基于 GIS的矿井自燃监测预警系统研究

杨 勇

(1.煤炭科学研究总院矿山安全技术研究分院,北京 100013;

2.煤炭资源开采与环境保护国家重点实验室 (煤炭科学研究总院),北京 100013)

基于 GIS的矿井自燃监测预警系统研究

杨 勇1,2

(1.煤炭科学研究总院矿山安全技术研究分院,北京 100013;

2.煤炭资源开采与环境保护国家重点实验室 (煤炭科学研究总院),北京 100013)

采用实验方法,建立了矿井煤层自燃预警指标体系和预警指标计算机模型,并将地理信息系统 (GIS)技术应用于自燃监测预警领域,设计了用于矿井自燃预测预报的监测预警系统,讨论和分析了基于 GIS的矿井自燃监测预警系统的整体框架及功能,给出了系统开发的方式和方法。

GIS;矿井自燃;监测预警指标;预警系统

自燃火灾是煤矿的重大灾害之一,煤矿自燃火灾的发生发展不仅影响安全生产和周围环境,而且极易引起煤尘瓦斯爆炸,每年造成的直接和间接经济损失达上千亿元[1]。因此,自燃火灾的有效控制对矿井安全具有重要的意义,而控制的成功与否,取决于对自燃火灾的监测预警和及时的防治措施。及时准确地发出火灾预警是采取有效措施的前提,不仅可及时采取防灭火措施,将火灾事故消灭于萌芽状态,而且还可减少火灾造成的经济损失。

针对自然发火信息多而复杂的特点,将 GIS应用于矿井自燃监测预警领域,利用 GIS强大的处理空间实体数据及其关系的功能,实现自燃监测信息的空间数据和属性数据有效结合,开发基于 GIS的自燃监测预警系统,为自燃监测预警提供集成的数据环境和可视化的分析平台,实现矿井煤层自燃的实时监测和预警。本系统的设计研究对于指导矿井的自燃防治,实现矿井自燃监测预警的快捷化、系统化、科学化、规范化具有重要意义。

1 矿井自燃监测预警指标体系研究

1.1 矿井自燃监测预警指标

煤层在氧化升温过程中会先后释放出 CO, CO2,H2和烷烃、烯烃等气体。其中,CO贯穿于整个自然发火过程,一般在 60℃以上温度就可测定出来,出现时浓度较高,烯烃、烷烃气体较 CO出现得晚[2]。因此,可以选择煤温和 CO,CO2,烯烃、烷烃等参数作为煤层自燃的指标,不同矿井的煤层自燃预警指标可通过实验的方法确定。

以荆各庄矿自燃预警指标为例,进一步探讨该矿煤层气体变化特征,分别在九、十一煤层各选取了一个工作面进行试验性研究。根据监测结果做出了 CO浓度与温度、链烷比 (包括:C3H8/C2H6, CH4/(CH4+C2H6+C3H8),C2H6+C3H8/(CH4+C2H6+C3H8))与温度之间关系的散点图,分别如图 1、图 2所示。

通过综合分析比较,确定了该试验矿井的自燃监测预警指标,具体如下:

图2 链烷比与温度关系

(1)煤层温度 温度是自燃预警的最直观指标,但由于煤层温度衰减快,难以确定火源的准确位置,且直接测量的技术难以掌握,因此,本文主要利用气体分析法,监测指标气体的浓度,利用煤层自燃预警模型间接测得煤层温度。

(2)气体指标 本文选择的标志气体为 CO, C2H6,C3H8,以 CO浓度为主,C3H8/C2H6为辅,因为链烷比 C3H8/C2H6几乎不受风流大小的影响,可以作为自燃预警辅助性指标。

1.2 矿井自燃指标计算模型

通过对试验矿井的大量实验研究,确定了煤层自燃 3个阶段的温度范围,即:缓慢氧化阶段(小于 180℃)、加速氧化阶段 (180～300℃)和激烈氧化阶段 (大于 300℃)。并利用回归分析法,建立了自燃预警指标计算模型,具体如下:

其中,以温度作为自变量 (x),CO浓度作为应变量 (y)。

C3H8/C2H6浓度与温度:y=ax+b

其中,y为温度;x为 C3H8/C2H6浓度比值;a =176.671;b=40.932。

2 系统整体框架与功能设计

2.1 系统整体框架

系统在设计过程中,充分利用 GIS成熟的空间数据处理技术和方法,以及强大的图形创造和可视化表达手段,针对煤层自燃监测数据,建立基于 GIS的煤层自燃监测预警系统,通过煤层自燃预警模型对数据进行处理、分析、显示和发布。系统整体框架如图 3所示,其要完成的目标主要有:

(1)自燃监测信息采用计算机化管理,实现信息管理快速、高效化。

(2)对井下监控系统进行实时数据采集,利用自燃预警模型对采集的标志气体数据和温度数据进行集中处理,对煤层自燃情况进行预测预报。

图3 系统整体框架

(3)报表专题输出。所有原始数据、计算、统计分析结果均能够以报表或专题图形式输出。

2.2 自燃信息管理

自燃信息管理工作主要包括自然发火记录管理和自燃监测数据管理,能够将自燃防治有关的多种数据和表格进行计算机化处理,并进行汇总、统计、分析。其中,自然发火记录管理的主要技术指标有:内因火灾次数、外因火灾次数、采空区发火次数、发火率、预防性注浆面个数、均压面个数、预测预报方法、发火危险程度以及监测检查的时间、地点、存在问题、整改建议等;自燃监测数据管理主要技术指标有:监测点 (监测站、分站、传感器)编号、监测时间、煤层温度、标志气体(CO,C2H6,C3H8)浓度、预警等级等。

2.3 自燃监测管理

自燃监测管理将通风系统图、自燃监测系统图等图形扫描,利用 GIS软件按图层方式进行数字化,对矿井自燃监控系统采取从 “点”到“线”到“面”的直观图形化管理。将井下煤层、监测站、分站、传感器、探头作为定位点,对定位点进行统一编号,并且对其命名,定位点定了以后,自燃监测预警指标信息与定位点信息关联起来。关联后,在自燃监测系统图上点击某一定位点,就可以知道该点相关自燃监测信息。

2.4 自燃危险性预警

系统将采集的煤层温度、CO,C2H6,C3H8等自燃预警指标的实时数据,利用计算机模型进行实时处理、存储、报警。其工作流程如图 4所示。

2.5 报表专题图输出

报表专题图输出是将自燃有关的监测数据以报表或专题图的形式输出。报表的种类有自然发火记录报表、煤层温度报表、CH4,CO,C2H6,C3H8等气体浓度报表等。专题图有风量专题图、自燃监测信息专题图等,从专题图上可以知道井下各监测点的瓦斯浓度、气体成分、标志气体浓度及一定时间内的变化规律,为自燃防治提供决策支持。

3 系统开发

3.1 系统硬件开发

图4 自燃预警工作流程

系统硬件主要由井上和井下 2部分组成 (如图 5)井上部分主要由系统主机、服务器、声光报警器、气路控制柜、信号控制柜、通信线路和通信接口等组成。井下部分主要由各种自燃预警指标监测器 (温度传感器、气样采集器、积水器、抽气泵)、声光报警器、通信分站、通信线路和通信接口等组成。分布在井下各测点的监测器进行数据测量,并通过一条公共传输线路将测量数据发送给通信分站,再由通信分站通过一条公共传输线路传至系统主机。系统主机对预警指标数据实现集中处理、存储、报警,报警信息被送给井下声光报警器。

图5 系统硬件组成结构

3.2 系统软件开发

3.2.1 开发方式

系统 GIS开发平台选用美国 Map Info公司的Map Info Professional软件,该软件是一套基于地理信息系统并将地图信息系统的概念介绍到普通桌面PC机上的优秀软件,提供了最先进的数据可视化信息地图化技术[3]。

