一种煤矿瓦斯安全监控预警算法及系统的研究与设计.pdf

2020年6月 第33卷第3期 山西能源学院学报 Journal of Shanxi Institute of Energy Jun., 2020 Vol.33 No.3 煤电技术研究 一种煤矿瓦斯安全监控预警算法及系统的研究与设计 朱启成1杨超宇2 1.安徽工贸职业技术学院计算机信息工程系，安徽 淮南232001； 2.安徽理工大学经济与管理学院，安徽 淮南232001 【摘要】【摘要】瓦斯灾害给煤矿安全生产带来极大的威胁，利用瓦斯预警理论及信息化技术研究设计一种煤矿瓦斯 安全预警系统能够极大地降低事故发生带来的损失。本文首先提出了一种新的煤矿瓦斯安全预警算法，设计了监测 指标及其预警标准。以该算法为基础设计实现了煤矿瓦斯安全预警系统，分别介绍了系统总体架构及各个功能模 块。最后在煤矿实际数据环境下进行了实验,并对结果进行了分析，能够有效及时地对瓦斯状态进行动态监测预警。 本文提出的算法及系统方案在煤矿瓦斯事故灾害预防中具有重大的现实意义。 【关键词】【关键词】瓦斯;安全监控;预警;算法;数据 【中图分类号】【中图分类号】TD712 【文章编号】【文章编号】2096-4102202003-0017-03 煤矿生产过程中往往受到瓦斯爆炸、煤与瓦斯 突出等灾害事故的威胁，我国煤矿每年发生死亡10 人以上的重特大事故中，瓦斯事故约占死亡人数的 71。目前，煤矿井下安装了大量的瓦斯监测传感 器，但是，如何从这些传感器获取的大量数据中挖 掘出有效的煤矿瓦斯危险源信息，并进行及时准确 的瓦斯风险预警,成为目前煤矿瓦斯监控预警需要 解决的关键问题。 目前,一些基于信息技术的瓦斯预警系统在煤 矿中进行了实际应用。但是从操作性及预测效果等 方面,无法满足煤矿瓦斯安全管理的实际需求。在 信息化技术发展越来越成熟的环境下,本文在煤矿 安全管理、瓦斯突出防治等理论基础上，提出了一 种可行的煤矿瓦斯预警算法。然后利用传感器网 络、信息管理、图形可视化等技术，设计开发了一套 煤矿瓦斯灾害预警系统。最后在实际的应用环境下 进行了测试,能够对工作面瓦斯状况进行有效的动 态监测及预警，对减少煤矿瓦斯灾害具有重大的现 实意义。 1煤矿瓦斯安全预警算法煤矿瓦斯安全预警算法 1.1预警算法监测指标及预警标准 1.1.1等效浓度G 本文公式及文字中提到的实时浓度Ci均为等 【文献标识码】【文献标识码】A 开放科学资源服务标识码开放科学资源服务标识码OSID關癒殲關癒殲 效浓度Ci,表示从传感器节点中实时采集到的瓦斯 浓度值。 1.1.2波动率计算及预警判别法 波动率是指浓度相对于长周期均线变化幅度, 其计算公式如下所示 Bi CiCmc g100 公式1 式中，Bi实时波动率,Ci实时气体浓度值， Cm长周期瓦斯浓度平均值。 在同一长均值浓度范围内，不同的预警等级采 用同一波动率的临界值，以超过临界值次数划分预 警等级，不同浓度范围,波动率临界值不同。 1.1.3频率计算与判别法 当Ci弄G-1,认为瓦斯浓度变化1次，即记P 1 次，频率计算需要两个参数指标。第一个是Pmc,是 指实时频率周期内的频率平均值，其计算公式如下 PmcT/Pc/Tc 公式2 式中,Ts代表实时频率周期,一般取2-10分钟, 测试时取5分钟。P。是指长周期内频率值;是指 长周期时间。 第二个指标是Pi5,计算方法如下面公式所示 人卩1100・器 公式3 式中,Api是等级系数,Pm为公式2中Pm,Pi5 收稿日期收稿日期2020-01-11 基金项目基金项目本文系2018年度安徽高校自然科学研究项目“煤与瓦斯突出智能预警系统的开发与应用研究”项目编号KJ2018A0769 最终研究成果。 作者简介作者简介侏启成 1973,男，安徽长丰人，安徽工贸职业技术学院计算机信息工程系讲师，硕士。 