一种基于5G专网的煤矿热动力灾害监测预警系统及方法

技术领域

本发明属于煤矿灾害监测预警领域，具体涉及一种基于5G专网的煤矿热动力灾害监测预警系统及方法。

背景技术

煤矿热动力灾害是指可燃物在煤矿井下发生的非控制燃烧与爆炸，通过热化学作业产生的高温、有毒烟气和冲击波造成人员伤害和环境破坏的灾害，包括煤自燃、煤燃烧、瓦斯燃烧、瓦斯爆炸、煤尘爆炸和外因火灾6种形式，煤矿热动力灾害具有关联性、易发性和严重性等特征，内部火灾具有潜伏性、突发性等特点。煤矿热动力灾害常导致人员伤亡、设备损失、矿井停产、资源破坏等不良后果，对矿井生产和人员安全有重要影响。由于煤矿井下复杂的开采条件和多变的井下环境，煤矿热动力灾害发生频率高，给煤矿安全生产带来了巨大的影响和后果，所以运用基于5G专网的煤矿热动力灾害监测预警系统及方法进行煤矿热动力灾害探测是矿井发现此类灾害的重要手段。

当前的煤矿热动力灾害监测预警方法主要有：(1)温度法，即根据所测区域的温度变化情况和温度阈限值，确定采掘工作面和采空区自然发火危险及区域的方法。这种方法主要用于早期预报煤层发火引起的煤矿火灾，不适用于探测隐蔽火源的位置和发展情况。(2)可见光图像分析法，利用可见光图像进行火灾分析，由于可见光图像与火灾热特性关联不大，存在算法复杂，准确率不高的缺陷。(3)指标气体分析法，即利用束管监测系统、人工采样分析、矿井监控系统等多种手段相结合获取各类质变气体，通过煤自燃发火过程中生成的某些气体的浓度、比值、发生速率等特征参数进行数学分析。但在探测过程中束管易受到煤矿损坏，不能探测深部煤体及采空区的火灾危险性。(4)电磁辐射监测预警技术，电磁辐射是煤矿流变-突变破坏过程中的一种能量辐射形式，与瓦斯压力密切相关，瓦斯压力越大，电磁辐射越强，电磁辐射监测预警技术对于监测瓦斯含量和浓度具有重要的作用。(5)光干涉式甲烷测定器和便携式甲烷检测报警仪，前者是根据光的干涉原理制成的，除了能检查CH4浓度外，还可以检查CO2浓度，瓦斯浓度在0％～l0％，使用低浓光干涉甲烷测定器；瓦斯浓度在10％以上，使用检测范围是0％～l00％的高浓度光干涉式甲烷测定器；后者虽然便于携带，检测准确，但必须是矿工或者检测人员进入井下才能携带检测，具有一定的使用危险性。

现有煤矿热动力灾害监测预警技术中，监测预警系统及方法成本较高，使用环境恶劣，具有一定的危险性；并且由于传感器的布置易受矿井特殊环境的影响，以及探测区域及位置易受时空的限制，探测煤矿采掘工作面和采空区热动力灾害的难度较大，对于上述问题目前尚未提出有效解决方案。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提出了一种探测准确率高、效率高、简便快捷、易于布置、成本低的煤矿热动力灾害监测预警系统及方法。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于5G专网的煤矿热动力灾害监测预警系统，包括多参量传感器、5G传控系统、智能辨识与预警系统和用户终端；

在井下监测区域布置多参量传感器；多参量传感器通过有线传输电缆接入5G传控系统，5G传控系统与智能辨识与预警系统无线连接，智能辨识与预警系统连接用户终端。

优选地，多参量传感器包括瓦斯传感器、指标气体传感器、红外温度传感器和电位传感器；5G传控系统包括5G信号接收单元、5G信号转换单元和5G传输专网；智能辨识与预警系统包括智能监测模块和智能报警模块；用户终端包括科室监控主机和移动监控手机。

