矿井水文监测系统设计方案
前 言
1.概述
随着我国国民经济的快速发展，煤炭的开采量在不断地增加，开采层位也愈来愈深，矿井突水一直是影响煤矿安全生产的主要灾害之一。近年来，煤矿井下重大突水事故时有发生，给矿工生命和国家财产造成了巨大损失和不良的社会影响，地下水已成为威胁煤矿安全生产的重要因素。因此，对煤矿地下水位的实时监测和有效管理显得尤为重要。
在传统的监测方法中，对于井上下的水文观测孔采用人工测量记录的方法掌握水位(水压)的变化情况;对于管道流量、明渠流量的测量也是采用人工携带仪器进行测量的方法进行监测。传统的监测方法对于所需要的监测数据不能进行实时的监测，而且借助人工来实现这一系列数据的记录和管理，工作量将极为巨大，而且容易出现错误，造成管理上的混乱;何况还需要对数据进行统计和分析。在办公自动化和管理信息化的时代潮流中，这种落后的操作与现代的管理方式显得格格不入，不利于整体的发展，这就迫切需要打破这种格局，填补这项空白，把矿井水文的监测推到一个更高的台阶上。
在现代化的水文监测方式出现以前，传统的水文监测方式被人们用了几十年。传统的方式还停留在人工记录﹑手工查询﹑纸张保存等落后的阶段。一般要为某个水文观测点添加信息需要繁琐复杂的手工录入。当要查询某一方面的信息，则要从大量的信息中查询﹑翻阅，处理过程费时﹑费力，达不到矿井防治水害的要求。
1.2项目意义
在现代化的水文监测方式出现以前，传统的水文监测方式被人们用了几十年。传统的方式还停留在人工记录﹑手工查询﹑纸张保存等落后的阶段。一般要为某个水文观测点添加信息需要繁琐复杂的手工录入。当要查询某一方面的信息，则要从大量的信息中查询﹑翻阅，处理过程费时﹑费力，达不到矿井防治水害的要求。
矿井水文监测系统主要是基于以下因素：
地下水的动态变化,能直观地反映含水层的水文地质条件,长期监测多层含水层对防治水决策具有重要意义。及时掌握水文动态，可以达到对水害事故的早发现、早预报、早防治，保障煤矿的安全、正常生产。
第252条规定，水文地质条件复杂的矿井，必须针对主要含水层建立地下水动态观测系统，进行地下水动态观测、水害分析。
(3)保护生态环境的需要
利用该系统可评估煤炭开采过程中对地下水资源的影响，及早采取措施避免造成对生态环境的影响。
1.3项目目标
本项目研究的目标是采用先进的传感器技术和数据通讯技术，以企业内部网为平台，为矿井建立一个精度高、实时性强、运行可靠、自动化高，能够连续长期测量并利用计算机分析、辅助决策的，适用地面及井下各种水文参数(水位、水压水温，管道流量，明渠流量等)的利用局域网进行数据传输的水文监测系统，及时掌握地下水动态、保障煤矿的安全、正常生产。
第一章 矿井水文监测系统简介
矿井水文监测系统利用GSM网络和Internet网络，结合工业控制网实现了煤炭开采中水文参数的实时监测和超限预警管理，监测站可通过Internet网络发布系统观测矿井下水文实时数据，根据水文参数曲线分析水文数据走势，提早预防矿井可能发生的突水事件等，为人民的生命才能提供有力的保障。同时GSM网络短信报警功能，可使矿井安全负责人第一时间掌握矿井水位、水温及流量数据，对指导煤矿安全生产和防治水害意义重大。
该系统：1、将GSM网络、Intranet(Internet)和工业控制网无缝结合，进行有线或者无线的数据传输，彻底解决了数据传输受距离限制的弊端。2、采用四层管理结构对矿井水文信息进行规范管理，提高水文地质信息管理工作效率。3、采用综合超限、极值预警、趋势预警三种方法实现了智能预警系统，为矿区的水文分析提供了有力的控制与分析手段。4、综合应用计算机科学、水文科学、电子技术、通讯技术、网络技术和信息处理技术，建立矿井水文监测管理模型，实现了多级水文数据共享的科学管理。
