矿井水文动态实时监测报警系统技术方案
山东科技大学机电技术研究所
山东鲁科自动化技术有限公司
前言
1、意义
水害作为煤矿井下主要灾害之一，严重威胁着煤矿的安全生产，其表现形式是矿井涌水量突然增大超出矿井排水系统的排水能力，因此，井下出水点的涌水量、排水沟水流量监测是一项非常重要的工作。目前，矿井一般由人工定期对所选定的观测点逐点测量，难以获得各测点的同时涌水量，不利于分析涌水点的涌水情况，特别是有突水发生时，不能及时发现。另外,水仓水位、井下钻孔水压、地面野外钻孔水位等参数也十分重要，有必要连续自动监测，但也普遍采用人工测量。因此，建立矿井水文自动监测报警系统十分必要。
2、系统主要实现监测内容
系统可全天候监测引起矿井水害的各种参数，并在地面监控计算机上显示和存储，一旦出现险情（根据综合信息预报），井下立即报警，以便及时采取措施，保证矿井及井下人员安全。监测数据可通过计算机网络查询，报警信息可以短信形式发送到有关人员的手机上。系统主要监测内容如下：
（1）矿井各含水层和积水区水位水压变化情况监测；
（2）矿井地面降水量、井下不同区域涌水量及其变化情况监测；
（3）矿井受水害威胁地点水文变化情况综合监测；
（4）矿井防水设施维护状况监测；
（5）矿井排水系统实际工况监测；
（6）地面地质钻孔水位、水温监测；
3、系统主要实现监测功能
（1）系统将各种防治水的因素和参数，完全集中到一个统一的数据库之中实现数据的统一管理。
（2）定时测量间隔时间1分~24小时可以任意设置。
（3）具有初步的分析功能，显示各个地点历史数据，历史曲线可以自动绘制。
（4）可以根据需要自动打印有关的报表和曲线。
（5）具有超限自动报警功能，出现异常立即报警。
（6）具有网络管理远程管理功能。
（7）地面水文地质钻孔实现无线遥测通信功能。
4、系统硬件组成及工作原理
图3.1 系统组成
如图3.1所示，水文观测系统主要由智能型水压传感器、智能型水位传感器、智能型位移传感器等)、监测分站、通信线路、通信接口及计算机组成，分布在各测点的智能型传感器完成被测量（钻孔水压）的测量，并通过一条公共传输线路（传感器级M-BUS总线：四芯电缆，其中两根供电，两根通信）将测量数据发送给监测分站，再由监测分站通过另一条公共传输线路（终端级M-BUS总线：四芯电缆，其中两根复位，两根通信）远传至地面监控计算机，实现集中处理、存储、报警，并送入矿和集团公司的计算机网络。有关领导和部门只要打开各自的计算机，就可通过网页浏览、查询全部监测内容。各类传感器一般都受环境温度影响，为掌握影响程度，进行温度补偿，所有智能型传感器都装有温度传感器，温度传感器还可用于测水温。
系统分为三个网络层次，第一层由智能型传感器和监测分站组成，监测分站为主机，通过发送不同的地址（每个智能传感器都设有唯一的地址，地址范围1～100）依次控制各智能型传感器执行测量工作，并读取和存储其测量数据。智能型传感器采用总线集中供电方式，即由监测分站输出一对电源线，给智能型传感器供电，而监测分站由防爆电源直接供电；第二层由监测分站与监控计算机组成，监控计算机为主机，通过发送不同的地址（每个监测分站都设有唯一的地址，地址范围1～255）依次选通各监测分站，并读取其存储的测量数据；第三层为计算机局域网络，监控计算机作为网络结点，兼有文件服务器功能。第一、二层拓扑结构均为M-BUS 总线型，特点是多个网络结点可共用一条通信信道，非常适合煤矿井下测点分布较广的情形。M-BUS总线是欧洲标准的2线串行总线，专门为耗能测量仪器传送信息而设计，具有通信设备容量大（255点），通信距离远、通信速率高、布线简便（无极性、可任意分支，普通双绞线）、抗干扰能力强等优点。
当终端级M-BUS总线距离长或挂接监测分站较多时，需在总线上加终端中继器，以提高通信距离，终端中继器由单独的本安电源供电。同样，
