CN111520189B - 一种煤矿超层越界开采问题的实时监测系统与方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种煤矿超层越界开采问题的实时监测系统与方法，属于煤矿开采检测技术领域。本发明采用能耗计量系统实时计量井下配电节点和用电设备的电能数据，采用定位系统实时计量井下用电设备的位置数据，后台管理系统根据定位系统和能耗计量系统上传的数据，推算采矿权范围内用电设备总能耗与井下配电节点能耗，获取井下综采工作面的实时位置，判断是否出现超层越界开采违法行为，监测系统终端进行超层越界违法开采预警和报警。利用本发明能实时监测井下综采工作面的位置，即时发现超层越界开采违法行为并示警。
Description
技术领域
本发明属于煤矿开采检测技术领域，具体涉及一种煤矿超层越界开采问题的实时监测系统与方法。
背景技术
超层越界现象在我国小煤矿和濒临枯竭的矿山普遍存在。在煤炭超层越界开采过程中，巷井穿插交错，与上报的工程设计、生产调度等完全不符，破坏环境、引发与附近采矿权人的资源纠纷的同时带来重大的安全隐患，严重威胁人民的生命财产安全。近年来，我国发生的多起矿山安全事故均存在超层越界现象，但因为种种利益关系，完全依靠管制手段并不能达到根治超层越界开采问题的目的，运用技术管理手段对超层越界开采问题进行监测防治便成为待发掘的有效途径。
原始超层越界检测采用全站仪人工测量或视频监控、人员定位，信息滞后且人为干扰因素大，为了对超层越界违法开采行为进行及时的监管和处理，超层越界检测逐渐向实时监测方向发展，目前的实时监测主要依据采掘振动波形采集，易受环境因素干扰，进而影响监测的准确度。
发明内容
本发明的目的是克服上述现有技术的缺陷，提供一种煤矿超层越界开采问题的实时监测系统与方法。利用本发明能实时监测井下综采工作面的位置，即时发现超层越界开采违法行为并示警。本发明采用能耗计量系统实时计量井下配电节点和用电设备的电能数据，采用定位系统实时计量井下用电设备的位置数据，后台管理系统根据定位系统和能耗计量系统上传的数据，推算采矿权范围内用电设备总能耗与井下配电节点能耗，获取井下综采工作面的实时位置，判断是否出现超层越界开采违法行为，监测系统终端进行超层越界违法开采预警和报警。
本发明所述井下供电系统是指矿井井筒及地面以下的供电系统；本发明所述井下配电节点是指井下供电系统中与用电设备有直接电力连接关系的末级配电设备；本发明所述煤矿的电力连接关系是指井下供电系统中电力设备在网架拓扑上的连接，而不是设备之间的电气连通，与开关刀闸的状态无关。
本发明所提出的技术问题是这样解决的：
一种煤矿超层越界开采问题的实时监测系统，包括定位系统、能耗计量系统、后台管理系统和监测系统终端；
定位系统包括定位标签、定位基站和定位系统通信设备，用于获取井下用电设备的实时位置数据，实时位置数据带有时间标签；定位标签固定在井下用电设备上，用于获取井下用电设备的实时位置数据，定位标签带有电子身份信息；定位基站固定在井下，通过测量定位标签与定位基站的距离关系，得到井下用电设备的实时位置数据；定位系统通信设备用于定位基站与后台管理服务器之间的通信，将定位基站获取的井下用电设备的实时位置数据上传给后台管理系统；
能耗计量系统包括能耗计量标签和能耗计量通信设备，用于获取井下用电设备和配电节点的实时电能数据，电能数据带有时间标签；能耗计量标签固定在井下用电设备和配电节点上，用于实时计量井下用电设备和配电节点的电能数据，能耗计量标签带有与电子身份信息；能耗计量通信设备用于能耗计量标签与后台管理系统之间的通信，将能耗计量标签获取的井下用电设备和配电节点的实时电能数据上传给后台管理系统；
后台管理系统包括后台管理通信设备和后台管理服务器，用于关联井下综采工作面的实时位置数据和实时电能数据，发现超层越界违法开采行为；后台管理通信设备与定位系统通信设备和能耗计量通信设备通过有线或无线网络通信，用于接收定位系统获取的实时位置数据和能耗计量系统获取的实时电能数据；后台管理服务器用于处理实时位置数据和实时电能数据，推算出煤矿采矿权范围内的井下用电设备和配电节点的工作状态，通过比较采矿权范围内用电设备总能耗与配电节点能耗，判断是否出现超层越界违法开采行为；
