煤矿水情监测预警系统多指标双渠道综合预警方法与流程

1.本发明涉及煤矿矿井水情监测技术领域，尤其涉及煤矿水情监测预警系统多指标双渠道综合预警方法。


背景技术：

2.煤矿水害一直是煤矿安全生产的重大隐患，为了掌握全国煤矿水情状况，发现隐患提前预警，国家矿山安全监察局及山西省政府出台相关政策文件，要求煤矿企业加强矿井水监测预警系统建设，实现全国矿井水情联网监测。
3.(1)满足安全需求。矿井瓦斯监测监控系统已经实现全国联网，但矿井水文监测预警系统尚未实施，更谈不上全国联网，在安全监控上属于空白。系统建设及联网，对于水情监控及突水预报预警具有重要作用。
4.(2)支撑数字化矿山建设。系统以水文地质数据库为基础，实现水文监测、突水预警、应急救援决策支持等，是数字化矿山建设的一部分，实现系统的无人值守、自动运行和远程控制，是矿井本质安全的必由之路。
5.(3)保障矿井及人身安全。及时发现突水前兆信号，有助于紧急撤人，避免人身伤害，有助于领导层决策，有助于快速准确抢险救灾。
6.我国煤矿监控系统主要应用于瓦斯监测，主要有：英国的minos系统、美国的dan6400系统等，国产的主要有kj90、kj95、kj4/kj2000等近30种。国内外煤矿水灾监控系统研发却要滞后的多，英国、德国等开发的god离子传感器在地下水的水质监测上得到广泛应用，日本则主要是利用摄像法和水质监测法进行海下采煤的海水灾害预警研究与应用，上述系统只具备部分预警之功能。国内煤矿水情监测系统主要对钻孔水位、矿井排水量以及水仓水位等进行实时监测，它的功能与采掘空间有无突水危险的预测预报及预警还不能相提并论。还有为数不多的水灾监测多以单因素或静态监测为主，仅对煤层底板的可疑地段进行定时定点监测，存在监测指标不完整、预测不准确、预警临界阀值随意性等缺陷。
7.监测预警不能仅停留在电视摄像的直观水情上，因为直观看到水量增大或者某点发生突水这种监测预警已经为时已晚，必须开发由传感器监测间接数据经过特殊模型处理以及合理的推理判断后，在有突水预兆的时候提前发出预警。
8.目前用于煤矿水文实时监测的流量计、水压测量、水位测量、水温测量的传感器技术已经成熟，从安全性、可靠性上都能满足要求，井下通讯网络也有成熟的方案，水情监测系统已经逐步成熟，但是现有的系统方案普遍停留在接入传感器数据下的简单展示和分项下的报警，本身缺少对于煤矿水文的整体关注，在数据的存储、分析、整体展示上存在不足，缺少整体的预测预警机制。


技术实现要素：

9.本发明的目的是为了解决现有技术中存在的缺点，而提出的煤矿水情监测预警系统多指标双渠道综合预警方法，包括涌水量监测预警、水仓水位监测预警、水文长观孔水位
监测预警、降水量监测预警、井下瞬变电磁预警、底板电测深预警、承压含水层突水系数预警、工作面气温监测预警、老空区积水监测预警、微震监测预警、应力应变监测预警、地表沉陷监测预警和井下作业人员信息数据管理预警；
10.所述涌水量监测预警规则为：涌水风险值＝(监测涌水量-正常涌水量)/(最大涌水量-正常涌水量)，系统根据涌水风险值进行分级预警，工作面、掘进工作的涌水量预警参照此模式预警；
11.所述水仓水位监测预警规则为：中央水仓水位/水仓高度；
12.所述水文长观孔水位监测预警规则为：(监测水位-平均水位)/(历史最高水位-平均水位)；
13.所述井下瞬变电磁预警规则为：探测结果发现异常为黄色预警；钻探验证有水为橙色预警；出水量大于60m3/h为红色预警；
14.所述底板电测深预警规则为：探测结果发现异常为黄色预警；钻探验证有水为橙色预警；出水量大于60m3/h为红色预警；
15.所述承压含水层突水系数预警规则为：
16.一般风险(蓝色预警)0.04≤t＜0.05(有构造破坏地段)；
17.较高风险(黄色预警)0.05≤t＜0.06(有构造破坏地段)；
18.高风险(橙色预警)0.06≤t＜0.10(有构造破坏地段)；
19.极高风险(红色预警)t≥0.10；
20.所述工作面气温监测预警规则为：监测工作面的气温：温度越低，水害风险越大；设定温度差值a＝监测温度-正常温度，则
21.一般风险(蓝色预警)-2℃＜a≤-1℃；
22.较高风险(黄色预警)-3℃＜a≤-2℃；
