基于物聯(lián)終端的工作面甲烷數(shù)字場(chǎng)實(shí)現(xiàn)方法研究

屈世甲，吳雪菲

(1.中煤科工集團(tuán)常州研究院有限公司，江蘇 常州 213015；2.天地(常州)自動(dòng)化股份有限公司，江蘇 常州 213015；3.西安科技大學(xué) 能源學(xué)院，陜西 西安 710054；4.中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西 西安 710077)

0 引 言

瓦斯災(zāi)害是井工開采煤礦最普遍、最嚴(yán)重的災(zāi)害之一[1]，我國(guó)煤礦因瓦斯事故造成的死亡人數(shù)約占煤礦各種事故死亡總?cè)藬?shù)的30%，其中重特大事故中，瓦斯事故約占70%[2]?，F(xiàn)階段煤礦日常工作面瓦斯災(zāi)害主要通過對(duì)甲烷濃度監(jiān)測(cè)來實(shí)現(xiàn)，國(guó)內(nèi)現(xiàn)行的《煤礦安全規(guī)程》[3]和AQ1029—2019《煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)及檢測(cè)儀器使用管理規(guī)范》[4]明確了通過對(duì)工作面進(jìn)風(fēng)、工作面和上隅角采用單點(diǎn)監(jiān)測(cè)的方式實(shí)現(xiàn)回采工作面的甲烷監(jiān)測(cè)(以下稱工作面)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)甲烷濃度一旦超過報(bào)警閾值就會(huì)自動(dòng)報(bào)警，該種監(jiān)測(cè)和報(bào)警方法在一定程度上保障了工作面生產(chǎn)過程中瓦斯災(zāi)害的安全問題[5]。但是瓦斯涌出復(fù)雜性較高的回采工作面，往往不能對(duì)不可預(yù)知點(diǎn)的瓦斯涌出做到及時(shí)監(jiān)測(cè)，存在監(jiān)測(cè)區(qū)域上的盲點(diǎn)，對(duì)于工作面區(qū)域非監(jiān)測(cè)點(diǎn)瓦斯超限不能準(zhǔn)確及時(shí)監(jiān)測(cè)。這種非監(jiān)測(cè)點(diǎn)區(qū)域的甲烷監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)通常通過瓦檢員人工檢測(cè)，其檢測(cè)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性、數(shù)據(jù)的共享性和數(shù)據(jù)的可讀性均不強(qiáng)，因此有必要研究針對(duì)整個(gè)回采工作面區(qū)域的甲烷監(jiān)測(cè)和甲烷數(shù)字場(chǎng)實(shí)現(xiàn)方法，既能實(shí)現(xiàn)整個(gè)工作面區(qū)域的甲烷監(jiān)測(cè)，又能通過數(shù)字場(chǎng)提供較好的甲烷濃度展示方式，提高監(jiān)測(cè)結(jié)果的實(shí)時(shí)性、可讀性和共享性。

現(xiàn)有甲烷傳感器以有線供電、傳輸為主，其體積及功耗大，導(dǎo)致移動(dòng)、維護(hù)困難，設(shè)備成本高，以致現(xiàn)場(chǎng)只能按照煤安要求安裝少量甲烷傳感器，無法實(shí)現(xiàn)工作面區(qū)域甲烷監(jiān)測(cè)的原因之一[6-7]。近幾年，煤礦智能化建設(shè)的發(fā)展帶動(dòng)了煤礦物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的進(jìn)步與提升[8-9]，高能效、低功耗是煤礦物聯(lián)網(wǎng)感知技術(shù)的必要條件[10]。針對(duì)工作面區(qū)域甲烷監(jiān)測(cè)需求，在煤礦物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的支撐下，開發(fā)一種集微功耗傳感技術(shù)、微功耗無線通信技術(shù)、微功耗自定位技術(shù)和自供電的低成本礦用無線甲烷感知終端成為可能[11-12]。在此基礎(chǔ)上可在工作面其他區(qū)域增加感知終端布置數(shù)量，實(shí)現(xiàn)工作面區(qū)域的甲烷感知全覆蓋?；诖?，以工作面甲烷濃度現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，提出了甲烷物聯(lián)感知終端的現(xiàn)場(chǎng)布置方案，并在一定監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)點(diǎn)的基礎(chǔ)上對(duì)工作面區(qū)域甲烷數(shù)字場(chǎng)的實(shí)現(xiàn)方法進(jìn)行了探討。

