基于 GIS的礦井自燃監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)研究

楊 勇

(1.煤炭科學(xué)研究總院礦山安全技術(shù)研究分院,北京 100013;

2.煤炭資源開采與環(huán)境保護(hù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 (煤炭科學(xué)研究總院),北京 100013)

基于 GIS的礦井自燃監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)研究

楊 勇1,2

(1.煤炭科學(xué)研究總院礦山安全技術(shù)研究分院,北京 100013;

2.煤炭資源開采與環(huán)境保護(hù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 (煤炭科學(xué)研究總院),北京 100013)

采用實(shí)驗(yàn)方法,建立了礦井煤層自燃預(yù)警指標(biāo)體系和預(yù)警指標(biāo)計(jì)算機(jī)模型,并將地理信息系統(tǒng) (GIS)技術(shù)應(yīng)用于自燃監(jiān)測(cè)預(yù)警領(lǐng)域,設(shè)計(jì)了用于礦井自燃預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)的監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng),討論和分析了基于 GIS的礦井自燃監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)的整體框架及功能,給出了系統(tǒng)開發(fā)的方式和方法。

GIS;礦井自燃;監(jiān)測(cè)預(yù)警指標(biāo);預(yù)警系統(tǒng)

自燃火災(zāi)是煤礦的重大災(zāi)害之一,煤礦自燃火災(zāi)的發(fā)生發(fā)展不僅影響安全生產(chǎn)和周圍環(huán)境,而且極易引起煤塵瓦斯爆炸,每年造成的直接和間接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)上千億元[1]。因此,自燃火災(zāi)的有效控制對(duì)礦井安全具有重要的意義,而控制的成功與否,取決于對(duì)自燃火災(zāi)的監(jiān)測(cè)預(yù)警和及時(shí)的防治措施。及時(shí)準(zhǔn)確地發(fā)出火災(zāi)預(yù)警是采取有效措施的前提,不僅可及時(shí)采取防滅火措施,將火災(zāi)事故消滅于萌芽狀態(tài),而且還可減少火災(zāi)造成的經(jīng)濟(jì)損失。

針對(duì)自然發(fā)火信息多而復(fù)雜的特點(diǎn),將 GIS應(yīng)用于礦井自燃監(jiān)測(cè)預(yù)警領(lǐng)域,利用 GIS強(qiáng)大的處理空間實(shí)體數(shù)據(jù)及其關(guān)系的功能,實(shí)現(xiàn)自燃監(jiān)測(cè)信息的空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)有效結(jié)合,開發(fā)基于 GIS的自燃監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng),為自燃監(jiān)測(cè)預(yù)警提供集成的數(shù)據(jù)環(huán)境和可視化的分析平臺(tái),實(shí)現(xiàn)礦井煤層自燃的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和預(yù)警。本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究對(duì)于指導(dǎo)礦井的自燃防治,實(shí)現(xiàn)礦井自燃監(jiān)測(cè)預(yù)警的快捷化、系統(tǒng)化、科學(xué)化、規(guī)范化具有重要意義。

1 礦井自燃監(jiān)測(cè)預(yù)警指標(biāo)體系研究

1.1 礦井自燃監(jiān)測(cè)預(yù)警指標(biāo)

煤層在氧化升溫過程中會(huì)先后釋放出 CO, CO2,H2和烷烴、烯烴等氣體。其中,CO貫穿于整個(gè)自然發(fā)火過程,一般在 60℃以上溫度就可測(cè)定出來,出現(xiàn)時(shí)濃度較高,烯烴、烷烴氣體較 CO出現(xiàn)得晚[2]。因此,可以選擇煤溫和 CO,CO2,烯烴、烷烴等參數(shù)作為煤層自燃的指標(biāo),不同礦井的煤層自燃預(yù)警指標(biāo)可通過實(shí)驗(yàn)的方法確定。

以荊各莊礦自燃預(yù)警指標(biāo)為例,進(jìn)一步探討該礦煤層氣體變化特征,分別在九、十一煤層各選取了一個(gè)工作面進(jìn)行試驗(yàn)性研究。根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果做出了 CO濃度與溫度、鏈烷比 (包括:C3H8/C2H6, CH4/(CH4+C2H6+C3H8),C2H6+C3H8/(CH4+C2H6+C3H8))與溫度之間關(guān)系的散點(diǎn)圖,分別如圖 1、圖 2所示。

