數(shù)字礦山瓦斯防治管理與分析決策系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)

馮占科

(神華和利時信息技術(shù)有限公司，北京 100011)

數(shù)字礦山瓦斯防治管理與分析決策系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)

馮占科

(神華和利時信息技術(shù)有限公司，北京 100011)

根據(jù)煤礦的實(shí)際情況，研究開發(fā)一套較為實(shí)用的瓦斯防治管理與分析決策系統(tǒng)，對減少煤礦瓦斯災(zāi)害事故具有重大的現(xiàn)實(shí)意義。本文通過數(shù)字礦山瓦斯防治管理與分析決策系統(tǒng)的瓦斯防治數(shù)據(jù)庫、瓦斯管理指標(biāo)體系、瓦斯防治管理、瓦斯分析決策駕駛倉四個方面的研究與實(shí)現(xiàn)闡述了煤炭企業(yè)的瓦斯防治管理與分析決策的建立過程。

數(shù)字礦山 瓦斯防治 瓦斯分析決策

1 系統(tǒng)的提出背景

煤礦瓦斯事故防治是煤礦安全管理的重要工作。煤礦瓦斯事故中死亡人數(shù)占煤礦事故死亡人數(shù)的比例偏大，我國一次死亡10人以上重特大瓦斯事故死亡人數(shù)占69.5%，一次死亡百人以上重特大瓦斯事故死亡人數(shù)占65.4%，國外一次死亡30人以上重特大瓦斯事故死亡人數(shù)占95.3%。神華集團(tuán)在啟動的“數(shù)字礦山生產(chǎn)執(zhí)行系統(tǒng)(cMES)”項(xiàng)目中包含“一通三防”、綜合分析相關(guān)內(nèi)容，其中針對礦山瓦斯防治管理與分析決策系統(tǒng)進(jìn)行了研究與實(shí)現(xiàn)，本文將通過瓦斯防治數(shù)據(jù)庫、瓦斯管理指標(biāo)體系、瓦斯防治管理、瓦斯分析決策駕駛倉四個方面的研究與實(shí)現(xiàn)闡述了煤炭企業(yè)的瓦斯防治管理與分析決策的建立過程。

2 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

數(shù)字礦山瓦斯防治管理與分析決策系統(tǒng)基于B/S模式，利用JAVA語言開發(fā)，底層框架實(shí)現(xiàn)了MVC和AOP模式。系統(tǒng)架構(gòu)包括四方面內(nèi)容瓦斯防治數(shù)據(jù)庫、瓦斯管理指標(biāo)體系、瓦斯防治管理、瓦斯分析決策駕駛倉，具體架構(gòu)見圖1所示。

圖1 數(shù)字礦山瓦斯防治管理與分析決策系統(tǒng)架構(gòu)圖

2.1 瓦斯防治數(shù)據(jù)庫

數(shù)字礦山瓦斯防治管理與分析決策系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫使用Oracle 11g數(shù)據(jù)庫，數(shù)據(jù)庫中不僅存儲了瓦斯防治管理的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，而且還集成了瓦斯流量監(jiān)測系統(tǒng)、煤礦安全監(jiān)測聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，通過ETL工具定時將瓦斯流量計(jì)的濃度、瓦斯流量計(jì)的流量、瓦斯監(jiān)測儀器瓦斯?jié)舛鹊葦?shù)據(jù)經(jīng)過抽取、轉(zhuǎn)換、清洗后到數(shù)字礦山瓦斯防治管理與分析決策系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫中，為分析決策提供了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

集成瓦斯流量監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)包括泵站、流量計(jì)監(jiān)測數(shù)據(jù)信息，其中流量計(jì)監(jiān)測數(shù)據(jù)包括鉆孔流量、鉆場流量及抽放地點(diǎn)的流量數(shù)據(jù)。集成煤礦安全監(jiān)測聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)系統(tǒng)數(shù)據(jù)包括瓦斯、氧氣、二氧化碳測點(diǎn)的濃度值、測點(diǎn)報警等信息。

