煤礦瓦斯治理信息協(xié)同管控方法研究

張書林

（1.煤炭科學技術研究院有限公司，北京 100013；2.煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點實驗室（煤炭科學研究總院），北京 100013）

信息化是推動經濟社會變革的重要力量，煤炭工業(yè)信息化建設可以推動煤礦安全從靜態(tài)管理向動態(tài)管理[1]，實現安全生產創(chuàng)新。20 世紀80 年代初至今，我國煤炭工業(yè)信息化經歷了單機（系統(tǒng)）自動化、綜合自動化、礦山物聯網等階段，目前正處于智能礦山新興發(fā)展階段[2]，并最終達到感知礦山的目標[3]?！笆濉币詠?，國家和行業(yè)陸續(xù)公布了一批有關煤礦智能化建設的指導文件和技術標準[4-6]；2020年以來，山東、山西、內蒙、河南、陜西、寧夏等省份相繼出臺了有關加快煤礦智能化建設的文件。以信息化建設為基礎推進“智能礦山”建設是煤炭工業(yè)發(fā)展的時代主題和必然趨勢。

瓦斯治理信息化是煤炭工業(yè)信息化建設的重要內容。過去瓦斯治理信息化研究多集中在基于GIS 的瓦斯信息管理、展示和分析[7-12]以及瓦斯監(jiān)測監(jiān)控[13]等方面，而在礦井瓦斯治理管理信息化方面研究較少，由于采集技術及信息化水平低，仍采用傳統(tǒng)的手工填報、繪制、分析等靜態(tài)管理方法，人工處理工作量大，而且采集的信息也不系統(tǒng)、完整和規(guī)范，信息存儲、查詢也不方便。淡國文等[14-15]實現了工作面預測指標測定后自動上傳地面、報告單自動生成、防突信息集成展示、查詢與分析；蒲陽等[16]在此基礎上實現了防突信息移動審批；徐雪戰(zhàn)[17]實現了瓦斯含量測定后數據自動上傳入庫。

目前，推動現代信息技術服務煤炭行業(yè)災害預防預警已經作為煤炭科學創(chuàng)新的重要方向之一[18-19]。由于瓦斯治理過程有著多人參與和跨部門協(xié)作的特點，信息散落在多個部門，且部門間往往缺乏交流與溝通不能形成及時有效且可靠的信息數據用于瓦斯災害風險評估、預測、預警和其他多層次應用，需要提出一個以業(yè)務為中心的瓦斯治理信息管理和協(xié)同框架作為共享平臺，使得瓦斯治理業(yè)務及管理部門“看得見、管得了、控得住”，提升各部門間的橫向整合以及各級管理部門間的縱向集成。針對防治煤與瓦斯突出管理信息化方面存在的問題和要求，基于過程控制理論進行瓦斯治理信息管控模式和多級協(xié)同機制研究，為智能礦山建設背景下礦井瓦斯治理信息管理探索一種較為系統(tǒng)和規(guī)范的管理模式。

1 瓦斯治理過程特征描述

瓦斯治理作為一種特殊的工程過程，是煤礦安全生產的重要組成和關鍵環(huán)節(jié)，也是防止重特大瓦斯災害發(fā)生的有效手段和必經之路。經過多年的探索實踐，我國瓦斯治理逐步形成了“通風可靠、抽采達標、監(jiān)控有效、管理到位”十六字方針和“區(qū)域防突為主、局部防突為輔”的2 個“四位一體”綜合防突措施。

1.1 瓦斯治理過程模型

建立過程模型是瓦斯治理過程控制的基礎。由于煤礦瓦斯治理方案和瓦斯治理過程實例都具有多樣性，難以用統(tǒng)一的過程模型來描述，因此，通過總過程模型組合子過程模型的方式來實現[20]?？傔^程模型用來描述瓦斯治理過程的總體框架，不包括瓦斯治理措施的細節(jié)，子過程模型用來描述瓦斯治理的工作內容和措施。不同瓦斯治理工作內容和措施對應不同的子過程模型，當它們代入總過程模型后，形成具體的過程，稱為過程實例。

