矿井瓦斯抽采系统可视化实时监测评价系统及方法

本发明属于煤矿安全生产与管理技术领域，具体涉及一种矿井瓦斯抽采系统可视化实时监测评价系统及方法。

背景技术：

中国是世界上煤炭生产与消费的第一大国，同时也是世界上拥有煤矿数量最多，生产条件最为复杂，事故发生频率最高，伤亡损失最为严重的国家。在所有发生的事故中，煤矿瓦斯所造成的的事故占据了50％以上，瓦斯爆炸、煤与瓦斯突出等事故造成了大量的人员伤亡。而抽采系统人工监测瓦斯方式落后，瓦斯监测系统不全面，瓦斯监测不到位，导致无法正确决策、预警，治理效果不够明确成为了造成瓦斯事故的一大原因。

现有国内矿井中瓦斯监测系统，依赖人工监测瓦斯数据。部分瓦斯监测系统软件较落后，监测范围小，数据精度低，呈现效果差，监测结果可读性差，分析难度大，抽采效果显示不直观。现有的监测系统无法细致分析瓦斯抽采源头数据，不能反馈各抽采钻孔、管路、泵站内的瓦斯浓度、流量等信息，无法针对抽采系统进行预警、决策等辅助管理工作。因此设计一种矿井瓦斯抽采系统可视化实时监测评价系统，用于实现实时监测矿井瓦斯抽采过程，预警当前抽采效果，给出瓦斯抽采改进措施建议，对于减少瓦斯事故具有重要意义。

技术实现要素：

本发明的目的，是要提供一种矿井瓦斯抽采系统可视化实时监测评价系统，以实现实时监测矿井瓦斯抽采过程，给出瓦斯抽采改进措施建议，减少瓦斯事故的发生；

本发明的另一个目的，是要提供上述一种矿井瓦斯抽采系统可视化实时监测评价系统的方法，耗费人力物力少，对矿井瓦斯可视化，动态化，智能化具有重要意义。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种矿井瓦斯抽采系统可视化实时监测评价系统，包括用于采集钻孔数据、管路数据、抽采泵站数据的传感器、工业以太网模块、人机交互模块、数据服务器和实时监控系统，传感器安装在矿井下；

所述传感器通过工业以太网模块与实时监控系统、数据服务器通信连接，人机交互模块与数据服务器通信连接；

所述数据服务器包括数据专用储存库和备用服务器，传感器将监测的钻孔数据、管路数据、抽采泵站数据存储在数据专用储存库中，数据专用储存库内还储存有瓦斯规范，并内置有用于判定抽采是否达标的判定单元，用于提出合理措施的建议措施库；

所述实时监控系统内置钻孔固定参数统计表、管路固定参数统计表，根据接收的钻孔数据、管路数据、抽采泵站数据，生成钻孔实时监测参量表、管路实时监测参量表、泵站实时监测参量表、记录每个钻孔在不同时间内的钻孔数据的钻孔历史数据表。

作为限定，所述钻孔固定参数统计表中记录的钻孔参数包括钻孔序号、开孔位置、钻孔方位角、钻孔俯仰角、孔深、孔径；

管路固定参数统计表记录的包括管路编号、管路位置、管径；

钻孔实时监测参量表中记录的钻孔数据包括钻孔序号、开孔相对位置、瓦斯流量、瓦斯压力、瓦斯浓度、孔深；

管路实时监测参量表中记录的管路数据包括管路编号、管路相对位置、长度、瓦斯压力、瓦斯浓度、瓦斯流量；

泵站实时监测参量表中记录的泵站数据包括泵站型号、最大抽气量、极限真空度、电机功率、工作电压、外形尺寸。

本发明还提供了上述矿井瓦斯抽采系统可视化实时监测评价系统的方法，该方法包括以下步骤：

s1、根据数据调查以及矿井的背景资料，绘制煤矿综合柱状图，并根据煤矿综合柱状图建立坐标系，得出煤矿各岩层坐标范围，生成矿井岩层地质图；

s2、通过实地勘测调查煤矿，得到煤层倾角，矿井开采厚度，收集煤岩样品，开展煤岩物理力学实验，测定煤岩抗压强度数据，获得煤岩松散系数，确定回采工作面上方冒落带，裂隙带，弯曲下沉带的高度；根据回采工作面高度，将冒落带、裂隙带、弯曲下沉带在矿井岩层地质图中用不同颜色显示，得到三带可视化图；

