CN111832944A - 一种基于大数据的煤矿开采区域实时安全监测管理系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种基于大数据的煤矿开采区域实时安全监测管理系统，包括监测点设置模块、环境监测模块、矸山坍塌参数检测分析模块、管理数据库、管理服务器和显示终端，本发明提出的基于大数据的煤矿开采区域实时安全监测管理系统，通过环境监测模块和矸山坍塌参数检测分析模块进行矸山的气体污染系数和坍塌系数统计，并结合管理服务器对其进行其综合危害系数评估，能够全面反映矸山的危害情况，提高了监测水平，减少了大量的人力成本，方便管理人员针对矸山的危害程度进行提前安全预测，最大化地降低因矸山自燃排放的大量有害气体和内在或外力因素坍塌导致的重力灾害，有效保障了矿区人们的生活环境质量。
Description
技术领域
本发明涉及煤矿安全监测技术领域，涉及到一种基于大数据的煤矿开采区域实时安全监测管理系统。
背景技术
煤矸石是在煤炭开采、洗选加工过程中所产生的固体废弃物，目前煤矿开采区域的排矸量约占煤炭开采量的8％～20％，矸石山几乎成为我国煤矿的标志，矸石中通常含有残煤、媒质泥岩、流铁矿、碎木材等可燃物质，在长期露天堆积后，往往会产生自燃现象，并排放出大量的SO2、H2S、NO2等有害气体，造成矿区的环境普遍受到污染，严重影响矿区人民的生活质量，同时，矸石山堆积过高，坡度过大，未经煤矸石粉碎机处理就容易造成滑坡，部分煤矿或小煤窑往往将煤矸石简单倾倒于矿井附近的山坡、冲沟、溪沟等地势相对低洼地段。在人为开挖、降雨淋滤、山洪冲刷作用下，容易失稳引发诸如泥石流、坍塌以及滑坡等重力灾害，因此对煤矿开采区域的矸石山进行实时安全监测很有必要。
目前的对煤矿开采区域的矸石山安全监测手段都是采用人工巡查的方式，浪费大量的人力，且监测水平低，对一些安全隐患不能时时排查到，更重要的是其巡查结果只能局部地反映矸山的当前安全状态，难以全面反映矸山的安全状况及对未来危害性的预测，鉴于此，本发明设计一种基于大数据的煤矿开采区域实时安全监测管理系统。
发明内容
本发明的目的在于提供的一种基于大数据的煤矿开采区域实时安全监测管理系统，通过环境监测模块和矸山坍塌参数检测分析模块进行矸山的气体污染系数和坍塌系数统计，并结合管理服务器对其进行其综合危害系数评估，解决了背景技术提到的问题。
本发明的目的可以通过以下技术方案实现：
一种基于大数据的煤矿开采区域实时安全监测管理系统，包括监测点设置模块、环境监测模块、矸山坍塌参数检测分析模块、管理数据库、管理服务器和显示终端，所述环境监测模块用于对煤矿开采区域中煤矸石堆积的矸山周围的环境参数进行采集处理，所述矸山坍塌参数检测分析模块用于对煤矸石堆积的矸山影响其坍塌的内在和外力参数进行检测，以便进行其坍塌系数分析；
监测点设置模块，用于对煤矿开采区域中煤矸石堆积的矸山周围的环境监测设置监测点，其监测点设置方式为沿着矸山的自然坡度轨道从一侧矸山脚到矸山顶再到另一侧矸山脚的曲线距离等间距设置若干监测点，若干监测点按照预设的顺序进行编号，依次标记为1,2,...i,...,n；
环境监测模块与监测点布置模块连接，包括环境参数采集单元、参数预处理单元和环境参数分析单元；
环境参数采集单元，包括若干环境参数采集终端，其均匀放置在各监测点，用于对各监测点的空气中SO2、H2S、NO2气体浓度、温度、风速和风向角度进行检测，并将采集到的各监测点的空气中SO2、H2S、NO2气体浓度、温度、风速和风向角度发送至参数预处理单元；