通過綜合分析比較,確定了該試驗(yàn)礦井的自燃監(jiān)測(cè)預(yù)警指標(biāo),具體如下:

圖2 鏈烷比與溫度關(guān)系

(1)煤層溫度 溫度是自燃預(yù)警的最直觀指標(biāo),但由于煤層溫度衰減快,難以確定火源的準(zhǔn)確位置,且直接測(cè)量的技術(shù)難以掌握,因此,本文主要利用氣體分析法,監(jiān)測(cè)指標(biāo)氣體的濃度,利用煤層自燃預(yù)警模型間接測(cè)得煤層溫度。

(2)氣體指標(biāo) 本文選擇的標(biāo)志氣體為 CO, C2H6,C3H8,以 CO濃度為主,C3H8/C2H6為輔,因?yàn)殒溚楸?C3H8/C2H6幾乎不受風(fēng)流大小的影響,可以作為自燃預(yù)警輔助性指標(biāo)。

1.2 礦井自燃指標(biāo)計(jì)算模型

通過對(duì)試驗(yàn)礦井的大量實(shí)驗(yàn)研究,確定了煤層自燃 3個(gè)階段的溫度范圍,即:緩慢氧化階段(小于 180℃)、加速氧化階段 (180～300℃)和激烈氧化階段 (大于 300℃)。并利用回歸分析法,建立了自燃預(yù)警指標(biāo)計(jì)算模型,具體如下:

其中,以溫度作為自變量 (x),CO濃度作為應(yīng)變量 (y)。

C3H8/C2H6濃度與溫度:y=ax+b

其中,y為溫度;x為 C3H8/C2H6濃度比值;a =176.671;b=40.932。

2 系統(tǒng)整體框架與功能設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)整體框架

系統(tǒng)在設(shè)計(jì)過程中,充分利用 GIS成熟的空間數(shù)據(jù)處理技術(shù)和方法,以及強(qiáng)大的圖形創(chuàng)造和可視化表達(dá)手段,針對(duì)煤層自燃監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),建立基于 GIS的煤層自燃監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng),通過煤層自燃預(yù)警模型對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、分析、顯示和發(fā)布。系統(tǒng)整體框架如圖 3所示,其要完成的目標(biāo)主要有:

(1)自燃監(jiān)測(cè)信息采用計(jì)算機(jī)化管理,實(shí)現(xiàn)信息管理快速、高效化。

(2)對(duì)井下監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集,利用自燃預(yù)警模型對(duì)采集的標(biāo)志氣體數(shù)據(jù)和溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行集中處理,對(duì)煤層自燃情況進(jìn)行預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)。

圖3 系統(tǒng)整體框架

(3)報(bào)表專題輸出。所有原始數(shù)據(jù)、計(jì)算、統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果均能夠以報(bào)表或?qū)ｎ}圖形式輸出。

2.2 自燃信息管理

自燃信息管理工作主要包括自然發(fā)火記錄管理和自燃監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)管理,能夠?qū)⒆匀挤乐斡嘘P(guān)的多種數(shù)據(jù)和表格進(jìn)行計(jì)算機(jī)化處理,并進(jìn)行匯總、統(tǒng)計(jì)、分析。其中,自然發(fā)火記錄管理的主要技術(shù)指標(biāo)有:內(nèi)因火災(zāi)次數(shù)、外因火災(zāi)次數(shù)、采空區(qū)發(fā)火次數(shù)、發(fā)火率、預(yù)防性注漿面?zhèn)€數(shù)、均壓面?zhèn)€數(shù)、預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)方法、發(fā)火危險(xiǎn)程度以及監(jiān)測(cè)檢查的時(shí)間、地點(diǎn)、存在問題、整改建議等;自燃監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)管理主要技術(shù)指標(biāo)有:監(jiān)測(cè)點(diǎn) (監(jiān)測(cè)站、分站、傳感器)編號(hào)、監(jiān)測(cè)時(shí)間、煤層溫度、標(biāo)志氣體(CO,C2H6,C3H8)濃度、預(yù)警等級(jí)等。

