一种采掘工作面煤与瓦斯突出实时监测预警系统及方法技术方案

本发明专利技术提供了一种采掘工作面煤与瓦斯突出实时监测预警系统及方法，涉及采矿工程技术领域，包括地面中心站、控制主机、网络交换机、监测分站、拾振器、风速传感器、甲烷浓度传感器和声光报警器，传感器将监测信息传输至监测分站，监测分站通过网络交换机将监测数据传输至地面中心站，地面中心站通过对监测数据实时处理完成预警分析，具体是根据微震事件变化特征指数和瓦斯涌出量变化特征指数综合判断突出风险，基于此建立煤与瓦斯突出模糊评价综合预警模型，判断危险等级。本发明专利技术提供的预警系统及方法解决了采掘工作面煤与瓦斯突出危险非接触式连续实时监测及预警困难的技术问题，另外还具有准确性高，可操作性强等优点。

A Real-time Monitoring and Early Warning System and Method for Coal and Gas Outburst in Mining Face

The invention provides a real-time monitoring and early warning system and method for coal and gas outburst in mining face, which relates to the field of mining engineering technology, including ground central station, control host, network switch, monitoring sub-station, vibration pick-up, wind speed sensor, methane concentration sensor and acoustooptic alarm. The sensor transmits monitoring information to monitoring sub-station, and Monitoring Sub-station exchanges through network. The machine transmits the monitoring data to the ground center station. The ground center station completes the early warning analysis by real-time processing of the monitoring data. It judges the outburst risk synthetically according to the change characteristic index of microseismic events and the change characteristic index of gas emission. Based on this, a comprehensive early warning model of coal and gas outburst fuzzy evaluation is established to judge the danger grade. The early warning system and method provided by the invention solve the technical problems of non-contact continuous real-time monitoring and early warning of coal and gas outburst danger in mining face, and has the advantages of high accuracy and strong operability.

【技术实现步骤摘要】
一种采掘工作面煤与瓦斯突出实时监测预警系统及方法
本专利技术涉及采矿工程