参数预处理单元接收环境参数参数发送的各监测点的空气中SO2、H2S、NO2气体浓度、温度、风速和风向角度，并将接收的各监测点的空气中SO2、H2S和NO2气体浓度统一存储，构成监测点气体参数集合Pw(pw1,pw2,...,pwi,...,pwn)，pwi表示为第i个监测点气体参数对应的浓度值，w表示为气体参数,w＝wS,wH,wN,wS,wH,wN分别表示为空气中的SO2、H2S、NO2气体浓度，将接收的各监测点的温度、风速和风向角度进行分类统一存储，构成监测点温度集合T(t1,t2,...,ti,...,tn)和监测点风力参数集合Wr(wr1,wr2,...,wri,...,wrn)，其中ti表示为第i个监测点温度值，wri表示为第i个监测点风力参数对应的数值，r表示为风力参数，r＝rv,rθ,rv,rθ分别表示为风速、风向角度，对监测点温度集合中各个监测点的温度取其均值，得到监测点平均温度，与管理数据库中存储的煤矸石自燃温度进行对比，若大于或等于煤矸石自燃温度临界点，则在预设的固定时间间隔后，重新采集各监测点的空气中SO2、H2S和NO2气体浓度，得到固定时间间隔后的相对监测点气体参数集合P′w(p′w1,p′w2,...,p′wi,...,p′wn)，并根据预设的风力污染系数计算公式，统计各监测点的风力污染系数，参数预处理单元将监测点气体参数集合、相对监测点气体参数集合、监测点平均温度和各监测点的风力污染系数发送至环境参数分析单元；
管理数据库存储煤矸石自燃温度，存储各风力等级对应的风速值范围及各风力等级对应的平均风力波及距离,存储居民区大气环境中SO2、H2S、NO2气体的最高允许浓度，存储矸山安全单体高度和安全自然休止角，各内在坍塌等级对应的内在坍塌系数，存储各外力坍塌等级对应的外力坍塌系数，并存储各危害等级对应的矸山综合危害评估系数阈值；
环境参数分析单元，接收参数预处理单元发送的监测点气体参数集合、相对监测点气体参数集合、监测点平均温度和各监测点的风力污染系数，根据接收的监测点气体参数集合和相对监测点气体参数集合，分别与管理数据库中存储的居民区大气环境中有害气体最高允许浓度进行对比，得到监测点气体参数对比集合ΔPw(Δpw1,Δpw2,...,Δpwi,...,Δpwn)和相对监测点气体参数对比集合ΔP′w(Δp′w1,Δp′w2,...,Δp′wi,...,Δp′wn)，并根据监测点气体参数对比集合、相对监测点气体参数对比集合和各监测点的风力污染系数统计气体污染评估系数，并发送至管理服务器；
矸山坍塌参数检测分析模块，包括内在坍塌参数分析单元和外力坍塌分析单元，所述内在坍塌参数分析单元用于对矸山的单体高度和自然休止角进行检测，并将检测的矸山单体高度和自然休止角，与预设的矸山安全单体高度和安全自然休止角进行对比，若检测的矸山高度大于安全单体高度或自然休止角大于安全自然休止角，其矸山的内在坍塌等级为1级，若检测的矸山单体高度大于安全单体高度且同时自然休止角大于安全自然休止角，其矸山的内在坍塌等级为2级，内在坍塌参数分析单元将矸山的内在坍塌等级发送至管理服务器；
同时，结合当天的天气预报是否有暴雨，若预报有暴雨，根据预报的暴雨预警信号级别，提取预设的矸山各外力坍塌等级对应的暴雨预警级别，筛选该暴雨预警信号级别对应的矸山外力坍塌等级，并发送至管理服务器；
管理服务器分别与环境监测模块和矸山坍塌参数检测分析模块连接，接收环境监测模块发送的气体污染系数，接收矸山坍塌参数检测分析模块发送的矸山内在坍塌等级和矸山外力坍塌等级，根据接收的矸山内在坍塌等级，提取管理数据库中存储的各内在坍塌等级对应的内在坍塌系数，筛选该矸山内在坍塌等级对应的内在坍塌系数，根据接收的矸山外力坍塌等级，提取管理数据库中存储的各外力坍塌等级对应的外力坍塌系数，筛选该矸山外力坍塌等级对应的外力坍塌系数；
管理服务器根据接收的气体污染系数和统计的矸山内在坍塌系数和外力坍塌系数，进行综合危害评估系数统计，并将统计的矸山综合危害评估系数与各危害等级对应的矸山综合危害评估系数阈值进行对比，若统计的矸山综合危害评估系数小于或处于危害等级为Ⅰ级的矸山对应的矸山综合危害评估系数阈值内，则该矸山的危害等级为Ⅰ级，若统计的矸山综合危害评估系数处于危害等级为Ⅱ级的矸山对应的矸山综合危害评估系数阈值内，则该矸山的危害等级为Ⅱ级，若统计的矸山综合危害评估系数处于危害等级为Ⅲ级的矸山对应的矸山综合危害评估系数阈值内，则该矸山的危害等级为Ⅲ级，管理服务器将统计的矸山综合危害评估系数及该矸山的危害等级发送至显示终端及远程控制中心；
显示终端与管理服务器连接，用于接收管理服务器发送的矸山综合危害评估系数及该矸山的危害等级并显示。