瓦斯治理過程是一個連續(xù)作業(yè)的時空過程,隨采掘進行。巷道的生命周期可劃分設計、掘進、成巷、回采、密閉/采空等5 個階段，處在掘進狀態(tài)時稱為掘進工作面，巖巷掘進前方遇見煤層時為揭煤點，是防突重點之一；回采工作面的生命周期可劃分設計、圈掘、圈畢、回采、密閉/采空等5 個階段，處在回采狀態(tài)時稱為回采工作面。防突細則附錄A 中規(guī)定了井工煤礦從建井前至采掘結束這一過程的瓦斯治理工作，以此為瓦斯治理過程總模型，并從礦井、煤層、水平、采（盤）區(qū)和工作面5 個層次劃分計劃類、措施類、管理類、測試類等4 類20 種的瓦斯治理子過程，瓦斯治理子過程分類見表1。對各類子過程進行建模，計劃類子過程模型、措施類子過程模型、管理類子過程模型、測試類子過程模型如圖1～圖4。

圖1 計劃類子過程模型Fig.1 Sub-procedures model of gas control plan

圖2 措施類子過程模型Fig.2 Sub-procedures model of gas control measure

圖3 管理類子過程模型Fig.3 Sub-procedures model of gas management

圖4 測試類子過程模型Fig.4 Subprocess model of gas parameter test

表1 瓦斯治理子過程分類Table 1 Sub-procedures classification of gas prevention and control

每類子過程均分為準備和執(zhí)行2 個階段：

1）在準備階段，根據具體地點實際編制（包括第三方機構）有關瓦斯治理的計劃、措施等，然后發(fā)起相應審批。

2）審批完成后進入執(zhí)行階段，按照實際的業(yè)務流程中，尤其在治理措施執(zhí)行前要組織有關人員進行業(yè)務和注意事項的學習，同時對審批后的文檔進行蓋章歸檔，包括相關批復文件的存檔。在執(zhí)行階段，計劃類子過程面向一段時期內各地點采取措施的詳細計劃工作量，以便執(zhí)行中對照，至預定截止時間結束；措施類子過程面向2 個“四位一體”綜合防治措施過程，主要針對措施鉆孔的施工和抽采工作，其間伴有區(qū)域驗證、局部預測和驗證，措施的執(zhí)行進展和落實檢查（對比階段計劃量），抽采參數人工檢測（單孔和管路檢測）等周期性工作，還伴有各類措施鉆孔整體施工完畢后的驗收評價、抽采鉆孔接停抽等非周期性工作，隨關聯地點生命周期結束而結束；測試類子過程面向煤層各類指標的考察、鑒定工作，主要涉及測試鉆孔的施工、取樣、封孔、測試、非鉆孔取樣等井下工作和制樣、測試等地面工作，為瓦斯治理決策提供技術支持，隨關聯地點生命周期結束或至截止時間而結束；管理類子過程面向針對礦井當前瓦斯治理情況進行的采掘設計、預案制定與定期演習、圖紙周期性更新、專題調查等環(huán)節(jié)，為瓦斯治理提供重要的輔助支撐，隨關聯地點生命周期結束或至截止時間而結束。

1.2 過程特征參數

由過程控制理論可知，瓦斯治理過程的運行狀態(tài)可以通過其過程特征參數來反映，將過程參數分為基礎參數、施工參數、瓦斯抽采參數3 類[20]。

1）基礎參數。包括空間位置、煤層賦存、地質構造、瓦斯賦存情況的描述。瓦斯治理與采掘活動密切相關，為了更好地描述瓦斯治理過程中的空間位置，除了礦井統(tǒng)一的空間三維坐標外還應有井下地點的描述，因此，需要對井下地點管理，在礦井開拓煤層、水平、采（盤）區(qū)劃分的基礎上，把井下地點劃分為4 個層級，構建其隸屬關系，煤礦井下地點分類見表2。在此基礎上，對各采掘工作面的抽采單元、揭煤點信息以及它們的統(tǒng)一坐標范圍進行添加。最后建立井下地點樹方便各類瓦斯治理信息的歸類和篩查。此外，瓦斯治理需要人員的參與和儀器設備的投入，因此，瓦斯治理過程的管控除需要礦井組織機構、人員、角色、班次等信息外，還需要瓦斯治理儀器設備全生命周期管理的信息。

表2 煤礦井下地點分類Table 2 Classification of underground sites in coal mine

2）施工參數。除包括煤（巖）巷道的設計與掘進情況、采煤工作面的設計與回采情況、鉆場和鉆孔的設計與施工情況的描述外，還要增加階段計劃施工量和實際施工量對比的描述。主要涉及采掘進尺、產量，鉆孔的設計參數、施工人員、軌跡、視頻、驗收、接抽、拆管，階段施工量對比等信息。

