瓦斯抽采效果智能評價系統(tǒng)構(gòu)建與應(yīng)用

相桂桂，路培超，彭富偉，楊永強

(1.永城煤電控股集團有限公司， 河南 永城 476600；2.光力科技股份有限公司， 河南 鄭州 450001；3.永煤集團股份有限公司 車集煤礦， 河南 永城 476600)

瓦斯抽采是礦井瓦斯治理的重要手段，抽采達標評判是瓦斯治理工作效果的檢驗[1-3]. 針對礦井抽采系統(tǒng)管理信息化、智能化程度低等問題，利用物聯(lián)網(wǎng)、數(shù)據(jù)挖掘分析等技術(shù)，以采掘工作面瓦斯抽采精準計量為基礎(chǔ)，結(jié)合瓦斯抽采達標評判技術(shù)體系，構(gòu)建瓦斯抽采效果智能評價系統(tǒng)，實現(xiàn)采掘面瓦斯抽采分單元計量、抽采達標效果動態(tài)評價、抽采系統(tǒng)異常分析，隨時了解瓦斯抽采達標狀況。

1 系統(tǒng)總體架構(gòu)設(shè)計

基于整體架構(gòu)的“系統(tǒng)化”構(gòu)思[4]，結(jié)合煤礦瓦斯抽采達標評判的應(yīng)用需求，充分考慮系統(tǒng)的監(jiān)測自動化、傳輸網(wǎng)絡(luò)化、分析智能化，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性等性能，創(chuàng)建瓦斯抽采效果智能評價系統(tǒng)架構(gòu)體系，實現(xiàn)礦井采掘面分單元瓦斯抽采計量與抽采效果動態(tài)評價。系統(tǒng)主要由地面監(jiān)控中心子系統(tǒng)、傳輸網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)、井下監(jiān)測監(jiān)控子系統(tǒng)3大部分組成，系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)見圖1.

圖1 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)圖

1) 地面監(jiān)控中心子系統(tǒng)。

地面監(jiān)控中心子系統(tǒng)由監(jiān)控服務(wù)器設(shè)備和系統(tǒng)軟件兩部分組成，是整個系統(tǒng)的監(jiān)控中心環(huán)境支撐基礎(chǔ)，通過部署的系統(tǒng)軟件提供對井下各類監(jiān)測信息的數(shù)據(jù)采集、分析、存儲、展示和應(yīng)用管理等，實現(xiàn)采掘工作面分單元瓦斯抽采效果評價、管理，以及數(shù)據(jù)聯(lián)網(wǎng)上傳。

2) 傳輸網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)。

傳輸網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)是數(shù)據(jù)交互紐帶，由環(huán)網(wǎng)交換機、網(wǎng)絡(luò)延伸設(shè)備、通信線纜等組成，可利用煤礦已建設(shè)的光纖環(huán)網(wǎng)，實現(xiàn)井下瓦斯抽采分元計量數(shù)據(jù)實時上傳與控制命令的下發(fā)。

3) 井下抽采分元計量子系統(tǒng)。

井下抽采分元計量子系統(tǒng)主要由管道瓦斯?jié)舛取⒇搲?、流量、溫度、一氧化碳等多參?shù)集成傳感器，以及監(jiān)測數(shù)據(jù)采集、上傳、控制的監(jiān)控分站等組成；采掘面按照瓦斯抽采分單元計量測點部署要求安裝抽采監(jiān)測設(shè)備，實現(xiàn)采掘工作面、各評價單元及鉆場(鉆孔)等地點的瓦斯抽采分元計量。

2 系統(tǒng)功能設(shè)計

瓦斯抽采效果智能評價系統(tǒng)主要設(shè)計功能模塊，見圖2.

圖2 系統(tǒng)主要功能模塊圖

2.1 系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集

通過部署瓦斯抽采泵站、主管、干管、支管及評價單元等區(qū)域的管道瓦斯監(jiān)測設(shè)備，動態(tài)獲取各測點的瓦斯抽采監(jiān)測數(shù)據(jù)，利用監(jiān)控分站、交換機等設(shè)備，實現(xiàn)瓦斯抽采監(jiān)測數(shù)據(jù)實時采集，自動測算瓦斯抽采累計量，作為瓦斯抽采達標評判的抽采計量數(shù)據(jù)[5-7]. 根據(jù)采掘面瓦斯抽采達標評判標準要求，系統(tǒng)支持包括達標殘余瓦斯含量、達標可解吸瓦斯量、瓦斯抽采率等參數(shù)定義，作為瓦斯抽采效果動態(tài)達標評判的依據(jù)。

2.2 瓦斯抽采效果動態(tài)評價

根據(jù)《煤礦瓦斯抽采達標暫行規(guī)定》、《防治煤與瓦斯突出細則》等要求，構(gòu)建瓦斯抽采達標評判技術(shù)體系，基于大數(shù)據(jù)挖掘等技術(shù)，建立瓦斯抽采效果評價模型、抽采達標預(yù)測模型和抽采效果驗證模型，實現(xiàn)采掘工作面及各評價單元的瓦斯抽采效果動態(tài)評價，及時了解瓦斯抽采達標預(yù)抽期，便于調(diào)整抽采措施方案，確保各評價單元按計劃完成抽采達標，進而實現(xiàn)工作面采掘前、采掘中、采掘后全過程的瓦斯抽采達標動態(tài)管理。