监测系统终端与后台管理系统相连，用于超层越界违法行为报警和其他人机交互。
进一步地，其他人机交互包括通过监测系统向终端监测系统输入信息、通过监测系统终端向操作者展示监测系统中的数据及其组合、以及根据监测系统中的数据及其组合得出的信息。
进一步地，煤矿的在籍用电设备和配电节点信息记录在后台管理系统的数据库中。
进一步地，煤矿的电力连接关系记录在后台管理系统的数据库中。
进一步地，后台管理系统通过数据库存储历史数据。
基于上述监测系统，本发明还提供了一种煤矿超层越界开采问题的实时监测方法，包括以下步骤：
步骤1.后台管理系统初始化，将煤矿的在籍用电设备和配电节点信息、煤矿的电力连接关系记录在后台管理系统中，确定在籍原煤生产类设备中最小的额定功率Pmin；
步骤2.定位系统实时采集井下用电设备的位置数据，能耗计量系统实时采集井下用电设备和配电节点的电能数据；定位系统通过定位系统通信设备将实时位置数据上传给后台管理系统，实时位置数据带有用电设备的电子身份信息；能耗计量系统通过能耗计量通信设备将实时电能数据上传给后台管理系统，实时电能数据带有用电设备和配电节点的电子身份信息；
步骤3.后台管理系统从实时位置数据中获取用电设备的位置信息，根据用电设备的位置信息判断是否有用电设备处于采矿权范围外；若是，转至步骤9，若否，转至步骤4；
步骤4.选取时间段Δt，Δt始末的电能差为Δt时间内配电节点能耗EΣ，同一时间段内与配电节点相连的各个用电设备能耗总和为ΣEx，能耗差值ΔE＝|EΣ-ΣEx|；
步骤5.计算阈值EΔ＝α*Pmin*Δt，其中α为阈值系数，0<α≤1；后台管理系统判断ΔE是否大于阈值EΔ，若是，转至步骤6，若否，转至步骤10；
步骤6.根据电子身份信息确认正在上传信息的所有用电设备是否是已知的全部用电设备，若是，转至步骤7，若否，转至步骤8；
步骤7.某个或某些用电设备没有贴定位标签或能耗计量标签，后台管理系统发出未知身份设备开采报警，转至步骤10；
步骤8.后台管理系统对比已知用电设备和正在上传信息的所有用电设备，得到当前工作在采矿权范围外的具体用电设备；
步骤9.后台管理系统根据工作在采矿权范围外的用电设备的电子身份信息判断其是否属于原煤生产类设备；若是，则发出超层越界开采报警，若否，则发出超层越界开采预警；
步骤10.监测系统终端实时显示未知身份设备开采报警、超层越界开采预警和超层越界开采报警；监测系统终端还可显示用电设备的位置信息、能耗信息和与配电节点的连接关系、配电节点的能耗信息，以及可从后台管理系统中获得的其他统计信息。
其中，步骤2至步骤10在步骤1完成后即持续进行，而步骤1通常情况下仅在系统建立之初进行。
进一步地，α＝0.5。
进一步地，监测系统终端以树状图的方式显示井下用电设备和配电节点的连接关系。
进一步地，监测系统终端可以显示某个用电设备的历史位置轨迹、在某段时间内的位置-能耗联合信息对比图。
进一步地，监测系统终端的显示内容和形式可以通过监测系统终端设定。
本发明的有益效果是：
(1)本发明采用定位标签、能耗计量标签和定位基站构成数据采集端，设备轻便、易于布置；
(2)本发明利用井下用电设备的能耗信息和位置信息来判断超层越界违法开采行为，可以准确地发现井下的综采作业面，不易受人为干扰；
(3)本发明可以在动态情况下进行数据采集和实时数据解算，实现对煤矿开采的实时、连续、动态监测，对超层越界违法开采行为进行预警和报警，利于及时采取相应措施；
(4)本发明的用电设备电能数据和配电节点电能数据可以相互印证，使监测稳定可靠；
(5)本发明的后台管理系统可以储存历史数据，便于对异常进行追溯；
(6)本发明可以识别出未贴定位标签或能耗计量标签的未知身份设备，使系统的工作性能更加可靠。
附图说明
图1为本发明实施例所述监测系统的系统结构图；
