煤矿底板奥灰岩突水在线监测智能预警系统技术方案

一种煤矿底板奥灰岩突水在线监测智能预警系统是在含有奥灰岩的煤矿底板上设置有若干个多参数传感子系统，并通过无线/有线通信子系统将在线监测的传感数据传输到数据库服务器，后由突水智能预警子系统对煤矿底板突水进行智能预警。本发明专利技术采用一孔多感、无线传输、智能预警，实现了准确、便捷、高效在线矿井突水监测预警。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种煤矿井下防治水监测预警系统，具体是一种用于煤矿井下底板奥灰岩突水多传感在线监测及智能预警系统。
技术介绍
随着煤矿开采深度和强度的不断增加，多数煤矿已进入深部开采或下组煤回采，特别是华北型煤田，受煤系灰岩和基底奥灰岩岩溶水的影响，煤层底板承压水极易通过隐伏导水构造突入矿井，造成巨大的经济损失和人员伤亡，煤矿底板突水已成为影响安全生产的重要隐患之一，因此，及时准确监测煤层底板突水，对减少煤矿水害事故发生，保障安全带压开采具有重要意义。尽管煤矿底板突水事故的突发性强，但通过分析研究已有发生突水事故后发现，具备底板突水发生的必要条件中，不同阶段均会呈现前兆信息，如果能够及时检测到这些前兆信息，即可对突水发生进行早期预警，从而避免或减少不必要的突水事故发生。多年来，国内外学者对煤矿底板突水监测预警方法的研究较多，主要是从突水发生的三个必要条件：突水水源、水压和导水通道出发，进行必要的探测和分析，所用到的主要是物探方法，其探测设备有瞬变电磁仪、直流电探测仪、坑道无线电波透视仪和三维地震探测仪等，进行含水层富水性及易形成导水通道的地质构造，如裂隙发育带及断层等探测，但这些物探方法的设备繁重，价格昂贵，单一探测方法易受噪声干扰而精度不高，使得其很难被应用到突水前兆信息的实时在线监测中。还有部分学者是基于突水机理和泛决策理论来进行突水发生可能性的评价，包括突水系数法、“下三带”理论、“关键层”理论、脆弱性指数法以及人工神经网络和多源信息融合等，在这些评价方法中多使用采区的历史水文地质资料或采掘条件数据，缺乏对一些实时监测到的突水前兆信息进行有效利用。针对煤矿底板突水监测预警动态性、实时性的要求，通过在煤层底板布设传感器来实时监测突水前兆信息并进行分析预警的研究逐渐增多，如靳德武、刘英锋等人在《煤炭科学与技术》上公开发表了《煤层底板突水监测预警系统的开发及应用》，研制开发了一套基于光纤光栅通信和传感技术的煤层底板突水监测预警系统，其由数据采集系统和突水监测数据集成分析系统组成，采用光纤光栅对工作面底板应变、水温、水压进行实时监测，并将数据传送到地面监测站进行显示与分析，为进行突水预警提供帮助，但该系统主要是对裂隙扩展和断层活化形成的突水进行监测，对底板奥灰岩其他突水状况考虑不全，数据传输采用光纤有线通信，不利于传感器在开采工作面的灵活布设，监测数据只做实时显示和简单人工分析，突水预警准确性和效率不高。童紫原、童敏明等人专利技术了《矿井突水实时监测方法及系统》，公开了一种矿井突水实时监测方法及系统，该系统包括突水源探测器、隔水顶板监测器、煤层含水监测器、涌水量监测器、水质监测器、多路数据集控器、网关、工业以太网和监测主机，监测主机对接收到的信号进行分析，从而监测突水危险源和前兆信息，对矿井突水进行预警，但该专利技术是对矿井突水进行全面监测，未明确给出传感监测器的布设方法及位置，特别是对危害较大的底板奥灰岩突水不具针对性，监测预警的准确性不高。武强、刘春生等人专利技术了《矿井顶底板突水监测预报系统及方法》，公开了一种矿井顶底板突水监测预报系统及方法，系统包括地面控制室主机、井下现场主机、综合电缆总线及含有控制器及存储器、三维震动传感器、电极的多个检测终端，通过实时监测巷道顶底板的震动和视电阻率变化，并与设定阈值进行比较，实现矿井顶底板突水的监测预报，但该专利技术仅采用微震来监测导水通道，采用视电阻率来监测突水水源，未对含水层的特性参数，如水温、水压的变化进行监测，导致其监测参数较单一，检测准确性下降。基于上述现有技术，急需开发一套主要针对危害较大的底板奥灰岩突水前兆信息进行在线监测的硬件系统和能够进行智能预警的软件系统。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术存在的不足，针对危害较大的煤矿底板奥灰岩突水，提供一种煤矿底板奥灰岩突水在线监测智能预警系统，依据突水系数法在煤层底板布设若干多参数传感子系统，采集与底板奥灰岩突水直接相关的多个参数，并运用增量支持向量机算法实现传感数据的智能处理及突水的准确预测，最终将预警信息发布到客户端上。为解决上述技术问题，本专利技术是通过以下技术方案实现的。一种煤矿底板奥灰岩突水在线监测智能预警系统，包括多参数传感子系统、无线/有线通信子系统和突水智能预警子系统，其特征在于：在含有所述奥灰岩的所述煤矿底板上设置有若干个所述多参数传感子系统，并通过所述无线/有线通信子系统将在线监测的传感数据传输到数据库服务器，后由所述突水智能预警子系统实现煤矿底板突水智能预警。进一步地附加技术方案如下。第一附加技术方案在于：所述多参数传感子系统是通过突水系数法进行位置确定，并设置于含有奥灰岩含水层的带压开采煤层底板中；所述突水系数法是按公式Ts=P/M计算，式中Ts是突水系数MPa/m，P是底板隔水层承受的水压Mpa，M是底板至奥灰岩顶面之间的距离m，选取突水系数Ts值大于0.06的区域，以间隔距离L=1.2/Ts m非线性布设多参数传感子系统。第二附加技术方案在于：所述多参数传感子系统是由流量传感器、围岩应力传感器、温湿度传感器、加速度传感器和位移传感器至下而上依次排列，然后与CC2530无线通信芯片的GPIO端口电气连接，并封装于防爆套管中，在采样间隔下，五个传感器采集到的数据依次传输到CC2530无线通信芯片中。第三附加技术方案在于：所述无线/有线通信子系统是建立以协调器为簇头的线性ZigBee无线网络，然后布设若干个多参数传感子系统加入上述建立的ZigBee无线网络，多参数传感子系统与协调器及协调器间均通过ZigBee协议无线通信，最后选取距离网关较近的协调器与网关连接，网关接入矿井工业以太网的路由器，将传感子系统采集的传感数据通过工业以太网实时回传到数据库服务器。第四附加技术方案在于：所述突水智能预警子系统是采用增量支持向量机算法实现突水预测首先从数据库服务器中读取l组历史传感数据构建训练集，其中为（6）维传感数据特征向量，为类别标注，-1为突水，1为不突水，并引入高维映射，训练初始支持向量机分类器SVM0，得到最优分类面，式中是支持向量机训练得到Lagrange乘子，b*是最优分类面截距，是高斯核函数，再从数据库服务器中读取当前一定天数采集到的传感数据，通过违反广义KKT条件：，选取最优更新样本集Xnew，并结合先前训练得到的支持向量集计算新的分类面，得到新的分类器SVMnew。第五附加技术方案在于：所述广义KKT条件的广义扩展因子通过传感数据样本分布特性计算，以B1和B2分别表示能够包含对应类别样本的最小闭合球，对于任一不突水样本，∆根据该样本到B1球心的距离d1和B1的半径R1按计算，同理对于任一突水样本，∆根据该样本到B2球心的距离d2和B2的半径R2按计算，在高斯核函数的特征空间中，所有样本均分布于一个单位超球上，对于任一类样本，按公式计算对应闭合球半径，按公式计算样本到球心的距离，式中a和R分别是样本形成闭合球的球心和半径，是支持向量机训练得到的Lagrange乘子，，SVi是对应的支持向量，nSVs是支持向量的个数。与现有技术相比，实施上述本专利技术所提供的一种煤矿底板奥灰岩突水在线监测智能预警系统的优点在于：本系统针对危害较大的煤矿底板奥灰岩突水特性，根据突水系数法确本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种煤矿底板奥灰岩突水在线监测智能预警系统，包括多参数传感子系统、无线/有线通信子系统和突水智能预警子系统，其特征在于：在含有所述奥灰岩的所述煤矿底板上设置有若干个所述多参数传感子系统，并通过所述无线/有线通信子系统将在线监测的传感数据传输到数据库服务器，后由所述突水智能预警子系统实现煤矿底板突水智能预警。