1) 采掘前瓦斯抽采效果分元評價。

工作面采掘作業(yè)前，系統(tǒng)基于瓦斯抽采評價區(qū)域的抽采監(jiān)測數(shù)據(jù)、煤層瓦斯基礎(chǔ)參數(shù)、瓦斯抽采達標評價標準等，建立瓦斯抽采效果評價模型，實現(xiàn)瓦斯抽采效果評價指標自動測算、抽采效果達標自動評判。根據(jù)瓦斯抽采進度、瓦斯抽采量、預(yù)抽達標量等參數(shù)，建立瓦斯抽采達標時間預(yù)測模型，基于評價區(qū)域瓦斯抽采量變化趨勢，實現(xiàn)瓦斯抽采達標預(yù)抽期、續(xù)抽期自動估算。建立瓦斯抽采效果驗證模型，根據(jù)階段性人工實測瓦斯指標數(shù)據(jù)，與抽采效果評價指標測算數(shù)據(jù)對比，動態(tài)修正系統(tǒng)建立的抽采效果評價模型。為工作面采掘前的防突效果、預(yù)抽瓦斯效果達標評判提供動態(tài)的管理手段。抽采效果評價信息流程見圖3.

圖3 抽采效果評價信息流程圖

2) 采掘中瓦斯抽采達標動態(tài)評判。

在采掘過程中，對瓦斯抽采的實際效果進行動態(tài)達標評判，實現(xiàn)工作面瓦斯抽采率、煤層殘余瓦斯量、礦井瓦斯抽采率等測算，以及工作面的月度瓦斯抽采達標評價。工作面采掘期間，如果出現(xiàn)瓦斯評判不達標的情況，系統(tǒng)會及時發(fā)出報警，提醒相關(guān)部門分析原因，采取措施抽采達標后，方可恢復(fù)作業(yè)，為工作面的開采過程提供更加精細化的抽采達標評價。

3) 采掘結(jié)束后瓦斯抽采達標總結(jié)。

工作面采掘結(jié)束后，系統(tǒng)自動將工作面瓦斯抽采達標全過程的資料打包、歸檔、存儲，實現(xiàn)“一工作面、一工程、一檔案”管理，便于后期資料查閱；系統(tǒng)通過工作面瓦斯抽采數(shù)據(jù)分析、瓦斯抽采效果評判質(zhì)量，計算瓦斯抽采效果評價的關(guān)鍵指標，分析瓦斯抽采規(guī)律，為后續(xù)采掘工作面的瓦斯抽采設(shè)計、抽采效果評價提供參考依據(jù)。

2.3 抽采系統(tǒng)異常分析

系統(tǒng)基于瓦斯抽采監(jiān)測參數(shù)關(guān)聯(lián)、測點關(guān)聯(lián)、業(yè)務(wù)關(guān)聯(lián)等分析邏輯，利用大數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)手段，根據(jù)行業(yè)標準、理論研究和現(xiàn)場經(jīng)驗，構(gòu)建抽采系統(tǒng)異常分析模型、異常處置模型，實現(xiàn)瓦斯抽采管網(wǎng)漏氣、堵塞等異常分析，抽采測點瓦斯異常涌出分析，以及抽采設(shè)備故障自診斷，并及時發(fā)出報警信息[8-10]. 系統(tǒng)建立自學(xué)習(xí)機制，對不確定性異常進行模型優(yōu)化，以提高異常診斷的準確性。

2.4 可視化圖形管理

系統(tǒng)基于系統(tǒng)導(dǎo)航圖、拓撲圖、抽采效果評價圖等多種可視化監(jiān)控與展示方式，支持礦井CAD、SVG等文件導(dǎo)入作為系統(tǒng)底圖，部署瓦斯抽采計量測點、抽采管路、抽采效果評價等圖元，實現(xiàn)煤礦瓦斯抽采基于礦井、采掘面、抽采巷道、評價單元的多維度展示，構(gòu)建瓦斯抽采效果評價“一張圖”，直觀呈現(xiàn)瓦斯抽采的實時監(jiān)測數(shù)據(jù)、設(shè)備狀態(tài)信息、抽采效果評價信息和抽采系統(tǒng)異常診斷信息等。

系統(tǒng)可視化圖形監(jiān)控以多種顏色動態(tài)展示采掘工作面及評價單元的抽采效果評價結(jié)果，便于人員直觀了解工作面瓦斯抽采達標狀況；抽采系統(tǒng)出現(xiàn)異常狀況時，可及時定位故障地點，發(fā)出報警提醒，便于人員處理故障。此外，為方便全面了解礦井瓦斯抽采效果評價信息，點擊圖形上抽采泵站、采掘工作面、評價單元等區(qū)域，系統(tǒng)自動彈出該區(qū)域抽采監(jiān)測與效果評價的詳細數(shù)據(jù)。

