CN114658489A - 一种基于数字孪生的煤矿冲击地压灾害监测预警系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于数字孪生的煤矿冲击地压灾害监测预警系统，本系统由：应力传感器、本地数据存储中心、计算机处理中心、云端信息存储中心、PC用户信息输入客户端、移动设备客户端、报警系统、报警装置组成，监测对象为当前采煤区煤岩体的应力情况、工作面冲击危险性、支护应力情况。本发明运用数字孪生技术，结合传统数值模拟方法，克服了传统应力监测方法存在监测区域局限性的缺陷，可以根据指定位置应力传感器产生的监测数据，实现对采区煤岩体应力状况实时监测，评价工作面冲击危险性，预警冲击地压灾害发生，为安全开采提供支持。

Description

一种基于数字孪生的煤矿冲击地压灾害监测预警系统

技术领域

本发明属于煤矿安全监测领域，具体涉及一种基于数字孪生的煤矿冲击地压灾害监测预警系统。

背景技术

煤炭是我国的主要消费能源，近年来，随着开采深度的不断增加，受高地应力、采动应力的影响，工作面空间矿压显现剧烈、围岩变形速度快、支撑压力过大导致支架严重损坏等极易诱发冲击地压灾害。冲击地压灾害的发生会对井下工作人员造成生命安全威胁，同时造成经济损失。因此，在煤矿开采过程中对工作面冲击危险性的监测与预警非常重要。

目前，传统的冲击地压监测系统，具有以下缺点：1.监测区域具有局限性；2.传统的数值模拟不能根据监测数据实时更新计算结果；3.预警系统不够完善，不能满足预警的时效性要求；4.传感器之间没有建立相互联系。

我国早在2008年末将数字矿山列为国家“863计划”，近年来发展迅速，数字孪生技术在2017年出现在Gartner新兴技术成熟曲线的上升段，2018年达到曲线顶点，2019年未出现在曲线中，标志着已不再是新兴技术，而是进入主流技术行列，其具有可实时监测、可实时调控的优点。本发明煤矿井下冲击地压灾害数字孪生监测预警系统以数值模拟方法为基础，通过对仿真软件的二次开发，并且编写对应的数字孪生程序完成核心模块，结合外围的传感器数据，报警方法及装置，用户移动端数据可视化模块，完成对工作面冲击危险性的监测以及对冲击地压灾害的预警，为煤矿安全生产提供支持。

发明内容

本发明提供了一种基于数字孪生的煤矿冲击地压灾害监测预警系统，使用数字孪生技术监测采煤工作面冲击危险性，预警冲击地压灾害发生，克服现有技术存在的部分不足，为煤矿安全生产提供有力的支持。

为实现以上的技术目的，本发明将提供以下的技术方案：

一种基于数字孪生的煤矿冲击地压灾害监测预警系统包括：应力传感器；本地数据存储中心；计算机处理中心；云端信息存储中心；PC用户信息输入客户端；报警系统；移动设备客户端。

应力传感器具有采集频率高和区分应力方向的特点。

本地数据数据存储中心包括数据分类程序和存储硬盘，用于对应力传感器采集到的数据进行二次采集和分类；其采集频率要小于应力传感器的采集频率；将数据分为支护应力数据和煤岩体应力数据，并将其存储到硬盘；

