CN114109456A - 用于煤矿地下水库煤柱坝体结构的监测预警方法与系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于煤矿地下水库煤柱坝体结构的监测预警方法和系统，涉及煤矿地下水库安全监测技术领域。本发明一方面提供了一种监测预警方法包括获取煤柱坝体的监测信号；收集并整理所述监测信号，获得监测数据和时空信息数据；对所述监测数据和所述时空信息数据进行实时反演分析；对所述监测数据的特性和规律进行智能分析；根据所述监测数据和所述时空信息数据、所述反演分析结果和所述智能分析结果对煤柱坝体结构进行安全分析。本发明的另一方面提供了一种监测预警系统。根据本发明的监测预警方法和系统，对煤矿地下水库的运行状况进行数据采集和分析，实现对煤柱坝体的实时诊断和安全预警，为水库优化调度提供必要的决策依据。
Description
技术领域
本发明涉及煤矿地下水库安全监测技术领域，特别地涉及一种用于煤矿地下水库煤柱坝体结构的监测预警方法和系统。
背景技术
我国西部地区赋存着丰富的煤炭资源，但水资源匮乏，使得矿区用水及周边区域用水紧张的进一步恶化，已经严重制约了矿区的正常生产，不利于资源与环境的协调发展。长期以来，针对煤炭开采对地下水的影响问题，国内外进行了大量的技术研究和工程实践：一是设法阻止矿井水的产生，主要采用限高和充填开采技术；二是在地面建设储水设施；三是探索在井下储用矿井水。研究表明，在西部矿区充填开采和限高开采虽然技术上可行，但大幅降低煤炭开采效率和煤炭资源回收率采出率，难以大规模实施；在地面建设储水设施，面临征地困难、水资源蒸发浪费和水体污染严重等技术难题，也无法实施。经过长时间的实践而提出了一种新的结构形式——煤矿地下水库，即将安全煤柱用人工坝体连接形成水库坝体，利用煤炭开采形成的采空区岩体空隙储存矿井水和地下水。
由于煤柱坝体是挡水结构的一部分，因此必须保证其安全性。因此，需要提供一种有效的监测预警方法和系统，对煤柱坝体结构进行安全监测，对煤矿地下水库的运行状况进行数据采集和分析，以确保挡水坝体安全，为水库优化调度提供必要的决策依据，最大限度发挥工程效益。
发明内容
本发明提供一种用于煤矿地下水库煤柱坝体结构的监测预警方法和系统，用于至少解决上述一个技术问题。
根据本发明的第一个方面，本发明提供一种用于煤矿地下水库煤柱坝体结构的监测预警方法，包括以下步骤：
S1：监测煤柱坝体，获取监测信号；
S2：收集并整理所述监测信号，获得监测数据和时空信息数据；
S3：对所述监测数据和所述时空信息数据进行实时反演分析，获得反演分析
结果；
S4：对所述监测数据的特性和规律进行智能分析，获得智能分析结果；
S5：根据所述监测数据、所述时空信息数据、所述反演分析结果和所述智能分析结果对煤柱坝体结构进行安全分析，获得煤柱坝体结构的健康状态和安全评价并建立相应的应急预案与措施，以实现对煤柱坝体结构的健康状态的实时诊断与预警。
优选地，步骤S5中包括以下步骤：
S51：根据所述反演分析结果和所述智能分析结果，建立煤柱坝体结构安全评价模型以对煤柱坝体结构进行安全分析，获得煤柱坝体结构的健康状态和安全评价；
S52：根据煤柱坝体结构的健康状态和安全评价，对潜在的安全问题进行分级，以建立相应的应急预案与措施，从而实现对煤柱坝体结构的健康状态的实时诊断与预警。
优选地，步骤S3中基于有限元力学分析对所述监测数据和所述时空信息数据进行实时反演分析。
优选地，步骤S4中基于全卷积网络对所述监测数据的特性和规律进行智能分析，包括以下步骤：
S41：对所述监测数据进行预处理后，形成算法训练用数据集；
S42：对所述算法训练用数据集进行样本采集，形成多个训练用数据子集；
S43：通过全卷积网络使用所述训练用数据子集对人工智能分析模型进行迭代训练调整参数；
S44：通过训练后的人工智能分析模型对所述监测数据的特性和规律进行分析。
进一步优选地，步骤S43中，所述全卷积网络采用编码-解码结构进行数据训练。
进一步优选地，所述全卷积网络包括空洞卷积、转置卷积、可形变卷积、多尺度卷积中的一种或者多种的组合。
根据本发明的第二个方面，本发明提供一种用于上述的监测预警方法的监测预警系统，包括，
监测设备，所述监测设备设置于所述煤柱坝体的表面上，用于监测煤柱坝体并获取监测信号；