1 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的甲烷感知終端需求

基于物聯(lián)網(wǎng)的甲烷感知終端是工作面實(shí)現(xiàn)區(qū)域多點(diǎn)甲烷監(jiān)測(cè)和形成甲烷濃度數(shù)字場(chǎng)的基礎(chǔ)，甲烷感知終端需要解決微功耗甲烷數(shù)據(jù)采集、微功耗傳感終端定位、無線數(shù)據(jù)傳輸和終端自供電等問題，利用物聯(lián)網(wǎng)的相關(guān)技術(shù)優(yōu)勢(shì)解決上述4個(gè)方面的問題才能真正實(shí)現(xiàn)工作面區(qū)域甲烷感知終端的物聯(lián)，既能夠體現(xiàn)甲烷感知技術(shù)先進(jìn)性，又保障了現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)用性問題。

1)微功耗甲烷濃度感知需求。甲烷微功耗監(jiān)測(cè)方面，基于MEMS(Micro-Electro-Mechanical System)的微功耗傳感技術(shù)是目前傳感技術(shù)領(lǐng)域的研究重點(diǎn)[13]，與傳統(tǒng)的傳感器相比，MEMS傳感具有體積小、質(zhì)量輕、成本低、功耗低、可靠性高、靈敏度高、適于批量化生產(chǎn)、易于集成和實(shí)現(xiàn)智能化等優(yōu)勢(shì)[14-15]。依托MEMS技術(shù)開發(fā)微功耗甲烷感知模組，其量程能夠達(dá)到0.05%～4.00%，分辨率不低于0.05%，使用壽命不少于1a，能夠滿足長(zhǎng)時(shí)間免人工維護(hù)的現(xiàn)場(chǎng)使用需要；能夠在采用電池供電或者自供電的方式下實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定運(yùn)行；能夠通過主動(dòng)動(dòng)態(tài)標(biāo)校感知模組能耗平衡功能實(shí)現(xiàn)感知數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性，從而成為物聯(lián)甲烷感知終端的微功耗感知模組，實(shí)現(xiàn)甲烷濃度數(shù)據(jù)采集。

2)微功耗傳感終端定位需求。通過增加工作面區(qū)域甲烷感知終端數(shù)量來更好地對(duì)區(qū)域甲烷分布進(jìn)行監(jiān)測(cè)，就必須對(duì)各個(gè)感知終端位置進(jìn)行準(zhǔn)確掌握?；诔瑢拵o線的多源定位方法、時(shí)鐘同步方法、大容量并發(fā)通信和定位的實(shí)現(xiàn)方法，建設(shè)井下類GPS的高性能位置服務(wù)系統(tǒng)，以開放服務(wù)體系為基礎(chǔ)架構(gòu)，提供高精度、大容量的實(shí)時(shí)位置服務(wù)。開發(fā)基于無線超寬帶技術(shù)與TDOA方法的一維、二維和三維定位模組[16]，能夠滿足多源定位歐氏距離誤差小于0.1 m，該位置服務(wù)模組屬于井下甲烷感知終端的重要組成之一。

3)無線數(shù)據(jù)傳輸需求。要解決工作面區(qū)域多監(jiān)測(cè)點(diǎn)甲烷感知終端的數(shù)據(jù)傳輸問題，必須考慮利用無線方式實(shí)現(xiàn)煤礦井下微功耗光電模組的數(shù)據(jù)傳輸。研究低功耗、低延時(shí)、大容量的無線自組網(wǎng)技術(shù)，完善井下無線互聯(lián)的末端覆蓋，滿足甲烷感知終端的數(shù)據(jù)接入、信息交互的需要[17]。無線射頻模組功耗應(yīng)小于200 mW，通信距離不小于10 m，無線自組網(wǎng)節(jié)點(diǎn)數(shù)不少于512個(gè)，單節(jié)點(diǎn)傳輸延遲不大于0.4 ms，通信網(wǎng)絡(luò)自愈時(shí)間不大于10 ms。數(shù)據(jù)傳輸模組與微功耗甲烷感知模組、微功耗傳感終端定位模組一起組成微功耗甲烷感知傳輸終端，集甲烷濃度感知、位置感知和信息傳輸于一體，利用電池或者自供電技術(shù)滿足終端能量需求，通過無線方式將濃度信息和位置信息實(shí)時(shí)傳輸至工作面全區(qū)域。

