矿井动力灾害实时在线监测系统设计

针对目前煤矿深部动力灾害的监测主要依赖于在线采集装置,无法实现数据的并行和快速采样的缺点,设计了一套动力灾害实时在线监测系统。该系统利用声发射、瓦斯、应力等传感器实时监测矿井动力灾害发生过程中煤岩释放的应变能及瓦斯浓度、煤岩应力参数,利用监测站实时采集、处理各种传感器信号,通过上位机数据管理软件对特征参数指标变化规律进行有效分析、结果预警等,从而实现了对动力灾害的连续动态监测。实际应用结果证明了该系统的可靠性。     

矿用声发射监测仪的研制

利用声发射信号预测煤岩动力灾害是国际煤矿安全领域的前沿课题,矿用声发射监测仪的研制,为建立声发射等多信息综合判识准则并依据该准则有效地预测煤岩动力灾害奠定了一定的基础。     

煤矿灾害智能预警架构及关键技术研究

我国已初步实现对煤矿瓦斯、火灾、水害、顶板、粉尘五大灾害的监测报警或预警,但智能化水平较低,不具备自我分析和决策能力。在智慧矿山概念框架下,阐述了煤矿灾害智能预警的内涵,提出了灾害智能预警的感知数据精准化、预警模型智能化、预警防灾协同化、应急决策高效化4个方面的特征。设计了煤矿灾害智能预警总体架构：由感知控制层、传输层、存储分析层和应用层4个层级组成,可实现对各类灾害的智能预警和智能管控;采用统一标准、统一采集、统一存储、统一分析、统一展现的数据处理原则,实现灾害智能预警多源异构数据共享与深度挖掘利用,从而解决数据孤岛、数据烟囱等问题。基于煤矿灾害智能预警总体架构,设计了灾害智能预警业务流程,为灾害智能预警设计提供参考。总结了煤矿灾害智能预警关键技术,包括瓦斯、火灾、水害、顶板、粉尘精准监测预警技术和灾害融合智能预警技术,分析了各关键技术难点及发展方向。以青龙寺煤矿灾害智能预警平台为实例,展示了灾害智能预警技术在监测监控、灾害预警、应急救援、分级管控等方面的应用效果。提出应深入研究灾害精准感知技术及装备、多场耦合致灾机理、预警模型自学习自适应技术,以实现高级阶段的灾害智能化预警。     

矿井煤自燃监测预警技术研究现状及智能化发展趋势

煤自燃是煤炭开采过程中面临的主要灾害之一,对煤自燃特征参数快速准确监测、危险程度及时预警是实现煤矿安全高效生产的重要保障。从煤自燃前兆信息监测技术和预测预报方法2个方面综述了煤自燃监测预警技术的原理及研究与应用现状,剖析了现有煤自燃监测预警技术存在的主要问题:(1)煤自燃前兆信息一体化监测受井下环境干扰大;(2)预警指标体系和模型构建侧重实验,难以与现场实际有效衔接;(3)煤自然发火有效样本少,预测时效缺乏超前性。立足于煤矿智能化发展趋势,提出了煤自燃智能化监测预警技术的研究展望:(1)建立煤自燃超前预警与即时预报联合预测模式;(2)发展机理建模与机器学习相结合的多源信息融合分析方法;(3)构建矿井一站式、可视化、智能化煤自燃监测预警平台。以期提升煤自燃监测预警能力、提高煤矿安全智能化发展水平。     

面向煤炭精准开采的物联网架构及关键技术

在剖析煤矿生产物流系统存在问题的基础上,围绕煤炭精准开采科学构想和矿山物联网发展现状,提出了面向煤炭精准开采的物联网概念及内涵,凝练出其5种关键技术,即多源信息智能感知、多网融合传输、多参量信息分析处理、基于云技术的灾害监控预警、矿井灾害应急救援;指出基于透明地球的煤炭精准开采和基于物联网的智能感知是实现未来无人矿山的两大技术体系,其中精准开采是技术核心,物联网是技术保障;以煤矿动力灾害精准预警物联网为例,阐述了其包含感知层、网络层、应用层和公共技术的体系架构,并介绍了其工程应用,为实现煤炭精准开采科学构想提出了技术路径。     

