一种矿井通风系统分区稳定式动态监测与预警系统

1.一种矿井通风系统分区稳定式动态监测与预警系统，其特征在于，包含井下信息采集系统、信息管理分析系统、报警系统；其中：
所述井下信息采集系统包括有智能传感器和可编程控制器；
所述信息管理分析系统包括主机和安装在主机上的控制程序；
所述报警系统包括井上报警器和井下报警器；
所述井下信息采集系统用于检测各测点位置的风流参数，并通过一条公共传输线路将测量数据发送给控制器，再由该控制器通过另一条公共传输线路通过交换机远传至地面信息管理分析系统；
所述信息管理分析系统由设置在地面上的多台主机组成，各台主机上均分别安装有控制程序并相互联成一局域网；
所述信息管理分析系统的控制程序采用基于VC10.0++的模块化编程设计，其包含七个模块，其中，两个为辅助模块，另五个为功能模块；
所述辅助模块分别为用户信息管理模块和静态信息输入模块；
所述功能模块分别为通风网络解算模块、动态数据监测模块、管理报表模块、曲线图形生成模块、风机在线监测模块；
所述用户信息管理模块将系统账户分为超级管理员、管理员、操作人员三级账户；其中，超级管理员可以使用系统中的所有功能，管理员可以使用除了用户信息管理模块以外的所有功能，操作人员仅可使用通风网络解算、管理报表、曲线生成模块；超级管理员可以对所有类型的用户进行操作，管理员只能对管理员和操作人员类型的用户进行操作；
所述静态信息输入模块包括各监测测点的基本信息输入，以及监测测点的添加、修改、删除测点或重置四个部分；其中，每个测点的输入信息包括：测点编号、测点名称、测点位置、通风断面、井下分站编号、测点类型、应供风量、断面全宽、断面拱高；
所述各监测测点的基本信息输入操作为：点击添加测点按钮、自动记录当前输入测点数据，如果有数据输入不全，则提示用户信息输入不全，需要继续添加数据，直至信息完整，数据才会保存，信息无误自动记录后，测点编号自动向下计数，其他数据输入框的内容自动清除，等待用户输入信息，如此循环往下进行，直至添加所有信息完成；在监测过程中，还可以依据现场实际情况进行数据修改；
所述数据修改的方法为，在测点编号位置选择要修改的测点编号，在相对的信息输入框中将原信息删除并重新输入新数据，点击修改测点，则测点的基本信息得到修改；在输入传感器编号时，会自动查找系统中的传感器信息，发送信息给井下传感器，确保信息反馈无误；所述动态监测数据模块自动收集井下信息采集系统监测分站的风流参数信息，点击相应测点编号，右侧图形会自动绘制出当前测点的风压、风速、温度曲线图，并在右上侧窗口处自动显示参数瞬时值；其中，瞬时数据每5秒监测一次，如果监测参数瞬时值超过预警值并持续5秒时间则分别自动控制地面报警器和井下对应测点报警器进行报警；
所述网络解算模块采用斯考德–恒斯雷法，输入风机工况点信息、通风网络各分支风阻，在自然风压条件下求解各分支的风量；
所述信息管理分析系统设置有预警值，当其完成对所述井下信息采集装置信息汇总处理后，根据情况，适时启动所述报警系统进行地面预警或报警，并启动安装在井下对应位置的报警器进行报警。
2.根据权利要求1所述的矿井通风系统分区稳定式动态监测与预警系统，其特征在于，所述井下信息采集系统包括有智能传感器，所述智能传感器包括风压传感器、风速传感器、温度传感器；
所述智能传感器与所述井下采集信息系统之间通过M-BUS总线连接；
所述井下信息采集系统通过RS-485总线连接至所述信息管理分析系统。
3.根据权利要求1所述的矿井通风系统分区稳定式动态监测与预警系统，其特征在于，所述信息管理分析系统一方面巡回监测井下信息采集系统，对测量数据进行集中计算、处理、存储，另一方面随时响应来自局域网的服务请求，若收到的是超级管理员对系统的设置要求，则根据该要求对监测分站或智能传感器进行相应设置。
