CN110513149A - 一种突水监测装置及突水监测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种突水监测装置及突水监测方法，该突水监测装置包括至少一个通讯终端、至少一个处理终端和多个液位探头；其中：多个液位探头，分别设置在地下空间的不同点位，用于获取不同点位的水压或水位数据；处理终端，与多个所述液位探头连接，用于接收与处理多个所述液位探头获取的所述水压或水位数据，并将处理后的数据集中传输给所述通讯终端；通讯终端，与所述处理终端连接，用于接收与处理所述处理终端上传的数据，并将处理后的数据向外传输。该突水监测装置监测相同点位的水压或水位数据，能够减少处理终端与通讯终端的使用数量，最大程度地降低突水监测装置的成本，实现突水全过程的实时监测。
Description
技术领域
本发明涉及地下空间监测技术领域，特别是指一种突水监测装置及突水监测方法。
背景技术
水害是地下空间安全生产的主要危害之一，影响正常生产，可能造成重大人员伤亡和财产损失。近些年，水害事故起数呈现下降趋势，说明对水害事故的认识和预防有了很大提升。但是，每起事故死亡人数并没有显著减少，为应急救援与处置提出了更高的要求。
为应对突水危害，国内外学者开展了大量研究，提出了许多突水机理理论和水害危险性评价方法。其中，顶板“上三带”理论、底板“下三带”理论和顶板“三图-双预测”方法、底板脆弱性指数法是应用最广泛的，指导着水害防治工作。但是，受到突水监测技术手段的限制，突水过程的直接监测数据非常匮乏，进而限制了水害防治理论与工程技术手段的研究。
突水具有突发性强、破坏性大等特点，要求监测设备具有较高的防水性能。目前市场上没有能够胜任突水监测要求的监测装置，主要有以下几点原因：1)传统监测装置不满足防水要求，难以实现水下长时间不间断监测；2)传统监测装置成本较高，难以实现井下大范围布设；3)传统监测装置体积较大，密集布置会影响地下空间的正常活动。
发明内容
针对现有技术的不足之处，本发明的目的是提出一种突水监测装置及突水监测方法，该突水监测装置监测相同点位的水压或水位数据，能够减少处理终端与通讯终端的使用数量，最大程度地降低突水监测装置的成本，实现突水全过程的实时监测。
基于上述目的，本发明提供的一种突水监测装置，包括至少一个通讯终端、至少一个处理终端和多个液位探头；其中：
多个液位探头，分别设置在地下空间的不同点位，用于获取不同点位的水压或水位数据；
处理终端，与多个所述液位探头连接，用于接收与处理多个所述液位探头获取的所述水压或水位数据，并将处理后的数据集中传输给所述通讯终端；
通讯终端，与所述处理终端连接，用于接收与处理所述处理终端上传的数据，并将处理后的数据向外传输。
在本发明的一些实施例中，所述通讯终端用于将处理后的数据通过工业环网传输至地表主机；所述通讯终端还用于为所述处理终端和多个所述液位探头供电。
在本发明的一些实施例中，所述液位探头和所述处理终端分别为潜水型液位探头和潜水型处理终端，均能够在水下长时间工作。
在本发明的一些实施例中，所述液位探头和所述处理终端的外部均设置有防水膜。
在本发明的一些实施例中，所述处理终端通过信号电缆并联多个所述液位探头，且所述处理终端与多个所述液位探头均设置在防水件内；所述通讯终端通过信号电缆连接多个所述处理终端。
在本发明的一些实施例中，所述地下空间包括矿井、隧道、城市地铁或地下管网。
基于相同的发明构思，本发明还提供了一种突水监测方法，利用上述的突水监测装置进行突水的监测，包括以下步骤：
获取不同点位的水压或水位数据；
接收与处理获取的所述水压或水位数据，并将处理后的数据集中传输；
接收与处理集中传输的数据，并将处理后的数据向外传输。