2.3 自燃監(jiān)測(cè)管理

自燃監(jiān)測(cè)管理將通風(fēng)系統(tǒng)圖、自燃監(jiān)測(cè)系統(tǒng)圖等圖形掃描,利用 GIS軟件按圖層方式進(jìn)行數(shù)字化,對(duì)礦井自燃監(jiān)控系統(tǒng)采取從 “點(diǎn)”到“線”到“面”的直觀圖形化管理。將井下煤層、監(jiān)測(cè)站、分站、傳感器、探頭作為定位點(diǎn),對(duì)定位點(diǎn)進(jìn)行統(tǒng)一編號(hào),并且對(duì)其命名,定位點(diǎn)定了以后,自燃監(jiān)測(cè)預(yù)警指標(biāo)信息與定位點(diǎn)信息關(guān)聯(lián)起來。關(guān)聯(lián)后,在自燃監(jiān)測(cè)系統(tǒng)圖上點(diǎn)擊某一定位點(diǎn),就可以知道該點(diǎn)相關(guān)自燃監(jiān)測(cè)信息。

2.4 自燃危險(xiǎn)性預(yù)警

系統(tǒng)將采集的煤層溫度、CO,C2H6,C3H8等自燃預(yù)警指標(biāo)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù),利用計(jì)算機(jī)模型進(jìn)行實(shí)時(shí)處理、存儲(chǔ)、報(bào)警。其工作流程如圖 4所示。

2.5 報(bào)表專題圖輸出

報(bào)表專題圖輸出是將自燃有關(guān)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)以報(bào)表或?qū)ｎ}圖的形式輸出。報(bào)表的種類有自然發(fā)火記錄報(bào)表、煤層溫度報(bào)表、CH4,CO,C2H6,C3H8等氣體濃度報(bào)表等。專題圖有風(fēng)量專題圖、自燃監(jiān)測(cè)信息專題圖等,從專題圖上可以知道井下各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的瓦斯?jié)舛?、氣體成分、標(biāo)志氣體濃度及一定時(shí)間內(nèi)的變化規(guī)律,為自燃防治提供決策支持。

3 系統(tǒng)開發(fā)

3.1 系統(tǒng)硬件開發(fā)

圖4 自燃預(yù)警工作流程

系統(tǒng)硬件主要由井上和井下 2部分組成 (如圖 5)井上部分主要由系統(tǒng)主機(jī)、服務(wù)器、聲光報(bào)警器、氣路控制柜、信號(hào)控制柜、通信線路和通信接口等組成。井下部分主要由各種自燃預(yù)警指標(biāo)監(jiān)測(cè)器 (溫度傳感器、氣樣采集器、積水器、抽氣泵)、聲光報(bào)警器、通信分站、通信線路和通信接口等組成。分布在井下各測(cè)點(diǎn)的監(jiān)測(cè)器進(jìn)行數(shù)據(jù)測(cè)量,并通過一條公共傳輸線路將測(cè)量數(shù)據(jù)發(fā)送給通信分站,再由通信分站通過一條公共傳輸線路傳至系統(tǒng)主機(jī)。系統(tǒng)主機(jī)對(duì)預(yù)警指標(biāo)數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)集中處理、存儲(chǔ)、報(bào)警,報(bào)警信息被送給井下聲光報(bào)警器。

圖5 系統(tǒng)硬件組成結(jié)構(gòu)

3.2 系統(tǒng)軟件開發(fā)

3.2.1 開發(fā)方式

系統(tǒng) GIS開發(fā)平臺(tái)選用美國 Map Info公司的Map Info Professional軟件,該軟件是一套基于地理信息系統(tǒng)并將地圖信息系統(tǒng)的概念介紹到普通桌面PC機(jī)上的優(yōu)秀軟件,提供了最先進(jìn)的數(shù)據(jù)可視化信息地圖化技術(shù)[3]。

根據(jù) GIS軟件開發(fā)的方法,采用OLE方式進(jìn)行集成二次開發(fā)方式,即采用 OLE Automation技術(shù),用軟件開發(fā)工具 (如VC++)開發(fā)前臺(tái)可執(zhí)行應(yīng)用程序,以O(shè)LE自動(dòng)化方式啟動(dòng)Map Info軟件在后臺(tái)執(zhí)行,利于回調(diào)技術(shù)動(dòng)態(tài)獲取其返回信息,實(shí)現(xiàn)應(yīng)用軟件運(yùn)行所需的后臺(tái)環(huán)境,而對(duì)空間信息的顯示、編輯、查詢和空間分析功能利用VC++函數(shù)調(diào)用Map Info有關(guān)模塊來完成。