4.根据权利要求1所述的矿井通风系统分区稳定式动态监测与预警系统，其特征在于，所述智能传感器的安装位置是依次按照如下步骤进行选取的：
步骤一，绘制矿井通风网络图，将矿井通风系统分为系统层、传输层、用风点三级逻辑层，并去除掉井下的一些用风量小的次要用风地点，将矿井通风系统划分为若干个独立的区域；
步骤二，将上述每一个独立的区域之间相互联系在一起的关联巷道、典型采掘工作面、主通风机所在分支，作为关键分支，然后对各独立区域范围内部的巷道进行分级，基于矿井通风系统灵敏度矩阵方程分析结果，确定出各分支的被影响度，将区域范围内被影响度最大的分支作为辅助关键分支；
步骤三，在井下各关键分支和各辅助关键分支测点建立监测分站，并分别安装风速传感器、温度传感器、风压传感器和报警器。
5.根据权利要求2所述的矿井通风系统分区稳定式动态监测与预警系统，其特征在于，所述风压传感器为美国SMI公司的全温度补偿OEM压力传感器；所述风速传感器为KGF3型风速传感器；所述温度传感器为美国DALLS公司的数字温度计DS18B20。

一种矿井通风系统分区稳定式动态监测与预警系统\n技术领域\n[0001] 本发明涉及一种矿井通风动态监测与预警系统，尤其涉及一种矿井通风系统分区稳定式动态监测与预警系统，属于煤矿通风安全领域。\n背景技术\n[0002] 矿井通风系统安全稳定是进行井下安全生产工作的前提，由于井下通排风始终处于动态变化的过程中，布局合理、抗干扰能力强的井下通风网络的建立，并通过对矿井通风网络进行实时的监测和适时调节以确保安全生产，其重要性不言而喻。从发生在煤矿上的通防灾变事故统计研究可以看出，煤矿灾变往往以系统的某一局部为源点、由相互关联的多种影响因素的异常发展及互动作用所促成。对事故统计的分析进一步显示，煤矿的某些区域往往汇集了比其它区域更多、更为突出的致灾因素，而且致灾因素在矿井正常生产过程中有更多的相互影响的渠道和机会，因而存在更大的安全风险和致灾可能。在这些区域内，各生产因素及致灾因素之间的关联表现出错综复杂的特征，这些致灾因素分属于不同的系统，其相互耦合似属偶然，却又孕育着致灾的必然，并首先体现在矿井通风系统中。通风系统灾变事故的特点就是灾变的影响范围大、后果严重；灾变影响范围不确定，灾变发生后，邻近区域可能未有影响，距离几公里外的其他采区反而受影响。\n[0003] 现有的安全监测监控系统，已经暴露出了技术和管理上的不足，主要表现在现有安全监测系统监测测点布置混乱冗余、可靠性较难保证，系统不开放、扩展能力较差，较难维护，缺乏统一的管理平台。\n发明内容\n[0004] 本发明的目的在于提供一种矿井通风系统分区稳定式动态监测与预警系统，该系统可依据矿井灾变规律区域性规律，通过对整个通风系统进行分区式监测和预警，以保障矿井通风系统安全稳定运行。\n[0005] 本发明为实现上述目的需要解决的技术问题是，如何合理进行井下区域性的监测布局，从矿井通风系统整体性出发，以较少的监测测点，保证矿井通风系统安全稳定运行，以解决现有矿井安全监测系统监测测点布置复杂、扩展能力不强、数据库不统一、可靠性低的技术问题。\n[0006] 本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是，一种矿井通风系统分区稳定式动态监测与预警系统，其特征在于，包含井下信息采集系统、信息管理分析系统、报警系统；\n其中：\n[0007] 所述井下信息采集系统包括有智能传感器和可编程控制器；所述信息管理分析系统包括控制程序和主机；\n[0008] 所述报警系统包括井上报警器和井下报警器两部分；\n[0009] 所述井下信息采集系统用于检测各测点位置的风流参数，并通过一条公共传输线路将测量数据发送给控制器，再由控制器通过另一条公共传输线路通过交换机远传至地面信息管理分析系统；\n[0010] 