瓦斯超限预警系统及方法与流程

本发明涉及煤矿安全技术领域，具体的说是一种瓦斯超限预警系统及方法。

背景技术：

瓦斯灾害是煤矿安全生产中的重大灾害之一。其中尤以煤与瓦斯突出和瓦斯爆炸最为严重。煤与瓦斯突出是煤矿井下含瓦斯煤体在极短的时间内，从煤壁内部向采掘空间突然喷出大量煤和瓦斯的十分复杂的动力现象。它能在很短的时间内，由煤岩体向巷道或采场抛出大量的煤岩及瓦斯，产生如推倒矿车、破坏支架、导致巷道风流逆转等动力效应，经常会破坏井下设施设备和通风系统，并容易造成煤炭掩埋人员、瓦斯窒息、瓦斯爆炸等伤亡事故，给煤矿安全生产带来严重威胁。矿井瓦斯爆炸本质上是一定浓度的甲烷和空气中的氧气相互作用，在一定温度的作用下产生的剧烈氧化反应。一旦发生，不仅会造成大量人员伤亡，而且还会严重摧毁矿井设施，造成生产中断；甚至还会引起煤尘爆炸、矿井火灾等二次事故，从而加重灾害，造成巨大的损失。在我国11000多座矿井中，95％以上的煤矿采用井工开采，高瓦斯和煤与瓦斯突出矿井占50％以上，高瓦斯矿井易发生瓦斯窒息、瓦斯爆炸、煤与瓦斯突出等煤矿安全事故，尤其煤与瓦斯突出事故具有破坏性大、复杂程度高、可预见性低等特点，是目前煤矿生产过程中亟待解决的重大安全问题。因此，研究和掌握矿井瓦斯事故发生原因及其防治技术，对于矿井安全生产，保障矿工的生命安全具有十分重要的意义。

经过几十年的瓦斯事故机理研究和现场实践，我国形成了一套集突出危险性预测预报、防突措施、防突措施效果检验、安全防护措施在内的“四位一体”综合防突措施技术体系。此外，根据事故致因理论，综合分析引起矿井瓦斯爆炸的温度、氧气浓度及瓦斯浓度三个基本条件，得出防治矿井瓦斯爆炸，首先应当防止煤矿井下瓦斯积聚，避免瓦斯超限事故的发生。通过推行“四位一体”综合防突体系和严格管控井下各用风地点瓦斯浓度，有效防治了各种瓦斯灾害的发生，但由于对瓦斯灾害机理的认识不足及生产现场的复杂性，目前仍然无法完全杜绝瓦斯灾害的发生。

煤矿安全监控系统和突出危险性预测是防治矿井瓦斯超限、煤与瓦斯突出的重要技术手段。目前，我国高瓦斯、突出矿井主要依靠煤矿安全监控系统对矿井各作业地点进行瓦斯浓度的监测、预报，通过向煤层打钻的方式预测煤层区域的突出危险性，针对有危险的区域或工作面采取防突措施消除突出危险。但是，现有的煤矿安全监控系统、突出危险性预测方法仍然存在不足和有待提高的地方：①瓦斯浓度监测预报与突出危险性预测指标之间具有相对的孤立性，无法对工作面瓦斯灾害进行综合智能预判；②现有的瓦斯灾害监测系统通常无法对煤层区域或工作面的实时作业情况，如煤层赋存、地质构造、通风、钻孔瓦斯变化情况进行实时反馈，不利于瓦斯灾害的实时预警；③现有的瓦斯灾害预测方法大多只考虑客观的瓦斯超限指标、突出危险性预测指标进行瓦斯灾害预报，忽视了起决定作用的矿井管理水平和防突措施的执行情况；④现有的瓦斯灾害预测方法大多是简单利用预测指标绝对性地给出预测结果，尚不能细分工作面的瓦斯灾害等级及各种预警等级累积作用下的超前工作面瓦斯灾害发生趋势。

目前，在煤矿安全监控系统方面，国外主要有德国tf-200瓦斯监测系统、波兰cmm-20瓦斯监测系统、美国scada瓦斯监测系统等。国内重庆煤科院的kj90煤矿安全综合监控系统、天地科技股份公司常州自动化分公司的kj95煤矿监测监控系统，沈阳煤科院的kjf338矿井安全生产综合监控系统和北京瑞赛公司的kj4/kj2000等系统在我国绝大多数的高瓦斯、突出矿井得到了广泛应用。其软硬件功能、系统稳定性和可靠性等方面代表了我国煤矿监测监控系统的技术水平。尤其是重庆煤科院在地理信息系统(gis)基础上建立了数字化矿井数据库，建立了煤与瓦斯突出危险性预警指标，对煤与瓦斯突出进行趋势预警和临灾预警，为瓦斯灾害预警系统的进一步研究奠定了坚实的基础。但是，在矿井瓦斯灾害预警系统中矿井工作面实时数据录入、预警预测指标相互作用关系、预警系统架构方面，仍有待进一步研究。

