CN105804794A - 一种用于矿井下多巷道任意角度耦合的水害漫延系统 - Google Patents
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Abstract
一种用于矿井下多巷道任意角度耦合的水害漫延系统是将客户端、突水漫延子系统、无线传感器终端、PC机输入端和数据库服务器，数据库服务器与无线传感器终端和PC机输入端连接，以存储传感器坐标信息、矿井采掘位置信息、巷道线状走向信息、巷道长度宽度信息和巷道障碍物位置信息；无线传感器终端和PC机输入端将现场监测信息传输给数据库服务器，突水漫延子系统用于向数据库请求实时更新信息同步加载到GIS空间图层中，实现与数据库服务器的同步，运用井下多巷道任意角度耦合的LBM方法，得出巷道实时水害漫延图层，客户端同步接收来自数据库服务器的图表数据和突水漫延子系统返回的巷道实时漫延图层，客户端共享信息，最终实现矿井下多巷道任意角度耦合的水害漫延仿真。
Description
技术领域
本发明涉及一种矿井下突水检测预警及水害漫延方法的系统，更具体地是一种用于煤矿井下突水在线监测预警及模拟水害在矿井巷道中漫延方法的系统。
背景技术
煤矿事故频繁发生，其中水害事故是仅次于瓦斯事故的煤矿“第二杀手”。随着开采深度逐渐加大和下组煤大规模开发，水患问题更加突出。有效地对矿井下突水事故进行在线监测，并系统地研究水在地下复杂拓扑结构巷道的蔓延规律，以及快速得出水害蔓延路径及范围，能够在发生灾害前制定有效的避灾路线，最大程度保证矿工生命安全，减少煤矿损失。
现有国内外关于矿井突水漫延模型系统的主要研究成果有：
吴建松、秦跃平等人发明了《一种矿井透水漫延过程模拟实验装置》，公开了一种矿井透水漫延过程模拟实验装置，包括透水源、透水触发装置、立体化透水漫延巷道和数据采集系统，该数据采集系统使用一卡六路图像采集卡实现五组CCD摄像机同步采样，采用数据传输电缆线将摄像机记录图像数据传输到计算机内存进行存储。而本发明采用传感器同步采集数据，获得数据不需要进行太大处理即可传输和使用，数据的存储采用数据库服务器专门进行存储，服务器的单独运行极大地提高整个系统的运作效率，简单的实时存储的过程具有安全性高的特点。其装置还运用数字图像处理技术较全面地模拟分析透水量、透水速度、巷道断面参数、巷道布置方式等因素对透水漫延的影响，以获得典型的矿井透水水流动力学特征和透水漫延规律。而本发明采用的是多巷道任意角度耦合的LBM方法进行突水漫延的仿真，该方法从突水的物理特性出发，研究了水流漫延趋势，计算了漫延速度和到达时间等要素，尤其针对井下复杂的多巷道任意角度耦合情况更具有实用性和普遍性。整个系统实现了井下突水漫延问题的全方位仿真，LBM方法流程如图1所示。
李翠平、李仲学等人在北京科技大学学报上公开发表了《地下矿突水过程的三维动态仿真模型构建》文献，通过分析突水水流井巷中漫延时空性变化的影响因素,提出了突水过程的三维动态仿真模型架构。首先生成井巷空间网络系统.，通过研究水流在井巷空间网络中下向漫延和上向升涨的路径算法，构建了突水水流流经井巷的路径网络。结合水力特征，解算了突水水流的漫延速度和到达时间。但是该模型的建立基于历史地图信息，缺乏实时更新的数据的输入，没有实现现场数据采集、存储和传输的接口，缺乏突水漫延仿真的实时性、及时性。其突水漫延过程是通过神经网络模型训练出来的突水速度，具有较强的专业型，很难在实际的煤矿现场中得到应用和推广。
发明内容
本发明要解决的具体技术问题是如何在现有技术的基础上，提供一种用于矿井下多巷道任意角度耦合的水害漫延系统。
