基于WEB的煤礦水害遠(yuǎn)程監(jiān)測及預(yù)警研究

吳濤

（中國煤炭地質(zhì)總局 水文地質(zhì)工程地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)勘查院，河北 邯鄲056004）

0 引 言

在水文地質(zhì)條件復(fù)雜的礦區(qū)，煤礦水害時有發(fā)生，是威脅煤礦安全生產(chǎn)的主要因素之一。根據(jù)煤礦水害成因，大致可以將煤礦水害分為煤層頂板涌水引起的水害、底板承壓水突水引起的水害、斷層-陷落柱導(dǎo)水引起的水害以及老空水突水引起的水害等。水文地質(zhì)條件復(fù)雜的礦井水害類型也復(fù)雜，水害的監(jiān)測預(yù)警已成為日常工作重點(diǎn)和難點(diǎn)。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，監(jiān)測設(shè)備及5G技術(shù)的廣泛應(yīng)用，依托云計(jì)算和大數(shù)據(jù)技術(shù)建設(shè)水文地質(zhì)數(shù)據(jù)庫，礦井水害可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程的實(shí)時監(jiān)測，對煤礦數(shù)字化、智能化管理具有重要意義。同時，煤礦水害遠(yuǎn)程監(jiān)測及預(yù)警已成為煤礦安全生產(chǎn)的技術(shù)保障之一。

1 水害遠(yuǎn)程監(jiān)測與預(yù)警關(guān)鍵技術(shù)

1.1 功能結(jié)構(gòu)

基于WEB的煤礦水害監(jiān)測與預(yù)警系統(tǒng)由云殼（大數(shù)據(jù)平臺）、功能層（交互層）、云體（大數(shù)據(jù)體）組成，如圖1所示。

大數(shù)據(jù)平臺（云殼）由靜態(tài)數(shù)據(jù)和動態(tài)數(shù)據(jù)組成。靜態(tài)數(shù)據(jù)由井田位置、資源、生產(chǎn)開采條件概況以及地質(zhì)數(shù)據(jù)、水文地質(zhì)數(shù)據(jù)等多方面數(shù)據(jù)構(gòu)成，動態(tài)數(shù)據(jù)包括開采狀態(tài)數(shù)據(jù)和實(shí)時監(jiān)測數(shù)據(jù)。功能層（交互層）由水害實(shí)時監(jiān)測模塊、分析預(yù)警模塊、專家咨詢模塊組成。

大數(shù)據(jù)體（云體）由監(jiān)測設(shè)備管理模塊、地下水水位（水壓）監(jiān)測模塊、地下水水質(zhì)分析模塊、采空積水動態(tài)管理模塊、采掘動態(tài)管理模塊、數(shù)據(jù)管理模塊及傳輸通訊模塊等組成。

1.2 框架結(jié)構(gòu)

煤礦水害遠(yuǎn)程監(jiān)測與預(yù)警系統(tǒng)整體架構(gòu)可分為6個基礎(chǔ)層級，如圖2所示。

圖2 總體架構(gòu)Fig.2 Overall architecture

（1）基礎(chǔ)層?；A(chǔ)層是煤礦水害遠(yuǎn)程監(jiān)測與預(yù)警系統(tǒng)的保障層，由監(jiān)測設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)通訊設(shè)備、存儲設(shè)備、顯示設(shè)備等構(gòu)成，是整個系統(tǒng)的硬件組成部分，為系統(tǒng)提供良好的運(yùn)行基礎(chǔ)。

（2）數(shù)據(jù)層。數(shù)據(jù)層是數(shù)據(jù)資源的保障，將數(shù)據(jù)資源按數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)組織方式分為基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)型資源和非結(jié)構(gòu)型資源。非結(jié)構(gòu)型資源通過基礎(chǔ)內(nèi)容管理模式進(jìn)行管理維護(hù)，供用戶查詢?yōu)g覽；結(jié)構(gòu)型數(shù)據(jù)，采用關(guān)系型數(shù)據(jù)庫進(jìn)行管理。采用關(guān)系型數(shù)據(jù)Oracle11g和FTP分布式文件存儲方式。

（3）軟件支撐層。軟件支撐層是整體應(yīng)用系統(tǒng)建設(shè)的基礎(chǔ)保障，采用ArcGIS、ADO.NET、MVC、WinFORM、數(shù)據(jù)庫、Html5等技術(shù)，搭建系統(tǒng)基礎(chǔ)支撐組件，為系統(tǒng)相關(guān)功能模塊快速搭建提供支撐。

（4）應(yīng)用管理層。應(yīng)用管理層承接軟件應(yīng)用管理層和展現(xiàn)層邏輯接口，將實(shí)際應(yīng)用劃分成用戶管理、數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)檢索、數(shù)據(jù)導(dǎo)入、數(shù)據(jù)導(dǎo)出等邏輯應(yīng)用，模塊化進(jìn)行相關(guān)的管理。應(yīng)用管理層采用.NET Framework框架、ArcGIS平臺支撐軟件開發(fā)。