23.高风险(橙色预警)-4℃＜a≤-3℃；
24.极高风险(红色预警)a≤-4℃；
25.所述老空区积水监测预警规则为：低于采掘工作面底板高度，但接近工作面1m范围内，积水线到工作面距离接近60m时，为蓝色预警；
26.低于采掘工作面底板高度，但接近工作面1m范围内，积水线到工作面距离接近30m时，为黄色预警；
27.高于采掘工作面底板高度，水压小于0.01mpa，积水线到工作面距离接近60m时，为橙色预警；
28.高于采掘工作面底板高度，水压大于0.01mpa，积水线到工作面距离接近60m时，为红色预警；
29.所述微震监测预警的规则为：引用微震系统推送的成果信息进行预警；
30.所述应力应变监测预警的规则为：引用应力应变系统推送的成果信息进行预警；
31.所述地表沉陷监测预警的规则为：根据监测数据综合分析评估报告结果预警；
32.所述井下作业人员信息数据管理预警的规则为：井下和重点区域人员数量超过允许人数时，视情况分别予以黄色预警(超过10％以内)、橙色预警(10-20％)、红色预警(超过20％)。
33.优选的，所述涌水量监测预警细则为：一般风险(蓝色预警)70％≤a＜80％；较高
风险(黄色预警)80％≤a＜90％；高风险(橙色预警9)0％≤a＜100％；极高风险(红色预警)a≥100％。
34.优选的，所述水仓水位监测预警细则为：一般风险(蓝色预警)40％≤a＜50％；较高风险(黄色预警)50％≤a＜75％；高风险(橙色预警)75％≤a＜90％；极高风险(红色预警)a≥90％；
35.水仓水位达到水仓高度1/2时为黄色预警，水位达到水仓高度3/4时为橙色预警，水位达到水仓高度90％时为红色预警。
36.优选的，所述水文长观孔水位监测预警细则为：一般风险(蓝色预警)70％≤a＜80％；较高风险(黄色预警)80％≤a＜90％；高风险(橙色预警)90％≤a＜100％；极高风险(红色预警)a≥100％；
37.水位高于平均水位的差值达到历史最高水位和平均水位的差值的80％，即：80％时为黄色；90％时为橙色；高于最高水位时为红色。
38.优选的，所述降水量监测预警规则为：蓝色预警：12小时内降雨量将达50毫米以上，或者已达50毫米以上且降雨可能持续；黄色预警：6小时内降雨量将达50毫米以上，或者已达50毫米以上且降雨可能持续；橙色预警：3小时内降雨量将达50毫米以上，或者已达50毫米以上且降雨可能持续。红色预警：3小时内降雨量将达100毫米以上，或者已达100毫米以上且降雨可能持续。
39.优选的，所述井下瞬变电磁预警探测结果以报告、图件或台账的方式接入系统模块，所述底板电测深预警探测结果以台账的方式接入系统模块，所述承压含水层突水系数预警探测结构以台账的方式接入系统模块。
40.优选的，所述工作面气温监测预警中采掘工作面及各回风中均安装有温度传感器，可将其数据转接入“矿井水监测预警系统”预留模块中。
41.优选的，所述老空区积水监测预警将已有探测、监测数据集成到“矿井水监测预警系统”模块中。
42.优选的，所述微震监测预警在采煤工作面二个顺槽巷道分别布置6-12个高灵敏捡波器，监测工作面底板下煤岩层的水文地质条件变化情况，从而对底板承压含水层突水起到预警作用。
43.优选的，所述应力应变监测预警将已有应力应变系统成果数据接入集成到“矿井水监测预警系统”模块中，所述地表沉陷监测预警将地表沉降监测数据和评价成果输入集成到“矿井水监测预警系统”模块中，所述井下作业人员信息数据管理预警将井下作业人员信息数据接入到“矿井水监测预警系统”模块中。
44.与现有技术相比，本发明的有益效果为：
45.本发明的核心原理是由各种传感器实时监测或间接数据、基础资料经过特殊模型处理以及合理的推理判断后，在煤矿有水患危险的时候根据综合预警模式提前发出预警。其优点是由于和煤矿的生产实际结合比较紧密，且为多指标综合预警，其预警效果比较可靠。
46.多指标是指：对地表水体、水文孔的水位进行监测、井下涌水点涌水量监测、矿井水仓排水量监测、降水量监测、微震监测、入井人员监测、井下瞬变电磁探测成果数据分析、底板电测深法成果分析、地表沉陷监测、抽放水试验、工作面气温和承压含水层突水系数等