技术实现要素：

针对现有技术中存在的上述不足之处，本发明要解决的技术问题是提供一种利用实时获取的瓦斯浓度信息及人工录入信息进行瓦斯超限预警的方法及系统，对相关的安全信息进行实时监测、分析和预警，从而为矿井采取相应的瓦斯灾害防治措施，进行瓦斯灾害防治提供依据。

本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：一种瓦斯超限预警系统，包括：

瓦斯超限预警综合管理平台，用于获取矿井的瓦斯浓度数据和采掘进尺、地质测量、防突指标及井下工作面煤层瓦斯数据，并将获取到的数据上传至瓦斯超限预警综合服务器中的瓦斯超限预警数据库中，还用于矿井的预警规则制定、预警结果发布、预警解除、在瓦斯超限预警数据库中按照预警规则进行瓦斯预警判定并将判定结果通过瓦斯超限预警信息发布系统发布；

瓦斯超限预警综合服务器，用于建立矿井的瓦斯超限预警数据库；所述瓦斯超限预警数据库用于储存矿井的瓦斯超限预警数据，还用于预警结果的计算和判定；

瓦斯超限预警信息发布系统，连接瓦斯超限预警综合管理平台，用于矿井瓦斯超限综合预警结果的网络信息发布。

所述瓦斯超限预警综合管理平台连接工作面瓦斯涌出动态特征管理系统，所述工作面瓦斯涌出动态特征管理系统通过监控系统接口软件连接监控系统；所述监控系统用于实时读取矿井的瓦斯浓度数据，并通过所述监控系统接口软件上传至工作面瓦斯涌出动态特征管理系统中。

所述工作面瓦斯涌出动态特征管理系统用于对调取数据进行显示、查询、动态分析，并对正常工作和调校的瓦斯传感器进行管理，同时对数据隐含信息进行模型化处理。

所述瓦斯超限预警数据包括瓦斯、地质、生产、预警规则和预警结果。

所述瓦斯超限预警综合管理平台连接工作面采掘进度管理系统、工作面地质测量管理系统、工作面动态防突管理系统和井下数据输入终端；

所述工作面采掘进度管理系统，用于工作面回采进尺日报、掘进进尺日报的录入，实现矿井采掘进度的动态管理；

所述工作面地质测量管理系统，用于矿井新掘进巷道、回采工作面管理，并实时录入地质构造，实现矿井新旧巷道、工作面及地质构造的动态管理；

所述工作面动态防突管理系统，用于矿井各工作面瓦斯超限预警指标的实时录入，并生成全矿井瓦斯地质图，实现全矿井瓦斯超限信息由局部到区域的动态管理；

所述井下数据输入终端，用于实时录入井下各掘进、回采工作面煤层赋存、地质构造、通风、管理因素及瓦斯数据的异常情况，并通过井下环网传输至瓦斯超限预警管理子平台连接的工作面预警管理系统。

一种瓦斯超限预警方法，包括以下步骤：

获取矿井的瓦斯浓度数据和采掘进尺、地质测量、防突指标及井下工作面煤层瓦斯数据；

将获取到的数据上传至瓦斯超限预警综合服务器中的瓦斯超限预警数据库中；所述瓦斯超限预警综合服务器用于建立矿井的瓦斯超限预警数据库；所述瓦斯超限预警数据库用于储存矿井的瓦斯超限预警数据；

