摘 要：系统可以为矿山的勘探、设计、生产、安全和管理提供一个强大的可视化软件平台。建立以包括地质、通风、采掘、安全、生产等数据库为核心，以分布式的网络应用为基础环境，支持专业设计、资料管理、综合业务信息查询和发布、矿井信息统一监测的信息化平台。
关键词：信息 煤矿 灾害 辩识 控制
1 开发背景
1.1 国内外相关技术与产品现状及问题
通过近十几年的建设，我国煤矿生产成绩斐然，原国有煤矿采掘机械化程度达到70％以上，其中综合机械化程度达到50％以上。全国年生产能力1000 万t以上的煤炭企业20余处，形成了一大批高产高效矿井。
但是，由于煤矿井下作业处于地表深处，地质条件复杂，环境恶劣，瓦斯、粉尘、水灾、火灾隐患难以探测和辨识，大型事故时有发生，给我国煤矿生产造成了重大损失，也危及了煤矿工人的人身安全。尤其是“一通三防”、“防治水”是关系到矿井安全生产的两个重要方面，是困扰煤炭行业多年来的难题。多年来，我国煤炭行业和各煤炭企业分别做了大量行之有效的工作，不但规定高瓦斯矿井必须装备监测监控系统，而且要严格执行“先抽后采、监测监控、以风定产”的原则，制定了新的比较完善的《煤矿安全规程》，在一定程度上保障了安全生产。但是，从应用等方面目前普遍存在以下问题。
1.1.1 矿井一通三防管理
我国煤炭企业的监测监控系统应用起步较晚，80年代初才开始从国外引进了监测监控系统，如DAN6400 、MINOS和Senturion-200等，装备了部分煤矿;在消化吸收的同时，先后有许多厂家结合我国具体情况进行了国产化，并研发了一些新的监测系统，如KJ90、KJ10、KJ95、KJ4、KJ66、KJ2000、A8000、KJ76等。但是一般监测监控系统数据传输和发布功能较差，不支持按真实比例的矢量图形显示模式和WEB发布功能。而且不具备包括通风、瓦斯、防尘、防灭火等方面的专业分析功能、专业故障诊断和隐患辨识功能、更不具备决策支持功能。所有采集到的数据，基本上是由专业人员分析后才能用于实际决策，快速反应能力较差。而且各专业系统数据共享存在通信协议等问题，联动能力差，而且仅靠监测系统，而没有考虑地质构造造成的瓦斯聚集很难进行超前预测预报。
总之，“一通三防”工作中瓦斯、粉尘、水灾、火灾的隐患辨识、预警能力和反应速度不仅取决于监测监控系统硬件设备处理能力和数据传输能力，而且软件系统的处理能力、专业分析能力和决策支持能力起着非常重要的作用。
1.1.2 矿井防治水管理
在我国，除大气降水、地表水以及相关的潜水含水层外，煤矿老窑采空区、陷落柱的发育程度及断层的富水性，也直接威胁煤矿的安全生产，老窑采空区、溶岩陷落柱、导水断层造成淹井事故屡见不鲜。究其原因，正象贾福海院士所说：“我国矿山水害严重，淹井事故之多，水量之大，可谓世界之最。究其原因，多因水文地质条件复杂，相当一部分矿山，水文地质条件未查明或涌水量预测不准确而造成。”。
也就是说，在矿井“防治水”方面，虽然有许多勘察方法，如电法、磁法、重力法以及三维地震等，在涌水量预测方面也有像解析法、数值法和电网络模拟法等一些比较有效的手段，《煤矿安全规程》也对地面“防治水”和井下“防治水”作了详细规定。但许多矿山前期投入不足，设置的观测井、观测孔和观测点较少，而且这些观测信息一般没有用计算机进行处理，预测预报能力差，对地表水、地下水的赋存状态和流动规律掌握不够，对出水点及出水量，以及积水范围和积水量没有正确的估计，一味只注重封堵和排放，造成了严重的被动局面，使有些水害事故成了不必要的必然，也就是说重治不重防。
虽然，有些学者也对基于GIS的地质灾害和水资源管理进行了研究，但在判断含水层、圈定富区、识别导水通道、估计持水量和计算涌水速度等方面缺乏系统的理论支持，三维可视化能力差，决策性和直观性不强也给开采设计、巷道布置、工作面布置以及掘进回采等工作带来了困难和盲目性。
1.1.3 矿压管理与控制