，尤其是一种用于采掘工作面煤与瓦斯突出的实时监测预警的系统以及综合评价煤与瓦斯突出危险的方法。
技术介绍
煤与瓦斯突出是在地应力和瓦斯的共同作用下，破碎的煤和瓦斯由煤体内突然向采掘空间抛出的异常的动力现象。国内外学者关于煤与瓦斯突出发生机理形成了包括“瓦斯作用说”、“地应力作用说”、“化学本质说”和“综合作用假说”等多种学术观点，其中综合作用假说认为煤与瓦斯突出是由地应力、瓦斯压力及煤的力学性质等因素综合作用的结果，由于该理论全面考虑了突出发生的作用力和介质2个方面的主要因素，得到了普遍认可。煤与瓦斯突出危险性预测作为煤与瓦斯突出综合防治体系的重要环节，现有的突出预测方法多是静态的、不连续的，尚不能实时连续地预测煤与瓦斯突出危险性；常用的预测方法多是预测煤与瓦斯突出危险性的状态，而没有考虑突出危险性的发展趋势，难以反映煤与瓦斯突出的孕育过程。近年来，近年来，有些学者提出了一些煤与瓦斯突出预警系统和方法，例如公开号为CN101532397A的中国专利文献“煤与瓦斯突出实时诊断方法”、公开号为CN101550841B的中国专利文献“煤与瓦斯突出综合预警系统及预警方法”，但多是间接或部分的反映影响突出危险性的三个主控因素包括地应力、瓦斯压力及煤的力学性质，不能全面反映煤与瓦斯突出危险性大小；还有一些学者提出了综合利用声发射(或微震)与瓦斯动态涌出来预测煤与瓦斯突出危险性大小，例如公开号为CN106194264A的中国专利文献“一种煤与瓦斯突出实时监测及预警系统”、公开号为CN101787897B的中国专利文献“一种实时预测矿井煤与瓦斯突出危险性的系统及其方法”，但其采用的预警模型并没有真正实现两种信息的耦合关联，且以往系统都不具备定位功能，难以有效剔除采掘工作面内采掘作业产生的噪音信息。由于现有技术中还没有一种能够综合反映采掘工作面前方煤体结构变化趋势、采动应力演化和瓦斯含量变化特征的预警方法，不具备微震事件精准定位、有效剔除井下噪音的能力，因此需要提供一种实现突出危险连续非接触式实时监测及智能预警的方法与系统。
技术实现思路
为解决工作面煤与瓦斯突出危险非接触式连续实时监测及预警困难的技术问题，本发提供了一种采掘工作面煤与瓦斯突出实时监测预警系统及方法，具体技术方案如下。一种采掘工作面煤与瓦斯突出实时监测预警系统，包括地面中心站、控制主机、网络交换机、监测分站、拾振器、风速传感器、甲烷浓度传感器和声光报警器；地面中心站和控制主机通过网线连接，地面中心站和网络交换机通过光纤连接，网络交换机和监测分站通过光纤连接，监测分站通过电缆与拾振器、风速传感器、甲烷浓度传感器和声光报警器分别连接；所述拾振器、风速传感器和甲烷浓度传感器设置在巷道内，将监测信息传输至监测分站；监测分站通过网络交换机将监测数据传输至地面中心站；地面中心站包括数据分析模块、预警模块和存储模块；控制主机控制地面中心站工作；网络交换机将预警模块发出的预警信息传输至监测分站；监测分站包括模数转换模块、数据降噪模块和数据筛选模块，监测分站筛选拾振器、风速传感器和甲烷浓度传感器的监测数据。优选的是，地面中心站设置有GPS时钟，GPS时钟调整各监测分站的监测数据的时间一致；地面中心站通过网络和远端大数据分析服务平台连接，远端大数据分析服务平台与多个矿井的地面中心站通过网络连接，远端大数据分析服务平台通过机器学习算法提取监测数据的特征信息，地面中心站根据远端大数据分析服务平台的分析结果调整预警指标的临界值。优选的是，监测分站使用主控MCU芯片、信号调理器和A/D转换器，监测分站将预警信号传输至声光报警器，声光报警器包括报警指示灯和扬声器。一种采掘工作面煤与瓦斯突出实时监测预警方法，利用上述的一种采掘工作面煤与瓦斯突出实时监测预警系统，步骤包括：步骤一.布置地面中心站、控制主机和网络交换机，根据矿井地质条件和采掘条件设置，在工作面所在巷道内设置监测分站并连接安装拾振器、风速传感器、甲烷浓度传感器和声光报警器；步骤二.安装后对地面中心站、控制主机、网络交换机、监测分站、拾振器、风速传感器、甲烷浓度传感器和声光报警器进行调试，确保正常工作，连接地面中心和GPS时钟，连接地面中心和远端大数据分析服务平台；步骤三.