按照瓦斯超限预警数据库中对应的预警规则实现预警结果的计算和判定；

通过瓦斯超限预警信息发布系统对矿井瓦斯超限综合预警结果进行网络信息发布。

所述获取矿井的瓦斯浓度数据和采掘进尺、地质测量、防突指标及井下工作面煤层瓦斯数据，在各个矿井中包括：

实时读取矿井的瓦斯浓度数据；

矿井采掘进尺、地质测量、防突指标及井下工作面煤层瓦斯数据的现场录入。

所述按照瓦斯超限预警数据库中对应的预警规则实现预警结果的计算和判定，包括以下步骤：

根据工作面瓦斯涌出动态特征管理系统分析的各个工作面瓦斯涌出量变化情况，并依据预设的瓦斯超限规则，发出瓦斯超限预警信息；

根据动态防突系统中瓦斯压力、瓦斯含量及瓦斯地质图，依据瓦斯超限指标，发出瓦斯超限预警信息；

根据井下数据输入终端实时录入的煤层赋存特征、地质构造、通风及管理因素，结合采掘进度管理系统中工作面的掘进、回采进尺数据信息，判断工作面正前与煤层赋存异常区、地质构造带及瓦斯异常区的相对距离，并结合通风措施制定和管理因素，进行瓦斯超限规则判定，发出瓦斯超限预警信息。

所述根据工作面瓦斯涌出动态特征管理系统分析的各个工作面瓦斯涌出量变化情况，并依据预设的瓦斯超限规则，发出瓦斯超限预警信息，具体为：当瓦斯浓度符合超限预警规则“t1≥1％”、“t2≥0.7％”、“t7最大值≥1.6％”或一班内同一工序条件下瓦斯浓度变化值≥0.3％，即时进行全矿井瓦斯超限黄色预警；当“t1≥1.2％”、“t2≥0.8％”或一班内同一工序条件下瓦斯浓度变化值≥0.4％，即时进行全矿井瓦斯超限红色预警；其中，t1为工作面瓦斯传感器数值，t2为回风巷瓦斯传感器数值，t7为专用瓦斯排风巷传感器数值；

所述根据动态防突系统中瓦斯压力、瓦斯含量及瓦斯地质图，依据瓦斯超限指标，发出瓦斯超限预警信息，具体为：当瓦斯压力、瓦斯含量值达到超限预警规则“7.5≤w＜8m³/t”或“0.7≤p＜0.74mpa”，即时进行全矿井瓦斯超限黄色预警；当“w≥8m³/t”或“p≥0.74mpa”，即时进行全矿井瓦斯超限红色预警；其中，w为瓦斯含量，p为瓦斯压力；

所述根据井下数据输入终端实时录入的煤层赋存特征、地质构造、通风及管理因素，结合采掘进度管理系统中工作面的掘进、回采进尺数据信息，判断工作面正前与煤层赋存异常区、地质构造带及瓦斯异常区的相对距离，并结合通风措施制定和管理因素，进行瓦斯超限规则判定，发出瓦斯超限预警信息，具体为：当掘进、回采工作面位于地质构造带20m范围内、地面钻井或钻孔50m范围内或顶板破碎时，即进行瓦斯超限黄色预警；当掘进工作面煤层层理紊乱、煤层走向、倾角突然急剧变化或煤体破坏类型由i、ⅱ类煤变为ⅲ类煤、ⅳ类、ⅴ类煤时，即时发出瓦斯超限黄色预警；当工作面出现停风、微风、风流反向区域或通风断面小于设计断面2/3时，即进行瓦斯超限黄色预警；在回采、掘进工作面瓦斯管理中，当出现瓦斯、地质构造异常不汇报或通风设施人为损坏等问题时，即进行瓦斯超限黄色预警；当发现监测监控系统停运或不执行瓦斯治理措施时，即时进行瓦斯超限红色预警。

还包括：

实现两条或多条单指标预警联合的多指标叠加瓦斯超限综合分级预警：仅触发一条指标时产生一条工作面瓦斯超限黄色预警，当同时满足两条或多条黄色预警指标时，两条或多条黄色预警会升级为一条瓦斯超限红色预警。

本发明充分利用调取的实时瓦斯浓度信息及人工录入的信息进行预警，结合新开发的井下数据输入终端，将矿井各部门的采掘进尺、瓦斯指标变化及工作面情况(煤层赋存、地质构造、通风、管理因素)等可能造成工作面瓦斯超限的影响因素进行管理和分析，实现矿井瓦斯超限的实时分级预警，有效降低煤矿瓦斯超限事故的发生概率，保障矿井的安全生产。

附图说明

图1为瓦斯超限预警系统结构示意图；

图2为瓦斯超限预警方法中的关键指标图；

图3为回采工作面超限瓦斯与地质构造双指标叠加分级预警模型图；

图4位瓦斯预警流程图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步的详细说明。

如图1所示，本实施例的瓦斯超限预警系统包括：

瓦斯超限预警综合管理平台1(著作权登记号：2016sr055229)，用于维护集团公司瓦斯预警综合服务器中的瓦斯超限预警数据库中的瓦斯超限实时预警数据和预警规则体系，并用于管理矿井预警子系统，用于矿井具体预警规则制定、预警结果发布、解除预警，并上传至瓦斯超限预警综合服务器中的瓦斯超限预警数据库；

