矿井瓦斯浓度异常变化危险性预警系统的研究.doc

矿井瓦斯浓度异常变化危险性预警系统的研究 张纯如，汪勇，丁梅生 淮南矿业集团谢桥煤矿,安徽 颍上 236221 摘要利用矿井瓦斯浓度异常预警系统作为研究平台，结合当前矿井安全监控系统运行状况，对井下瓦斯采集数据进行深层次挖掘，并进行二次开发和利用，最终达到对瓦斯浓度异常增幅过程实时监控和提前预警的目的，对瓦斯超限、地质预测预报、安全监控误报等问题具有较大的预防、控制和研究意义。同时，此项研究通过对采掘工作面的瓦斯涌出的微小变化进行预警，特别是采掘工作面临近煤层或岩巷掘进面接近构造带时，可以及时发现煤层和构造，不仅能有效预防瓦斯超限，而且对于防突工作具有重要价值和意义。 关键词矿井安全监控系统；瓦斯采掘数据；深层次挖掘；二次开发和利用；提前预警和分析；开发应用；矿井瓦斯浓度异常预警系统 目前矿井安全监控系统最基本最重要的功能便是实时监测矿井各采掘头面瓦斯、CO、风速、温度等参数动态变化，当达到预定报警值时进行报警。监控系统并不能及时捕捉和发现预定报警器以下瓦斯动态异常变化，不能提前及时采取针对性防范措施，在很大程度上制约着矿井的瓦斯治理工作。为了提高对瓦斯异常变化的敏感性，及时发现和掌握瓦斯值在低于安全监控系统报警值以下瓦斯异常变化情况，彻底改变安全监控系统较为单一和死板的瓦斯报警方式，做到早预防、早知道、早控制，为此我们提出了建立矿井瓦斯浓度异常预警系统。 1、瓦斯预警方法 在煤矿瓦斯突出事故中，瓦斯浓度在数秒内就能达到30，上升至5用时则更短，因为5是瓦斯可以爆炸的下限，所以必须在浓度上升的极早期进行分析、判断和识别。快速分析瓦斯浓度的波动，关键是在极早期准确区分瓦斯突出与涌出，可以利用模糊数学方法，以瓦斯浓度的一次梯度、二次梯度作为输入，对涌出与突出进行较为准确识别，实现突出时间的极早期预警。从原始采集数据得出一次梯度的表达式为 g1kdk1-dk 1 从一次梯度数据得出二次梯度的表达式为 g2kg1k1-g1k 2 通过建立一般性模型发现瓦斯浓度的一次梯度、二次梯度在不同涌出强度下差别明显，在突出事故中瓦斯浓度变化远比涌出情况更剧烈。为此为及时发现瓦斯值在低于设定的报警值以下出现的异常现象，最大程度的预防瓦斯突出事故，确定了以下两种瓦斯预警方法。 方法一前后巡检周期瓦斯增幅比较法。即当前瓦斯数据与前一个监控系统巡检周期瓦斯数据进行增幅比较预警。 当前瓦斯数据与前一个T瓦斯数据进行增幅比较预警，Dn表示当前瓦斯动态数据，Dn-1表示前一个T的瓦斯数据。 瞬间增幅法（Transient Increase）是指动态瓦斯浓度数据与前一个巡检周期瓦斯浓度数据进行增幅预警。 瞬间增幅可通过下式计算 式中Dn动态瓦斯浓度 Dn-1前一个巡检周期瓦斯浓度 预警方法可按下列区间设置 当Dn＜0.1时，不实行动态预警。 当Dn≥0.1时，从n-1到n个T内，采取动态方式预警 当0.1≤Dn-1≤0.2，若TIn≥100自动预警； 当0.2＜Dn-1≤0.4，若TIn≥50自动预警； 当0.4＜Dn-1≤0.6，若TIn≥25自动预警； 当0.6＜Dn-1， 若TIn≥15自动预警。 方法二瓦斯浓度平均值增幅预警 平均值增幅法（Average Increase）是指当前测点瓦斯浓度数据与前N个巡检周期时间段内（巡检周期*N）所有瓦斯数据的平均值进行增幅预警。 