礦井水文監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計方案
前 言
1.概述
隨著我國國民經(jīng)濟的快速發(fā)展，煤炭的開采量在不斷地增加，開采層位也愈來愈深，礦井突水一直是影響煤礦安全生產(chǎn)的主要災(zāi)害之一。近年來，煤礦井下重大突水事故時有發(fā)生，給礦工生命和國家財產(chǎn)造成了巨大損失和不良的社會影響，地下水已成為威脅煤礦安全生產(chǎn)的重要因素。因此，對煤礦地下水位的實時監(jiān)測和有效管理顯得尤為重要。
在傳統(tǒng)的監(jiān)測方法中，對于井上下的水文觀測孔采用人工測量記錄的方法掌握水位(水壓)的變化情況;對于管道流量、明渠流量的測量也是采用人工攜帶儀器進行測量的方法進行監(jiān)測。傳統(tǒng)的監(jiān)測方法對于所需要的監(jiān)測數(shù)據(jù)不能進行實時的監(jiān)測，而且借助人工來實現(xiàn)這一系列數(shù)據(jù)的記錄和管理，工作量將極為巨大，而且容易出現(xiàn)錯誤，造成管理上的混亂;何況還需要對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計和分析。在辦公自動化和管理信息化的時代潮流中，這種落后的操作與現(xiàn)代的管理方式顯得格格不入，不利于整體的發(fā)展，這就迫切需要打破這種格局，填補這項空白，把礦井水文的監(jiān)測推到一個更高的臺階上。
在現(xiàn)代化的水文監(jiān)測方式出現(xiàn)以前，傳統(tǒng)的水文監(jiān)測方式被人們用了幾十年。傳統(tǒng)的方式還停留在人工記錄﹑手工查詢﹑紙張保存等落后的階段。一般要為某個水文觀測點添加信息需要繁瑣復(fù)雜的手工錄入。當(dāng)要查詢某一方面的信息，則要從大量的信息中查詢﹑翻閱，處理過程費時﹑費力，達不到礦井防治水害的要求。
1.2項目意義
在現(xiàn)代化的水文監(jiān)測方式出現(xiàn)以前，傳統(tǒng)的水文監(jiān)測方式被人們用了幾十年。傳統(tǒng)的方式還停留在人工記錄﹑手工查詢﹑紙張保存等落后的階段。一般要為某個水文觀測點添加信息需要繁瑣復(fù)雜的手工錄入。當(dāng)要查詢某一方面的信息，則要從大量的信息中查詢﹑翻閱，處理過程費時﹑費力，達不到礦井防治水害的要求。
礦井水文監(jiān)測系統(tǒng)主要是基于以下因素：
地下水的動態(tài)變化,能直觀地反映含水層的水文地質(zhì)條件,長期監(jiān)測多層含水層對防治水決策具有重要意義。及時掌握水文動態(tài)，可以達到對水害事故的早發(fā)現(xiàn)、早預(yù)報、早防治，保障煤礦的安全、正常生產(chǎn)。
第252條規(guī)定，水文地質(zhì)條件復(fù)雜的礦井，必須針對主要含水層建立地下水動態(tài)觀測系統(tǒng)，進行地下水動態(tài)觀測、水害分析。
(3)保護生態(tài)環(huán)境的需要
利用該系統(tǒng)可評估煤炭開采過程中對地下水資源的影響，及早采取措施避免造成對生態(tài)環(huán)境的影響。
1.3項目目標(biāo)
本項目研究的目標(biāo)是采用先進的傳感器技術(shù)和數(shù)據(jù)通訊技術(shù)，以企業(yè)內(nèi)部網(wǎng)為平臺，為礦井建立一個精度高、實時性強、運行可靠、自動化高，能夠連續(xù)長期測量并利用計算機分析、輔助決策的，適用地面及井下各種水文參數(shù)(水位、水壓水溫，管道流量，明渠流量等)的利用局域網(wǎng)進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃谋O(jiān)測系統(tǒng)，及時掌握地下水動態(tài)、保障煤礦的安全、正常生產(chǎn)。