多项指标数据的监测和分析并进行风险预警，取其名为多指标预警。其中，井下瞬变电磁探测可以超前探测前方是否有含水层和老空水异常，结合井下钻探可对井下水害进行预测预报。
47.双渠道是指：在上述各项指标的预警级别中选择最高级别的和《煤矿防治水安全风险检查评分表》得出的风险值对应的预警级别相比较，取其高者为煤矿的预警级别，取其名为双渠道预警。
48.为了对可能导致煤矿发生水害的各项指标进行精准的实时监测和预警我们特制定了《煤矿水害事故风险动态分析估系统数据采集标准》。同时也制定了《煤矿防治水安全风险检查评分表》，从体系制度、管理理念、基础资料、防治水工程、风险管控等方面进行综合评价打分(参考煤矿安全生产标准标准化考核打分模式)，把扣分值作为风险值进行风险预警，扣分越多，预警风险级别越高，共分蓝色、黄色、橙色、红色四个等级。
49.基于多指标双渠道的矿井水综合监测预警模式，可以有效提高煤矿水害预测预警的准确性、可靠性和及时性。
附图说明
50.图1为本发明提出的煤矿水情监测预警系统多指标双渠道综合预警方法模块结构图。
具体实施方式
51.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
52.参照图1，煤矿水情监测预警系统多指标双渠道综合预警方法，包括涌水量监测预警、水仓水位监测预警、水文长观孔水位监测预警、降水量监测预警、井下瞬变电磁预警、底板电测深预警、承压含水层突水系数预警、工作面气温监测预警、老空区积水监测预警、微震监测预警、应力应变监测预警、地表沉陷监测预警和井下作业人员信息数据管理预警。
53.其中地面水文监测预警、井下水文孔监测预警、井下涌水量监测预警、水仓排水量监测预警、降水量监测预警、微震系统监测预警是必采必传预警；抽(放)水试验监测预警、井下作业人员管理预警、井下瞬变电磁探测成果预警、底板电测深法探测成果预警、老空区(采空区)水位水压监测预警、工作面气温监测预警、承压含水层突水系数测算预警以及地表沉陷监测预警，具备条件的煤矿进行上传，不做强制要求。同时对探水台账、监测数据台账等台账进行管理。
54.各煤矿水情监测预警方案主要是对该矿中央水仓、采区水仓、采煤工作面、掘进工作面的涌水量、排水量、水仓水位布置监测设备进行实时监测；对地面水文孔的水位、降雨量布置监测设备进行实时监测。《矿井水监测预警系统建设标准》中的其它指标根据矿上的实际情况和相关资料、台账进行输入或接入后，进行综合分析预警。
55.矿端提供cad图与gis地图结合，形成一张图的矿井展示，也可以自定义选择图层控制隐藏或者显示。对用户所属煤矿的整体地形cad进行展示，并在cad中标记出煤矿中不同类型监测点的位置信息及监测点的设备状态和预警状态标记展示，同时，通过单因素模型和多因素模型对煤矿的动态、静态指标进行风险值趋势预警和预测。
56.矿端总体预警规则：1、各指标预警等级按相对变化情况均分为蓝色、黄色、橙色、红色四个级别预警；2、煤矿综合预警按就高不就低的原则，按各指标之中最高的一种作为全矿的预警级别，如图-1所示，综合展示按水仓水位红色预警作为全矿的预警级别；当然在综合平台上也可查到其他指标的预警级别。此预警模式称为多指标预警；3、也可把结合防治水安全风险检查评分表所评风险值，进行综合预警，即二者谁的预警级别高就按谁的级别预警。此预警模式可称为多指标双渠道预警。
57.涌水量监测预警规则为：涌水风险值＝(监测涌水量-正常涌水量)/(最大涌水量-正常涌水量)，系统根据涌水风险值进行分级预警，工作面、掘进工作的涌水量预警参照此模式预警；涌水量监测预警细则为：一般风险(蓝色预警)70％≤a＜80％；较高风险(黄色预警)80％≤a＜90％；高风险(橙色预警)90％≤a＜100％；极高风险(红色预警)a≥100％。
58.涌水量根据水仓加装的水位传感器实时监测水仓水位，以时间、容积、水位相结合的方式测算出单位时间的涌水量，达到突发事故早发现、早预警、早排水的目的，将数据采集分站串联接入排水管道中，数据采集分站内部的传感器实时的检测各项参数，并将数据通过以台账的方式接入系统模块，保证了监测数据的实时性，准确性。
59.水仓水位监测预警规则为：中央水仓水位/水仓高度；