17 朱启成，等一种煤矿瓦斯安全监控预警算法及系统的研究与设计 为实时周期内的频率值。浓度变化频率预警方法有 两种方式，一是超标准次数（在同一幅度内频率次 数增加），二是频率变化幅度。 1.2工作面瓦斯预警等级及判断标准 工作面瓦斯状态预警等级及判断标准根据以 上各个单项预警指标汇总而定的。工作面预警等级 对应于某个地点，即与某组传感器绑定。我们将瓦 斯状态预警等级划分为0无异常、1关注、 2提醒、3警告、4响应，随着数字的增 加,预警等级越来越高。工作面预警等级划分方法 米用相邻等级指标叠加和各单项同级指标叠加相 结合的方法。 2系统分析与设计系统分析与设计 2.1系统总体架构设计 根据以上煤矿瓦斯预警算法，设计一个以物联 网环境为基础的、数据库存储查询为中心的瓦斯可 视化预警综合管理平台，如图1所示。首先通过矿 井工作面的瓦斯传感器节点将采集到的实时瓦斯 浓度数据通过无线网络将数据汇总到服务器中，随 着传感器节点不停地采集数据,服务器上数据文件 也将会不停地更新。服务器上同时部署数据标准化 统一处理应用程序，将不同厂家、不同类型传感器 生成的不同格式瓦斯浓度数据进行格式化，形成统 一标准的数据格式。服务器端程序在得到最新的数 据后,将最新数据更新到数据库中,在此过程中,把 工作面信息、传感器信息、时间信息同步更新到数 据库中。图1中有一个Excel历史数据文件，可保存 煤矿历史瓦斯浓度数据,这些数据通过一个单独的 Excel数据转换处理程序按行读取Excel文件中的 内容，将瓦斯浓度数据解析后更新到服务器上瓦斯 浓度数据文件中。采用这种方法，实时采集的瓦斯 浓度数据与历史瓦斯浓度数据能够统一化处理，服 务器端处理程序只需要查看同一个数据文件即可。 在数据更新到数据库中以后，通过一个瓦斯预警客 户端应用程序对瓦斯浓度预警信息进行多维可视 化展示。 2.2系统功能分析 根据煤矿瓦斯安全管理的实际需求,结合安全 管理理论与计算机管理信息化技术设计实现煤矿 瓦斯安全监控预警系统。其中，主要功能模块划分 为数据采集、预警信息、信息录入、报表、应急管理、 决策支持、系统设置等。 （1）数据采集。此功能中分为监测系统和Excel 表格两个子功能,监测系统功能能够从煤矿工作面 瓦斯传感器实时读取数据,Excel表格能够从瓦斯 浓度Excel历史数据表中解析瓦斯浓度数据。 图图1系统总体架构图系统总体架构图 （2）预警信息。该功能中包括实时信息、预警等 级、预测指标、浓度变化。这四部分功能分别从瓦斯 浓度实时数据、瓦斯预警等级状态、预测指标对比、 浓度变化状态四个角度来进行瓦斯状态预警信息 的可视化展示。 （3） 信息录入。该功能中主要对需要监测的工 作面、传感器、瓦斯预警等级等基础信息进行管理。 （4） 报表。该功能中包括对历史监测过程中发 生的瓦斯突出信息、煤层状态等进行分析,生成统 计报表的形式。 （5） 应急管理。对瓦斯发生突出事故后相应的 应急预案、救援队伍信息进行管理。 （6） 决策支持。对可能发生的瓦斯突出情况提 供决策方案信息管理。 （7） 系统设置。管理系统中基础信息，包括登录 用户、用户密码、系统数据库连接配置等。 3系统实现及结果分析系统实现及结果分析 该系统在平顶山天安煤业有限公司十矿进行 了试运行，该矿井为年产350万吨特大型现代化矿 井。矿井主采的戊组、己组煤层均为突出煤层，矿井 突出防治压力较大。为预防采掘作业中的煤与瓦斯 突出，矿井布置了煤与瓦斯突出预警系统,进行了 试运行。系统采用共享矿井已有安全监控系统采集 的数据,进行专门数据处理与分析,以独立发布分 析结果和预警信号的方式进行。 3.1瓦斯浓度数据更新方式及文件格式 3.1.1服务器数据更新方式 在传感器数据中心服务器指定目录下有一个 名称为“data.txt”的文件，不同矿有不同的要求，一 般310秒更新一次，完全覆盖，内容为逗号分隔符 的csv文件。