第一章 礦井水文監(jiān)測系統(tǒng)簡介
礦井水文監(jiān)測系統(tǒng)利用GSM網(wǎng)絡(luò)和Internet網(wǎng)絡(luò)，結(jié)合工業(yè)控制網(wǎng)實現(xiàn)了煤炭開采中水文參數(shù)的實時監(jiān)測和超限預(yù)警管理，監(jiān)測站可通過Internet網(wǎng)絡(luò)發(fā)布系統(tǒng)觀測礦井下水文實時數(shù)據(jù)，根據(jù)水文參數(shù)曲線分析水文數(shù)據(jù)走勢，提早預(yù)防礦井可能發(fā)生的突水事件等，為人民的生命才能提供有力的保障。同時GSM網(wǎng)絡(luò)短信報警功能，可使礦井安全負(fù)責(zé)人第一時間掌握礦井水位、水溫及流量數(shù)據(jù)，對指導(dǎo)煤礦安全生產(chǎn)和防治水害意義重大。
該系統(tǒng)：1、將GSM網(wǎng)絡(luò)、Intranet(Internet)和工業(yè)控制網(wǎng)無縫結(jié)合，進行有線或者無線的數(shù)據(jù)傳輸，徹底解決了數(shù)據(jù)傳輸受距離限制的弊端。2、采用四層管理結(jié)構(gòu)對礦井水文信息進行規(guī)范管理，提高水文地質(zhì)信息管理工作效率。3、采用綜合超限、極值預(yù)警、趨勢預(yù)警三種方法實現(xiàn)了智能預(yù)警系統(tǒng)，為礦區(qū)的水文分析提供了有力的控制與分析手段。4、綜合應(yīng)用計算機科學(xué)、水文科學(xué)、電子技術(shù)、通訊技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和信息處理技術(shù)，建立礦井水文監(jiān)測管理模型，實現(xiàn)了多級水文數(shù)據(jù)共享的科學(xué)管理。
1.1 系統(tǒng)組成
系統(tǒng)由中心監(jiān)測站、分站及測點子站構(gòu)成。其結(jié)構(gòu)見圖1。主站通過通訊設(shè)備接收分站數(shù)據(jù)，并提供數(shù)據(jù)顯示、查詢、編輯等操作平臺。通過主站內(nèi)數(shù)據(jù)處理軟件，可生成或輸出各種報表;可繪制水壓(水位)、溫度變化趨勢曲線、直方圖等。分站分為地面分站和井下分站兩大類。地面分站是通過GSM無線通訊方式，連續(xù)或定時自動記錄水文長觀孔內(nèi)水位(水壓)、水溫的變化情況，并利用GSM無線通訊模塊將所測數(shù)據(jù)傳送至主站進行數(shù)據(jù)處理。井下分站通過有線通訊方式將測得的數(shù)據(jù)傳送至主站進行處理。
圖1、礦井水文監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
1.2系統(tǒng)中心站
組成：
(1)工控機 二套 (2)數(shù)據(jù)處理器 一臺
(3)打印機 一臺 (4)KJ402-J數(shù)據(jù)傳輸接口 一套
(5)電源避雷器 一臺 (6)信號避雷器 一臺
(7)數(shù)據(jù)處理軟件系統(tǒng) 一套 (8)網(wǎng)絡(luò)版數(shù)據(jù)發(fā)布軟件 一套
主要功能：
(1)通過通訊設(shè)備接收分站數(shù)據(jù)。
(2)將數(shù)據(jù)整理保存到磁盤。
(3)完成數(shù)據(jù)的顯示、查詢、編輯。
(4)對數(shù)據(jù)進行處理，生成各種報表并打印輸出。
(5)繪制水壓(水位)、溫度變化趨勢曲線、直方圖。
(6)網(wǎng)絡(luò)上傳監(jiān)測數(shù)據(jù)。
1.3系統(tǒng)分站
