煤矿安全预警

煤矿安全预警（精选9篇）

煤矿安全预警 篇1

1 引 言

目前, 我国多数煤矿企业已经对矿井瓦斯含量、地下水位、温度、顶板压力等环节进行了自动化监测, 这对保障煤矿的安全生产起到了积极的作用。但是, 大多企业只是对原始数据进行简单地报警、显示存储, 获得的信息通常是相互独立的数据, 且大多是非线性变化的, 对监测数据之间的内部联系研究不足。此外, 如何从模糊和随机的大量数据中挖掘有用的信息也是亟待解决的问题。

为此, 针对煤矿监测系统所提供的数据具有冗余性、互补性与合作性的特点, 以数据挖掘技术为基础, 并结合数据融合技术的原理, 构建出煤矿瓦斯爆炸安全预警管理系统。采用数据挖掘技术对安全监测数据进行处理, 提取隐藏在其中的有用信息并分析规律, 运用信息对新的监测数据进行融合, 以期及时了解和发现事故的状态和趋势。

2 煤矿瓦斯爆炸安全预警系统原理

在煤矿安全预警相关理论的指导下, 借鉴文献研究成果, 本文构建出基于数据挖掘的煤矿瓦斯爆炸安全预警系统, 如下图所示。

煤矿瓦斯爆炸安全预警管理系统分为两步:首先通过对煤矿瓦斯爆炸历史监测数据进行数据挖掘, 建立数据融合的模板;然后对监测数据进行融合:新监测数据被送到系统中, 首先查询数据库, 确定检测数据的融合结果是否已经存入库中, 若已存入库中, 则直接输出库中存储的结果;若未存入库中, 则将其输入数据与融合结果一并存入数据库中, 以降低数据库的模糊度。

该安全预警系统是周期性工作的。当大量新的有代表性的监测数据输入系统, 数据融合模版与新的数据不再匹配, 输出误差超出限制时, 可启动预警系统的下一个工作周期:在存储了一定数量新数据的基础上, 通过数据挖掘模块重新建立融合模板, 并通过该模板融合新的数据。如此循环工作, 不断的进行自我纠正, 融合的模板将更为准确, 数据库也更完备, 使该系统的性能大大提高。

3 安全预警管理系统数据挖掘模块设计

本文主要采用粗糙集 (RS) 理论和径向基 (RBF) 神经网络相结合的方法。粗糙集 (RS) 理论首先对检测数据进行属性约简, 保持原信息系统分类能力不变的情况下, 对数据属性进行约简, 剔除冗余成分, 导出问题的决策分析;径向基神经网络具有较强的分类能力, 网络的权值可由线性方程组地推计算, 从而大大加快了学习速度并避免了局部极值问题。

3.1 评价指标体系的确定

评价指标体系的选择和确定是评价研究对象的基础和关键, 直接影响到评价的精度和结果。指标体系应能反映掘进面瓦斯爆炸事故的特征和基本状况, 以反映系统存在的危险状态为目标。因此, 指标体系的构成要素对评价过程至关重要, 选择的因素太多, 可能过分增加系统指标体系结构的复杂程度和评价的难度, 并且有可能掩盖了主要的关键因素;指标因素过少, 评价过程虽然简单易行, 但难以全面反应系统客观状况, 因此必须科学、客观、全面的确定指标体系。

在遵循安全评价原则的前提下, 依据三类危险源的观点, 通过对瓦斯爆炸“三要素”诱发因子的分析, 结合实地调查研究, 确定瓦斯爆炸危险源评价指标体系。瓦斯爆炸危险源评价指标体系包括三大类, 共涵盖 28个评价指标:其中, 第一类危险源是指固有存在的危险物质等因素, 包括平均断层落差、瓦斯浓度、顶板状况、平均瓦斯涌出量、自燃发火期;第二类危险源是能够约束第一类危险物质能量的措施等因素, 即机械设备保养维修合格率、瓦斯抽放设备完好率、设备故障率、安全防护设备完好率、风量供需比、温度控制合格率、通信设施完好率、通防设施完好率、局扇完好率;第三类危险源是指个人或组织管理等因素, 即安全管理组织机构设置合理性、外部监察、技术人员平均工龄、专业安全管理人员占有率、工人受教育年限、工人平均工龄、工人技术水平达标率、“三违”发生频率、工人平均受培训时间、安全投入兑现率、监管有效性、管理干部安全监察水平、违规违章惩罚到位率、安全信息管理体系、安全系统信息化体系。

3.2 评价等级的确定

根据煤矿安全生产的特点及其影响因素, 可将瓦斯爆炸安全评价等级分为五个级别, 如下表所示。

3.3 应用 RS 方法进行评价样本属性约简

对监测数据进行属性约简, 从而简化网络结构, 缩短网络训练时间, 提高识别精度, 简化表中的内容也更直观, 同时简化后的决策表要与原决策表具有相同的功能。

3.4 运用径向基 (RBF) 神经网络模型进行分类

使用粗糙集对原始瓦斯爆炸危险源评价指标样本数据属性约简后保留了瓦斯爆炸危险源评价指标体系的核心属性, 这大大减少了计算量, 简化了计算过程。然后根据约减后的核属性对所研究的瓦斯爆炸危险源评价样本进行多级分类。

4 实际算例

4.1 样本数据收集

本文在建立煤矿瓦斯爆炸安全管理模型的基础上, 以山西官地煤矿等各主要煤矿所收集的历史数据作为评价专家样本, 结合生产现场的实际情况收集资料进行安全评价, 以此检验评价模型的可行性、适用性。

4.2 RS 约简

用Rosetta工具对样本数据进行预处理, 对预处理后的决策表属性约简, 约简得到的结果为:平均断层落差、瓦斯浓度、平均瓦斯涌出量、机械设备保养维修合格率、设备故障率、安全防护设备完好率、通防设施完好率、安全管理组织机构设置合理性、外部监察、技术人员平均工龄、工人平均工龄、工人平均受培训时间、安全信息管理体系与安全系统信息化体系。

4.3 RBF神经网络分类

运用粗糙集理论对原始样本进行属性约简保留了14个核属性, 进而运用RBF神经网络的基本原理对这14个核属性进行多级分类。评价结果为第三种安全等级——中等级 (Ⅲ) 。

4.4 结果分析

通过上述指标分析, 第一类危险源对第二类危险源中的子因素作业环境有显著效应;第二类危险源中的子因素防护设备对第一类危险源有显著效应;第三类危险源中的子因素安全管理组织因素对第一类危险源有显著效应;第三类危险源中的子因素安全管理组织因素对第二类危险源中的机械设备可靠性子因素和防护设备子因素有显著效应;第三类危险源中的子因素安全信息管理体系因素和子因素安全系统信息化体系因素对第一类危险源与第二类危险源有显著效应。由此可见, 三类危险源中的评价指标是相互联系, 相互影响的。

另一方面, 上述评价样本的评价结果比对实际情况, 两者相符合。因此, 样本在经过粗糙集理论的约简后, 保留下的核属性依然保有较高的评价分类能力。同时, 径向基神经网络的功能就在于它能够对评价样本作出较为正确的区分, 这表明, 该评价模型有良好的适用性。

粗糙集约简后保留下了14个核属性, 对应的危险源评价指标分别是平均断层落差、瓦斯浓度、平均瓦斯涌出量、机械设备保养维修合格率、设备故障率、安全防护设备完好率、通防设施完好率、安全管理组织机构设置合理性、外部监察、技术人员平均工龄、工人平均工龄、工人平均受培训时间、安全信息管理体系与安全系统信息化体系。这样的分析结论正是指导我们要在平日的安全工作中加强对这些保留下的核属性的监控和防范, 与此同时, 对其余较为薄弱的环节也不可掉以轻心, 这样才能起到对煤矿瓦斯事故的预防和控制的目的。

5 结 论

煤矿安全事故是在多个方面共同作用下发生的, 对煤矿事故的管理必须要从“硬件”和“软件”两方面同时着手, 既要不断完善安全管理法规、保证安全设备、机械等的可靠性, 同时更要科学管理, 提高基层职工安全意识, 完善安全信息管理体系。

本文只针对煤矿瓦斯爆炸危险源进行研究, 而煤矿有瓦斯、水、火、顶板、矿尘五大灾害, 且各种灾害之间往往联系紧密, 相互影响。因此, 对每一种灾害系统进行充分研究是进行矿井综合安全评价的基础, 对矿井的综合评价及预警还需要开展大量的研究。

摘要：煤矿安全检测至关重要的一点在于能够捕捉到当前煤矿的安全状况并预测其趋势, 以做好防范措施, 但目前在这方面的研究相对较少。本文针对煤矿监测数据的特点, 以数据挖掘技术为基础, 并结合数据融合技术的原理, 构建出煤矿瓦斯爆炸安全预警管理系统。采用数据挖掘技术对安全监测数据进行处理, 提取隐藏在其中的有用信息并分析规律, 运用信息对新的监测数据进行融合, 以期及时了解和发现事故的状态和趋势。

关键词：煤矿安全管理,数据挖掘,预警

参考文献

[1]袁昌明, 张晓冬, 章保东.安全系统工程[M].北京:中国计量出版社, 2006.

[2]何剑斌, 郑启伦, 彭宏.数据融合与数据挖掘的集成研究[J].计算机工程与应用, 2002, 38 (18) :204-206.

