明创慧远科技集团有限公司

系统简介：

本系统分为“单一灾害智能管控”和“多灾害融合分析”两部分，“单一灾害智能管控”以矿井水害、瓦斯、火灾、顶板、粉尘等灾害防治系统为基础，实现数据采集、预测分析和信息展示功能；“多灾害融合分析”基于“单一灾害智能管控”、“灾害分析评估数据标准化传输及存储机制”实现了多灾害的融合分析。

基于自动化、信息化技术，开发灾害信息安全综合管控页面，实现单一灾害监测数据和诊断结果的调用，基于灾害监测和分析模型，建立六大灾害独立的分析展示模块；制定多种监测数据的统一传输和分类存储标准，实现多种灾害监测数据的融合共享，为煤矿安全态势的动态评估、预测、预警奠定基础；利用信息化技术开发灾害不同安全等级的实时监测、分析软件模块，结合矿井综合智能化控制系统、监测监控系统、矿压监测等系统数据和灾害实时监测、分析结果，建立了工作面各区域多因素综合评判模型，完成工作面区域灾害预警的融（综）合分析技术研究，实现安全态势的定性、定量评价；开发单兵装置及信息交互APP，实现井上、井下实时互动和远程分级分类管理；开发应急救援辅助模块，实现应急资源信息、地点下监测监控数据信息、工业视频信息、应急预案融合展示及应急避灾路线规划等功能。

系统组成：

矿井灾害综合防控系统建设聚焦煤矿瓦斯、水、火、顶板等重大灾害，在现有安全监控系统基础上，围绕灾害精准预警的需要，根据矿端实际情况新增瓦斯、 水、火、顶板等灾害监测相关传感器和井下水害在线直流电法监测系统、底板微震监测系统、顶板三带观测系统等（本方案不包括单一灾害系统建设和现场传感器等设备建设），全面提升矿端灾害精准感知能力；利用灾害监测数据的特征图谱构建技术，揭示灾害时空演化趋势；构建基于成因机理的瓦斯、水、火、顶板预警模型；建立基于成因机理与数据驱动互馈的矿井风险大数据分析方法；运用时空 GIS 的场景构建技术，建成信息全面感知、自主融合、动态辨识、精准预警、协同控制的灾害精准预警系统，实现异常早期筛选、自动锁定、回溯分析、趋势预测，为安全生产提供技术支撑。

 

系统功能：

一.1.1. 用户及权限管理

• 按照统一编码，实现对灾害综合防控系统组织机构、权限设定、功能模块的维护，以及工作流程的定制。
• 具备在线用户的统计及访问记录查询功能；
• 具备每单位均有一名系统管理人员，完成本单位的组织架构、角色、人员及权限的分配管控；
• 数据权限控制要求达到数据级；
• 各单位系统管理人员登录后根据自身的权限以及所处的管理层级，进行系统、模块、菜单、门户以及监管范围内的维护工作。

 

一.1.2. 用户操作日志

对涉及系统的重要变动操作，系统均保留相应记录，包括：操作时间、操作者和操作内容等。

 

一.1.3. 基于Web的一张图图形组态界面

基于Web的矢量图一张图的图形组态实现了数据可视化配置功能，支持拖拽式的操作和自由布局，内置矿山常用图元和模型库，具有树形结构的设备增删改查功能，并与测点、区域关联，与设备图库自动对接；增加对象与多级告警模型、事件触发脚本、定时任务、公共业务处理函数/方法对接的功能，协助用户开发数据动态展示界面，能直观体现各生产子系统的工艺流程，各子系统主画面直观显示本子系统所有设备当前状态及各项工艺参数。

 

一.1.4. 统一消息管理

实现统一的多终端多通道可组织的系统对外信息发布途径。将故障/报警信息以语音形式播放出来，内容包括故障发生的名称、类型等详细信息。

按照标准规范建立分级预报警管理平台，业务管理人员可通过计算机终端消息、手机短信、邮件、即时通讯软件等按照绝对阈值、异常波动、组合、趋势等原则预设等级以声音、文字等告警方式进行预报警信息的获取，以便及时采取措施，提高应急处理速度，其中短信平台依托统一预警网关进行发送。

系统提供统一的报警等级设置管理，分为蓝色、黄色、橙色、红色预警，等级定义主要根据安全监管级别的管理需根据监测值和持续时间进行定义，如黄色报警：井下重点关注区域超员达30%以上，人员连续工作15小时，井下无带班领导，瓦斯监测值达1.5%且持续10分钟以上，CO监测值达200PM且持续15分钟以上，烟雾传感器烟雾报警、风筒传感器无风、风机双停持续15分钟等，由市安监局重点跟踪；二级报警：井下重点关注区域超员达15%以上，人员连续工作12小时，井下无带班领导，瓦斯监测值达1.2%且持续5分钟以上，CO监测值达80PM且持续10分钟以上，烟雾传感器烟雾报警、风筒传感器无风、风机双停持续10分钟等，由集团重点跟踪处理；三级为煤安标准定义，由各矿井跟踪处理。