所述信息管理分析系统由设置在地面上的多台主机组成，各主机均分别安装有控制程序并相互联成一局域网；\n[0011] 所述信息管理分析系统的控制程序采用基于VC10.0++的模块化编程设计，其包含七个模块，其中，两个为辅助模块，另五个为功能模块；\n[0012] 所述辅助模块分别为用户信息管理模块和静态信息输入模块；\n[0013] 所述功能模块分别为通风网络解算模块、动态数据监测模块、管理报表模块、曲线图形生成模块、风机在线监测模块；\n[0014] 所述用户信息管理模块将系统账户分为超级管理员、管理员、操作人员三级账户；\n其中，超级管理员可以使用系统中的所有功能，管理员可以使用除了用户信息管理模块以外的所有功能，操作人员仅可使用通风网络解算、管理报表、曲线生成模块；超级管理员可以对所有类型的用户进行操作，管理员只能对管理员和操作人员类型的用户进行操作；\n[0015] 所述静态信息输入模块包括各监测测点的基本信息输入，以及监测测点的添加、修改、删除测点或重置四个部分；其中，每个测点的输入信息包括：测点编号、测点名称、测点位置、通风断面、井下分站编号、测点类型、应供风量、断面全宽、断面拱高；\n[0016] 所述各监测测点的基本信息输入操作为：点击添加测点按钮、自动记录当前输入测点数据，如果有数据输入不全，则提示用户信息输入不全，需要继续添加数据，直至信息完整，数据才会保存，信息无误自动记录后，测点编号自动向下计数，其他数据输入框的内容自动清除，等待用户输入信息，如此循环往下进行，直至添加所有信息完成；在监测过程中，还可以依据现场实际情况进行数据修改；\n[0017] 所述数据修改的方法为，在测点编号位置选择要修改的测点编号，在相对的信息输入框中将原信息删除并重新输入新数据，点击修改测点，则测点的基本信息得到修改；在输入传感器编号时，会自动查找系统中的传感器信息，发送信息给井下传感器，确保信息反馈无误；所述动态监测数据模块自动收集井下信息采集系统监测分站的风流参数信息，点击相应测点编号，右侧图形会自动绘制出当前测点的风压、风速、温度曲线图，并在右上侧窗口处自动显示参数瞬时值；其中，瞬时数据每5秒监测一次，如果监测参数瞬时值超过预警值并持续5秒时间则分别自动控制地面报警器和井下对应测点报警器进行报警；\n[0018] 所述网络解算模块采用斯考德–恒斯雷法，输入风机工况点信息、通风网络各分支风阻，在自然风压条件下求解各分支的风量；\n[0019] 所述信息管理分析系统设置有预警值，当其完成对所述井下信息采集装置信息汇总处理后，根据情况，适时启动所述报警系统进行地面预警或报警，并启动安装在井下对应位置的报警器进行报警。\n[0020] 作为优选，上述井下信息采集系统包括有智能传感器，所述智能传感器包括风压传感器、风速传感器、温度传感器；\n[0021] 所述智能传感器与所述井下采集信息系统之间通过M-BUS总线连接；\n[0022] 所述井下信息采集系统通过RS-485总线连接至所述信息管理分析系统。\n[0023] 进一步优选，上述智能传感器的安装位置是依次按照如下步骤进行选取的：\n[0024] 步骤一，绘制矿井通风网络图，将矿井通风系统分为系统层、传输层、用风点三级逻辑层，并去除掉井下的一些用风量小的次要用风地点，将矿井通风系统划分为若干个独立的区域；\n[0025] 步骤二，将上述每一个独立的区域之间相互联系在一起的关联巷道、典型采掘工作面、主通风机所在分支，作为关键分支，然后对各区域范围内部的巷道进行分级，基于矿井通风系统灵敏度矩阵方程分析，确定出各分支的被影响度，将区域范围内被影响度最大的分支作为辅助关键分支；\n[0026] 步骤三，在井下各关键分支和各辅助关键分支测点作为监测分站，并分别安装风速传感器、温度传感器、风压传感器和报警器。