瓦斯超限预警数据库2，用于储存矿井与瓦斯超限预警相关的数据；

瓦斯超限预警综合服务器3，用于建立瓦斯超限预警数据库；

瓦斯超限预警信息发布系统4(著作权登记号：2016sr087185)，用于矿井瓦斯超限综合预警结果的网络信息发布。

所述监控系统5包括：

监控系统5(kj333煤矿安全生产监控系统，安标证号：mfc070106)，作为瓦斯超限综合预警系统的重要数据源，实时可以读取矿井瓦斯浓度数据，并上传至瓦斯超限预警综合服务器中的瓦斯超限预警数据库；

监控系统接口软件6，作为监控系统数据的分析软件，并将解析后的数据传入工作面瓦斯涌出动态特征管理系统；

工作面瓦斯涌出动态特征管理系统7(著作权登记号：2016sr053982)，对调取数据进行显示、查询、动态分析，并对正常工作和调校的瓦斯传感器进行管理，同时对数据隐含信息进行模型化处理；

由于煤矿安全监控系统5厂家不统一，无法直接获取数据，采用监控系统接口软件6解析数据的方式间接获取数据，监控系统接口软件6用于实时读取矿井的瓦斯浓度数据，并上传至工作面瓦斯涌出动态特征管理系统7中。

工作面采掘进度管理系统8、工作面地质测量管理系统9、工作面动态防突管理系统10和井下数据输入终端11用于矿井采掘进尺、地质测量、防突指标及井下工作面煤层瓦斯数据的现场录入，并上传至瓦斯超限预警综合服务器中的瓦斯超限预警数据库；具体包括：

工作面采掘进度管理系统10(著作权登记号：2016sr053394)，用于工作面回采进尺日报、掘进进尺日报的录入，实现矿井采掘进度的动态管理；

工作面地质测量管理系统11(著作权登记号：2016sr053177)，用于矿井新掘进巷道、回采工作面管理，并实时录入断层、陷落柱等地质构造，实现矿井新旧巷道、工作面及地质构造的动态管理；

工作面动态防突管理系统12(著作权登记号：2016sr053401)，用于矿井工作面瓦斯超限预警指标的实时录入，并能够自动生成全矿井瓦斯地质图；

井下数据输入终端13，用于实时录入井下掘进、回采工作面煤层赋存、地质构造、通风、管理因素及瓦斯数据的异常情况，并通过井下环网及时上传至瓦斯超限预警综合管理平台；

预警流程如图4所示，首先进行数据采集，包括监控系统自动采集及人工录入，之后进行预警规则判断，输出预警结果，并进行预警结果发布。

瓦斯超限预警方法具体为：

1)矿井瓦斯超限数据的数据采集

监控中心人员通过矿区局域网，将煤矿安全监控系统与工作面瓦斯涌出动态特征管理系统进行信息互联，实时自动读取矿井瓦斯浓度实时数据，并根据监控系统中瓦斯传感器的工作状况定期调校、更新，并上传至瓦斯超限预警综合服务器中的瓦斯超限预警数据库；

生产科生产进度管理人员通过工作面采掘进度管理系统，向瓦斯超限预警综合服务器中的瓦斯超限预警数据库中录入掘进、回采工作面进尺及相关信息，并负责维护采掘进度管理系统；

地测科地质测量管理人员通过工作面地质测量管理系统，向瓦斯超限预警综合服务器中的瓦斯超限预警数据库中录入矿井地测数据，并负责维护地质测量管理系统；

通风科防突队管理人员通过工作面动态防突管理系统，向瓦斯超限预警综合服务器中的瓦斯超限预警数据库中录入矿井工作面的瓦斯压力和瓦斯含量值，生成煤层瓦斯地质图，并负责动态防突管理系统；

生产科井下工作面队组技术人员通过井下数据录入终端，向瓦斯超限预警综合服务器中的瓦斯超限预警数据库中录入煤层赋存、地质构造、通风、管理因素及瓦斯等数据的异常情况，并由机电科负责井上、井下预警设备及线路维护。