60.水仓水位监测预警细则为：一般风险(蓝色预警)40％≤a＜50％；较高风险(黄色预警)50％≤a＜75％；高风险(橙色预警)75％≤a＜90％；极高风险(红色预警)a≥90％；
61.水仓水位达到水仓高度1/2时为黄色预警，水位达到水仓高度3/4时为橙色预警，水位达到水仓高度90％时为红色预警。
62.煤矿井下水仓高低水位声光报警器，通过485接口把水情的各种信息实时传输并将数据以台账的方式接入系统模块，供调度人员随时了解井下水情。水文长观孔水位监测预警规则为：(监测水位-平均水位)/(历史最高水位-平均水位)；
63.水文长观孔水位监测预警细则为：一般风险(蓝色预警)70％≤a＜80％；较高风险(黄色预警)80％≤a＜90％；高风险(橙色预警)90％≤a＜100％；极高风险(红色预警)a≥100％；水位高于平均水位的差值达到历史最高水位和平均水位的差值的80％，即：80％时为黄色；90％时为橙色；高于最高水位时为红色。
64.水文长观孔水位监测预警包括地面监测服务器、监测通讯分站和各种监测仪器：如流量监测仪、水压监测装置。可以对矿井上下的水文情况进行实施监测，包括流量、水压、水位(温)、等采集各种测量数据，井下数据通过总线传至地面微机，以台账的方式接入系统模块，利用多参数实时数据进行超限分析，实现系统的实时综合超限预警功能，实现多测点、多参数条件下的报警。
65.降水量监测预警规则为：蓝色预警：12小时内降雨量将达50毫米以上，或者已达50毫米以上且降雨可能持续；黄色预警：6小时内降雨量将达50毫米以上，或者已达50毫米以上且降雨可能持续；橙色预警：3小时内降雨量将达50毫米以上，或者已达50毫米以上且降雨可能持续；红色预警：3小时内降雨量将达100毫米以上，或者已达100毫米以上且降雨可能持续，预警模式参照气象台发布的暴雨预警信号，其中降水量监测预警采用超声波雨量计，超声波雨量计是一种基于超声测距原理的高精度雨量计，具有数据稳定，精度高的优点，精度可达0.1mm。
66.井下瞬变电磁预警规则为：探测结果发现异常为黄色预警；钻探验证有水为橙色
预警；出水量大于60m3/h为红色预警，井下瞬变电磁预警探测结果以报告、图件或台账的方式接入系统模块，矿用瞬变电磁仪能对地电体之间电阻率差异有源测量,能对煤矿井下采空区、溶洞充水等地质现象的不同电阻率反映，实现对被测地质区成像，供使用者分板地质区域情况。
67.底板电测深预警规则为：探测结果发现异常为黄色预警；钻探验证有水为橙色预警；出水量大于60m3/h为红色预警，底板电测深预警探测结果以台账的方式接入系统模块。
68.其中底板电测深预警以集多频连续电法充水水源监测、“井-地-孔”联合微震采动底板破坏带监测以及监测大数据智能预警为一体的煤层底板突水三维监测与智能预警技术思路，其中多频连续电法监测系统以伪随机多频序列为人工场源,利用伪随机相关辨识技术提取强噪声背景中的弱信号,采用拟高斯-牛顿法对预处理数据进行三维电阻率反演,实现对煤层底板充水水源变化过程的自动化三维监测。
69.承压含水层突水系数预警规则为：一般风险(蓝色预警)0.04≤t＜0.05(有构造破坏地段)；较高风险(黄色预警)0.05≤t＜0.06(有构造破坏地段)；高风险(橙色预警)0.06≤t＜0.10(有构造破坏地段)；极高风险(红色预警)t≥0.10；
70.承压含水层突水系数预警探测结构以台账的方式接入系统模块。
71.其中承压含水层突水系数预警包括突水源探测器、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，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。
72.工作面气温监测预警规则为：监测工作面的气温：温度越低，水害风险越大；设定温度差值a＝监测温度-正常温度，则一般风险(蓝色预警)-2℃＜a≤-1℃；较高风险(黄色预警)-3℃＜a≤-2℃；高风险(橙色预警)-4℃＜a≤-3℃；极高风险(红色预警)a≤-4℃；
