一种矿井火灾透明化监测系统及方法

技术领域

本发明属于矿井井下环境监测与预警领域，具体涉及一种矿井火灾透明化监测系统及方法。

背景技术

矿井火灾是我国煤矿生产的主要灾害之一，由于煤层自身具有发火危险，开采过后采空区内残留的煤更容易发生自燃，一旦自燃将对矿井安全生产及矿工安全带来重大威胁，因此需要对煤矿采空区的火源进行快速、有效的探测。

在了解热动力灾害发生机理的基础上，发展更有效的热动力灾害监测方法，是有效减少热动力灾害的手段。矿井采空区以煤自燃为主的热动力灾害监测方法主要有温度检测法、指标气体分析法、示踪气体法、气味检测法等。测温法是采空区自燃最直接的监测方法。温度监测用的传感器一般是有热电偶、测温电阻、半导体测温元件、集成温度传感器、热敏材料、光纤、红外线、激光及雷达波等。对气体的监测是一种间接预测预报煤层自燃和热动力灾害演化过程的方法。另外煤炭自燃升温及燃烧能够对周围磁场、电场、光场和热物理场产生影响，因此有通过物探法、化探法和钻探法进行热动力灾害进行探测的研究和实践，但是这些探测技术均未能得到广泛应用，主要问题是热动力灾害引起周围环境的电场、磁场等特异性改变微乎其微，不足以准确有效探测到其变化规律。

温度法在监测采空区煤炭自燃时得到广泛应用，但是由于采空区比较隐蔽，受到采掘和顶板垮落的影响，单纯有线温度探测方式基本难以达到预期效果。其它非接触式测温方法只能适用于对巷道煤壁表面温度的探测，对采空区深远部隐蔽区域无能为力。而以束管系统为主的煤层自燃和热动力灾害气体监测与预警的方法本身存在难以克服的问题，主要表现在：(1)所监测的气体不是原位的，因此不能定位火源和爆炸发生的位置；(2)对灾害发生的阶段只能进行定性分析；(3)实时性比较差。

为了判定井下采空区自燃危险状态和高温发展区域，实现井下采空区煤自燃的探测及定位，需要对煤矿采空区火区探测系统及方法做进一步的改进。

发明内容

本发明提供了一种矿井火灾透明化监测系统及方法实现对井下监测区域煤自燃的实时监测及精准定位预警，使监测数据的传输更加稳定可靠。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种矿井火灾监测透明化监测系统，将有线无线传控相结合，稳定监控井下环境，提供信息透明化界面，包括多个气体、温度和电位监测模块，至少一个多点信息数据处理模块、地面专家监测系统、用户终端、矿井监控系统；

各个气体、温度和电位监测模块互相联通构成气体、温度和电位监测网络；一个多点信息数据处理模块无线连接至少一个气体、温度和电位监测模块；多点信息数据处理模块通过有线传输专网连接地面专家监测系统，地面专家监测系统连接用户终端；

用户终端还连接矿井监控系统，将监控信息传输至上级主管部门。

优选地，气体、温度和电位监测模块包括气体和温度数据采集单元、气体和温度信息发射单元、气体和温度数据传输中继单元、电源管理单元。

优选地，气体和温度数据采集单元由多参数传感器组成，多参数传感器包括气体分析传感器、温度传感器。

优选地，气体分析传感器包括CO传感器、O

优选地，有线传输专网采用光纤电缆同轴线缆对信号进行传输，其信号传输方式有光纤传输与电缆传输两种，且两种传输方式互为冗余，主传输方式为光纤传输，辅助传输方式为电缆传输。

一种矿井火灾监测透明化监测方法，采用上述的矿井火灾透明化监测系统，地面专家监测系统进行测点位置、测点温度、气体成分与浓度的分析与集成，根据气体、温度和电位多点信息反演出监测区域的信息状态，再基于监测区域的地理信息，形成透明化的监测网络，具体步骤如下：

