煤礦重大災(zāi)害辯識和控制信息系統(tǒng)

煤礦重大災(zāi)害辯識和控制信息系統(tǒng)1開發(fā)背景

國內(nèi)外相關(guān)技術(shù)與產(chǎn)品現(xiàn)狀及問題通過近十幾年的建設(shè)，我國煤礦生產(chǎn)成績斐然，原國有煤礦采掘機(jī)械化程度達(dá)到70％以上，其中綜合機(jī)械化程度達(dá)到50％以上。全國年生產(chǎn)能力1000萬t以上的煤炭企業(yè)20余處，形成了一大批高產(chǎn)高效礦井。但是，由于煤礦井下作業(yè)處于地表深處，地質(zhì)條件復(fù)雜，環(huán)境惡劣，瓦斯、粉塵、水災(zāi)、火災(zāi)隱患難以探測和辨識，大型事故時有發(fā)生，給我國煤礦生產(chǎn)造成了重大損失，也危及了煤礦工人的人身安全。尤其是“一通三防〞、“防治水〞是關(guān)系到礦井安全生產(chǎn)的兩個重要方面，是困擾煤炭行業(yè)多年來的難題。多年來，我國煤炭行業(yè)和各煤炭企業(yè)分別做了大量行之有效的工作，不但規(guī)定高瓦斯礦井必須裝備監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)，而且要嚴(yán)格執(zhí)行“先抽后采、監(jiān)測監(jiān)控、以風(fēng)定產(chǎn)〞的原則，制定了新的比較完善的《煤礦安全規(guī)程》，在一定程度上保證了安全生產(chǎn)。但是，從應(yīng)用等方面目前普遍存在以下問題。

礦井一通三防管理我國煤炭企業(yè)的監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用起步較晚，80年代初才開始從國外引進(jìn)了監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)，如DAN6400、MINOS和Senturion-200等，裝備了部分煤礦;在消化汲取的同時，先后有許多廠家結(jié)合我國具體狀況進(jìn)行了國產(chǎn)化，并研發(fā)了一些新的監(jiān)測系統(tǒng)，如KJ90、KJ10、KJ95、KJ4、KJ66、KJ2000、A8000、KJ76等。但是一般監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸和公布功能較差，不支持按真實比例的矢量圖形顯示模式和WEB公布功能。而且不具備包括通風(fēng)、瓦斯、防塵、防滅火等方面的專業(yè)分析功能、專業(yè)故障診斷和隱患辨識功能、更不具備決策支持功能。所有采集到的數(shù)據(jù)，基本上是由專業(yè)人員分析后才能用于實際決策，快速反應(yīng)能力較差。而且各專業(yè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)共享存在通信協(xié)議等問題，聯(lián)動能力差，而且僅靠監(jiān)測系統(tǒng)，而沒有合計地質(zhì)構(gòu)造造成的瓦斯聚集很難進(jìn)行超前猜測預(yù)報?？傊?，“一通三防〞工作中瓦斯、粉塵、水災(zāi)、火災(zāi)的隱患辨識、預(yù)警能力和反應(yīng)速度不僅取決于監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)硬件設(shè)備處理能力和數(shù)據(jù)傳輸能力，而且軟件系統(tǒng)的處理能力、專業(yè)分析能力和決策支持能力起著非常重要的作用。

礦井防治水管理在我國，除大氣降水、地表水以及相關(guān)的潛水含水層外，煤礦老窯采空區(qū)、陷落柱的發(fā)育程度及斷層的富水性，也直接威脅煤礦的安全生產(chǎn)，老窯采空區(qū)、溶巖陷落柱、導(dǎo)水?dāng)鄬釉斐裳途鹿蕦乙姴货r。究其原因，正象賈福海院士所說：“我國礦山水害嚴(yán)重，淹井事故之多，水量之大，可謂世界之最。究其原因，多因水文地質(zhì)條件復(fù)雜，相當(dāng)一部分礦山，水文地質(zhì)條件未查明或涌水量猜測不準(zhǔn)確而造成。〞。也就是說，在礦井“防治水〞方面，雖然有許多勘察方法，如電法、磁法、重力法以及三維地震等，在涌水量猜測方面也有像解析法、數(shù)值法和電網(wǎng)絡(luò)模擬法等一些比較有效的手段，《煤礦安全規(guī)程》也對地面“防治水〞和井下“防治水〞作了具體規(guī)定。但許多礦山前期投入不夠，設(shè)置的觀測井、觀測孔和觀測點(diǎn)較少，而且這些觀測信息一般沒有用計算機(jī)進(jìn)行處理，猜測預(yù)報能力差，對地表水、地下水的賦存狀態(tài)和流動規(guī)律掌握不夠，對出水點(diǎn)及出水量，以及積水范圍和積水量沒有正確的估計，一味只注重封堵和排放，造成了嚴(yán)重的被動局面，使有些水害事故成了不必要的必定，也就是說重治不重防。雖然，有些學(xué)者也對基于GIS的地質(zhì)災(zāi)害和水資源管理進(jìn)行了研究，但在判斷含水層、圈定富區(qū)、識別導(dǎo)水通道、估計持水量和計算涌水速度等方面缺乏系統(tǒng)的理論支持，三維可視化能力差，決策性和直觀性不強(qiáng)也給開采制定、巷道布置、工作面布置以及掘進(jìn)回采等工作帶來了困難和盲目性。