深部冲击地压智能防控方法与发展路径

为了解决冲击地压威胁深部智能开采与防控人员安全问题,提出了深部冲击地压智能防控方法。基于基础静载荷诱发冲击地压启动的关键作用,指出深部冲击地压智能防控的理论基础是自动探测采掘空间内围岩基础静载荷,并实现智能化、精准化降低其集中程度,以提高后期获取增量静载荷、动载荷的门槛,从而达到冲击地压防控目的。提出了未来深部冲击地压智能防控研究发展路径:冲击地压灾害多源信息主动调度理论与方法,多源信息融合的防灾治灾方案专家库,高速交互智慧机器人与信息化装备,冲击地压灾害智能治理与复合灾害自适应技术,重大灾害防控效能自评价技术。     

含瓦斯煤受载损伤演化声发射特性实验研究

搭建了含瓦斯煤单轴压缩信息采集系统,测试了煤样受载破坏过程中声发射及力学特性参数的变化,并对煤岩损伤演化模型及声发射特性进行了深入的分析研究。研究结果表明,含瓦斯煤在受载破坏过程中能够产生声发射信号,在受载前期声发射信号较少,受载后期较多,载荷峰值附近声发射信号达到最大值;声发射脉冲数及能量与载荷的变化趋势一致,能够直观地反映含瓦斯煤损伤程度;基于声发射特性参数的损伤演化模型,根据声发射脉冲数及能量所计算的损伤值与实测值变化趋势基本一致;作为前兆信息,声发射信号能够表征煤岩损伤演化规律,反映煤岩受载破坏状态。该研究成果将为现场煤岩瓦斯动力灾害的监测及预防提供参考。信号能够表征煤岩损伤演化规律,反映煤岩受载破坏状态。该研究成果将为现场煤岩瓦斯动力灾害的监测及预防提供参考。     

基于采掘工作面瓦斯涌出特征的瓦斯灾害精准预警系统

乌东煤矿为近直立特厚煤层、分层放顶煤开采方式,工作面瓦斯涌出来源及特征较为复杂,当前采取的瓦斯防治措施虽有效降低了回采期间工作面瓦斯涌出异常风险,但其经济性、合理性、安全性无法统筹兼顾,在瓦斯灾害风险管控的时空衔接上缺乏瓦斯涌出异常预警机制及配套技术手段。为了填补乌东煤矿瓦斯灾害预警空白,基于对乌东煤矿井下工作面空气瓦斯来源、采掘工作面瓦斯涌出特征的分析,将综放工作面瓦斯浓度超阈值预警模块与掘进工作面瓦斯涌出特征预警模块相结合,构建了乌东煤矿采掘工作面瓦斯灾害精准预警模型。在此基础上,采用B/S架构开发模式,基于矿井工业环网设计开发了乌东煤矿瓦斯灾害精准预警系统,并在井下各主要工作面应用。考察结果表明,该系统运行稳定,预警准确率较高。     

区域煤矿瓦斯灾害风险预警数据采集技术研究

以各级煤矿安全监管监察部门、矿业集团公司对辖区内所有煤矿瓦斯灾害风险宏观预警为出发点,指出区域煤矿瓦斯灾害风险预警基础数据具有多源、异构、海量、多维等特征,数据采集存在信息不全面及模式单一、维度固化等问题;将区域煤矿瓦斯灾害风险预警基础数据分为区域内矿井自然环境风险数据、区域内矿井生产系统风险数据、区域内矿井瓦斯防治风险数据、宏观安全环境风险数据4类;介绍了具有结构化特征的煤矿安全监控及瓦斯灾害预警数据、具有半结构化特征的监管监察执法检查数据、具有非结构化特征的煤矿音视频监控数据的采集技术,重点研究了基于.NET Core跨平台Web API的煤矿安全监控及瓦斯灾害预警数据采集技术,以及基于主题网络爬虫的宏观安全环境风险数据采集技术;设计了适用于互联网环境的区域煤矿瓦斯灾害风险预警数据采集系统,现场试验表明,该系统能够全面、可靠、及时地采集区域煤矿瓦斯灾害风险预警基础数据。     

瓦斯灾害区域安全态势预警技术

为进一步提高我国煤矿瓦斯灾害区域防控能力、提升监管监察执法效能,研究了瓦斯灾害区域安全态势预警技术。根据我国煤矿监管监察行政管理模式,将预警区域划分为全国区域、省(市)级区域、煤监分局管辖区域、地市级行政区域4个区域层级,并根据分级管控的需要将预警划分为蓝色、黄色、橙色、红色4个等级,其对应的风险程度依次升高;从区域煤矿固有自然属性、矿井布局及采掘条件、事故的时空规律、宏观技术和经济政策、矿井重大隐患5个方面建立了瓦斯灾害区域安全态势预警指标体系,并构建了基于层次分析法的预警模型,实现了多指标的融合分析与决策;设计、开发了瓦斯灾害区域安全态势预警软件系统,实现了数据的动态采集与存储、综合分析和实时预警。     

