一种矿井突水预警系统、方法及终端设备与流程

1.本发明涉及矿井突水预警技术领域，具体涉及一种矿井突水预警系统、方法及终端设备。


背景技术：

2.近年来，随着科学技术的进步，煤矿生产与建设过程中的装备、工艺、技术都有了极大的提高，但煤矿突水事故却频繁发生。煤矿突水灾害是矿井建设生产过程中主要安全灾害之一，矿井在掘进或者工作面回采过程中，破坏了岩层的天然平衡，周围水体在静水压力和矿山压力作用下，通过断层、隔水层和岩层的薄弱处进入采掘工作面，形成矿井突水。矿井突水的发展情况与开采工作面具体位置、地质情况、水压力和矿井压力大小有关。在采矿过程中，若发生突水事故，地下水大量涌入矿山坑道，往往影响生产或淹井，严重时候甚至威胁矿山工程和人身安全，给经济成本和生产安全方面造成严重的威胁。由于其发生突然和出水量大的特点，在煤矿生产实践过程中，急需有效、可靠的突水预警措施，以预防和消除矿井水对煤矿建设和生产的影响，保证煤矿的安全生产。
3.现有技术中，煤矿突水预警方法主要包括使用水质监测传感器判断水质是否出现突变、监测隔水层电阻率的变化判断隔水层是否出现破损等，是对突水灾害进行直接的判断，而判断的内容往往需要到一定的预警等级才会进行预警，造成煤矿在产生过多的突水灾害且检测传感器达不到预警等级时，不能及时地进行预警，对矿井突水事故的预测准确性较低，不能保证带压开采矿井的安全运行。


技术实现要素：

4.有鉴于此，本发明实施例提供了一种矿井突水预警系统、方法及终端设备，提升了矿井突水事故的预测准确率。
5.为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
6.第一方面，本发明实施例提供了一种矿井突水预警系统，所述预警系统包括数据采集单元、数据统计识别单元、预警单元，所述数据采集单元连接所述数据统计识别单元，所述数据统计识别单元连接所述预警单元；所述数据采集单元用于采集突水预警数据；所述数据统计识别单元用于接收所述突水预警数据，并对所述突水预警数据进行识别，确定用于表征突水情况的多类数据；所述预警单元用于根据所述多类数据确定是否满足突水预警条件，若满足突水预警条件则进行突水告警。
7.基于第一方面，在一些实施例中，所述数据采集单元包括通信模块，以及水位监测模块、导水通道监测模块和涌水量监测模块；所述水位监测模块用于监测水位高度，并向所述通信模块发送包含所述水位高度的水位数据；所述导水通道监测模块用于监测导水通道的发育趋势及位置，并向所述通信模块发送包含所述导水通道的发育趋势及位置的导水通道数据；所述涌水量监测模块用于监测矿井涌水量，并向所述通信模块发送包含所述矿井涌水量的涌水量数据；所述通信模块用于向所述数据统计识别单元上传接收到的突水预警
数据。
8.基于第一方面，在一些实施例中，所述预警单元包括数据分析模块、告警模块和通信模块；所述数据分析模块用于对所述多类数据进行分析，确定是否满足突水预警条件；所述告警模块用于在满足突水预警条件时进行突水告警；所述通信模块用于接收所述数据统计识别模块上传的所述多类数据。
9.第二方面，本发明实施例提供了一种矿井突水预警方法，其特征在于，包括：获取突水预警数据；所述突水预警数据包括水位数据、导水通道数据和涌水量数据；基于历史数据确定所述突水预警数据是否满足突水预警条件，若三类数据同时满足预设的突水预警条件，则进行突水告警。
10.基于第二方面，在一些实施例中，所述水位数据包括水位高度，所述导水通道数据包括导水通道的发育趋势及位置，所述涌水量包括矿井涌水量，所述突水预警条件包括第一预警条件、第二预警条件和第三预警条件：所述水位高度是否满足所述第一预警条件，所述第一预警条件基于历史水位高度确定；所述导水通道的发育趋势及位置是否满足所述第二预警条件，所述第二预警条件基于导水通道提升高度确定；所述矿井涌水量是否满足所述第三预警条件，所述第三预警条件基于历史涌水量确定；若第一预警条件、第二预警条件和第三预警条件同时满足，则判定所述突水预警数据满足所述突水预警条件。
11.基于第二方面，在一些实施例中，确定水位高度是否满足所述第一预警条件，包括：将历史水位数据按时间线划分为正常时期、突水期和防治水工程期；统计正常时期、突水期和防治水工程期内每个含水层历史水位数据日变幅；确定正常时期水位日变幅最大值a；确定突水期水位日变幅最小值b；确定防治水工程期水位日变幅最小值c；设置水位预警阈值h，h为a、b、c中的最小值；根据当前水位值l，计算水位日变幅
△
l，当水位日变幅
△
l大于水位预警阈值h时，判断所述水位高度满足所述第一预警条件。