煤矿安全预警 篇2

安全风险预警防控

实 施 方 案

富源县营上镇河东煤矿 二O一一年九月十日

富源县营上镇河东煤矿 安全风险预警防控实施方案

为认真贯彻落实《富源县煤炭工业局关于印发富源县地方煤矿安全风险预警防控实施方案的通知》（富煤字[2011]43号文件精神，结合河东煤矿实际，特制定富源县营上镇河东煤矿安全风险预警防控实施方案。

一、指导思想

以科学发展观为指导，坚持以人为本的安全发展理念，进一步推进煤矿贯彻党和国家煤矿安全生产方针、政策、法律法规，围绕“事故防范在于落实预防在先”这一中心，落实煤矿企业安全管理的主体责任，强化煤炭企业风险控制，有效促进煤炭企业隐患整改，切实推进煤炭企业建立和完善自我约束，持续改进的安全生产长效机制，实现对安全生产风险超前预控，规避安全风险，有效防范煤矿安全生产事故。

二、建立机构

为加强对煤矿安全风险预警防控的组织领导，有效防范煤矿安全生产事故，煤矿成立安全风险预警防控领导小组。

组长：赵培书（矿长）

副组长：尹学道（安全副矿长）、唐金德（技术副矿长）成员：张林、段权书、毛学永、段永书、马开富、晏林太、李汉稳、周稳才、黄德高、李如培。领导小组下设办公室在煤矿安全办公室，由尹学道兼任办公室主任，负责相关业务工作。

三、目标任务

通过危险源安全风险预警防控，使安全隐患始终处于受控状态，杜绝和遏制重伤以上煤矿安全事故，控制轻伤事故。

四、工作内容

（一）完善体系。

完善安全风险预警防控管理体系，以危险源辩识和风险评估为基础，以风险预控为核心，以不安全行为管控为重点，以不安全因素监管为突破口，制定安全风险预警防控方案，明确安全风险预控管理总目标，对煤矿危险源进行全面、系统的辩识和风险评估，对危险源产生的风险进行预警并采取措施加以控制，确保安全风险预警防控取得实效。

（二）风险预警。

在日常的生产建设活动中，要对照《富源县煤矿危险源排查治理工作手册》，针对不同级别、类型的危险源和不同程度的安全风险，按照“人、机、环、管”四种风险管理，对危险源和安全隐患进行辨识、风险评估。在危险源辨识，风险评估中要考虑正常、异常和紧急三种状态及过去、现在和将来三种时态，从政策、技术、管理等方面，采取召开会议、现场点评、交流探讨等方式，明确具体的风险管理对象，正确辨识和评估危险源，经煤矿领导负责人（安全风险防控 预警领导小组组长或副组长）明确后，交责任人进行风险预警。

（三）风险防控。

在生产建设活动中，根据风险评估确定的在人员、技术、环境、管理等方面存在可能导致事故的危险源，根据《煤矿安全规程》、国家安全生产行业标准等法规制度，按照“消除、预防、减弱、隔离、联锁、警示”的原则，编制作业规程、操作规程，制定安全技术措施，应急预案或其他计划等对危险源进行防控。在进行重大以上安全风险任务时，应编制专门的安全措施，并明确安全工作程序。对专业性较强、危害程度较大、整改较难或无法评估的危险源风险评估防控，必须聘请相关专家进行论证处理。

（四）对员工不安全行为的管理。

1、员工准入管理。建立员工准入管理标准，根据岗位要求设臵人员，并分别明确各岗位员工的身体条件、专业技能、文化水平等准入标准。

2、员工不安全行为分类。在危险源辨识的基础上，对识别出的员工不安全行为进行分类，总结分析不安全行为的发生规律（时间、季节、地点、状态等），为不安全行为控制提供依据。

3、员工岗位规范。在员工不安全行为识别与梳理的基础上，煤矿须制定员工岗位规范，并符合下列要求：（1）种类齐全；

（2）各岗位工作任务明确；

（3）规定各岗位所需个人防护用品和工器具；（4）明确各岗位安全管理职责；（5）明确各岗位安全行为标准；

（6）确保在完成任务存在多工种交叉作业时，应制定书面安全工作程序。

4、员工不安全行为控制措施。结合煤矿自身的特点和员工不安全行为特征，制定员工不安全行为控制措施，确保员工岗位规范的有效执行。措施必须涵盖影响煤矿员工不安全行为的各类因素，针对不同类型的不安全行为分别制定。

5、员工教育培训。建立员工培训教育机制，提高员工安全知识、工作技能和自保互保意识。员工培训教育达到下列要求：

（1）明确员工培训与绩效考核的职能部门及人员，并有绩效考核制度。

（2）有足够的培训资源。若自身达不到培训条件，可与县安培中心签订合同搞好培训；

（3）计划每年对员工进行一次以上危险源辨识、风险评估为主的体系培训。每年末进行一次风险管理培训需求调查并形成调查报告和对上年度培训计划的可行性和培训效果进行评估并形成绩效评估报告，根据报告编制下年度培训 计划。

（4）明确员工分层次和分类型培训内容与周期；（5）对员工不安全行为进行针对性的矫正培训；（6）建立员工培训信息档案；

（7）每次培训结束，形成单项培训绩效评估报告；（8）确保培训机构和师资，有相关资质证书（可与县安培中心签订合同）；

（9）对参训员工进行考核或考试，并有完整的培训考核或考试台帐；

（10）采用新工艺、新技术、新设备前对员工进行培训并有记录。

6、员工行为监督。完善员工行为监督制度，及时发现和对员工不安全行为进行监督和控制。员工行为由安全风险预警防控领导小组负责监督，对监督结果进行分类统计、分析，根据分析结果制定改进计划。

7、员工档案。建立健全员工档案，全面掌握员工信息，确保在岗员工档案齐全，信息内容完整（内容包括：姓名、性别、年龄、籍贯、身份证号码、文化程度、身体状况、职业技能等级或职称、参加工作时间、简历、培训情况、违章情况、受奖情况、受处分情况、职务或工种变动情况记录），对档案内容进行分析、评估，确定重点监控对象。

（五）生产系统安全要素管理

1、通风管理。建立并保持通风管理控制程序，以控制和消除通风系统中潜在的风险。通风管理应符合下列要求：

（1）矿井、采区和工作面具有独立完善的通风系统，采区应实行分区通风，按规定建设、管理和使用好专用回风井（巷）。

（2）各通风设施、通风构筑物等保持完好无损；（3）矿井总风量、采掘工作面和各供风场所的配风量，应满足通风和安全生产的要求；

（4）风速、有害气体浓度等应符合《煤矿安全规程》的要求；

（5）按规定对矿井进行测风、分风和调风，确保采掘工作面及其他用风地点风流、风量稳定可靠，并按规定进行矿井通风阻力测定；

（6）局部通风机供风符合《煤矿安全规程》的要求，采用双风机、双电源和双抗风筒，且能自动切换电源，保持连续均衡供风；

（7）主要通风机应装有反风设施，配齐各种仪表，设施和仪表等的相关参数符合规定，并定期进行反风演习；

（8）通风基础测试报告和主、局扇运行记录齐全；

2、瓦斯管理。建立并保持瓦斯管理程序，通过瓦斯检测（监测），及时掌握瓦斯浓度变化情况，有利于采取措施进行处理，确保瓦斯得到有效控制。瓦斯管理应符合下列要 求：

（1）完善瓦斯管理制度，明确瓦斯防治责任并细化分解落实到各工种和岗位，针对井下条件和瓦斯的变化，不断改进和加强瓦斯治理的各项措施，严格制度的贯彻落实，实行群防群治；

（2）强化瓦斯检测（监测），配足配齐瓦斯检测人员和仪器。每年对矿井进行瓦斯等级鉴定，相关入井人员按《煤矿安全规程》规定携带便携式报警仪或光学甲烷检测仪，瓦检员严格瓦斯班检和巡回检查制度，瓦斯检查记录做到牌板、手册、日报表三对口，严格按照程序进行交接班。

（3）制定完善瓦斯隐患处理措施。有针对性的瓦斯排放安全技术措施并严格按照措施进行瓦斯排放。每次排放瓦斯都应做好记录，建册登记。

（4）完善瓦斯隔爆措施。在矿井总回风巷、采区回风巷、工作面回风巷和相邻煤层之间的运输和回风石门间设臵主要隔爆水棚（隔爆水袋），对隔爆水棚（水袋）实行挂牌管理，并定期检查隔爆设施的安装地点、数量和水量等是否符合要求。

（5）进一步完善瓦斯抽放系统，定期对抽放系统进行检查和测定，确保系统运行有效、参数合理。日常工作中，应根据瓦斯涌出和变化情况，相应地采取预抽采、采动层抽采、边抽边采、采空区抽采等措施抽排矿井瓦斯，凡是应当 抽采的煤层和区域，都必须尽可能地进行抽采，使采掘生产活动始终在抽采达标区域内进行。

4、防治水管理。按照规定编制完善水文地质类型划分报告，认真做好水情水患调查，准确掌握矿区及周边地表水系、地下水和采空区积水等分布情况，掌握当地历年降雨量和最高洪水位情况，评估地表水和各地下水系的风险，为防治水工作提供决策依据。防治水管理应符合下列要求：

（1）坚持“预测预报、有疑必探、先探后掘、先治后采”的十六字方针，编制中长期防治水计划和年度防治水计划，制定“防、堵、疏、排、截”的综合防治措施；

（2）井下防水、排水系统合理，水仓容量和水泵、排水管的能力应能满足矿井最大涌水量的需要；

（3）每年雨季前对防治水工作进行全面检查和安排布臵，做到早安排、早落实。

（4）防治水设施完善，设备齐全可靠。

（5）井下掘进工作面坚持“有掘必探”的防治措施，确保探眼位臵、数量、深度符合规定。

（6）完善水灾应急预案。

5、防尘管理。进一步完善防尘系统，有效降低井下相关地点和各作业点的粉尘浓度。防尘系统应符合下列要求：

（1）主要进回风大巷、主要运输巷、带式运输机巷、采掘工作面所属各巷、煤仓与溜煤眼放煤口及转载点应铺设 防尘洒水管路，完善支管、阀门、龙头和喷头等辅助设施，并确保防尘管路随时畅通，水量充足。

（2）在采煤工作面的进风顺槽（水幕距工作面上下出口不得大于30米），掘进巷道（在距迎头50—200m范围内）、多巷掘进在回风巷风流汇合处下风侧200m范围内、运输顺槽的溜煤眼（转载点）上口、采区回风巷在与其相连的采掘工作面回风巷口下风侧50米范围内、主要进风大巷等地点设臵风流净化水幕，水幕灵敏可靠，使用正常。

（3）在液压支架、锚杆机等设臵喷雾装臵或除尘器，并确保喷雾装臵或除尘器正常使用。

（4）防尘基础管理完善，及时清扫巷道中的浮煤（矸），必要时应定期对巷道帮壁进行全面冲洗。定期测定粉尘浓度，确保粉尘浓度不超规定，完善预防和隔绝煤（粉）尘爆炸措施，完善粉尘防治管理制度。

6、防灭火管理。建立防灭火管理程序，以消除和控制矿井火灾风险，防灭火管理应符合下列要求：

（1）防灭火设计符合《煤矿安全规程》规定；（2）应对所有煤层进行自燃倾向性和煤尘爆炸性鉴定，根据鉴定结果，采取相应的防治措施；

（3）加强内外因发火管理，杜绝矿井火灾的引火源；（4）防灭火基础管理达到有防灭火管理制度、矿井防灭火系统图，井上下有硬件的防灭火措施（设施），所有地 面建筑物、煤堆、矸石山、木材场等处的防火措施符合国家有关防火的规定。