（5）展現(xiàn)層。展現(xiàn)層將整體應(yīng)用功能通過門戶系統(tǒng)進(jìn)行展現(xiàn)，可以實(shí)現(xiàn)相關(guān)系統(tǒng)的應(yīng)用和資源的瀏覽查詢、管理維護(hù)操作。技術(shù)實(shí)現(xiàn)層外網(wǎng)B/S程序采用asp.net、mvc、html5、ajax技術(shù)；內(nèi)網(wǎng)C/S系統(tǒng)采用Winform、Devexpress技術(shù)實(shí)現(xiàn)。

（6）用戶層。用戶層面向煤礦水害遠(yuǎn)程監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)最終用戶，采用B/S模式，可分為內(nèi)網(wǎng)用戶和外網(wǎng)用戶，內(nèi)網(wǎng)用戶訪問信息管理及專家決策子系統(tǒng)，外網(wǎng)用戶訪問網(wǎng)絡(luò)發(fā)布子系統(tǒng)。

2 水害遠(yuǎn)程監(jiān)測與預(yù)警系統(tǒng)功能

2.1 監(jiān)測數(shù)據(jù)管理

監(jiān)測數(shù)據(jù)管理從能力上看，能夠?qū)崿F(xiàn)水量監(jiān)測、水溫監(jiān)測、水位監(jiān)測、水壓監(jiān)測、變形量監(jiān)測、水質(zhì)監(jiān)測6類動態(tài)數(shù)據(jù)存儲和管理。為了實(shí)現(xiàn)大量動態(tài)數(shù)據(jù)監(jiān)測、提高檢索效率，把6類動態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)分別管理，并且以時間字段進(jìn)行索引。從功能上，監(jiān)測數(shù)據(jù)管理實(shí)現(xiàn)了水量監(jiān)測、水溫監(jiān)測、水位監(jiān)測、水壓監(jiān)測、變形量監(jiān)測、水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)動態(tài)顯示、按時間查詢、數(shù)據(jù)列表顯示、數(shù)據(jù)曲線顯示、曲線圖導(dǎo)出、數(shù)據(jù)導(dǎo)出等。

2.2 專家決策

專家決策功能基于基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，利用專家決策模型，疊加動態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)警。預(yù)警的模式有閾值預(yù)警、異常預(yù)警、趨勢預(yù)警等。在功能上實(shí)現(xiàn)了水量、水溫、水位、水壓、變形量、水質(zhì)監(jiān)測預(yù)警閾值設(shè)置及計(jì)算。

2.2.1 超限報警

利用監(jiān)測設(shè)備對礦井水位、水壓、流量等參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控，當(dāng)達(dá)到設(shè)定參數(shù)上、下限時，預(yù)警系統(tǒng)報警，如圖3所示。

圖3 超限報警Fig.3 Overrun alarm

2.2.2 變化率預(yù)警

利用監(jiān)測設(shè)備對礦井水位、水壓、流量等參數(shù)的變化率進(jìn)行監(jiān)控，當(dāng)在規(guī)定的時間內(nèi)某一變化較大時，發(fā)出信號，預(yù)警系統(tǒng)報警，如圖4所示。

圖4 變化率報警Fig.4 Rate of change alarm

2.2.3 變化趨勢報警

利用監(jiān)測設(shè)備對礦井水位、水壓、流量等參數(shù)的變化趨勢進(jìn)行監(jiān)控，當(dāng)某一參數(shù)出現(xiàn)持續(xù)增長或者持續(xù)下降的趨勢時，發(fā)出預(yù)警信號，預(yù)警系統(tǒng)報警，如圖5所示。

圖5 變化趨勢報警Fig.5 Changing trend alarm

3 結(jié) 語

煤礦水害遠(yuǎn)程監(jiān)測與預(yù)警是智慧礦山建設(shè)重要組成部分。隨著5G技術(shù)的應(yīng)用，礦井水害遠(yuǎn)程監(jiān)測將被廣泛應(yīng)用到生產(chǎn)中?；赪EB的煤礦水害遠(yuǎn)程監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)可以實(shí)時動態(tài)監(jiān)測，通過瀏覽器可以實(shí)時查看監(jiān)測數(shù)據(jù)。通過對歷時數(shù)據(jù)的動態(tài)分析，根據(jù)分析結(jié)果設(shè)置預(yù)警值，可以實(shí)現(xiàn)水害的監(jiān)測預(yù)警功能。通過設(shè)置不同的權(quán)限可以實(shí)現(xiàn)不同管理層相關(guān)數(shù)據(jù)的查詢與分析。通過網(wǎng)絡(luò)和通訊系統(tǒng)的推送，達(dá)到煤礦水害實(shí)時監(jiān)測與預(yù)警的目的。