煤矿井下综采工作面瓦斯抽采技术研究

由于煤层结构复杂、赋存规律不规则以及开采条件恶劣,煤矿生产的安全问题日益凸出。本文主要介绍了煤矿井下综采工作面瓦斯来源及涌出机理,并研究了瓦斯抽采技术,为煤矿瓦斯灾害防治提供了一定的理论依据。     

基于虚拟现实技术的煤矿事故三维重现

煤炭占我国能源消耗的主导地位,煤矿开采中矿难事故造成的人员伤亡和财产损失极其巨大,我国目前的煤矿开采技术、信息管理与处理方式落后于发达国家,成为制约我国煤炭行业发展的一个重要因素;文章利用虚拟现实技术构建矿道三维虚拟场景,并通过相关算法研究实现了煤岩喷突与瓦斯扩散事故的三维动态重现,测试采用某煤矿提供的实际地理信息数据;测试效果表明,该系统人机交互方便,显示效果逼真,可实现巷道整体监测和局部放大观测,为煤矿事故分析提供了直观有效的工具,对预防事故发生、降低事故灾害具有重大意义.     

深部地下巷道围岩结构监测信息化技术研究

在地下矿山开采过程中,巷道围岩结构变化具有显著的非线性特征,易引发较大的煤岩动力灾害。现有深部地下巷道围岩监测技术基于单一物理量的数据采集,缺乏多物理量的联合监测与分析,无法准确判断围岩结构变形状态。针对上述问题,基于对钻屑法、岩饼法、应力测量法、围岩变形监测法、电磁辐射法、声发射法、微震监测法、震动层析成像法等现有深部地下巷道围岩监测技术的分析,提出了采用深部地下巷道围岩结构监测信息化技术构建多源、多场的深部地下巷道围岩结构监测体系的设想,从数据感知、采集、传输、分析等方面阐述了深部地下巷道围岩结构监测信息化关键技术,并讨论了深部地下巷道围岩结构监测信息化面临的受限环境下传感节点供能、异构传感设备统一交互、时延敏感网络数据传输等挑战。     

煤岩电磁辐射连续监测软件的研制

利用煤岩变形、破裂过程的电磁辐射监测技术可以预测、预报煤岩动力灾害。文章采用VC++6.0开发设计了基于Windows平台的电磁辐射连续监测软件,根据动态数据交换(DDE)和多线程技术实现了进程、线程间的通信及多信号的实时采集、显示和分析,为煤岩动力灾害的预测、预报提供了先进的技术手段。     

光纤bragg光栅在煤矿安全中的应用探讨

介绍了光纤bragg光栅传感原理,阐述了光纤bragg光栅传感技术在矿山防治煤岩动力灾害、火灾和水灾中的应用。基于光纤bragg光栅传感原理研制的传感器通过测量光的波长可测量应变、应力、温度、位移、压强等物理量,具有抗电磁干扰、易于传输、测量精确和准分布式测量等优点,在煤矿安全监测中具有广泛的应用前景。     

煤与瓦斯突出预警技术研究现状及发展趋势

从煤与瓦斯突出灾害预警理论、预警信息采集途径、预警指标与模型、预警软件系统4个方面对煤与瓦斯突出预警技术的研究成果进行了综合梳理和详细分析,指出了现有煤与瓦斯突出预警技术存在的问题:部分预警信息获取的时效性和可靠性有待进一步提高,预警模型未实现信息有效深度挖掘等;提出了煤与瓦斯突出预警技术的发展趋势:高自动化水平、高精度的突出预警信息监测采集技术及装备研发,基于大数据的突出预警指标与模型研究,基于云技术的突出预警软件系统开发。     

基于多尺度多重分形法的煤岩破坏电位信号特征研究

煤岩变形破坏诱发的表面电位信号包含损伤演化的关键信息,在煤岩动力灾害监测领域得到广泛研究,但大多是在单一时间维度对电位时序信号的波动特征进行研究,对时序信号的非线性、多尺度特征变化规律缺乏深入研究。针对该问题,搭建了煤岩破坏电位监测系统,同步测试了原煤和辉长岩2种试样的电位时序信号,并通过多尺度多重分形（MMA）法,深入研究了多尺度下的电位信号非线性特征,得到了电位时序信号的奇异性指数、奇异维数、局部赫斯特指数等参数,并采用L2范数对赫斯特曲面予以量化。实验结果表明：原煤和辉长岩的总体电位信号都呈现出多尺度多重分形特征,且裂纹萌生前后的电位多重分形图谱呈现一定差异性;相较于辉长岩,煤样在加载前后阶段不同位置处电位信号的奇异性指数差异Δα正负趋势呈现不同特征,表明了煤样具有更强的非线性演化特征;多尺度下局部赫斯特指数的L2范数更好地体现出试样不同通道电位信号间的长程相关性,并能够量化试样电位时序信号的非线性演化特征,进而实现煤岩失稳破坏预测。     