计算机处理中心，其内置数字孪生数值模拟程序、冲击危险性评价程序，具有如下功能：

(1)数字孪生计算，根据实际传感器数据，实时更新煤岩体、支护应力计算结果；

(2)冲击危险性评价，能够计算冲击危险性参数，评价工作面冲击危险性，工作步骤：

步骤1，本地数据存储系统实时读取环境应力信息；

步骤2，根据历史信息数据计算传感器监测点与数字模型边界条件关系；

步骤3，结合监测点与边界条件关系及监测点实时数据，更新数字模型边界条件；

步骤4，判断是否发生冲击，通过计算载荷值与历史载荷值差值，当差值超过某一阈值时判定为发生冲击；

步骤5，数值模拟计算，计算结束后输出计算结果数据，启动冲击危险性评价程序。

步骤6，评价冲击危险性，对数值模拟计算结果进行二次计算，基于计算结果评价工作面冲击危险性，并且使程序返回步骤1进行孪生循环。

(3)支护疲劳计算，根据支护受历史载荷情况，通过数值模拟计算支护疲劳状态；

(4)生成可视化元素，对计算结果进行可视化处理，生成图表等可视化元素，并将元素上传至云端信息存储中心。

云端信息存储中心，用于实现对计算机处理中心计算结果数据进行区分分类，再处理，并将可视化元素实时更新到移动设备客户端；

PC用户信息输入客户端，能够实现从后台强制修改计算机处理中心中各体统固定参数功能；

报警系统在冲击危险性参数大于设定的阈值时，向移动设备客户端端传送报警信号。

移动设备客户端能够直观显示支护应力、疲劳状态，对工作面冲击危险性监测，对采区整体进行实时应力监测。

根据以上技术方案，相对于现有技术，本发明具有以下的优点：

(1)本发明监测预警系统能够根据应力传感器局部监测数据，实现对煤岩体应力状态进行实时监测，评价工作面冲击危险性，并对冲击地压灾害预警；

(2)设置PC端用户信息输入客户端，可强行更改程序中固定参数，例如某传感器位置的实测应力与模型边界系数值、传感器数据采集频率、孪生循环周期、冲击危险性评价阈值等；

(3)设置有有线与无线双端口，增大该系统的适用范围；

(4)所有程序算法可更改，可根据最新研究成果更改旧算法；

(5)构建成本低，部署容易。

附图说明

图1是本发明一种基于数字孪生的煤矿冲击地压灾害监测预警系统整体示意图。

图2是数字孪生程序逻辑流程图。

具体实施方式

下面结合附图及实施案例对本发明做进一步说明：

如图1为系统整体布置结构示意图，包括：应力传感器、本地数据存储中心、计算机处理中心、云端信息存储中心、报警系统、PC用户信息输入端、移动设备客户端、可视化结果。

本发明公开了一种基于数字孪生的煤矿冲击地压灾害监测预警系统，包括如下步骤：

步骤1，对所有应力传感器编号；根据其产生数据格式编写读取数据方式，默认为读取数据文件末行数据，区分传感器监测的应力类型；支护位置的应力传感器用于对支护健康状态监测，其余传感器用于确定数值模拟中模型的边界条件；

步骤2，通过3D扫描或数字建模软件构建采区整体进行3D建模，构建孪生体；确定施加边界条件方式，默认为对模型底部全约束，其余面均施加通过算法计算得到的应力载荷；

步骤3，依次运行本地数据存储中心、计算机处理中心数字孪生系统和报警系统；本地数据存储中心开始以固定频率读取传感器数据，并将数据分类存储；

步骤4，计算机处理中心根据读取到的数据依次计算全煤岩体应力情况、支护应力情况、冲击危险性参数并输出结果，随后进入下一循环，通过循环计算，实现对结果实时修正，将信息记录并存储到云端；

步骤5，当计算循环超过某一次数时，开始分析结果变化趋势，对冲击地压灾害预警功能开始工作；

步骤6，报警系统根据计算机处理中心计算结果判断是否超过预警阈值；若超过阈值则进行报警；

步骤7，用户从客户端访问云端得到实时监测数据和基于历史数据变化趋势的预测结果；

步骤8，人为分析是否要强制调整是否要对计算机处理中心中固定参数进行强制修改，并根据监测、预警信息对环境进行人为干预，达到预防冲击地压灾害目的。

本实施例中，用于监测煤岩体应力状态的应力传感器分别布置在巷道顶板、底板、采煤回采工作面的超前监测点处，用于监测支护应力状态的应力传感器布置在回采工作面液压支架、巷道防冲支架、锚杆尖端，确定了支护数字模型加载方式为对一端施加全约束，对另一端施加应力载荷，其中巷道支架及采煤工作面支架数字模型的约束方式为为底部全约束，上表面及两侧施加应力载荷，载荷大小取决于应力传感器历史监测结果与载荷关系以及当前传感器数据。

考虑冲击载荷作用时间一般在0.2秒到2秒，结合计算效率，数字孪生的时效性要求，冲击本地数据存储中心信息采集频率默认为20Hz，该采集频率可通过PC用户信息输入客户端进行更改。

考虑通过扫描对数字模型的设备要求，默认构建数字模型方法为通过软件建模，模型内容包括岩层、巷道、采煤工作面、支护四项基本属性，岩层属性考虑岩层层数、每一层岩层厚度、岩层的横向倾角大小、岩层纵向倾角大小、岩层横向倾角方向、岩层纵向倾角方向，各岩层材料参数；巷道属性分别考虑巷道截面几何尺寸、巷道位置以及巷道走向；采煤工作面属性考虑截面参数，采煤走向，工作面位置；支护几何属性考虑支护宽度、支护间重心间隔距离、支护个数。