礦壓管理與控制目前，我國采掘業(yè)中的冒頂、鼓底、沖擊地壓和礦震也是威脅礦工生命的主要災(zāi)害之一，雖然經(jīng)過了幾代學(xué)者的不懈努力，提出了多種礦業(yè)理論，但最具代表性的是“砌體梁理論〞和“傳遞巖梁理論〞，這兩種理論互相補(bǔ)充，在實際生產(chǎn)中發(fā)揮了龐大的作用。但由于地質(zhì)構(gòu)造的復(fù)雜性和生產(chǎn)工藝的多樣性，現(xiàn)場的工程技術(shù)人員很難清楚地解釋礦壓現(xiàn)象、識別礦壓事故，難以做到來壓超前預(yù)報、選擇合理的巷道位置、確定合理的工作面尺寸、選擇合理的支護(hù)方式和支護(hù)設(shè)備、控制工作面推動速度、避免礦壓事故發(fā)生。

發(fā)展趨勢安全信息保證系統(tǒng)的發(fā)展趨勢是在三維地質(zhì)模型的基礎(chǔ)上，完善各種傳感器和監(jiān)測系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，探討對水災(zāi)、火災(zāi)、瓦斯、粉塵、礦壓等各種災(zāi)害的隱患探測、故障診斷和災(zāi)害治理新方法，開發(fā)成功基于信息技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的，利用能夠處理和管理所有地面對象和地下對象的三維地下工程CAD/GIS平臺。其中地面對象包括山體、水體、建筑、道路、橋梁和設(shè)備等，地下對象包括巷道、硐室、煤巖層、礦體、斷層、陷落柱、各種含水層和富水區(qū)域、瓦斯賦存體和采、掘、機(jī)、運(yùn)、通、供電、排水專業(yè)系統(tǒng)等。該平臺不僅能夠?qū)Σ?、掘、機(jī)、運(yùn)、通、供電、排水、礦壓各專業(yè)系統(tǒng)按照《煤礦安全規(guī)程》的規(guī)定進(jìn)行深入的安全隱患分析和事故排查，而且具有完善的三維可視化功能以提升制定和管理人員決策的可靠度，同時能夠調(diào)用和處理所有安全監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)〔含束管監(jiān)測、工業(yè)檢測系統(tǒng)的安全探頭數(shù)據(jù)、應(yīng)力應(yīng)變和礦壓力動態(tài)儀〕的實時數(shù)據(jù)進(jìn)行各種災(zāi)害和事故的綜合辨識和決策支持，并支持C/S結(jié)構(gòu)和B/S結(jié)構(gòu)的公布、查詢和自動預(yù)報警，消除信息孤島，實現(xiàn)信息共享，提升安全監(jiān)控系統(tǒng)的可靠性和快速反應(yīng)能力，最終形成一個完整的礦山生產(chǎn)安全保證體系和災(zāi)變快速反應(yīng)系統(tǒng)。

本項目的意義本項目的意義在于：

通過本項目的研發(fā)和實施可以建立一套完整的礦山安全評價與安全管理的三維地質(zhì)和地下工程模型，加強(qiáng)可視化管理。

可以建立一套完善可靠的安全信息監(jiān)測系統(tǒng)和礦井安全監(jiān)測傳感器系統(tǒng)。安全信息監(jiān)測系統(tǒng)涉及的信息包括瓦斯、粉塵、地表水、地下水、火災(zāi)、電氣、運(yùn)輸?shù)确矫?，傳感器系統(tǒng)涉及的信息包括礦井的瓦斯、一氧化碳、粉塵、煙霧、溫度、風(fēng)速、壓力、氧氣、水位、流量、煤位、位移、應(yīng)力、電流、電壓、功率、短路電流、接地電流、電容電流等方面。