分级报警系统图

一.1.5. 报表功能

系统可根据时间、类型、地点等条件进行检索查询，查询结果包含故障、报警及其它事件发生时的时间、地点，并可生成报表。

可以按照煤矿管理要求由用户自定义开发报表，支持数据导出和打印功能。

一.1.6. 对外数据接口

对外提供统一的Web API接口，该接口基于标准的HTTP协议发布。

一.1.7. 数据曲线展示

系统提供实时、历史报表曲线，支持煤矿安全监控系统的五分钟曲线存储。

一.1. 瓦斯灾害安全管控

“瓦斯灾害管控”模块，通过实时采集采掘面甲烷传感器、风速风向传感器监测数据，依据瓦斯涌出的动态监测和分析，对工作面瓦斯涌出的趋势和波动进行实时分析，实现实时在线预警与较长时段瓦斯显现规律变化的综合分析。

瓦斯灾害智能管控模块通过实时采集工作面瓦斯监测数据，在线分析工作面瓦斯涌出特征，分析历史瓦斯异常出现时的瓦斯浓度监测曲线特征，选取预警指标并设置相关的指标临界值，对未来一段时间内的瓦斯涌出态势进行预测并进行智能预测，在线判识瓦斯异常涌出风险，并进行实时预警。实时连续动态监测工作面瓦斯浓度是确保安全生产的重要一环。为了能够准确、实时、连续测得工作面范围内瓦斯浓度，本系统以风流中瓦斯浓度为参数，通过数理统计运算，得到反映当前瓦斯涌出量及波动特征的状态指标和预测瓦斯涌出趋势的趋势指标，得出瓦斯涌出趋势预警等级：绿色、橙色和红色。

瓦斯涌出实时监测分析预警原理图

（1）瓦斯灾害智能管控

• 瓦斯监测数据实时采集：系统兼容目前煤矿主流安全监控系统，可以通过网络连接直接获取井下所有工作面瓦斯监控数据；
• 瓦斯监测数据自动滤噪：拥有完善的数据虑噪模型，能够对无效监测数据进行自动滤除；
• 瓦斯含量预测：通过考察分析瓦斯含量与瓦斯涌出量之间的关系，预测掘进工作面前方的瓦斯含量。
• 工作面瓦斯涌出特征动态分析：包含瓦斯量、瓦斯解吸、瓦斯波动、瓦斯趋势等瓦斯涌出特征指标算法，能够从不同角度对瓦斯涌出特征进行实时分析；
• 瓦斯涌出态势预测：能够对未来一段时间的工作面瓦斯涌出量及变化趋势进行智能预测；
• 瓦斯异常涌出在线预警：能够根据瓦斯涌出态势分析结果，自动评判工作面瓦斯超限和异常涌出风险，并进行在线预警。

 

瓦斯灾害管控界面示意图

（2）瓦斯灾害避灾路线规划模块

在全面掌握瓦斯灾害特征基础上，构建矿井人员行进路线拓扑网络，实现避灾路线动态模拟；瓦斯灾害预警后台服务发出预警信息后自动启动避灾路线智能规划功能，计算最优避灾路线，经调度值班人员确认后通过多种通信手段提醒指示井下作业人员快速撤离，具体功能如下：

• 矿井行进路线拓扑网络构建：基于通风系统图或避灾路线图等已有底图，或直接读取煤矿一张图系统的数字化矿图，人工辅助识别障碍物、避难硐室、临时避难点等关键节点，形成避灾路线拓扑网路。
• 可选避灾路线信息维护：对每个主要工作地点的所有可选避灾路线参数进行维护，为避灾路线动态模拟和灾时智能规划提供准确的基础数据。
• 避灾路线动态模拟：根据瓦斯灾害发生地点、波及范围，在所有可选避灾路线中根据、有害气体或涌出推进速度、人员行进难度、到达临时避难点或避难硐室的行进时间，计算最优避灾路线，在避灾路线图高亮显示，实现避灾路线动态模拟。

瓦斯灾害动态模拟及避灾路线

一.2. 水灾安全管控

“水灾管控”模块，基于煤矿井下、地面不同区域、不同含水层（段）的水压、水位、温度、流量等物理参数的监测，反映煤矿水情动态变化情况。同时结合自然条件、历时数据等，对水文变化做出预测。