在本发明的一些实施例中，所述接收与处理获取的所述水压或水位数据，并将处理后的数据集中传输的步骤包括：将接收的所述水压或水位数据与预先设置的突水分级阈值进行比较，当超过预先设置的突水分级阈值时，则判断所在点位发生突水，并根据监测出的所述水压或水位数据的变化率对应突水分级阈值，进行分级预警。
在本发明的一些实施例中，在获取不同点位的水压或水位数据的步骤之前还包括：设置参数步骤，所述参数包括服务器IP、端口号、站地址、寄存器的首地址和长度、采样时间和突水分级阈值。
在本发明的一些实施例中，当监测到的水压或水位数据为0时，采样时间为10～30秒，当监测到的水压或水位数据非0时，采样时间自适应调整为1～5秒。
从上面所述可以看出，与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明的突水监测装置监测相同点位的水压或水位数据，能够减少处理终端与通讯终端的使用数量，最大程度地降低突水监测装置的成本，同时大量减少了通讯终端的布设，使得突水监测装置的体积更小，在地下空间内更便于安装、布设，对地下空间的影响更小；而且单个处理终端连接多个液位探头，有利于实现小范围内多点位水压或水位的检测，实现地下空间突水后对复杂水流的监测。
附图说明
图1为本发明中的突水监测装置的构架示意图；
图2为本发明中的突水监测传感器装置在矿井的布设示意图；
图3为本发明中的突水监测装置的一个具体实施例示意图；
图4为本发明中的突水监测方法的流程示意图；
图5为本发明中的突水监测方法的一个具体实施例示意图；
图6为本发明中的突水监测方法的实例应用示意图；
图7为本发明的突水监测传方法的实时监测数据展示示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
如图1所示，本实施例提供了一种突水监测装置，包括至少一个通讯终端1、至少一个处理终端2和多个液位探头3；其中：
多个液位探头3，分别设置在地下空间的不同点位，用于获取不同点位的水压或水位数据；
处理终端2，与多个所述液位探头3连接，用于接收与处理多个液位探头3获取的水压或水位数据，并将处理后的数据集中传输给通讯终端1；
通讯终端1，与处理终端2连接，用于接收与处理处理终端2上传的数据，并将处理后的数据向外传输。
在实际应用中，为了实现小范围内多点位水压或水位的检测，需要在地下空间的不同点位布设液位探头3，而当一个处理终端2连接一个液位探头3，一个通讯终端1连接一个处理终端2时，由于液位探头3的使用数量特别大，相应的，处理终端2和通讯终端1的使用数量也会特别大，这就导致突水监测装置的成本较高，难以实现地下空间大范围布设，而且这样的连接方式会导致突水监测装置体积较大，密集布置会影响地下空间的正常活动。本发明的发明人发现了该技术问题，并给出改进方法，即一个通讯终端1连接至少一个处理终端2，一个处理终端2与多个液位探头3连接，这样的连接方式能够保证监测相同点位的水压或水位数据，能够减少处理终端2与通讯终端1的使用数量，最大程度地降低突水监测装置的成本，同时大量减少了通讯终端1的布设，使得突水监测装置的体积更小，在地下空间内更便于安装、布设，对地下空间的影响更小；而且单个处理终端2连接多个液位探头3，有利于实现小范围内多点位水压或水位的检测，实现地下空间突水后对复杂水流的监测。
本实施例中，突水监测装置中各部件的作用为：液位探头3是突水在巷道流动的动态特征数据的直接收集工具，采集所在点位的水压或水位数据；
处理终端2负责多个液位探头3获取数据的收集与解译工作，能够以并联的方式连接多个液位探头3，收集与其连接的液位探头3监测到的水压或水位数据，并向上传输；
通讯终端1负责为处理终端2和液位探头3进行供电，并收集、处理处理终端2上传的水压或水位数据，通过工业环网4向上传输至地表主机5，能够连接多个处理终端2。
在本实施例中，连接到通讯终端1的处理终端2可以为一个或多个，利用485总线进行连接。通讯终端1收集连接的处理终端2的数据，并通过工业环网4向地表主机5传输。