2.2 瓦斯管理指標(biāo)體系

通過調(diào)研煤炭企業(yè)的實(shí)際需求并結(jié)合《煤礦瓦斯災(zāi)害防治及利用技術(shù)手冊》、《煤礦總工程師技術(shù)手冊》《AQ 1027—2006煤礦瓦斯抽放規(guī)范》、《煤礦瓦斯抽采基本指標(biāo)》等國家標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，研究過程中梳理建立了一套“實(shí)用、實(shí)際、實(shí)效”的瓦斯管理指標(biāo)體系，如表1所示部分指標(biāo)，建立一套標(biāo)準(zhǔn)指標(biāo)體系通過設(shè)置參數(shù)滿足煤礦、子(分)公司不同的管理要求，并將指標(biāo)體系以樹形結(jié)構(gòu)形式存儲在系統(tǒng)中方便擴(kuò)展和調(diào)用。

表1 瓦斯管理指標(biāo)體系部分指標(biāo)

2.3 瓦斯防治管理

瓦斯防治管理包含瓦斯等級鑒定、瓦斯檢查、瓦斯抽采、瓦斯排放、瓦斯報表五部分內(nèi)容。

(1)瓦斯等級鑒定

煤礦每年對瓦斯進(jìn)行等級鑒定，由通風(fēng)科組織牽頭，其他部門聯(lián)合組織外部單位對煤礦瓦斯涌出量進(jìn)行等級鑒定，系統(tǒng)對鑒定進(jìn)行管理包括鑒定煤礦、鑒定礦井、鑒定等級、鑒定日期、組織鑒定機(jī)構(gòu)、審批單位、礦井絕對瓦斯涌出量、礦井相對瓦斯涌出量、礦井絕對CO2涌出量、礦井相對CO2涌出量、采面最大絕對瓦斯涌出量、掘進(jìn)面最大絕對瓦斯涌出量、煤與瓦斯突出情況、瓦斯噴出情況等。

(2)瓦斯檢查

首先要建立檢查點(diǎn)，在煤礦地質(zhì)資源中建立巷道、工作面的同時，為了管理瓦斯超限報警，同時按照規(guī)程及實(shí)際情況建立瓦斯檢查點(diǎn)。瓦斯檢查點(diǎn)是在地質(zhì)資源信息的基礎(chǔ)上建立的，依附于地質(zhì)資源信息的檢查點(diǎn)。在地質(zhì)資源樹中找到相應(yīng)檢查點(diǎn)所對應(yīng)的位置信息，系統(tǒng)能根據(jù)地質(zhì)資源按照煤炭規(guī)程中規(guī)定的瓦斯檢查點(diǎn)加載到該地質(zhì)樹的相應(yīng)節(jié)點(diǎn)：①采煤工作面：進(jìn)風(fēng)流、工作面、回風(fēng)隅角、回風(fēng)流；②掘進(jìn)工作面：工作面、回風(fēng)流；③硐室：變電所、充電硐室、水泵房、移動抽放泵站、注氮硐室；④局扇吸風(fēng)口、局扇配電點(diǎn)。設(shè)置相應(yīng)的值地點(diǎn)類型、CH4報警上限濃度、CH4斷電濃度、CH4復(fù)電濃度、CO2報警上限濃度、CO報警上限濃度、O2報警下限濃度、H2S報警上限濃度、H2報警上限濃度、狀態(tài)、錄入人、錄入時間。

建立檢查點(diǎn)后根據(jù)檢查點(diǎn)進(jìn)行瓦斯檢查記錄，瓦斯礦井瓦檢員每天對礦井3班，每班2次進(jìn)行檢查；高瓦斯礦井每天3班，每班3次。檢查地點(diǎn)按照每月制定的瓦斯檢查點(diǎn)設(shè)置計(jì)劃中規(guī)定的測點(diǎn)，如有特殊情況，檢查點(diǎn)多于計(jì)劃中測點(diǎn)。具體檢查內(nèi)容包括檢查地點(diǎn)、班次、檢查時間、CH4、CO2、CO、O2、H2、H2S、瓦檢員、備注信息。如數(shù)據(jù)超出設(shè)定上限值則按照不同顏色進(jìn)行提示，如1.5%級提示黃色；1.5%～3.0%提示橙色，3.0%以上提示紅色，且超限記錄留存到數(shù)據(jù)表中，標(biāo)示為超限顯示1，未超限顯示0，以便后續(xù)業(yè)務(wù)使用。