当传感器级M-BUS总线距离长或挂接智能型传感器较多时，需在总线上加传感器中继器，以提高通信距离，传感器中继器也由单独的本安电源供电。
1 系统简介
矿用水文监测系统是利用计算机技术、通讯技术、传感器技术解决矿井水害防治问题，是多学科领域与水文科学相结合的产物。
该系统集矿井水文数据采集、数据处理、数据网络共享、矿井水害预警、辅助决策于一体，采用现代化的监测手段对地下水的各种参数进行监测，从而能够及时掌握水文动态，达到对水害事故的早发现、早预报、早防治。对保障煤矿的安全、正常生产具有重要的意义。
该系统由硬件系统和软件系统组成。系统的硬件部分研究内容主要有：传感器、遥测分站、传输系统（无线或有线方式）和水文监测主机等，系统可以通过传感器和遥测分站将地面或井下采集到的各种水文实时数据，使用GSM网或工业控制网，按照设计的通信协议，将各观测点的水文数据传输、处理并存储到水文信息数据库中。
系统的软件部分研究内容主要有：水文数据的实时采集、组织与数据库建立、水文数据分析处理、数据发布以及智能预测预警功能的实现。
2 总体功能描述
矿用水文监测系统是根据煤矿系统的规范和要求，充分利用数据采集技术、计算机技术、网络技术和数据库技术等实现地下水水文数据的采集、处理和发布为一体的综合信息管理系统，是现代化科技与管理密切结合的一项系统工程。它是煤矿部门实现地下水管理现代化、决策科学化的一个重要过程。其核心是数据的采集处理和信息发布，通过将水文数据采集并处理后发布给相关各个煤矿部门，为各个部门在实施煤炭安全开采上提供有力的决策依据和参考，最终实现避免突水事件发生、避免煤矿发生水灾这一目的。
对于本系统，从一般的意义上来说，是要实现从数据采集处理到信息发布处理的全过程的自动化，主要包括以下几个方面:
l)数据采集自动化:
即应通过一定的采集方法，能够将煤矿部门需要的地下水的水位（水
压）、流量、温度等数据自动的采集并按照一定的方式存贮。
2)数据处理自动化:
采集到的数据能够以实时数据、报表统计、图形等形式直观的显示。
3)信息发布自动化:
由于煤矿各个部门息息相关，因此，采集到的水文数据通过网络简单快捷发布给各个相关部门。
3 系统体系结构
3.1 体系结构示意图
整个系统覆盖的范围包括:分布于井下的监测点和井上监测点、水文在线监测系统中心主机、煤矿网络中心服务器、煤矿企业各部门;从与外部发生的联系来看，整个系统与三类外部实体发生联系:传感器、系统管理员和企业各部门用户。在每个测点由多功能监测仪监测、采集水文数据信息；利用矿上现有的以太网将井下采集到的数据提取到动态水文多参数遥测系统数据库；再由软件将井下和井上各个测点的数据集中起来存放到企业网络中心数据库中，并进行统计处理，提供给用户查询。可设置一台数据采集工作站专门用于数据采集、提取，设置一台数据库服务器用于数据的存贮。矿上各部门的终端用户通过煤矿企业网实现地上、井下水文多参数信息的查询与统计分析。
本系统采用以互联网为基础的三层体系结构，高层为集团公司，中层为煤业公司，基层为生产矿井，如图3-1所示，在三层结构中，可以采用组合的方式构成独立运行的系统模式，能够构建的系统模式如下：基层系统
基层系统+中层系统
基层系统+高层系统
基层系统+中层系统+高层系统
每种系统模式都可独立运行。采用如此的系统模型使本系统可以适应各种组织结构。
3.2 基层系统组成拓扑结构
本系统分为矿井井上和井下两部分，采用树状星型网络拓扑结构。 井上部分为地面水文长观孔的水位、水温监测，地面水位水温遥测自动记录混合分站采集水位和水温数据，通过GSM 网络将数据传送到主站微机，进行数据处理。
井下部分利用水文监测分站进行数据采集，通过专用通讯电缆或井下环型以太网将数据传输到地面中心站，再通过局域网将数据发送到水文监测系统数据库。
图3-1 基于网络的水文在线监测系统网络结构图
互联网
防火墙
局域网
ADSL
宽带
GPRS
水文监测分站
中层信息中心 （矿务局）