4)甲烷感知終端供電需求。當(dāng)甲烷濃度感知模組、無線傳輸模組的能耗降低后，監(jiān)測(cè)終端的供電成為感知設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的重要約束條件，借助能量捕獲技術(shù)可將周圍環(huán)境中的各種能量轉(zhuǎn)化成電能，為終端正常運(yùn)行提供能量[18]。煤礦井下巷道中風(fēng)能、機(jī)電設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)產(chǎn)生的機(jī)械動(dòng)能、電氣設(shè)備和柴油發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的熱能等等均可以轉(zhuǎn)換為電能[19]。研制自發(fā)電裝置，用于微功耗甲烷感知終端的自發(fā)電模組發(fā)電功率應(yīng)大于0.5 mW ，同時(shí)配合可充電電池，實(shí)現(xiàn)甲烷感知終端自供電和連續(xù)運(yùn)行。

2 工作面區(qū)域甲烷感知終端布置方案

在甲烷感知終端多測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)的基礎(chǔ)上，構(gòu)建工作面瓦斯?jié)舛葦?shù)字場(chǎng)還包括2個(gè)環(huán)節(jié):①確定工作面區(qū)域甲烷感知終端布置方案；②由有限的甲烷監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)形成區(qū)域甲烷濃度數(shù)字場(chǎng)。在甲烷監(jiān)測(cè)終端布置方案上，通過工作面瓦斯涌出分析和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)相結(jié)合的方式提出了工作面甲烷感知終端布置方案。

2.1 工作面甲烷涌出來源及監(jiān)測(cè)需求

綜采工作面區(qū)域瓦斯涌出主要包括工作面落煤甲烷涌出、采煤工作面煤壁甲烷涌出和采空區(qū)中來自鄰近煤(巖)層、遺煤和巖石的甲烷涌出3大部分[20]，從甲烷來源來看，落煤甲烷涌出和煤壁甲烷涌出涉及整個(gè)工作面支架區(qū)域，各支架區(qū)域均存在本煤層甲烷涌出的可能性。采空區(qū)中來自鄰近煤(巖)層、遺煤和巖石的甲烷涌出主要從上隅角位置及鄰近支架區(qū)域涌出，其監(jiān)測(cè)重點(diǎn)應(yīng)該在上隅角所處的機(jī)尾端頭支架區(qū)域。從工作面風(fēng)流分布來看，上隅角、下隅角位置容易形成循環(huán)風(fēng)，也是甲烷最容易積聚從而形成超限的區(qū)域，兩端頭支架應(yīng)該作為監(jiān)測(cè)重點(diǎn)來考慮。

2.2 工作面甲烷濃度場(chǎng)測(cè)試

為更準(zhǔn)確地掌握工作面區(qū)域甲烷分布特征，利用便攜式激光甲烷檢測(cè)儀對(duì)某綜采工作面甲烷分布情況進(jìn)行了實(shí)測(cè)?；诠ぷ髅婕淄閬碓创_定了3條測(cè)線，第1條測(cè)線靠近采空區(qū)簡(jiǎn)稱測(cè)線A，第2條靠近落煤區(qū)域簡(jiǎn)稱測(cè)線B，第3條測(cè)線沿著行人的支架中部簡(jiǎn)稱測(cè)線C，如圖1所示。

圖1 工作面現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)測(cè)試方案

該工作面傾向長(zhǎng)度約300 m，工作面機(jī)頭的端頭支架有4臺(tái)，位于機(jī)尾的端頭支架有4臺(tái)，中部液壓支架共有168臺(tái)。按照選定的3條測(cè)線，依托支架走向，人工測(cè)試各支架對(duì)應(yīng)測(cè)點(diǎn)甲烷濃度。通過分析現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，探求工作面瓦斯?jié)舛确植继卣?，根?jù)分布特征確定監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)量?？紤]到現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的可行性，首先在8點(diǎn)，檢修班對(duì)各個(gè)支架甲烷濃度進(jìn)行了詳細(xì)測(cè)量，隨后2個(gè)生產(chǎn)班進(jìn)行了重要區(qū)域甲烷濃度補(bǔ)充測(cè)量，8點(diǎn)班測(cè)量結(jié)果見表1。

表1 某工作面8點(diǎn)甲烷體積分?jǐn)?shù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)

