本发明涉及煤矿安全生产监控与智能预警，具体为一种煤矿井下瓦斯浓度智能预警系统及方法。
背景技术：
1、煤矿安全生产是国家能源战略的重要保障，而瓦斯灾害一直是威胁井下作业安全的首要因素。
2、目前普遍采用的瓦斯防治系统主要基于固定阈值报警和集中式通风，在实际应用中存在以下突出缺陷：
3、预警滞后：现有系统缺乏对瓦斯浓度动态变化趋势的智能预测功能，仅在危险临近或发生时进行滞后报警，无法为风险干预预留宝贵的提前量。同时，集中式通风模式难以适应井下多分层开采的复杂环境，无法实现差异化的精准排风，导致高风险区域风量不足而低风险区域风量过剩，既存在安全隐患，也造成能源浪费。
4、监测数据失真：井下环境恶劣，排风管道内壁易粘附煤尘及瓦斯凝结物，这会污染传感器探头，导致检测数据漂移、响应迟缓甚至失效。现有技术依赖人工定期清理，清洁不及时、效率低下，在清洁间隔期内传感器精度持续劣化，大幅增加了误报和漏报的风险。
5、系统可靠性不足：通风系统关键设备（如主通风机）通常缺乏冗余备份设计，一旦发生故障，整个排风作业可能中断，在瓦斯积聚时期极为危险。此外，监测、通风、清洁等子系统之间孤立运行，缺乏协同联动，无法构成一个高鲁棒性的有机整体。
6、因此，现有技术尚未从根本上解决瓦斯浓度的智能前瞻预警与检测环境抗干扰两大核心难题，亟需一种集成分层监测、智能预测、自适应排风与自清洁维护于一体的综合性解决方案。
技术实现思路
1、本发明的目的在于提供一种煤矿井下瓦斯浓度智能预警系统及方法，具有预警前瞻性强、检测精度高、系统可靠性好和资源利用效率较佳的优点，解决了现有技术中的问题。
2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
3、一种煤矿井下瓦斯浓度智能预警与排风系统，包括：
4、分层瓦斯浓度监测组件，布设于煤矿井下不同开采分层，用于实时采集各分层的瓦斯浓度数据；
5、分层排风机构，对应所述不同开采分层设置，用于对各分层区域进行独立排风作业；其包括设置于各分层巷道的可控风门、分层排风支管以及汇总各支管的主排风管道；
6、抽风驱动组件，与所述主排风管道连接，为系统提供抽风动力；
7、水洗清洁式排风管道，作为所述主排风管道和/或分层排风支管的一部分，其内部设置有环形喷淋装置，用于对管道内壁进行水洗清洁，以去除附着煤尘及瓦斯凝结物；
8、智能预警控制单元，分别与所述分层瓦斯浓度监测组件、分层排风机构的可控风门、抽风驱动组件及水洗清洁式排风管道的环形喷淋装置电连接；
9、所述智能预警控制单元被配置为：
10、接收并分析瓦斯浓度数据，基于预设的智能预警模型生成当前及未来的瓦斯风险等级评估；
11、当评估的风险等级超过预设阈值时，触发分级预警，并动态调节对应分层的可控风门开度及抽风驱动组件的功率；
12、定期或根据管道状态监测数据，启动所述环形喷淋装置执行管道清洁作业。
13、优选的，所述分层瓦斯浓度监测组件包括安装于各分层排风支管与主排风管道连接处的本安型高精度瓦斯传感器，所述瓦斯传感器的检测精度≤±4%，且其检测端设置有防污染过滤罩；所述传感器与智能预警控制单元之间采用有线与无线双链路数据传输模式。
14、优选的，所述智能预警控制单元执行所述智能预警模型时，具体被配置为：
15、分析瓦斯浓度数据的动态变化趋势与上升速率；
16、结合井下采掘设备运行状态和通风参数进行多源信息融合分析；
17、基于时间序列预测算法，输出未来特定时间段内的瓦斯浓度预测值。
18、优选的，所述智能预警控制单元触发的分级预警至少包括三个等级：