根据本发明的一种能够实现的方式，环境参数采集终端包括有害气体浓度传感器、温度传感器、风速传感器和风向传感器，所述有害气体浓度传感器用于检测各监测点的SO2、H2S和NO2气体浓度，所述温度传感器用于检测各监测点的环境温度，所述风速传感器用于检测各监测点的风速，所述温度传感器用于检测各监测点的风向角度。
根据本发明的一种能够实现的方式，各监测点的风力污染系数计算公式为
式中αi表示为第i个监测点的风力污染系数，rvi表示为第i个监测点的风速，vmin表示为引起风力波及的最小风速，lDi表示为第i个监测点的风速对应的第D个风力等级对应的平均风力波及距离，D＝1,2,3,rθi表示为第i个监测点的风向角度。
根据本发明的一种能够实现的方式，各监测点的风速对应的平均风力波及距离获取方法为，对监测点风力参数集合中各个监测点的风速值，提取管理数据库中各风力等级对应的风速值范围，筛选得到各监测点的风速值对应的风力等级，同时与预设的各风力等级对应的平均风力波及距离进行分析对比，获取各监测点的各风力等级对应的平均风力波及距离。
根据本发明的一种能够实现的方式，气体污染评估系数的计算公式为
Δpwsi,ΔpwHi,ΔpwNi分别表示为第i个监测点的的SO2、H2S、NO2气体浓度与对应的居民区大气环境中SO2、H2S、NO2气体的最高允许浓度之间的差值，pwsmax、pwHmax、pwNmax分别表示为居民区大气环境中SO2、H2S、NO2气体的最高允许浓度，Δp′wsi、Δp′wHi、Δp′wNi分别表示为固定时间间隔后第i个监测点的SO2、H2S、NO2气体浓度与对应的居民区大气环境SO2、H2S、NO2气体的最高允许浓度之间的差值，αi表示为第i个监测点的风力污染系数，t表示为监测点平均温度，t0表示为煤矸石自燃温度临界点。
根据本发明的一种能够实现的方式，暴雨预警信号级别包括蓝色、黄色、橙色和红色，其中红色暴雨预警信号为最高级，四种暴雨预警信号分别对应的矸山外力坍塌等级为1级、2级、3级和4级。
根据本发明的一种能够实现的方式，综合危害评估系数的计算公式为
式中，ξ表示为气体污染评估系数，μC表示为第C个内在坍塌等级对应的内在坍塌系数，C＝1,2,λF表示为第F个外力坍塌等级对应的外力坍塌系数，F＝1,2,3,4。
根据本发明的一种能够实现的方式，还包括远程控制中心，与管理服务器连接，用于接收管理服务器发送的该矸山的危害等级，根据接收的该矸山的危害等级，进行相应处理措施，当矸山的危害等级为Ⅰ级时，在其周边设置醒目警示牌，提醒过往行人，当矸山的危害等级为Ⅱ级时，配备专人对矸山进行巡查管理，发现险情立即报告，当矸山的危害等级为Ⅲ级时，对其设置安全警戒线，禁止人畜和车辆进入，并及时将矸山拖运走。
有益效果：
(1)本发明通过环境监测模块对矸山周围的环境参数进行采集分析统计其气体污染评估系数，并通过矸山坍塌参数检测分析模块结合内在坍塌因素和外力坍塌因素，分析其内在坍塌系数和外力坍塌系数，同时结合管理服务器综合其气体污染评估系数和内在坍塌系数和外力坍塌系数，对矸山的综合危害系数进行评估，能够全面反映矸山的危害情况，实现了对矸山危害程度的量化展示，提高了监测水平，减少了大量的人力成本，方便管理人员针对矸山的危害程度进行提前安全预测，最大化地降低因矸山自燃排放的大量有害气体和内在或外力因素坍塌导致的重力灾害，有效保障了矿区人们的生活环境质量。
(2)本发明通过设置若干监测点，在各监测点进行环境参数采集，使检测的各环境参数更接近真实值，避免单个监测点造成的环境参数检测误差现象，提高了环境参数检测的准确性，其中各监测点的布设方式为沿着矸山的自然坡度轨道从一侧矸山脚到矸山顶再到另一侧矸山脚的曲线距离等间距设置，更显合理性。
(3)本发明通过设置矸山不同级别的综合危害评估系数阈值，针对矸山的综合危害评估系数进行矸山危害级别评估，便于管理人员根据不同危害级别采取行相应的安全处理措施，体现了系统的智能性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的模块示意图；
