煤礦監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)中傳感器的優(yōu)化布置

宋澤寶

（山西高河能源有限公司， 山西 長(zhǎng)治 047100）

引言

現(xiàn)如今，經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展，煤炭作為我國(guó)的重要可持續(xù)發(fā)展資源，安全生產(chǎn)一直都是需要時(shí)刻警惕的問(wèn)題。據(jù)統(tǒng)計(jì)，由于瓦斯爆炸引起的施工隱患仍占比較大，他不僅破壞巷道，更重要的是影響著礦工的生命安全。因此安裝安全的瓦斯監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)極為必要[1]。對(duì)于井下監(jiān)測(cè)監(jiān)控主要是針對(duì)瓦斯的監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)結(jié)果主要決定于傳感器的響應(yīng)，若能根據(jù)煤礦的實(shí)際情況, 優(yōu)化監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)中傳感器的數(shù)量及位置設(shè)計(jì)則能向井下安全生產(chǎn)的目標(biāo)邁進(jìn)一大步。

1 工程概況

本文以某煤礦應(yīng)用研究工程項(xiàng)目，該煤礦上煤層地勢(shì)較為復(fù)雜，具有較小的首采范圍，其厚度范圍在0.85～7.14 m 之間，平均煤層厚度2.53 m；中煤層的厚度范圍在0.8～4.6 m 之間，平均煤層厚度3.11 m，該煤層厚度呈現(xiàn)一定的規(guī)律性，操作相對(duì)穩(wěn)定，被作為集中開(kāi)采區(qū)域。

去年該煤礦各工作面瓦斯檢測(cè)數(shù)據(jù)如表1 所示，盡管該煤礦屬于低瓦斯礦井，但其仍存在較大的安全隱患，主要包括：整個(gè)施工工作面處于少風(fēng)或者停風(fēng)的工作面，極易使得瓦斯含量超過(guò)其安全范圍，引起安全事故；當(dāng)在鉆孔或者遭遇斷層施工環(huán)境，瓦斯的超限溢出也是危險(xiǎn)項(xiàng)。因此，該煤礦的瓦斯監(jiān)測(cè)工作最為重要。

2 LSCP 模型的提出以及最優(yōu)解法的選擇

2.1 LSCP 模型的提出

煤礦下瓦斯監(jiān)測(cè)效果與傳感器的位置及數(shù)量息息相關(guān)，該傳感器的位置可關(guān)聯(lián)于通風(fēng)位置的邊界或者節(jié)點(diǎn)。其中，布置傳感器的位置問(wèn)題可總結(jié)為最優(yōu)控制問(wèn)題以及覆蓋最優(yōu)化問(wèn)題[2-3]。

表1 煤礦各工作面的瓦斯涌出量

在監(jiān)測(cè)過(guò)程中一些概念也值得明確，當(dāng)瓦斯涌出在上游節(jié)點(diǎn)時(shí)，下游節(jié)點(diǎn)必須在最短時(shí)間內(nèi)做出反應(yīng)，被稱之為監(jiān)測(cè)有效級(jí)；在通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，當(dāng)風(fēng)流從一個(gè)節(jié)點(diǎn)流通到下一個(gè)節(jié)點(diǎn)的最短路徑，稱之為最短風(fēng)流路徑；覆蓋域則指明，該節(jié)點(diǎn)安置的傳感器能夠監(jiān)測(cè)到該范圍內(nèi)所有瓦斯涌出的情況。

該模型在一定的監(jiān)測(cè)有效級(jí)范圍下，根據(jù)LSCP模型，某一個(gè)傳感器可以監(jiān)測(cè)一組需求點(diǎn)，不僅可減低傳感器的成本，而且可以使預(yù)防災(zāi)害、抗擊災(zāi)害起到最大化作用。

2.2 最優(yōu)解法的選擇

本文算法主要采用混合蟻群以及禁忌搜索算法組成的混合算法進(jìn)行求解傳感器的布設(shè)LSCP 模型。

蟻群算法主要依據(jù)螞蟻在覓食過(guò)程中所選用的最優(yōu)路徑方案，該方法主要存在以下優(yōu)點(diǎn)：對(duì)較復(fù)雜的問(wèn)題優(yōu)化時(shí)，可在短時(shí)間內(nèi)得到最優(yōu)的解決方案；某些單個(gè)體對(duì)于適應(yīng)概率超過(guò)整體的平均概率；依據(jù)算法的特點(diǎn)，不斷地進(jìn)行完善和改進(jìn)，效率較高。但該方法也存在一些缺點(diǎn)，比如耗時(shí)較長(zhǎng)、局部過(guò)優(yōu)。

禁忌搜索算法主要是基于標(biāo)記已搜索過(guò)的對(duì)象，在之后的選擇過(guò)程中規(guī)避標(biāo)記對(duì)象而后更加擴(kuò)大范圍進(jìn)行搜索，如此便能加大搜索范圍，最終篩選出最優(yōu)解。該算法可規(guī)避蟻群算法中所存在的局部過(guò)優(yōu)較突出的問(wèn)題，可針對(duì)不同的搜索途徑進(jìn)行有效搜索。缺點(diǎn)主要表現(xiàn)于：算法結(jié)果對(duì)初始解有著較強(qiáng)的依賴性，若初始解的結(jié)果為優(yōu)，則整個(gè)求解速度就加快；反之，若初始解的結(jié)果為劣，則整個(gè)求解過(guò)程將變得緩慢。串行搜索，移動(dòng)的為單一狀體。