12.基于第二方面，在一些实施例中，所述确定水位高度是否满足所述第一预警条件，还包括：若被监测矿井不存在突水期和防治水工程期，则设置正常时期水位日变幅最大值a为预警阈值h。
13.基于第二方面，在一些实施例中，所述水位数据包括水位高度，所述导水通道数据包括导水通道的发育趋势及位置，所述涌水量包括矿井涌水量，所述突水预警条件包括第一预警条件、第二预警条件和第三预警条件：判断所述水位高度是否满足所述第一预警条件，所述第一预警条件基于历史水位高度确定；判断所述导水通道的发育趋势及位置是否满足所述第二预警条件，所述第二预警条件基于导水通道提升高度确定；判断所述矿井涌水量是否满足所述第三预警条件，所述第三预警条件基于历史涌水量确定；若第一预警条件、第二预警条件和第三预警条件同时满足，则判定所述突水预警数据满足所述突水预警条件。
14.基于第二方面，在一些实施例中，所述判断水位高度是否满足所述第一预警条件，包括：将历史水位数据按时间线划分为正常时期、突水期和防治水工程期；统计正常时期、突水期和防治水工程期内每个含水层历史水位数据日变幅；确定正常时期水位日变幅最大值a；确定突水期水位日变幅最小值b；确定防治水工程期水位日变幅最小值c；设置水位预警阈值h，h为a、b、c中的最小值；根据当前水位值l，计算水位日变幅
△
l，当水位日变幅
△
l大于水位预警阈值h时，判断所述水位高度满足所述第一预警条件。
15.基于第二方面，在一些实施例中，所述判断水位高度是否满足所述第一预警条件，还包括：若被监测矿井不存在突水期和防治水工程期，则设置正常时期水位日变幅最大值a为预警阈值h。
16.基于第二方面，在一些实施例中，所述判断所述导水通道的发育趋势及位置是否满足所述第二预警条件，包括：通过所述导水通道的微震检波器监测含水层上方是否存在微震事件集合；按时间顺序对所述微震事件集合中的多个微震事件进行排序；提取所述多个微震事件的三维坐标值，确认所述多个微震事件是否存在z坐标数值随时间顺序而上升的情况，若出现所述多个微震事件存在的z坐标数值随时间顺序而上升的情况，表征所述矿井导水通道正在形成，判断导水通道的发育趋势及位置满足所述第二预警条件。
17.基于第二方面，在一些实施例中，所述判断所述矿井涌水量是否满足所述第三预警条件，包括：根据预设时间段内涌水量值，计算预设时间段内每日涌水量日变幅；若预设时间段内每日涌水量日变幅大于前一日涌水量日变幅，则判断所述矿井涌水量满足所述第三预警条件。
18.第三方面，本技术实施例提供了一种终端设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现如第一方面任一项所述的的矿井突水预警方法。
19.本发明实施例中提出的矿井突水预警系统，通过设置数据采集单元、数据统计识别单元、预警单元对存在突水威胁的大水矿井进行长程水文实时监测，通过对历史突水预警数据的整理分析，发现和掌握该矿井在突水灾害发生前的水文变化规律，该突水预警系统可以进行水文监测、识别水文变化、进行突水预警，提升了矿井突水事故的预测准确率。
附图说明
20.为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
21.图1为本发明实施例提供的矿井突水预警系统结构示意图；
22.图2为本发明实施例提供的矿井突水预警方法流程图；
23.图3为本发明实施例提供的终端设备的示意图。
具体实施方式
24.下面结合具体实施例对本发明进行更清楚的说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明的作用，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
25.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图通过具体实施例来进行说明。
26.本发明提供的一种矿井突水预警系统如图1所示，一种矿井突水预警系统包括数据采集单元、数据统计识别单元、预警单元，数据采集单元连接数据统计识别单元，数据统
计识别单元连接预警单元。
27.数据采集单元用于采集突水预警数据，数据采集单元包括通信模块，以及水位监测模块、导水通道监测模块和涌水量检测模块中的至少一个模块。
28.其中水位监测模块包括水位传感器和地面水文分站，用于监测水位高度，并向通信模块发送包含水位高度的水位数据。
29.具体的，采用钻孔水位监测方法，由地面向各目标含水层打钻孔(地面长期观测孔)，在钻孔内布置矿用本安型水位传感器，采集水位参数。各主要含水层水位观测孔布置满足《煤矿防治水细则》等相关规定。传感器的布置方法为，将传感器连接电缆、钢丝绳，调入钻孔内，固定在液面以下的测量点。传感器通过电缆与地面水文分站连接，实现供电、数据传输和数据的实时监测接收、直观显示。可做到水位监测无人值守，确保了数据连续。