3）瓦斯抽采參數。包括抽采鉆孔抽采狀態(tài)和采掘工作面生產時的瓦斯狀態(tài)的描述。涉及瓦斯抽采流量、濃度、溫度、負壓等抽采情況，工作面風速、濃度、絕對瓦斯涌出量、相對瓦斯涌出量等信息。

1.3 過程控制參數

從時空角度看，1 個過程的控制參數可分為初始化參數、節(jié)點參數。

1）初始化參數。指瓦斯治理過程或子過程開始時所賦予的參數，對應前述的基礎參數部分。

2）節(jié)點參數。瓦斯治理過程是由各子過程及其內部環(huán)節(jié)以一定的規(guī)則連接而成，其銜接處存在若干分支節(jié)點，它標志著前后過程環(huán)節(jié)的結束和開始。當遇到分支節(jié)點時，應分析上一過程環(huán)節(jié)是否達到了預期的要求，若滿足則上一環(huán)節(jié)結束，否則跳轉到相應的環(huán)節(jié)并循環(huán)直至通過該分支節(jié)點。區(qū)域突出危險性預測/驗證、施工質量驗收、工作面突出危險性預測和檢驗均作為措施類子過程的節(jié)點參數。對于計劃類、測試類和管理類子過程可以用地點的生命周期或預定截止時間作為節(jié)點參數。

2 瓦斯治理信息管控方法

2.1 瓦斯治理信息管理框架

瓦斯治理作為1 種特殊的工程過程，時間跨度可長達幾年甚至十幾年，其間記錄了大量報表、文檔、圖紙、視頻、圖片等格式的信息，主要分為安全生產基礎、人工檢測和監(jiān)測監(jiān)控等3 類[21]：

1）安全生產基礎信息主要包括礦井地質、瓦斯地質、通風與安全管理、生產管理等，包含了大量與瓦斯災害防控密切相關的重要信息，如地質構造、生產工藝、采掘布置等各種信息。

2）人工檢測信息是指結合煤礦生產系統(tǒng)特點構建的人工檢測體系所提供的信息源，如瓦斯參數檢測、各類措施施工、儀器設備檢測、人員安全行為檢查等所提供的信息。

3）監(jiān)測監(jiān)控信息是指煤礦中各類安全生產監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)所提供的信息源。

礦井瓦斯治理措施多樣，過程模型不統(tǒng)一、過程特征參數復雜，如何有效管理治理過程中產生的3類信息數據，并能服務于災害預測預警和其他多層次應用，滿足礦井智能化建設要求，是當前所面臨的問題。毛善君等[12]提出將原有地測、通防等各專題圖形，按統(tǒng)一的時間序列、空間坐標和數據標準，將各專業(yè)圖形通過分層進行疊加形成“1 張圖”，各專業(yè)部門只需更新圖形中各自的數據，并與各應用系統(tǒng)業(yè)務數據和監(jiān)控系統(tǒng)環(huán)境數據相集成為未來的大數據分析、云計算和智能輔助決策提供技術支撐。

對于瓦斯治理業(yè)務數據的管理，在基礎參數管理的基礎上，提出1 個以瓦斯治理業(yè)務為中心的信息管理框架，對前述4 類瓦斯治理子過程按時間先后劃分準備和執(zhí)行2 個階段：準備階段包括發(fā)起和審批2 個部分；執(zhí)行階段包括歸檔、學習記錄、計劃內容、施工記錄、執(zhí)行進展、落實檢查、整體驗收、瓦斯參數、抽采檢測等9 個部分，瓦斯治理業(yè)務數據管理框架見表3。不同類型子過程配置不同內容，可為“1 張圖”等多層次應用提供可靠的瓦斯治理業(yè)務綜合數據。

表3 瓦斯治理業(yè)務數據管理框架Table 3 Management architecture of gas control information

框架基于標準的數據接口規(guī)范，支持各類儀器設備業(yè)務數據的接入，消除各種系統(tǒng)信息孤島。如：井下各類軌跡儀所測鉆孔軌跡、各類視頻監(jiān)控設備所錄打鉆視頻、各類儀器所測瓦斯參數等通過井下環(huán)網就地或實時上傳，地面實驗儀器設備所測參數聯網接入。