(3)瓦斯抽采

瓦斯抽采作業(yè)屬于煤礦一通三防的重點(diǎn)工程。瓦斯抽采指向煤層、巖層中和瓦斯集聚區(qū)域打鉆，將鉆孔接在專用的管路上，用抽采設(shè)備將煤層和采空區(qū)中的瓦斯抽至地面，加以利用；或排放至總回風(fēng)流中，抽采瓦斯不僅是降低開采過程中的瓦斯涌出量、防止瓦斯超限和積聚，預(yù)防瓦斯爆炸和煤與瓦斯突出事故的重要措施，還可變害為利，作為煤炭伴生的資源加以開發(fā)利用。

瓦斯抽采年度計(jì)劃：包括年度瓦斯抽放量、利用量、鉆孔量、管理長度主要參數(shù)。由各礦編制審批，并提交公司、集團(tuán)審批，審核通過后下發(fā)，各礦以此計(jì)劃為本年度生產(chǎn)執(zhí)行目標(biāo)數(shù)量。

瓦斯抽采月度計(jì)劃：包括月度瓦斯抽放量、利用量、鉆孔量、管理長度主要參數(shù)。由各礦編制審批后下發(fā)，各礦以此計(jì)劃為本年度生產(chǎn)執(zhí)行目標(biāo)數(shù)量。

瓦斯泵房管理：分井上永久泵房、井下臨時泵房、移動泵站，泵房中瓦斯泵安設(shè)2～3臺，一主一備一修。瓦斯泵分為高、低壓瓦斯泵。含煤礦、礦井、泵站名稱、狀態(tài)、泵站類型、泵站位置、泵站位置說明、用途、所屬盤區(qū)、瓦斯泵、瓦斯泵編碼、抽放泵型號、配套電機(jī)功率、配套管路、額定流量、狀態(tài)、備注、安裝日期、安裝人等信息。

鉆孔管理：瓦斯抽采要向煤層、巖層中和瓦斯集聚區(qū)域打鉆， 鉆孔分為穿層鉆孔、走向長鉆孔。鉆孔管理包括施工單位每班記錄的鉆孔作業(yè)信息，包括位置、孔號、進(jìn)尺等相關(guān)信息。含礦井、抽采工單、所屬鉆場、使用鉆機(jī)鉆孔編號、鉆孔類型、業(yè)務(wù)類型、孔號、孔徑、狀態(tài)、孔深、傾角、孔內(nèi)層描述、是否噴孔、備注等信息。

安裝工程管理：包括瓦斯泵、管路安裝工程量統(tǒng)計(jì)。含煤礦、礦井、抽采工單、泵站安裝信息、瓦斯泵編碼、抽放泵型號、配套電機(jī)功率、所屬泵站、配套管路、額定流量、狀態(tài)、備注、安裝日期、安裝人、管路安裝量、抽采地點(diǎn)、安裝類別、抽放管路類、型號、工程量、備注、安裝人、安裝日期、驗(yàn)收人等信息。

鉆機(jī)管理：瓦斯抽采要向煤層、巖層中和瓦斯集聚區(qū)域打鉆， 根據(jù)抽采計(jì)劃、地質(zhì)情況，鉆場安設(shè)鉆機(jī)打鉆孔，鉆機(jī)分為常規(guī)鉆機(jī)、千米定向鉆機(jī)、螺旋鉆機(jī)。含煤礦、礦井、鉆機(jī)編號、鉆機(jī)型號、鉆機(jī)功率、鉆機(jī)類型、狀態(tài)、備注等信息。