数据信息模块，其与所述监测设备通信连接，用于接收并整理所述监测信号，以获取监测数据和时空信息数据；
数值计算模块，其与所述数据信息模块通信连接，用于对所述监测数据和所述时空信息数据进行实时反演分析，以获得反演分析结果；
人工智能分析模块，其与所述数据信息模块通信连接，用于对所述监测数据的特性和规律进行智能分析，以获得智能分析结果；以及
监测预警模块，其分别与所述数据信息模块、所述数值计算模块和人工智能分析模块通信连接，用于根据所述监测数据、所述时空信息数据、所述反演分析结果和所述智能分析结果对煤柱坝体结构进行安全分析，获得煤柱坝体结构的健康状态和安全评价并建立相应的应急预案与措施，以实现对煤柱坝体结构的健康状态的实时诊断与预警。
优选地，所述监测预警模块包括分级适时报警子模块，其用于根据所述健康状态和安全评价，对潜在的安全问题进行分级，并建立相应的应急预案与措施。
优选地，所述监测设备包括应力计、应变计或渗流计。
优选地，系统管理模块，其分别与所述数据信息模块、所述数值计算模块、所述人工智能分析模块和所述监测预警模块通信连接，用于实现信息集成以及信息交换与共享；
监测预警客户端，其与所述系统管理模块通信连接，用于为用户提供实时站点数据服务；以及
监控信息终端，其与所述系统管理模块通信连接，用于为用户提供及时报警信息。
与现有技术相比，本发明的优点在于：针对煤矿地下水库的安全问题，建立监测预警系统，对煤矿地下水库的运行状况进行数据采集和分析，以确保挡水坝体安全，在本发明的监测系统和方法中，数值计算模块对数据信息模块数据信息模块获得的监测数据和时空信息数据进行反演分析，可完整地获取煤柱坝体结构的健康状态信息，结合人工智能分析模块对煤柱坝体的监测数据的特性和规律进行智能分析，最终通过监测预警模块进行安全分析，获得煤柱坝体结构的健康状态和安全评价，根据获得健康状态和安全评价，可为水库优化调度提供必要的决策依据，以建立相应的应急预案与措施，确保挡水坝体安全，最大限度发挥工程效益。
附图说明
在下文中将基于实施例并参考附图来对本发明进行更详细的描述。
图1是本发明的监测预警方法的流程示意图；
图2是本发明的监测预警系统的结构框图。
附图标记：
101-数据信息模块；102-数值计算模块；103-人工智能分析模块；
104-监测预警模块；105-系统管理模块；106-监测预警客户端；
107-监控信息终端。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明作进一步说明。
如图1所示，本发明提供一种用于煤矿地下水库煤柱坝体结构的监测预警方法，包括以下步骤，
S1：监测煤柱坝体，获取监测信号；
S2：收集并整理所述监测信号，获得监测数据和时空信息数据；
S3：对所述监测数据和所述时空信息数据进行实时反演分析，获得反演分析
结果；
S4：对所述监测数据的特性和规律进行智能分析，获得智能分析结果；
S5：根据所述监测数据、所述时空信息数据、所述反演分析结果和所述智能分析结果对煤柱坝体结构进行安全分析，获得煤柱坝体结构的健康状态和安全评价并建立相应的应急预案与措施，以实现对煤柱坝体结构的健康状态的实时诊断与预警。
其中，监测数据包括煤柱坝体的应力、应变和渗流量等数据。时空信息数据包括监测时间和监测位置等。这样，全面监测煤矿地下水库坝体结构的健康状态信息，便于全面掌握煤柱坝体的动态，实现对整个煤柱坝体的实时多维度安全监测及预警，排查预报安全隐患，以便应急响应。
在一个实施例中，步骤S5中包括以下步骤：
S51：根据所述反演分析结果和所述智能分析结果，建立煤柱坝体结构安全评价模型以对煤柱坝体结构进行安全分析，获得煤柱坝体结构的健康状态和安全评价；
S52：根据煤柱坝体结构的健康状态和安全评价，对潜在的安全问题进行分级，以建立相应的应急预案与措施，从而实现对煤柱坝体结构的健康状态的实时诊断与预警。
在一个实施例中，步骤S3中基于有限元力学分析对所述监测数据和所述时空信息数据进行实时反演分析具体包括以下步骤：
S31：对所述监测数据和所述时空信息数据建立有限元模型，设置所述有限元模型的属性以及边界条件，生成有限元模型文件；
S32：对所述有限元模型文件进行运算，生成待求解矩阵集；
S33：计算所述待求解矩阵集，获得求解结果数据集；
S34：解析求解结果数据集，获得求解结果文件；