分站分為地面分站和井下分站兩大類。地面分站是通過GSM無線通訊方式，連續(xù)或定時自動記錄水文長觀孔內(nèi)水位(水壓)、水溫的變化情況，并利用GSM無線通訊模塊將所測數(shù)據(jù)傳送至主站進行數(shù)據(jù)處理。井下分站通過有線通訊方式將測得的數(shù)據(jù)傳送至主站進行處理。
組成：
地面水位水溫遙測分站組成：
(1)KJ402-FA水文分站 一臺 (2)數(shù)據(jù)通訊模塊(內(nèi)置) 一個
(3)鋰離子電池組 二組 (4)充電器 一臺
(5)液位傳感器 一套 (6)傳感器專用電纜 X米
(7)防盜保護罩 一套
井下分站組成：
井下分站由KJ402-F本安型水文分站和井下各監(jiān)測點組成，井下監(jiān)測點包括
(1)水壓、水溫一體化傳感器 (2)數(shù)字溫度傳感器
(3)管道流量傳感器 (4)明渠流量傳感器
(以上設(shè)備根據(jù)實際需求進行選配)
其他設(shè)備：
(1)KDW28隔爆兼本安型電源(或FD-15專用電源)
(2)工藝管道 (3)通訊電纜
(4)電源線 (5)接線盒等
(6)傳感器保護裝置
(注：以上設(shè)備根據(jù)實際需求進行選配)
主要功能：
(1)數(shù)據(jù)采集 (2)數(shù)據(jù)暫存
(3)數(shù)據(jù)顯示 (4)數(shù)據(jù)傳輸
1.4系統(tǒng)主要特點
(1)多參數(shù)監(jiān)測功能
可測量水位、水壓、水溫、明渠流量、管道流量等有關(guān)水文參數(shù)。
(2)適用于網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)
監(jiān)測數(shù)據(jù)可采用有線和無線數(shù)據(jù)收發(fā)裝置傳輸?shù)轿C系統(tǒng)并實現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)運行，既適用于地表地下水資源的監(jiān)測預(yù)警，又適用于地下水資源監(jiān)測預(yù)警。
(3)高可靠性
采用軟件自復(fù)位和硬件看門狗技術(shù)，系統(tǒng)在無人值守的情況下能可靠的運行;監(jiān)測數(shù)據(jù)可通過通訊網(wǎng)絡(luò)傳輸也可記錄于儀器內(nèi)，儀器可保存七千多組數(shù)據(jù)。
(4)完善的處理方法
實現(xiàn)了礦井水害監(jiān)測智能預(yù)警系統(tǒng)軟件，對于采集的水文信息采用多種方法以表格、曲線、報表、圖形等方式實現(xiàn)數(shù)字的動態(tài)顯示和可視化輸出，并可進行相應(yīng)的編輯、打印等操作，方便用戶的直觀查詢使用。
(5)數(shù)據(jù)共享
利用動態(tài)網(wǎng)頁技術(shù)實現(xiàn)了水文數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)發(fā)布，實現(xiàn)了水文數(shù)據(jù)的實時共享，方便了各相關(guān)部門用戶的數(shù)據(jù)查詢。
(6)科學(xué)的預(yù)測、預(yù)警功能
利用等值線生成算法，實現(xiàn)了水壓、水位的等值線的繪制;利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可根據(jù)歷史數(shù)據(jù)預(yù)測水位的變化趨勢，生成預(yù)警等值線圖，并有實時數(shù)據(jù)的超限報警功能，為礦區(qū)的水文動態(tài)分析提供有力的控制與分析手段。
第二章 礦井水文監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計原則及總體結(jié)構(gòu)