水害智能管控模块接入水文监测系统，采集水位、水压、水温和水流量等多个观测数据，并在矿井地图上进行实时数据展示。

基于采集到的水位、水压、水温、水流量、地面降水量、地面河流流量等数据，系统以数据列表或统计图表的方式对水文地质监测系统内监测数据变化趋势、报警地点、报警次数、报警种进行统计分析，并支持原始曲线和历史数据查询动态直方图显示，曲线报表综合处理。

• 火灾安全管控

“火灾管控”模块，主要针对外因火灾及采空区内因火灾的监测和智能预测分析。内因火灾分析主要通过分析工作面的气体浓度场与温度场的分布规律，结合遗煤的分布形态、光纤测温系统、束管监测系统和工作面的推进情况，实现工作面采空区煤自燃危险区域的动态分布状态的实时显示。外因火灾分析方面，结合安全监控系统现有传感器，增加温度监测装置实现区域火灾监测、分析。

灾智能管控模块基于多源异构数据融合的煤矿采空区火灾报警方法以光纤测温数据为主，结合煤矿已有的束管监测系统气体数据，进行融合报警。该方法为了应用于软件中，因此以符合理论原理及规律、切合现场实际、容易实现为原则。

根据煤自燃过程规律，基于信息融合的煤矿采空区火灾预警研究中需要着重考虑的原始数据有：温度、CO浓度、C2H2浓度、C2H4浓度、O2浓度、瓦斯浓度等环境参数，其中温度的采集是采用分布式光纤测温系统实时在线采集，而其他的危险气体则是采用传统的束管监测技术测量。

 

基于温度和指标气体的变化实现火灾监测预警

（1）温度报警方法

温升速率变化趋势值累积算法趋势值累积算法的判断原理是：通过处理一段时间内检测到的温度信号数据，得到能够表现出温度明显上升或下降的趋势值，用该值来监测火灾发生态势。趋势值累积算法有很多种：可变窗特定趋势算法、复合可变窗特定趋势算法、单输入趋势算法、复合Kendall-T趋势算法等。虽然一般趋势算法对信号幅值的变化很敏感，但却无法确认趋势值和平均稳定值的关系，本文采用斜率法避免了这一缺点，并将煤矿采空区内的环境平均温度信号引入温度变化累计趋势算法中，斜率的计算方法同上。

蓝色预警（自热阶段）：>40℃Ս

黄色预警（临界阶段）：>70℃Ս

橙色预警（热解阶段）：>90℃Ս

红色预警（裂变阶段）：>130℃Ս

（2）气体报警方法

通过理论分析与实验测试，优选的六个指标煤自燃预警指标分别为CO、O₂、CO/ΔO₂、C₂H₄、C₂H₄/C₂H₆和C₂H₂，其中在CO/ΔO₂中，CO浓度为测得的CO气体浓度，ΔO₂为氧气的消耗量，为新鲜空气中的氧气浓度与测得氧气浓度的差值，即消耗的氧气浓度。

针对容易自燃煤层，通过实验测试，结合煤矿现场试验，将实验数据与现场试验数据对接，基于煤自燃阶段划分，量化煤自燃指标，建立煤自燃预警体系，确定预警阈值，确立煤自燃分级预警方法，实现煤自燃四级预警，根据煤自燃分级预警指标和临界值，开发煤自燃分级预警软件，保障矿井安全生产。

根据煤自燃指标及临界值研究，确定预警阈值为R₀。根据容易自燃煤自燃预警体系中采空区遗煤正常氧化条件表达式建立预警初值。根据煤氧复合理论，实验测试结果和现场实测数据，结合容易自燃煤自燃分级预警体系，确定选用CO和O₂，在不同O₂浓度区间，采用CO浓度进行表达，O₂浓度上限取20%，区间划分值为12%、15%和18%；总结以上条件，煤自燃预警阈值可以用以下的数学式来进行表示：

R₀={18%<[O₂]<20%Ո[CO]>50ppm}Ս{[O₂]ϵ(15%,18%)Ո[CO]>100ppm}Ս{[O₂]ϵ(12%,15%) Ո [CO]>200ppm}