1.1 系统组成
系统由中心监测站、分站及测点子站构成。其结构见图1。主站通过通讯设备接收分站数据，并提供数据显示、查询、编辑等操作平台。通过主站内数据处理软件，可生成或输出各种报表;可绘制水压(水位)、温度变化趋势曲线、直方图等。分站分为地面分站和井下分站两大类。地面分站是通过GSM无线通讯方式，连续或定时自动记录水文长观孔内水位(水压)、水温的变化情况，并利用GSM无线通讯模块将所测数据传送至主站进行数据处理。井下分站通过有线通讯方式将测得的数据传送至主站进行处理。
图1、矿井水文监测系统结构图
1.2系统中心站
组成：
(1)工控机 二套 (2)数据处理器 一台
(3)打印机 一台 (4)KJ402-J数据传输接口 一套
(5)电源避雷器 一台 (6)信号避雷器 一台
(7)数据处理软件系统 一套 (8)网络版数据发布软件 一套
主要功能：
(1)通过通讯设备接收分站数据。
(2)将数据整理保存到磁盘。
(3)完成数据的显示、查询、编辑。
(4)对数据进行处理，生成各种报表并打印输出。
(5)绘制水压(水位)、温度变化趋势曲线、直方图。
(6)网络上传监测数据。
1.3系统分站
分站分为地面分站和井下分站两大类。地面分站是通过GSM无线通讯方式，连续或定时自动记录水文长观孔内水位(水压)、水温的变化情况，并利用GSM无线通讯模块将所测数据传送至主站进行数据处理。井下分站通过有线通讯方式将测得的数据传送至主站进行处理。
组成：
地面水位水温遥测分站组成：
(1)KJ402-FA水文分站 一台 (2)数据通讯模块(内置) 一个
(3)锂离子电池组 二组 (4)充电器 一台
(5)液位传感器 一套 (6)传感器专用电缆 X米
(7)防盗保护罩 一套
井下分站组成：
井下分站由KJ402-F本安型水文分站和井下各监测点组成，井下监测点包括
(1)水压、水温一体化传感器 (2)数字温度传感器
(3)管道流量传感器 (4)明渠流量传感器
(以上设备根据实际需求进行选配)
其他设备：
(1)KDW28隔爆兼本安型电源(或FD-15专用电源)
(2)工艺管道 (3)通讯电缆
(4)电源线 (5)接线盒等
(6)传感器保护装置
(注：以上设备根据实际需求进行选配)
主要功能：
(1)数据采集 (2)数据暂存
(3)数据显示 (4)数据传输
1.4系统主要特点
(1)多参数监测功能
可测量水位、水压、水温、明渠流量、管道流量等有关水文参数。
(2)适用于网络系统
监测数据可采用有线和无线数据收发装置传输到微机系统并实现联网运行，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监测预警。
(3)高可靠性
采用软件自复位和硬件看门狗技术，系统在无人值守的情况下能可靠的运行;监测数据可通过通讯网络传输也可记录于仪器内，仪器可保存七千多组数据。
(4)完善的处理方法
实现了矿井水害监测智能预警系统软件，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和可视化输出，并可进行相应的编辑、打印等操作，方便用户的直观查询使用。
(5)数据共享
利用动态网页技术实现了水文数据的网络发布，实现了水文数据的实时共享，方便了各相关部门用户的数据查询。
(6)科学的预测、预警功能
利用等值线生成算法，实现了水压、水位的等值线的绘制;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有力的控制与分析手段。
第二章 矿井水文监测系统设计原则及总体结构
2.1系统设计目标和原则