S35：读入求解结果文件，获得数值模拟结果。
其中，有限元力学原理的基本思想是把计算域离散剖分为有限个互不重叠且相互连接的单元，在每个单元内选择基函数，用单元基函数的线性组合来逼近单元中的真解，整个计算域上总体的基函数可以看为由每个单元基函数组成的，则整个计算域内的解可以看作是由所有单元上的近似解构成。因此，借助有限元力学原理对监测数据和时空信息数据进行实时反演分析，可以完整、准确地获取煤柱坝体结构的健康状态信息，即数值模拟结果，根据数值模拟结果对煤柱坝体的异常状态进行识别，从而实现对煤柱坝体的实时诊断与预警。
在一个实施例中，步骤S4中基于全卷积网络对所述监测数据的特性和规律进行智能分析，包括以下步骤：
S41：对所述监测数据进行预处理后，形成算法训练用数据集；
S42：对所述算法训练用数据集进行样本采集，形成多个训练用数据子集；
S43：通过全卷积网络使用所述训练用数据子集对人工智能分析模型进行迭代训练调整参数；
S44：通过训练后的人工智能分析模型对所述监测数据的特性和规律进行分析。
优选地，全卷积网络采用编码-解码结构进行数据训练。
优选地，全卷积网络采用端到端框架进行数据训练。
优选地，全卷积网络包括空洞卷积、转置卷积、可形变卷积、多尺度卷积中的一种或者多种的组合。
其中，通过全卷积网络使用所述训练用数据子集对人工智能分析模型进行迭代训练调整参数，具体为：对人工智能分析模型进行参数初始化，同时将训练用数据子集中的数据输入所述初始化的人工智能分析模型中，并对所述人工智能分析模型进行训练以及参数调整。借助全卷积网络分析监测数据，可以揭示隐藏在大量数据背后的复杂机理。
如图2所示，本发明还提供一种用于煤矿地下水库煤柱坝体结构的监测预警系统，用于实现上述监测预警方法，包括：监测设备、数据信息模块101、数值计算模块102、人工智能分析模块103和监测预警模块104。其中，监测设备设置在煤柱坝体的表面上，用于监测煤柱坝体并获取监测信号，数据信息模块101用于收集并整理监测设备所采集的监测信号，获得监测数据和时空信息数据，以用于各类动态信息的查询、统计分析和可视化展示；数值计算模块102，用于对数据信息模块101收集并整理的监测数据和时空信息数据进行实时反演分析；人工智能分析模块103，用于对监测数据的特性和规律进行智能分析；监测预警模块104用于根据所述监测数据、时空信息数据、数值计算模块102进行反演分析的结果和人工智能分析模块103的分析结果，对煤矿地下水库煤柱坝体结构进行安全分析，建立煤柱坝体结构安全评价模型，并给出安全评价和健康诊断报告。
该系统特点在于：利用人工智能分析模块103对监测数据的特性和规律进行智能分析，并结合数值计算模块102对监测数据和时空信息进行实时反演分析，实现对煤柱坝体健康状态的实时诊断与预警。
在一个实施例中，数据信息模块101采用全分布式智能节点控制开放型的全网络结构，可按设定时间自动进行巡测、选测、存储数据，以及报送数据。
在一个实施例中，数值计算模块102借助有限元力学原理对数据信息模块101收集并整理的监测数据和时空信息数据进行实时反演分析，具体通过前处理子模块、矩阵建立子模块、矩阵求解子模块、求解结果生成子模块和后处理子模块来实现。
数值计算模块102包括前处理子模块、矩阵建立子模块、矩阵求解子模块、求解结果生成子模块和后处理子模块。其中，前处理子模块用于对数据信息模块101收集并整理的监测数据和时空信息数据建立有限元模型，设置有限元模型的属性以及边界条件，生成有限元模型文件并发送给矩阵建立模块；矩阵建立子模块用于对有限元模型文件进行运算，生成待求解矩阵集并发送给矩阵求解模块；矩阵求解子模块用于计算待求解矩阵集，获得求解结果数据集，并发送给求解结果生成模块；求解结果生成子模块用于解析求解结果数据集，获得求解结果文件并发送后处理模块；后处理子模块用于读入求解结果文件，获得数值模拟结果，根据数值模拟结果对煤柱坝体的异常状态进行识别，实现对煤柱坝体的全天候实时评价与预警。
在一个实施例中，所述监测预警模块104包括分级适时报警子模块，其用于根据所述健康状态和安全评价，对潜在的安全问题进行分级，并建立相应的应急预案与措施。
具体地，如表1中所示，将潜在的安全问题分别为三个预警级别：I级、II级和III级，其分别对应三种报警状态：严重、较重和一般，当监测到煤柱坝体结构的健康状态和安全评价达到不同预警级别的触发条件时，发出相应级别的预警并采取相应的处理措施。