矿山采动覆岩内部岩移原位监测技术进展及应用

覆岩内部岩移原位监测技术具备适应深井高承压水特厚煤层开采复杂地质条件、多层位动态监测、高精度远程实时在线传输等技术特点,可为矿山企业开展顶板灾害防控提供有效的数据支撑。从煤炭开采应用实践背景出发,系统回顾了采动覆岩内部岩移原位监测技术的发展历程、技术进展和应用效果。结合我国矿压理论及岩移监测技术发展历史,全面介绍了矿山采动覆岩内部岩移原位监测技术的重要阶段,阐述了该技术在多维实时协同监测、无人在线监测和深部岩移监测3个方面所取得的理论创新与技术突破。结合补连塔煤矿、同忻煤矿、高家堡煤矿等矿井监测工程实例,展示了采动覆岩内部岩移原位监测技术在实际工程应用中的有效性,并探讨了该技术在不同类型矿区、不同研究领域的应用前景。指出矿山采动覆岩内部岩移原位监测技术的发展趋势为精确化、智能化和集成化,即通过优化传感器性能和布置方案等提高监测精度和准确性,利用人工智能、大数据和物联网技术实现自动化分析和预测,将原位监测技术与其他技术相结合以形成完整的监测系统。     

大数据和云技术在省级山洪监测预警中的应用

针对部分已建省、市级山洪监测预警系统功能较少、运行效率低、性能指标不达标的问题,结合县级防汛部门对监测数据可靠性和时效性需求,在现有山洪灾害防治体系的基础上,提出基于云计算、大数据等关键技术的省级山洪监测平台总体设计架构,分别从云架构基础设施、大数据资源中心、平台即服务和山洪灾害监测预警软件即服务等4个层次介绍云技术及大数据的具体应用方案,探索系统应用模式,展望应用效益,大数据和云技术为省级山洪监测预警平台建设提供强有力的技术支撑。     

煤矿冲击地压和煤与瓦斯突出感知报警方法研究

提出了基于温度的冲击地压和煤与瓦斯突出感知报警方法:使用红外热像仪等监测物体温度,使用甲烷传感器监测环境甲烷浓度;当物体温度高于煤矿井下环境温度和已暴露煤岩温度,并且高于环境温度和已暴露煤岩温度的物体数量较多、体积和面积较大,则判定发生冲击地压、煤与瓦斯突出、矿井火灾或瓦斯和煤尘爆炸事故;进一步判别高温物体温度,若大于设定阈值,则判定发生矿井火灾或瓦斯和煤尘爆炸事故,反之,则判定发生冲击地压或煤与瓦斯突出事故;进一步分析甲烷浓度变化,若甲烷浓度迅速升高,则判定发生煤与瓦斯突出事故,反之,则判定发生冲击地压事故。提出了基于速度的冲击地压和煤与瓦斯突出感知报警方法:使用激光雷达、毫米波雷达、超声波雷达、双目视觉摄像机等监测物体移动速度,使用甲烷传感器监测环境甲烷浓度;当物体移动速度不小于设定阈值时,则判定发生冲击地压、煤与瓦斯突出或瓦斯和煤尘爆炸事故;进一步判别速度异常物体的数量、体积和面积,若速度异常物体的数量较少、体积和面积较小,则判定发生瓦斯和煤尘爆炸事故,若速度异常物体的数量较多、体积和面积较大,则判定发生冲击地压或煤与瓦斯突出事故;进一步分析甲烷浓度变化,若甲烷浓度迅速升高,则判定发生煤与瓦斯突出事故,反之,则判定发生冲击地压事故。提出了多信息融合的冲击地压和煤与瓦斯突出感知报警及灾源判定方法:监测并融合温度、速度、加速度、掩埋深度、声音、气压、风速、风向、粉尘、甲烷浓度、设备状态、微震、地音、应力、红外辐射、电磁辐射、图像等多种信息,感知冲击地压和煤与瓦斯突出;通过不同位置参数变化的幅度、先后时序关系及传感器损坏情况,判定灾源。