瓦斯抽采地點(diǎn)管理：瓦斯抽采地點(diǎn)管理是對瓦斯抽采模塊中涉及到的瓦斯抽采地點(diǎn)進(jìn)行統(tǒng)一維護(hù)與調(diào)用。包含煤礦、礦井、地點(diǎn)、地點(diǎn)類型、地點(diǎn)說明、抽采方法、開始抽采時間、結(jié)束抽采時間、瓦斯含量、瓦斯儲量、回采前可解吸瓦斯量、回采前瓦斯含量、原始壓力、卸壓后壓力、所屬泵站、所屬區(qū)域等信息。

抽采地點(diǎn)監(jiān)測指對借助鉆孔、巷道或采空區(qū)埋管等工程設(shè)施收匯瓦斯源，經(jīng)管路和瓦斯泵等裝備進(jìn)行安全抽采，檢測、監(jiān)測、壓送。井下抽采地點(diǎn)瓦斯流量定期監(jiān)測并記錄，含煤礦、礦井、抽采地點(diǎn)、采集人、采集時間、CH4、負(fù)壓、混合流量、純瓦斯量、壓差、天數(shù)等信息。

瓦斯抽采泵站監(jiān)測指實(shí)時監(jiān)控管網(wǎng)瓦斯?jié)舛?、壓力、壓差、流量、溫度參?shù)及設(shè)備的開停狀態(tài)等。瓦斯抽采泵站數(shù)據(jù)以人工監(jiān)測為主，每小時觀測一次并錄入臺賬。瓦斯抽采泵包括地面固定泵站、井下移動泵站抽采泵。含煤礦、礦井、泵站、采集人、采集時間、瓦斯?jié)舛?、?fù)壓、標(biāo)況混合流量、標(biāo)況純瓦斯量、溫度、壓差、天數(shù)等信息。

(4)瓦斯排放

瓦斯排放指瓦斯抽采的瓦斯或井下積聚瓦斯，通過風(fēng)排、管排等方式排放到指定瓦斯治理巷的過程。通風(fēng)隊(duì)技術(shù)員編制排放信息。系統(tǒng)管理包括礦井、排放地點(diǎn)、地點(diǎn)類型、地點(diǎn)說明、工單名稱、排放原因、排放級別、排放開始時間、排放結(jié)束時間、排放量、排放方法、排放方式、是否計(jì)劃內(nèi)、排放路線、CH4濃度、CO2濃度、混合CH4濃度、混合CO2濃度、瓦檢員、跟班負(fù)責(zé)人、排放責(zé)任人、現(xiàn)場責(zé)任人等管理信息。

(5)瓦斯報表

將瓦斯檢查記錄，系統(tǒng)按照日期形成瓦斯日報。取當(dāng)班、相同地點(diǎn)最大值，氧氣取最小值。形成報表后由技術(shù)員或系統(tǒng)管理員對報表進(jìn)行審核，提交，走審批流。報表中包含編號、日期、檢查地點(diǎn)、CH4-晚班(8點(diǎn))、CH4-早班(8點(diǎn))、CH4-中班(16點(diǎn))、CO2-晚班(8點(diǎn))CO2-早班(8點(diǎn))、CO2-中班(16點(diǎn))、其他氣體、備注等管理信息，按照通風(fēng)隊(duì)、通風(fēng)科、通風(fēng)副總、總工程師、礦長流程進(jìn)行審批。

2.4 瓦斯分析決策駕駛倉

數(shù)字礦山瓦斯防治管理與分析決策系統(tǒng)從國家標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、安全規(guī)程、神華集團(tuán)考核要求及煤礦要求提取了多個指標(biāo)，建立了一套指標(biāo)體系。建立瓦斯分析決策模型庫，并對指標(biāo)設(shè)置預(yù)警等級。系統(tǒng)自動定期根據(jù)指標(biāo)設(shè)置及實(shí)際業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)監(jiān)測指標(biāo)是否正常，若指標(biāo)異常將發(fā)出預(yù)警信息。預(yù)警信息將輔助領(lǐng)導(dǎo)及相關(guān)業(yè)務(wù)人員對瓦斯防治管理工作進(jìn)行指導(dǎo)，瓦斯管理的的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)又會回到系統(tǒng)，系統(tǒng)再次對指標(biāo)進(jìn)行監(jiān)測，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)管理。使抽瓦斯管理的相關(guān)標(biāo)處于正常范圍，保障礦井的安全生產(chǎn)。