图2为本发明实施例所述监测方法的流程图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行进一步的说明。
本发明实施例提供一种煤矿超层越界开采问题的实时监测系统与方法，利用该系统能实时获取配电节点、用电设备的电能数据和井下用电设备的位置数据，并将上述数据通过有线或无线传输方式上传给后台管理服务器，推算采矿权范围内用电设备总能耗与配电节点能耗，获取井下综采工作面的实时位置，判断是否出现超层越界开采违法行为并示警。
本实施例提供一种煤矿超层越界开采问题的实时监测系统，其系统结构图如图1所示，包括定位系统1、能耗计量系统5、后台管理系统9和监测系统终端13；
定位系统1包括定位标签4、定位基站3和定位系统通信设备2，用于获取井下用电设备的实时位置数据，实时位置数据带有时间标签；定位标签4固定在井下用电设备上，用于获取井下用电设备的实时位置数据，定位标签带有电子身份信息，电子身份信息可以为互不相同的井下用电设备编号，电子身份信息用于后台管理系统9将同一用电设备上的位置信息与电能计量信息配对；定位基站3固定在井下，通过测量定位标签4与定位基站3的距离关系，得到井下用电设备的实时位置数据，实时位置数据带有时间标签；定位系统通信设备2用于定位基站3与后台管理系统9之间的通信，将定位基站3获取的井下用电设备的实时位置数据和用电设备的电子身份信息上传给后台管理系统9；
能耗计量系统5包括能耗计量标签A7、能耗计量标签B 8和能耗计量通信设备6，用于获取井下用电设备和配电节点的实时电能数据，电能数据带有时间标签；能耗计量标签A7固定在井下用电设备上，用于实时计量井下用电设备的电能数据，能耗计量标签A7带有该用电设备的电子身份信息，电子身份信息可以为互不相同的井下用电设备编号；能耗计量标签B 8固定配电节点上，用于实时计量配电节点的电能数据，能耗计量标签B 8带有该配电节点的电子身份信息，电子身份信息可以为互不相同的配电节点编号；电子身份信息用于后台管理系统9分辨用电设备与配电节点，将同一用电设备上的位置数据和电能数据配对；能耗计量通信设备6用于能耗计量标签A7、能耗计量标签B 8与后台管理系统9之间的通信，将能耗计量标签A7、能耗计量标签B 8获取的井下用电设备的实时电能数据和身份信息、配电节点的实时电能数据及身份信息上传给后台管理系统9；
后台管理系统9包括后台管理通信设备12、数据库11和后台管理服务器10，用于关联井下综采工作面的实时位置数据和实时电能数据，发现超层越界违法开采行为；后台管理通信设备12与定位系统通信设备2和能耗计量通信设备6通过有线或无线网络通信，用于接收定位系统1获取的实时位置数据和能耗计量系统5获取的实时电能数据；后台管理系统9通过数据库11存储历史数据；后台管理服务器10用于处理实时位置数据和实时电能数据，推算出煤矿采矿权范围内的井下用电设备和配电节点的工作状态，通过比较采矿权范围内用电设备总能耗与配电节点能耗，判断是否出现超层越界违法开采行为；监测系统终端13与后台管理系统9相连，用于超层越界违法行为报警和其他人机交互。所述人机交互包括但不限于通过监测系统终端13向本实施例提供的监测系统输入信息、通过监测系统终端13向操作者展示监测系统中的数据及其组合、以及根据监测系统中的数据及其组合得出的信息。
煤矿的在籍用电设备和配电节点信息记录在后台管理系统9的数据库11中。
煤矿的电力连接关系记录在后台管理系统9的数据库11中。
基于上述监测系统，本实施例还提供了一种煤矿超层越界开采问题的实时监测方法，其流程图如图2所示，包括以下步骤：
步骤1.将定位标签4固定到各井下用电设备上，将能耗计量标签A7固定到各井下用电设备上，将能耗计量标签B 8固定到各配电节点处；在井下合适位置布置定位基站3、定位系统通信设备2、能耗计量通信设备6和后台管理通信设备12；
后台管理系统初始化，将煤矿的在籍用电设备和配电节点信息、煤矿的电力连接关系记录在后台管理系统9中，确定在籍原煤生产类设备中最小的额定功率Pmin，以及进行其他保障后台管理系统正常运作的初始化工作；其中，在籍用电设备和配电节点信息可以通过监测系统终端13手动录入后台管理系统9；