解决问题的方案是这样实现的。
一种用于矿井下多巷道任意角度耦合的水害漫延系统，所述系统是将多个客户端、突水漫延子系统、多个无线传感器终端、多个人工PC机输入端和数据库服务器集成与一体，数据库服务器与多个无线传感器终端和多个人工PC机输入端连接，以存储传感器坐标信息、矿井采掘位置信息、巷道线状走向信息、巷道长度宽度信息和巷道障碍物位置信息；所述无线传感器终端和所述多个PC机输入端将现场监测或人工采集信息传输给所述数据库服务器；所述突水漫延子系统用于向数据库请求实时更新的上述信息同步加载到GIS空间图层中，实现与所述数据库服务器的同步，运用井下多巷道任意角度耦合的LBM方法，得出巷道实时水害漫延图层；客户端同步接收来自数据库服务器的图表数据和突水漫延子系统返回的巷道实时漫延图层，所述多个客户端共享信息并及时掌握井下实时情况，实现矿井下多巷道任意角度耦合的水害漫延仿真。
进一步地，附件技术特征如下。
所述多个无线传感器终端和所述多个人工PC机输入端是用于传输实时监测和人工测量、计算开采现场地质信息。
所述数据库服务器是与所述多个无线传感器终端以及所述多个人工PC机输入端连接，以存储上述信息，并直接将信息输出到多个客户端或传输到突水漫延子系统。
所述突水漫延子系统是从所述数据库服务器获取实时信息并结合GIS技术，将实时信息加载到巷道历史图层，对突水敏感信息采用井下多巷道任意角度耦合的LBM方法，得到水害漫延的空间和属性信息，反馈到多个客户端和数据库服务器；多巷道任意角度耦合的LBM方法构建突水漫延模型对多个巷道的耦合进行数值模拟，并对虚拟巷道模型每点的宏观速度进行直观显示，为避灾路线提供依据。
所述多巷道任意角度耦合的LBM方法是先将巷道进行分块再划分网格，根据park变换对所有巷道耦合边界的所有点进行坐标变换，对边界附近的点进行筛选，完成对这些点的赋值并计算，得出每次迭代之后网格各个节点的宏观密度以及速度等物理量，采用GIS软件输出突水漫延的结果。
所述的GIS软件输出结果是运用GIS技术将该方法计算得出的平面多个巷道的突水速度和压力结果制成属性信息表，与历史巷道空间信息一道，加载到突水漫延图层。上述方法得出的速度，用来模拟巷道水流向前推移，结合巷道地理位置因素，在巷道岔口出得到巷道在哪条路径漫延，并最终反映到漫延结果GIS图中。
所述突水漫延子系统的突水漫延方法是向数据库请求实时更新上述信息并同步加载到空间图层中，实现与数据库服务器的同步；以及用于将矿井动态信息和现场地质信息制成采掘平面图层形式展现到多个客户端；所述多个客户端用于同步接收来自数据库服务器的图表数据和突水漫延子系统返回的巷道实时漫延图层，多个客户端共享信息，及时跟进井下实时情况，利用客户端显示井下突水信息，同时建立人性化界面，从数据库服务器获取水害漫延图层，实现模拟水害流动的真实情况。
实施本发明上述所提供的一种用于矿井下多巷道任意角度耦合的水害漫延系统，与现有技术相比，其直接带来的和必然产生的优点与积极效果在于：该系统为传感器硬件系统、计算机软件系统和巷道漫延仿真模型的结合，实现了集数据采集、实时传输、历史数据分析保存、敏感信息瞬时反应等功能于一体的全方位仿真技术。该系统能够及时、有效、广泛地提取地图中的关键信息以用于煤矿突水漫延规律、事故发生规律的研究，有利于煤矿内部数据共享，这项系统的研究在一定程度上满足了矿山信息化建设的需求。该系统使用的方法能够对多巷道任意角度耦合的巷道系统进行突水漫延仿真，针对煤矿错综复杂的井下巷道系统漫延仿真研究更具有普遍性，能够在实际的煤矿现场中得到应用和推广。综上所述，该系统是集井下巷道突水在线监测、大量历史数据的分析处理以及水害漫延仿真于一体的综合性的水害漫延信息化系统。