图2为本发明的环境监测模块示意图；
图3为本发明的矸山坍塌参数检测分析模块示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1-3所示，一种基于大数据的煤矿开采区域实时安全监测管理系统，包括监测点设置模块、环境监测模块、矸山坍塌参数检测分析模块、管理数据库、管理服务器和显示终端，环境监测模块用于对煤矿开采区域中煤矸石堆积的矸山周围的环境参数进行采集处理，矸山坍塌参数检测分析模块用于对煤矸石堆积的矸山影响其坍塌的内在和外力参数进行检测，以便进行其坍塌系数分析；
监测点设置模块，用于对煤矿开采区域中煤矸石堆积的矸山周围的环境监测设置监测点，其监测点设置方式为沿着矸山的自然坡度轨道从一侧矸山脚到矸山顶再到另一侧矸山脚的曲线距离等间距设置若干监测点，若干监测点按照预设的顺序进行编号，依次标记为1,2,...i,...,n，多个监测的设置，使检测的各环境参数更接近真实值，避免单个监测点造成的环境参数检测误差现象，提高了环境参数检测的准确性。
环境监测模块与监测点布置模块连接，包括环境参数采集单元、参数预处理单元和环境参数分析单元；
环境参数采集单元，包括若干环境参数采集终端，其包括有害气体浓度传感器、温度传感器、风速传感器和风向传感器，若干环境参数采集终端均匀放置在各监测点，用于对各监测点的空气中SO2、H2S、NO2气体浓度、温度、风速和风向角度进行检测，有害气体浓度传感器用于检测各监测点的SO2、H2S和NO2气体浓度，所述温度传感器用于检测各监测点的环境温度，所述风速传感器用于检测各监测点的风速，所述温度传感器用于检测各监测点的风向角度，环境参数采集单元将采集到的各监测点的空气中SO2、H2S、NO2气体浓度、温度、风速和风向角度发送至参数预处理单元；
参数预处理单元接收环境参数参数发送的各监测点的空气中SO2、H2S、NO2气体浓度、温度、风速和风向角度，并将接收的各监测点的空气中SO2、H2S和NO2气体浓度统一存储，构成监测点气体参数集合Pw(pw1,pw2,...,pwi,...,pwn)，pwi表示为第i个监测点气体参数对应的浓度值，w表示为气体参数,w＝wS,wH,wN,wS,wH,wN分别表示为空气中的SO2、H2S、NO2气体浓度，将接收的各监测点的温度、风速和风向角度进行分类统一存储，构成监测点温度集合T(t1,t2,...,ti,...,tn)和监测点风力参数集合Wr(wr1,wr2,...,wri,...,wrn)，其中ti表示为第i个监测点温度值，wri表示为第i个监测点风力参数对应的数值，r表示为风力参数，r＝rv,rθ,rv,rθ分别表示为风速、风向角度，对监测点温度集合中各个监测点的温度取其均值，得到监测点平均温度，其平均温度计算公式为
ti表示为第i个监测点的温度值，将监测点平均温度与管理数据库中存储的煤矸石自燃温度进行对比，若大于或等于煤矸石自燃温度临界点，则在预设的固定时间间隔后，重新采集各监测点的空气中SO2、H2S和NO2气体浓度，得到固定时间间隔后的相对监测点气体参数集合P′w(p′w1,p′w2,...,p′wi,...,p′wn)，对监测点风力参数集合中各个监测点的风速值，提取管理数据库中各风力等级对应的风速值范围，筛选得到各监测点的风速值对应的风力等级，同时与预设的各风力等级对应的平均风力波及距离进行分析对比，获取各监测点的各风力等级对应的平均风力波及距离，并根据预设的风力污染系数计算公式，统计各监测点的风力污染系数
式中αi表示为第i个监测点的风力污染系数，rvi表示为第i个监测点的风速，vmin表示为引起风力波及的最小风速，lDi表示为第i个监测点的风速对应的第D个风力等级对应的平均风力波及距离，D＝1,2,3,rθi表示为第i个监测点的风向角度，风力污染系数越高，其将有害气体波及到其他区域的概率越高，参数预处理单元将监测点气体参数集合、相对监测点气体参数集合、监测点平均温度和各监测点的风力污染系数发送至环境参数分析单元。