73.工作面气温监测预警中采掘工作面及各回风中均安装有温度传感器，可将其数据转接入“矿井水监测预警系统”预留模块中。老空区积水监测预警规则为：低于采掘工作面底板高度，但接近工作面1m范围内，积水线到工作面距离接近60m时，为蓝色预警；低于采掘工作面底板高度，但接近工作面1m范围内，积水线到工作面距离接近30m时，为黄色预警；高于采掘工作面底板高度，水压小于0.01mpa，积水线到工作面距离接近60m时，为橙色预警；高于采掘工作面底板高度，水压大于0.01mpa，积水线到工作面距离接近60m时，为红色预警；老空区积水监测预警将已有探测、监测数据集成到“矿井水监测预警系统”模块中，采用瞬变电磁法勘探 探水钻孔优化布置的方案,实现了对井下老空积水区域的精确探测。
74.微震监测预警的规则为：引用微震系统推送的成果信息进行预警，微震监测预警在采煤工作面二个顺槽巷道分别布置6-12个高灵敏捡波器，监测工作面底板下煤岩层的水文地质条件变化情况，从而对底板承压含水层突水起到预警作用。
75.应力应变监测预警的规则为：引用应力应变系统推送的成果信息进行预警，应力应变监测预警将已有应力应变系统成果数据接入集成到“矿井水监测预警系统”模块中，高精度微震监测技术进行煤矿突水危险监测时采用全局寻优定位技术，充分考虑内、外场震源定位的不同影响因素，结合速度结构、检波器一致性等校正技术，实现微震震源的高稳定、高精度定位、优化布置微震监测台网，对大断层、陷落柱等隐伏构造进行实时监测，通过对定位结果的三维展示和分析，得到地质构造的活化规律、底板破裂深度、顶板破裂高度、合理煤柱尺寸等实测参数，实现对突水危险性的预测预报。
76.地表沉陷监测预警的规则为：根据监测数据综合分析评估报告结果预警，地表沉陷监测预警将地表沉降监测数据和评价成果输入集成到“矿井水监测预警系统”模块中。
77.井下作业人员信息数据管理预警的规则为：井下和重点区域人员数量超过允许人数时，视情况分别予以黄色预警(超过10％以内)、橙色预警(10-20％)、红色预警(超过20％)，井下作业人员信息数据管理预警将井下作业人员信息数据接入到“矿井水监测预警系统”模块中。
78.其它监测系统：地表水体(包括河流、湖泊、水库等)监测点基础信息数据
79.内容简述：地表水体监测数据主要是指地表监测点的位置信息以及监测点过水断面的流量、水位等属性信息的全部测点数据。
80.预警规则：和气象、防汛部门联网，汛期煤矿附近地表如果有大江大河、湖泊、水库出现汛情预警时，预警状态以防汛部门发布的预警信息为准。数据接入方式：把气象、防汛部门的信息接入到“矿井水监测预警系统”模块中，并同步发布预警信息。
81.水质监测(水化学数据)：内容简述：矿井要建立对含水层、涌水点等采集水样进行水质化验分析，用于水源判别和含水层富水性分析。主要采集化学成分监测数据、物理属性监测数据以及分析结果。数据接入方式：把监测到位数据及分析结果输入到“矿井水监测预警系统”模块中。
82.煤矿防治水安全风险值预警规则：内容简述：根据煤矿防治水安全风险检查评分表扣份值，作为煤矿防治水安全风险值(静态指标)对煤矿的安全风险预警。具体评分规则见下表：
83.84.85.86.87.88.89.90.91.92.93.94.95.[0096][0097]
注：此评分表参考了煤矿安全生产标准化评分模式，得分可和标准化级别对应，表中增加了扣分一栏，把总扣分值作为该矿防治水安全风险值，依据扣分多少划分预警级别。预警规则：0—10分蓝色风险(一般风险)；11—20分黄色预警(较高风险)；21
‑‑
30分橙色预警(高风险)；31
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40分或以上红色预警(极高风险)。此风险预警级别和单项预警级别最高者比较，取其高者作为全矿的预警级别(可称为多指标双渠道预警)。数据接入规则：把扣分值(防治水安全风险值)输入到“矿井水监测预警系统”模块中。
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以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的仅为本发明的优选例，并不用来限制本发明，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。