连接到处理终端2的液位探头3可以为多个，如4个、8个、16个等，采取并联的方式连接。处理终端2会对连接的液位探头3的监测数据进行收集和解译，处理终端2的解译为将接收的水压或水位数据与预先设置的突水分级阈值进行比较，当超过预先设置的突水分级阈值时，则判断所在点位发生突水，并根据监测出的水压或水位数据的变化率对应突水分级阈值，进行分级预警。
通讯终端1在接受到水压或水位数据之后，将数据进行处理与缓存，缓存的大小及时间可根据用户需要确定，如缓存12小时。
在本实施例中，所述地下空间包括矿井、隧道、城市地铁或地下管网，但不限于此。下面以矿井为例进行突水监测装置的具体说明。
如图2所示，通讯终端1(菱形)可以布设到顺槽巷口，例如可以布设3个通讯终端1，这3个通讯终端1通过工业环网4与地表主机5相连接。处理终端2(圆点)布设到掘进巷道及掘进迎头、采煤工作面或顺槽，以实现对矿井掘进巷道或回采工作面等区域的监测。通讯终端1分别服务于相同编号的处理终端2，例如，编号为a的通讯终端1分别服务于相同编号a的处理终端2，编号为b的通讯终端1分别服务于相同编号b的处理终端2，编号为c的通讯终端1分别服务于相同编号c的处理终端2；同样的，每个编号为1的处理终端2并联多个液位探头3，每个编号为2的处理终端2并联多个液位探头3，每个编号为3的处理终端2并联多个液位探头3，多个液位探头3布设在矿井巷道的不同点位，采集所在点位的水压或水位数据。
在实际应用中，当突水发生后，要求突水监测装置能够长时间浸泡在水中，能够实现对矿井突水过程的实时监测，为矿井水害应急救援与处置及矿井水害防治理论与工程实践研究提供数据基础及依据。现有的突水监测装置无法长时间浸泡在水中，无法监测突水全过程，本发明的发明人发现了该技术问题，并对突水监测装置进行了改进，考虑到在使用过程中，液位探头3和处理终端2体积相较于通讯终端1更小，便于进行防水化处理，且更便于安装、成本更低。因此，本实施例对液位探头3和处理终端2进行了防水化处理，即将液位探头3和处理终端2设计为潜水型液位探头和潜水型处理终端，就可以在水下长时间工作。
在本实施例中，液位探头3和处理终端2的外部均设置有防水膜，该防水膜可为不锈钢隔离膜，液位探头3和处理终端2的引出线可采用防水电缆。
在本实施例中，所述处理终端2通过信号电缆6并联多个液位探头3，且处理终端2与多个液位探头3均设置在防水件7内；通讯终端1通过信号电缆6连接多个处理终端2。在本实施例中，防水件7可为防水外壳等。
如图3所示，是突水监测装置的一个具体实施例。其中，设计了2个处理终端2，通过配套信号电缆6分别连接4个和8个液位探头3，处理终端2通过配套信号电缆6连接的4个液位探头3可设置在防水件7内，处理终端2通过配套信号电缆6连接的8个液位探头3也可设置在防水件7内，防水件7能够在水下长时间工作，为防水设施；同时以并行或串行方式经由配套信号电缆6、采用TCP/IP网络协议与通讯终端1连接。
当突水发生后，由于液位探头3和处理终端2具有较好的防水性能，能够实现对矿井突水过程的实时监测，为矿井水害应急救援与处置及矿井水害防治理论与工程实践研究提供数据基础及依据。
如图4所示，本实施例提供了一种突水监测方法，利用上述的突水监测装置进行突水的监测，包括以下步骤：
步骤S1：获取不同点位的水压或水位数据；
步骤S2：接收与处理获取的所述水压或水位数据，并将处理后的数据集中传输；
步骤S3：接收与处理集中传输的数据，并将处理后的数据向外传输。
步骤S2包括：将接收的所述水压或水位数据与预先设置的突水分级阈值进行比较，当超过预先设置的突水分级阈值时，则判断所在点位发生突水，并根据监测出的所述水压或水位数据的变化率对应突水分级阈值，进行分级预警。
步骤S1之前还包括：设置参数步骤，所述参数包括服务器IP、端口号、站地址、寄存器的首地址和长度、采样时间和突水分级阈值。