7、监测监控管理。进一步完善安全监测监控管理系统，对矿井各重要场所和“一通三防”相关数据进行实时监测，及时掌握各种数据变化情况，并实现对矿井相关设备和设施的自动化控制。监测监控管理应符合下列要求：

（1）监测监控系统的中心站、分站、传感器等设备齐全，安装设臵符合规定要求，系统运行正常；

（2）相关传感器按期调校，其报警、断电、复电值准确，监控中心能实时反映监控场所瓦斯浓度、风速、设备开停、水位等的真实情况。

（3）当瓦斯超限时，能够及时切断工作场所的电源，停止采掘等活动，及时将人员撤至安全地点，并按程序进行汇报；

（4）定期分析各种监测数据，并作出趋势判断；（5）中心站做到24小时值班不间断，完善记录台帐，确保相关记录、报表内容与实际相符。

8、采掘管理。建立并实施采煤、掘进管理程序，消除和控制采掘系统和作业中的危险源，采掘管理应符合下列要求：

（1）作业规程编制应考虑最大限度的降低作业中的风险，且具有实用性、科学性、针对性和可操作性；（2）巷道施工应符合要求，施工及地质条件变化时有补充措施，采煤工作面初次放顶、初次来压、搬家倒面、过地质构造带、过富水区和过老巷等应制定专门性措施；

（3）支护材料、支护方式、支护参数应选择合理，支护设施可靠有效；

（4）观察采掘工作面顶板，进行趋势分析和判断；（5）矿井、水平、采区和采煤工作面安全出口畅通。

9、爆破管理。建立爆破管理程序，以控制爆破材料储存、运输和爆破作业过程中的风险，爆破管理应符合下列要求：

（1）爆破材料和爆破设备购臵渠道正规，具有合格证和说明书；

（2）有经公安部门验收认可，且符合《煤矿安全规程》规定的专门性民爆物品储存库或存放点；

（3）爆破物品的领用，必须由爆破员经手；（4）发爆物品及发爆器钥匙由放炮员随身携带；（5）爆破材料运输方式符合《煤矿安全规程》相关规定；

（6）爆破前编制爆破作业规程，并严格执行“一炮三检”和“三人联锁”放炮制度。

10、地测管理。建立地质测量控制程序，确保采掘作业遇有地质构造或其他异常情况时，及时采取预控措施，以保 证矿井科学采掘。地测管理应符合下列要求：

（1）矿井各类地质报告齐全、规范；（2）在生产过程中各项地质预测预报及时；

（3）掘进给向及时、准确，贯通测量精度符合规定；（4）测量成图及时，基本矿图齐全，成图内容完善，制图精度达标。

（5）对开采沉陷区进行有效治理，防水（沙）、建（构）筑物保护煤柱留设合理。

11、供电管理。建立并实施供用电管理程序，以控制和降低供用电风险。供用电管理应符合下列要求；

（1）供电系统安全可靠，矿井供电应为双回路，双电源供电，任一回路都能担负起矿井全部负荷，两个回路不得取自同一区域变电所或同一母线端；

（2）井下各水平、中央变电所、井下主排水泵、主要通风机、地面永久抽放泵站、固定式压风机全部实现双回路供电；

（3）矿井设备、电缆的选型与安装及机房的设臵符合设计及相关规范、规程的要求，应充分考虑其安全性与潜在的风险；

（4）供电系统及设备的欠压保护、失压保护、短路保护、过流保护、过电压保护、过负荷保护、接地保护、单相断线保护、漏电保护、急停保护、闭锁保护、无压释放保护 等齐全、完善、灵敏、可靠；

（5）大型设备应定期检修和维护保养，检修时应制定专项措施；

（6）主、局扇停风时应有专门的停风措施；（7）停、送电严格执行工作票管理制度；

（8）供用电主要场所通讯畅通，并有足够的照明；（9）设备监测、检修、维护到位，设备完好，运行可靠。防爆性能符合要求；

（10）设备基础管理规范，各种图纸资料和设备台帐齐全，且应分类归档；

（11）不使用国家明令禁止和淘汰的机电设备产品。

12、运输提升管理。建立运输提升管理程序，以控制和降低提升运输过程中的风险。运输提升管理应符合下列要求：

（1）各种运输、提升设备运行正常，安全保护设施齐全、灵敏、可靠；

（2）各种运输、提升装臵完好，连接件紧固，并定期检验；

（3）运输巷道、运输胶带（轨道）、运输设备相对空间应满足安装、检修、维护及人、车通行的要求；

（4）运输线路、路面质量符合相关标准要求，并定期检查和维护；（5）车场、硐室设臵和环境符合相关规程要求；（6）运输提升设备技术资料、记录台帐齐全归档。

13、压气、输送和压力管理。

（1）压气及输送系统设计、安装应科学合理，有空压机操作规程和使用管理制度。压气设备配备齐全，设备数量、能力满足要求，定期对压气设备进行检修，安全阀和放水阀动作可靠。输送管路设施布臵符合《煤矿安全规程》规定和满足矿井的需求；

（2）建立压力容器管理办法，有压力容器完好和存储标准，压力容器出厂检验合格证齐全有效，有建立压力容器管理台帐，定期对压力容器进行打压试验，气瓶有防震胶圈、安全帽和减压器，乙炔发生器有回火防止器；

（3）空气压缩机只限于安装在地面，严禁安装在井下。

（六）应急与事故管理。

制定并保持事故应急控制程序，以提高应对风险和防范事故的能力，保障职工身心健康和生命安全，最大限度地减少财产损失、环境损坏和社会影响。

1、建立完善的应急管理体系，并达到以下要求：（1）按照相关规定和要求，编制有针对性和可操作性的应急预案；

（2）严格按照程序对预案进行审批，并每年进行一次修订；（3）所有员工都必须经过应急预案的培训；

（4）保安体系完备，通讯报警系统有效，所有人员熟悉事故汇报程序；

（5）每年至少组织开展一次救灾演习，有演习计划，演习方案及总结报告；

（6）设立两个兼职矿山救护小队，并与矿山救护队签订协议；

（7）按照相关规定和要求完善应急救援管理平台。

2、规范应急管理，并达到以下要求：

（1）每一班组至少任命2名经过培训的专（兼）职急救员，并对急救员名单进行公布；

（2）按照规定对职工进行急救知识培训，计划每年有10%的职工参培；

（3）力争在所有重点作业场所配臵急救箱，急救箱应放在合适的位臵并进行标识；

（4）急救箱内保存一份急救用品清单，保证医疗器械和药品完好齐全，并有专人定期检查；

（5）有急救箱配臵分布图及急救用品明细表；（6）井下设臵的急救箱、隔离式自救器等设臵位臵有明显的标识；

（7）有急救用品使用记录，并定期对使用记录进行分析，以便查找受伤害原因。

3、规范事故管理。作好事故汇报、统计和总结工作。事故管理应达到下列要求：

（1）事故发生后应按照国务院《生产安全事故报告和调查处理条例》相关规定逐级上报，并做好相关记录；

（2）事故现场应急处理结束后，及时收集、整理有关资料，并对现场抢救工作情况进行汇总分析，形成现场抢救工作总结；

（3）根据事故类别成立事故调查组对事故进行调查，事故调查结束后，形成事故调查记录，事故调查报告。

（4）对所有事故进行统计，建立事故统计数据档案，并及时向员工公布；

（5）定期对事故进行回顾，强化风险意识与防控能力，时刻敲响安全警钟。

（七）体系保障

1、组织保障。建立健全安全风险预控管理机构，以组织、协调、指导、监督风险预控管理工作。明确机构人员的工作职责，负责风险预控管理全过程，并提供必需的专项技能、技术和人、财力资源。

2、制度保障。建立健全与安全风险预控管理相关的目标、责任、奖惩、投入保障、风险控制、员工行为、文化建设、安全会议、教育培训、技术审批、安全监测、设备操作、应急救援、监督检查、考核评审、灾害预防、环境保护等管 理制度，并确保各项规章制度贯彻到全体员工。

3、技术保障。建立安全技术管理与控制程序，以消除和控制重大危险源。力争优先采用先进的安全技术标准、方法、工艺、设备等，结合实际制定安全技术方案。

4、安全文化保障。建立企业安全文化建设管理程序，以发挥安全文化的导向、激励、凝聚和规范功能。明确安全文化内涵、目标、内容、模式、建设流程，以实现员工自我管理为目标，全员、全过程、全方位地贯穿于煤矿的各项管理。

五、防控范围

广义地讲，全矿井上下人的不安全行为，物的不安全因素，环境的不安全状态均属于防控的范围；狭义地说，凡是存在重大危险源和安全隐患的场所是监管和防控的重点。

六、工作要求

（一）全矿自上而下要认清目前煤矿安全工作面临的严峻形势，按照文件要求，认真谋划，精心组织，打好安全预警防控攻坚战，使之形成长效机制，确保煤矿安全生产。

（二）在生产和建设过程中，要树立“煤矿事故可防可控”观念，采取自检自查、回返复查、阶段检查、日常检查等多种检查方式，查找人的不安全行为和采掘、机电、运输、通风、瓦斯、防排水、安全避险“六大系统”等安全生产系统要素管理中有可能引发事故隐患的问题，专门对存在问题 和隐患进行思考和深究，形成定期的安全状态分析制度。并定期或不定期组织召开会议，专题研究解决瓦斯治理、水害防治、顶板管理等有可能诱发事故的重大隐患，做到提前风险预警，消除事故隐患，有力地促进煤矿安全、健康、科学发展。

煤矿安全事故问题的预警管理分析 篇3

1 煤矿安全事故问题分析

煤矿安全事故问题中, 受到自然和管理两项因素影响。自然因素, 是指煤矿环境、地势等, 具有突发性的特征, 容易引起大规模的煤矿事故, 如:矿井坍塌, 威胁到煤矿作业人员的安全。管理因素, 在煤矿安全事故问题上, 表现出复杂的特性, 管理人员无法准确的掌握危险源, 管理期间, 监督、监测等落实不到位, 诱发安全事故问题[1]。煤矿生产的规模非常大, 自然、管理因素, 直接增加了煤矿安全事故的发生机率, 增加了煤矿安全控制的压力。除此以外, 煤矿安全事故方面, 还存在违章、超时工作等风险因素, 增加了事故的发生机率, 再加上安全措施不到位, 频繁出现安全问题。因此, 煤矿安全事故问题方面, 提出预警管理的方法, 在煤矿作业中, 提供监测、管控的方法, 体现预警管理的作用和实践价值。