2.1系統(tǒng)設(shè)計目標(biāo)和原則
本系統(tǒng)設(shè)計之初是為了滿足各礦井對水文變化情況實時觀測的需求，解決因水文數(shù)據(jù)管理、查詢落后而經(jīng)常發(fā)生水害的情況，因此本系統(tǒng)設(shè)計時應(yīng)嚴(yán)格遵循系統(tǒng)設(shè)計原則，具體原則如下：
(1) 系統(tǒng)性原則：從系統(tǒng)論的觀點出發(fā)，以實現(xiàn)系統(tǒng)總體功能為目的，來構(gòu)建整個系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，以達到最優(yōu)化經(jīng)濟結(jié)構(gòu)。
(2) 實用性原則：指本系統(tǒng)可以不改變計算機管理系統(tǒng)，操作方便、快速、簡捷。
(3) 可靠與安全性原則：系統(tǒng)設(shè)備能可靠、穩(wěn)定工作。
(4) 最優(yōu)性價比原則：在實現(xiàn)系統(tǒng)功能的原則基礎(chǔ)上，盡量減少項目的經(jīng)費投入。
(5) 先進性原則：系統(tǒng)設(shè)計的技術(shù)水平達到國內(nèi)外同期同類的水平，并保證系統(tǒng)在一個相當(dāng)時期不落后。
(6) 升級原則：系統(tǒng)易于維護，且有良好的售后技術(shù)支持和完善的服務(wù)體系。
本系統(tǒng)設(shè)計之初遵循的基本原則是安全，高效，方便，便于管理。在使用方便的同時，還要充分考慮到系統(tǒng)的安全性，以及當(dāng)數(shù)據(jù)受到破壞時采取的應(yīng)急措施，例如數(shù)據(jù)備份和數(shù)據(jù)恢復(fù)。本系統(tǒng)符合軟件設(shè)計的開放式原則，穩(wěn)定可靠性原則，升級靈活及適應(yīng)能力強原則，易管理及操作控制原則，安全性原則。
2.2 總體結(jié)構(gòu)
本系統(tǒng)根據(jù)傳輸方式的不同大致可分為三種類型。
(1)第一種：使用防爆阻燃電纜進行數(shù)據(jù)通訊
通過通訊電纜將井下分站數(shù)據(jù)傳至地面中心站的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如下所示：
優(yōu)點：成本低、施工方便。
缺點：通訊速率低、通訊距離近、抗干擾性差、線路維護工作量大。
(1) 光纖方式通訊
通過通訊光纖將井下分站數(shù)據(jù)傳至地面中心站的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如下所示：
優(yōu)點：通訊距離遠(yuǎn)、通訊速率高、抗干擾性強、維護費用小。
缺點：成本較高，擴容性差 。
(3)建立井下通訊以太環(huán)網(wǎng)
通過以太環(huán)網(wǎng)將井下分站數(shù)據(jù)傳至地面中心站的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如下所示。
優(yōu)點：礦井以太網(wǎng)是煤礦信息化的發(fā)展趨勢，其優(yōu)勢是為各類監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)提供數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)通信平臺，以太網(wǎng)下井解決了礦井通信蜘蛛網(wǎng)似的線路問題，提高了數(shù)據(jù)通迅的速度和線路的可靠性，便于管理，其它的監(jiān)測還有待利用該平臺，利用該平臺可降低系統(tǒng)成本，提高環(huán)網(wǎng)的利用率。擴容性強。