(1)抽采鉆孔分析模型

抽采鉆孔分析模型是根據(jù)噸煤鉆孔量指標(biāo)，按月進(jìn)行決策分析，系統(tǒng)分析出每個回采面的噸煤鉆孔指標(biāo)是否正常，若正常為綠色顯示，不正常為紅色顯示并推送預(yù)警信息。

噸煤鉆孔量=當(dāng)月回采工作面在籍鉆孔量(m)/當(dāng)月回采面剩余的儲量(t)，在籍鉆孔量是正在使用每個鉆孔長度之和。抽采鉆孔分析模型決策分析對31111綜采面的分析結(jié)果如圖2所示。

圖2 抽采鉆孔分析模型對31111綜采面決策分析結(jié)果

柱子長度代表噸煤鉆孔量(m/t)，當(dāng)月噸煤鉆孔量實(shí)際值與指標(biāo)體系中的噸煤鉆孔量標(biāo)準(zhǔn)值智能對比并返回相應(yīng)的預(yù)警結(jié)果，柱子顏色根據(jù)預(yù)警結(jié)果顯示相應(yīng)的預(yù)警顏色(綠色、紅色)，柱子的豎線代表指標(biāo)體系的標(biāo)準(zhǔn)值，根據(jù)指標(biāo)體系動態(tài)獲取。

(2)抽采指標(biāo)分析模型

抽采指標(biāo)分析模型根據(jù)礦井瓦斯抽采率、礦井絕對瓦斯涌出量、回采面瓦斯抽采率，按月進(jìn)行決策分析，系統(tǒng)分析出礦井及每個回采面的抽采指標(biāo)是否正常，若正常為綠色顯示，不正常為紅色顯示并推送預(yù)警信息，本章主要介紹回采面瓦斯抽采率模型。

回采面瓦斯抽采率(%)=當(dāng)月回采面平均瓦斯抽采量(m3/min)/當(dāng)月回采面平均絕對瓦斯涌出量(m3/min)；當(dāng)月回采面平均絕對瓦斯涌出量(m3/min)=當(dāng)月回采面平均瓦斯抽采量(m3/min)+當(dāng)月回采面平均風(fēng)排瓦斯量(m3/min)；當(dāng)月回采面平均瓦斯抽采量(m3/min)= 當(dāng)月回采面所有支管平均瓦斯抽采量(m3/min)之和；當(dāng)月回采面平均風(fēng)排瓦斯量(m3/min)= 所有回風(fēng)巷道的風(fēng)排瓦斯量(m3/min)之和；當(dāng)月回采面的風(fēng)排瓦斯量(m3/min)= (旬風(fēng)量(m3/min)*旬瓦斯?jié)舛?%))之和/3；抽采指標(biāo)分析模型決策分析對31111綜采面的分析結(jié)果如圖3所示。

圖3 抽采指標(biāo)分析模型決策分析對31111綜采面的分析結(jié)果

柱子長度代表回采面斯抽采率(%)，當(dāng)月回采面瓦斯抽采率實(shí)際值與指標(biāo)體系中的回采面瓦斯抽采率標(biāo)準(zhǔn)值智能比較并返回相應(yīng)的預(yù)警結(jié)果，柱子顏色根據(jù)預(yù)警結(jié)果顯示相應(yīng)的預(yù)警顏色(綠色、紅色)。柱子最大長度為100%，柱子的豎線代表根據(jù)當(dāng)月回采面平均絕對瓦斯涌出量動態(tài)指標(biāo)體系取相應(yīng)的回采面抽采率的標(biāo)準(zhǔn)值；