19、注意级：当瓦斯浓度呈稳定上升趋势但未达静态报警阈值时触发，提示加强人工监测；
20、预警级：当预测浓度将在第一预设时间内接近或达到报警阈值时触发，并自动启动针对该分层的增量排风；
21、警报级：当浓度瞬时超过阈值或预测浓度将在第二预设时间内急剧上升时触发，控制执行最大功率排风，并联动井下断电和人员疏散系统。
22、值得注意的是，通过设置多级预警机制，系统能够根据瓦斯浓度的动态变化趋势进行前瞻性判断，从而在危险真正发生前提供充足的预警时间。这实现了从被动响应到主动预防的转变，显著提升了井下作业的安全性。具体而言，注意级预警可提醒人员加强监控，避免因微小变化被忽略而导致的累积风险；预警级可自动启动增量排风，提前稀释瓦斯，降低爆炸概率；警报级则联动断电和疏散系统，形成梯次化应急响应，有效减少误报和漏报，优化资源调配。该设计不仅延长了风险干预窗口，还提高了系统的适应性和智能化水平，确保在复杂井下环境中实现精准风险管控。
23、优选的，所述水洗清洁式排风管道的环形喷淋装置具体包括环形喷淋头、高压水泵和储水箱；所述环形喷淋头沿管道内壁周向布置，喷淋方向朝向管道内壁；所述高压水泵用于将储水箱内的水加压输送至环形喷淋头；所述排风管道底部还设置有废水回收管。
24、值得注意的是，环形喷淋装置能够定期或按需对排风管道内壁进行自动水洗清洁，彻底去除附着煤尘和瓦斯凝结物，防止传感器探头污染，确保瓦斯浓度检测数据的准确性和可靠性，这解决了现有技术中人工清洁效率低、不及时的问题，实现了管道维护的自动化和智能化，通过高压水流的周向喷射，该装置可覆盖管道内壁全周，有效清除顽固污物，减少传感器漂移和失效风险，同时，自动清洁功能延长了设备使用寿命，降低了人工维护成本和停机时间，提升了整个监测系统的稳定性和抗干扰能力，从而保障井下安全生产的连续性。
25、优选的，还包括污水过滤回用组件，所述污水过滤回用组件与所述废水回收管连接，用于对收集的污水进行煤尘过滤与水质净化处理，净化后的水回流至所述储水箱实现循环利用。
26、值得注意的是，污水过滤回用组件通过高效的过滤和净化工艺，对清洗废水进行处理，实现了水资源的循环利用，显著降低了系统的耗水量和排污负担。这不仅符合绿色矿山的环保要求，还减少了运营成本和外部水源依赖。该组件采用多级过滤（如沉淀、吸附和反冲洗）去除煤尘和杂质，确保回用水质满足喷淋要求，形成闭环清洁系统。这避免了水资源浪费和二次污染，提高了系统的可持续性和经济性。同时，它增强了系统在缺水或偏远矿区的适应性，保障清洁作业的连续进行，从而维持管道内壁清洁度和检测精度。
27、优选的，所述抽风驱动组件包括至少两台并联设置的防爆抽风机，所述防爆抽风机与智能预警控制单元电连接；当一台风机故障时，智能预警控制单元能自动切换至备用风机运行，确保系统不间断工作。
28、值得注意的是，采用并联冗余设计的防爆抽风机，并配备自动切换功能，确保了抽风驱动组件的高可靠性和容错能力。当一台风机发生故障时，系统能无缝切换至备用风机，维持排风作业不间断，有效防止了因单点故障导致的瓦斯积聚风险。这种设计提升了系统的整体鲁棒性和可用性，特别适用于煤矿井下高危险环境，保障了安全生产的连续性。此外，冗余备份减少了设备停机时间和维护影响，提高了设备利用率和运行效率。该组件还支持负载均衡，延长风机寿命，并通过智能控制单元实时监控状态，实现预防性维护，进一步降低故障概率。
29、优选的，所述智能预警控制单元集成有历史数据存储模块，用于存储至少12个月的瓦斯浓度监测数据、设备运行参数及预警记录，并支持数据查询与趋势图表生成功能。
