基于区块链技术对煤矿立井井筒安全状态进行监测的方法

本发明属于井筒安全监测，具体涉及一种基于区块链技术对煤矿立井井筒安全状态进行监测的方法。

背景技术：

1、区块链技术是一种分布式账本存储技术，保存在其中的数据具有去中心化和防篡改的功能，因此保存在其中的数据是十分安全的。区块链，就是一个又一个区块所组成的链条。每一个区块中保存了一定的信息，它们按照各自产生的时间顺序连接成链条。区块链每个节点都按照块链式结构存储完整的数据，并且区块链每个节点存储都是独立的、地位等同的，依靠共识机制保证存储的一致性。这个链条被保存在所有的服务器中，只要整个系统中有一台服务器可以工作，整条区块链就是安全的。

2、区块链共识机制是区块链处理数据达到安全存储目的的核心技术。区块链共识机制的过程是：首先由所有的记账节点对数据进行处理，判断数据是否合法；然后各记账节点把处理的结果发送到区块链网络系统中，区块链系统对所有记账节点判定的结果进行处理，通过共识算法，确定该数据是否合法，将合法的数据信息保存在区块链新形成的区块，该过程就是区块链的共识过程。

3、相比于传统的网络，区块链具有两大核心特点：一是数据难以篡改；二是去中心化。基于这两个特点，区块链所记录的信息更加真实可靠，可以帮助解决人们互不信任的问题。近些年来，因区块链技术具有突出的优越性，越来越受到各界的重视，区块链渐渐应用到各种生活场景；其中，在当前煤炭市场需求旺盛的推动下，开采深度不断增加，立井井筒的稳定运行对煤矿的安全生产起着越来越重要的影响，但目前井筒安全监测主要存在以下问题：数据传输不稳定，传统监测系统不完善且不智能，连续性弱、数据可靠性差、监测模块中未涉及抗腐蚀模块，因此如何将区块链技术应用到井筒上，实现自动化监测并建立多模块监测云平台，是目前立井井筒安全监测的一个新研究方向。

技术实现思路

1、针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种基于区块链技术对煤矿立井井筒安全状态进行监测的方法，该方法能基于区块链技术实现对井筒安全状态的实时监测，并能及时可靠地获得井壁受监测部位的安全状态，能增加井筒使用的稳定性和耐久性安全保障。

2、为了实现上述目的，本发明提供一种基于区块链技术对煤矿立井井筒安全状态进行监测的方法，具体包括以下步骤；

3、步骤一：基于煤矿井筒所在地区的实际地层环境勘探资料进行研究与分析，建立基础井筒模型和地层环境模型，并对模型进行参数设定和环境条件预设，然后对模型进行长期地层环境下服役寿命及耐久性的求解计算，计算结果处理并获得井壁薄弱区域分析结果；

4、步骤二：根据井壁薄弱区域分析结果确定出井壁上可能出现破裂问题的薄弱区域，并根据井筒的深度和可能出现破裂问题的井壁薄弱区域范围在竖向上依次划分出多个监测层位一，并于每个监测层位一中的不同监测方位确定出若干个监测节点一；

5、对所有薄弱区域周围的地下水进行水质取样分析，通过水质取样分析判断出哪些薄弱区域周围的地下水存在高浓度的so42-、cl-，并测出周围地下水的ph值，再根据井筒的深度和周围含高浓度so42-、cl-地下水的薄弱区域范围在竖向上依次划分出多个监测层位二，并于每个监测层位二中的不同监测方位确定出若干个监测节点二；

6、步骤三：对于同一监测层位一中不同监测方位的监测节点一进行节点容纳槽一的开槽作业，再将传感器组埋设于节点容纳槽一中，然后利用高性能自密实水泥材料填补封堵节点容纳槽一；依照如上方式完成所有监测层位一中监测节点一的布置；所述传感器组由一只横向应变温度传感器和一只竖向应变温度传感器组成；

7、对于同一监测层位二中不同监测方位的监测节点二进行节点容纳槽二的开槽作业，再将ph值传感器埋设于节点容纳槽二中，然后利用高性能自密实水泥材料填补封堵节点容纳槽二，同时，在同一监测层位二中每个监测节点二的邻近位置安装一台小型超声波无损探测仪，利用同一监测层位二同一方位的监测节点二和小型超声波无损探测仪形成复合监测节点；依照如上方式完成所有监测层位二中复合监测节点的布置；

8、步骤四：为每个监测层位一分配一个监测处理模块一作为区块链节点一，并在同一监测层位敷设多条横向副电缆线一，利用多条横向副电缆线一连接同一监测层位中不同监测方位的区块链节点一和多个监测节点一，形成监测层位私有链一；所述监测处理模块一内部具有微处理器一和数据传输模块一；

