CN105673075A

CN105673075A - 一种煤岩动力灾害多参量无线监测综合预警技术与方法

Info

Publication number: CN105673075A
Application number: CN201610021157.1A
Authority: CN
Inventors: 聂百胜; 范鹏宏; 郭昊
Original assignee: China University of Mining and Technology Beijing CUMTB
Current assignee: China University of Mining and Technology Beijing CUMTB
Priority date: 2016-01-13
Filing date: 2016-01-13
Publication date: 2016-06-15

Abstract

本发明公开了一种煤岩动力灾害多参量无线监测综合预警技术与方法，它包括数据采集单元、数据储存与处理单元及综合预警单元，所述技术基于智慧线借助物联网与通讯技术在封闭特殊环境中支持高精度定位和无线接入能力的全新无线数字通信系统这一优点，以工作面煤体物理信号为基础，将煤矿井下瓦斯浓度传感器、煤体应力计、顶板压力监测监控系统、声发射监测系统、电磁辐射监测系统、微震系统及其传感器与智慧线进行无线对接，研制井下无线监测预警相关设备，建立煤岩瓦斯动力灾害无线、多参量判识方法及判识指标，形成煤矿煤岩瓦斯动力灾害无线多参量远程监测预警系统，开发煤矿煤岩瓦斯动力灾害无线多参量远程监测综合预警平台。

Description

一种煤岩动力灾害多参量无线监测综合预警技术与方法

技术领域

本发明涉及一种煤岩动力灾害多参量无线监测综合预警技术与方法，属于煤岩瓦斯动力灾害监测预警领域。

背景技术

煤炭是我国的重要能源，在我国能源消耗比例约为67％，极大地影响着国民经济的发展。根据我国的“十二五”发展报告，到本世纪中叶，煤炭在我国一次能源结构中所占的比例仍难低于50％。因此，在未来一段时间内，煤炭将继续作为我国最重要的能源。

近年来，我国煤矿煤与瓦斯突出和爆炸事故频发，成为煤矿安全生产的最大隐患。且随着开采深度的增加，瓦斯涌出量增大，瓦斯事故的比例还会增加。据统计，在煤矿事故中，由瓦斯引起的工伤事故约占30％～40％，瓦斯灾害主要表现为瓦斯爆炸和煤与瓦斯突出事故，尤其是煤与瓦斯突出、冲击地压等事故的发生具有突然性、破坏性极强，给煤矿安全生产带来了极为严重的影响，严重制约着煤矿的安全生产。

目前，对煤岩瓦斯动力灾害的预警方法主要分为接触式预警方法和非接触式预警方法，接触式预警方法简单，需要一定的工程量和较长的预测时间，对煤矿采掘工作具有一定的影响。非接触式预警方法主要有声发射、电磁辐射法以及神经网络预测方法、灰色理论法、自然计算法(遗传算法、蚁群算法)、模糊理论法、聚类法、模式识别法、可拓法等其他方法，该方法具有省时省力、工程量小等特点，不影响采掘工作的进行。但由于该种方法多采用有线传输的方式，对安全生产具有一定的影响，且无法对采掘工作面煤岩瓦斯动力灾害进行实时的预测，对现场生产的作用有限。

智慧线是指一种高带宽无线接入技术，是借助物联网与通讯技术在封闭特殊环境中支持高精度定位和无线接入能力的全新无线数字通信系统，具有精确度高、传输能力强、智能维护等特点。本发明基于智慧线无线高速传输这一优点，以采动影响情况下工作面煤体物理信号为基础，确定煤岩瓦斯动力灾害判识指标，建立煤岩瓦斯动力灾害判识方法及预警技术，形成煤矿煤岩瓦斯动力灾害的监测系统，研制、开发井下无线预警相关软件及装备，形成煤岩瓦斯动力灾害无线多参量远程监测预警技术平台。

本发明直接来源于实际煤矿安全生产的重大需求，直接服务于煤矿安全生产，满足煤炭工业和煤矿安全的市场需求。煤矿灾害的发生往往具有潜在性、突发性特点，并极具破坏性和灾难性，尤其是煤岩瓦斯动力灾害一直是治理重点和难点。

如何在进一步揭示煤岩瓦斯动力灾害规律的基础上，运用其规律和事故原理产生对其超前预防、控制的科学方法，特别是结合我国煤矿的具体特点，设计一种无线、多参量、大数据、区域与局部相结合、立体三维全覆盖的煤岩瓦斯动力灾害远程监测分级综合预警平台就成为本发明要解决的问题。