步骤2.定位系统1实时采集井下用电设备的位置数据，能耗计量系统5实时采集井下用电设备和配电节点的电能数据；定位系统1通过定位系统通信设备2将实时位置数据上传给后台管理系统9；能耗计量系统5通过能耗计量通信设备6将实时电能数据上传给后台管理系统9；定位系统1和能耗计量系统5上传的数据带有定位标签4、能耗计量标签A7和能耗计量标签B 8的电子身份信息；
步骤3.后台管理系统9从实时位置数据中获取用电设备的位置信息，根据用电设备的位置信息判断是否有用电设备处于采矿权范围外；若是，转至步骤9，若否，转至步骤4；
步骤4.后台管理系统9选取一个时间段Δt，Δt始末的电能差为Δt时间内配电节点能耗EΣ，同一时间段内与配电节点相连的各个用电设备能耗总和为ΣEx，能耗差值ΔE＝|EΣ-ΣEx|；
步骤5.计算阈值EΔ＝α*Pmin*Δt，其中为α阈值系数，取α＝0.5；后台管理系统判断ΔE是否大于阈值EΔ，若是，转至步骤6，若否，转至步骤10；
步骤6.根据电子身份信息确认正在上传信息的所有用电设备是否是已知的全部用电设备，若是，转至步骤7，若否，转至步骤8；
步骤7.某个或某些用电设备没有贴定位标签4或能耗计量标签A7，后台管理系统9发出未知身份设备开采报警，转至步骤10；
步骤8.后台管理系统9对比已知用电设备和正在上传信息的所有用电设备，得到当前工作在采矿权范围外的具体用电设备；
步骤9.后台管理系统9根据工作在采矿权范围外的用电设备的电子身份信息判断其是否属于原煤生产类设备；若是，则发出超层越界开采报警，若否，则发出超层越界开采预警；
步骤10.监测系统终端13实时显示未知身份设备开采报警、超层越界开采预警和超层越界开采报警；监测系统终端还可显示用电设备的位置信息、能耗信息和与配电节点的连接关系、配电节点的能耗信息，以及可从后台管理系统中获得的其他统计信息。
其中，步骤2至步骤10在步骤1完成后即持续进行，而步骤1通常情况下仅在系统建立之初进行。
监测系统终端13以树状图的方式显示井下用电设备和配电节点的连接关系；监测系统终端13可以显示某个用电设备的历史位置轨迹、在某段时间内的位置-能耗联合信息对比图。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，本说明书中所公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换；所公开的所有特征、或所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以任何方式组合。
Claims (10)
1.一种煤矿超层越界开采问题的实时监测系统，其特征在于，包括定位系统、能耗计量系统、后台管理系统和监测系统终端；
定位系统包括定位标签、定位基站和定位系统通信设备，用于获取井下用电设备的实时位置数据，实时位置数据带有时间标签；定位标签固定在井下用电设备上，用于获取井下用电设备的实时位置数据，定位标签带有电子身份信息；定位基站固定在井下，通过测量定位标签与定位基站的距离关系，得到井下用电设备的实时位置数据；定位系统通信设备用于定位基站与后台管理服务器之间的通信，将定位基站获取的井下用电设备的实时位置数据上传给后台管理系统；
能耗计量系统包括能耗计量标签和能耗计量通信设备，用于获取井下用电设备和配电节点的实时电能数据，实时电能数据带有时间标签；能耗计量标签固定在井下用电设备和配电节点上，用于实时计量井下用电设备和配电节点的实时电能数据，能耗计量标签带有与电子身份信息；能耗计量通信设备用于能耗计量标签与后台管理系统之间的通信，将能耗计量标签获取的井下用电设备和配电节点的实时电能数据上传给后台管理系统；