附图说明
图1是本发明的LBM求解物理问题的基本流程图。
图2是本发明的矿井下多巷道任意角度耦合的水害漫延系统框图。
图3是本发明的构建基于物联网计算的硬件框图。
图4是本发明的两个任意角度耦合的巷道图。
图5是本发明的的两个任意角度耦合巷道网络图。
图6是本发明的的两个任意角度耦合巷道的一般耦合边界图。
图中：1：主巷道；2：支巷道。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式作出进一步的说明。
如附图2，实施本发明上述所提供的一种用于矿井下多巷道任意角度耦合的水害漫延系统，该系统包括：多个客户端；突水漫延子系统；多个无线传感器终端和多个人工PC机输入端；以及数据库服务器，与多个无线传感器终端和多个人工PC机输入端连接，以存储传感器坐标信息、矿井采掘位置信息、巷道线状走向信息、巷道长度宽度信息、巷道障碍物位置信息等；无线传感器终端和人工PC机输入端将现场监测或人工采集的上述信息传输给数据库服务器；突水漫延子系统用于向数据库请求实时更新的上述信息同步加载到GIS空间图层中，实现与数据库服务器的同步，运用井下多巷道任意角度耦合的LBM方法，得出巷道实时水害漫延图层；客户端同步接收来自数据库服务器的图表数据和突水漫延子系统返回的巷道实时漫延图层，一个或多个客户端共享信息，及时掌握井下实时情况。
在上述具体实施方案中，所述多个无线传感器终端和所述多个人工PC机输入端是用于传输实时监测和人工测量、计算开采现场地质信息。
在上述具体实施方案中，所述数据库服务器是与所述多个无线传感器终端以及所述多个人工PC机输入端连接，以存储传感器坐标信息、矿井采掘位置信息、巷道线状走向信息、巷道长度宽度信息和巷道障碍物位置信息，并直接将信息输出到多个客户端或传输到突水漫延子系统。
在上述具体实施方案中，所述突水漫延子系统是从所述数据库服务器获取实时信息并结合GIS技术，将实时信息加载到巷道历史图层，对突水敏感信息采用井下多巷道任意角度耦合的LBM方法，得到水害漫延的空间和属性信息，反馈到多个客户端和数据库服务器；多巷道任意角度耦合的LBM方法构建突水漫延模型多个巷道的耦合进行数值模拟，并对虚拟巷道模型每点的宏观速度进行直观显示，为避灾路线提供依据。
在上述具体实施方案中，所述多巷道任意角度耦合的LBM方法是先将巷道进行分块再划分网格，根据park变换对所有巷道耦合边界的所有点进行坐标变换，对边界附近的点进行筛选，完成对这些点的赋值并计算，得出每次迭代之后网格各个节点的宏观密度以及速度等物理量，采用GIS软件输出平面多个巷道速度和压力的结果。
在上述具体实施方案中，所述突水漫延子系统的突水漫延方法是向数据库请求实时更新上述信息并同步加载到空间图层中，实现与数据库服务器的同步；以及用于将矿井动态信息和现场地质信息制成采掘平面图层形式展现到多个客户端；所述多个客户端用于同步接收来自数据库服务器的图表数据和突水漫延子系统返回的巷道实时漫延图层，多个客户端共享信息，及时更新井下实时情况，利用客户端显示井下突水信息，同时建立人性化界面，从数据库服务器获取水害漫延图层，实现模拟水害流动的真实情况。
上述一种用于矿井下多巷道任意角度耦合的水害漫延系统的水害漫延方法如下。
（1）在井下的环境下设计在线监测突水的装置，对井下突水进行24小时实时数据监控。
（2）利用ZigBee技术，以无线空间形式传输、存储无线传感器终端信息。