2 煤矿安全预警管理系统

2.1 突出预测

煤矿作业中, 煤与瓦斯突出, 是比较严重的安全事故, 形成瞬间空喷, 危害性非常大, 严重威胁到作业人员的安全。煤矿位于地下, 无法掌握矿井内部的条件, 很容易出现突出问题。预警管理系统内, 突出预测是一个重要组成, 主要是监督煤矿内, 平衡状态的跃变, 当煤矿中出现扰动时, 预警管理系统的参数会发生改变, 达到煤与瓦斯突出的临界条件时, 系统会执行预警, 提示人员注意安全。

2.2 煤层重构

煤层重构, 是指根据煤矿内的环境、条件, 利用重构的方法, 设计安全的采煤面。预警管理系统内, 将煤层重构做为灵活的使用方法, 煤层重构时, 利用预警管理系统, 获取煤矿内的信息, 根据煤矿各层的信息, 设计安全的采煤工作面。预警管理系统, 实现了煤层重构的信息化, 有利于监督采煤工作面的状态, 及时发现危险隐患。

2.3 向量机方法

向量机方法, 主要用在开采沉陷预测内, 控制煤矿的开采受力, 预防大面积采空区的出现[2]。预警管理系统内, 向量机方法, 能够监测煤矿岩体的平衡状态, 通过维持煤矿应力平衡的方法, 杜绝下沉、塌陷的情况。向量机方法, 全面检测煤矿中的不平衡点, 利用观测法、模拟法, 监督煤矿开采的环境, 预防安全事故。

3 煤矿安全预警管理的措施

3.1 过程监控

预警管理内, 过程监控, 是煤矿安全事故问题预防的首要措施。过程监控, 避免煤矿现场存在隐瞒不报的情况, 采取井上、井下监控的方法。例如:过程监控内的虹膜技术, 其可提供监测、识别的功能, 在煤矿开采现场, 构建安全事故管理系统, 一方面识别人员在井上、井下的行为, 预防安全风险, 另一方面掌握煤矿开采的全部过程, 虹膜技术中, 配合工作射频识别技术, 提高识别的准确度, 即使在恶劣的环境中, 也能准确的识别人员和物体。过程监控, 需要软件、硬件的协调与配合, 由此监督煤矿开采的过程, 预警作业中的风险行为, 提前预防安全事故, 进而降低安全事故的发生机率。过程监控具有全面性的优势, 还可监控井下有害气体的浓度, 如果发生危险, 也能根据过程监控, 快速安排救援工作, 表明过程监控在安全事故问题中的预防与保护作用。

3.2 实时监测

预警管理措施中, 实时监测利用了信息技术, 专门监测煤矿作业中的危险源, 控制好危险源, 缓解开采中的风险压力[3]。实时监测时, 通过传感技术, 收集煤矿作业现场的运行数据, 尤其是危险系数比较高的数据, 数据经过网络传输到控制终端的软件内, 控制中心在远程的条件下, 实时监测煤矿作业的情况。实时监测期间, 可以提供自动报警, 信息化的实时监控, 准确性和时效性上, 都要优于人工监测。实时监测的期间, 融入了多项监测的系统和项目, 形成综合化的实时监测系统, 全面监督煤矿作业的实时动态。目前, 煤矿安全事故问题的预警管理措施中, 比较重视实时监测, 扩大网络应用的范围, 引进先进的监测设备, 满足煤矿安全监控的需求。

3.3 人机工程

人机工程, 注重以人为本, 改善煤矿作业的方式, 营造安全的环境。人机工程在预警管理中的应用, 实现了环境、人、机械的相互结合, 根据人的心理、生理需求, 改善煤矿工作的状态, 提高煤矿安全生产的能力[4]。煤矿作业中, 过程流动性强, 安全信息含量大, 按照人机工程的预警设置, 需要在生产中, 设计安全生产卡, 管控、传输安全信息的同时, 检查安全信息是否达到标准, 以便保证安全信息的真实性, 促使煤矿安全管理人员, 能够了解煤矿的作业状态, 协调好煤矿生产的工艺和技术, 预防安全风险。

4 结束语

煤矿安全问题管理方面, 比较注重预警管理系统的应用, 起到预防性的检测作用, 在煤矿安全上发挥有效的控制功能。煤矿的安全事故问题, 在预警管理系统的作用下, 实现高水平的安全预防, 落实安全预警管理内的措施, 保护煤矿作业的施工现场, 进而保证煤矿作业人员的安全。

参考文献

[1]乔国厚.煤矿安全风险综合评价与预警管理模式研究[D].中国地质大学, 2013.

[2]杨军.煤矿安全风险评价与预警研究[D].中国矿业大学, 2013.

[3]杨媛.基于灰关联及其预测的煤矿安全管理及事故预警方法[D].河南理工大学, 2010.

数字矿山与煤矿瓦斯监测及预警 篇4

数字矿山与煤矿瓦斯监测及预警

围绕煤矿瓦斯监测监控系统的.开发与运用,介绍了基于数字矿山技术体系进行煤矿瓦斯监测、分析、显示、智能预警及救灾等方面的主要思路、关键技术、系统功能及应用效果.实践表明,瓦斯涌出量及突出动力现象的发生,受地质、地应力和开采条件等多种因素的影响,瓦斯突出预测所涉及的数据具有多源性、时空性、强变化等特征,GIS技术、虚拟现实技术等空间信息技术在煤矿瓦斯监测与预警中具有很大的应用潜力,能对煤矿瓦斯监测与智能预警研究产生重大变革,构建数字矿山对煤矿安全生产具有巨大的推动作用,效益十分显著.

作 者：汪云甲 杨敏 张克 WANG Yun-jia YANG Min ZHANG Ke 作者单位：中国矿业大学,江苏,徐州,221116刊 名：地理信息世界 ISTIC英文刊名：GEOMATICS WORLD年，卷(期)：6(5)分类号：P208 TP389.1关键词：地理信息系统 数字矿山 瓦斯 监测 预警

煤矿安全预警机制的构建与实施 篇5

实践证明:任何事故的发生发展都有征兆出现。即安全状态信息, 这些信息大多数是可观测的, 有些还是可控的。倘若有先进、可靠的监控预警机制, 完全可能避免事故的发生, 至少能够把事故所造成的损失和影响降到最低程度。随着煤矿安全预警技术研究的进展与深入, 建立煤矿安全预警机制具有非常重要的现实意义, 同时能带来明显的社会、经济效益。

2 构建煤矿安全预警机制项目内涵及主要做法

2.1 构建煤矿安全预警机制的项目内涵

淮北岱河矿业有限公司安全预警机制的构建与实施, 是指各管理单元根据所收集的安全信息进行分析, 对可能引发 (诱发) 事故的各种风险因素 (人、机、物、法、环等) 进行评估分析, 做出相应判断, 确定预警等级, 发布预警信号, 警示单位、班组和职工采取防范措施, 消除事故隐患, 有效防范事故发生。同时提示管理单元和职工做好险情或事故发生时的应急救援准备, 以避免和阻止安全受到进一步威胁, 有效预防和减少事故发生的活动。

2.2 构建煤矿安全预警机制的主要做法

2.2.1 对相关安全信息按评定标准进行预警分类

安全预警工作遵循“统一领导、科学决策、分级实施、全员参与”原则, 根据影响安全的可控性、紧迫程度、危险程度和影响范围, 对可能发生和可以预警的安全信息, 将安全预警等级由低到高分为三个级别 (安全预警分级类别见表1) , 即一级 (红色) 预警、二级 (黄色) 预警、三级 (蓝色) 预警。

安全预警一级: (红色) 安全工作由较危险状态向非常危险状态过度, 列为重点关注项目, 并提出重点监管告示;预先制定防范措施, 科区正职、职能部门管技人员跟班, 必要时由副总以上领导现场监督落实。

安全预警二级: (黄色) 安全工作由不稳定状态向较危险状态过渡, 列为特别关注项目, 并提高警惕;预先制定防范措施, 科区干部跟班监督落实。

安全预警三级: (蓝色) 安全工作处于不稳定状态;现场采取措施, 班 (队) 长负责监督落实。

2.2.2 成立安全预警体系领导小组, 明确各部门职责

为加强对安全预警体系的领导, 矿成立以矿长、党委书记为组长的安全预警体系领导小组:安全预警体系领导小组下设办公室, 办公室设在安监处, 安监副处长兼任办公室主任:成员由安全文化建设办公室人员组成。各单位相应成立本单位安全预警体系领导小组, 区队、班组指派一名兼职安全预警员负责日常工作。矿、科 (区) 、班组划分成不同层次、不同内涵的三级安全预警体系管理单元。

其主要职责: (1) 负责本级安全预警与应急行动的组织指挥; (2) 矿、科级制定本级安全预警信息发布规定; (3) 建立安全信息来源渠道, 收集和分析安全信息; (4) 矿、科级审核确定安全预警等级, 发布预警信息; (5) 组织实施安全预警行动, 并跟踪安全预警动态; (6) 决定安全预警等级和安全预警行动的变更、终止; (7) 建立安全预警台帐记录, 开展安全预警与应急事件反应总结与评估。

2.2.3 安全预警信息的发布方式及规则

一级安全预警由矿设立安全预警信息牌板 (调度电子信息牌板) 发布信息;二级安全预警由单位在会议室设立安全预警信息牌板发布信息;三级班组在生产现场安全预警信息牌板发布信息。

上一级管理单元在发布预警信息时, 必须同时发布有重要工作、关键工程、特殊事项的下一级管理单元的信息, 并予以标注。下一级管理单元可根据工作需要, 发布上级管理单元的重要信息。

2.2.4 各部门按照要求及时发布预警信息

安全预警信息主要来源包括: (1) 基层单位发布, 汇报 (2) 职能单位安排的工作 (3) 矿领导工作安排。各单位建立信息收集分析与传递渠道, 确保信息收集分析与传递的及时性、准确性和全面性。