9、为每个监测层位二分配一个监测处理模块二作为区块链节点二，并在同一监测层位敷设多条横向副电缆线二，利用多条横向副电缆线二连接同一监测层位中不同监测方位的区块链节点二、多个监测节点二和多台小型超声波无损探测仪，形成监测层位私有链二；所述监测处理模块二内部具有微处理器二和数据传输模块二；

10、步骤五：在地面布置区块链首区块和多个区块链记帐节点，多个区块链记帐节点分为两组，一组与多个区块链节点一一一对应，另一组与多个区块链节点二一一对应；敷设一条竖向主电缆线一，建立井筒内多个监测层位私有链一与地面区块链首区块之间的通信连接；敷设一条竖向主电缆线二，建立井筒内多个监测层位私有链二与地面区块链首区块之间的通信连接；建立区块链首区块、多个区块链记帐节点与区块链监测云平台之间的连接；利用区块链监测云平台、区块链首区块、多个区块链记帐节点、多个监测层位私有链一、多个监测层位私有链二形成区块链井壁监测系统；

11、步骤六：连接电源，激活地面区块链首区块中多个监测层位私有链一下多个区块链节点一、多个监测层位私有链二下多个区块链节点二状态信息的智能合约，利用监测处理模块一接收由各个监测节点一所采集到的应变信号和温度信号，获得并储存应变信息和温度信息，再发送至区块链首区块；利用监测处理模块二接收由各个复合监测节点所采集到的ph值信号和井壁损伤信号，获得并储存ph值数据和损伤信息，再发送至区块链首区块；利用地面区块链首区块持续接收并转发多个区块链节点一所发出的应变信息和温度信息至对应的多个区块链记帐节点，接收并转发多个区块链节点二所发出的ph值信息和损伤信息至对应的多个区块链记帐节点，多个区块链记帐节点将所有接收到的应变信息和温度信息、ph值信息和损伤信息传输至区块链监测云平台中，通过区块链记账节点及区块链监测云平台对各区块链节点处的应变状态和温度状态、ph值状态和损伤状态进行分析，获取关键应变、温度、ph值和损伤状态信息；

12、步骤七：通过区块链实用拜占庭容错共识算法对各个区块链记账节点获取的区块链节点一和区块链节点二处关键状态信息的准确性和合格性进行分析，并根据分析结果确定各监测区域的关键状态信息是否在状态安全信息范围内，同时各个区块链记账节点对区块链节点不在安全范围内的关键状态信息进行报警；区块链监测云平台接收各个区块链记帐节点的分析数据，并根据各个区块链记帐节点不同年份相同时间点下的安全状态信息的变化量来推算全年变化量情况，对井壁的关键应变信息、温度信息进行预测；

13、步骤八：对多座煤矿井筒重复步骤一至步骤七，利用区块链监测云平台对各座煤矿井筒的状态信息进行实时监测及状态判断，并在区块链监测云平台上形成多座煤矿井筒的共享云监测平台。

14、进一步，为了达到实时监测预警和多人共享井壁安全状态信息的效果，在步骤七中，区块链记账节点对所接收的监测节点一处的应变信息和温度信息进行分析、对所接收的复合监测节点处的ph值数据和损伤信息进行分析，并根据分析结果结合各项监测信息的设定阈值范围确定出状态信息不安全的监测节点一及复合监测节点，并进行可视化的图像显示和报警。

15、进一步，在步骤七中，通过人工对不合格的状态信息进行进一步分析，进一步判断区块链记帐节点的分析结果是否正确，并将判断的结果反馈至区块链记帐节点和区块链云平台中。通过采用人工分析结合区块链共识机制的数据处理分析方法对采集到的监测部位状态信息进行分析处理，增加了信息分析判断的准确性，减少了系统误差和随机误差，并能有利于总结变化规律。

16、进一步，为了更加准确地确定出可能出现破裂问题的薄弱区域，在步骤二中，根据所在煤矿立井井筒的主要技术特征、周围地层地质条件、井筒内部装备情况、井壁结构参数，确定出井壁上可能出现破裂问题的薄弱区域。

17、进一步，为了确保电缆的服役时间，以确保监测数据的可靠传输，在步骤四中，横向副电缆线一和横向副电缆线二均为耐腐蚀四芯电缆；在步骤五中，竖向主电缆线一和竖向主电缆线二均为耐腐蚀多芯电缆，其具体芯数根据监测层位设计而定。