在本实施例中，当监测到的水压或水位数据为0时，采样时间为10～30秒，当监测到的水压或水位数据非0时，采样时间自适应调整为1～5秒；另外当监测到的水压或水位数据非0，当趋于0时，采样时间也可为10～30秒。
下面对突水监测方法的流程步骤进行具体说明。
在本实施例的突水监测方法中，首先进行参数设置，包括服务器IP、端口号、站地址、寄存器的首地址和长度、采样时间、突水分级阈值，其中，在寄存器的首地址和长度设置时，首地址设置为0，长度取决于液位探头3的数量；采样时间可以自行设定，就是按用户设定的时间频率去读取数据；突水分级阈值是基于涌水量曲线及其历史数据进行模型训练，对突水级别进行划分，如划分为1～5级别，而由于本发明的突水监测装置可实现水下长时间不间断监测，假设巷道高度为3.5m，因此可在井下巷道内监测到0～3.5m高度的水位，为突水分级预警提供了监测装置。
在本实施例中，处理终端2或地表主机5会预先获得各个液位探头3的位置信息，当将接收的所述水压或水位数据与预先设置的突水分级阈值进行比较，当超过预先设置的突水分级阈值时，能够判断具体是哪个点位发生突水，并根据监测出的所述水压或水位数据的变化率对应突水分级阈值，进行分级预警。
基于工业环网，可通过设计突水监测装置服务(WMSS)实现下发突水监测装置参数配置；或通过突水监测装置实现上传水压或水位数据给WMSS，并将实时数据存储在数据库中，优化了突水监测装置的通信网络。
常规情况下，上述突水监测装置处于"休闲"状态，监测数据趋于0(也可为0)，此时可将采样时间间隔设置较长，如10～30秒，以节省软硬件成本，尤其是可减少数据传输量、存储量；当液位探头3监测到非0数据时，则突水监测装置处于"繁忙"状态，采样时间可自适应调整，以确保实时采样数据，一旦采集获取的水压或水位数据超过预先设置的突水分级阈值时，则监测出所在点位附近可能发生突水，并可根据监测出的变化率对应突水分级阈值，进行分级预警，实现突水全过程的监测。
如图5所示，突水全过程监测为：可通过设计突水监测装置服务(WMSS)实现下发突水监测装置参数配置；或通过突水监测装置实现上传水压或水位数据给WMSS服务器，并将实时数据存储在数据库中，当完成多个液位探头3、处理终端2和通讯终端1的参数配置后，多个液位探头3监测井下环境变化，并根据采样时间采集所在点位的水压或水位数据，由处理终端2将各路液位探头3所采集获取的水压或水位数据进行集中，并向通讯终端1进行传输；通讯终端1在接受到水压或水位数据之后，将数据进行处理与缓存，缓存的大小及时间可根据用户需要确定，如缓存12小时，最终通过工业环网4向地表主机传输5，将实时数据存储在数据库中，数据库采用主从模式，以确保数据安全。
将上述的突水监测装置应用于某一矿井中，其具体实施方法如下：
参数设置，服务器IP，取值是192.168.11.11；端口号取值是502；站地址默认是1，寄存器的首地址和长度，本矿井在巷道中布置76个液位探头3，图6为矿井实施例中部分液位探头部署显示，以三角形表示液位探头3在井下巷道部署的位置；采样时间，常规情况下，取值30秒，突水发生后自适应调整为1-5秒；突水分级阈值采用5级制，依次为1-5级。本矿井巷道高度为3.5m，即可在井下巷道内监测到0～3.5m高度的水位，为突水分级预警提供了监测装置。
通过液位探头3采集所在点位的水压或水位数据，由处理终端2将采集获取的水压或水位数据向通讯终端1传输，通讯终端1在接受到水压或水位数据之后，将数据进行处理与缓存，最终通过工业环网4向地表主机5传输，存储在数据库中，数据库采用主从模式，以确保数据安全。采用基于java的B/S架构，通过启动监听、发送Request并获取Response、以及数据转换操作，设计并实现WMSS服务。