安全预警信息内容主要包括:⑴安全预警类别、等级;⑵安全预警范围、时间;⑶应对措施。

安全预警一级由提供信息单位填写《安全预警信息单》, 经分管矿领导签字同意后, 报调度所发布。基层单位负责安全预警二级、三级信息的提供和发布。

2.2.5 安全预警机制的实施过程

安全预警经矿审核下发后, 由相关领导召集基层单位领导和职能部门技术人员, 分专业对井下安全隐患进行分析研究, 制定出预警工作方案, 编制预警防范措施, 并安排人员现场跟班监督施工, 基层科区根据工作需要, 按照“安全预警分级类别”自主启动二级、三级安全预警, 并按照分级标准, 制定、落实安全防范措施, 安排人员跟班监督管理, 使生产作业时刻处于预警防范措施的监控之下, 提高了现场安全管理效能。2010年~2011年先后在东风井关闭工程、III432机巷贯通、III3排水巷贯通、III4110风巷无极绳绞车安装、中央变电所高压柜改造、老副井井筒作业等工程安全技术措施审批时, 同时启动了一级安全预警 (岱河矿业有限责任公司2010年安全预警 (一级) 信息见表3) , 制定了防范措施, 并按照一级预警管理规定由职能部门和科区管技人员跟班监督, 确保了工程安全施工。

2.2.6 安全预警信息发布及执行情况的总结评估

各管理单位建立安全预警工作台帐, 做好工作记录和数据统计。各单位、班组每月对安全预警工作进行总结评估, 内容主要包括安全预警的效果、存在的问题、改进措施及建议等。矿每季度组织一次安全预警总结评估, 提出改进和完善安全预警工作意见。

3 构建煤矿安全预警机制项目实施效果

煤矿安全预警机制是从大量事故中总结出煤矿安全生产的一般性规律, 在各类煤矿中均具有一定普遍性, 能够有效提高职工安全预警意识, 有效消除不安全因素, 规避安全风险, 降低安全事故发生概率, 减少企业经济损失, 保护企业员工生命安全, 维护矿区稳定的作用。该成果自2010年在淮北岱河矿业有限责任公司推广实施以来, 取得良好的安全效果, “三违”员工人数大幅降低, 有效地减少了轻伤事故, 杜绝了重伤及死亡事故, 全矿安全工作处于强有力的可控、可防状态, 杜绝安全事故, 实现持续安全生产。因此推广“构建煤矿安全预警机制”具有十分重要的经济意义和社会意义, 建议在相关矿井推广使用。

参考文献

[1]金龙哲, 杨继星.安全学原理[M].北京:冶金工业出版社.2010.[1]金龙哲, 杨继星.安全学原理[M].北京:冶金工业出版社.2010.

煤矿安全预警 篇6

针对现有煤矿井下环境监测系统存在的弊端,设计了基于无线传输技术、嵌入式技术、网络技术相结合的煤矿井下环境实时监测预警系统。该系统可以监测井下空气的温湿度及CO、O2、CH4浓度。

无线传感器网络(wireless sensor network,WSN)是由随机分布的集成了传感器、数据处理单元和通信模块的节点通过自组织方式构成的网络,融合了传感器技术、信息技术和网络通信技术,是一种全新的网络化信息获取与处理技术。节点之间通过无线方式自组网,动态性强,可实现多路径传输等功能[4]。节点的特点正好满足煤矿井下大范围环境监测的需要。

1 系统设计

1.1 监测系统的总体结构

基于WSN和ARM7的煤矿井下环境监测预警系统由井下无线采集系统和井上监控系统两部分组成,其总体结构如图1所示。

井下无线采集系统由采集节点、汇聚节点和网关节点组成。采集节点主要负责整个监测区域的空气温湿度及CO、O2和CH4浓度数据的采集和发送;汇聚节点是监测区域数据的中转站,主要负责接收采集节点发送过来的数据,然后发送至网关节点;网关节点主要负责汇聚各个汇聚节点发送来的数据并通过以太网传输至井上监测系统。大量采集节点随机部署在井下各监测区域,以自组织方式构成簇状网络,某个节点出现故障也不影响网络运行,保证了数据传输的可靠性和系统的安全性。为保证系统的扩展性和易操作性,整个井下监测系统采用模块化设计,根据需要选择不同的传感器模块与采集母板连接。

井上监测系统主要是实时采集、存储、监视和处理来自远程终端设备节点的各种环境信息,并且能够随时设定基本阈值、超限报警阈值等参数,实现对井下开采环境的有效监控和管理。

1.2 无线传感器网络的构建

系统层次型网络:采集节点和汇聚节点组成第一层无线网络,汇聚节点和网关节点构成第二层无线网络,网关节点和上位机构成第三层网络。将每一个区域的节点划分为1个簇,作为网络的基本单元,采集节点负责采集该区域内的各个环境变量;区域出口放置汇聚节点,其主要负责簇网络的管理、采集节点采集信息的汇聚与转发。在升井口放置协调器节点(网关节点),通过网线将其和井外上位机相连,发送网络控制命令,汇聚各个汇聚节点转发的信息,同时,S3C44B0X对信息处理后通过网口将信息传输给井外的上位机。

2 系统的硬件设计

传感器节点由低功耗无线单片机MC13213、信息采集模块、无线网关、电源管理模块等部分组成,系统节点集成度高、功耗低、体积小、抗干扰能力强、灵敏度高,发射功率为4 dBm,通信距离为30～100 m[5]。

2.1 采集节点硬件设计

系统无线单片机采用飞思卡尔公司推出的MC13213,其内部集成了HCS08 MCU和符合ZigBee技术的2.4 GHz无线收发器,采用SIP系统单封装,内含60 kB FLASH及4 kB RAM,并自带嵌入式闪存,工作电压为2.0～3.4 V,集成8位外部中断、8通道10位模数转换、低压检测LVD和看门狗定时器,具有优良的无线接收灵敏度(-94 dBm)和强大的抗干扰性能。另外,集成收发/接收(Tx/Rx)开关,外围电路简单,可编程引脚丰富,并包含CAN、UART、I2C等常用接口[5]。

无线传感器网络在应用中存在的最大问题就是能量问题,一旦节点的能量耗尽,节点就将退出无线传感器网络,影响整个系统的正常运行。要保证在煤矿井下恶劣环境下传感器能够正常工作,在传感器的选型上,综合考虑了成本、精度和稳定性等因素,采用一氧化碳传感器NAP-505、瓦斯传感器KGS-20、氧气传感器O2-A2和温湿度传感器SHT10。

2.2 电源管理模块

电源管理模块为其他模块提供能量,是保证系统正常运行的前提条件。系统中采用了3种节点,为了满足其不同供电需求,设计了2种供电方式:外部直流供电方式和内部电池直流供电方式。由于传感器采集节点是移动的,可以随机放在井下的任何位置采集环境信息,因此可采用电池供电;由于汇聚节点和网关节点是固定在巷道内不需要移动,正常情况下用外部直流电源供电,当发生意外情况导致外部直流电源不能够供电时,电源管理模块会自动切换到电池供电方式,以保证节点和网络的正常运行。

2.3 网关节点设计

网关节点处理器模块采用Samsung公司生产的S3C44B0X ARM微处理器,其片内集成了ARM7 TDMI核,芯片内部集成了LCD控制器、SDRAM控制器、2个串行接口控制器、PWM控制器、I2C控制器、IIS控制器、实时时钟、AD转换等丰富的外围控制模块,提供Thumb16位压缩指令集和JTAG软件调试方式,有4 种电源管理模式,支持省电模式,完全能满足系统要求[6,7]。

3 系统的软件设计

3.1 通信传输协议

在无线传输过程中,由于受传输距离、噪声、现场状况等因素的影响,采集节点和汇聚节点之间、各汇聚节点之间、汇聚节点和网关节点之间通信常常会发生无法预测的错误,影响数据的传递。要保证系统能够可靠地通信,通信传输协议的制订变得尤为重要。

为了减少能量的损耗,提取有效数据,通过测试和试验发现,0XAA后跟0X55在噪声中不易发生能量损耗,所以协议规定只接收以0XAA+0X55开头的数据包[8]。

采集节点到监控中心的帧有2种:数据帧和状态帧。

数据帧的格式:

状态帧格式:

监控中心到采集节点的帧有2种:查询与控制工作状态命令帧和应答确认帧。

查询与控制工作状态命令帧格式:

应答确认帧格式:

3.2 节点程序设计

3.2.1 节点工作方式

为了保证系统监测的实时性,一方面需要网络对煤矿井下环境进行长期监测,按照设定的周期将采集到的信息送到网关节点,同时,系统必须考虑无线传感器网络的节能问题,由于无线通信能耗是整个无线传感器网络能耗的主要部分,因此着重考虑无线收发系统的能耗管理。另一方面,在有紧急事件发生(如CH4浓度超限、温度超限或者CO浓度超限)的情况下,网关节点需要通过采集节点在尽可能短的时间内得到紧急信息,及时将井下环境信息发送到上位机。基于上述原因,设计了煤矿井下环境监控系统的2种工作方式:定期巡检工作方式和唤醒工作方式,分别实现井下各个监测信息的周期性监测和紧急事件监测。

在定期巡检工作方式下,网络的各节点完成部署并形成网络之后,先由网关节点广播1个睡眠命令,通过各汇聚节点中继转发至各采集节点,采集节点收到之后转入睡眠状态;经过1个睡眠周期后各端节点醒来,等待汇聚节点的数据收集命令;当汇聚节点广播数据收集命令后,不同的传感器采集节点进行数据采集,并将采集到的环境信息传送至汇聚节点;汇聚节点将收集到的数据传输给网关节点,这样便完成了1个工作周期。网关节点将收集到的数据处理完毕后会再次广播睡眠命令,以控制各簇节点再次进入睡眠状态[7]。

在唤醒工作方式下,无线传感器网络的网关节点和汇聚节点一直处于侦听状态,而采集节点绝大部分时间处于睡眠状态,但传感器将不间断地监测环境信息。当传感器监测到某一数据超限时,例如CH4浓度超过设定的阈值,传感器就以中断的方式唤醒采集节点,然后采集节点立即将采集的数据传向汇聚节点,汇聚节点再经过网关节点将数据传输到井上监测系统,供相关工作人员进一步处理[7]。

3.2.2 数据传输过程

根据所定义的传输协议,首先,采集节点采集环境信息,包括空气的温湿度及CO、O2和CH4浓度,按照自定义的数据格式形成信息数据包。采集节点发送该数据包,汇聚节点接收到数据包后,修改其中的下一目的节点的ID,之后再转发数据包,直至到达网关节点,完成环境数据信息的无线传输和网关节点对信息的汇聚。数据信息传输过程如图2所示。