由表1知，上隅角、下隅角位置甲烷體積分?jǐn)?shù)明顯高于其他區(qū)域，且上隅角位置甲烷體積分?jǐn)?shù)測(cè)線A>測(cè)線C>測(cè)線B，下隅角位置甲烷體積分?jǐn)?shù)沒有明顯的分布特征。為確定生產(chǎn)過程中的甲烷分布情況，隨后2個(gè)生產(chǎn)班對(duì)現(xiàn)場(chǎng)體積分?jǐn)?shù)進(jìn)行了補(bǔ)充測(cè)量，補(bǔ)充測(cè)量地點(diǎn)選擇下隅角端頭支架1號(hào)、下隅角端頭支架4號(hào)、中部88號(hào)支架，上隅角端頭支架1號(hào)和上隅角端頭支架4號(hào)位置，每個(gè)生產(chǎn)班測(cè)量3次甲烷體積分?jǐn)?shù)，數(shù)據(jù)見表2。

表2 某工作面不同生產(chǎn)班甲烷體積分?jǐn)?shù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)

由表1、表2可知，通過5個(gè)位置甲烷體積分?jǐn)?shù)數(shù)據(jù)分析，無論是零點(diǎn)、四點(diǎn)生產(chǎn)班還是八點(diǎn)檢修班，工作面甲烷濃度分布特征明顯呈現(xiàn)表現(xiàn)出上隅角、下隅角濃度大于其他支架區(qū)域的特點(diǎn)，且在正常通風(fēng)條件下，工作面中部支架區(qū)域甲烷始終處于不超過0.15%低濃度狀態(tài)，甲烷監(jiān)測(cè)終端布置方案應(yīng)重點(diǎn)考慮兩端頭支架區(qū)域。

2.3 工作面甲烷監(jiān)測(cè)終端布置

結(jié)合工作面區(qū)域甲烷涌出來源特征和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分布特征，提出工作面區(qū)域物聯(lián)甲烷感知終端布置方案如下。①上隅角、下隅角兩端頭處，每個(gè)端頭支架沿測(cè)線A、測(cè)線B處各布置甲烷感知終端1臺(tái)；②中部區(qū)域共布置甲烷監(jiān)測(cè)點(diǎn)5個(gè)，每個(gè)位置點(diǎn)沿測(cè)線A和B各布置感知終端1臺(tái)，中部區(qū)域合計(jì)10臺(tái)，空間位置沿著傾向距離均勻分布。假設(shè)工作面上、下隅角各4臺(tái)端頭支架，總共布置監(jiān)測(cè)終端26臺(tái)，布置方案如圖2所示。

圖2 工作面甲烷感知終端布置方案示意

3 工作面區(qū)域甲烷濃度數(shù)字場(chǎng)實(shí)現(xiàn)

如上所述，在某工作面區(qū)域內(nèi)布置了甲烷監(jiān)測(cè)終端26臺(tái)，能夠形成26個(gè)甲烷實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)點(diǎn)。為了更直觀、清楚地展示工作面區(qū)域甲烷分布狀態(tài)，通過對(duì)有限的甲烷監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行插值，擬形成工作面區(qū)域甲烷濃度數(shù)字場(chǎng)。

3.1 甲烷濃度數(shù)字場(chǎng)實(shí)現(xiàn)方法

通過現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，在Y方向獲得2組甲烷體積分?jǐn)?shù)數(shù)據(jù)，每組數(shù)據(jù)包含13個(gè)點(diǎn)；在X方向獲得13組數(shù)據(jù)，每組數(shù)據(jù)包含2個(gè)點(diǎn)。

根據(jù)已有的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，利用二維數(shù)值插值方法可形成X-Y平面內(nèi)的數(shù)字場(chǎng)。由表1可知，工作面瓦斯甲烷濃度由多到少排序：上隅角>下隅角>中部區(qū)域。并且上隅角和中部區(qū)域差值較大，若所有數(shù)據(jù)一起插值，誤差較大，易出現(xiàn)“龍格”現(xiàn)象，為保證插值結(jié)果的準(zhǔn)確性，將上隅角、下隅角和中部區(qū)域分開插值，具體插值過程如圖3所示。

圖3 甲烷體積分?jǐn)?shù)數(shù)字場(chǎng)實(shí)現(xiàn)方法

3.2 甲烷濃度數(shù)字場(chǎng)實(shí)現(xiàn)驗(yàn)證

根據(jù)確定的工作面甲烷監(jiān)測(cè)布置方案，獲得了甲烷實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，見表3。(注：將下隅角定義為坐標(biāo)原點(diǎn)，定義支架走向(工作面傾向)為Y，支架寬度(工作面走向)為X，已知每個(gè)端頭支架和中部支架寬度均為1.5 m，測(cè)線A和測(cè)線B相距4 m，由此換算成坐標(biāo)。)數(shù)值插值過程：

表3 工作面甲烷體積分?jǐn)?shù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)