30、值得注意的是，历史数据存储模块能够长期保存系统运行数据，为瓦斯浓度趋势分析、设备性能评估和预警模型优化提供坚实基础。通过数据查询和趋势图表生成，操作人员可以直观了解瓦斯变化规律和设备状态，辅助决策和故障诊断。该模块支持智能预警模型的持续改进，基于历史数据训练和验证预测算法，提高预警准确性和前瞻性。同时，它有助于实现预防性维护，通过分析设备运行参数预测潜在故障，延长系统寿命。此外，存储的数据满足监管审计和追溯要求，提升了管理的透明度和合规性，为煤矿安全管理的数字化和智能化转型提供支持。
31、本发明还提供一种煤矿井下瓦斯浓度智能预警系统的排风方法，其包括如上述所述的一种煤矿井下瓦斯浓度智能预警系统，排风方法包括以下步骤：
32、s1、通过分层瓦斯浓度监测组件，持续获取井下各分层的实时瓦斯浓度数据；
33、s2、智能预警控制单元基于智能预警模型，对数据进行分析与趋势预测，生成瓦斯风险等级评估结果；
34、s3、根据评估结果判断是否触发预警条件；
35、s4、若触发，则生成分级预警信息及排风控制指令，动态调节对应分层的风门开度与总抽风功率，执行分层差异化排风；
36、s5、定期或根据监测数据波动，启动水洗清洁式排风管道的环形喷淋装置，进行管道内壁自动清洁。
37、优选的，步骤s4中所述的分层差异化排风，具体为：对风险等级高的分层，增大其风门开度并提升抽风功率；对风险等级低或正常的分层，维持或减小其风量，以实现排风资源的优化配置与精准风险控制。
38、值得注意的是，分层差异化排风方法通过智能评估各分层的瓦斯风险等级，实现风门开度和抽风功率的动态调节，从而优化排风资源分配。对高风险分层实施强化排风，迅速降低瓦斯浓度，预防爆炸事故；对低风险分层减少通风量，避免能源浪费和设备磨损。这不仅提升了通风系统的针对性和效率，还显著降低了运行成本，并增强了系统在复杂井下环境中的适应性。通过精准风险控制，该方法减少了误操作和资源冗余，提高了整体安全水平，同时支持可持续运营，为煤矿安全生产提供了一种高效、节能的解决方案。
39、与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
40、1、本发明通过分层瓦斯浓度监测组件实时采集各分层数据，并由智能预警控制单元基于智能预警模型进行动态趋势分析和预测，实现了从单一阈值报警到多级前瞻预警的转变。当预测浓度异常时，系统自动触发分级预警机制，并动态调节对应分层可控风门的开度和抽风驱动组件的功率，执行分层差异化排风。这种主动预警与精准调控的协同作用，有效解决了背景技术中预警滞后和全局通风资源分配不合理的问题，显著提高了风险干预的及时性和通风效率；
41、2、针对传感器易受污染导致检测失准的难题，本发明采用水洗清洁式排风管道，其内部环形喷淋装置可定期或按需启动，通过高压水流周向喷射清除管道内壁附着的煤尘和凝结物。结合污水过滤回用组件实现水资源循环，该自清洁系统有效保障了瓦斯传感器检测环境的洁净度，大幅提升了监测数据的准确性和可靠性，从根本上解决了背景技术中因污染导致的传感器漂移和误报漏报问题；
42、3、在系统可靠性方面，抽风驱动组件采用并联冗余的防爆抽风机设计，配合智能预警控制单元的自动切换功能，确保单机故障时排风作业不间断运行，各子系统通过智能预警控制单元实现协同联动，形成了集监测、预警、排风和自清洁于一体的有机整体。这种冗余设计和系统集成有效增强了整体鲁棒性，解决了背景技术中设备单点故障和子系统孤立运行带来的安全隐患。