s3、根据工作面抽采设计方案选择钻孔布置方法，确定钻孔固定参数、管路固定参数、泵站固定参数，依据和抽采泵站的相对位置对钻孔、管路进行编号，并依据钻孔、管路与抽采泵站的相对位置标定钻孔的开孔位置、管路位置，最终生成抽采系统图，重新确定钻孔、管路、抽采泵站的位置；

s4、设定比例系数a，500≤a≤1000，根据抽采系统图，按照矢量化的抽采系统可视化模型长度和抽采系统图的实际长度比例为1：a绘制，得到矢量化的抽采系统可视化模型；

s5、根据采掘工程平面图，获得顺槽长度，切眼长度，建立回采工作面模型，并结合矿井岩层地质图生成回采工作面上覆岩层模型，确定矿井开采条件、岩层分布、回采工作面，根据矢量化的抽采系统可视化模型、回采工作面抽采设计方案、掘进工作面抽采设计方案分析并建立瓦斯抽采系统模型，将瓦斯抽采系统模型标记于所示三带可视化图中，实现抽采系统图，回采工作面及掘进工作面的三维可视；

s6、通过传感器监测采集钻孔数据、管路数据、泵站数据，并将数据通过工业以太网模块传输到实时监控系统并存储在数据服务器中，实时监控系统通过查询钻孔固定参数统计表、管路固定参数统计表，生成钻孔实时监测参量表、管路实时监测参量表、泵站实时监测参量表，获取最新的监测数据，并将钻孔实时监测参量表、管路实时监测参量表、泵站实时监测参量表中的数据显示在步骤s4的矢量化的抽采系统可视化模型中；

s7、实时监控系统将获取的钻孔数据、管路数据发送给数据服务器的判定单元，并通过判定单元中录入的判定规则判定抽采是否达标；

s8、通过建议措施库，根据距离工作面开采时间、煤层之间的压力差、透气性系数，在建议措施库中的匹配措施对瓦斯抽采不达标的煤矿提出合理措施。

作为限定，步骤s2中，步骤s2中，冒落带、裂隙带、弯曲下沉带区域在矿井岩层地质图中显示时，分别采用不同的颜色；

冒落带、裂隙带高度的计算公式为：

h2＝(1～3)h1；

其中，h1为冒落带高度，单位m；h2为裂隙带高度，单位m；m为矿井开采厚度，单位m；k为煤岩松散系数；α为煤层倾角，单位°。

作为第二种限定，步骤s5中，回采工作面模型的边界长度为l1＝x+20m，宽度l2＝y+20m；

其中，x为顺槽长度，y为切眼长度。

作为第三种限定，步骤s7中，判定抽采是否达标时，需根据煤层瓦斯达标率μ1，矿井瓦斯达标率μ2的值进行判定，且煤的可解析瓦斯量、矿井瓦斯抽采率以及煤层瓦斯抽采率需要同时满足应达到的指标。