发明内容

鉴于上述现有技术领域中的实际情况，本发明旨在提供一种全新的、通用性强的、无线、多参量、大数据、区域与局部相结合、立体三维全覆盖的煤岩瓦斯动力灾害远程监测分级综合预警平台。

一种煤岩动力灾害多参量无线监测综合预警技术与方法主要有数据采集单元、数据储存与处理单元、综合预警单元组成。

数据采集单元，用于煤矿井下煤体应力值、瓦斯浓度顶板压力值、声发射能量与频率，电磁辐射强度与脉冲值，微震区域能量、震级与事件数等数据的采集，并通过智慧线上传至数据储存与处理单元的服务器中；

数据储存与处理单元，将采集到的数值经过整理、耦合分析对比各参数及近期相应数值得出预警结果存储于服务器中，并上传至综合预警单元；

综合预警单元，将预警信息通过智慧线网络发送至监控大屏幕、电脑端、手机端等。

所述数据采集单元包括以工作面煤体应力变化信号为基础的煤体应力无线传感器、以工作面瓦斯涌出浓度变化信号为基础的瓦斯浓度无线监测传感器、能反映工作面顶板压力变化为基础的顶板压力无线监测系统、能反映工作面煤岩体破裂声信号变化为基础的声发射无线监测传感器、能反映工作面煤岩体破裂电磁辐射变化为基础的电磁辐射无线监测装置、能反映工作面煤岩体破裂微震事件变化为基础的微震无线监测传感器等。

所述无线即上述应力无线传感器、瓦斯浓度无线传感器、顶板压力无线监测系统、声发射无线传感器、电磁辐射无线监测装置、微震无线监测传感器皆为无线设备，其中嵌入“智慧线”芯片，并通过“智慧线”上传至所述数据储存与处理单元。

所述多参量即包括煤矿井下煤体应力值、瓦斯浓度顶板压力值、声发射能量与频率，电磁辐射强度与脉冲值，微震区域能量、震级与事件数，将这些煤岩瓦斯动力灾害数据耦合分析，得出煤岩瓦斯动力灾害监测预警指标变化规律；定量分析煤岩瓦斯动力灾害危险性和指标的相关性，确定预警的临界指标值，得出煤岩瓦斯动力灾害判识准则；给出多参量监测预警方法及报警方式。确定井下无线传输与地面有线监测预警平台的对接技术；建立采掘工作面煤岩瓦斯动力灾害无线远程监控综合预警平台；开发大数据、多参量监测预警软件系统。

所述的数据采集装置设计如下：

所述数据采集装置包括各无线传感器及监测装置2、无线收发装置，所述无线收发装置包括电源、无线收发装置主体1、矿用智能手机主板，所述无线收发装置主体1包括与“智慧线”无线对接的芯片3、信号接收装置导线11、信号接收器4、信号发射器5，所述信号接收装置导线11与各无线传感器及监测装置2相连，所述各无线传感器及监测装置2用于监测巷道内各项数值；所述的手机主板与信号接收器4、信号发射器5通过无线信号对接。

所述数据储存与处理单元包括，数据储存模块、数据分析模块；所述数据储存模块根据智慧线上传的各项煤岩瓦斯动力灾害参量传输至数据分析模块的数据库服务器中，并将各参量值和分析结果储存，方便随时调用耦合对比；所述数据分析模块调用数据储存模块服务器中的各项煤岩瓦斯动力灾害数据进行数据分析及绘图，对比分析同期及一段时间内各参量的变化，以此判断是否达到预警条件，并将分析结果上传至综合预警单元。

所述综合预警单元包括，自动预警模块、展示模块、数据查询模块；所述综合预警单元通过“智慧线”系统交换机与其他部门建立联系并进行数据交互，一旦获取预警信息自动启动预警模块，将预警信息发送至移动端、电脑端、监控大屏幕，通过信息网络进行全方位展示；所述展示模块，包括移动端、电脑端、监控大屏幕等，实时呈现各项参量数值及其巷道内的情况；所述数据查询模块，可查询各传感器位置及监测值、巷道内情况和人员位置。