步骤1：气体、温度和电位监测模块实时采集监测区域内各项指标数据并进行预处理；

步骤2：多点信息数据处理模块自动收集气体、温度和电位监测模块发出的信号进行二次处理汇总，并形成电信号经有线传输专网以有线传输的方式传输到地面专家监测系统；

步骤3：地面专家监测系统根据气体、温度和电位多点信息反演出监测区域的信息状态，再基于监测区域的地理信息，实时显示不同位置的危险等级，并根据危险等级发出不同级别的预警；

步骤4：用户终端监控并提取监测区域内信息状态，根据当前监测区域状态信息通过矿井监控系统将监控信息传输至上级主管部门，或通过有线传输专网与无线网络对气体、温度和电位监测模块进行启停控制与状态监控。

优选地，地面专家监测系统根据指标气体、温度临界值和变化动态趋势内置预警准则，预警准则共分为三个等级，分别为黄色预警、橙色预警和红色预警。

优选地，地面专家监测系统内融合数据智能学习算法，构建热动力致灾预警模型，实时分析监测区域变化趋势。

本发明所带来的有益技术效果：

1.本监测系统的信号传输方式为有线无线相结合，同时解决无线监测信号传输距离短、易受外界环境影响的弊端和传统有线监测检测范围较固定、有线线路布置较为困难的弊端；由气体、温度和电位监测模块组成的监测系统，可监测不适合人员进入的地点，实现对采空区全面的监测；

2.构建了智能预警软件架构，结合热动力致灾预警模型，开发了地面专家监测系统，进行软硬件系统集成，对收到的信号进行处理分析，判别信号来源，预警结果更加精准，并将井下采空区环境信息透明化地展现出来；监测软件的控制可与信号传输共用线路，可有效减少投入；

3.整个监测系统具有监测实时稳定、预警的定位和危险等级更准确、传输距离长的特点。

附图说明

图1是本发明矿井火灾透明化监测系统的组成框图；

图2是本发明矿井火灾透明化监测系统整体结构示意图；

图3是图2中井下一处采煤工作面及采空区的布局示意图；

图4是本发明矿井火灾透明化监测方法的流程图；

其中，1-有线传输专网；2-信息数据处理模块；3-气体、温度和电位监测模块；4-数据传输与控制线。

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：

图1展示了一种矿井火灾透明化监测系统的组成框图，该监测系统采空区内包含多个气体、温度和电位监测模块，多个多点信息数据处理模块；地面上设有地面专家监测系统、用户终端和矿井监控系统等。多个气体、温度和电位监测模块互相联通构成采空区气体、温度和电位监测网络，并被加以特殊保护；监测网络将多个监测模块实时监测到的信息通过无线信号传输汇总到多点信息数据处理模块，多点信息数据处理模块负责多点的无线信息的传输、编号、发射等；多点信息数据处理模块对采空区内监测网络采集并预处理的多点信息进行二次处理汇总，形成电信号，再通过有线传输专网以有线传输的方式传输到地面专家监测系统，专家监测系统根据气体、温度和电位多点信息反演出采空区的信息状态，实时显示不同区域的危险等级，并根据危险等级发出不同级别的预警。用户终端也可连接矿井监控系统，将监控信息传输至上级主管部门，同时用户终端可通过有线传输专网与无线网络对气体、温度和电位监测模块进行启停控制与状态监控。

其中，地面专家监测系统采用了数据智能学习算法，实时分析温度的变化趋势。系统内置温度和气体的预警准则，当超过临界值或者增加趋势变化较快时，发出逐级预警。

图2展示了一种矿井火灾透明化监测系统的整体结构示意图，监测系统整体由采空区信息监测系统、传输网络系统、地面监测预警系统三大部分组成。采空区信息监测系统包含多个采煤工作面及采空区，每个采煤工作面及采空区通过数据传输与控制线连接到各自的工作面分站显示控制系统；各个工作面分站显示控制系统通过传输网络系统连接到地面监控预警系统；地面监控预警系统包括地面专家监测系统、用户终端等。

其中，地面专家监测系统负责接收有线传输专网传输的信号，并为用户终端的运行提供必要的硬件与平台。用户终端负责处理井下采空区传输上来的信号，对信号进行分析、监测，并根据井下地理信息数据库展现井下环境透明化界面，在井下环境出现异常时，可提供声光警报与移动端警报，并在井下环境透明化界面上实时展示出现异常的地点，也可连接矿井监控系统，将监控信息传输至上级主管部门。