目前，我国采掘业中的冒顶、鼓底、冲击地压和矿震也是威胁矿工生命的主要灾害之一，虽然经过了几代学者的不懈努力，提出了多种矿业理论，但最具代表性的是“砌体梁理论”和“传递岩梁理论”，这两种理论相互补充，在实际生产中发挥了巨大的作用。但由于地质构造的复杂性和生产工艺的多样性，现场的工程技术人员很难清楚地解释矿压现象、识别矿压事故，难以做到来压超前预报、选择合理的巷道位置、确定合理的工作面尺寸、选择合理的支护方式和支护设备、控制工作面推进速度、避免矿压事故发生。
1.2 发展趋势
安全信息保障系统的发展趋势是在三维地质模型的基础上，完善各种传感器和监测系统的基础上，探讨对水灾、火灾、瓦斯、粉尘、矿压等各种灾害的隐患探测、故障诊断和灾害治理新方法，开发成功基于信息技术和网络环境的，利用能够处理和管理所有地面对象和地下对象的三维地下工程CAD/GIS平台。其中地面对象包括山体、水体、建筑、道路、桥梁和设备等，地下对象包括巷道、硐室、煤岩层、矿体、断层、陷落柱、各种含水层和富水区域、瓦斯赋存体和采、掘、机、运、通、供电、排水专业系统等。该平台不仅能够对采、掘、机、运、通、供电、排水、矿压各专业系统按照《煤矿安全规程》的规定进行深入的安全隐患分析和事故排查，而且具有完善的三维可视化功能以提高设计和管理人员决策的可靠度，同时能够调用和处理所有安全监测监控系统（含束管监测、工业检测系统的安全探头数据、应力应变和矿压力动态仪）的实时数据进行各种灾害和事故的综合辨识和决策支持，并支持C/S结构和B/S结构的发布、查询和自动预报警，消除信息孤岛，实现信息共享，提高安全监控系统的可靠性和快速反应能力，最终形成一个完整的矿山生产安全保障体系和灾变快速反应系统。
1.3 本项目的意义
本项目的意义在于：
1.3.1 通过本项目的研发和实施可以建立一套完整的矿山安全评价与安全管理的三维地质和地下工程模型，增强可视化管理。
1.3.2 可以建立一套完善可靠的安全信息监测系统和矿井安全监测传感器系统。安全信息监测系统涉及的信息包括瓦斯、粉尘、地表水、地下水、火灾、电气、运输等方面，传感器系统涉及的信息包括矿井的瓦斯、一氧化碳、粉尘、烟雾、温度、风速、压力、氧气、水位、流量、煤位、位移、应力、电流、电压、功率、短路电流、接地电流、电容电流等方面。
1.3.3 根据各专业特点，建立一套合理的数据处理、专业分析和决策支持数学模型。充分利用三维地理信息系统中的空间地质模型、地下工程模型和通风网络、防尘管路、供电网络、排水管路、运输线路、瓦斯抽放管路、注浆管路、注氮管路、避灾路线、通讯网络、监测系统等各专业网络布局模型，融合常规生产安全信息和监测监控系统提供的实时数据进行各种隐患辨识、故障诊断、事故预警和救灾指挥，形成抗灾救灾的快速反应系统。
总之，该项目的开发成功对我国的矿山安全生产、减少人员伤亡、提高生产效率具有重大的社会效益和经济效益，并对采矿业的科技进步具有划时代的意义。
2 实施方案
2.1 具体内容
2.1.1 建立完整的、合理的、科学的和规范的危险源信息和隐患辨识数据库，包含勘察信息、特征数据、动态监测和观测等方面的数据。其中勘察信息包括各种钻探、物探、化探、电法、磁法、重力、二维地震成果、三维地震成果和各种测井曲线等。特征数据包括各岩层的岩性、硬度、碎涨系数、孔隙度、渗透系数、持水度、容水度、给水度、释水系数、扩散系数、视电阻率、自然咖玛、咖玛咖玛、瓦斯赋存状态、瓦斯压力、煤层性质等。动态监测和观测数据包括降雨量观测数据、涌水量观测数据、各地质区域的和开采区域的潜水补给量和瓦斯补给量、温度、湿度、压力、风速、瓦斯浓度、粉尘浓度、一氧化碳、氧气、烟雾、水位、排水量、瓦斯抽放量、位移、采出量、电流、电压、漏电、短路电流、接地电流和各种开关量，以及动态化验结果等。