\n[0027] 进一步优选，上述风压传感器为美国SMI公司的全温度补偿OEM压力传感器，所述风速传感器为KGF3型风速传感器，所述温度传感器为美国DALLS公司的数字温度计DS18B20。\n[0028] 上述技术方案的动态监测与预警系统，其核心技术思想是，从矿井通风系统整体性出发，绘制矿井通风系统网络图，将矿井通风系统分为系统层、传输层、用风点三级逻辑层，系统层是矿井的主要进、回风巷道，传输层是通风分区中间分支，用风点为典型的回采、掘进工作面，对矿井通风系统进行约简，去除辅助巷道和次要用风地点。然后进一步将矿井通风系统上述三种逻辑层分支分为三大类，第一大类，影响整个矿井通风状态的网络分支；\n第二大类，影响整个中段通风分布的网络分支；第三大类，可能存在反风情况的分支，以典型采、掘工作面为基础，将矿井通风系统进行区域性的划分。\n[0029] 将得到的各区域作为独立的单元，首先分析单元间的关联巷道位置和名称，将之作为关键分支，然后对各区域范围内部的巷道进行分级管理，从矿井通风系统灵敏度矩阵方程分析，得到矿井区域通风系统稳定性分析模型，确定各分支的被影响度，将区域范围内被影响度最大一、两条分支作为辅助关键分支。矿井主通风机分支作为矿井通风动力的“心脏”，也被加入到关键分支中。\n[0030] (一)、通风系统分支管理中，灵敏度大小分析具体计算方法如下：在一个具有m条巷道的通风系统中，风量、风压灵敏度共有m×m个，分支灵敏度矩阵方程为：\n[0031] \n[0032] \n[0033] (5)式和(6)中，\n[0034] D：风量敏感度，\n[0035] E：风压敏感度，\n[0036] δij：分支i的风量对分支j风阻变化的敏感度，\n[0037] εij：分支i的风压对分支j风阻的敏感度，\n[0038] m：通风网络中的分支数\n[0039] (二)、在灵敏度矩阵D中，令行的极差为：\n[0040] Wx＝(wxi)m×l (7)\n[0041] (7)式中：wxi＝max{di1，di2，…，dim}-min{di1，di2，…，dim}，主要反映通风网络中每条分支风流受到整个网络风阻变化的影响而改变的难易程度范围。\n[0042] 在上述得到的关键分支关键测点为对应的井下风速传感器、温度传感器、风压传感器的安装位置。\n[0043] 考虑到温度在矿井下同一地点的变化幅度不大，其对矿井通风网络的影响相对较小，所以，重点考虑安设风速、风压传感器，只在温度变化幅度较大的地方才安设温度传感器。\n[0044] 对矿井通风系统主要监测点风流参数进行现场测定，利用数据分析软件MATLAB对数据进行拟合，得到矿井风流参数符合正态分布，综合正态分布的3σ原则和《煤矿安全规程》中的规定确定预警指标值，当关键分支传感器监测值超过预警值时，地面系统报警，并控制相应的井下调风设施工作，维持整个通风系统的稳定。辅助监测分支作为辅助测点，不参与预警，但在预警信息发出后，监测值可以作为辅助信息，便于工作人员迅速查找不稳定事件(例如灾变)的原因和位置。\n[0045] 上述动态监测与预警系统中，以Visual C++10.0作为系统开发的主语言，采用面向对象的设计方法，进行程序的编码开发。\n[0046] 采用数据库的方式来存储矿井通风网络数据及计算结果，选用数据库采用Excel文件格式。\n[0047] 程序共有七个模块，两个辅助模块和五个功能模块。辅助模块包括用户信息管理模块、静态信息输入模块，五个功能模块包括通风网络解算模块、动态数据监测模块、管理报告模块、曲线图形生成模块、风机在线监测模块。