水文监测主站 （矿井） 中层信息中心 （矿务局）
中层信息中心 （矿务局）
水文监测主站 （矿井） 水文监测主站 （矿井）
水文监测分站
水文监测分站
基层部分采用物理三层结构，分别称为数据采集层（各种监测分站），数据处理层（实时监测主站），水文数据库及网络发布层。基层数据通讯可以采用矿井以太网、专用通讯线及电话线三种方式。
本系统实现了从数据采集、数据处理、数据的网络发布与应用。每一层都由软硬件两部分组成。
4 硬件系统组成及功能
3.1 系统硬件组成
系统由中心监测站和井上、下若干类分站构成。
3.1.1 主站组成
（1）工控计算机一套
（2）地面数据通讯主机一台
（3）打印机一台
（4）矿用调制解调器一台
（5）实时数据处理软件一套
（6）B/S模式网络版数据处理软件一套
（7）网络服务器一台
（8）UPS稳压电源一台
3.1.2 水文监测分站
3.2 系统功能
3.2.1 主站功能
（1）通过通讯设备向分站发送命令或接收分站采集数据。
（2）将处理后的监测数据实时显示并保存到磁盘。
（3）数据异常值（骤变、超出上下警戒值、掉电）声、光、电报警功能。
（4）实时显示水文分站相关参数值及监测值。
（5）设置井下分站的相关参数。
（6）实现数据的查询、编辑及导出功能。
（7）对数据进行处理，生成各种报表并打印输出。
（8）绘制多种参量的曲线图及直方图。
（9）进行水文数据的网络发布,各有关部门可通过网络进行数据浏览。
3.1.2 分站功能
（1）数据采集
（2）数据暂存
（3）数据显示
（4）井上子站通过GSM网将数据传输到主站微机
（5）井下子站将数据通过信号线传输到数据通讯分站
4系统主要技术指标
4.1 测量参数指标
（1）水位测量范围：0---1000米任选准确度：1‰F.S；
（2）水压测量范围：0Mpa-10 Mpa 准确度：1‰F.S；（3）温度测量范围：0---100℃准确度：0.2℃；
（4）明渠流量测量范围：≤10000 m3 /h 测量误差：≤5‰F.S；（5）管道流量测量范围：根据管道直径确定测量误差：≤1‰F.S；
4.2 主站
（1）数据传输方式：GSM-SMS
（2）分站容量：≤255
（3）网络传输协议：以太网、TCP/IP
（4）数据库：SQL SERVER
（5）地面测量时间间隔：1分钟---24小时任意设置；井下0.2秒；4.3 分站
（1）工作电压：(18±1)V DC；
（2）工作电流：≤500 mA；
（3）通讯接口：RS485总线；
（4）传输速率：1200 bps；
（5）分站数据存储容量：7272组数据；
（6）分站操作方式：中文菜单式；
（7）防爆型式：矿用本质安全型。
5系统分站安装方法
5．1井下管道流量、压力、水温有线遥测分站安装测量方法
井下管道流量、压力、水温分站的安装较为复杂，一般进行这样安装的观测孔都是对孔，一个孔测压力，另一个孔测量流量，压力测量孔要求影响孔的防水，所以就采用一个增加一个三通，将监测仪器和传感器安装在保护罩内，另外增加一个阀门，只有关上最上面的阀门，才能将压力传导到传感器。流量传感器下游增加一段管道，使流量传感器保持满管水。
图5-1井下管道流量、压力、水温有线遥测分站安装图
5.2 井下水压水温有线遥测分站安装测量方法
井下水压、水温有线遥测自动记录混合分站的安装方法和井下管道流
量、压力、水温有线遥测自动记录混合分站安装类似，只是少了流量监测传感器而已。
图5-2 井下水压、水温有线遥测分站安装图
5.3 井下明渠流量、水温有线遥测分站安装测量方法
1）流速-水位计算法（简称流速-水位法）测出流通通道某局部（点、线或小面积）流速，代表平均流速，再测量水位求得流通面积，乘局部流速与平均流速间的系数，经演算求取流量。
图5-3 井下超声明渠流量、水温有线遥测分站安装图
图5-4 井下明渠流量、水温有线遥测分站安装图
图5-4 井下明渠流量、水温有线遥测分站安装图