另外，用户终端可以发送指令信号给地面专家监测系统，地面专家监测系统通过有线传输专网和多点信息数据处理模块进行信号传输，实现对采空区内多点信息数据处理模块的启停控制与发射、接收信号控制。

图3展示了图2中一处采煤工作面及采空区的具体布局图，在井下采空区铺设气体、温度和电位监测模块、多点信息数据处理模块，气体、温度和电位监测模块采用高能电池供电，多点信息数据处理模块由于距离有线线路较近，故直接采用有线直流供电。将气体、温度和电位监测模块在工作面推进过程中放置于采煤支架后部，成行间隔排列，每行3～5个监测模块，各监测模块间距约30米，在采空区内布置3～5行，每行间距20～50米，形成网络布置方式，随着工作面推进，气体、温度和电位监测模块就逐渐置于采空区深远部，对采空区的热动力灾害进行监测。多点信息数据处理模块主要用于接收气体、温度和电位监测模块发出的信号，设置数量较少，可以置于数据传输与控制线所在的两道位置附近，其间隔距离可根据现场情况设置为50～80米。其中，气体、温度和电位监测模块主要功能是利用多参数传感器采集井下采空区的温度、气体成分与含量信息，并将这些信息通过无线发射模块发射给下一跳设备并最终汇总到多点信息数据处理模块，具体包括气体和温度数据采集单元、气体和温度信息发射单元、气体和温度数据传输中继单元、电源管理单元。

有线传输专网布置在工作面两巷，其为光纤电缆同轴线缆，其结构为中间为光纤，光纤外包裹一层光纤传导绝缘层，光信号可在其中传播，绝缘层外包裹一层电缆线，电信号可在其中传输，线缆最外层为对线缆提供保护作用的护套。信号传输方式光纤与电缆互为冗余，光纤传输为主传输方式，电缆传输为备用传输方案。有线传输专网的核心功能为：(1)将多点信息数据处理模块采集的数据传递到工作面分站；(2)通过工作面分站和地面控制系统发出指令控制采空区无线监控系统的工作状态；(3)可为两道内的多点信息数据处理模块供给低压安全电源。

另外，气体、温度和电位监测模块根据距离多点信息数据处理模块远近划分优先级，距离多点信息数据处理模块越近优先级越高，距离多点信息数据处理模块越远优先度越低，信号在传输的过程中由低优先级模块传输到周围最近高优先级模块，最终全部数据汇聚到多点信息数据处理模块。

建立新网络是由多点信息数据处理模块进行的，首先多点信息数据处理模块进行信道扫描与能量检测后才能建立网络，并作为父节点接收其它节点的入网请求。父节点接收到入网请求后，先判断是否允许节点加入网络，如果允许加入网络，父节点将发出请求响应，通知子节点，并为其分配一个网络地址，作为在网络内的唯一身份标识。至此节点成功加入网络。这样一级级的网络地址分配，监测区域内所有节点都加入了网络。在节点加入网络的过程中，相互通信的一对节点构成父子关系，已经加入网络的节点称为父节点，另一个节点为其子节点。

图4是使用该矿井火灾透明化监测系统的监测方法的部分流程图，具体包括如下步骤：

步骤一：确定井下采空区地理信息，并将其录入数据库，以备监测软件透明化界面使用。按图2所示布置矿井火灾透明化监测系统，将气体、温度和电位监测模块在工作面推进过程中放置于采煤支架后部，成行间隔排列，每行3～5个监测模块，各监测模块间距约30米，在采空区内布置3～5行，每行间距20～50米，形成网络布置方式，随着工作面推进，气体、温度和电位监测模块就逐渐置于采空区深远部，对采空区的热动力灾害进行监测。多点信息数据处理模块设置数量较少，可以置于传控线所在的两道位置附近，其间隔距离可根据现场情况设置为50～80米。在工作面两巷铺设井下至井上光纤电缆同轴线缆，在地面布置地面专家监测系统，并安装运行监测软件与用户终端。