表1 潜在安全问题的预警分级情况表
另外，分级适时报警子模块可以通过不同颜色标识来对报警状态进行分级，同时通过声光等方式报警，提示运行人员进行处理。
在分级适时报警子模块中，可以显示煤柱坝体所在煤层的采掘工作面平面图，并且可以通过列表显示实时报警信息、显示报警点和报警列表。点击报警点，可查看报警信息、应急预案和联动预案。
在一个实施例中，监测设备包括应力计、应变计或渗流计等传感器，其按照所在矿井要求定制，应力计、应变计或渗流计等智能感知原件布设于煤柱坝体表面，借助这些智能感知原件，可以获取煤柱坝体单个区域的监测数据，智能感知原件将这些监测数据实时传输给数据信息模块，实现对煤柱坝体单个区域的健康状态信息的获取。
在一个实施例中，所述监测预警系统还包括系统管理模块105，其可以通过数据库与其他模块之间实现数据信息的交互，可以实现各个模块的信息集成以及各个模块间的信息交换与共享。
在一个实施例中，所述监测预警系统还包括用于为用户提供实时站点数据服务的监测预警客户端106，监测预警客户端106是基于监测与预警物联网云服务平台，利用Ipad、手机等移动终端为用户提供实时站点数据服务，具备图片远程采集、传输、存储功能，满足可上报和发送告警信息的客户端。采用一种更自然、更亲切、更生动的方式将信息传递给用户，让用户人机交互，达到数据、信息和人的无限沟通。
在一个实施例中，所述监测预警系统还包括用于为用户提供及时报警信息的监控信息终端107，监控信息终端107包括手机APP、微信、网页版平台等，以手机短信、自动拨叫电话、微信信息的形式及时报告报警信息，方便管理，提供方便多元的监控信息终端107和及时报警的通讯方式。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
针对煤矿地下水库的安全问题，建立监测预警系统，对煤矿地下水库的运行状况进行数据采集和分析，以确保挡水坝体安全，在本发明的监测系统和方法中，数值计算模块对数据信息模块数据信息模块获得的监测数据和时空信息数据进行反演分析，可完整地获取煤柱坝体结构的健康状态信息，人工智能分析模块对煤柱坝体的监测数据的特性和规律进行智能分析，最终通过监测预警模块进行安全分析，获得煤柱坝体结构的健康状态和安全评价，根据获得健康状态和安全评价，可为水库优化调度提供必要的决策依据，以建立相应的应急预案与措施，确保挡水坝体安全，最大限度发挥工程效益。
虽然已经参考优选实施例对本发明进行了描述，但在不脱离本发明的范围的情况下，可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件。尤其是，只要不存在结构冲突，各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来。本发明并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。
Claims (10)
1.一种用于煤矿地下水库煤柱坝体结构的监测预警方法，包括以下步骤：
S1：监测煤柱坝体，获取监测信号；
S2：收集并整理所述监测信号，获得监测数据和时空信息数据；
S3：对所述监测数据和所述时空信息数据进行实时反演分析，获得反演分析结果；
S4：对所述监测数据的特性和规律进行智能分析，获得智能分析结果；
S5：根据所述监测数据、所述时空信息数据、所述反演分析结果和所述智能分析结果对煤柱坝体结构进行安全分析，获得煤柱坝体结构的健康状态和安全评价并建立相应的应急预案与措施，以实现对煤柱坝体结构的健康状态的实时诊断与预警。
2.根据权利要求1所述的监测预警方法，其特征在于，步骤S5中包括以下步骤：
S51：根据所述反演分析结果和所述智能分析结果，建立煤柱坝体结构安全评价模型以对煤柱坝体结构进行安全分析，获得煤柱坝体结构的健康状态和安全评价；
S52：根据煤柱坝体结构的健康状态和安全评价，对潜在的安全问题进行分级，以建立相应的应急预案与措施，从而实现对煤柱坝体结构的健康状态的实时诊断与预警。
3.根据权利要求1或2所述的监测预警方法，其特征在于，步骤S3中基于有限元力学分析对所述监测数据和所述时空信息数据进行实时反演分析。