所述技术的工作流程如下：

(1)获取煤矿井下煤体应力值，瓦斯浓度，顶板压力值，声发射能量与频率，电磁辐射强度与脉冲值，微震区域能量、震级与事件数等数据，并通过智慧线上传至数据库服务器；

(2)分析交叉比对一段时间内上述各项参数，依据煤岩瓦斯动力灾害判识准则和预警的临界指标，判断是否上传预警信息；

(3)收到预警信息后，同时在手机端、电脑端和监控大屏幕显示该预警信息，并发送该区域位置及现场实时情况；

所述预警方法，包括超限预警和趋势预警。各传感器及系统采集煤矿井下参量，根据预设的煤岩瓦斯动力灾害判断准则，确定数据是否超限；若是，将预警信息上传，并确定相应工作面或巷道情况；若否，则选取一定的时间间隔获取煤岩瓦斯动力灾害参数中的关键参数，根据关键参数的历史变化规律，获得关键参数的变化趋势，判断关键参数变化趋势是否异常，对未来趋势预警。在进行现场调整后，再次采集新数据，并进行异常判断、预测和调控，实现煤岩瓦斯动力灾害参数的异常诊断、预警及优化调控。

附图说明

图1为本发明中所述传感器与“智慧线”芯片耦合结构示意简图。

图2为本发明中所述基于智慧线的多参数综合预警平台

具体实施方式

以下结合附图通过具体实施方式对本发明作进一步说明。

如图1所示，本发明实施测值系统或传感器与“智慧线”芯片耦合的方式。

如图2所示，为本发明基于智慧线技术的煤岩瓦斯动力灾害无线多参量监测综合预警平台的基本结构和工作流程。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种煤岩动力灾害多参量无线监测综合预警技术与方法，包括，

数据采集单元，用于煤矿井下煤体应力值、瓦斯浓度顶板压力值、声发射能量与振幅，电磁辐射强度与脉冲值，微震区域能量、震级与事件数等数据的采集，并通过智慧线上传至数据储存与处理单元的服务器中；

综合预警单元，将预警信息通过光纤网络发送至监控大屏幕、电脑端、手机端等。

2.根据权利要求1所述的一种煤岩动力灾害多参量无线监测综合预警技术与方法，其特征在于，

基于“智慧线”系列的宽带无线接入解决方案；基于智慧线技术的采掘工作面煤岩瓦斯动力灾害无线关键装备研究；煤岩瓦斯动力灾害无线判识指标研究；研究基于智慧线的采掘工作面多参量煤岩瓦斯动力灾害预警技术；开发煤矿煤岩瓦斯动力灾害无线多参量远程监测综合预警平台。

3.根据权利要求1、2所述的一种煤岩动力灾害多参量无线监测综合预警技术与方法，其特征在于，“智慧线”系列(无线通信与精确定位系统)是一种室内定位与通信解决方案，借助物联网与通讯技术在矿井等封闭特殊环境中构建一种适于施工、布设便捷、支持高精度定位和无线接入能力的全新无线数字通信系统，满足用户的通信、定位、数据传输需求，具备完整的无线通信和精确定位能力，定位精度高，且无需基站、天线、大型供电及配套设施，系统由智慧线缆、接插件、智慧标签、网络控制器、Krtek安全管理系统等组成，具有部署快速简便、定位精度高、传输能力强、传感器监控、远程管理与智能维护、可靠性高等特点，系统独创了WM2M通信规范，提供智慧化矿山各类传感器、控制设备的向后兼容能力，实现远程监控、数据交换、状态跟踪等。该系统提供定位、传感器监控、语音通话、紧急告警、防盗追踪、考勤管理、辅助救援、选配WiFi等功能。

4.根据权利要求1、2、3所述的一种煤岩动力灾害多参量无线监测综合预警技术与方法，其特征在于，所述数据采集单元包括，以工作面煤体应力变化信号为基础的煤体应力无线传感器、以工作面瓦斯涌出浓度变化信号为基础的瓦斯浓度无线监测传感器、能反映工作面顶板压力变化为基础的顶板压力无线监测系统、能反映工作面煤岩体破裂声信号变化为基础的声发射无线监测传感器、能反映工作面煤岩体破裂电磁辐射变化为基础的电磁辐射无线监测装置、能反映工作面煤岩体破裂微震事件变化为基础的微震无线监测传感器等。

所述数据采集单元通过上述应力无线传感器、瓦斯浓度无线传感器、顶板压力无线监测系统、声发射无线传感器、电磁辐射无线监测装置、微震无线监测传感器嵌入“智慧线”芯片，通过“智慧线”上传至所述数据储存与处理单元。