本系统根据煤矿水质较浑浊，含杂质多的特点，采用流速面积法（超声法）和测流槽法两种方法进行测量。
5.4 地面水文长观孔无线遥测分站安装测量方法
采用投入式传感器，利用压力计算水位，将传感器投入观测孔内，传感器输出的压力频率、温度频率和水对传感器的压力、水的温度成正比。
按照下式计算水位埋深和水温：
H=L-h=L-K(f-f0)
T=K(f-f0)
K为线性系数
f 为实测频率
f0 为初始频率或成为零频
图
6
6.1 软件体系与模块设计
应用软件系统主要由单机版和网络版组成，单机版可分成数据采集、数据处理、数据分析和系统管理等模块；网络版(水文数据网络发布系统)可分成前台和后台两部分，前台包括数据浏览、曲线浏览、报表浏览，后台包括基本信息管理、用户管理等模块。矿用水文监测系统的软件体系结
构如图6-1所示。
图6-1 应用软件系统体系与功能模块设计
6.2 应用软件的设计与实现
主要功能是水文孔基本资料的输入、多参数水文数据的采集、水文数据的查询、水文数据的可视化、水位趋势分析以及异常情况报警等，系统以矿井水文信息的查询和分析为核心，提供了输入编辑、查询、分析、输出等实用而丰富的管理功能。核心任务是：为进行切实可行的矿井水害预测预报提供可靠的数据来源与趋势分析。
6.2.1 多参数水文动态监测智能预警子系统实现效果
图6-2 预警系统主界面
图6-3 实时数据显示
图6-4 历史数据查询
图6-5 水位埋深曲线图
图6-6 水位标高曲线图
图6-7 水位变化直方图
图6-8 同层水位对比曲线图
图6-9 复合式日曲线报表
图6-10 复合式月、年曲线报表
图6-11 任意时段曲线报表
图6-12 综合参数实时报警
图6-13 极值预警图
6.2.2 水文数据网络发布子系统
主要功能具有：测点定义自动识别；数据实时显示；历史曲线、数据查询；用户权限分级分类设置等功能。
网络发布系统能自动识别水文监测系统测点定义的变化，如新增测点、改变、删除等；由实时监测系统采集到数据以后，系统可自动不断更新实时数据页面；各级领导及有关人员通过局域网，用IE浏览器即可及时方便的浏览各测点的实时监测数据画面；水文数据的历史曲线、历史数据的查询功能，查询结果可以通过列表形式显示也可以通过曲线图或直方图的形式显示；用户分类和用户权限设定功能，用户登录时进行身份验证从而确定该用户的网络权限，管理员可以进入用户管理界面进行系统网络用户的设定，普通用户则直接进入查询界面。
该系统由登陆模块、数据查询模块、曲线浏览模块、报表浏览与打印等模块构成。
图6-16 数据查询页面
图2-20 日、月、年曲线图2-21时间区间段曲线
图6-17同一时刻比较直方图图6-18 日、月、年统计报表7特点及先进性
①多参数监测功能
本系统可监测水位、水压、水温和水流量等水文数据。
②高可靠性
采用软件自复位和硬件看门狗技术，系统在无人值守情况下能可靠运行；监测数据可通过通讯网络传输也可记录于仪器内，仪器可保存多达七千多组数据。
③数据通讯手段灵活、方便、适用面广
监测数据可根据现场设施情况灵活采用GSM网络、Intranet和工业控制网等进行有线或无线形式进行数据传输。本系统既适用于地表地下水资源的监测预警，又适用于地下水资源的合理开发和有效利用以及矿井水害防治。
④完善的处理方法
设计实现了矿用水文监测系统软件，对于采集的水文信息采用多种方法以表格、曲线、报表、图形等方式实现数字的动态显示与可视化输出，并可进行相应的编辑、打印等操作，方便了用户的直观查询与使用。
⑤科学的预测、预警功能
利用神经网络可根据历史数据预测水位的变化趋势，生成预警等值线图，并有实时数据的超限报警功能，为矿区的水文动态分析提供了有力的控制与分析手段。
⑥多学科的综合性
综合应用计算机科学、水文科学、神经网络、电子技术、通讯技术、网络技术和信息处理技术，建立水文资源动态管理模型。