平均值增幅可通过下式计算 式中At时间段内瓦斯数据样本均值 Dn动态瓦斯浓度 Di取样瓦斯数据 预警方法可按下列区间设置 当A＜0.1且Dn＜0.1不实行动态预警。 当Dn≥0.1时，采取动态方式预警 当0.1≤A≤0.2，若AIn≥100自动预警； 当0.2＜A≤0.3，若AIn≥50自动预警； 当0.3＜A≤0.4，若AIn≥40自动预警； 当0.4＜A≤0.5，若AIn≥30自动预警； 当0.5＜A≤0.6，若AIn≥20自动预警； 当0.6＜A ， 若AIn≥15自动预警。 对于以上两种预警方法，用户可根据需要自行设置预防方案，瓦斯浓度的上下限及瓦斯浓度预警增幅值可以根据实际需要自行设定，但设定要适宜，不宜过大或过小。过大则敏感度低，不能有效预警，过小则敏感度太高，没有实际意义，瓦斯浓度上下限差值按0.1设定较好，用户可以自己总结规律，根据需要自行设定。 预警系统只要达到方法一和方法二任一条件或同时达到两种条件，均能实现瓦斯预警。 2、预警系统框架结构 矿井瓦斯浓度异常预警系统运行在现有安全监控主系统数据库平台之上，对监控主系统采集到的瓦斯测点数据进行二次开发和使用，同时对采集数据进行深层次的挖掘和利用。预警系统分为内网预警和外网预警两种方式，内网预警主要包括预警判断、广播发送、广播接收、广播转存、内网预警显示及预警记录查寻；外网预警主要包括瓦斯预警Web服务器、广播转存、外网预警显示及预警记录查寻。 2.1、内网预警系统框架结构 内网预警采用C/S架构，即客户端/服务器端模式；采用数据转存技术，对采集到的数据临时存储、单独处理；预警判断组件对采集到的测点数据根据用户提前设定的预警条件进行分析和判断，当采集到的动态数据达到预警条件时，预警程序启动广播发送组件向监控中心内网进行预警消息的广播，内网预警终端通过安装广播信息接收组件进行接收预警消息、发出报警声音和弹出报警窗口等提示见图1。 图1 内网预警框架结构 2、外网预警框架结构 外网预警采用B/S架构，即浏览器端/服务器端模式见图2。在监控中心站内网中架设外网预警Web服务器，该服务器安装广播转存组件，将接收到的预警记录数据存储于本地预警数据库中。外网用户通过IE浏览器即可同步接收预警消息、弹出瓦斯预警窗口、发出预警声、查询历史预警记录等。 图2 外网预警架构 通过确定矿井瓦斯浓度异常预警方案并建立好预警系统架构后，下一步重点便是如何在实际应用中真正能解决问题并得到良好稳定的应用效果。 矿井瓦斯浓度异常预警系统功能模块主要包括验证功能、系统配置功能、系统预警功能和日志功能见图3。系统配置功能和系统预警功能是本系统的核心组成部分，配置功能包含了系统参数的设置、预警测点的选择和预警幅度的设置，系统配置功能完成后，系统预警功能根据配置情况进行控制瓦斯预警，满足预警条件时弹出预警窗口并发出预警声，同时能查寻历史预警记录。 图3 预警功能验证模块 3、预警系统安全稳定可靠运行 内网预警系统各运行组件与安全监控系统主采集数据库没有数据交互，不需要访问采集数据库即可知道是否有预警消息。因此与现有安全监控主系统彼此相互独立、互不干扰，不会影响到安全监控主系统的正常运行。外网预警系统架设的Web预警与安全监控系统、内网各预警组件完全独立，不存在任何形式的数据交互。避免了外网预警用户对监控中心内部网络可能造成的安全性、稳定性、病毒等网络威胁。 