本系统设计之初是为了满足各矿井对水文变化情况实时观测的需求，解决因水文数据管理、查询落后而经常发生水害的情况，因此本系统设计时应严格遵循系统设计原则，具体原则如下：
(1) 系统性原则：从系统论的观点出发，以实现系统总体功能为目的，来构建整个系统结构，以达到最优化经济结构。
(2) 实用性原则：指本系统可以不改变计算机管理系统，操作方便、快速、简捷。
(3) 可靠与安全性原则：系统设备能可靠、稳定工作。
(4) 最优性价比原则：在实现系统功能的原则基础上，尽量减少项目的经费投入。
(5) 先进性原则：系统设计的技术水平达到国内外同期同类的水平，并保证系统在一个相当时期不落后。
(6) 升级原则：系统易于维护，且有良好的售后技术支持和完善的服务体系。
本系统设计之初遵循的基本原则是安全，高效，方便，便于管理。在使用方便的同时，还要充分考虑到系统的安全性，以及当数据受到破坏时采取的应急措施，例如数据备份和数据恢复。本系统符合软件设计的开放式原则，稳定可靠性原则，升级灵活及适应能力强原则，易管理及操作控制原则，安全性原则。
2.2 总体结构
本系统根据传输方式的不同大致可分为三种类型。
(1)第一种：使用防爆阻燃电缆进行数据通讯
通过通讯电缆将井下分站数据传至地面中心站的系统结构示意图如下所示：
优点：成本低、施工方便。
缺点：通讯速率低、通讯距离近、抗干扰性差、线路维护工作量大。
(1) 光纤方式通讯
通过通讯光纤将井下分站数据传至地面中心站的系统结构示意图如下所示：
优点：通讯距离远、通讯速率高、抗干扰性强、维护费用小。
缺点：成本较高，扩容性差 。
(3)建立井下通讯以太环网
通过以太环网将井下分站数据传至地面中心站的系统结构示意图如下所示。
优点：矿井以太网是煤矿信息化的发展趋势，其优势是为各类监测监控系统提供数字化网络通信平台，以太网下井解决了矿井通信蜘蛛网似的线路问题，提高了数据通迅的速度和线路的可靠性，便于管理，其它的监测还有待利用该平台，利用该平台可降低系统成本，提高环网的利用率。扩容性强。
缺点：前期投入成本高。
2.3系统的设计方案根据下列因素确定：
①根据矿井相关水文信息确定监测点，主要针对矿井排水量、涌水量、地面/井下各岩层水文长观钻孔及其他水文信息。
②根据矿井井下条件确定适合矿井的通讯传输方式。
③根据各相关监测点的现场勘察信息，确定系统组成及设备配置。
④根据现场勘察情况和平面图纸所提供信息确定设备安装位置。
第三章 XX集团XXX煤矿矿井水文监测系统设计方案
3.1XXX煤矿水文信息概况及矿井水文监测系统设计方案
根据临漳煤矿提供的的水文信息，全矿水文信息大致情况如下：
① 中央泵房水仓入水明渠2个，直排地面排水管路3个。
② 水文长观钻孔6个，分别是主风井连巷观测孔1个，轨道上车场观测孔2个，北翼集中巷观测孔2个，南翼集中巷观测孔1个。
③ 轨道上山避难硐室2个压力，2个流量。
根据矿方所提供信息，计划在临漳煤矿建立
① 在技术科或调度室建立矿井水文监测系统地面中心主站2套(监测主站、备用主站各1套)。
② 在中央泵房建立明渠流量监测点2个，排水管道流量监测点2个，水仓水位监测点1个。
③ 在井下建立水文水文长观钻孔压力监测点各5个，分别是轨道上车场2个压力温度监测点，南翼集中巷1个压力温度监测点，避难硐室2个。
④ 在井下北翼集中巷建立压力监测点2个。
⑤ 在轨道上山避难硐室建立放水管道流量监测点1个。
注：所有设计方案中的管道流量监测点根据矿方安装条件可随时调整。
临漳矿水文监测信息共计：系统主站2套，明渠流量监测点2个，排水管道流量监测点2个，水仓水位1个，水文长观钻孔压力测点共计5个，避难硐室压力测点2个、管道流量监测点1个。