作为第四种限定，μ1，μ2的计算公式为：

其中，η1为煤层瓦斯抽采率，％；η为规定最低煤层瓦斯抽采率，％；η2为矿井瓦斯抽采率，％；η3为规定最低矿井瓦斯抽采率，％；

若μ1，μ2≥1，则判定结果为“达标”；若判定结果为“未达标”，则根据μ1，μ2的值进行进一步逐级判定；

若0.6≤μ1，μ2＜1，则判定结果为“较为达标”；

若0.3≤μ1，μ2＜0.6，则判定结果为“需整改”；

若μ1，μ2＜0.3，则判定结果为“废弃”。

作为第五种限定，煤的可解吸瓦斯量的计算公式为：

wj＝w-wc；

其中，wj为煤的可解吸瓦斯量，m³/t；w为抽采瓦斯后煤层的残余瓦斯含量，m³/t；wc为煤在标准大气压下残存瓦斯含量，m³/t；

其中，a，b为吸附常数；ad为煤的灰分，％；mad为煤的水分，％；π为煤的孔隙率，m³/m³；γ为煤的容重，t/m³；

煤的可解吸瓦斯量应达到的指标为：

其中，t为工作面日产量。

作为第六种限定，煤层瓦斯抽采率的计算公式为：

其中，η1为煤层瓦斯抽采率，％；q1为钻孔自然排放及实抽瓦斯量，m³；z为抽放范围的煤量，t；x0为煤的原始瓦斯含量，m³/t；

煤层瓦斯抽采率应达到的指标为：

其中，q为工作面绝对瓦斯涌出量。

作为第七种限定，矿井瓦斯抽采率的计算公式为：

其中，η2为矿井瓦斯抽采率，％；q2为钻孔瓦斯抽放量，m³/min；q3为回风流中排出的瓦斯量，m³/min；

矿井瓦斯抽采率应达到的指标为：

其中，q4为矿井绝对瓦斯涌出量。

本发明由于采用了上述的技术方案，其与现有技术相比，所取得的技术进步在于：

(1)本发明通过实时监控系统可以实时监测钻孔、管路、抽采泵站的相关数据，通过判定单元可以对对瓦斯抽采进行科学、可靠地达标评价；

(2)本发明建立了三维的煤矿综合柱状图，对工作人员进行三带划分提供一定便利；通过实时监控系统可以动态实时的将钻孔、管路的瓦斯流量、瓦斯浓度等数据显示在矢量化的抽采系统图中；

(3)本发明通过建议措施库可以对判定不达标的抽采钻孔、抽采管路快速准确地做出相应的解决方案，提高了生产效率；

(4)本发明能够实现实时监测矿井瓦斯抽采过程，预警当前抽采效果，给出瓦斯抽采改进措施建议，对于减少瓦斯事故具有重要意义；

(5)本发明耗费人力物力少，对矿井瓦斯可视化，动态化，智能化具有重要意义。

本发明属于煤矿安全生产与管理技术领域，用于对矿井瓦斯抽采系统进行实时监测和评价。

附图说明

图1为本发明实施例1的系统框图；

图2为本发明实施例2的方法流程框图；

图3为本发明实施例2的煤矿综合柱状图；

图4为本发明实施例2的三带可视化图；

图5为本发明实施例2的抽采系统图。

图中：1、钻孔；2、瓦斯主管路；3、巷道；4、抽采泵站。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步说明，但本领域的技术人员应当理解，本发明并不限于以下实施例，任何在本发明具体实施例基础上做出的改进和变化都在本发明权利要求保护的范围之内。

实施例1一种矿井瓦斯抽采系统可视化实时监测评价系统

如图1所示，本实施例用于采集钻孔1数据、管路数据、抽采泵站4数据的传感器、工业以太网模块、人机交互模块、数据服务器和实时监控系统，传感器安装在矿井下；传感器通过工业以太网模块与实时监控系统、数据服务器通信连接，人机交互模块与数据服务器通信连接，用于工作人员实行指令，进行数据查询，问题报告查询等操作。

其中，数据服务器包括数据专用储存库和备用服务器，传感器将监测的钻孔1数据、管路数据、抽采泵站4数据存储在数据专用储存库中，数据专用储存库内还储存有瓦斯规范，并内置有用于判定抽采是否达标的判定单元，用于提出合理措施的建议措施库。

实时监控系统内置钻孔固定参数统计表、管路固定参数统计表，根据接收的钻孔1数据、管路数据、抽采泵站4数据，生成钻孔实时监测参量表、管路实时监测参量表、泵站实时监测参量表、记录每个钻孔1在不同时间内的钻孔1数据的钻孔历史数据表。