【技术特征摘要】
1.一种煤矿底板奥灰岩突水在线监测智能预警系统，包括多参数传感子系统、无线/有线通信子系统和突水智能预警子系统，其特征在于：在含有所述奥灰岩的所述煤矿底板上设置有若干个所述多参数传感子系统，并通过所述无线/有线通信子系统将在线监测的传感数据传输到数据库服务器，后由所述突水智能预警子系统实现煤矿底板突水智能预警。2.根据权利要求1所述的煤矿底板奥灰岩突水在线监测智能预警系统，其特征在于：所述多参数传感子系统是通过突水系数法进行位置确定，并设置于含有奥灰岩含水层的带压开采煤层底板中；所述突水系数法是按公式Ts=P/M计算，式中Ts是突水系数MPa/m，P是底板隔水层承受的水压Mpa，M是底板至奥灰岩顶面之间的距离m，选取突水系数Ts值大于0.06的区域，以间隔距离L=1.2/Ts m非线性布设多参数传感子系统。3.根据权利要求1或2所述的煤矿底板奥灰岩突水在线监测智能预警系统，其特征在于：所述多参数传感子系统是由流量传感器（1）、围岩应力传感器（2）、温湿度传感器（3）、加速度传感器（4）和位移传感器（5）至下而上依次排列，然后与CC2530无线通信芯片（6）的GPIO端口电气连接，并封装于防爆套管（7）中，在采样间隔下，五个传感器采集到的数据依次传输到CC2530无线通信芯片（6）中。4.根据权利要求1所述的煤矿底板奥灰岩突水在线监测智能预警系统，其特征在于：所述无线/有线通信子系统是建立以协调器（8）为簇头的线性ZigBee无线网络，然后布设若干个多参数传感子系统加入上述建立的ZigBee无线网络，多参数传感子系统与协调器（8）及协调器间均通过ZigBee协议...

【专利技术属性】
技术研发人员：张雪英，陈桂军，李凤莲，王子中，黄丽霞，
申请(专利权)人：太原理工大学，
类型：发明
国别省市：山西;14