依據(jù)各專業(yè)特點(diǎn)，建立一套合理的數(shù)據(jù)處理、專業(yè)分析和決策支持?jǐn)?shù)學(xué)模型。充分利用三維地理信息系統(tǒng)中的空間地質(zhì)模型、地下工程模型和通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)、防塵管路、供電網(wǎng)絡(luò)、排水管路、運(yùn)輸線路、瓦斯抽放管路、注漿管路、注氮管路、避災(zāi)路線、通訊網(wǎng)絡(luò)、監(jiān)測系統(tǒng)等各專業(yè)網(wǎng)絡(luò)布局模型，融合常規(guī)生產(chǎn)安全信息和監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)提供的實時數(shù)據(jù)進(jìn)行各種隱患辨識、故障診斷、事故預(yù)警和救災(zāi)指揮，形成抗災(zāi)救災(zāi)的快速反應(yīng)系統(tǒng)?？傊?，該項目的開發(fā)成功對我國的礦山安全生產(chǎn)、減少人員傷亡、提升生產(chǎn)效率具有重大的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益，并對采礦業(yè)的科技進(jìn)步具有劃時代的意義。2

實施方案

具體內(nèi)容

建立完整的、合理的、科學(xué)的和規(guī)范的危險源信息和隱患辨識數(shù)據(jù)庫，包含勘察信息、特征數(shù)據(jù)、動態(tài)監(jiān)測和觀測等方面的數(shù)據(jù)。其中勘察信息包括各種鉆探、物探、化探、電法、磁法、重力、二維地震成果、三維地震成果和各種測井曲線等。特征數(shù)據(jù)包括各巖層的巖性、硬度、碎漲系數(shù)、孔隙度、滲透系數(shù)、持水度、容水度、給水度、釋水系數(shù)、擴(kuò)散系數(shù)、視電阻率、自然咖瑪、咖瑪咖瑪、瓦斯賦存狀態(tài)、瓦斯壓力、煤層性質(zhì)等。動態(tài)監(jiān)測和觀測數(shù)據(jù)包括降雨量觀測數(shù)據(jù)、涌水量觀測數(shù)據(jù)、各地質(zhì)區(qū)域的和開采區(qū)域的潛水補(bǔ)給量和瓦斯補(bǔ)給量、溫度、濕度、壓力、風(fēng)速、瓦斯?jié)舛?、粉塵濃度、一氧化碳、氧氣、煙霧、水位、排水量、瓦斯抽放量、位移、采出量、電流、電壓、漏電、短路電流、接地電流和各種開關(guān)量，以及動態(tài)化驗結(jié)果等。

完善GIS平臺的三維地質(zhì)建模功能、三維地質(zhì)體圈定功能和三維儲量計算功能和三維可視化功能，建立任意復(fù)雜構(gòu)造的地質(zhì)模型，包含水文地質(zhì)和瓦斯地質(zhì)、各種煤巖層、斷層、陷落柱等。能夠綜合各種勘探資料圈定各種地質(zhì)體，包括含水區(qū)域的范圍及儲水量、瓦斯賦存范圍及賦存量、老窯采空區(qū)積水等。依據(jù)動態(tài)觀測數(shù)據(jù)實時修正三維模型和賦存量，達(dá)到對危險源的透明管理。

建立完善的可用探頭數(shù)據(jù)庫、災(zāi)變處理方法庫及其實施條件和范圍。探頭數(shù)據(jù)庫包括廠家名稱、型號、技術(shù)指標(biāo)和適用條件等內(nèi)容。實施條件和范圍包括水災(zāi)的排放、注獎、封堵策略，火災(zāi)的密閉、均壓、注氮，瓦斯的抽放、通風(fēng)、均壓等。