（3）人工PC机输入端输入数据与无线传感器终端采集的信息同步到数据库服务器，数据库服务器可以直接将信息输出到客户端或传输到突水漫延子系统。
（4）突水漫延子系统从数据库服务器获取实时信息，结合GIS技术，将实时信息加载到巷道历史图层，对突水敏感信息采用井下多巷道任意角度耦合的LBM方法，得到水害漫延的空间和属性信息，反馈到客户端和数据库服务器。多巷道任意角度耦合的LBM方法构建突水漫延模型能在较少的计算资源条件下对多个巷道的耦合进行数值模拟，并可对虚拟巷道模型每点的宏观速度进行直观显示，为避灾路线提供依据。
（5）多巷道任意角度耦合的LBM方法采用先把巷道进行分块，再划分网格的方法，根据park变换对不同巷道耦合边界的所有点进行坐标变换。对边界附近的点进行筛选，完成对这些点的赋值。通过该方法的计算，得出每次迭代之后网格各个节点的宏观密度以及速度等物理量。采用GIS软件输出平面多个巷道速度和压力的结果。
（6）利用客户端显示井下突水的信息，同时建立人性化界面，从数据库服务器获取水害漫延图层，可以达到模拟水害流动的效果，从而为井下避灾路线提供了依据。
进一步地，具体实施例如下。
首先，构建基于物联网计算的硬件工作环境，如图3所示。
ZigBee无线数据传输技术是本领域技术人员公知的用于无线数据采集系统，并且井下巷道获取信息一般需要健壮的、安全的、低功耗的无线网络，而ZigBee很好地满足这些需求。组网后，传感器节点被标记从1到n的不同标号，以识别传感器所在的巷道位置，方便准确返回突水的巷道以及突水点信息。利用ZigBee无线组网，在网络中的每一个传感器数据采集点都可以与协调器随时通信。协调器可以将这些采集到的数据汇总到PC机中，进行分析。此外，协调器也可以随时向某个采集点发送指令或者接收数据。
无线传感器终端是以CC2530和ZigBee2007协议栈为基础建立井下突水监测无线子网。在巷道内每隔30米放置无线传感器终端（节点），在该系统中多个节点之间采用ZigBee无线通讯技术进行数据传输，改变了以往有线组网方式布线复杂、系统稳定性差等缺点。并且通过串口将无线子网与PC机连接，数据库服务器将串口传回的数据及时保存。
本发明采用了超声波液位开关LL-01传感器，用于检测矿井下水的发生与否，采用STM8S103F3微处理器作为信号采集MCU，采集和处理数据，STM8S103F3芯片将传感器检测到的污染环境信号传输给CC2530底板，CC2530底板作为ZigBee的子节点，将信号传输给ZigBee协调器。
CC2530和STM8S103F3芯片之间采用UART异步串口通信，ZigBee的子节点通过无线网络发送给ZigBee协调器，协调器数据经串口通信到达PC机。
PC机端可以实时接收来自串口数据或人工输入的数据。串口数据是指传感器采集的数据、传感器位置坐标信息，人工输入的数据包括：矿井采掘位置信息、巷道线状走向信息、巷道长度宽度信息、巷道障碍物位置信息等信息。
其次，构建基于SQLServer2012的数据库服务器。
数据库服务器本领域技术人员公知的能够执行数据存储、处理以及传输的装置。数据库服务器要存放多个无线传感器终端和多个人工PC机输入端的历史数据，包括：传感器坐标信息、矿井采掘位置信息、巷道线状走向信息、巷道长度宽度信息、巷道障碍物位置信息。上述信息同步传输到突水漫延子系统，突水漫延子系统运用GIS技术将上述信息区分成空间信息和属性信息，加载到突水漫延历史图层。