完成数值模拟前处理后，开始进行数字孪生循环计算，程序终止方案通过时间间隔，即当程序开始运行时读取时间节点，并在运行后实时读取当前时间，当两者时间间隔大于允许值时，完成此次循环计算后询问是否终止孪生循环。数字孪生程序计算流程如图2所示，对该模型施加某一边界条件进行初步计算，得到粗略的结果。数字孪生孪生循环区域则是在此基础上通过读取传感器参数，以此作为实际情况，对虚拟的孪生体边界条件、几何模型进行修改。修改后进行二次精确计算，计算结束后对计算结果进行讨论，包括对结果的二次计算，例如根据数字模型所有节点应力情况计算全采区冲击危险性等，计算结束后将计算结果可视化，并将可视化结果元素上传云端。所有用户此时可通过移动端设备访问云端数据，得到监测预警信息。决策层则可以进一步考虑是否对数字孪生程序内固定参数及部分阈值进行调整。

通过上述的方法对煤矿工作采区进行全局监测，以点传感器数据作为环境数据，通过数字孪生方法，计算煤岩体应力情况，基于计算结果的二次处理对工作面做出冲击危险性评价，并且对结果数据记录，通过分析变化趋势实现预警冲击地压灾害的功能，通过云端传输实现即时信息传输和报警，使用户能够第一时间了解井下的安全状态，确保煤矿安全高效生产。

Claims (8)

1.一种基于数字孪生的煤矿冲击地压灾害监测预警系统，其特征在于，包括：

应力传感器，功能在于高频率的采集指定位置应力信息；

本地数据存储系统，功能在于接收采集得到应力信息并将其分类存储；

计算机处理中心，功能在于基于分类存储后的数据，通过数值模拟循环计算得到结果数据，并将结果数据可视化处理，上传到云端信息存储中心、报警系统；

云端信息存储中心，功能在于对计算结果数据、可视化处理得到的图表元素整合，将整合后内容传输至移动设备客户端；

PC用户信息输入客户端，功能在于人为的对计算机处理中心的一些参数进行强制修改；

报警系统，功能在于根据计算机处理中心传输的数据判断是否报警，若判断需要报警则执行报警；

移动设备客户端，功能在于从云端信息存储中心接收数据，并将其显示到移动设备。

2.根据权利要求1所述的一种基于数字孪生的煤矿冲击地压灾害监测预警系统，其特征在于：所述的应力传感器，具有采集频率高和区分应力方向的特点。

3.根据权利要求1所述的一种基于数字孪生的煤矿冲击地压灾害监测预警系统，其特征在于：所述的本地数据存储系统，包括数据分类程序和存储硬盘，能够将采集数据分类存储。

4.根据权利要求1所述的一种基于数字孪生的煤矿冲击地压灾害监测预警系统，其特征在于：所述的计算机处理中心，其内置数字孪生数值模拟程序、冲击危险性评价程序，具有如下功能：

(1)数字孪生计算，根据应力传感器数据，通过数值模拟实时更新煤岩体应力情况；

(2)冲击危险性评价，能够评价工作面的冲击危险性；

(3)生成可视化元素，对计算结果进行可视化处理，生成图表等可视化元素，并将元素上传至云端信息存储中心。

5.根据权利要求1所述的一种基于数字孪生的煤矿冲击地压灾害监测预警系统，其特征在于：所述的PC用户信息输入客户端能够实现从后台强制修改计算机处理中心中各固定参数功能。

6.根据权利要求1所述的一种基于数字孪生的煤矿冲击地压灾害监测预警系统，其特征在于：所述的报警系统，其功能包括冲击危险性参数大于设定的阀值时，向移动设备客户端端传送报警信号。

7.根据权利要求1所述的一种基于数字孪生的煤矿冲击地压灾害监测预警系统，其特征在于：所述的移动设备客户端，包括可视化的支护健康模块、冲击危险性监测预警模块、采区实时应力监测模块。

8.根据权利要求4所述的计算机处理中心，其特征在于：所述的内置数字孪生数值模拟程序主要工作步骤：

(1)本地数据存储系统实时读取监测对象应力信息；

(2)根据历史信息数据计算监测点应力值与数字模型边界条件关系；

(3)结合监测点与边界条件关系及监测点实时数据，更新数字模型边界条件；

(4)判断是否发生冲击，通过计算载荷值与历史载荷值的差值，判断是否发生冲击，当差值超过某一阈值时判定为发生冲击；

(5)数值模拟计算，计算结束后输出结果数据，启动冲击危险性评价程序并且使程序返回步骤1进行孪生循环。

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