4.根据权利要求1或2所述的监测预警方法，其特征在于，步骤S4中基于全卷积网络对所述监测数据的特性和规律进行智能分析，包括以下步骤：
S41：对所述监测数据进行预处理后，形成算法训练用数据集；
S42：对所述算法训练用数据集进行样本采集，形成多个训练用数据子集；
S43：通过全卷积网络使用所述训练用数据子集对人工智能分析模型进行迭代训练调整参数；
S44：通过训练后的人工智能分析模型对所述监测数据的特性和规律进行分析。
5.根据权利要求4所述的监测预警方法，其特征在于，步骤S43中，所述全卷积网络采用编码-解码结构进行数据训练。
6.根据权利要求4所述的监测预警方法，其特征在于，所述全卷积网络包括空洞卷积、转置卷积、可形变卷积、多尺度卷积中的一种或者多种的组合。
7.一种用于实现权利要求1-6中任一项所述的监测预警方法的监测预警系统，其特征在于，包括，
监测设备，所述监测设备设置于所述煤柱坝体的表面上，用于监测煤柱坝体并获取监测信号；
数据信息模块，其与所述监测设备通信连接，用于接收并整理所述监测信号，以获取监测数据和时空信息数据；
数值计算模块，其与所述数据信息模块通信连接，用于对所述监测数据和所述时空信息数据进行实时反演分析，以获得反演分析结果；
人工智能分析模块，其与所述数据信息模块通信连接，用于对所述监测数据的特性和规律进行智能分析，以获得智能分析结果；以及
监测预警模块，其分别与所述数据信息模块、所述数值计算模块和人工智能分析模块通信连接，用于根据所述监测数据、所述时空信息数据、所述反演分析结果和所述智能分析结果对煤柱坝体结构进行安全分析，获得煤柱坝体结构的健康状态和安全评价并建立相应的应急预案与措施，以实现对煤柱坝体结构的健康状态的实时诊断与预警。
8.根据权利要求7所述的监测预警系统，其特征在于，所述监测预警模块包括分级适时报警子模块，其用于根据所述健康状态和安全评价，对潜在的安全问题进行分级，并建立相应的应急预案与措施。
9.根据权利要求7或8所述的监测预警系统，其特征在于，所述监测设备包括应力计、应变计或渗流计。
10.根据权利要求7或8所述的监测预警系统，其特征在于，所述监测预警系统还包括：
系统管理模块，其分别与所述数据信息模块、所述数值计算模块、所述人工智能分析模块和所述监测预警模块通信连接，用于实现信息集成以及信息交换与共享；
监测预警客户端，其与所述系统管理模块通信连接，用于为用户提供实时站点数据服务；以及
监控信息终端，其与所述系统管理模块通信连接，用于为用户提供及时报警信息。
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|---|---|---|---|
| CN202010886504.3A Pending CN114109456A (zh) | 2020-08-28 | 2020-08-28 | 用于煤矿地下水库煤柱坝体结构的监测预警方法与系统 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN114109456A (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN115497266A (zh) * | 2022-08-11 | 2022-12-20 | 神华新街能源有限责任公司 | 矿区地下水库坝体的安全预警方法、其装置及安全预警系统 |
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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-
2020
- 2020-08-28 CN CN202010886504.3A patent/CN114109456A/zh active Pending
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| CN115497266B (zh) * | 2022-08-11 | 2024-04-05 | 神华新街能源有限责任公司 | 矿区地下水库坝体的安全预警方法、其装置及安全预警系统 |
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