3.2.2 開發(fā)方法

(1)使用Map Info的“Universal Translator”工具將礦井通風(fēng)系統(tǒng)圖、自燃監(jiān)測(cè)系統(tǒng)圖等 (大多都是AutoCAD圖形)轉(zhuǎn)換輸入,并在其中進(jìn)行分層、疊加、編輯、修正、添加、刪除等操作,且在編輯狀態(tài)下,通過修改 User- ID號(hào)實(shí)現(xiàn)屬性數(shù)據(jù)(巷道屬性、工作面屬性、煤層自燃監(jiān)測(cè)站屬性)與空間數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng),實(shí)現(xiàn)地圖與數(shù)據(jù)雙向查詢。

(2)使用Map Info的數(shù)據(jù)管理與轉(zhuǎn)換系統(tǒng),利用關(guān)系數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng) RDBMS技術(shù),實(shí)現(xiàn)對(duì)較為復(fù)雜的煤層自燃監(jiān)控的空間數(shù)據(jù)和非空間數(shù)據(jù)的統(tǒng)一管理,將數(shù)據(jù)庫中不同來源的自燃預(yù)警相關(guān)信息連接在一個(gè)界面地圖上進(jìn)行可視化分析,并利用自燃預(yù)警計(jì)算機(jī)模型,實(shí)現(xiàn)自燃監(jiān)測(cè)的實(shí)時(shí)預(yù)警和圖形化顯示。

(3)利用Map Info的編輯功能,對(duì)礦井系統(tǒng)圖進(jìn)行數(shù)字化處理,可以方便的輸入點(diǎn)、線、面以及文字注記等特征,對(duì)圖形特征進(jìn)行移動(dòng)、增加、刪除并可以將影像作為背景顯示。

(4)基于 GIS的礦井自燃監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)開發(fā)流程如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)開發(fā)流程

4 結(jié)論

(1)在充分吸收目前礦井火災(zāi)研究的知識(shí)和技術(shù)基礎(chǔ)上,將 GIS技術(shù)應(yīng)用于自燃監(jiān)測(cè)預(yù)警領(lǐng)域,利用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù),實(shí)現(xiàn)了對(duì)自燃預(yù)警指標(biāo)數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集與處理,實(shí)現(xiàn)了對(duì)礦井自燃危險(xiǎn)程度的智能識(shí)別。

(2)系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)采集井下煤層溫度、標(biāo)志氣體濃度等監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),并將這些數(shù)據(jù)顯示在監(jiān)控系統(tǒng)圖上,當(dāng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)超過警界值時(shí),系統(tǒng)會(huì)給出報(bào)警,并在監(jiān)控系統(tǒng)圖上標(biāo)示出來。實(shí)現(xiàn)了監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與測(cè)點(diǎn)的空間位置的結(jié)合,使工作人員可以直觀地獲取井下煤層的自燃參數(shù),出現(xiàn)超限報(bào)警時(shí)能夠及時(shí)采取相應(yīng)措施。

(3)系統(tǒng)具有良好的人機(jī)交互功能,將圖形數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)分開存儲(chǔ),通過 ID號(hào)連接,用戶可以通過圖形對(duì)象查找其屬性,也可以通過屬性數(shù)據(jù)查找其圖形對(duì)象,實(shí)現(xiàn)電子地圖與數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)的自動(dòng)連接和雙向查詢,并可根據(jù)需要進(jìn)行專題地圖輸出。

[1]李瑞永 .范各莊礦煤自燃傾向性及自然發(fā)火指標(biāo)氣體的研究[D].唐山:河北理工學(xué)院,2006.

[2]周心權(quán),吳 兵 .礦井火災(zāi)救災(zāi)理論與實(shí)踐 [M].北京:煤炭工業(yè)出版社,1996.

[3]杜學(xué)勝,楊 勇,等 .基于Web-GIS的礦井通風(fēng)安全信息系統(tǒng) [J].煤礦安全,2005(10).

[責(zé)任編輯:鄒正立]

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

煤炭科學(xué)研究總院青年創(chuàng)新基金資助項(xiàng)目 (2008QN06)

楊 勇 (1976-),男,安徽淮南人,工程師,從事煤礦安全技術(shù)研究工作。