目前矿井预警系统在我矿运行三个多月以来情况稳定、良好，未发现任何问题，在运行过程中未对安全监控主系统造成任何不良影响。 4、预警系统实际应用效果 4.1、内网实时预警瓦斯动态变化 我矿12328W回风巷T3瓦斯传感器当前瓦斯值为0.29，预先设定的24小时内瓦斯平均值为0.23，预警设置增幅为20，满足当0.2＜A≤0.4，若Dn-A/A≥20预警的条件，而实际增幅0.29-0.23/0.2326.09≥20，故瓦斯预警，12328W上隅角T0同理见图4。 图4 平均值瓦斯预警窗口 11613上顺槽切眼302 T1当前瓦斯值为0.10，前一巡检周期瓦斯值为0.08，预警设置增幅为20，满足当0.1≤Dn-1≤0.2，若Dn-Dn-1/Dn-1≥20预警的条件，实际增幅0.10-0.08/0.0825≥20，故瓦斯预警见图5。 图5 前后巡检周期增幅瓦斯预警窗口 11613下顺槽T1当前瓦斯值为0.16，同时满足了当0.1＜A≤0.2，若Dn-A/A≥10预警和当0.1＜Dn-1≤0.2，若Dn-Dn-1/Dn-1≥10预警的条件，故同时出现前采集值和平均值均预警的情况见图6。 图6 前后巡检周期增幅法和平均值同时预警窗口 4.2、外网仍能预警瓦斯动态变化 外网用户直接访问预警系统web服务器即可登录瓦斯预警界面，外网查看到的瓦斯预警系统数据与监控中心内网瓦斯预警终端数据及时、同步，一旦某个测点瓦斯预警及时弹出预警窗口并发出瓦斯预警声，同时外网预警还具备历史预警数据查寻功能，足不出户坐在办公室即可迅速掌握和分析瓦斯动态预警信息见图7。 图7 外网预警系统显示 5、结论 目前瓦斯浓度异常预警系统在我矿运行三个多月以来，运行情况稳定、效果良好，瓦斯预警测点已经全面覆盖在矿井井下各采掘工作面，预警系统能及时有效的发现瓦斯异常变化及异常增幅情况，对有效控制瓦斯超限、及时有效分析地质预测预报、预防安全监控瓦斯误报、防止煤与瓦斯突出等瓦斯治理工作有较高的研究价值和指导意义，为煤矿企业的瓦斯治理工作提供了又一较为准确的决策依据和更为广阔的参考空间，另一方面，本系统不仅仅对瓦斯浓度增幅进行实时监控和预警，还能对接入安全监控系统中的风速、CO、温度、烟雾、电压、电流等各类模拟量传感器均能实现增幅自动预警，对于预测分析通风系统是否稳定、防灭火、预防机电事故等仍有很大的拓展和发挥空间。 个人简历 张纯如（1965-）男 安徽霍邱 高级工程师 大学本科 煤矿瓦斯治理 汪 勇（1980-）男 安徽庐江 工程师 大学本科 煤矿瓦斯监测 丁梅生（1972-）男 安徽怀宁 工程师 大学本科 煤矿瓦斯监测 参考文献 1、邵良杉;付贵祥.基于数据融合理论的煤矿瓦斯动态预测技术[J];煤炭学报;2008年05期；页码范围551-555。 2、孙林嘉 李茹 屈元子.煤矿瓦斯预测知识获取模型的应用研究,计算机工程;2009年06期;页码范围169-171。 3、付华;高婷;刘洋.多传感器模糊信息融合在煤矿安全中的应用[J];传感器与微系统;2008年05期;页码范围114-116。 4、李亚杰，何群．煤矿瓦斯预警装置设计与实现[J]．煤炭技术，2009年，289;页码范围156-157。 5、韩宁,燕飞，杜广微等；数字化远程瓦斯远程监测网络设计[J]．煤矿安全,20065; 页码范围10-13。 10