4 井上监控系统的实现与监测试验

4.1 井上监控系统的实现

井上监控中心以Microsoft Visual Studio 2008作为开发平台,采用C#语言对系统进行开发,使用Microsoft SQL Server 2005数据库对数据进行管理,系统要同时完成接收数据、存储数据、处理数据等多项任务,通过调用System.Threading命名空间里的Thread类来实现多线程。数据的实时动态显示是通过第三方Chart控件实现的。井上监控中心根据功能划分,主要包括数据接收、数据存储、数据显示、预警四大功能模块。

1) 数据接收模块。

井上监控系统通过网线和井下的网关相连接,计算机只需要实时监听本地IP地址的固定端口,基于socket编程技术,根据自定义的数据包格式,接收并提取采集的井下环境信息。

2) 数据存储模块。

当计算机监听并接收到数据后,在对数据处理之前,需要先对数据包进行解析,把数据按采集时间和种类进行分类,分别存储在数据库中对应的数据表中。

3) 数据显示模块。

为了更直观地观测到井下环境数据的变化情况,从数据库中读取对应的环境信息数据,通过第三方Chart控件,将数据动态实时地显示在系统主页面上。

4) 预警功能模块。

井下的工作环境很重要,对超出阈值的节点,对应的节点类型和节点号显示在监测系统超出阈值的节点列表中,以便井上工作人员及时通知井下人员撤离不安全区域。

4.2 监测试验

在模拟矿井中进行现场试验,用不同的传感器节点和母板相连,在试验中使用了一氧化碳传感器节点、瓦斯传感器节点、温湿度传感器节点、氧气浓度传感器节点。同时这些节点与网关节点构成监测网络,负责对井下监测区域环境信息的实时采集,并传输到井外的监测中心。由井上监控中心对数据进行存储、处理及实时显示。试验过程中,使用传感器节点30个,汇聚节点5个,网关节点1个。各种环境参数的阈值是通过井上监控中心系统来设置的,当监测结果超过设定的相应最佳参数阈值时,则将所采集的参数类型和节点的编号显示在阈值节点列表中。由于数据都存储在后台的数据库中,调用时比较麻烦,为此设计系统时可以选择需要的参数数据导出到Excel表中,供煤矿专家进行研究。

为安全起见,在测试系统的性能过程中,只选取了温湿度传感器,在试验过程中人为地对温湿度传感器进行了加热,试验结果表明:温度变化能够及时地在监测系统中反映出来,系统性能稳定,并能实现对CH4、CO、O2浓度以及空气温湿度的实时监测。煤矿安全监测预警系统查询界面如图3所示。

5 结语

将无线传感器网络应用到煤炭开采环境监测中,具有传统的井下环境监测无法比拟的优势。基于WSN的煤矿安全监测预警系统是以ARM控制器为核心,以无线传感器网络和Internet技术为支撑的集监测、显示、通信和预警等多功能于一体的煤矿环境实时监测预警系统,该系统充分发挥了两种网络的优点,为煤矿井下开采环境的监测提供了一种有效的解决方案,可提高煤矿井下生产的安全性。

摘要：针对煤矿生产环境监测问题,设计了一种基于无线传感器网络的实时煤矿安全监测预警系统,给出了系统的总体结构。该系统以MC13213为无线传感器节点核心,对煤矿井下的CO、O2、CH4气体浓度及矿井空气温湿度进行实时采集和监测;以ARM微处理器S3C44B0X为控制核心,利用以太网将数据传输到井上后台系统,后台系统对数据进行分析并对井下环境进行评价,当有危险情况发生时,系统能提前发出报警信息。试验表明,该系统结构简单、运行稳定,可以准确进行煤矿的安全预警预报工作。

关键词：无线传感器网络,煤矿,安全监测,层次型网络

参考文献

[1]方刚,任小洪,贺映光,等.基于ZigBee的煤矿监测系统[J].仪表技术与传感器,2010(12):41-43.

[2]孙彦景,钱建生,武金磊,等.基于WSN地下无人采煤安全监测系统的研究[J].传感技术学报,2007,20(11):2517-2521.

[3]Park C,Xie Q,Chou P,Shinozuka M,Duranode.WirelessNetworked Sensor for Structural Health Monitoring[C]//IEEE Sensors,2005:277-280.

[4]王殊,阎毓杰,胡富平,等.无线传感器网络的理论及应用[M].北京:北京航空航天大学出版社,2007.

[5]Freescal Semiconductor.The Data Sheet of MC13213[EB/OL].[2009-08-01].http://www.freescal.com.

[6]吴学智,戚玉华,林海涛,等.基于ARM的嵌入式系统设计与开发[M].北京:人民邮电出版社,2007.

[7]鲜晓东,常超,胡颖,等.基于WSN和GSM的室内环境监测预警系统设计[J].传感器与微系统,2011(6):141-144.

煤矿水害预警系统设计 篇7

煤矿水害是我国大部分煤田主要的地质灾害,由于其隐蔽性、随机性,造成的后果往往是灾难性的,严重影响着煤矿的安全生产[1]。而煤层底板水害是我国华北煤田的主要水害类型,如淮北矿业集团的杨庄煤矿、徐州矿务集团有限公司的张集煤矿、义马煤业集团股份有限公司的新安煤矿、河南煤业化工集团永煤公司的陈四楼矿等都发生过大型奥陶系灰岩岩溶突水,造成了巨大的经济损失和人员伤亡。如何充分利用现有计算机技术,建立煤层底板水害信息系统,并进行煤层底板突水预测,为煤矿安全生产提供科学依据,成为众多学者致力研究的问题。目前,煤矿水害预测一般采用传统人工探测方法或者仅对含水层水压进行简单监测等,不能全面有效地对矿井水害进行分析监测。本文设计了一种基于GIS多因素的煤矿水害预警系统,可结合历史经验数据获得研究区的预测结果,为矿井水害预测与评价提供了一种新的方法与技术。

1 系统设计目标和原则

1.1 系统设计目标

煤矿水害预警系统是以煤矿水害地质信息数据管理为研究对象,以煤矿水文地质、工程地质为基础信息,运用地球科学技术和计算机技术[2,3,4],并根据国家统一规范设计的。其设计的具体目标如下:

(1) 对煤矿水害地质信息进行管理,实现数据信息的输入、查询、计算、统计、多因素分析和输出等功能。

(2) 利用GIS平台及计算机技术实现煤矿水害影响因素信息的统一管理和共享。

(3) 利用系统的高速计算与预测技术实现煤矿水害的预测与防治,针对性地对某区域进行水害规律研究及决策分析,以实现煤矿安全高效生产。

1.2 系统设计原则

(1) 数据规范性。

为了使系统预警结果具有较高可信性,系统输入的数据格式要规范,数据结构应清晰,坐标系统应统一,在此原则下,建立一个包括矿山水害各种影响因素的图像、图形等的标准数据库。

(2) 实用与与科学性。

数据库与系统的建立能满足生产单位各个部门对煤矿水害影响因素数据的查询、统计及决策分析要求。系统基于GIS软件平台,预测结果要有较高可信性,以达到预防目的。

2 系统设计

2.1 煤矿水害影响主控因素分析

煤矿水害的发生主要是由于采动破坏导致煤层上覆岩层,导水裂缝带贯穿隔水层,使上覆含水层水溃入矿井,或者由于底板隔水层破坏底部承压含水层水突入矿井等。影响煤矿水害的因素有许多,综合前人研究成果建立主控因素。充水含水层是煤矿水害发生的直接影响因素,主要考虑充水含水层的水压力、富水性以及渗透性。开采区域主要隔水层的稳定性是防治矿井突水的主要因素,主要考虑隔水岩段沉积岩总厚度、隔水岩段岩石物理力学参数、隔水岩段关键隔水层所处的位置。地质构造对煤矿水害也有重要影响,包括断层构造的水力性质、分布密度、规模及其充填发育情况等,褶皱构造的褶皱轴密度、褶皱轴埋深、岩溶陷落柱等。采动破坏是导致煤矿发生水害的主要因素,包括工作面布置情况(如工作面长度、开采高度及深度)、开采方法、开采工艺、煤层倾角,由于采动破坏引起的倒水裂缝带高度等。从上面分析可看出,煤矿发生水害事故,地质构造是关键因素,采动破坏是诱发因素。欲使预测结果有较高可信度,要选择合理的主控因素,以更加全面地对矿井水害进行评价、预测。要充分考虑各个主控因素,所需要的地质数据信息量是巨大的。煤矿水害预警系统是以GIS为软件平台,实现煤矿水害主控因素信息处理及决策支持相关的专题应用型信息系统。该系统从空间地质数据信息的获取、查询和决策分析入手,提供煤矿水害的动态预测分析。

2.2 系统总体结构设计

煤矿水害预警系统主要针对煤矿水文地质部门,利用先进的GIS技术和计算机技术[5],采用统一的数据模式、软件设计标准进行设计,其总体结构如图1所示。系统根据统计的历史数据以及获得的各个因素的实测数据,应用GIS对调取的各因素数据进行处理分析,并结合预测模型和历史经验数据获得预测评价结果。

2.3 系统功能模块设计

煤矿水害预警系统主要功能模块包括数据输入与编辑子系统、信息查询与检索子系统、空间数据可视化显示子系统、水害预测子系统、水害防治预案子系统。

(1) 数据输入与编辑子系统。

该子系统可输入各种类型的数据信息,包括文字、图形等,并将其存储于数据库系统Access 2003中,等待后续计算随时调用。通过建立数据库,方便更新影响煤矿水害的各个因素数据,在煤矿开采中,用户可以随时修改及编辑各类数据,保证预测结果有较高可靠度。

(2) 信息查询与检索子系统。

基于GIS软件开发的MIS(信息管理系统)可准确地查询与定位空间数据,实现空间数据库中各种类型的数据查询,使用户能随时调阅空间数据。

(3) 可视化显示子系统。

该子系统负责显示数据库中的文字、图像以及预测结果评价等,能直观、全面地反映煤矿水害可能发生的区域等。

(4) 水害预测子系统。

该子系统能根据输入的数据,以GIS为基础平台,通过设计好的程序进行多因素综合预测。要提高预测结果的可靠性,需要大量的历史数据作为参考,并根据当前开采数据进行综合预测,预测结果通过可视化系统直观地显示给用户,为用户提供参考。应用GIS软件对各个因素进行量化分析,生成量化信息层,然后结合模型以及历史经验确定各个因素的相互量化关系,即各因素在评价中占的权重,最后对各个信息层进行叠加分析,获得研究区的预测结果。