2.5 系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置

系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置包括用戶角色設(shè)置、權(quán)限管理、系統(tǒng)參數(shù)配置、系統(tǒng)日志查詢、移動應(yīng)用管理等功能。用戶角色設(shè)置實現(xiàn)用戶賬號管理、管理員、普通用戶等角色設(shè)置。用戶權(quán)限管理可實現(xiàn)用戶操作權(quán)限、操作菜單等添加、編輯和刪除等功能。參數(shù)配置包括系統(tǒng)名稱設(shè)置、班次管理、報警設(shè)置、門限設(shè)置、全局管理等功能。系統(tǒng)日志查詢具有用戶操作、系統(tǒng)運行等日志查詢與管理功能。

3 現(xiàn)場應(yīng)用分析

河南能源化工集團永煤公司下屬某煤礦，為煤與瓦斯突出礦井，選擇處于預(yù)抽階段的采煤工作面開展試點應(yīng)用研究。通過現(xiàn)場應(yīng)用分析，優(yōu)化系統(tǒng)構(gòu)建的抽采效果評價模型、抽采系統(tǒng)異常分析模型，提高瓦斯抽采達標效果評價、抽采管網(wǎng)堵漏等異常診斷結(jié)果的準確性和可靠性。

1) 抽采達標效果評價可視化。

通過試點工作面及各評價單元的煤層瓦斯基礎(chǔ)參數(shù)錄入、抽采監(jiān)測數(shù)據(jù)實時采集、抽采達標評判標準參數(shù)定義，建立工作面瓦斯抽采效果分元評價體系，實現(xiàn)工作面及各評價單元的抽采效果動態(tài)評價，提供如抽采效果評價圖、抽采測點監(jiān)控、監(jiān)測報表、柱狀圖、曲線等多種可視化展示方式。系統(tǒng)構(gòu)建有多元信息“一張圖”的抽采效果評價與展示模型，實現(xiàn)工作面分單元瓦斯抽采效果評價數(shù)據(jù)直觀展示、抽采達標狀況精準掌控，見圖4.

圖4 工作面瓦斯抽采效果指標動態(tài)測算圖

2) 抽采系統(tǒng)異常自動分析與報警。

系統(tǒng)基于瓦斯抽采大數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)，建立抽采系統(tǒng)異常分析模型，通過瓦斯抽采測點參數(shù)和測點關(guān)聯(lián)屬性定義，根據(jù)抽采測點瓦斯?jié)舛?、流量、負壓等監(jiān)測數(shù)據(jù)波動狀況，利用多參數(shù)監(jiān)測曲線、同測點不同參數(shù)曲線、關(guān)聯(lián)測點曲線綜合分析，及時發(fā)現(xiàn)抽采系統(tǒng)存在的管道漏氣、堵塞等異常，并發(fā)出異常報警提示。例如，系統(tǒng)運行一段時間后，第3個評價單元測點的抽采流量監(jiān)測數(shù)據(jù)逐漸下降，而瓦斯?jié)舛?、抽采負壓基本不變，瓦斯抽采純流量逐漸降低，系統(tǒng)發(fā)出可能出現(xiàn)管道堵塞異常提醒；通過將井下抽采監(jiān)測設(shè)備取出、清理維護后，流量監(jiān)測數(shù)據(jù)恢復(fù)正常。

3) 抽采達標效果分析報表生成。

系統(tǒng)可自動生成日常抽采監(jiān)測與抽采效果分析報表、報告。以預(yù)抽效果指標分析報表為例，選擇工作面、評價單元以及抽采時間階段，可查詢工作面各評價單元預(yù)抽瓦斯效果指標，并支持報表導(dǎo)出、打印。分析報表內(nèi)容包括每個評價單元的煤層瓦斯基礎(chǔ)參數(shù)信息、預(yù)抽鉆孔進尺和預(yù)抽開始時間信息，以及預(yù)抽瓦斯效果評價指標，如抽采累計量、計算殘余瓦斯含量、計算可解吸瓦斯量、瓦斯抽采率和預(yù)計抽采達標時間等，便于管理人員隨時掌握工作面抽采達標狀況。

4 結(jié) 論

以瓦斯抽采精細化管理為目標，利用物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)挖掘、可視化分析等技術(shù)，開展瓦斯抽采達標動態(tài)評判研究，構(gòu)建瓦斯抽采效果分元評價模型、抽采系統(tǒng)異常智能診斷模型，設(shè)計開發(fā)了瓦斯抽采效果分元動態(tài)評價系統(tǒng)。通過現(xiàn)場試點應(yīng)用，實現(xiàn)了工作面及各評價單元區(qū)域瓦斯抽采的可視化綜合監(jiān)測、分元達標評價、曲線分析評價、異常報警等功能，為煤礦瓦斯抽采達標評判提供智能化手段。