(南翼集中巷水文钻孔、避难硐室旁边钻孔、放水孔正在施工)
矿井水文示意图如下：
矿方采用通讯电缆方式进行数据传输，具体方案示意图如下：
3.4 系统主要技术参数
(1)水位测量范围：0—500m，测量精度：2cm，分辨率：0.5cm;
(2)水压测量范围：0Mpa—10 Mpa，测量精度：0.1%F.S，分辨率：0.01Mpa;
(3)温度传感器测量范围：0～+70℃，测量精度：0.5℃，分辨率：0.2℃;
(4)明渠流量测量范围：3.5—1000 m3 /h，分辨率：0.001 m3 /h 精度：5%;
(5)管道流量测量范围： 5—600 m3 /h，分辨率：0.001 m3 /h 精度：2%;
(6)测量时间间隔：1分钟～24小时;
(7)仪器工作温度：-20～+60℃;
(8)数据暂存容量：5200组数据;
(9)分站操作方式：中文菜单式;
(10)井下分站防爆形式：本质安全型;
(11)数据处理软件操作模式：汉字菜单式;
(12)主站平台：WINDOWS 98/2000/XP;
(13)数据通讯距离：地面采用GSM无线方式，通讯距离不受限制，井下通讯采用有线方式，通讯距离≤15km。
3.5系统应用的社会效益
本矿井水文监测系统方案实现了高精度、自动化、网络化及可靠运行，所提供的实时监测、数据采集、数据传输、数据分析与处理、报表生成及输出、局域网络浏览和查询等功能，可以帮助管理人员和水文及安全工程师准确的实时监控水文动态，确保这些异常得到及时处理。同时借助于该系统能够非常方便地对水文动态中各个参数之间变化的因果关系进行细致的分析和评价，为预测潜在的安全隐患提供了强有力的分析手段，可大大提高井下水灾预防能力，为生产管理和灾害防治提供科学依据，并可显著提高我矿矿井水文监测工作的现代化水平。
该系统建立后，对掌握和分析地下水规律、以及水位的超限报警和水位趋势预测预警分析、指导防治水害工作，保证煤矿安全生产具有重要意义，。
该系统投入使用后，可以在监控主站的计算机上对全矿井下各监控点的水文参数进行监测，同时，有关领导也可在自己办公室的计算机上通过局域网浏览、查询相关数据，及时了解矿井水文变化动态。再无需工作人员现场监测，大大减少测试工作量，提高工作效率，节省大量的人力、物力和财力，具有明显的经济效益。
3.6 服务承诺
(1)安装及售后
1.1 在设备运到后立即派技术人员协助矿方进行现场安装、调试和试运行。
1.2 系统正常运行后对使用人员进行培训。
1.3 设备安装调试完成后，买方应组织相关人员对设备进行正常验收，因买方不能正常验收所造成的经济损失由买方负责。
1.4我方建立快速反馈系统，对发现的产品质量异议，在质量保证期内保证在24小时内做出技术响应，3日内做出完整的实质性解决方案，一周内保证修复和更换。
1.5 因买方原因导致所供货物不能够满足产品说明书或合同规定的性能和效用时，我方将提供有偿的售后服务。质量保证期内收费标准不高于同类服务市场价格的50%，质量保证期届满后至货物保用期届满前，收费标准不高于同类服务市场价格的80%。
1.6 买方在质量保证期内和货物保用期就我方所供货物发现的缺陷、瑕疵，以书面形式通知我方，收到通知后我方将按规定进行维修或赔偿。如我方收到通知后没有在规定的时间内，以合理的速度弥补缺陷、瑕疵，买方采取必要补救措施所产生的风险和费用由我方承担。
(2)保证
2.1 我方将在合同生效后60日内供货(不可抗力除外)。
2.2 我方保证所供货物免费保修1年。
2.3 我方保证所供货物是全新的、未使用过的。是我公司的最新型号。
2.4 我方保证对买方提供的有关合同或任何合同条文、规格、计划等资料在履行合同的范围内进行严格保密。
2.5我方保证保质期内软件免费升级