优选地，井下监测区域包括采空区、工作面和上隅角；采空区布置瓦斯传感器、指标气体传感器、红外温度传感器和电位传感器；工作面布置瓦斯传感器、指标气体传感器、红外温度传感器；上隅角布置瓦斯传感器、指标气体传感器。

优选地，井下监测区域每隔50米选取一条监测线，在每条监测线上设置多个监测点，在同一监测点处同时布置不同类别的多参量传感器，多参量传感器的位置根据监测区域宽度确定，多参量传感器之间用有线传输电缆相连接，不同监测区域的多组多参量传感器共同构成传感器系统。

优选地，5G信号接收单元布置在井下监测区域的两帮，5G信号转换单元布置在井下监测区域的始端，5G信号接收单元和5G信号转换单元通过有线传输电缆连接。

优选地，智能辨识与预警系统布置在地面的矿井监测监控中心，通过5G传输专网与5G传控系统相连。

一种基于5G专网的煤矿热动力灾害监测预警方法，采用如上所述的一种基于5G专网的煤矿热动力灾害监测预警系统，具体步骤如下：

步骤1：输入临界的瓦斯、指标气体、红外温度和电位参数值及范围，作为监测监控的参考指标；

步骤2：通过多参量传感器实时监测井下监测区域的瓦斯含量、指标气体含量、温度值和电位参数，不同类型多参量传感器的监测监控精度和范围保持一致；

步骤3：5G信号接收单元接收由多参量传感器发出的参数信号，5G信号转换单元将参数信号转换为5G传输信号，由5G传输专网传输到智能辨识与预警系统；

步骤4：智能辨识与预警系统将各种参数信号与输入的参考指标进行对比，判断参数信号是否异常；

步骤5：判断异常参数信号的灾害类型并将报警信号传输至用户终端。

优选地，报警信号分为两种：单一灾害和复杂灾害；如果出现一种参数异常，则系统做出单一灾害报警，如果出现多种参数异常，则系统做出复杂灾害报警。

优选地，两种报警信号以报警提示灯颜色和声音来区分，黄色报警信号代表单一灾害报警，红色报警信号代表复杂灾害报警，报警声音越大，表示灾害严重程度越大。

优选地，步骤4中智能辨识与预警系统采用分类法和对比法对信号参数进行分析判断；首先，检测的信号传递到智能辨识与预警系统时，系统根据设置标准对信号进行分类，根据传感器的种类，参数信号被智能处理成多种信号束；其次，智能报警模块根据异常信号，追根溯源，直到定位到这个信号的发生位置，并根据信号束的种类判断灾害类型。

本发明所带来的有益技术效果：

1.基于5G专网的煤矿热动力灾害监测预警系统及方法从时间和空间上监测预警煤矿采空区、工作面和上隅角的热动力灾害危险性程度及范围，能进行非接触式连续的探测采空区内部、深部煤体和采掘工作面等煤矿热动力灾害易发区域；

2.该系统成本低，易于布置，便于监测，大大节省矿井在煤矿热动力灾害监测预警的经费及预算；该系统操作简单，不受井下狭小的空间和井下特殊环境的限制，探测过程对生产无影响；该系统能够同步处理并分析探测过程中的各项监测参数及其动态变化情况，实时分析和判断潜在危险区域的煤矿热动力灾害危险性，快速准确的实现矿井热动力危险的探测及预警；该系统能通过多次测试瓦斯、指标气体、红外温度和光感的动态变化趋势反映煤矿井下动态变化；

3.智能辨识与预警系统采用分类法和对比法对信号参数进行分析判断，将两种方法综合应用到智能辨识与预警系统中，实现分类分级监测和预警，面对数量庞大的5G参数信号，智能辨识与预警系统能追根溯源，精确定位，准确报警，实现煤矿热动力灾害的实时监测预警；