通过控制主机设定地面中心站的数据分析模块中的参数，包括：时间的长度m和n，微震事件的滑动平均初始临界值e1、偏离率初始临界值e2和离散率初始临界值e3，瓦斯涌出量的滑动平均初始临界值e1’、偏离率初始临界值e2’和离散率初始临界值e3’，微震事件变化特征的权重w1和瓦斯涌出量变化特征的权重w2；步骤四.启动采掘工作面煤与瓦斯突出实时监测预警系统，拾振器、风速传感器和甲烷浓度传感器将监测数据传输至地面中心站，地面中心站的数据分析模块分析处理监测数据，存储模块保存监测数据并将监测数据传输至远端大数据分析服务平台，预警模块将预警信息通过网络交换机和监测分站传输至声光报警器。优选的是，预警模块的预警信息包括无突出危险、有突出威胁和有突出危险，其中预警模块发出无突出危险时声光报警器的报警指示灯显示绿色，预警模块发出有突出威胁时声光报警器的报警指示灯显示黄色，预警模块发出有突出危险时声光报警器的报警指示灯显示红色并启动扬声器。还优选的是，微震事件变化特征指数Im根据微震事件时间序列的滑动平均值A(n)t、偏离率Y(n)t和离散率V(m)t来确定；滑动平均值A(n)t的表达式为：其中，n为时间的长度；A(n)t为最近时间长度n内的微震事件滑动平均值，a为微震事件数；偏离率Y(n)t的表达式为：其中，at为t时刻的微震事件数；离散率V(m)t的表达式为：其中，μ为微震事件时间序列的样本均值；m为时间长度；根据微震事件时间序列的滑动平均值A(n)t、偏离率Y(n)t和离散率V(m)t来计算微震事件变化特征指数Im，分别确定微震事件滑动平均初始临界值e1、偏离率初始临界值e2和离散率初始临界值e3；然后对微震事件滑动平均值赋值为α，当微震事件滑动平均值大于e1时赋值为1，微震事件滑动平均值小于等于e1时赋值为0；微震事件偏离率赋值为β，当微震事件偏离率大于e2时赋值为1，微震事件偏离率小于等于e2时赋值为0；微震事件离散率赋值为γ，当微震事件离散率大于e3时赋值为1，微震事件离散率小于等于e3时赋值为0；综合判断微震事件变化特征赋值x＝α+β+γ，x＝{0，1，2，3}；微震事件变化特征指数Im的表达式为：还优选的是，瓦斯涌出量变化特征指数Ig根据瓦斯涌出量时间序列的滑动平均值A(n)’t、偏离率Y(n)’t和离散率V(m)’t来确定；滑动平均值A(n)’t的表达式为：其中，n为时间的长度；A(n)’t为最近n时间长度内的瓦斯涌出量滑动平均值，c为瓦斯涌出量大小；偏离率Y(n)’t的表达式为：其中，ct为t时刻的瓦斯涌出量；离散率V(m)’t的表达式为：其中，μ’为瓦斯涌出量时间序列的样本均值；m为时间长度；根据瓦斯涌出量时间序列的滑动平均值A(n)’t、偏离率Y(n)’t和离散率V(m)’t来计算瓦斯涌出量变化特征指数Ig，分别确定瓦斯涌出量的滑动平均初始临界值e1’、偏离率初始临界值e2本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种采掘工作面煤与瓦斯突出实时监测预警系统，其特征在于，包括地面中心站、控制主机、网络交换机、监测分站、拾振器、风速传感器、甲烷浓度传感器和声光报警器；所述地面中心站和控制主机通过网线连接，所述地面中心站和网络交换机通过光纤连接，所述网络交换机和监测分站通过光纤连接，所述监测分站通过电缆与拾振器、风速传感器、甲烷浓度传感器和声光报警器分别连接；所述拾振器、风速传感器和甲烷浓度传感器设置在巷道内，将监测信息传输至监测分站；所述监测分站通过网络交换机将监测数据传输至地面中心站；所述地面中心站包括数据分析模块、预警模块和存储模块；所述控制主机控制地面中心站工作；所述网络交换机将预警模块发出的预警信息传输至监测分站；所述监测分站包括模数转换模块、数据降噪模块和数据筛选模块，监测分站筛选拾振器、风速传感器和甲烷浓度传感器的监测数据。

【技术特征摘要】
