煤与瓦斯突出实时监测及预警系统研究.pdf

收稿日期 2010- 03- 08 作者简介 王 鹏 1983男, 陕西汉中人, 西安科技大学能源学院 硕士研究生, 主要从事煤与瓦斯突出预警系统研究。 煤与瓦斯突出实时监测及预警系统研究 王 鹏, 崔 锋, 郭 锋 西安科技大学 能源学院, 陕西 西安710054 摘 要 针对当前煤与瓦斯突出预测的研究现状, 设计并实现了一个煤与瓦斯突出监测及预警系 统。提供了一种基于. NET 平台, 利用三层架构, Socket技术, 结合 SQL2000开发此类系统的方法 和思路。对系统的拓扑结构、 主要功能及其算法进行了描述。结果表明, 该系统预测效果良好, 运 行稳定, 达到对煤与瓦斯突出监测及预警的目的。 关键词 煤与瓦斯突出; 预警; Socket技术 中图分类号 TD713 文献标识码 B 文章编号 1671- 749X 2011 01- 0006- 03 0 引言 煤与瓦斯突出是发生在煤矿井下的一种及其复 杂的动力现象, 是井下严重自然灾害之一, 常常给企 业带来巨大的经济与财产损失。其发生的时间短, 煤与瓦斯向空间抛出或放散的速度快, 突出后人员 很难迅速逃生。随着开采深度的不断加大, 井下环 境日益复杂, 现行预测方式已不能满足安全生产的 需求, 而采用计算机与网络通信技术对其进行实时 监测预报已是矿井综合自动化的重要组成部分。但 事实表明 多种不同的系统不能很好的实现数据共 享和无缝连接, 容易产生 信息孤岛 [ 1]。因此, 建 立一个基于矿井安全生产监控系统的煤与瓦斯突出 实时监测及预警系统成为当前亟待解决的问题。本 文中利用. NET 平台下 3层架构模式及 Socket技 术, 设计并实现了一个煤与瓦斯突出实时监测及预 警系统。 1 系统分析及设计 1 . 1 系统综述 根据 MT /T1004- 2006标准, 建立煤与瓦斯突 出监测及预警系统。该系统主要包含监测及预警两 大部分。其中瓦斯、 风速传感器构成瓦斯涌出量单 元、 声发射指标体现地应力大小。由于井下环境相 对复杂, 为提高监测数据的可靠性, 对具有煤与瓦斯 突出危险性的一个工作面上采用两组 4个 声发射 传感器进行实时监测。该系统应包括煤与瓦斯突出 特征因数实时曲线显示 瓦斯涌出量、 声发射指 标 、 综合指标的统计分析及曲线显示、 实时数据远 程传输、 特征因数曲线查询及动画演示、 语音报警、 相关报表打印功能、 煤与瓦斯突出信息查询统计及 基本信息管理。 1 . 2 系统拓扑设计及其结构 本系统的实时数据监测及信息处理部分采用 C /S模式实现, 监测数据通过 socket技术将数据同 步传输到远程分析中心, 并进行同步分析。本地实 时数据监测及信息处理部分包括数据采集模块、 数 据现实子系统和实时预警子系统等 3个方面。数据 采集模块负责采集反映煤与瓦斯突出特征的实时数 据, 包括瓦斯浓度、 风速、 声发射大事件、 声发射小事 件、 声发射能量等信号。此类数据采用井下智能分 站、 地面中控站传入工控机, 进行处理和存储。数据 管理子系统对采集的数据进行分析。实时预警子系 统通过对数据的实时分析, 得出实时危险判距指标, 并对当前所采集的数据进行判断、 预警。远程分析 中心包括对数据的分析、 查询、 诊断、 收发数据统计 显示等功能。拓扑结构示意如图 1所示。 1 . 3 主要模块设计 系统中实时数据监测及信息处理部分主要功能 模块如图 2所示。主要分为实时数据监测、 数据显 示、 实时预警三大部分。 6王 鹏 崔 锋 郭 锋 煤与瓦斯突出实时监测及预警系统研究 2011年 图 1 系统拓扑示意图 实时数据监测 对具有突出危险性的掘进工作 面进行实时跟踪, 其主要组成。 ∀ 风速监测。实时 监测掘进工作面风速大小, 低于阀值时报警。和甲 烷监测值一起作为计算瓦斯涌出量的基本参数; 瓦斯浓度监测。实时监测掘进工作面瓦斯浓度, 异 常时报警。作为计算瓦斯涌出量的基本参数; ∃ 声 发射小事件。单位时间内由地应力作用而使煤岩体 产生微小断裂, 伴随产生小的弹性应力波事件次数 和, 当大于报警门限时, 提示报警; 声发射大事件。 单位时间内由地应力作用而使煤岩体产生大的断 裂, 伴随产生大的弹性应力波事件次数和, 当大于报 警门限时, 提示报警; 实时数据曲线。依据采集的数据生成相应的时间 监测值曲线, 实时显示当前监测值曲线变化状况; ∃ 指标动画显示。查询某一时间段某个或几个工作面 监测值变化情况, 动画查看整体曲线变化状况; 综 合指标查询。根据各种指标监测结果, 分别显示瓦 斯监测指标曲线和声发射综合指标曲线。 实时预警 通过大量前期数据, 运用相关算法, 实时计算瓦斯 声发射综合指标曲线, 其主要部分。 ∀ 危险判距曲线。根据前期数据, 分别运用模糊层 次分析法和指数平滑预测模型对声发射和瓦斯数据 进行运算处理, 得出实时瓦斯 声发射综合判距指 标; 预警等级查询。根据危险判距综合指标比较 当前监测值, 进行不同危险级别的划分与显示; ∃ 对 已发生的突出事故进行确认, 并将突出时的值作为 预测下次突出事故发生的参考值。 2 系统主要算法描述及实现中的相关技术 2 . 1 系统主要算法描述 模糊层次分析算法描述 声发射指标主要包括 声发射小事件, 声发射大事件, 声发射能量三个大的 指标。