2)矿井瓦斯超限实时分级预警

通风科瓦斯超限管理人员通过瓦斯超限预警综合管理平台，向瓦斯超限预警综合服务器中的瓦斯超限预警数据库中加入瓦斯超限预警规则，并监督其他预警子系统的运行情况，发布预警结果、制定响应措施，并进行跟踪落实。具体包括如下步骤：

(1)瓦斯超限预警综合管理平台依据地质测量数据中的地质勘探钻孔、瓦斯抽采钻孔和井下煤层、地质构造、工作面、巷道测量数据的空间信息及属性信息，生成基于网络地理信息系统的矿井动态采掘工程平面图，为矿井瓦斯超限预警管理提供基础平台；

(2)瓦斯超限预警综合管理平台通过工作面瓦斯涌出动态特征管理系统和工作面动态防突管理系统，根据井下工作面实测瓦斯压力、瓦斯含量及瓦斯涌出量，生成瓦斯压力、瓦斯含量及瓦斯涌出量等值线和煤层瓦斯地质图，生成基于网络地理信息系统的煤层瓦斯地质图；

(3)从而根据瓦斯涌出量异常、采掘活动造成的采动影响、超限预测指标、井下终端录入的煤层赋存、地质构造、通风及管理因素，进行单指标预警与双指标叠加的综合预警，发出瓦斯超限分级预警信息；

具体瓦斯超限预警流程在瓦斯超限预警数据库2中进行，包括：

①瓦斯超限预警综合管理平台根据工作面瓦斯涌出动态特征管理系统智能分析的个工作面瓦斯涌出量变化情况，并依据预设的瓦斯超限规则，发出瓦斯超限预警信息；具体来说，当瓦斯浓度符合超限预警规则“t1≥1.0％”、“t2≥0.7％”、“t7最大值≥1.6％”或一班内同一工序条件下瓦斯浓度变化值≥0.3％，即时进行全矿井瓦斯超限黄色预警；当“t1≥1.2％”、“t2≥0.8％”或一班内同一工序条件下瓦斯浓度变化值≥0.4％，即时进行全矿井瓦斯超限红色预警；

②瓦斯超限预警综合管理平台根据动态防突系统中瓦斯压力、瓦斯含量及瓦斯地质图，依据瓦斯超限指标，发出瓦斯超限预警信息；具体来说，当瓦斯压力、瓦斯含量值达到超限预警规则“7.5≤w＜8m³/t”或“0.7≤p＜0.74mpa”，即时进行全矿井瓦斯超限黄色预警；当“w≥8m³/t”或“p≥0.74mpa”，即时进行全矿井瓦斯超限红色预警；

③瓦斯超限预警综合管理平台根据井下数据输入终端实时录入的煤层赋存特征、地质构造、通风及管理因素，结合采掘进度管理系统中工作面的掘进、回采进尺数据信息，判断工作面正前与煤层赋存异常区、地质构造带及瓦斯异常区的相对距离，并结合通风措施制定和管理因素，进行瓦斯超限规则判定，发出瓦斯超限预警信息；

具体来说，当掘进、回采工作面位于地质构造带20m范围内、地面钻井或钻孔50m范围内或顶板破碎时，即进行瓦斯超限黄色预警；当掘进工作面煤层层理紊乱、煤层走向、倾角突然急剧变化或煤体破坏类型由i、ⅱ类煤变为ⅲ类煤、ⅳ类、ⅴ类煤时，即时发出瓦斯超限黄色预警；当工作面出现停风、微风、风流反向区域或通风断面小于设计断面2/3时，即进行瓦斯超限黄色预警；在回采、掘进工作面瓦斯管理中，当出现瓦斯、地质构造异常不汇报或通风设施人为损坏等问题时，即进行瓦斯超限黄色预警；当发现监测监控系统停运或不执行瓦斯治理措施时，即时进行瓦斯超限红色预警；

④瓦斯超限预警综合管理平台在根据所述单指标预警规则实现瓦斯超限预警的同时，还能实现两条或多条单指标预警联合的多指标叠加瓦斯超限综合分级预警。所述多指标叠加的瓦斯超限综合分级预警是指仅触发一条指标时产生一条工作面瓦斯超限黄色预警，当同时满足两条或多条黄色预警指标时，两条或多条黄色预警会升级为一条瓦斯超限红色预警。如图3所示，当地质构造异常和瓦斯浓度异常同时触发瓦斯超限黄色预警时，两条超限黄色预警联合进行超限危险性判识，发出瓦斯超限红色预警。