2.1.2 完善GIS平台的三维地质建模功能、三维地质体圈定功能和三维储量计算功能和三维可视化功能，建立任意复杂构造的地质模型，包含水文地质和瓦斯地质、各种煤岩层、断层、陷落柱等。能够综合各种勘探资料圈定各种地质体，包括含水区域的范围及储水量、瓦斯赋存范围及赋存量、老窑采空区积水等。根据动态观测数据实时修正三维模型和赋存量，达到对危险源的透明管理。
2.1.3 建立完善的可用探头数据库、灾变处理方法库及其实施条件和范围。探头数据库包括厂家名称、型号、技术指标和适用条件等内容。实施条件和范围包括水灾的排放、注奖、封堵策略，火灾的密闭、均压、注氮，瓦斯的抽放、通风、均压等。
2.1.4 建立综合的、完善的故障诊断和隐患辨识系统，充分利用蓝光GIS平台提供的各种专业GIS图形和属性库的常规数据，包括通风系统各点的供风量、调节设施，排水系统各水仓容量、各泵房的排水能力，瓦斯管网抽放能力，供电网络的各开关的保护方式、保护范围、整定范围、断路器的断开能力，防尘系统的降尘能力，防火系统的均压线路，避灾线路的通过能力等均可由GIS图形得到。结合监测系统和人工观测提供的实时动态数据，建立故障诊断模型，包括事故树模型、鱼刺图模型、层次分析模型，以及灰色模型和模糊模型，再用蓝光GIS平台提供的通风、供电、排水、防尘、运输等方面的专业分析，形成各专业联动的综合快速的故障反应指挥系统。
2.1.5 制定各种监测系统的接口规范，建立完善的网络传输体系，包括局域网和互联网、有线和无限通讯，以及静态数据、动态数据、视频和各种图形的WEB查询、自动提醒和报警功能。可以实现各专业数据的网上共享和各种故障的互联网诊断。
2.2 技术与装备特点
技术特点是，能够对各种勘察数据、观测数据和监测数据进行动态分析，通过各专业间的技术关联性和安全闭锁关系进行联动决策，充分利用三维地质模型和地下工程模型，其中三维地质模型包含水文地质和瓦斯地质、各种煤岩层、断层、陷落柱等。地下工程模型包括巷道、采场、硐室、泵房、管路。不仅可计算出各种工程与危险源的安全距离，提高设计方案的安全性，而且可以综合各种因素迅速得出各种应急预案和抗灾、救灾指挥方案。本项目所采用和研制的探头和传感器是齐全的、高度稳定的、可靠的，如果有故障，也可以及时做出判断，调节设备应是自动的和可控的。
2.3 关键技术和关键工艺
2.3.1 研制或选用一系列高可靠性、快反应速度的传感器，包括温度、静压、风速、瓦斯浓度、粉尘浓度、一氧化碳、氧气、烟雾、水位、流速、电流、电压等，目前的关键是静压探头和粉尘探头。依托基础是国内各矿务局（集团公司）普遍使用的KJ95、KJ76安全监测监控系统、KJ67井下电网监控系统等，以及参考我国2004年4月份研制出的粉尘传感器。
2.3.2 研制或选用井下大容量本安电源和远程本安控制装置，目前的关键是远程自动风门和风窗。依托基础是山东科技大学参与研究的半自动风门及其自动闭锁系统。
2.3.3 研制能够包括所有危险源的三维地质建模系统和安全地质保障体系的实用软件系统是主要技术之一。依托基础是泰安蓝光计算机技术研究所的《三维地下工程CAD平台》。
2.3.4 研制能够同时处理包含通风、供电、排水、防尘、运输等专业带属性的系统图和深层专业分析计算的地理信息平台也是技术关键之一。依托基础是泰安蓝光计算机技术研究所的《蓝光CAD/GIS平台》、《可视化通用管理平台》、《安全管理系统》、《通防辅助系统》、《输配电辅助系统》和《给排水设计CAD》等，其中包含许多优化理论和专业分析。
2.3.5 研制包括瓦斯、水害、火灾、电气等危险源的综合诊断模型、辨识模型和决策模型是该系统的核心。可参考泰安蓝光计算机技术研究所的《安全管理系统》中的事故树分析和因果树分析、《通防辅助系统》中故障诊断模型以及其他有关数学理论。
2.3.6 研制矿压预测预报和决策控制系统，该系统充分利用地质构造模型和开采工艺，以及“砌体梁理论”和“传递岩梁理论”确定应力分布、来压周期和来压步距、顶板断裂形态和断裂步距，可以确定合理的巷道位置和工作面尺寸，有效控制工作面推进速度，有效避免矿压事故。