本实施例中，钻孔固定参数统计表中记录的钻孔1参数包括钻孔1序号、开孔位置、钻孔1方位角、钻孔1俯仰角、孔深、孔径；管路固定参数统计表记录的包括管路编号、管路位置、管径；钻孔实时监测参量表中记录的钻孔1数据包括钻孔1序号、开孔相对位置、瓦斯流量、瓦斯压力、瓦斯浓度、孔深；管路实时监测参量表中记录的管路数据包括管路编号、管路相对位置、长度、瓦斯压力、瓦斯浓度、瓦斯流量；泵站实时监测参量表中记录的泵站数据包括泵站型号、最大抽气量、极限真空度、电机功率、工作电压、外形尺寸。

实施例2一种矿井瓦斯抽采系统可视化实时监测评价系统的方法

如图2所示，本方法包括以下步骤：

s1、根据数据调查以及矿井的背景资料，绘制煤矿综合柱状图，并根据煤矿综合柱状图建立坐标系，得出煤矿各岩层坐标范围，生成矿井岩层地质图；

根据数据调查以及矿井的背景资料，绘制煤矿综合柱状图，如表1所示为煤矿综合柱状图各岩层的分布情况，根据煤矿综合柱状图建立坐标系，设定煤矿底层岩层坐标范围(a0，b0)为原点(0，0)，各岩层厚度通过计算按平均值得出底层细砂岩厚度r1＝5.3m，沿z轴往上第二层泥岩厚度r2＝6.8m，以此类推直到顶层rn，则第一层细砂岩的高度范围为0～r1(5.3m)，第二层泥岩的高度范围为r1(5.3m)～r1+r2(5.3m+6.8m)以此类推依次得出各岩层坐标范围，如图3所示；

表1煤矿综合柱状图各岩层的分布情况

s2、通过实地勘测调查煤矿，得到煤层倾角，矿井开采厚度，收集煤岩样品，开展煤岩物理力学实验，测定煤岩抗压强度数据，获得煤岩松散系数，确定回采工作面上方冒落带，裂隙带，弯曲下沉带的高度；根据回采工作面高度，将冒落带、裂隙带、弯曲下沉带在岩层地质图中用不同颜色显示，得到三带可视化图，如图4所示；

本步骤中，冒落带、裂隙带、弯曲下沉带区域在岩层地质图中显示时，分别采用蓝色区域，黄色区域，白色区域来表示；

其中，冒落带、裂隙带高度的计算公式为：

h2＝(1～3)h1；

其中，h1为冒落带高度，单位m；h2为裂隙带高度，单位m；m为矿井开采厚度，单位m；k为煤岩松散系数；α为煤层倾角，单位°；

s3、根据工作面抽采设计方案选择钻孔布置方法，确定钻孔1固定参数、管路固定参数、泵站固定参数，常用的方法有水平单排、三花双排，五花三排等，依据和抽采泵站4的相对位置对管路、钻孔1进行编号，以抽采泵站4为坐标原点(0，0)，并依据钻孔1、管路与抽采泵站4的相对位置标定钻孔1的开孔位置、管路位置，最终生成抽采系统图，确定钻孔、管路、抽采泵站的位置，如图5所示，图中左边填充的是煤，右面是工作面开采；各个钻孔1连接到瓦斯主管路2上，瓦斯主管路2同抽采泵站4相连接，瓦斯主管路2存在于巷道3之中。钻孔1将煤层或者岩层中的瓦斯抽到瓦斯主管路2中，抽采泵站4的瓦斯抽采泵提供负压将管路的瓦斯抽出来；

s4、设定比例系数a，500≤a≤1000，根据抽采系统图，按照矢量化的抽采系统可视化模型长度和抽采系统图的实际长度比例为1：a绘制，得到矢量化的抽采系统可视化模型；