30.矿用本安型水位传感器采用高性能扩散硅压力传感器作为测量原件，将与液体深度成正比的液体静压力测量出来并经过信号调理电路转换成标准电流或电压信号输出，实现对液体深度的准确测量。
31.水位与传感器测量出的压力之间的换算关系为：水位值(m)＝压力值(mpa)
×
102.04。换算系数102.04求取过程如下：
32.p＝ρ
×g×h33.式中，p为压强，单位pa；ρ为液体密度，水的密度为1
×
103kg/m3；g为重力加速度，g＝9.8m/s；h为液体高度，单位m。
34.由以上公式可得1mpa压力值对应的水柱高度为：
[0035][0036]
导水通道监测模块包括微震检波器和微震监测分站，用于监测导水通道的发育趋势及位置，并向通信模块发送包含导水通道的发育趋势及位置的导水通道数据。
[0037]
导水通道监测采用微震监测方法。地下岩石破裂过程会产生微震动，利用高精度微震监测装置，通过感知导水通道形成过程中的岩石破裂，精细定位微震事件的发生位置，以对导水通道形成过程进行监测。
[0038]
具体的监测方法为在井下巷道打钻布置微震检波器，收集到微震动信号后，通过电缆以电信号形式传输到微震监测分站，经过专职人员处理解释及水文地质分析，形成微震报告，确认导水通道发育趋势及位置。
[0039]
微震检波器采用gzc10矿用本安型拾震传感器，微震监测分站采用kj1073-z矿用隔爆兼本安型微震监测主机。
[0040]
涌水量监测模块包括水量传感器和地面水文分站，用于监测矿井涌水量，并向通信模块发送包含矿井涌水量的涌水量数据。
[0041]
具体的，在矿井下布置水量传感器，井上布置水文分站，实时监测矿井主要涌水点涌水量。水量传感器实时接收到水量信号，传输到水文分站，实现数据实时监测接收、直观显示。可做到涌水量监测无人值守，确保了数据连续。
[0042]
通信模块与地面水文分站和微震监测分站连接，用于向数据统计识别单元上传接收到的突水预警数据。
[0043]
数据统计识别单元包括识别模块、通信模块和交互显示装置，用于接收突水预警
数据，并对突水预警数据进行识别，确定用于表征突水情况的多类数据。
[0044]
具体的，数据统计识别单元可以对水位数据、微震事件数据、涌水量数据进行识别和归类，还可以显示地面分站与各类传感器的连接状态，实现水文数据监控状态显示的功能。
[0045]
预警单元包括数据分析模块、告警模块和通信模块，用于根据多类突水预警数据确定是否满足突水预警条件，若满足突水预警条件则进行突水告警。
[0046]
其中，数据分析模块用于对多类数据进行分析，确定是否满足突水预警条件。告警模块用于在满足突水预警条件时进行突水告警。通信模块用于接收数据统计识别模块上传的多类数据。
[0047]
如图2所示，本发明还公开了一种矿井突水预警方法，包括步骤101至步骤102。
[0048]
步骤101：获取突水预警数据。突水预警数据包括水位数据、导水通道数据和涌水量数据中的至少一种数据。
[0049]
其中，水位数据包括水位高度，导水通道数据包括导水通道的发育趋势及位置，涌水量数据包括矿井涌水量。
[0050]
步骤102：基于历史数据确定突水预警数据是否满足突水预警条件，若满足突水预警条件则进行突水告警。
[0051]
具体的，突水预警条件包括第一预警条件、第二预警条件和第三预警条件。突水预警数据是否满足突水预警条件包括以下三项：水位高度是否满足第一预警条件，第一预警条件基于历史水位高度确定。导水通道的发育趋势及位置是否满足第二预警条件。矿井涌水量是否满足第三预警条件，第三预警条件基于历史涌水量确定。若第一预警条件、第二预警条件和第三预警条件同时满足，则判定所述突水预警数据满足所述突水预警条件。
[0052]
步骤1021：确定水位高度是否满足第一预警条件。
[0053]
将水位历史数据按时间线划分成三个时期：正常时期、突水期、防治水工程期。突水期指矿井在系统监测期内存在突水的时期，防治水工程期指该含水层进行过的放水、注水、注浆等人为工程。突水期和防治水工程期对流场的扰动剧烈，含水层水位存在剧烈波动。
[0054]
分别统计正常时期、突水期和防治水工程期内各含水层水位历史数据日变幅δli。
[0055]
δli＝|l
i-l
i-1
|，i＝1，2，3，...365
[0056]
统计时间区间基于已有历史数据，如果数据统计识别单元中保存有一年以上的水位历史数据，则时间区间为一年。如果数据统计识别单元中保存的水位历史数据不足一年，则全部进行统计。
[0057]