(5) 水害防治预案子系统。

该子系统根据水害预测子系统的预测结果,调用数据库中历史防治措施,并综合比较多种防治措施,提供几种最优防治方法,供用户选择或作为参考。

3 系统软件设计

煤矿水害预警系统需要存储海量数据,包括矢量图形以及GIS数据文件等,因此,选用Access 2003作为存储数据库,Access 2003也具备和其他格式数据相互转换的功能。本系统软件开发采用VB+Arcgis的开发模式,结合GIS系统工具对其进行二次开发。系统既能利用GIS工具对数据库进行管理分析,又可利用其强大的可视化输出功能对预测结果进行可视化输出,方便用户管理分析。系统软件流程如图2所示。

4 实际应用结果

陈四楼煤矿于1997年开始正式投入生产,该矿面积为72 km2,煤炭储量约为3 亿t,主采煤层为二2煤层,该煤层赋存于二叠系山西组中部,平均厚度约为2.5 m,煤层埋深为300～1 000 m,到目前为止,已经发生6次突水事故。利用煤矿水害预警系统对该煤层的水害进行预测。根据陈四楼煤矿的工程地质条件、水文地质条件以及开采条件,可确定该煤矿的主要水害为煤层底板承压含水层水害,获得该煤矿的影响煤层底板突水的因素如煤层底板抗压强度、断层构造、承压含水层水压等资料,并输入系统。根据系统中的历史数据,先建立基于熵权的数学模型,以GIS为软件平台对每个因素进行分析,获得单因素专题图,应用GIS的空间分析功能对其进行多因素空间加权叠加评价分析,并根据大量历史经验数据对预测结果进行修正,最后获得陈四楼煤矿发生水害的多因素预测结果,如图3所示。该结果与实际地质条件相符合。区域1由于地质、开采条件比较好,受到采动破坏不会发生突水灾害,而在其他区域,特别是区域6,由于断层构造较复杂、开采过程中底板破坏严重、水压较高等原因,通过多因素分析,并根据历史经验数据判断,该区域在开采过程中可能会发生突水灾害,应该采用疏水降压、注浆等措施,防治突水灾害的发生。

5 结语

根据煤矿水害具有复杂性与突发性等特征设计的煤矿水害预警系统,以煤矿水害地质信息数据管理为研究对象,充分利用GIS强大的空间分析处理功能对煤矿水害影响因素信息进行分析与评价,结合历史经验数据可获得研究区的预测结果。实际应用表明,系统预测结果可靠,实现了煤矿水害的预警,降低了煤矿水害造成的损失,为煤矿水害预测提供了科学的决策依据。

参考文献

[1]左人宇,龚晓南,桂和荣.多因素影响下煤层底板变形破坏规律研究[J].东北煤炭技术,1999(5):3-7.

[2]李家祥.原岩应力与煤层底板隔水层阻水能力的关系[J].煤田地质与勘探,2000,28(4):47-49.

[3]彭苏萍.深部煤炭资源赋存规律与开发地质评价研究现状及今后发展趋势[J].煤,2008,17(2):100-111.

[4]缪协兴,浦海,白海波.隔水关键层原理及其在保水采煤中的应用研究[J].中国矿业大学学报,2008,37(1):1-4.

煤矿瓦斯异动预警系统的设计 篇8

近年来, 我国煤矿大多配备了安全监控系统, 实现了瓦斯超限报警和断电控制, 为保障煤矿安全发挥了重要作用。但是目前的安全监控系统没有分析瓦斯变化趋势的功能, 当瓦斯浓度处于较低水平时, 即使瓦斯有异常变化, 系统也无法及时提醒, 也就不易引起值班人员的注意[1,2]。本文提出一种瓦斯异动预警系统设计方案, 在安全监控系统监测数据的基础上, 对危险源的变化过程建立科学的数学模型, 并对环境参数的变化进行动态分析和评价, 实现了对瓦斯异常变化的提前预警, 为安全监管部门在第一时间掌握矿井安全情况, 及时采取避灾、减灾措施提供了安全有效的手段。

1 系统原理及结构

1.1 系统原理

瓦斯异动预警系统主要利用接入的安全监控系统和综合自动化系统的数据对某一地点 (测点) 的瓦斯或其它环境参数的异动情况进行分析。在剔除主观因素的前提下, 根据概率统计领域的广泛学科理论, 对已接入测点进行自动分类监测;根据已接入测点的设置和一段时间内的历史数据, 结合矿井实际通风状况, 采用特定算法模型计算测点的预警参考值;根据该参考值对测点的实时值进行处理, 得到测点的预警状态, 并通过消息客户端、短信等多种方式进行展现, 实现对瓦斯灾害的有效预防。

瓦斯异动预警系统可基于安全监控系统独立运行, 也可以配套综合自动化系统、安全监控系统联网程序使用。

1.2 系统结构

瓦斯异动预警系统结构如图1所示。

数据接入模块将安全监控系统、综合自动化系统中的环境监测数据集成到瓦斯异动预警系统中, 为瓦斯异动预警系统提供基础数据;预警配置主要提供系统参数配置功能, 包括系统运行参数、测点预警配置等;预警处理模块根据系统配置对接入测点的数据进行计算和处理, 得出每个测点的预警状态, 并对相关结果进行发布和存储;消息处理模块负责将预警信息组织成消息进行发布和预警提示;瓦斯异动预警Web系统通过Web方式提供预警信息查询功能, 主要包括预警实时数据的查看, 预警记录的查询, 预警值曲线以及预警历史的查询、统计等。

2 系统设计

本文主要介绍数据接入服务、预警计算模型及消息处理模块的设计。

2.1 数据接入服务

安全监控系统及综合自动化系统的数据采用文件方式和OPC方式接入, 通过传感器配置描述文件进行测点更新, 数据接入原理如图2所示。

ReadDevProc程序负责解析和更新测点定义;FileClient程序负责处理以文件方式接入的系统, 进行实时数据的更新;OPCClient程序负责处理以OPC方式接入的系统, 进行实时数据的更新;DataProc程序和DataSaveProc程序分别负责数据的处理和保存。

2.2 预警计算模型

目前, 瓦斯异动预警系统中集成了3种预警计算模型:固定门限模型、均方差预警模型和分时均方差模型。在实际应用中, 可以选择一种模型进行处理, 也可以同时选择多个模型进行处理。在建立模型时, 需考虑持续时间和预警底限两个因素。持续时间是指测点值持续不间断高于测点预警值的时间。预警底限是一个指定的值, 只有当测点值高于预警底限时系统才会预警;当测点值低于预警底限时, 系统不对通过模型计算出来的预警进行处理。

2.2.1 固定门限模型

固定门限模型主要是基于《煤矿安全规程》, 由通风和安全部门的专业人士根据经验为每个测点指定固定的门限值。当测点值达到该门限值并满足持续时间和预警底限的条件时, 系统发出预警。

2.2.2 均方差预警模型

正态分布是概率论中最重要的一种分布, 在数学、物理及工程等领域有着非常广泛的应用。当生产过程中只有偶然原因起作用时, 检测数据的分布服从正态分布规律。样本数据的均方差σ主要反映符合正态分布的离散数据的离散程度:

undefined

式中:x1, x2, …xn为测点x的评价样本, 一般根据历史数据的存储特点, 取最近一段时间内 (默认为最近30 d) 的历史数据, 并随时更新;undefined为样本数据的平均值;n为样本个数。

根据正态分布性质, 检测数据落在±3σ范围内的概率约为99.7%;落在±3σ以外的概率只有0.3%, 这是一个小概率。按照小概率事件原理, 在一次实践中超出±3σ范围的小概率事件几乎是不会发生的, 如果发生了, 则说明生产过程中一定有系统原因在起作用[3]。基于这个理论, 构造瓦斯预警值计算公式:

undefined

式中:k为预警参数值, 按照3σ定律, k默认值为3, 一般建议设置为2.5～3。

系统根据瓦斯预警值的计算公式实时地计算出测点的预警值, 并将其更新到系统配置中, 作为瓦斯预警状态的评价基础。当实际测点值达到该预警值, 并满足持续时间和预警底限的条件时, 系统发出预警。该模型可以应用于瓦斯及其它模拟量。

2.2.3 分时均方差模型

在实际应用中, 一天当中的瓦斯浓度可能随生产过程的变化而变化, 一般生产班次比检修班次时浓度要高。为使预警模型更科学、合理, 考虑瓦斯分布的这种规律, 分时均方差模型在均方差预警模型的基础上进行了改进, 将一天划分为多个时段来处理, 每个时段使用独立的预警参考值。该模型可以更好地适应实际情况。

2.3 消息处理模块

消息处理模块根据需要将预警信息发送到相关管理人员的消息客户端或手机终端上, 使管理人员第一时间获取环境参数的异常变化情况, 以便及时采取相应措施, 从而提高煤矿应急处理速度。

3 系统主要功能

(1) 能够对矿井各类环境监测数据 (模拟量) 的异动情况进行分析和评价, 实现提前预警功能, 并可通过消息客户端、手机短消息等方式进行提醒, 使管理人员能够尽早掌握矿井环境参数的变化情况, 以便在紧急情况下及时采取措施, 将安全隐患消除在萌芽状态。

(2) 采用了自动跟踪安全监控系统配置变化的机制。当安全监控系统的配置发生改变时, 预警系统的配置会自动作出相应改变, 保证与安全监控系统的配置相对一致, 从而保证了数据的正确性, 减少了系统维护人员的工作量。

(3) 可以针对单个测点或一组测点预设固定的预警值、预警值增量及预警参数, 当监测数据达到预警条件时进行预警提示。

(4) 采用通信中间件技术和AJAX技术实现实时通信和Web动态数据显示, 可实时浏览环境监测数据的趋势及变化情况, 并根据需要生成相应的瓦斯预警分析报表, 为日常安全管理提供参考依据。

(5) 可以将井下环境参数的历史数据、预警参数值等以曲线形式反映出来, 直观展示矿井不同地点的瓦斯浓度波动规律, 判断瓦斯测定当前值所反映的矿井瓦斯安全水平, 方便日常分析、决策。

(6) 具有语音及页面闪烁报警功能。

4 结语

瓦斯的提前预警具有重大意义, 它虽然不能抑制瓦斯突出的发生[5], 但可以对瓦斯的异常变化做到尽早预警, 以便及时采取措施避灾、减灾, 降低瓦斯事故发生的可能性。瓦斯异动预警系统能够对煤矿井下瓦斯的异动情况提前预警, 并通过消息客户端、短信等多种方式发布预警信息, 实现了对瓦斯灾害的有效预防, 为保证井下作业人员的安全提供了参考依据。该系统目前已配套煤矿安全监控系统、矿井综合自动化系统在多个煤矿使用, 在监测井下环境参数异常变化的过程中发挥了较大作用, 实际使用效果良好。

摘要：针对煤矿安全监控系统因无瓦斯变化趋势分析功能, 当瓦斯浓度处于较低水平时, 即使瓦斯有异常变化也无法及时提醒的问题, 设计了一种煤矿瓦斯异动预警系统。该系统采用文件方式和OPC方式接入安全监控系统及综合自动化系统的监测数据;结合矿井实际通风状况, 采用固定门限模型、均方差预警模型和分时均方差模型等三种预警模型计算得出测点的预警参考值及预警状态;通过消息客户端、短信等多种方式发布预警信息。实际应用表明, 该系统实现了对瓦斯灾害的有效预防, 为保证井下作业人员的安全提供了参考依据。

关键词：煤矿,安全监控系统,瓦斯异动,预警

参考文献

[1]刘西青.论国内煤矿瓦斯监测监控系统现状与发展[J].山西焦煤科技, 2006 (3) :37-40.