根据预警阈值，划分蓝色预警、黄色预警、橙色预警、红色预警，特征温度值取特征温度范围下限值，对应煤自燃阶段及预警值如下：

蓝色预警（自热阶段）：R₁=R₀Ո{0.3<100×[CO]/Δ[O₂]<0.5}

黄色预警（临界阶段）：R₂=R₀Ո{0.5<100×[CO]/Δ[O₂]<0.6}

橙色预警（热解阶段）：R₃=R₂Ո{[C₂H₄]>0}

红色预警（裂变阶段）：R₄=R₃Ո{k=[C₂H₄]/[C₂H₆]_max}

（3）综合报警方案

温度和气体融合后的预警值为

蓝色预警（自热阶段）：R1Ս>40℃Ս

黄色预警（临界阶段）：R2Ս>70℃Ս

橙色预警（热解阶段）：R3Ս>90℃Ս

红色预警（裂变阶段）：R4Ս>130℃Ս

矿井火灾安全管控界面示意图

一.4. 顶板灾害安全管控。

“顶板灾害管控”模块，基于支架循环工作阻力分析、测线（或上、中、下部）顶板运动规律分析、工作面顶板压力分布分析、支架液压系统故障诊断、巷道顶板及围岩运动分析、巷道支护应力变化分析等技术，实现通过对顶板压力（动态）及巷道顶板离层位移、围岩应力等进行远距离监测。

顶板灾害智能管控模块矿山灾害精准监测及智能预警系统主要用于实时在线的监测液压支架工作阻力、超前支承压力、煤岩体应力、锚杆锚索压力、巷道变形量、巷道松动圈范围等参数，并对监测数据进行分析，研究顶板来压规律，预测工作面来压位置、强度以及范围等，有利于矿上及时采取有效措施，防患于未然。

顶板灾害安全管控界面示意图

一.5. 粉尘灾害安全管控

“粉尘灾害管控”模块，依托粉尘浓度自动监测系统，在采煤工作面、掘进工作面、主煤流实现粉尘浓度的实时监测、数据分析、上传及超限自动报警。开发粉尘智能管控模块，实现监测数据的融合共享、综合展示。

矿井粉尘灾害安全管控界面示意图

 

系统特点：

按照智能化矿山建设范围及验收标准中“安全监控”部分中“综合防治系统”的具体要求，围绕安全风险分级管控及隐患排查治理、灾害数据传输及存储、单兵装置实时交互、灾害综合监测、分析预警及安全评估、煤矿应急救援辅助等需求，基于模块化、组件化的技术架构设计思路，采用现代信息技术、计算机网络技术、自动化采集技术和大数据分析技术等设计开发《灾害综合防治系统》。该系统有效集成矿山基础信息数据，及人员位置、环境监测、设备工况等多源异构数据，建立统一灾害数据传输和存储数据标准，消除灾害数据孤岛现象，在统一的时空框架下实现多灾害监测系统协同、数据融合，以流式处理、时序存储及大数据分析为技术基础，对煤矿综采工作面和掘进工作面等重点区域进行“水、火、瓦斯、顶板”等危险源的实时数据监控及预测预警，通过多系统联动和现场信息化安全管控，落实应急救援辅助指挥、事故原因分析、矿井灾变状态下避灾路线自动调用等辅助决策。

在单一灾害监测预警系统的基础上进行建设而成，按照智能矿山建设范围，根据矿井煤层赋存条件及灾害类型，矿井首先应建设完善的“单一灾害”智能安全监控系统。具体要求如下：存在瓦斯灾害的矿井，应建设完善的瓦斯智能感知系统，并实现监测数据的自动上传、分析、预测、预警、瓦斯监测数据与通风系统、避灾系统等实现智能联动；存在水害的矿井，应建设完善的井上下水文智能动态监测系统，并与排水系统、避灾系统等实现智能联动；存在煤层自然发火危险的矿井，应建设完善的束管监测、光纤测温等系统，以及灌浆、注氮等防灭火设施，实现监测数据的自动上传、分析及联动；矿井电气设备、带式输送机等易发生火灾的区域，应设置完善的火灾感知装置及防灭火系统，并实现智能联动；矿井应建设完善的顶板灾害在线监测系统，能够基于监测分析结果进行顶板灾害的预测、预警。

在此基础上对应开发模块。一是开发监测数据标准化传输及存储模块，具备完善的灾害感知预警系统，实现多种监测数据的统一传输和分类存储，达到各类数据在同一平台上的管控一体化的目的。二是开发灾害综合监测、分析预警及安全评估模块，建立五大灾害融合分析预测模型，基于顶板、水、火、瓦斯的实时分析结果，完成区域和矿井灾害综合评估。三是集成矿井现有的风险分级管控及隐患排查治理模块，实现多种灾害监测数据的融合共享，根据安全态势的动态评估、预测、预警结果，实现风险隐患动态管理。四是开发单兵装置实时交互模块，实现井上井下信息共享，能够实现矿井环境参数的监测信息、重点区域的安全状态评估及预警信息的实时共享，具有与人员单兵装备进行实时互联的功能。五是开发煤矿应急救援辅助模块，具备应急管理、协同指挥及处置能力，同时能够根据灾害监测预警、综合评估结果，自动调用应急救援预案和避灾路线，实现应急救援辅助指挥功能。