并根据现场实际需要设定 8 h的长时指标和 3 h的短时指标。这样声发射指标在实际应用中就 包含 8 h长时指标以及 3 h短时指标的大事件频数 Laf、 大事件趋势 LaQ、 小事件频数 Lof、 小事件趋势 LoQ、 能量和 E, 综合起来共十种基本指标参数 [ 2]。 依据上述指标, 建立声发射综合指标, 具体流程如图 3所示。 图 3 模糊层次分析算法 指数平滑预测算法描述 趋势类指标通过瓦斯 浓度在一定时期内的变化状况 上升、 水平走向、 下 降 , 来反映煤层中影响煤与瓦斯突出的各因素与 突出的相互关系。指数平滑是利用现有数据的加权 平均数来构造趋势方程的统计方法 [ 3]。指数平滑 预测算法流程如图 4所示。 2 . 2 系统实现中的相关技术 多线程技术 系统要求运行中采集数据的同时, 7第 1期 王 鹏 崔 锋 郭 锋 煤与瓦斯突出实时监测及预警系统研究 图 4 指数平滑预测算法 对数据进行统计分析, 故使用多线程方式实现。瓦 斯、 风速、 声发射采集设备使用不同的线程读取硬件 信息, 系统初始界面开启后各线程相应启动。系统 将采集的数据放入公共缓冲区, 供主线程进行处理。 数据同步技术 该系统是在安全生产监控系统 的基础上建立的, 为了有效使用系统中已有的监测 数据, 采用数据同步技术, 即将安全生产监控系统数 据库中的突出指标数据导入到突出预警系统的数据 库中。由相应的代码片段实现了数据导入的功能。 Socket技术 由于本系统需要将实时数据通过 公共 Internet网络实时传输给远程分析中心, 利用 Socket技术把复杂的 TCP / IP协议族隐藏在 Socket 接口后面, 让 Socket去组织数据, 以符合指定的协 议。次外, 我们通过 TCP / IP协议的三次握手, 来显 现数据传输的正常与否。用两个计时器的 T ick事 件来控制发送的实时数据文件和历史数据文件个 数, 由相应的代码片段实现了实时数据文件的发送。 3 结语 计算机技术和通信技术的日益成熟, 为实现煤 与瓦斯突出连续监测提供了良好的基础。本文利用 现场试验数据, 通过分析, 运用. NET 和 SQL2000开 发平台, 结合模糊层次分析和指数平滑预测算法, 分 别对煤与瓦斯突出指标进行统计分析, 最后得出一 个实时预警煤与瓦斯突出危险性的综合判断指标。 同原有最大钻屑量指标预测方法相比, 该方法预测 准确, 操作简单, 实时性强。系统采用 C/S模式和 远程传输模式, 充分利用安全生产监控系统中的数 据资源, 避免了信息孤岛的形成, 使数据充分共 享 [ 4- 5], 便于操作和维护。该系统基本满足了具有 煤与瓦斯突出矿井开采的需要, 提高了生产和管理 效益, 为实现矿井综合自动化提供了一个参考。 参考文献 [ 1] 龚尚福, 席 曼, 李雅玲. 信息系统集成与数据集成 策略 [ J]. 西安科技大学学报, 2008, 28 2 354- 356. [ 2] 王栓林. 煤与瓦斯突出危险性实时跟踪预测技术 研究 [D]. 西安, 西安科技大学, 2009, 23- 24. [ 3] 王振龙, 胡永宏 主编. 应用时间序列分析 [M ]. 北京 科学出版社, 2007 . 5 . [ 4] 刘志寒, 姚 萌. 煤矿安全实时监测与控制信息系 统的实现 [ J]. 工矿自动化, 2005, 4 2 4- 6. [ 5] 卢建军, 赵安新, 王晓路. 煤矿安全综合监测平台 的设计与实现 [ J]. 西安科技大学学报, 2008 , 28 4 619- 622. 上接第 5页 参考文献 [ 1] 李延鸿. 管道式气体 粉尘爆炸试验装置设计尺 寸的确定 [D]. 太原 中北大学, 2006. [ 2] 胡双启, 张景林. 燃烧与爆炸 [M ]. 北京 兵器工 业出版社, 1992. [ 3] 张守中. 爆炸基本原理 [M ]. 北京 国防工业出版 社, 1988. [ 4] 曾 淼. 悬浮粉尘的爆轰波结构 [ D]. 大连 大连理 工大学, 2004. Experi mental study on coal dust explosion pressure in the condition of shock wave XU Zong 1 . College of Chemistry and Environment, North University of China, Taiyuan 030051, China Abstract The paper studied the coaldust explosion pressure in the condition of shockwave using pipe gas- dust explosion device and analyzed the effect of explosion pressure influenced by different shockwave strength, coaldust concentration and coal particle size . K ey words coa;l methane ;shock wave ;explosion pressure 8陕 西 煤 炭 2011年