本实施例中对矸山的有害气体浓度采集，通过对矸山周边的温度与煤矸石自燃温度进行对比，有效结合了矸山有害气体产生的原因，是由于煤矸石自身的温度达到其自燃点时排放出来的，当检测的矸山周边的温度若大于其煤矸石自燃温度临界点时，重新采集其有害气体浓度，提高了矸山有害气体浓度采集的准确度，便于后续进行气体污染评估系数统计提供可靠的数值。
同时，本实施例中创新性地提出风力污染系数的概念，结合了风力对有害气体污染的影响，煤矸石自燃风化后，当有大风时，其大风扬尘加剧了空气中有害气体的浓度，使得矸山周边的环境污染更加严重，以此设计了风力污染系数计算公式，公式中用到的风力波及距离，根据风力等级来判断，风力等级越大，其风力波及的距离越大，对应的其气体污染程度越大。
管理数据库存储煤矸石自燃温度值，存储各风力等级对应的风速值范围及各风力等级对应的平均风力波及距离,存储居民区大气环境中SO2、H2S、NO2气体的最高允许浓度，存储矸山安全单体高度和安全自然休止角，各内在坍塌等级对应的内在坍塌系数，存储各外力坍塌等级对应的外力坍塌系数，并存储各危害等级对应的矸山综合危害评估系数阈值。
环境参数分析单元，接收参数预处理单元发送的监测点气体参数集合、相对监测点气体参数集合、监测点平均温度和各监测点的风力污染系数，根据接收的监测点气体参数集合和相对监测点气体参数集合，分别与管理数据库中存储的居民区大气环境中有害气体最高允许浓度进行对比，得到监测点气体参数对比集合ΔPw(Δpw1,Δpw2,...,Δpwi,...,Δpwn)和相对监测点气体参数对比集合ΔP′w(Δp′w1,Δp′w2,...,Δp′wi,...,Δp′wn)，并根据监测点气体参数对比集合、相对监测点气体参数对比集合和各监测点的风力污染系数统计气体污染评估系数
Δpwsi,ΔpwHi,ΔpwNi分别表示为第i个监测点的的SO2、H2S、NO2气体浓度与对应的居民区大气环境中SO2、H2S、NO2气体的最高允许浓度之间的差值，pwsmax、pwHmax、pwNmax分别表示为居民区大气环境中SO2、H2S、NO2气体的最高允许浓度，Δp′wsi、Δp′wHi、Δp′wNi分别表示为固定时间间隔后第i个监测点的SO2、H2S、NO2气体浓度与对应的居民区大气环境SO2、H2S、NO2气体的最高允许浓度之间的差值，αi表示为第i个监测点的风力污染系数，
表示为监测点平均温度，t0表示为煤矸石自燃温度临界点，气体污染评估系数越高，其对矿区人们的环境污染程度就越高，环境参数分析单元将统计的气体污染评估系数发送至管理服务器。
本实施例中气体污染评估系数的计算，直观地反映了矸山有害气体的污染程度，为后续进行矸山综合危害系数统计提供相关系数。
矸山坍塌参数检测分析模块，包括内在坍塌参数分析单元和外力坍塌分析单元，所述内在坍塌参数分析单元用于对矸山的单体高度和自然休止角进行检测，并将检测的矸山单体高度和自然休止角，与预设的矸山安全单体高度和安全自然休止角进行对比，若检测的矸山高度大于安全单体高度或自然休止角大于安全自然休止角，其矸山的内在坍塌等级为1级，若检测的矸山单体高度大于安全单体高度且同时自然休止角大于安全自然休止角，其矸山的内在坍塌等级为2级，内在坍塌参数分析单元将矸山的内在坍塌等级发送至管理服务器；
同时，结合当天的天气预报是否有暴雨，若预报有暴雨，根据预报的暴雨预警信号级别，提取预设的矸山各外力坍塌等级对应的暴雨预警级别，暴雨预警信号级别包括蓝色、黄色、橙色和红色，其中红色暴雨预警信号为最高级，四种暴雨预警信号分别对应的矸山外力坍塌等级为1级、2级、3级和4级，筛选该暴雨预警信号级别对应的矸山外力坍塌等级，并发送至管理服务器。
管理服务器分别与环境监测模块和矸山坍塌参数检测分析模块连接，接收环境监测模块发送的气体污染系数，接收矸山坍塌参数检测分析模块发送的矸山内在坍塌等级和矸山外力坍塌等级，根据接收的矸山内在坍塌等级，提取管理数据库中存储的各内在坍塌等级对应的内在坍塌系数，筛选该矸山内在坍塌等级对应的内在坍塌系数，根据接收的矸山外力坍塌等级，提取管理数据库中存储的各外力坍塌等级对应的外力坍塌系数，筛选该矸山外力坍塌等级对应的外力坍塌系数，不同内在坍塌等级对应的内在坍塌系数的大小顺序分别为ε1＜ε2，不同外力坍塌等级对应的外力坍塌系数的大小顺序分别为χ1＜χ2＜χ3＜χ4。