18、进一步，为了确保监测数据的可靠传输，同时，为了便于实现井筒安全状态的可靠预测，在步骤六中，根据井筒结构中容易发生破裂部位的实际情况，规定指定的数据采集时间间隔作为区块链激活地面区块链首区块获取监测节点状态信息的请求，同时写入传感器各项参数；地面区块链首区块将状态信息获取请求传输到各区块链节点上，然后，区块链节点将通过监测层位私有链接收监测节点捕获的安全状态信息并传递至地面区块链首区块中；根据同一区块链节点不同年份相同时间点下的安全状态信息的变化量来推算全年变化量。

19、进一步，为了更加直观地展示监测结果和总结破坏规律，在步骤六中，通过深度学习算法将各个监测节点的监测信息和各座煤矿井筒的资料信息进行处理，获取各个监测节点的关键状态信息，并对各个监测节点关键状态信息进行处理，形成报表过程线、统计报表和分布图，以获得多种地质条件下井筒长期服役破坏规律，为同种地质条件下新建井筒的建设以及井壁监测系统设计提供参考。

20、本发明中，通过基础井筒模型和地层环境模型可以便于对井筒的整体结构进行分析，进而能确定出井筒结构容易出现问题的薄弱区域。根据井壁的深度和薄弱区域的范围在竖向上确定出多个监测层位，并在每个监测层位中的不同监测方位确定出监测节点，可以对井壁不同方位的安全状态信息进行全面的捕获，有利于准确地获得井壁安全状态的关键信息。通过在可能破裂薄弱区域中开设节点容纳槽一，并于其中埋设应变温度传感器，然后利用高性能自密实水泥材料填补封堵，可以使应变温度传感器长期稳定地埋设于监测区域中，有利于长期对井筒的应变、温度变化进行实时监测。通过在薄弱区域中开设节点容纳槽二，并于其中埋设ph值传感器，再利用高性能自密实水泥材料填补封堵，可以使ph值传感器长期稳定地埋设于监测区域中，有利于长期对井筒周围水的ph值情况进行实时监测。同时，在ph值传感器附近安装小型超声波无损探测仪，可以对井壁厚度的损伤情况进行实时监测。使内部具有微处理器和数据传输模块的监测处理模块与监测节点连接，可以便于接收到监测节点所采集到的状态信号，并能根据状态信号获得状态信息，同时，能便于将所获得的状态信息通过数据传输模块发送至区块链首区块中；利用区块链首区块来建立多个监测层位私有链一、多个监测层位私有链二和多个区块块链记帐节点的连接，可以便于将由多个监测层位私有链一上所接收的状态信息转发至对应的多个区位块链记账节点，将由多个监测层位私有链二上所接收的状态信息转发至对应的多个区位块链记帐节点，从而可以使区位块链记帐节点与区块链节点一一相对应，由此，能便于区块链记帐节点便于对对应区块链节点发出的状态信息进行分析判断。通过智能合约获取采集到的数据信息，再利用实用拜占庭容错共识算法对采集到的数据信息进行分析，形成了更加完善的区块链井壁监测方法，这样，即使有一个或几个区块链记账节点不能正常工作，也不会影响结果的判断，有利于在任何时候都能够稳定的获得监测节点的状态信息，增强了获取数据的时效性。通过区块链监测云平台接收各个区块链记帐节点的分析数据，再根据各个区块链记帐节点不同年份相同时间点下的安全状态信息的变化量来推算全年变化量情况，有助于对未来一段时间内井壁的关键应变信息、温度信息进行预测分析。实时监测并获取井壁厚度损伤关键状态信息，以便于及时对井壁长期腐蚀破坏区域进行防治和修复作业，有利于延长井筒的使用寿命。在区块链监测云平台上形成多座煤矿井筒的共享云监测平台，可以便于实现监测信息的共享，同时，有利于实现对多座煤矿井筒的集中式的监测作业，并为同种地质条件下新建井筒的建设以及井壁监测系统设计提供参考。

21、本发明在井壁监测系统中引入了区块链技术形成了区域链区块链井壁监测系统，其能采用区块链数据存储技术对获得的井筒结构的监测部位状态信息进行存储和传输，在传统的监测系统上添加了井壁腐蚀破坏监测板块，通过区块链技术对煤矿立井井筒风险部位的应变、温度、井壁厚度损伤状态信息、井筒周围区域的ph值信息进行实时监测，并结合人工分析判断以及相应的判断标准对状态信息进行安全性分析和预警作业，同时多人共享多个井壁监测系统的安全状态信息，确保了监测的实时性，增强数据存储和传输过程的可靠性，提高了数据的真实性和可靠性，有利于及时可靠地获得井壁受监测部位的安全状态，增加了井筒使用的稳定性和耐久性安全保障。