\n[0048] 本发明相对于现有技术具有以下有益效果：\n[0049] 本发明的控制点的选择是建立在对矿井通风网络图进行充分约简的基础上，通过去除辅助分支和次要巷道，并保留了完整的通风系统关键信息，在不改变原有通风系统性质的前提下，进行分区管理与监控，其控制过程简洁、实用、安全、可靠，整个控制系统投资省、可操作性强。\n附图说明\n[0050] 图1为矿井通风系统稳定性分区式动态监测预警系统组成图；\n[0051] 图2为关键分支的选择方法示意图；\n[0052] 图3为MATLAB数据拟合结果图；\n[0053] 图4为关键分支选择方法程序示意图。\n具体实施方式\n[0054] 现结合附图和实施例对本发明进行详细说明。\n[0055] 如图1所示，本发明将矿井通风系统分为若干个安全分区，各安全分区之间由关联巷道连接，每个安全分区内部包含若干了安全关注点，局部安全关注点的局部通风分析和安全巷道的全局安全分析构成对整个通风系统的监测控制。\n[0056] 该监控系统是依次按以下步骤实现的：\n[0057] 步骤一，从矿井通风系统整体性出发，对矿井通风系统分支风阻进行测定，绘制矿井通风系统网络图，将矿井通风系统分为系统层、传输层、用风点三级逻辑层，系统层是矿井的主要进、回风巷道，传输层是通风分区的中间分支，用风地点为典型的回采、掘进工作面。将分支风阻信息、风机工况点信息、自然风压信息导输入信息管理分析系统中的控制程序进行网络解算，这样就可以得到各分支的分配风量，以网络解算结果为基础，去除辅助巷道和次要用风地点，对通风网络分支和节点进行重新编号。然后进一步，将矿井通风系统上述三种逻辑层分支分为三大类，第一大类，影响整个矿井通风状态的网络分支；第二大类，影响整个中段通风分布的网络分支；第三大类，可能存在反风情况的分支，将矿井通风系统网络图约简。以采掘工作面为基础，将矿井通风系统进行区域划分，每个划分的区域作为一个安全分区，安全分区内外的风流在共同动力作用下流动于全系统，每个区域都有确定的边界条件。\n[0058] 步骤二，关键分支选取：关键分支的选取流程见图2，将步骤一中得到的各区域作为独立的单元，将分区域间关联巷道、主通风机所在分支、典型的采掘工作面作为关键分支，然后对区域内部分支灵敏度矩阵方程分析，得到矿井区域通风系统稳定性分析模型，确定各分支的被影响度，将区域范围内被影响度最大一、两条分支作为辅助关键分支。\n[0059] 步骤三，从矿井风压出发，辅助温度和风速，建立矿井通风系统在线监测的技术方案，至此获得了监测的关键分支和监测参数。在井下对应监测点安设风速传感器、温度传感器、风压传感器，进一步，因温度在矿井下同一地点的变化幅度不大，相对来说对矿井通风网络解算的影响较小，所以，可以重点考虑安设风速、风压传感器，只在温度变化幅度较大的地方才安设温度传感器。\n[0060] 对矿井通风系统主要监测点风流参数进行现场测定，得到频数分布图，利用数据分析软件MATLAB对数据进行拟合，综合正态分布的3σ原则和《煤矿安全规程》中的规定确定预警指标值，结合实例实际，确定预警指标值，以风流风速为例，频数分布直方图如图3所示、MATLAB数据拟合结果如图4所示，煤矿安全规程规定如表1所示，则风流风速的范围为[max(min，μ-3σ)，min(max，μ+3σ)]。当关键分支传感器监测值超过预警值并持续超过5秒时间时，地面系统报警，井下相应测点报警器报警。在系统中的辅助监测分支作为辅助测点，不参与预警，但在预警信息发出后，测点监测值可以作为辅助信息，便于工作人员迅速查找失稳原因和位置。\n[0061] 基于上述思想和方法，以Visual C++10.0作为系统开发的主语言，采用面向对象的设计方法，进行程序的编码开发。程序共有七个模块，两个辅助模块和五个功能模块。其中，辅助模块包括用户信息管理模块、静态信息输入模块，五个功能模块包括通风网络解算模块、动态数据监测模块、管理报告模块、曲线图形生成模块、风机在线监测模块。