5.一种煤岩动力灾害多参量无线监测综合预警技术与方法，其特征在于，其采用权利要求4所述的数据采集装置设计如下：所述数据采集装置包括各无线传感器及监测装置2、无线收发装置，所述无线收发装置包括电源、无线收发装置主体1、矿用智能手机主板，所述无线收发装置主体1包括与“智慧线”无线对接芯片3、信号接收装置导线11、信号接收器4、信号发射器5，所述信号接收装置导线11与各无线传感器及监测装置2相连，所述各无线传感器及监测装置2用于监测巷道内各项数值；所述的手机主板与信号接收器4、信号发射器5通过无线信号对接。

6.根据权利要求1、2、3所述的一种煤岩动力灾害多参量无线监测综合预警技术与方法，其特征在于，所述数据储存与处理单元包括，数据储存模块、数据分析模块；所述数据储存模块根据智慧线上传的各项煤岩瓦斯动力灾害参量传输至数据分析模块的数据库服务器中，并将各参量值和分析结果储存，方便随时调用耦合对比；所述数据分析模块调用数据储存模块服务器中的各项煤岩瓦斯动力灾害数据进行数据分析及绘图，对比分析同期及一段时间内各参量的变化，以此判断是否达到预警条件，并将分析结果上传至综合预警单元。

7.根据权利要求1、2、3所述的一种煤岩动力灾害多参量无线监测综合预警技术与方法，其特征在于，所述综合预警单元包括，自动预警模块、展示模块、数据查询模块；所述综合预警单元通过“智慧线”系统交换机与其他部门建立联系并进行数据交互，一旦获取预警信息自动启动预警模块，将预警信息发送至移动端、电脑端、监控大屏幕，通过信息网络进行全方位展示；所述展示模块，包括移动端、电脑端、监控大屏幕等，实时呈现各项参量数值及其巷道内的情况；所述数据查询模块，可查询各传感器位置及监测值、巷道内情况和人员位置。

8.根据权利要求1、2、3所述的一种煤岩动力灾害多参量无线监测综合预警技术与方法，其特征在于，以采动影响情况下工作面物理信号为基础，理论分析确定煤岩瓦斯动力灾害监测物理参数，包括应力、瓦斯涌出浓度、电磁辐射、微震或声信号等；实验及分析确定能够代表煤岩瓦斯动力灾害的监测多参量指标。

所述多参量即包括煤矿井下煤体应力值、瓦斯浓度顶板压力值、声发射能量与频率，电磁辐射强度与脉冲值，微震区域能量、震级与事件数。现场试验研究不同矿区、不同煤层、不同煤质等条件下煤岩瓦斯动力灾害监测预警指标变化规律；定量分析煤岩瓦斯动力灾害危险性和指标的相关性，确定预警的临界指标值，得出煤岩瓦斯动力灾害判识准则；给出多参量监测预警方法及报警方式。

9.根据权利要求1、2、3所述的一种煤岩动力灾害多参量无线监测综合预警技术与方法，其特征在于，确定井下无线传输与地面有线监测预警平台的对接技术；建立采掘工作面煤岩瓦斯动力灾害无线远程监控综合预警平台；开发大数据、多参量监测预警软件系统。

10.据权利要求1、2、3所述的一种煤岩动力灾害多参量无线监测综合预警技术与方法，其特征在于，所述技术的工作流程如下：

(3)收到预警信息后，同时在手机端、电脑端和监控大屏幕显示该预警信息，并发送该区域位置及现场实时情况。

11.据权利要求1、2、3所述的一种煤岩动力灾害多参量无线监测综合预警技术与方法，其特征在于，所述预警方法，包括超限预警和趋势预警。各传感器及系统采集煤矿井下煤岩瓦斯动力灾害的参量，根据预设的煤岩瓦斯动力灾害判断准则，确定数据是否超限；若是，将预警信息上传，并确定相应工作面或巷道情况；若否，则选取一定的时间间隔获取煤岩瓦斯动力灾害参数中的关键参数，根据关键参数的历史变化规律，获得关键参数的变化趋势，判断关键参数变化趋势是否异常，对未来趋势预警。在进行现场调整后，再次采集新数据，并进行异常判断、预测和调控，实现煤岩瓦斯动力灾害参数的异常诊断、预警及优化调控。