建立綜合的、完善的故障診斷和隱患辨識系統(tǒng)，充分利用藍(lán)光GIS平臺提供的各種專業(yè)GIS圖形和屬性庫的常規(guī)數(shù)據(jù)，包括通風(fēng)系統(tǒng)各點(diǎn)的供風(fēng)量、調(diào)節(jié)設(shè)施，排水系統(tǒng)各水倉容量、各泵房的排水能力，瓦斯管網(wǎng)抽放能力，供電網(wǎng)絡(luò)的各開關(guān)的保護(hù)方式、保護(hù)范圍、整定范圍、斷路器的斷開能力，防塵系統(tǒng)的降塵能力，防火系統(tǒng)的均壓線路，避災(zāi)線路的通過能力等均可由GIS圖形得到。結(jié)合監(jiān)測系統(tǒng)和人工觀測提供的實時動態(tài)數(shù)據(jù)，建立故障診斷模型，包括事故樹模型、魚刺圖模型、層次分析模型，以及灰色模型和模糊模型，再用藍(lán)光GIS平臺提供的通風(fēng)、供電、排水、防塵、運(yùn)輸?shù)确矫娴膶I(yè)分析，形成各專業(yè)聯(lián)動的綜合快速的故障反應(yīng)指揮系統(tǒng)。

制定各種監(jiān)測系統(tǒng)的接口規(guī)范，建立完善的網(wǎng)絡(luò)傳輸體系，包括局域網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)、有線和無限通訊，以及靜態(tài)數(shù)據(jù)、動態(tài)數(shù)據(jù)、視頻和各種圖形的WEB查詢、自動提醒和報警功能。可以實現(xiàn)各專業(yè)數(shù)據(jù)的網(wǎng)上共享和各種故障的互聯(lián)網(wǎng)診斷。

技術(shù)與裝備特點(diǎn)技術(shù)特點(diǎn)是，能夠?qū)Ω鞣N勘察數(shù)據(jù)、觀測數(shù)據(jù)和監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行動態(tài)分析，通過各專業(yè)間的技術(shù)關(guān)聯(lián)性和安全閉鎖關(guān)系進(jìn)行聯(lián)動決策，充分利用三維地質(zhì)模型和地下工程模型，其中三維地質(zhì)模型包含水文地質(zhì)和瓦斯地質(zhì)、各種煤巖層、斷層、陷落柱等。地下工程模型包括巷道、采場、硐室、泵房、管路。不僅可計算出各種工程與危險源的安全距離，提升制定方案的安全性，而且可以綜合各種因素迅速得出各種應(yīng)急預(yù)案和抗災(zāi)、救災(zāi)指揮方案。本項目所采納和研制的探頭和傳感器是齊全的、高度穩(wěn)定的、可靠的，如果有故障，也可以及時做出判斷，調(diào)節(jié)設(shè)備應(yīng)是自動的和可控的。

關(guān)鍵技術(shù)和關(guān)鍵工藝

研制或選用一系列高可靠性、快反應(yīng)速度的傳感器，包括溫度、靜壓、風(fēng)速、瓦斯?jié)舛取⒎蹓m濃度、一氧化碳、氧氣、煙霧、水位、流速、電流、電壓等，目前的關(guān)鍵是靜壓探頭和粉塵探頭。依托基礎(chǔ)是國內(nèi)各礦務(wù)局〔集團(tuán)公司〕普遍使用的KJ95、KJ76安全監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)、KJ67井下電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)等，以及參照我國2004年4月份研制出的粉塵傳感器。

研制或選用井下大容量本安電源和遠(yuǎn)程本安控制裝置，目前的關(guān)鍵是遠(yuǎn)程自動風(fēng)門和風(fēng)窗。依托基礎(chǔ)是山東科技大學(xué)參加研究的半自動風(fēng)門及其自動閉鎖系統(tǒng)。

研制能夠包括所有危險源的三維地質(zhì)建模系統(tǒng)和安全地質(zhì)保證體系的有用軟件系統(tǒng)是主要技術(shù)之一。依托基礎(chǔ)是泰安藍(lán)光計算機(jī)技術(shù)研究所的《三維地下工程CAD平臺》。

研制能夠同時處理包含通風(fēng)、供電、排水、防塵、運(yùn)輸?shù)葘I(yè)帶屬性的系統(tǒng)圖和深層專業(yè)分析計算的地理信息平臺也是技術(shù)關(guān)鍵之一。依托基礎(chǔ)是泰安藍(lán)光計算機(jī)技術(shù)研究所的《藍(lán)光CAD/GIS平臺》、《可視化通用管理平臺》、《安全管理系統(tǒng)》、《通防輔助系統(tǒng)》、《輸配電輔助系統(tǒng)》和《給排水制定CAD》等，其中包含許多優(yōu)化理論和專業(yè)分析。