后台管理系统包括后台管理通信设备和后台管理服务器，用于关联井下综采工作面的实时位置数据和实时电能数据，发现超层越界违法开采行为；后台管理通信设备与定位系统通信设备和能耗计量通信设备通过有线或无线网络通信，用于接收定位系统获取的实时位置数据和能耗计量系统获取的实时电能数据；后台管理服务器用于处理实时位置数据和实时电能数据，推算出煤矿采矿权范围内的井下用电设备和配电节点的工作状态，通过比较采矿权范围内用电设备总能耗与配电节点能耗，判断是否出现超层越界违法开采行为；
监测系统终端与后台管理系统相连，用于超层越界违法行为报警。
2.根据权利要求1所述的煤矿超层越界开采问题的实时监测系统，其特征在于，监测系统终端还用于人机交互，人机交互包括通过监测系统向监测系统终端输入信息、通过监测系统终端向操作者展示监测系统中的数据及其组合以及根据监测系统中的数据及其组合得出的信息。
3.根据权利要求1所述的煤矿超层越界开采问题的实时监测系统，其特征在于，煤矿的电力连接关系、在籍用电设备和配电节点信息记录在后台管理系统的数据库中。
4.根据权利要求1所述的煤矿超层越界开采问题的实时监测系统，其特征在于，后台管理系统通过数据库存储历史数据。
5.一种煤矿超层越界开采问题的实时监测方法，基于权利要求1所述煤矿超层越界开采问题的实时监测系统，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1.后台管理系统初始化，将煤矿的在籍用电设备和配电节点信息、煤矿的电力连接关系记录在后台管理系统中，确定在籍原煤生产类设备中最小的额定功率Pmin；
步骤2.定位系统实时采集井下用电设备的位置数据，能耗计量系统实时采集井下用电设备和配电节点的电能数据；定位系统通过定位系统通信设备将实时位置数据上传给后台管理系统，实时位置数据带有用电设备的电子身份信息；能耗计量系统通过能耗计量通信设备将实时电能数据上传给后台管理系统，实时电能数据带有用电设备和配电节点的电子身份信息；
步骤3.后台管理系统从实时位置数据中获取用电设备的位置信息，根据用电设备的位置信息判断是否有用电设备处于采矿权范围外；若是，转至步骤9，若否，转至步骤4；
步骤4.选取时间段Δt，Δt始末的电能差为Δt时间内配电节点能耗EΣ，同一时间段内与配电节点相连的各个用电设备能耗总和为ΣEx，能耗差值ΔE＝|EΣ-ΣEx|；
步骤5.计算阈值EΔ＝α*Pmin*Δt，其中α为阈值系数，0<α≤1；后台管理系统判断ΔE是否大于阈值EΔ，若是，转至步骤6，若否，转至步骤10；
步骤6.根据电子身份信息确认正在上传信息的所有用电设备是否是已知的全部用电设备，若是，转至步骤7，若否，转至步骤8；
步骤7.某个或某些用电设备没有贴定位标签或能耗计量标签，后台管理系统发出未知身份设备开采报警，转至步骤10；
步骤8.后台管理系统对比已知用电设备和正在上传信息的所有用电设备，得到当前工作在采矿权范围外的具体用电设备；
步骤9.后台管理系统根据工作在采矿权范围外的用电设备的电子身份信息判断其是否属于原煤生产类设备；若是，则发出超层越界开采报警，若否，则发出超层越界开采预警；
步骤10.监测系统终端实时显示未知身份设备开采报警、超层越界开采预警和超层越界开采报警。
6.根据权利要求5所述的煤矿超层越界开采问题的实时监测方法，其特征在于，步骤2至步骤10在步骤1完成后持续进行。
7.根据权利要求5所述的煤矿超层越界开采问题的实时监测方法，其特征在于，监测系统终端显示用电设备的位置信息、能耗信息和与配电节点的连接关系、配电节点的能耗信息。
8.根据权利要求7所述的煤矿超层越界开采问题的实时监测方法，其特征在于，监测系统终端以树状图的方式显示井下用电设备和配电节点的连接关系。
9.根据权利要求5所述的煤矿超层越界开采问题的实时监测方法，其特征在于，监测系统终端显示某个用电设备的历史位置轨迹、在某段时间内的位置-能耗联合信息对比图。
10.根据权利要求5所述的煤矿超层越界开采问题的实时监测方法，其特征在于，监测系统终端的显示内容和形式通过监测系统终端设定。
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