缺點：前期投入成本高。
2.3系統(tǒng)的設(shè)計方案根據(jù)下列因素確定：
?、俑鶕?jù)礦井相關(guān)水文信息確定監(jiān)測點，主要針對礦井排水量、涌水量、地面/井下各巖層水文長觀鉆孔及其他水文信息。
?、诟鶕?jù)礦井井下條件確定適合礦井的通訊傳輸方式。
?、鄹鶕?jù)各相關(guān)監(jiān)測點的現(xiàn)場勘察信息，確定系統(tǒng)組成及設(shè)備配置。
?、芨鶕?jù)現(xiàn)場勘察情況和平面圖紙所提供信息確定設(shè)備安裝位置。
第三章 XX集團XXX煤礦礦井水文監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計方案
3.1XXX煤礦水文信息概況及礦井水文監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計方案
根據(jù)臨漳煤礦提供的的水文信息，全礦水文信息大致情況如下：
?、?中央泵房水倉入水明渠2個，直排地面排水管路3個。
② 水文長觀鉆孔6個，分別是主風(fēng)井連巷觀測孔1個，軌道上車場觀測孔2個，北翼集中巷觀測孔2個，南翼集中巷觀測孔1個。
?、?軌道上山避難硐室2個壓力，2個流量。
根據(jù)礦方所提供信息，計劃在臨漳煤礦建立
?、?在技術(shù)科或調(diào)度室建立礦井水文監(jiān)測系統(tǒng)地面中心主站2套(監(jiān)測主站、備用主站各1套)。
?、?在中央泵房建立明渠流量監(jiān)測點2個，排水管道流量監(jiān)測點2個，水倉水位監(jiān)測點1個。
?、?在井下建立水文水文長觀鉆孔壓力監(jiān)測點各5個，分別是軌道上車場2個壓力溫度監(jiān)測點，南翼集中巷1個壓力溫度監(jiān)測點，避難硐室2個。
?、?在井下北翼集中巷建立壓力監(jiān)測點2個。
?、?在軌道上山避難硐室建立放水管道流量監(jiān)測點1個。
注：所有設(shè)計方案中的管道流量監(jiān)測點根據(jù)礦方安裝條件可隨時調(diào)整。
臨漳礦水文監(jiān)測信息共計：系統(tǒng)主站2套，明渠流量監(jiān)測點2個，排水管道流量監(jiān)測點2個，水倉水位1個，水文長觀鉆孔壓力測點共計5個，避難硐室壓力測點2個、管道流量監(jiān)測點1個。
(南翼集中巷水文鉆孔、避難硐室旁邊鉆孔、放水孔正在施工)
礦井水文示意圖如下：
礦方采用通訊電纜方式進行數(shù)據(jù)傳輸，具體方案示意圖如下：
3.4 系統(tǒng)主要技術(shù)參數(shù)
(1)水位測量范圍：0—500m，測量精度：2cm，分辨率：0.5cm;
(2)水壓測量范圍：0Mpa—10 Mpa，測量精度：0.1%F.S，分辨率：0.01Mpa;
(3)溫度傳感器測量范圍：0～+70℃，測量精度：0.5℃，分辨率：0.2℃;
(4)明渠流量測量范圍：3.5—1000 m3 /h，分辨率：0.001 m3 /h 精度：5%;
(5)管道流量測量范圍： 5—600 m3 /h，分辨率：0.001 m3 /h 精度：2%;
(6)測量時間間隔：1分鐘～24小時;
(7)儀器工作溫度：-20～+60℃;
(8)數(shù)據(jù)暫存容量：5200組數(shù)據(jù);
(9)分站操作方式：中文菜單式;
(10)井下分站防爆形式：本質(zhì)安全型;
(11)數(shù)據(jù)處理軟件操作模式：漢字菜單式;
(12)主站平臺：WINDOWS 98/2000/XP;
(13)數(shù)據(jù)通訊距離：地面采用GSM無線方式，通訊距離不受限制，井下通訊采用有線方式，通訊距離≤15km。
3.5系統(tǒng)應(yīng)用的社會效益