研制包括瓦斯、水害、火災(zāi)、電氣等危險源的綜合診斷模型、辨識模型和決策模型是該系統(tǒng)的核心?？蓞⒄仗┌菜{(lán)光計算機(jī)技術(shù)研究所的《安全管理系統(tǒng)》中的事故樹分析和因果樹分析、《通防輔助系統(tǒng)》中故障診斷模型以及其他有關(guān)數(shù)學(xué)理論。

研制礦壓猜測預(yù)報和決策控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)充分利用地質(zhì)構(gòu)造模型和開采工藝，以及“砌體梁理論〞和“傳遞巖梁理論〞確定應(yīng)力分布、來壓周期和來壓步距、頂板斷裂形態(tài)和斷裂步距，可以確定合理的巷道位置和工作面尺寸，有效控制工作面推動速度，有效避免礦壓事故。

研制網(wǎng)絡(luò)傳輸和基于瘦客戶端的WEB監(jiān)測監(jiān)控和遠(yuǎn)程診斷系統(tǒng)也是關(guān)鍵技術(shù)之一，依托基礎(chǔ)是泰安藍(lán)光計算機(jī)技術(shù)研究所的《可視化通用管理平臺》和《通防輔助系統(tǒng)》。3

技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)

現(xiàn)有安全監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)多為封閉系統(tǒng)，其中使用的通信協(xié)議和信息交換標(biāo)準(zhǔn)都是由廠家自己制定的，嚴(yán)格保密，互不兼容，缺乏統(tǒng)一的通信及信息交換標(biāo)準(zhǔn)，如使用現(xiàn)場總線系統(tǒng)、串口RS-232/485通信以及其它的系統(tǒng)，如電力監(jiān)測多使用ATM網(wǎng)，工業(yè)電視系統(tǒng)使用HFC網(wǎng)，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和通信模式多樣，極不規(guī)范。而且這些系統(tǒng)都分散在各個相關(guān)職能部門，形成了多個信息孤島，使各級安全、生產(chǎn)、指揮決策部門無法全面及時地掌握現(xiàn)場的安全和生產(chǎn)實際狀況，造成決策指揮不靈，制約了這些系統(tǒng)綜合能力的發(fā)揮，嚴(yán)重影響了煤炭企業(yè)安全生產(chǎn)管理水平的提升。該項目通過接口規(guī)范制定，把以前各種不同專業(yè)不同廠家的監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)連接成一個有機(jī)的整體，使監(jiān)測信息達(dá)到完全公開、共享，消除信息孤島，達(dá)到各專業(yè)協(xié)同管理、協(xié)同決策，也可讓監(jiān)測數(shù)據(jù)發(fā)揮更大的作用。

眾所周知，目前的監(jiān)測系統(tǒng)的功能只是從井下采集數(shù)據(jù)，而后傳至地面或網(wǎng)絡(luò)上顯示、保存和打印，即使有一些分析功能〔統(tǒng)計功能、曲線圖功能和直方圖功能〕，也多是針對監(jiān)測數(shù)據(jù)本身的簡單分析，專業(yè)支持和決策功能較弱，利用這些數(shù)據(jù)做深層次分析，例如，通過瓦斯、風(fēng)速、溫度、一氧化碳探頭數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)異常，監(jiān)測系統(tǒng)并不能給出調(diào)風(fēng)控風(fēng)方案，更不能實現(xiàn)自動調(diào)節(jié)?；蛘哒f目前的監(jiān)測系統(tǒng)只會采集數(shù)據(jù)，并不會利用數(shù)據(jù)，靠人工分析、計算、而后再進(jìn)行決策，肯定造成決策滯后，耽誤時機(jī)，造成不必要的經(jīng)濟(jì)損失。該系統(tǒng)可直接利用各專業(yè)的深層分析功能和聯(lián)合診斷功能，做出較正確的隱患辨識和救災(zāi)方案，對各專業(yè)的安全生產(chǎn)實現(xiàn)聯(lián)動監(jiān)測、聯(lián)動調(diào)控，不僅使監(jiān)測系統(tǒng)的作用提升到一個新水平，而且真正實現(xiàn)監(jiān)測監(jiān)控的自動化和智能化。

目前所使用的安全檢測傳感器尚不完善，通過項目研究，可以開發(fā)出種類齊全、安全可靠、連續(xù)監(jiān)測傳感器。例如煤礦井下的粉塵濃度測定普遍采納的是粉塵采樣器現(xiàn)場采樣，然后在地面進(jìn)行測定，或者使用直讀式防塵測定儀進(jìn)行測定。這些方法優(yōu)