确定正常时期水位日变幅最大值a，a＝maxδli，确定突水期水位日变幅最小值b，b＝minδli，确定防治水工程期水位日变幅最小值c，c＝minδli，建立水位预警阈值h，h＝min(a，b，c)，h为a、b、c中的最小值。
[0058]
水位日变幅数值大，说明对应含水层流场存在水量波动，存在突水的可能，视为突水的必要条件。因此查看当前阶段各钻孔水位值l，计算水位日变幅
△
l，当水位日变幅
△
l大于预警阈值h时，判定该含水层发生剧烈波动，存在突水风险，为潜在突水含水层。
[0059]
另外，如果监测矿井不存在突水期、防治水工程期，则正常时期水位日变幅最大值
a为预警阈值h。
[0060]
步骤1022：确定导水通道的发育趋势及位置，判断是否满足第二预警条件。
[0061]
通过导水通道的微震检波器监测含水层上方是否存在微震事件集合。微震事件表征该位置存在微震动，微震事件集合表征该位置存在一连串微震动。突水之前，导水通道发育过程中，通道前端对岩石劈裂作用会发生微震动。
[0062]
统计分析各个微震事件的发生时间，按时间顺序对微震事件集合中的多个微震事件进行排序。
[0063]
将按时间顺序排序后的微震事件进行三维坐标赋值，确认多个微震事件是否存在z坐标数值随时间顺序而上升的情况。z轴上坐标值上升说明导水通道存在连续向上发育的趋势，说明含水层正在向上导升。
[0064]
根据多个微震事件存在的z坐标数值随时间顺序而上升的情况，确定微震事件集合n，微震事件集合n内的微震事件z坐标数值随时间顺序逐渐增大。
[0065]
含水层上方的微震事件集合表征含水层有向上导升的趋势，导水通道正在形成。获取微震事件集合n内z坐标最大的微震事件的z坐标数值，计算z坐标数值与含水层的高度差值，即为微震事件的最大发育高度，也是含水层的导升高度。观察微震事件集合的变化情况，可以反推导水通道的发育趋势。
[0066]
步骤1023：判断矿井涌水量是否满足第三预警条件。
[0067]
根据预设时间段内涌水量值，计算预设时间段内每日涌水量日变幅。
[0068]
若预设时间段内每日涌水量日变幅大于前一日涌水量日变幅，则判断矿井涌水量满足第三预警条件。预设时间段为判定第一预警条件和第二预警条件的时间节点之前的时间段，与第一预警条件和第二预警条件密切相关。例如，在满足第一预警条件时间节点前的一周内。
[0069]
在历史数据中查找一周之内涌水量数值，计算涌水量日变幅
△
yi
[0070]
δyi＝y
i-y
i-1 i＝1，2，3，，，7
[0071]
△
yi为第i天涌水量日变幅，i为整数。确认
△
yi是否为正值。
[0072]
在满足
△
yi为正值的基础上，将一周之内的涌水量日变幅
△
yi组成集合，判定该数值集合是否逐渐增大，即
[0073]
7≥i》j》0
[0074]
若满足上述条件，说明最近一周之内涌水量存在增大的趋势。
[0075]
图3是本发明一实施例提供的终端设备的示意图。如图3所示，该实施例的终端设备4包括：处理器40、存储器41以及存储在所述存储器41中并可在所述处理器40上运行的计算机程序42，例如矿井突水预警程序。所述处理器40执行所述计算机程序42时实现上述矿井突水预警方法实施例中的步骤，例如图2所示的步骤101至步骤102。
[0076]
示例性的，所述计算机程序42可以被分割成一个或多个模块/单元，所述一个或者多个模块/单元被存储在所述存储器41中，并由所述处理器40执行，以完成本发明。所述一个或多个模块/单元可以是能够完成特定功能的一系列计算机程序指令段，该指令段用于描述所述计算机程序42在所述终端设备4中的执行过程。
[0077]
所述终端设备4可以是桌上型计算机、笔记本、掌上电脑及云端服务器等计算设备。所述终端设备可包括，但不仅限于，处理器40、存储器41。本领域技术人员可以理解，图3
仅仅是终端设备4的示例，并不构成对终端设备4的限定，可以包括比图示更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者不同的部件，例如所述终端设备还可以包括输入输出设备、网络接入设备、总线等。
[0078]
所称处理器40可以是中央处理单元(central processing unit，cpu)，还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(digital signal processor，dsp)、专用集成电路(application specific integrated circuit，asic)、现成可编程门阵列(field-programmable gate array，fpga)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。