图7为突水监测装置实时监测数据展示，图7展示了在2018-10-0313:00:00～2018-10-0313:15:00的部分水位数据，采样时间为1秒，水位在1.2～1.8之间变化，可以根据监测出的所述水压或水位数据的变化率(例如单位时间内水位的变化)对应突水分级阈值，进行分级预警，支持多用户平台，实现矿井突水全过程监测，包括24小时不间断突水监测、以及矿井突水发生后井下突水蔓延全过程的动态监测。
由上述内容可知，本发明的突水监测装置监测相同点位的水压或水位数据，能够减少处理终端与通讯终端的使用数量，最大程度地降低突水监测装置的成本，同时大量减少了通讯终端的布设，使得突水监测装置的体积更小，在地下空间内更便于安装、布设，对地下空间的影响更小；而且单个处理终端连接多个液位探头，有利于实现小范围内多点位水压或水位的检测，实现地下空间突水后对复杂水流的监测。
所属领域的普通技术人员应当理解：以上任何实施例的讨论仅为示例性的，并非旨在暗示本公开的范围(包括权利要求)被限于这些例子；在本发明的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，并存在如上所述的本发明的不同方面的许多其它变化，为了简明它们没有在细节中提供。因此，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何省略、修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种突水监测装置，其特征在于，包括至少一个通讯终端、至少一个处理终端和多个液位探头；其中：
多个液位探头，分别设置在地下空间的不同点位，用于获取不同点位的水压或水位数据；
处理终端，与多个所述液位探头连接，用于接收与处理多个所述液位探头获取的所述水压或水位数据，并将处理后的数据集中传输给所述通讯终端；
通讯终端，与所述处理终端连接，用于接收与处理所述处理终端上传的数据，并将处理后的数据向外传输。
2.根据权利要求1所述的突水监测装置，其特征在于，所述通讯终端用于将处理后的数据通过工业环网传输至地表主机；所述通讯终端还用于为所述处理终端和多个所述液位探头供电。
3.根据权利要求1所述的突水监测装置，其特征在于，所述液位探头和所述处理终端分别为潜水型液位探头和潜水型处理终端，均能够在水下长时间工作。
4.根据权利要求1所述的突水监测装置，其特征在于，所述液位探头和所述处理终端的外部均设置有防水膜。
5.根据权利要求1所述的突水监测装置，其特征在于，所述处理终端通过信号电缆并联多个所述液位探头，且所述处理终端与多个所述液位探头均设置在防水件内；所述通讯终端通过信号电缆连接多个所述处理终端。
6.根据权利要求1所述的突水监测装置，其特征在于，所述地下空间包括矿井、隧道、城市地铁或地下管网。
7.一种突水监测方法，其特征在于，利用权利要求1-6任一项所述的突水监测装置进行突水的监测，包括以下步骤：
获取不同点位的水压或水位数据；
接收与处理获取的所述水压或水位数据，并将处理后的数据集中传输；
接收与处理集中传输的数据，并将处理后的数据向外传输。
8.根据权利要求7所述的突水监测方法，其特征在于，所述接收与处理获取的所述水压或水位数据，并将处理后的数据集中传输的步骤包括：将接收的所述水压或水位数据与预先设置的突水分级阈值进行比较，当超过预先设置的突水分级阈值时，则判断所在点位发生突水，并根据监测出的所述水压或水位数据的变化率对应突水分级阈值，进行分级预警。
9.根据权利要求7所述的突水监测方法，其特征在于，在获取不同点位的水压或水位数据的步骤之前还包括：设置参数步骤，所述参数包括服务器IP、端口号、站地址、寄存器的首地址和长度、采样时间和突水分级阈值。
10.根据权利要求9所述的突水监测方法，其特征在于，当监测到的水压或水位数据为0时，采样时间为10～30秒，当监测到的水压或水位数据非0时，采样时间自适应调整为1～5秒。
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