本論文涉及的傳感器位置最優(yōu)值可歸結(jié)到組合優(yōu)化問(wèn)題，本文采納蟻群算法的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)規(guī)避其劣勢(shì)，結(jié)合了列減少算法以及禁忌搜索算法組合為混合算法，以此得出最優(yōu)解。通過(guò)對(duì)某一具體案例進(jìn)行分析[4]，通過(guò)對(duì)比三種算法可得出，混合算法具有較好的穩(wěn)定性；針對(duì)不同的參數(shù)組合，該方法具有一定的可行性及有效性。

3 工程應(yīng)用

本論文以某煤礦為應(yīng)用研究對(duì)象，依據(jù)所提出的LSCP 模型以及混合算法求的最優(yōu)解，布設(shè)該煤礦監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)中的瓦斯傳感器位置。

甲烷為瓦斯的主要成分，該氣體的相對(duì)分子質(zhì)量低于空氣，因此需在巷道的上方安置傳感器。該安置方式不僅不影響整個(gè)施工進(jìn)程的安全交通，同時(shí)可以便捷地進(jìn)行安裝。根據(jù)瓦斯傳感器的安裝規(guī)定，其必須為垂直方向安裝，與頂板的距離應(yīng)小于300 mm，與巷道側(cè)面的距離則應(yīng)小于200 mm。

瓦斯事故存在隱患最大的三個(gè)區(qū)域分別為工作面、回風(fēng)巷和進(jìn)風(fēng)巷。為了確保采煤工作面瓦斯傳感器的監(jiān)測(cè)效果，該傳感器設(shè)置位置應(yīng)盡可能地靠近工作地面。其中，報(bào)警濃度選擇為1.0%，斷電濃度以及復(fù)電濃度分別選擇為1.5%和1.0%?；仫L(fēng)巷的傳感器則應(yīng)安置于穩(wěn)定的風(fēng)流以及新鮮空氣與瓦斯等有害氣體混合交換的位置，報(bào)警濃度選擇為1.0%，斷電濃度以及復(fù)電濃度分別選擇為1.1%和1.0%。進(jìn)風(fēng)巷的傳感器應(yīng)布設(shè)于靠近地面的位置，其報(bào)警濃度選擇為1.0%，斷電濃度以及復(fù)電濃度分別選擇為1%和0.5%。

其他工作地點(diǎn)需要安裝瓦斯傳感器的位置包括：機(jī)電桐室，回風(fēng)流的該位置的新風(fēng)側(cè)，其報(bào)警濃度選擇為0.5%，斷電濃度以及復(fù)電濃度分別選擇為0.6%和0.5%；裝煤點(diǎn)以及運(yùn)輸巷道，采用電機(jī)車(chē)裝煤以及運(yùn)輸?shù)奈恢?，該兩處位置瓦斯?bào)警濃度范圍與機(jī)電桐室結(jié)果一致。

根據(jù)簡(jiǎn)化的通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)圖，共得出29 個(gè)傳感器安置位置，除去礦井通風(fēng)進(jìn)口和出口的兩個(gè)節(jié)點(diǎn)，得出10 個(gè)必選傳感器安裝位置，17 個(gè)備選位置。瓦斯安裝節(jié)點(diǎn)的選擇取決于監(jiān)測(cè)有效級(jí)，當(dāng)監(jiān)測(cè)有效級(jí)為～600 s，則需在10 個(gè)必選位置安裝傳感器就可覆蓋整個(gè)監(jiān)測(cè)區(qū)域；當(dāng)有效級(jí)為200～500 s 時(shí)，基于傳感器安裝最少為原則，在滿足安裝10 個(gè)必選監(jiān)測(cè)位置上之外，額外加設(shè)2～4 個(gè)監(jiān)測(cè)位置；當(dāng)有效級(jí)為150 s時(shí)，則仍需額外增加7 個(gè)監(jiān)測(cè)位置。

根據(jù)以上安裝計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)，此應(yīng)用對(duì)象中，監(jiān)測(cè)位置與監(jiān)測(cè)有效級(jí)并未呈正比關(guān)系。在400～600 s 的有效級(jí)范圍內(nèi)，兩者呈現(xiàn)正比關(guān)系；400～200 s 范圍內(nèi)，隨著有效級(jí)的升高，并未需求額外的傳感數(shù)量增加。當(dāng)有效級(jí)為150 s 時(shí)，則需要額外增加7 的傳感器位置，成本提升占比為50%?；谝陨涎芯浚撁旱V的有效級(jí)可降至為200 s，則能夠使成本效益較好平衡。

4 結(jié)論

本文針對(duì)煤礦監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)中的瓦斯傳感器布設(shè)給出了研究思路，通過(guò)對(duì)監(jiān)測(cè)位置提出LSCP 理論模型，在減低成本的基礎(chǔ)上，提高了預(yù)防災(zāi)害和抗擊災(zāi)害的能力；當(dāng)確定出理論模型之后，結(jié)合蟻群算法、禁忌搜索算法以及列減少算法求出最優(yōu)解。結(jié)合某煤礦的實(shí)際情況，在確定監(jiān)測(cè)有效等級(jí)的范圍下，結(jié)合安裝傳感器成本，當(dāng)監(jiān)測(cè)等級(jí)設(shè)定為200 s 時(shí)，監(jiān)測(cè)效果以及成本達(dá)到雙贏。