[0079]
所述存储器41可以是所述终端设备4的内部存储单元，例如终端设备4的硬盘或内存。所述存储器41也可以是所述终端设备4的外部存储设备，例如所述终端设备4上配备的插接式硬盘，智能存储卡(smart media card,smc)，安全数字(secure digital,sd)卡，闪存卡(flash card)等。进一步地，所述存储器41还可以既包括所述终端设备4的内部存储单元也包括外部存储设备。所述存储器41用于存储所述计算机程序以及所述终端设备所需的其他程序和数据。所述存储器41还可以用于暂时地存储已经输出或者将要输出的数据。
[0080]
所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为了描述的方便和简洁，仅以上述各功能单元、模块的划分进行举例说明，实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能单元、模块完成，即将所述装置的内部结构划分成不同的功能单元或模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。实施例中的各功能单元、模块可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中，上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。另外，各功能单元、模块的具体名称也只是为了便于相互区分，并不用于限制本发明的保护范围。上述系统中单元、模块的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
[0081]
在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述或记载的部分，可以参见其它实施例的相关描述。
[0082]
本领域普通技术人员可以意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、或者计算机软件和电子硬件的结合来实现。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。
[0083]
在本发明所提供的实施例中，应该理解到，所揭露的装置/终端设备和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置/终端设备实施例仅仅是示意性的，例如，所述模块或单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通讯连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通讯连接，可以是电性，机械或其它的形式。
[0084]
所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目
的。
[0085]
另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。
[0086]
所述集成的模块/单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明实现上述实施例方法中的全部或部分流程，也可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于一计算机可读存储介质中，该计算机程序在被处理器执行时，可实现上述各个方法实施例的步骤。其中，所述计算机程序包括计算机程序代码，所述计算机程序代码可以为源代码形式、对象代码形式、可执行文件或某些中间形式等。所述计算机可读介质可以包括：能够携带所述计算机程序代码的任何实体或装置、记录介质、u盘、移动硬盘、磁碟、光盘、计算机存储器、只读存储器(rom，read-only memory)、随机存取存储器(ram，random access memory)、电载波信号、电信信号以及软件分发介质等。需要说明的是，所述计算机可读介质包含的内容可以根据司法管辖区内立法和专利实践的要求进行适当的增减，例如在某些司法管辖区，根据立法和专利实践，计算机可读介质不包括电载波信号和电信信号。
[0087]
以上所述实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本发明的保护范围之内。