4.该系统能够实现井下无人化监测，大大减少了热动力灾害对工作人员的伤害；该系统运用5G技术实现无线连接，无线传输信号，大大节省了有线电缆的材料和铺设费用，实现高速、快捷传输参数信号；该系统及方法的高效、快速的探测及预警，必将为矿井带来巨大的社会效益和经济效益。

附图说明

图1是本发明基于5G专网的煤矿热动力灾害监测预警系统组成框图；

图2是本发明实施例采空区、工作面、上隅角各类传感器系统的布置示意图；

图3是本发明基于5G专网的煤矿热动力灾害监测预警系统整体结构示意图；

图4是本发明基于5G专网的煤矿热动力灾害监测预警方法的流程图；

其中，1-瓦斯传感器；2-指标气体传感器；3-红外温度传感器；4-电位传感器；5-5G信号接收单元；6-有线传输电缆。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施方式对本发明作进一步详细说明：

基于5G专网的煤矿热动力灾害监测预警系统如图1所示，包括安装在井下各监测区的多参量传感器、5G传控系统、智能辨识与预警系统和用户终端；多参量传感器包括瓦斯传感器、指标气体传感器、红外温度传感器和电位传感器；5G传控系统包括5G传输专网、5G信号接收单元和5G信号转换单元；智能辨识与预警系统包括智能监测模块和智能报警模块；用户终端包括科室监控主机和移动监控手机；重点监测区域包括采空区、工作面和上隅角等。各传感器之间通过有线传输电缆连接，各系统之间通过5G传输专网连接。

本发明将一种瓦斯、指标气体、红外温度和电位的探测方法与智能报警方法的结合，在监测区域内选定测点处把瓦斯传感器、指标气体传感器、红外温度传感器和电位传感器的有效接收方向朝向探测区域，测试该区域瓦斯含量、指标气体含量、温度值和电位参数，不同类型传感器的监测监控精度和范围保持一致；智能报警系统和探测系统通过5G专网相连接，智能报警系统根据探测结果发出报警信号，探测结果支撑智能报警结果，实现同步探测与报警。

图2是井下部分采空区、工作面和上隅角的各类传感器布置示意图。其中，在矿井采空区布置瓦斯传感器1、指标气体传感器2、红外温度传感器3和电位传感器4，在工作面布置瓦斯传感器1、指标气体传感器2和红外温度传感器3，在上隅角布置瓦斯传感器1和指标气体传感器2。布置方式为在监测区域选择监控线，在监测线上同一个监测点处布置不同类别传感器，采空区布置在监测区域地平线平面上，工作面布置在两帮，上隅角单独直接布置，布置在监测区域顶角处，不同监测线之间的距离视监测区域的宽度而定，5G信号接收单元5布置在监测区域两帮或顶板，5G信号转换单元布置在监测区域始端，5G信号接收单元5和5G信号转换单元通过有线传输电缆6连接，电缆具有防水防火防腐蚀特性。选用精度和监测范围一致的不同类别传感器，每个传感器采集的参数数据都被5G信号接收单元5接收，并经5G信号转换单元转换后继续传输至地面矿井监测控中心的智能辨识与预警系统。也就是说，5G信号接收单元5接收由传感器发出的参数信号，5G信号转换单元将参数信号转换为5G传输信号，与智能辨识与预警系统实现无线连接，5G传输专网是一种无线传输专网，5G传控系统发出的5G传输信号经过5G传输网传输到智能辨识与预警系统。

图3展示了一种基于5G专网的煤矿热动灾害监测预警系统的整体结构示意图，监测预警系统整体由多参量传感器、5G传控系统、智能辨识与预警系统和用户终端四大部分组成。多参量传感器分别布置在采空区、工作面和上隅角，其具体布置方式见图2传感器的布置图，多参量传感器在井下布置区域有有线电缆连接，经5G信号接收单元和5G信号转换单元处理后利用5G传输专网传输到智能辨识与预警系统，智能辨识与预警系统对信号分析判断，预警并报警，最终各种参数信号或报警信号传输到用户终端，实现实时报警和预警的目的。