其中的文件位置、文件名称、更新频率 18 朱启成，等一种煤矿瓦斯安全监控预警算法及系统的研究与设计 可以随时配置，配置后在一段时间内保持固定。由 于该数据文件按一定的频率更新，所以在读文件的 时候要考虑文件是否更新完毕。一般情况下,瓦斯 浓度传感器数据的读取设置间隔时间为0.15秒，既 能保证数据的实时有效性，同时能够满足系统处理 效率。 3.1.2数据文件格式 文件中需要解析的内容包括传感器名称对应 于多个数据中的地点、气体浓度、时间,其他项可 以忽略。其中的每一项所在位置可以根据不同的矿 来进行配置。传感器分两种风速和浓度。具体按传 感器名称根据后面两个汉字来判断。读取文件时需 要考虑汉字编码问题，系统程序处理时将原编码 GBK或GB2312或UTF-8统计转成UTF-8编码。 文件格式举例 十矿,14,-320 北大巷风速,3,3,2.96,1,2013- 10-20 085358 十矿,14,-320行人石门风速,4,3,42,1,2013- 10-20085358 3.2系统实现 在煤矿瓦斯预警系统总体架构设计中提出，必 须将不同传感器采集的数据进行统一格式化，并实 时转存到数据库中，因此系统实现了一个服务器端 数据处理程序。该程序运行在服务器上，实时地分析 传感器是否采集了瓦斯状态数据，如果更新了数据 文件,程序解析读取数据文件,然后存入数据库中。 如果在客户端中仅需要分析历史数据,系统可 以对历史Excel文件进行按行读取,模拟实时数据 采集状态,将历史数据依次录入到数据库中。系统 实现了一个Excel文件读取程序，对Excel文件进 行解析，并转存入系统数据库中。 对系统测试实验结果分析,通过长均线和中均 线浓度变化可以看出，在中间曲线出现了波动现 象，这种波动体现了突出的危险性，反映了突出的 前兆信号。当波动率突破上限值时,煤与瓦斯突出 的发生概率进一步增强，预示着突出临近。从瓦斯 浓度变化特征来看,两者预警信号一致。 4结论结论 针对煤矿安全生产中瓦斯监测系统的不足，本 文基于瓦斯浓度监测传感器网络，提出了一种新的 瓦斯浓度预警算法，并设计了具有实时监测、传感 器异构数据统一格式化、历史数据分析等功能的煤 矿瓦斯监控预警系统。系统能够在实际的煤矿环境 中对瓦斯浓度监控和预警,且数据监测精度高、预 警响应速度快、系统运行稳定、操作维护方便,为煤 矿瓦斯安全管理提供了准确的科学依据,有效地提 高了煤矿生产安全管理水平,在煤矿瓦斯灾害防治 应用中具有极大的参考及推广价值。 【参考文献】【参考文献】 [1] 常彦昆.对防治煤矿瓦斯爆炸的技术研究[J].中小企 业管理与科技,2011 27191. [2] 赵恒,王婷婷.煤与瓦斯突出灾害预警系统在赵庄煤 业的现场应用[J].山西煤炭管理干部学院学报,2015,281 7-8,12. [3] 关维娟.煤矿工作面作业环境及煤与瓦斯突出危险 综合评价研究[D],淮南安徽理工大学,2015. [4] 李润求.煤矿瓦斯爆炸灾害风险模式识别与预警研 究[D],长沙中南大学,2013. [5] 顾荣荣，任萍，郝伟.嵌入式ZigBee瓦斯监控系统的 设计[J].长春师范学院学报,2013,32 542-44. [6] 金鑫.基于P XI的无线通信远程实验平台的设计[J]. 国外电子测量技术,2015,34 381-84. [7] 杨扬.河西区应急联动和服务管理系统研发[D].天 津天津大学,2010. [8] 杨宏飞.智能化井下瓦斯监测系统设计[J].山西能源 学院学报,2018,31 130-33. [9] 冀少军.多传感器数据融合技术在煤矿瓦斯预警中 的应用研究[D],邯郸河北工程大学,2016. 19