框架整合了鉆孔施工、抽采、取制樣、瓦斯參數測試等4 類瓦斯治理關鍵信息，其中，鉆孔施工信息主要包括施工地點（包括統(tǒng)一坐標）、施工人員、設計參數、打鉆視頻、軌跡、驗收、所屬工作面和抽采單元（抽采孔）等；抽采信息包括接抽和拆管時間、單孔和抽采管路人工檢測等；取制樣信息包括樣品類別、取樣人員、取樣地點或鉆孔（鉆孔樣）、制樣人、粒度、所用設備等；瓦斯參數測試信息包括測試人、測試項目、所用設備、測試結果等。支持學習記錄、措施計劃量（包括階段計劃量）、鉆孔施工信息、預測/驗證測試信息、執(zhí)行進展記錄、落實檢查記錄、整體驗收記錄、各類瓦斯參數測試、抽采檢測數據等列表信息的批量導出；支持各類瓦斯參數測試單的動態(tài)生成和導出。

2.2 信息管控方法

瓦斯治理業(yè)務數據的管控通過以下方式：

1）部門技術人員或系統(tǒng)管理員根據井下生產實際切換各采掘工作面生命周期的不同階段來控制各類瓦斯治理子過程的進行。

2）各類瓦斯治理子過程通過審批后默認處于待執(zhí)行狀態(tài)，不能進行學習記錄、計劃內容、施工記錄、執(zhí)行進展、落實檢查、整體驗收、瓦斯參數和抽采檢測等模塊數據的錄入，執(zhí)行負責人或管理員可以根據井下現場實際進展將子過程的狀態(tài)切換為執(zhí)行、暫?；蛲瓿蔂顟B(tài)來控制上述數據的錄入。

3）在子過程執(zhí)行過程中，上述瓦斯治理業(yè)務數據信息錄入后需要通過錄入人所屬部門主管技術人員的審核。通過以上3 個層次的管控來確保數據的真實可靠。

3 瓦斯治理工作協(xié)同和追溯

3.1 瓦斯治理業(yè)務流設計

礦井瓦斯治理工作多人參與和跨部門協(xié)作的特點決定了其管理的難度，由于粗放型施工管理時常會出現流程責任不清晰，參與人和參與部門之間相互推諉，流程執(zhí)行過程不清晰，信息共享難，過程難監(jiān)控，流程優(yōu)化無據可循等問題。瓦斯治理業(yè)務流程化關系到煤礦信息化建設[22]，一直以來也是眾多學者密切關注的研究方向。它的目標是提高組織運作效率，打破部門間壁壘，增強橫向協(xié)作，加快信息傳遞；管理層能夠有效地監(jiān)督和控制礦井瓦斯治理工作的整體運作，確保組織決策得以有效地執(zhí)行；提高決策支持能力，擴大瓦斯治理工作管理的深度，進而觸發(fā)和推動業(yè)務流程的改進和優(yōu)化。

基于上述目標，對瓦斯治理過程中主要業(yè)務及其實施路徑進行了調研梳理，根據礦井瓦斯治理工作實際需求和流程設計原則，把瓦斯治理具體工作重構、拆分了25 個不同的基本工作單元，圍繞鉆孔施工、取制樣等關鍵基本工作單元，通過“串聯、與連、或連”進行組合，建立不同跨部門瓦斯治理復雜業(yè)務工作流程，主要瓦斯治理業(yè)務及其實施流程如圖5。將礦井的組織、角色模型數據融合進瓦斯治理業(yè)務工作流程中進行協(xié)同，瓦斯治理業(yè)務協(xié)同機制如圖6。

圖5 主要瓦斯治理業(yè)務及其實施流程Fig.5 Gas control activities and their implementation paths

圖6 瓦斯治理業(yè)務協(xié)同機制Fig.6 Collaborative mechanism of gas control business

從3 個方面來滿足流程管理動態(tài)性[23]：

1）在流程建模階段。利用流程再造技術對瓦斯治理業(yè)務進行工作流建模形成流程組件，根據業(yè)務需要通過拆分、重構、組合形成新的流程。

2）在流程實例運行階段。將業(yè)務流程中可能存在的并發(fā)分支事先定義出來，流程實例執(zhí)行到該處時，通過流程參數和流程規(guī)則，動態(tài)選擇某1 個分支繼續(xù)執(zhí)行，從而將不確定的定義轉換未確定的定義。

3）在修改對象上?？梢孕薷哪硞€定義，也可以修改某個流程實例的狀態(tài)，因此，流程定義的排序、狀態(tài)變遷、流程執(zhí)行者和流程實例等參數都可以進行修改，可以在規(guī)則定義階段進行修改，也可以在運行著的流程實例中進行修改。