[2]王凯, 李玉军, 宁浩.煤矿安全综合预警系统的构想[J].煤矿安全, 2008 (11) :103-105.

[4]林传兵, 林柏泉, 吴海进.控制图在工作面瓦斯治理措施有效性评价中的应用[J].煤矿安全, 2007, 26 (9) :26-28.

[5]淮南矿业.淮南矿业瓦斯异常预警系统发挥作用[EB/OL]. (2010-12-24) [2011-07-13].http://www.chinacoal.gov.cn/coal mkaq/277/18483.aspx.

煤矿安全预警 篇9

随着煤矿开采强度不断增大,开采逐步向深部转移,巷道掘进压力显现越来越剧烈,尤其是掘进工作面前50 m左右,压力变化大,两帮易变形,极易发生顶板垮落[1]。在地质条件复杂的区域,顶板垮落发生范围一般较大,危害严重。因此,实现巷道围岩压力监测对保障煤矿安全生产具有重要意义。

现有的煤矿掘进巷道灾害监测技术仍存在不足: 巷道表面位移、巷道深部位移和锚杆应力等数据大多由人工采集,工作量大,效率低,而且缺乏系统、有针对性的研究; 因开采条件具有特殊性,特别是对于掘进工作面,传感器布线困难,难以有效监测并分析围岩稳定性,且监测技术的预警能力弱。针对该问题,本文采用无线传感器技术,设计了一种施工简便、布线快捷、预警准确性高的煤矿掘进巷道围岩压力在线监测预警系统,对掘进巷道的稳定性和安全性进行实时监测及预警预报。

1系统组成及通信模式

1.1系统组成

煤矿掘进巷道围岩压力在线监测预警系统分为井上、井下两部分,由监测主机、数据服务器、监测软件、矿用隔爆兼本质安全型网络交换机、数据传输接口、通信主站、监测分站、无线网关、应力传感器、顶板离层传感器、声发射传感器等组成,如图1所示。 系统基于井下工业以太环网,采用CAN总线多主通信方式,传感器可以挂接到监测分站上,也可以挂接到CAN总线上,使系统布线更加灵活,节点更加智能[2]。该系统可与矿局域网、所属集团广域网实现互联互通。

1.2系统通信模式

为提高总线数据传输效率,缩短异地断电时间, 提高组网灵活性及整个系统的可靠性,系统采用CAN总线多主通信方式。通过合理安排消息优先级,设置报文标志符ID,使CAN总线实现多主通信,采用“载波监测,多主掌控/冲突避免”的通信模式解决多个节点同时访问总线时产生的竞争机制[3,4]。监测分站与 数据传输 接口通信 速率为5 kbit / s,最大传输距离达2 km; 当传感器输出采用无线方式时,发射信号中心频率为2. 4 ~2. 483 GHz,无线网关与传感器无障碍通信距离可达200 m。

2系统工作原理及相关技术

2.1系统工作原理

系统以计算机网络为基础,同时可与井下CAN总线通信电缆、通信光缆、工业以太环网进行数据交换。系统监测分站容量为32台,分站带载最大传感器数量为36台,可实时采集巷道掘进工作面顶板离层、声发射、顶板应力等参数,并将采集数据保存到监控中心数据库,通过上位机进行实时显示及预警。

系统具有较好的延展性,可以选择监测顶板离层传感器、声发射传感器或应力传感器中的1种或多种,还可接入符合通信协议的其他类型传感器,如支架压力传感器、超前应力传感器等,从而满足煤矿用户的特殊需求。

监测分站实时采集矿井环境参数,如顶板位移、 锚杆( 索) 应力等。当通信中断时,监测分站可独立工作。当交流电断电时,监测分站可持续工作2 h以上,并且保存相应数据,具有声光报警功能。

无线网关是系统的信号转换设备,采用Zig Bee技术将井下无线传感器监测的各种数据接入井下监测分站,进而实时上传到井上监控中心,为井上、井下信息交换提供平台[5]。

无线传感器集成了数据路由功能,实现了自组网通信,有效降低了传感器布线及安装的难度。无线网关可根据无线传感器的安装位置,动态生成新的数据传输网络拓扑线路,传感器可与之最近的传感器进行无线自动组网及通信。

无线传感器进行自组网通信时,除常规的电源箱供电方式外,还设计了应急状态下的自供电电路, 采用具有保护功能的本质安全型电池组供电,如图2所示,在常规供电间断时,保证无线自组网通信的正常进行。

2.2无线传感器自组网技术

无线传感器自组网的核心是路由算法。基本路由算法包括Cluster - Tree和AODV算法。ZBR路由算法既具有AODV算法的路由寻优能力,又具有Cluster - Tree算法的无初始延迟优点,显著提高了网络路由的性能[6]。

传统ZBR路由算法将网络节点分为RN + , RN - ,RFD 3类。RN + 节点具备AODV算法的存储能力; RN - 节点的存储空间受限,执行Cluster Tree算法进行路由处理; RFD为终端节点。当RN + 节点需要对网络中的某个节点发送分组时,若不存在通往目的节点的路由,则按照AODV算法进行路由发起发现过程,发出路由消息( RREQ) 。ZBR路由算法组网过程如图3所示。

改进的ZBR路由算法将所有节点设置为2种状态。在预先设定的正常组网状态下,节点均为RN - 状态,按照Cluster - Tree算法进行路由处理。 当某一节点按照Cluster - Tree算法无法与子节点通信时,该节点转换为RN + 节点,按照AODV算法进行RREQ广播,与新的子节点建立通信,组成新的通信拓扑网络。该方式不但能提高无线传感器网络的可扩展性,还能有效减小无线传感器的能量消耗, 进而延长待机时间。在煤矿井下实际环境中,建立如图4所示的网络结构。系统正常工作时,节点4无法连接到无线网关,按照Cluster - Tree算法与最近的节点3通信,节点3按照Cluster - Tres算法与节点2通信,最终将数据传输至无线网关; 节点3发生故障时,节点4按照AODV算法重新组网,与节点2通信,无线网络结构发生重组,生成了新的通信拓扑网络。

3系统软件设计

3.1系统软件功能组成

系统监测主机软件基于. Net3. 5平台开发,采用B / S和C / S相结合的方式。系统功能模块如图5所示。

( 1) 系统信息设置模块。该模块包括掘进巷道编号、断面形状、支护形式、巷道净宽、巷道净高、应力测线数、位移测线数等,以及监测主机、监测分站和传感器的地址编号、类型、位置、测线编号等。该模块可设定单个传感器报警限值及多参量综合预警流程。

( 2) 数据采集存储模块。该模块基于VC开发,通过传输接口向井下监测分站发送命令,使用I / O完成端口模型对数据服务线程进行管理,提高了数据并发处理能力。采集的数据报文经过校验和解析,采用变值变态算法保存到数据库中,可减少50% 以上的数据存储空间。

( 3) 数据双机热备份模块。为了保证数据的安全,采用基于纯软件的双机热备份系统,如图6所示。A,B两机通过socket接口通信,采用心跳包状态交换技术实现A,B机的切换。当A机处于工作状态时,A机与井下监测分站通信,B机处于休眠状态,A机将接收到的数据保存到本地的同时,定时向B机发送一份数据 ,B机将该数据保存到本地数据库,实现A,B机数据动态一致。当A机发生故障时,B机自动唤醒并接管通信工作,保证系统正常运行。

( 4) 实时数据显示模块。不同掘进工作面的传感器数据可通过曲线图、柱状图和列表等方式进行动态显示,并通过颜色的变化显示通信状态和报警级别。

( 5) 历史数据显示及报表显示打印模块。该模块可通过曲线图、列表方式进行原始数据、日报表、 月报表、报警统计、自定义等各种类型报表的查询及打印。

( 6) 数据分析预警模块。为了对采集数据的准确性进行判断,采用均方差分析方法将复杂的原始数据进一 步处理后,得出巷道 顶板受力 连续曲线[7]。例如当顶板应力高于平均值且小于1倍均方差时为受力较高,高于2倍均方差时定义为异常数据。采用直方图分析法进行巷道应力分析,绘制某时间段内顶板应力 - 时间百分比柱状图,作为评估巷道支护质量的依据。

3.2多参量综合预警模型

巷道围岩状态监测主要包括巷道围岩位移、锚杆( 索) 应力、声发射信号等,传统的预警方式为每一个监测参量设定预警阈值上下限,当监测值达到该限值时发出声光报警。该方法很难解决系统误报、漏报等问题。为了最大限度地提高报警的准确性,需要对报警数据进行多个参量的关联分析。

当巷道受力发生变化时,往往是所监测的多个参量同时发生变化的过程,例如当巷道顶板来压增大时,顶板应力会相应增加,巷道发生变形。随着煤岩受到挤压破裂,会探测到相应的声发射信号等,而巷道的变形和围岩的破裂又会释放掉一部分聚集的能量[8]。巷道围岩监测的多参量综合预警流程如图7所示。系统软件采用监测值的增量或增速来分析判断异常情况的发生,监测值的增量或增速视煤矿实际情况及经验而定。通过3个参数的综合增量变化,按照预设的判断流程来确定是否发出预警。

4结语