数据库服务器是采用大型关系型数据库SQLServer2012存储数据，读取的上述信息存放到二维表中。创建空间位置需要数据库表提供位置坐标，不需要创建空间位置则直接添加数据表到GIS属性表中，与历史信息一道在图层中反映出来。
再次，基于GIS技术和多巷道任意角度耦合的LBM方法构建突水漫延子系统，通过GIS软件调用水害漫延的方法计算井下突水漫延的趋势，以便为避灾路线提供科学依据。
具体地，多巷道任意角度耦合的LBM的方法如下：
建立井下巷道网格模型，图4为采用对两个巷道不统一的坐标系划分方法对夹角为的两个巷道分别划分网格，周围相邻非巷道区域不划分网格（网格划分方法在边界点计算方法步骤之后详述）。划分完毕，可以看到在耦合边界AB段上，边界相交的网格点出现了不一致的情况。根据边界的唯一性原则，需要舍去边界重叠的网格，剩下的网格点根据到网格边界的距离大小分别计算，边界点计算方法具体步骤如下：
步骤1，根据坐标变换选取支巷道2耦合边界附近的所有点。
如果原坐标轴上一点坐标为，经过坐标变换，在新坐标轴上的坐标位置就是，其中P为变换矩阵，变换矩阵P如下：
选取主巷道1的坐标系为，其中的正向为沿着主巷道1的方向，y的正向为垂直于x正向。同理，取支巷道2的坐标系为，其中的正向为沿着支巷道2的方向，的正向为垂直于正向，O点为两个坐标系的公共坐标原点。通过坐标变换把坐标系上的某一点转换到坐标系中，与耦合边界AB直线进行比较，可确定该点属于AB直线哪一侧。
步骤2，对边界附近的点进行筛选。
设主巷道1耦合边的点用A，B，C来表示(其中A，B为边界点，C代表其他点)。同理，设支巷道2耦合边的点用a，b，c来表示（其中a，b为边界点，c代表其他点）。
对于支巷道2，位于直线AB下方的点也存在于主巷道1中，所以首先应舍去这些点。其次在剩余点中，选取到耦合边界的直线的距离d小于等于的网格节点，因为距离大于该值的点必定有相邻的点更接近耦合边界，如图5所示。其中，θ为两个巷道的夹角，为网格的步长。
步骤3，完成对这些点的赋值。
对边界节点a、b处理是根据分块耦合算法进行赋值。对于c点的处理是选取距离c点最近的ab线段上主巷道1的节点，如果出现两个相同距离的点，则取平均值。
对于主巷道1的C点来说，耦合边界的密度分布函数未知。根据边界唯一性，可以通过支巷道2的对应的c点完成该赋值，即，=4，7，8。同理，对于支巷道2的耦合边界c点的未知密度分布函数，可通过主巷道1的对应点完成赋值，即，=2，5，6。
至此，两个巷道任意角度耦合的模型搭建完成。对于多巷道耦合的情况，采用两两耦合的模型。
针对煤矿井下巷道错综复杂情况，先以平面两个巷道任意角度为夹角的情况为例，构建巷道的耦合模型。采用先把巷道进行分块，再划分网格的方法，如图6所示，其中图中的1和2为两个巷道的标号。
采用两个巷道不统一的坐标系划分方法，即主巷道1和支巷道2采用不同的坐标系。这种划分法的优点是巷道的其余边界分布函数计算比较简单，且不会随着侧边界角度的变化造成计算资源的浪费。
软件方面使用GIS控件开发应用程序缩短了开发时间，且界面友好、易于操作。通过在GIS中实时获取、显示传感器数据，并对突水情况实时返回数据，可以在线监测井下突水是否发生以及发生后水害漫延的过程。
当某一区域传感器返回数据超过预设阈值或采集的一系列数据具有突水可能性数据时，数据库服务器同步将信息结合GIS地形数据库中的空间位置信息反应到地质图当中，并将此图层文件自动存放于数据库服务器中，由于SQLSERVER关系型数据库不能存放空间数据，图层文件需要通过ArcSDE空间数据引擎存储到数据库服务器。