本实施例中结合了矸山内在坍塌因素和外力坍塌因素，进行矸山坍塌系数分析，符合实际情况，其分析的坍塌系数为后续进行矸山综合危害评估系数统计提供相关系数。
管理服务器根据接收的气体污染系数和统计的矸山内在坍塌系数和外力坍塌系数，进行综合危害评估系数统计
式中，ξ表示为气体污染评估系数，μC表示为第C个内在坍塌等级对应的内在坍塌系数，C＝1,2,λF表示为第F个外力坍塌等级对应的外力坍塌系数，F＝1,2,3,4，并将统计的矸山综合危害评估系数与各危害等级对应的矸山综合危害评估系数阈值进行对比，若统计的矸山综合危害评估系数小于或处于危害等级为Ⅰ级的矸山对应的矸山综合危害评估系数阈值内，则该矸山的危害等级为Ⅰ级，若统计的矸山综合危害评估系数处于危害等级为Ⅱ级的矸山对应的矸山综合危害评估系数阈值内，则该矸山的危害等级为Ⅱ级，若统计的矸山综合危害评估系数处于危害等级为Ⅲ级的矸山对应的矸山综合危害评估系数阈值内，则该矸山的危害等级为Ⅲ级，管理服务器将统计的矸山综合危害评估系数及该矸山的危害等级发送至显示终端及远程控制中心。
本实施例中对矸山综合危害评估系数的统计和分级，为矸山的安全治理提供可靠的参考依据，进一步完善了和建立、健全现有的煤矿开采区域矸山安全治理系统，提高了矸山监管技术水平。
显示终端与管理服务器连接，用于接收管理服务器发送的矸山综合危害评估系数及该矸山的危害等级，并显示，便于相关管理人员直观了解矸山的危害程度。
远程控制中心，与管理服务器连接，用于接收管理服务器发送的该矸山的危害等级，根据接收的该矸山的危害等级，进行相应处理措施，当矸山的危害等级为Ⅰ级时，在其周边设置醒目警示牌，提醒过往行人，当矸山的危害等级为Ⅱ级时，配备专人对矸山进行巡查管理，发现险情立即报告，当矸山的危害等级为Ⅲ级时，对其设置安全警戒线，禁止人畜和车辆进入，并及时将矸山拖运走。
本发明通过环境监测模块对矸山周围的环境参数进行采集分析统计其气体污染评估系数，并通过矸山坍塌参数检测分析模块结合内在坍塌因素和外力坍塌因素，分析其内在坍塌系数和外力坍塌系数，同时结合管理服务器综合其气体污染评估系数和内在坍塌系数和外力坍塌系数，对矸山的综合危害系数进行评估，能够全面反映矸山的危害情况，实现了对矸山危害程度的量化展示，提高了监测水平，减少了大量的人力成本，方便管理人员针对矸山的危害程度进行提前安全预测，最大化地降低因矸山自燃排放的大量有害气体和内在或外力因素坍塌导致的重力灾害，有效保障了矿区人们的生活环境质量。
以上内容仅仅是对本发明的构思所作的举例和说明，所属本技术领域的技术人员对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离发明的构思或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种基于大数据的煤矿开采区域实时安全监测管理系统，其特征在于：包括监测点设置模块、环境监测模块、矸山坍塌参数检测分析模块、管理数据库、管理服务器和显示终端，所述环境监测模块用于对煤矿开采区域中煤矸石堆积的矸山周围的环境参数进行采集处理，所述矸山坍塌参数检测分析模块用于对煤矸石堆积的矸山影响其坍塌的内在和外力参数进行检测，以便进行其坍塌系数分析；
所述监测点设置模块，用于对煤矿开采区域中煤矸石堆积的矸山周围的环境监测设置监测点，其监测点设置方式为沿着矸山的自然坡度轨道从一侧矸山脚到矸山顶再到另一侧矸山脚的曲线距离等间距设置若干监测点，若干监测点按照预设的顺序进行编号，依次标记为1,2,...i,...,n；
所述环境监测模块与监测点布置模块连接，包括环境参数采集单元、参数预处理单元和环境参数分析单元；
所述环境参数采集单元，包括若干环境参数采集终端，其均匀放置在各监测点，用于对各监测点的空气中SO2、H2S、NO2气体浓度、温度、风速和风向角度进行检测，并将采集到的各监测点的空气中SO2、H2S、NO2气体浓度、温度、风速和风向角度发送至参数预处理单元；