本礦井水文監(jiān)測系統(tǒng)方案實現(xiàn)了高精度、自動化、網(wǎng)絡(luò)化及可靠運行，所提供的實時監(jiān)測、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)分析與處理、報表生成及輸出、局域網(wǎng)絡(luò)瀏覽和查詢等功能，可以幫助管理人員和水文及安全工程師準(zhǔn)確的實時監(jiān)控水文動態(tài)，確保這些異常得到及時處理。同時借助于該系統(tǒng)能夠非常方便地對水文動態(tài)中各個參數(shù)之間變化的因果關(guān)系進行細(xì)致的分析和評價，為預(yù)測潛在的安全隱患提供了強有力的分析手段，可大大提高井下水災(zāi)預(yù)防能力，為生產(chǎn)管理和災(zāi)害防治提供科學(xué)依據(jù)，并可顯著提高我礦礦井水文監(jiān)測工作的現(xiàn)代化水平。
該系統(tǒng)建立后，對掌握和分析地下水規(guī)律、以及水位的超限報警和水位趨勢預(yù)測預(yù)警分析、指導(dǎo)防治水害工作，保證煤礦安全生產(chǎn)具有重要意義，。
該系統(tǒng)投入使用后，可以在監(jiān)控主站的計算機上對全礦井下各監(jiān)控點的水文參數(shù)進行監(jiān)測，同時，有關(guān)領(lǐng)導(dǎo)也可在自己辦公室的計算機上通過局域網(wǎng)瀏覽、查詢相關(guān)數(shù)據(jù)，及時了解礦井水文變化動態(tài)。再無需工作人員現(xiàn)場監(jiān)測，大大減少測試工作量，提高工作效率，節(jié)省大量的人力、物力和財力，具有明顯的經(jīng)濟效益。
3.6 服務(wù)承諾
(1)安裝及售后
1.1 在設(shè)備運到后立即派技術(shù)人員協(xié)助礦方進行現(xiàn)場安裝、調(diào)試和試運行。
1.2 系統(tǒng)正常運行后對使用人員進行培訓(xùn)。
1.3 設(shè)備安裝調(diào)試完成后，買方應(yīng)組織相關(guān)人員對設(shè)備進行正常驗收，因買方不能正常驗收所造成的經(jīng)濟損失由買方負(fù)責(zé)。
1.4我方建立快速反饋系統(tǒng)，對發(fā)現(xiàn)的產(chǎn)品質(zhì)量異議，在質(zhì)量保證期內(nèi)保證在24小時內(nèi)做出技術(shù)響應(yīng)，3日內(nèi)做出完整的實質(zhì)性解決方案，一周內(nèi)保證修復(fù)和更換。
1.5 因買方原因?qū)е滤┴浳锊荒軌驖M足產(chǎn)品說明書或合同規(guī)定的性能和效用時，我方將提供有償?shù)氖酆蠓?wù)。質(zhì)量保證期內(nèi)收費標(biāo)準(zhǔn)不高于同類服務(wù)市場價格的50%，質(zhì)量保證期屆滿后至貨物保用期屆滿前，收費標(biāo)準(zhǔn)不高于同類服務(wù)市場價格的80%。
1.6 買方在質(zhì)量保證期內(nèi)和貨物保用期就我方所供貨物發(fā)現(xiàn)的缺陷、瑕疵，以書面形式通知我方，收到通知后我方將按規(guī)定進行維修或賠償。如我方收到通知后沒有在規(guī)定的時間內(nèi)，以合理的速度彌補缺陷、瑕疵，買方采取必要補救措施所產(chǎn)生的風(fēng)險和費用由我方承擔(dān)。
(2)保證
2.1 我方將在合同生效后60日內(nèi)供貨(不可抗力除外)。
2.2 我方保證所供貨物免費保修1年。
2.3 我方保證所供貨物是全新的、未使用過的。是我公司的最新型號。
2.4 我方保證對買方提供的有關(guān)合同或任何合同條文、規(guī)格、計劃等資料在履行合同的范圍內(nèi)進行嚴(yán)格保密。
2.5我方保證保質(zhì)期內(nèi)軟件免費升級