当地图中的危险区域的传感器返回已经发生突水信息时，则根据数据库服务器中关于巷道的数据，建立危险区域附近巷道网络模型，利用多巷道任意角度耦合的LBM的方法，进行这些巷道中水蔓延路径，可以得出水的蔓延趋势以及水流会先经过哪些点，指导井下人员绕开水将先淹没的区域，指定有效的逃生路径。
客户端是在VisualStudio编程环境下编写的桌面显示系统，包括：B/S架构下的浏览器显示界面、C/S架构下的用户注册、登录界面和信息管理界面。信息管理界面后台与数据库服务器连接，随时访问SQLServer中的传感器信息和人工输入信息，功能包括：信息的分类、多种方式查询，添加、修改、编辑、删除。
客户端同步接收来自数据库服务器的图表数据和突水漫延子系统返回的漫延图层信息，多个客户端共享信息，实时更新井下情况。
Claims (6)
1.一种用于矿井下多巷道任意角度耦合的水害漫延系统，所述系统是将多个客户端、突水漫延子系统、多个无线传感器终端、多个人工PC机输入端和数据库服务器与多个无线传感器终端连接，以存储传感器坐标信息、矿井采掘位置信息、巷道线状走向信息、巷道长度宽度信息和巷道障碍物位置信息；所述无线传感器终端和所述多个PC机输入端将现场监测或人工采集信息传输给所述数据库服务器；所述突水漫延子系统用于向数据库请求实时更新的上述信息同步加载到GIS空间图层中，实现与所述数据库服务器的同步，运用井下多巷道任意角度耦合的LBM方法，得出巷道实时水害漫延图层；客户端同步接收来自数据库服务器的图表数据和突水漫延子系统返回的巷道实时漫延图层，所述多个客户端共享信息并及时掌握井下实时情况，实现矿井下多巷道任意角度耦合的水害漫延仿真。
2.如权利要求1所述的系统，所述多个无线传感器终端和所述多个人工PC机输入端是用于传输实时监测和人工测量、计算开采现场地质信息。
3.如权利要求1所述的系统，所述数据库服务器是与所述多个无线传感器终端以及所述多个人工PC机输入端连接，以存储传感器坐标信息、矿井采掘位置信息、巷道线状走向信息、巷道长度宽度信息和巷道障碍物位置信息，并直接将信息输出到多个客户端或传输到突水漫延子系统。
4.如权利要求1所述的系统，所述突水漫延子系统是从所述数据库服务器获取实时信息并结合GIS技术，将实时信息加载到巷道历史图层，对突水敏感信息采用井下多巷道任意角度耦合的LBM方法，得到水害漫延的空间和属性信息，反馈到多个客户端和数据库服务器；该方法构建的突水漫延模型能够对多个耦合巷道进行数值模拟，并对虚拟巷道模型每点的宏观速度进行直观显示，为避灾路线提供依据。
5.如权利要求1所述的系统，所述多巷道任意角度耦合的LBM方法是先将巷道进行分块再划分网格，根据park变换对所有巷道耦合边界的所有点进行坐标变换，对边界附近的点进行筛选，完成对这些点的赋值并计算，得出每次迭代之后网格各个节点的宏观密度以及速度等物理量，运用GIS技术将该方法计算得出的平面多个巷道的突水速度和压力结果制成属性信息表，与历史巷道空间信息一道，加载到突水漫延图层。
6.如权利要求5所述的系统，所述突水漫延子系统的突水漫延方法是向数据库请求实时更新上述信息并同步加载到空间图层中，实现与数据库服务器的同步；以及用于将矿井动态信息和现场地质信息制成采掘平面图层形式展现到多个客户端；所述多个客户端用于同步接收来自数据库服务器的图表数据和突水漫延子系统返回的巷道实时漫延图层，多个客户端共享信息，及时跟进井下实时情况，利用客户端显示井下突水信息，同时建立人性化界面，从数据库服务器获取水害漫延图层，实现模拟水害流动的真实情况。
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