1)下隅角插值。下隅角區(qū)域是指Y方向0～7.5 m、X方向0～4 m的X-Y平面，利用二維三次樣條插值，獲得該區(qū)域內(nèi)Y方向每0.5 m、X方向每1 m的插值點(diǎn)，插值結(jié)果如圖4所示，由圖4可知，在下隅角區(qū)域內(nèi)，沿著支架走向(Y方向)從下隅角向里，甲烷濃度呈現(xiàn)緩坡式下滑，下隅角位置甲烷濃度最高，說明下隅角易積聚甲烷；沿X方向支架內(nèi)部甲烷濃度高于支架外部甲烷濃度，這是因?yàn)橹Ъ芡獠客L(fēng)條件好于內(nèi)部，甲烷在支架外部不易積聚。

圖4 下隅角區(qū)域甲烷體積分?jǐn)?shù)插值結(jié)果

2)中部區(qū)域插值。中部區(qū)域是指Y方向7.5～257.5 m、Y方向0～4 m的X-Y平面區(qū)域，由于該區(qū)域數(shù)據(jù)波動(dòng)較小，利用二維雙線性插值獲得Y方向每隔5 m、X方向每隔1 m的插值點(diǎn)，插值結(jié)果如圖5所示。由圖5可知，中部區(qū)域的甲烷在低濃度范圍內(nèi)呈現(xiàn)平坦式波動(dòng)，說明在正常通風(fēng)條件下中部區(qū)域不會(huì)積聚大量甲烷，且整個(gè)區(qū)域內(nèi)甲烷濃度相差不大。

圖5 中部支架區(qū)域甲烷體積分?jǐn)?shù)插值結(jié)果

3)上隅角插值。上隅角區(qū)域是指Y方向258～265.5 m、X方向0～4 m的X-Y平面，利用二維三次樣條插值獲得Y方向每隔0.5 m、X方向每隔1 m的一個(gè)插值點(diǎn)，插值結(jié)果如圖6所示。由圖可知，沿著支架走向(Y方向)，越靠近上隅角甲烷濃度越高，呈現(xiàn)陡坡式上升，上隅角位置甲烷濃度最大。

圖6 上隅角區(qū)域甲烷體積分?jǐn)?shù)插值結(jié)果

將下隅角、中部支架和上隅角區(qū)域數(shù)值插值結(jié)果匯總得到甲烷濃度數(shù)字場(chǎng)，得到工作面甲烷濃度數(shù)字場(chǎng)曲面圖，如圖7所示。由圖7可知工作面甲烷體積分?jǐn)?shù)分布特征。

圖7 工作面甲烷體積分?jǐn)?shù)數(shù)字場(chǎng)

4 結(jié) 論

1)針對(duì)工作面現(xiàn)有甲烷傳感器體積、功耗大，移動(dòng)、維護(hù)困難和設(shè)備成本高等問題，在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和邊緣計(jì)算理念的基礎(chǔ)上，提出了利用微功耗甲烷數(shù)據(jù)采集、微功耗傳感終端定位、無線數(shù)據(jù)傳輸和終端自供電4個(gè)關(guān)鍵技術(shù)和開發(fā)微功耗甲烷感知終端的思路。

2)針對(duì)監(jiān)控系統(tǒng)工作面區(qū)域甲烷監(jiān)測(cè)點(diǎn)少，人工檢測(cè)甲烷數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性、可讀性和共享性不足的問題，以工作面區(qū)域落煤甲烷涌出、煤壁甲烷涌出和采空區(qū)甲烷涌出3大主要涌出特征為基礎(chǔ)，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)班和檢修班的實(shí)測(cè)甲烷數(shù)據(jù)分布特征，提出了綜采工作面區(qū)域的物聯(lián)甲烷感知終端布置方案。

3)以某工作面布置26個(gè)甲烷感知終端數(shù)據(jù)為例，對(duì)工作面區(qū)域甲烷濃度數(shù)字場(chǎng)實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了驗(yàn)證。結(jié)果表明該工作面在26個(gè)感知終端監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)下，優(yōu)選插值方法所形成的甲烷數(shù)字場(chǎng)能夠清晰、直觀地表達(dá)工作面區(qū)域的甲烷分布狀況。該方法大幅提高了工作面區(qū)域甲烷監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的可讀性和實(shí)時(shí)性，為其他學(xué)者進(jìn)一步做區(qū)域甲烷分析預(yù)警提供了實(shí)時(shí)性高、覆蓋面廣、可讀性強(qiáng)的工作面甲烷濃度表達(dá)方式。