根据 GIS软件开发的方法,采用OLE方式进行集成二次开发方式,即采用 OLE Automation技术,用软件开发工具 (如VC++)开发前台可执行应用程序,以OLE自动化方式启动Map Info软件在后台执行,利于回调技术动态获取其返回信息,实现应用软件运行所需的后台环境,而对空间信息的显示、编辑、查询和空间分析功能利用VC++函数调用Map Info有关模块来完成。

3.2.2 开发方法

(1)使用Map Info的“Universal Translator”工具将矿井通风系统图、自燃监测系统图等 (大多都是AutoCAD图形)转换输入,并在其中进行分层、叠加、编辑、修正、添加、删除等操作,且在编辑状态下,通过修改 User- ID号实现属性数据(巷道属性、工作面属性、煤层自燃监测站属性)与空间数据对应,实现地图与数据双向查询。

(2)使用Map Info的数据管理与转换系统,利用关系数据库管理系统 RDBMS技术,实现对较为复杂的煤层自燃监控的空间数据和非空间数据的统一管理,将数据库中不同来源的自燃预警相关信息连接在一个界面地图上进行可视化分析,并利用自燃预警计算机模型,实现自燃监测的实时预警和图形化显示。

(3)利用Map Info的编辑功能,对矿井系统图进行数字化处理,可以方便的输入点、线、面以及文字注记等特征,对图形特征进行移动、增加、删除并可以将影像作为背景显示。

(4)基于 GIS的矿井自燃监测预警系统开发流程如图6所示。

图6 系统开发流程

4 结论

(1)在充分吸收目前矿井火灾研究的知识和技术基础上,将 GIS技术应用于自燃监测预警领域,利用先进的计算机技术,实现了对自燃预警指标数据的自动采集与处理,实现了对矿井自燃危险程度的智能识别。

(2)系统能够实时采集井下煤层温度、标志气体浓度等监测数据,并将这些数据显示在监控系统图上,当监测数据超过警界值时,系统会给出报警,并在监控系统图上标示出来。实现了监测数据与测点的空间位置的结合,使工作人员可以直观地获取井下煤层的自燃参数,出现超限报警时能够及时采取相应措施。

(3)系统具有良好的人机交互功能,将图形数据和属性数据分开存储,通过 ID号连接,用户可以通过图形对象查找其属性,也可以通过属性数据查找其图形对象,实现电子地图与数据库管理系统的自动连接和双向查询,并可根据需要进行专题地图输出。

[1]李瑞永 .范各庄矿煤自燃倾向性及自然发火指标气体的研究[D].唐山:河北理工学院,2006.

[2]周心权,吴 兵 .矿井火灾救灾理论与实践 [M].北京:煤炭工业出版社,1996.

[3]杜学胜,杨 勇,等 .基于Web-GIS的矿井通风安全信息系统 [J].煤矿安全,2005(10).

[责任编辑:邹正立]

Research on Self-ign ition M on itoring and Alerting System forM ine Based on GIS

YANG Yong1,2

(1.Mine Safety Research Institute,China Coal Research Institute,Beijing 100013,China; 2.State KeyLaboratory of CoalMining&Environment Protection(China Coal Research Institute),Beijing 100013,China)

Thispaper set up a computermodelof self-ignitionmonitoring and alerting system formine by experiment and applied GIS to monitoring and alerting self-ignite.It designed the system and analyzed itswhole frame and functions.It presented system development manner and method aswell.

GIS;spontaneous combustion;monitoring and alerting index;alerting system

TD752.2

A

1006-6225(2010)05-0021-03

2010-05-19

煤炭科学研究总院青年创新基金资助项目 (2008QN06)

杨 勇 (1976-),男,安徽淮南人,工程师,从事煤矿安全技术研究工作。