为了方便快速定位各钻孔1位置以及管路、抽采泵站等重要位置，因此采用矢量化的方法标定其具体位置；

s5、根据采掘工程平面图，获得顺槽长度，切眼长度，建立回采工作面模型，并结合矿井岩层地质图生成回采工作面上覆岩层模型，确定矿井开采条件、岩层分布、回采工作面，根据矢量化的抽采系统可视化模型、回采工作面抽采设计方案、掘进工作面抽采设计方案分析并建立瓦斯抽采系统模型，将瓦斯抽采系统模型标记于所示三带可视化图中，实现抽采系统图，回采工作面及掘进工作面的三维可视；

本步骤中，回采工作面模型的边界长度为l1＝x+20m，宽度l2＝y+20m；

其中，x为顺槽长度，y为切眼长度；

s6、通过矿井下安装的传感器来监测采集钻孔1数据、管路数据，并将数据通过工业以太网模块传输到实时监控系统并存储在数据服务器中，实时监控系统通过查询钻孔固定参数统计表、管路固定参数统计表，生成钻孔实时监测参量表、管路实时监测参量表、泵站实时监测参量表，获取最新的监测数据，并将钻孔实时监测参量表、管路实时监测参量表、泵站实时监测参量表中的数据显示在步骤s4的矢量化的抽采系统可视化模型中；

s7、实时监控系统将获取的钻孔1数据、管路数据发送给数据服务器的判定单元，并通过判定单元中录入的判定规则判定抽采是否达标；

其中，判定规则所需数据通过传感器输入以及工作人员通过人机交互系统输入所得；

本步骤中，判定抽采是否达标时，需根据煤层瓦斯达标率μ1，矿井瓦斯达标率μ2的值进行判定，且煤的可解析瓦斯量、矿井瓦斯抽采率以及煤层瓦斯抽采率需要同时满足应达到的指标；

μ1，μ2的计算公式为：

其中，η1为煤层瓦斯抽采率，％；η为规定最低煤层瓦斯抽采率，％；η2为矿井瓦斯抽采率，％；η3为规定最低矿井瓦斯抽采率，％；

若μ1，μ2≥1，则判定结果为“达标”；若判定结果为“未达标”，则根据μ1，μ2的值进行进一步逐级判定；

若0.6≤μ1，μ2＜1，则判定结果为“较为达标”；

若0.3≤μ1，μ2＜0.6，则判定结果为“需整改”；

若μ1，μ2＜0.3，则判定结果为“废弃”；

本步骤中，煤的可解吸瓦斯量的计算公式为：

wj＝w-wc；

其中，wj为煤的可解吸瓦斯量，m³/t；w为抽采瓦斯后煤层的残余瓦斯含量，m³/t；wc为煤在标准大气压下残存瓦斯含量，m³/t；

其中，a，b为吸附常数；ad为煤的灰分，％；mad为煤的水分，％；π为煤的孔隙率，m³/m³；γ为煤的容重，t/m³；

煤的可解吸瓦斯量应达到的指标为：

其中，t为工作面日产量；

本步骤中，煤层瓦斯抽采率的计算公式为：

其中，η1为煤层瓦斯抽采率，％；q1为钻孔自然排放及实抽瓦斯量，m³；z为抽放范围的煤量，t；x0为煤的原始瓦斯含量，m³/t；

煤层瓦斯抽采率应达到的指标为：

其中，q为工作面绝对瓦斯涌出量；

本步骤中，矿井瓦斯抽采率的计算公式为：

其中，η2为矿井瓦斯抽采率，％；q2为钻孔瓦斯抽放量，m³/min；q3为回风流中排出的瓦斯量，m³/min；

矿井瓦斯抽采率应达到的指标为：

其中，q4为矿井绝对瓦斯涌出量；

s8、建立建议措施库，根据距离工作面开采时间△t、煤层之间的压力差△p、透气性系数k1，同建议措施库中的适用条件和禁止条件来匹配措施对瓦斯抽采不达标的煤矿提出合理措施，如表2为本实施例的部分措施，其中适用条件和禁止条件只是列举部分，而针对于具体的矿井需要具体的依据矿井资料和抽采设计结合本系统的相关收集材料进行具体匹配。

表2