所述参数预处理单元接收环境参数参数发送的各监测点的空气中SO2、H2S、NO2气体浓度、温度、风速和风向角度，并将接收的各监测点的空气中SO2、H2S和NO2气体浓度统一存储，构成监测点气体参数集合Pw(pw1,pw2,...,pwi,...,pwn)，pwi表示为第i个监测点气体参数对应的浓度值，w表示为气体参数,w＝wS,wH,wN,wS,wH,wN分别表示为空气中的SO2、H2S、NO2气体浓度，将接收的各监测点的温度、风速和风向角度进行分类统一存储，构成监测点温度集合T(t1,t2,...,ti,...,tn)和监测点风力参数集合Wr(wr1,wr2,...,wri,...,wrn)，其中ti表示为第i个监测点温度值，wri表示为第i个监测点风力参数对应的数值，r表示为风力参数，r＝rv,rθ,rv,rθ分别表示为风速、风向角度，对监测点温度集合中各个监测点的温度取其均值，得到监测点平均温度，与管理数据库中存储的煤矸石自燃温度进行对比，若大于或等于煤矸石自燃温度临界点，则在预设的固定时间间隔后，重新采集各监测点的空气中SO2、H2S和NO2气体浓度，得到固定时间间隔后的相对监测点气体参数集合P′w(p′w1,p′w2,...,p′wi,...,p′wn)，并根据预设的风力污染系数计算公式，统计各监测点的风力污染系数，参数预处理单元将监测点气体参数集合、相对监测点气体参数集合、监测点平均温度和各监测点的风力污染系数发送至环境参数分析单元；
所述管理数据库存储煤矸石自燃温度，存储各风力等级对应的风速值范围及各风力等级对应的平均风力波及距离,存储居民区大气环境中SO2、H2S、NO2气体的最高允许浓度，存储矸山安全单体高度和安全自然休止角，各内在坍塌等级对应的内在坍塌系数，存储各外力坍塌等级对应的外力坍塌系数，并存储各危害等级对应的矸山综合危害评估系数阈值；
所述环境参数分析单元，接收参数预处理单元发送的监测点气体参数集合、相对监测点气体参数集合、监测点平均温度和各监测点的风力污染系数，根据接收的监测点气体参数集合和相对监测点气体参数集合，分别与管理数据库中存储的居民区大气环境中有害气体最高允许浓度进行对比，得到监测点气体参数对比集合ΔPw(Δpw1,Δpw2,...,Δpwi,...,Δpwn)和相对监测点气体参数对比集合ΔP′w(Δp′w1,Δp′w2,...,Δp′wi,...,Δp′wn)，并根据监测点气体参数对比集合、相对监测点气体参数对比集合和各监测点的风力污染系数统计气体污染评估系数，并发送至管理服务器；
所述矸山坍塌参数检测分析模块，包括内在坍塌参数分析单元和外力坍塌分析单元，所述内在坍塌参数分析单元用于对矸山的单体高度和自然休止角进行检测，并将检测的矸山单体高度和自然休止角，与预设的矸山安全单体高度和安全自然休止角进行对比，若检测的矸山高度大于安全单体高度或自然休止角大于安全自然休止角，其矸山的内在坍塌等级为1级，若检测的矸山单体高度大于安全单体高度且同时自然休止角大于安全自然休止角，其矸山的内在坍塌等级为2级，内在坍塌参数分析单元将矸山的内在坍塌等级发送至管理服务器；
同时，结合当天的天气预报是否有暴雨，若预报有暴雨，根据预报的暴雨预警信号级别，提取预设的矸山各外力坍塌等级对应的暴雨预警级别，筛选该暴雨预警信号级别对应的矸山外力坍塌等级，并发送至管理服务器；
所述管理服务器分别与环境监测模块和矸山坍塌参数检测分析模块连接，接收环境监测模块发送的气体污染系数，接收矸山坍塌参数检测分析模块发送的矸山内在坍塌等级和矸山外力坍塌等级，根据接收的矸山内在坍塌等级，提取管理数据库中存储的各内在坍塌等级对应的内在坍塌系数，筛选该矸山内在坍塌等级对应的内在坍塌系数，根据接收的矸山外力坍塌等级，提取管理数据库中存储的各外力坍塌等级对应的外力坍塌系数，筛选该矸山外力坍塌等级对应的外力坍塌系数；