(3)瓦斯利用分析模型

瓦斯利用分析模型根據(jù)瓦斯利用率指標(biāo)、排入大氣量指標(biāo)按月進(jìn)行決策分析，系統(tǒng)分析出礦井瓦斯利用率是否正常，如圖4所示，若正常為綠色顯示，不正常為紅色顯示并推送預(yù)警信息。

瓦斯利用率(%)=標(biāo)況的瓦斯利用量(m3)/標(biāo)況的瓦斯抽出量(m3)；排入大氣量(m3)=標(biāo)況的瓦斯抽出量(m3)-標(biāo)況的瓦斯利用量(m3)；

柱子長度代表瓦斯利用率(%)，當(dāng)月瓦斯利用率實(shí)際值與指標(biāo)體系中的瓦斯利用率標(biāo)準(zhǔn)值比較并返回相應(yīng)的預(yù)警結(jié)果，柱子顏色根據(jù)預(yù)警結(jié)果顯示相應(yīng)的預(yù)警顏色(綠色、紅色)。

圖4 瓦斯利用分析模型分析結(jié)果

3 系統(tǒng)應(yīng)用效果

數(shù)字礦山生產(chǎn)執(zhí)行系統(tǒng)中的數(shù)字礦山瓦斯防治管理與分析決策系統(tǒng)在神東公司2015年1月1日正式上線后效果明顯。(1)用戶覆蓋范圍更廣，包括公司和各礦，達(dá)到了公司與礦井的瓦斯防治管理的橫向協(xié)同、縱向貫通；(2)瓦斯防治全部報表為系統(tǒng)自動統(tǒng)計(jì)、分析和生成，避免了人為錯誤，提高了數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度；(3)建立一套瓦斯管理指標(biāo)體系，設(shè)置參數(shù)滿足煤礦、子(分)公司不同的管理要求。(4)將瓦斯防治管理人員和專家的管理思想固化到瓦斯分析決策模型庫和瓦斯管理指標(biāo)體系中，很好的為煤礦領(lǐng)導(dǎo)、瓦斯防治相關(guān)的管理人員提供決策數(shù)據(jù)支持，很好的為公司領(lǐng)導(dǎo)、各業(yè)務(wù)管理部門及相關(guān)管理人員提供決策數(shù)據(jù)支持。

[1] 孫繼平.瓦斯綜合防治方法研究[J].北京：工礦自動化，2011.02.

[2] 神華集團(tuán)數(shù)字礦山規(guī)劃項(xiàng)目組.神華集團(tuán)數(shù)字礦山規(guī)劃研究[M]. 北京： 煤炭工業(yè)出版社，2012.6.

[3] 于不凡.煤礦瓦斯災(zāi)害防治及利用技術(shù)手冊[M].北京：煤炭工業(yè)出版社，2005.1.

[4] 袁亮.煤礦總工程師技術(shù)手冊[M].北京：煤炭工業(yè)出版社，2012.5.

[5] 王泮飛.基于數(shù)據(jù)倉庫的煤礦集團(tuán)決策支持信息系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].天津大學(xué)，2012.

[6] AQ 1018—2006.礦井瓦斯涌出量預(yù)測方法[S].國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局，2006-02-27.

(責(zé)任編輯 丁 聰)

The Research and Implementation of Gas Control Management and Analysis Decision System in Digital Mine

FENG Zhanke

(Shenhua Hollyinfo Technology Co. Ltd, Beijing 100011)

According to the actual situation of coal mines, to research and develop a more practical gas prevention and control management and decision analysis system has a great practical significance for reducing the coal mine gas accident. In this paper, four aspects are researched to elaborate build-up process of gas prevention and control management and decision analysis system for coal mine enterprise, including gas prevention and control of the database, gas management index system, gas prevention and control of management and gas analysis and decision cockpit.

Digital mine; gas control; gas analysis decision

馮占科，男，現(xiàn)為神華和利時信息技術(shù)有限公司研發(fā)部項(xiàng)目經(jīng)理，2014年取得國家高級項(xiàng)目管理師職業(yè)資格證書。