图4是本发明基于5G专网的煤矿热动力灾害监测预警方法的过程流程图，探测过程具体分为以下五步。

第一步：系统布置。将各类传感器固定在预先选定的监测区域的监测点上，按照图2和图3所述布置图布置传感器，监测点附近避免出现大型电气设备，以避免传感器在监测范围内监测指标不准确。开启监测系统，内置软件模块初始化，程序开始运行。操作时，系统将会提示操作步骤，用户终端显示器显示操作过程和监测监控指标。操作员通过操控用户终端的科室监控主机或移动监控手机实现系统运转。

第二步：参数输入。通过输入键盘输入临界的瓦斯、指标气体、红外温度和电位参数值及范围，以此作为本时间段内监测监控的参考指标。

第三步：采集数据与探测。在监测区域内选定测点处把瓦斯传感器、指标气体传感器、红外温度传感器和电位传感器的有效接收方向朝向探测区域，测试该区域瓦斯含量、指标气体含量、温度值和电位参数；煤矿井下各重点监测区域监测点的传感器同时工作，监测数据经过有线传输电缆传输至5G传控系统，5G信号转换单元将参数信号转化为5G信号通过5G传输专网传输至地面矿井监测监控中心智能辨识与预警系统。

第四步：判断灾害类型。根据智能辨识与预警系统中的智能监测模块将各种信号与输入的参考指标对比，智能报警模块根据参数信号出现异常的种类判断是单一灾害类型还是复杂灾害类型。

第五步：报警。根据预测预警的灾害类型，若为单一灾害类型，则系统做出单一灾害报警；若为复杂灾害类型，则系统做出复杂灾害报警。

其中，复杂灾害判定涉及多信息的交叉分析，需对多种传感器参数进行分析处理。具体表述为，地面的矿井监测监控中心内置智能辨识与预警系统，其中智能监测模块可同时对该系统涉及的四种参数信号进行对比分析，对比结果通过5G传输专网传输到智能报警模块，智能报警模块分析四种参数信号是否符合设定的参考标准，根据参数异常情况的种类判断是单一灾害还是复杂灾害，并筛选出出现异常的监测区域位置，对参数异常区域实现精确定位，如果出现一种参数异常，则单一灾害系统报警，如果出现多种参数异常，则复杂灾害系统报警，两种报警信号传输到用户终端，用户终端的两种信号以报警提示灯颜色和声音来区分，黄色报警信号代表单一灾害报警，红色报警信号代表复杂灾害报警。

其中，智能辨识与预警系统，采用分类法和对比法对信号参数进行分析判断。首先，由于井下布置的传感器数量庞大，每个时刻传输到智能辨识与预警系统参数信号数量庞大，检测的信号，传递到智能辨识与预警系统时，系统根据设置标准对信号进行分类，根据传感器的种类，参数信号被智能处理成多种信号束；其次，在设定的参数信号范围内信号都能有序的传输到用户终端，一旦超出设定的参数信号范围，即该束信号出现异常，智能报警模块就会根据异常信号，追根溯源，直到定位到这个信号的发生位置，并根据信号束的种类判断灾害类型，单一信号束异常就会干扰单一灾害报警系统，实现单一灾害报警，多重信号束出现异常时，多重信号束同时干扰单一灾害报警系统，单一灾害报警系统具有单一性，不能同时接收多束信号干扰，此时单一灾害报警系统就相当于传输电缆，只具备传输功能，异常信号传输到复杂灾害报警系统，复杂灾害系统报警，实现灾害类型预警并报警。两种方法综合应用到智能辨识与预警系统中，实现分类分级监测和预警，面对数量庞大的5G参数信号，智能辨识与预警系统能追根溯源，精确定位，准确报警，实现煤矿热动力灾害的实时监测预警。

当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。