管理服务器根据接收的气体污染系数和统计的矸山内在坍塌系数和外力坍塌系数，进行综合危害评估系数统计，并将统计的矸山综合危害评估系数与各危害等级对应的矸山综合危害评估系数阈值进行对比，若统计的矸山综合危害评估系数小于或处于危害等级为Ⅰ级的矸山对应的矸山综合危害评估系数阈值内，则该矸山的危害等级为Ⅰ级，若统计的矸山综合危害评估系数处于危害等级为Ⅱ级的矸山对应的矸山综合危害评估系数阈值内，则该矸山的危害等级为Ⅱ级，若统计的矸山综合危害评估系数处于危害等级为Ⅲ级的矸山对应的矸山综合危害评估系数阈值内，则该矸山的危害等级为Ⅲ级，管理服务器将统计的矸山综合危害评估系数及该矸山的危害等级发送至显示终端及远程控制中心；
所述显示终端与管理服务器连接，用于接收管理服务器发送的矸山综合危害评估系数及该矸山的危害等级并显示。
2.根据权利要求1所述的一种基于大数据的煤矿开采区域实时安全监测管理系统，其特征在于：所述环境参数采集终端包括有害气体浓度传感器、温度传感器、风速传感器和风向传感器，所述有害气体浓度传感器用于检测各监测点的SO2、H2S和NO2气体浓度，所述温度传感器用于检测各监测点的环境温度，所述风速传感器用于检测各监测点的风速，所述温度传感器用于检测各监测点的风向角度。
3.根据权利要求1所述的一种基于大数据的煤矿开采区域实时安全监测管理系统，其特征在于：所述各监测点的风力污染系数计算公式为
式中αi表示为第i个监测点的风力污染系数，rvi表示为第i个监测点的风速，vmin表示为引起风力波及的最小风速，lDi表示为第i个监测点的风速对应的第D个风力等级对应的平均风力波及距离，D＝1,2,3,rθi表示为第i个监测点的风向角度。
4.根据权利要求3所述的一种基于大数据的煤矿开采区域实时安全监测管理系统，其特征在于：所述各监测点的风速对应的平均风力波及距离获取方法为，对监测点风力参数集合中各个监测点的风速值，提取管理数据库中各风力等级对应的风速值范围，筛选得到各监测点的风速值对应的风力等级，同时与预设的各风力等级对应的平均风力波及距离进行分析对比，获取各监测点的各风力等级对应的平均风力波及距离。
5.根据权利要求1所述的一种基于大数据的煤矿开采区域实时安全监测管理系统，其特征在于：所述气体污染评估系数的计算公式为
Δpwsi,ΔpwHi,ΔpwNi分别表示为第i个监测点的的SO2、H2S、NO2气体浓度与对应的居民区大气环境中SO2、H2S、NO2气体的最高允许浓度之间的差值，pwsmax、pwHmax、pwNmax分别表示为居民区大气环境中SO2、H2S、NO2气体的最高允许浓度，Δp′wsi、Δp′wHi、Δp′wNi分别表示为固定时间间隔后第i个监测点的SO2、H2S、NO2气体浓度与对应的居民区大气环境SO2、H2S、NO2气体的最高允许浓度之间的差值，αi表示为第i个监测点的风力污染系数，
表示为监测点平均温度，t0表示为煤矸石自燃温度临界点。
6.根据权利要求1所述的一种基于大数据的煤矿开采区域实时安全监测管理系统，其特征在于：所述暴雨预警信号级别包括蓝色、黄色、橙色和红色，其中红色暴雨预警信号为最高级，四种暴雨预警信号分别对应的矸山外力坍塌等级为1级、2级、3级和4级。
7.根据权利要求1所述的一种基于大数据的煤矿开采区域实时安全监测管理系统，其特征在于：所述综合危害评估系数的计算公式为
式中，ξ表示为气体污染评估系数，μC表示为第C个内在坍塌等级对应的内在坍塌系数，C＝1,2,λF表示为第F个外力坍塌等级对应的外力坍塌系数，F＝1,2,3,4。
8.根据权利要求1所述的一种基于大数据的煤矿开采区域实时安全监测管理系统，其特征在于：还包括远程控制中心，与管理服务器连接，用于接收管理服务器发送的该矸山的危害等级，根据接收的该矸山的危害等级，进行相应处理措施，当矸山的危害等级为Ⅰ级时，在其周边设置醒目警示牌，提醒过往行人，当矸山的危害等级为Ⅱ级时，配备专人对矸山进行巡查管理，发现险情立即报告，当矸山的危害等级为Ⅲ级时，对其设置安全警戒线，禁止人畜和车辆进入，并及时将矸山拖运走。
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