瓦斯治理業(yè)務流程化打破了原有工作的部門和職能界限，將由不同部門完成的工作作為一個整體交給“流程所有者”負責，從而構造出一個完整的端到端流程，避免職能部門間流程接口問題，有利于瓦斯治理業(yè)務信息數據的快速流轉、追蹤和共享。

3.2 信息追溯方法

細則要求礦井瓦斯治理工作質量可靠、過程可溯。利用計算機技術開發(fā)瓦斯治理信息管控支撐系統(tǒng)，授予瓦斯治理參與人不同權限，實現各類瓦斯治理子過程實例化協(xié)同審批和各類瓦斯治理業(yè)務協(xié)同。對準備和執(zhí)行階段產生的用戶操作日志進行分類展示，實現瓦斯治理過程各環(huán)節(jié)追蹤，相關用戶登錄系統(tǒng)后可查看各類實例化子過程實施的過程信息。

4 應用實踐

基于B/S 架構開發(fā)了礦井瓦斯治理信息管理系統(tǒng)，部分成果在冀中能源股份有限公司東龐礦應用。在進行煤層、水平、采區(qū)劃分，巷道，回采工作面，班次，組織機構，人員，儀器設備，采掘進尺，預測指標臨界值等基礎信息管理的基礎上，實現各類實例化瓦斯治理子過程的協(xié)同審批、修訂和歸檔；支持學習記錄、措施階段計劃、鉆孔施工、預測/驗證測試、執(zhí)行進展記錄、落實檢查記錄、整體驗收記錄、瓦斯參數測試、抽采檢測等信息接入、錄入和關聯管理，報表批量導出；動態(tài)生成和導出各類瓦斯參數測試單，內附二維碼用于數據防偽；建立東龐礦井下地點樹，方便查看各類實例化瓦斯治理子過程的詳情、2 個“四位一體”綜合防突措施執(zhí)行情況概覽、過程信息等。

系統(tǒng)支持用戶訂閱井下地點瓦斯治理動態(tài)信息；支持用戶收藏各類實例化瓦斯治理子過程，方便快速查閱。

系統(tǒng)具有各類技術證件的管理和到期提醒功能；施工和測試多種數據報表的生成導出功能；措施執(zhí)行進度、審批動態(tài)、實例化子過程狀態(tài)、采掘和鉆孔進尺統(tǒng)計、儀器設備狀態(tài)、技術證件狀態(tài)、當日所測瓦斯參數等關鍵信息可視化大屏展示功能。

系統(tǒng)基于統(tǒng)一的數據標準對其他業(yè)務系統(tǒng)提供訪問接口，為基于“1 張圖”多層次應用和瓦斯災害多元信息綜合預警提供可靠的瓦斯治理業(yè)務數據。

5 結 語

1）基于過程控制理論建立了“總過程+子過程”形式的瓦斯治理過程模型，以防突細則附錄A 作為總過程，從礦井、煤層、水平、采（盤）區(qū)和工作面5個層次劃分計劃類、措施類、測試類、管理類等4 類20 種的瓦斯治理子過程，并描述了過程的特征參數和控制參數。過程模型的建立為瓦斯治理信息管控框架奠定了基礎。并可以根據煤礦瓦斯治理的需求來豐富和完善該過程模型。

2）針對瓦斯治理工作多人參與和跨部門協(xié)作的特點，把瓦斯治理具體工作重構、拆分了25 個不同的基本工作單元，并圍繞鉆孔施工、取制樣等關鍵基本工作單元建立不同跨部門瓦斯治理復雜業(yè)務動態(tài)工作流，以便瓦斯治理業(yè)務信息數據的快速流轉、追蹤、共享和深層次應用。

3）礦井瓦斯治理信息管理系統(tǒng)是瓦斯治理信息化重要的支撐，可實現實例化瓦斯治理子過程的審批信息、學習記錄、措施階段計劃量、鉆孔施工信息、預測/驗證測試信息、執(zhí)行進展記錄、落實檢查記錄、整體驗收記錄、各類瓦斯參數測試、抽采檢測數等瓦斯治理業(yè)務數據在礦井內部橫向和縱向流動，可保證礦井瓦斯治理工作管理的協(xié)同調度、集中管控。同時為基于“1 張圖”多層次應用和瓦斯災害多元信息綜合預警提供可靠的瓦斯治理業(yè)務數據。