水质的变化，超过设定预警阈值时，则做出预警。

实施例2：

如图3所示，本发明提供的网络型煤矿水质快速检测及水害预警系统，它包括若干多通道水质巡回监测分站5、一网关6和一地面监测中心站7，每一多通道水质巡回监测分站5分别固定设置在煤矿中的相应检测点，根据设定的采样频率采集检测点水中所含离子和气体的模拟信号，并将采集的模拟信号转换为数字信号进行放大，并将放大的数字信号通过网关6和通信总线发送给地面监测中心站7，地面监测中心站7根据接收到的信号判断各个检测点水中离子和气体种类及浓度，并进行一系列水质分析和和水源判别作出水害预警。

在一个优选的实施例中，每一多通道水质巡回监测分站5均包括一传感器组、一数模转换器、一信号放大装置和一二次仪表，传感器组用于实时采集检测点水中含有的离子和气体的模拟信息，并通过数模转换器将模拟信号转化为数字信号后，通过信号放大装置进行放大，传送给二次仪表进行存储显示后发送到地面监测中心7。此时，多通道水质巡回监测分站5作为一个智能节点，完成对相应检测点的实时数据采集，并随时接受地面监测中心站7内计算机的访问，即地面监测中心站可以随时访问多通道水质巡回监测分站5，以适应应急水情检测。这样即使多通道水质巡回监测分站5与地面监测中心站之间的信号传输出现故障，也不影响多通道水质巡回监测分站的数据采集和独立工作。

在一个优选的实施例中，计算机7可以通过一网络设备8连接其它计算机通过Internet进行远程传输，实现异地监测。

在一个优选的实施例中，计算机7也可以通过一通信适配器9与中国移动或联通兼容，实现手机通讯。

上述各实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、连接方式和制作工艺等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (7)

1.一种煤矿水质快速检测及水害预警系统，其特征在于，它包括一传感器组、一离子电极插座、一手柄和一二次仪表；

所述传感器组用于采集检测点水中含有的离子和气体的模拟信号，所述传感器组中的每一传感器均固定设置在所述离子电极插座的一端，所述离子电极插座的另一端固定连接所述手柄，所述手柄内设置一变送器，所述变送器将检测到的所述传感器组采集的模拟信号转换为数字信号发送给所述二次仪表，所述二次仪表根据接收到的信号进行水质分析和水源判别并作出水害预警。

2.如权利要求1所述的一种煤矿水质快速检测及水害预警系统，其特征在于，所述二次仪表包括一水源判别模块、一显示存储模块、一预警模块和电池；所述水源判别模块根据所述变送器发送的信号，判断检测点水中所含离子和气体的种类及浓度完成水质分析并将分析结果发送到所述显示存储模块进行存储显示，并根据所含离子和气体的种类和浓度采用判别分析和聚类分析方法判断检测点水的来源以及是否为危险源，如果判别检测点的水源为危险源，并达到设定的预警阈值则发送信号到和预警模块，所述预警模块发出预警信号，所述电池用于为所述传感器组、变换器和二次仪表进行供电。

3.如权利要求1或2所述的一种煤矿水质快速检测及水害预警系统，其特征在于，所述传感器组包括若干传感器，每一传感器均采用煤矿水质离子敏传感器，所述煤矿水质离子敏传感器为Na⁺、K⁺、Ca²⁺、Mg²⁺、Fe²⁺、Cl^-、SO₄ ^2-、HCO₃ ^-、CO₃ ^2-和H₂S等煤矿水质离子敏传感器。

4.一种煤矿水质快速检测及水害预警系统，其特征在于，它包括若干多通道水质巡回监测分站、一网关和一地面监测中心站；

所述多通道水质巡回监测分站分别固定设置在煤矿中的相应检测点，根据设定的采样频率采集检测点水中所含离子和气体的模拟信号，并将采集的模拟信号转换为数字信号进行放大，并将放大的数字信号通过网关和通信总线发送到所述地面监测中心站，所述地面监测中心站根据接收到的信号判断各个检测点水中离子和气体种类及浓度，进行水质分析和水源判别并作出水害预警。

5.如权利要求4所述的一种煤矿水质快速检测及水害预警系统，其特征在于，所述多通道水质巡回监测分站包括一传感器组、一数模转换器、一信号放大装置和一二次仪表，所述传感器组用于实时采集检测点水中含有的离子和气体的模拟信息，并通过所述数模转换器将模拟信号转化为数字信号后通过所述信号放大装置进行放大并通过所述二次仪表发送到所述地面监测中心。

6.如权利要求4或5所述的一种煤矿水质快速检测及水害预警系统，其特征在于，该检测及预警系统还包括一网络设备，所述计算机通过所述网络设备与其它计算机通过Internet进行远程传输，实现异地监测。

7.如权利要求4或5所述的一种煤矿水质快速检测及水害预警系统，其特征在于，该检测及预警系统还包括一通信适配器，所述计算机通过所述通信适配器与中国移动或联通兼容实现手机通讯。