2.3.7 研制网络传输和基于瘦客户端的WEB监测监控和远程诊断系统也是关键技术之一，依托基础是泰安蓝光计算机技术研究所的《可视化通用管理平台》和《通防辅助系统》。
3 技术经济指标
3.1 现有安全监测监控系统多为封闭系统，其中使用的通信协议和信息交换标准都是由厂家自己制定的，严格保密，互不兼容，缺乏统一的通信及信息交换标准，如使用现场总线系统、串口RS-232/485通信以及其它的系统，如电力监测多使用ATM网，工业电视系统使用HFC网，网络结构和通信模式多样，极不规范。而且这些系统都分散在各个相关职能部门，形成了多个信息孤岛，使各级安全、生产、指挥决策部门无法全面及时地掌握现场的安全和生产实际情况，造成决策指挥不灵，制约了这些系统综合能力的发挥，严重影响了煤炭企业安全生产管理水平的提高。该项目通过接口规范设计，把以前各种不同专业不同厂家的监测监控系统连接成一个有机的整体，使监测信息达到完全公开、共享，消除信息孤岛，达到各专业协同管理、协同决策，也可让监测数据发挥更大的作用。
3.2 众所周知，目前的监测系统的功能只是从井下采集数据，而后传至地面或网络上显示、保存和打印，即使有一些分析功能（统计功能、曲线图功能和直方图功能），也多是针对监测数据本身的简单分析，专业支持和决策功能较弱，利用这些数据做深层次分析，例如，通过瓦斯、风速、温度、一氧化碳探头数据发现异常，监测系统并不能给出调风控风方案，更不能实现自动调节。或者说目前的监测系统只会采集数据，并不会利用数据，靠人工分析、计算、而后再进行决策，肯定造成决策滞后，耽误时机，造成不必要的经济损失。该系统可直接利用各专业的深层分析功能和联合诊断功能，做出较正确的隐患辨识和救灾方案，对各专业的安全生产实现联动监测、联动调控，不仅使监测系统的作用提高到一个新水平，而且真正实现监测监控的自动化和智能化。
3.3 目前所使用的安全检测传感器尚不完善，通过项目研究，可以开发出种类齐全、安全可靠、连续监测传感器。例如煤矿井下的粉尘浓度测定普遍采用的是粉尘采样器现场采样，然后在地面进行测定，或者使用直读式防尘测定仪进行测定。这些方法优点是测定的粉尘浓度比较准确。缺点是需要人工采样分析，不能够实现对粉尘浓度的连续、实时监测，从而也就不能对井下的粉尘超标地点及时掌握，没有办法及时采取有效措施，通过本项目开发的粉尘浓度传感器，可以实现对粉尘浓度的连续、实时监测，及时采取措施对粉尘超限地点进行处理，有效杜绝煤尘爆炸事故的发生。
3.4 目前，一般矿山对自己的水文地质条件和瓦斯地质条件勘察的都不是很明确，大部分都是由地质公司和专业物探队进行勘察，矿山生产企业和管理企业只是得到一些成果资料、二维平面和剖面图，并不掌握基础的物探、化探、三维地震等原始资料；对潜水、承压水、岩溶水、老窑水的赋存区域和储量不明，对大气降水和地表水向地下水的补充规律不清楚，以至对各含水区域的涌水量掌握不准确；对瓦斯源的赋存区域、赋存状态和赋存量掌握不够，也预先估算不出井下各种工程（例如掘进、回采等）与危险源的安全距离，预先埋下了一些事故隐患。通过本项目的研究可以建立完整的水文地质模型和瓦斯地质模型，可以准确地计算各种地下工程的安全距离，提高各种生产设计施工方案的安全性。
3.5 该系统可以充分利用互连网技术和视频技术，达到远程分析、远程诊断、远程决策和远程指挥，以大幅度地缩短事故分析时间，抢得与灾害作斗争的主动权。
总之，该系统不仅对保证矿山的安全生产有重大意义，而且对我国的信息产业发展有重要促进作用，是“以信息化带动工业化”的具体体现，不仅可以在煤炭行业进行有效的应用，而且可以在能源开采行业大面积推广。
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