步骤二：对多点信息数据处理模块，采用短时间间距传输数据，传输时间间距可设置，并可以根据采空区灾害变化情况动态调整，达到节约电源的目的。多点信息数据处理模块设置在两道采空区内，可以采用传控线供电的方式满足电源需要。在布置完毕气体、温度和电位监测模块与多点信息数据处理模块之后，通过多点信息数据处理模块发送开机指令通过气体和温度无线监测网络将气体、温度和电位监测模块全部开机，测试其基本功能，检查各部件功能以及连接情况，全部正常之后将设备全部开机。

步骤三：通过用户终端发送开机指令，井下气体、温度和电位监测模块开始工作，气体、温度和电位监测模块处于低功率工作状态，可对环境持续粗略的监测，当检测到环境温度或气体指标超过内置阈值或者接收到用户终端监测指令或者内部计时器达到监测时间周期时，气体、温度和电位监测模块由低功率模式唤醒为正常工作模式，开始对温度与指标气体进行监测并实时发送监测信息。

步骤四：由于多点信息数据处理模块与有线传输专网通过有线方式连接，其供电方式为电缆供电，其电量供应较为充足，故其一直处于工作待命状态，会自动收集井下气体、温度和电位监测模块发出的信号。当多点信息数据处理模块接收到信号之后，会将信号进行汇总并将无线信号解码为适合于有线传输的电信号，将信号传输到有线传输专网。

步骤五：有线传输专网负责把井下的信号通过有线的方式传输到井上。有线传输专网传输介质为光纤电缆同轴线缆，信号传输方式光纤传输与电缆传输互为冗余，光纤传输为主传输方式，电缆传输为备用传输方案。

步骤六：通过研究热动力灾害演变过程，构建智能预警软件架构，结合热动力致灾预警模型，开发面向透明采空区的煤自燃及瓦斯热动力多元多场耦合致灾演变过程在线监测与预警软件专家系统，即地面专家监测系统，进行软硬件系统系统集成，并可对采空区预警监测系统进行调控，指导采空区热动力灾害的预测预报和灾害治理，实现矿井采空区灾害信息的透明化。

步骤七：有线传输专网传输的信号由地面专家监测系统进行处理、分析，并基于井下信息数据库输出可视化界面，实时监控井下各空间位置的环境信息，用户终端可实时掌握矿井下的详细信息。当井下环境监测到的数据超过预先设定的阈值时，地面终端会进行危险状态判断，当判断为当前井下环境为危险状态时，用户终端发出声光报警并显示其预警级别，并发送指令实现气体、温度和电位监测模块持续监测，直到温度和指标气体恢复正常，警报解除，气体、温度和电位监测模块恢复低功耗状态，地面专家监测系统也可连接矿井监控系统，将监控信息传输至上级主管部门。地面专家监测系统根据指标气体、温度临界值和变化动态趋势确定预警准则，预警准则共分为三个等级，分别为黄色预警、橙色预警、红色预警：

黄色预警：以一氧化碳为主要指标，温度临界值为70℃-80℃，此时CO气体的析出速率与煤温之间成正比关系。若在上隅角、支架后方以及回风流中检测出CO气体存在，且其含量保持稳定增加时，此时煤温预计达到45℃，当煤温超过75℃时，CO气体的析出速率与煤温之间成正比关系，即随着煤温的升高而明显上升。CO气体浓度最高监测点处CO浓度与400ppm相比较，据此推测附近煤层自燃的潜伏期基本结束，开始进入煤炭自燃的第二阶段即自热期。此时要在可疑区建立火区观察点，对气体成份及空气温度进行全面观测。当一氧化碳浓度迅速升高时，必须采取预防性措施。

橙色预警：以乙烯为主要指标，温度临界值为110～380℃。C

红色预警：以乙炔为主要指标，温度临界值为380℃。当风流中出现乙炔则说明煤炭已经自燃，应及时发出火灾警报。制定综合防灭火措施进行处理。

步骤八：在井下采空区温度与指标气体参数正常、无外界人员干预的情况下，气体、温度和电位监测模块在定时器计划下每10分钟唤醒正常工作状态，监测并发射环境监测信息。

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。