1.一种采掘工作面煤与瓦斯突出实时监测预警系统，其特征在于，包括地面中心站、控制主机、网络交换机、监测分站、拾振器、风速传感器、甲烷浓度传感器和声光报警器；所述地面中心站和控制主机通过网线连接，所述地面中心站和网络交换机通过光纤连接，所述网络交换机和监测分站通过光纤连接，所述监测分站通过电缆与拾振器、风速传感器、甲烷浓度传感器和声光报警器分别连接；所述拾振器、风速传感器和甲烷浓度传感器设置在巷道内，将监测信息传输至监测分站；所述监测分站通过网络交换机将监测数据传输至地面中心站；所述地面中心站包括数据分析模块、预警模块和存储模块；所述控制主机控制地面中心站工作；所述网络交换机将预警模块发出的预警信息传输至监测分站；所述监测分站包括模数转换模块、数据降噪模块和数据筛选模块，监测分站筛选拾振器、风速传感器和甲烷浓度传感器的监测数据。2.根据权利要求1所述的一种采掘工作面煤与瓦斯突出实时监测预警系统，其特征在于，所述地面中心站设置有GPS时钟，GPS时钟调整各监测分站的监测数据的时间一致；所述地面中心站通过网络和远端大数据分析服务平台连接，所述远端大数据分析服务平台与多个矿井的地面中心站通过网络连接，远端大数据分析服务平台通过机器学习算法提取监测数据的特征信息，所述地面中心站根据远端大数据分析服务平台的分析结果调整预警指标的临界值。3.根据权利要求1所述的一种采掘工作面煤与瓦斯突出实时监测预警系统，其特征在于，所述监测分站使用主控MCU芯片、信号调理器和A/D转换器，所述监测分站将预警信号传输至声光报警器，所述声光报警器包括报警指示灯和扬声器。4.一种采掘工作面煤与瓦斯突出实时监测预警方法，其特征在于，利用权利要求1至3任一项所述的一种采掘工作面煤与瓦斯突出实时监测预警系统，步骤包括：步骤一.布置地面中心站、控制主机和网络交换机，根据矿井地质条件和采掘条件设置，在工作面所在巷道内设置监测分站并连接安装拾振器、风速传感器、甲烷浓度传感器和声光报警器；步骤二.安装后对地面中心站、控制主机、网络交换机、监测分站、拾振器、风速传感器、甲烷浓度传感器和声光报警器进行调试，确保正常工作，连接地面中心和GPS时钟，连接地面中心和远端大数据分析服务平台；步骤三.通过控制主机设定地面中心站的数据分析模块中的参数，包括：时间的长度m和n，微震事件的滑动平均初始临界值e1、偏离率初始临界值e2和离散率初始临界值e3，瓦斯涌出量的滑动平均初始临界值e1’、偏离率初始临界值e2’和离散率初始临界值e3’，微震事件变化特征的权重w1和瓦斯涌出量变化特征的权重w2；步骤四.启动采掘工作面煤与瓦斯突出实时监测预警系统，拾振器、风速传感器和甲烷浓度传感器将监测数据传输至地面中心站，地面中心站的数据分析模块分析处理监测数据，存储模块保存监测数据并将监测数据传输至远端大数据分析服务平台，所述预警模块将预警信息通过网络交换机和监测分站传输至声光报警器。5.根据权利要求4所述的一种采掘工作面煤与瓦斯突出实时监测预警方法，其特征在于，所述预警模块的预警信息包括无突出危险、有突出威胁和有突出危险，其中预警模块发出无突出危险时声光报警器的报警指示灯显示绿色，预警模块发出有突出威胁时声光报警器的报警指示灯显示黄色，预警模块发出有突出危险时声光报警器的报警指示灯显示红色并启动扬声器。6.根据权利要求4所述的一种采掘工作面煤与瓦斯突出实时监测预警方法，其特征在于，所述微震事件变化特征指数Im根据微震事件时间序列的滑动平均值A(n)t、偏离率Y(n)t和离散率V(m)t来确定；所述滑动平均值A(n)t的表达式为：其中，n为时间的长度；A(n)t为最近时间长度n内的微震事件滑动平均值，a为微震事件数；所述偏离率Y(n)t的表达式为：其中，at为t时刻的微震事件数；所述离散率V(m)t的表达式为：其中，μ为微震事件时间序列的样本均值；m为时间长度；根据微震事件时间序列的滑动平均值A(n)t、偏离率Y(n)t和离散率V(m)t来...

【专利技术属性】
技术研发人员：舒龙勇，霍中刚，张浪，朱南南，安赛，樊少武，邓志刚，孔令海，刘香兰，
申请(专利权)人：煤炭科学技术研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：北京,11