煤礦瓦斯監(jiān)測值特征分析與預(yù)警技術(shù)研究

摘" 要：在四川川煤華榮能源有限責(zé)任公司聯(lián)網(wǎng)平臺和下屬20對礦井安全監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，通過分析和挖掘瓦斯監(jiān)測數(shù)據(jù)特征規(guī)律，研究提出瓦斯突變、瓦斯長期不變、瓦斯偏離均值、瓦斯長期趨勢和瓦斯短期趨勢等預(yù)警算法，并構(gòu)建瓦斯預(yù)警平臺，包含分析服務(wù)、Web客戶端、手機(jī)APP等軟件，實(shí)現(xiàn)瓦斯監(jiān)測預(yù)測預(yù)警，分級消息推送，預(yù)警處置閉環(huán)等功能，為防范瓦斯風(fēng)險，保障礦井安全生產(chǎn)提供信息化、自動化和智能化的技術(shù)支撐。

關(guān)鍵詞：瓦斯治理；數(shù)據(jù)挖掘；算法分析；預(yù)測預(yù)警；煤礦

中圖分類號：TD712" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2024）32-0094-05

Abstract： Based on the networked platform of Sichuan Chuanmei Huarong Energy Co.， Ltd. and 20 pairs of mine safety monitoring system data， by analyzing and exploring the characteristics and laws of gas monitoring data， early warning algorithms such as gas sudden change， gas long-term unchanged， gas deviation from the mean value， gas long-term trend， gas short-term trend， etc. have been built， including analysis services， Web clients， mobile APP and other software， to realize gas monitoring， prediction and early warning， and hierarchical message push. Functions such as early warning and disposal closed-loop provide informatization， automation and intelligent technical support for preventing gas risks and ensuring safe production in mines.

Keywords： gas control; data mining; algorithm analysis; prediction and early warning; coal mine

瓦斯災(zāi)害是煤礦安全生產(chǎn)的重大威脅，2016—2022年，全國煤礦重大安全事故50%以上都與瓦斯爆炸有關(guān)，近年來，在陜西、貴州、吉林、四川等地，發(fā)生多起瓦斯重大事故，造成巨大的人員和經(jīng)濟(jì)損失[1-2]。目前，各瓦斯礦井均裝備有安全監(jiān)控系統(tǒng)[3]，各煤礦集團(tuán)公司、省市監(jiān)察單位，也均對安全監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)進(jìn)行了聯(lián)網(wǎng)[4-5]，瓦斯監(jiān)測監(jiān)控手段日趨完善。四川川煤華榮能源有限責(zé)任公司，依托下屬20對礦井瓦斯監(jiān)測數(shù)據(jù)，制定了多種瓦斯特征分析算法，識別異常波動瓦斯并預(yù)警[6-12]，通過及時處置預(yù)警信息，形成閉環(huán)，能有效減少瓦斯超限風(fēng)險，提高礦井安全生產(chǎn)能力。

1" 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

系統(tǒng)主要由3層架構(gòu)組成，包括數(shù)據(jù)統(tǒng)一網(wǎng)關(guān)、數(shù)據(jù)分析服務(wù)和業(yè)務(wù)展現(xiàn)層，如圖1所示。

系統(tǒng)支持從各廠家安全監(jiān)控、各級聯(lián)網(wǎng)平臺中，通過文本文件、消息隊列、Web API等多種方式獲取瓦斯監(jiān)測數(shù)據(jù)，并通過數(shù)據(jù)統(tǒng)一網(wǎng)關(guān)，整理成統(tǒng)一的元數(shù)據(jù)，供數(shù)據(jù)分析服務(wù)使用。

數(shù)據(jù)分析服務(wù)，負(fù)責(zé)多種瓦斯特征分析算法實(shí)現(xiàn)，包括瓦斯突變、一氧化碳突變、瓦斯長期不變、瓦斯長短期趨勢等，形成分析結(jié)果，并實(shí)例化存儲在數(shù)據(jù)庫中。

業(yè)務(wù)展現(xiàn)層，負(fù)責(zé)展現(xiàn)數(shù)據(jù)分析結(jié)果，統(tǒng)計瓦斯異常波動的時間、空間分布，并可通過多種方式，按預(yù)警結(jié)果推送至相關(guān)人員，提醒其及時處置，完成特征識別分析、預(yù)警、處置、填報和銷號的閉環(huán)。

2" 系統(tǒng)算法設(shè)計及功能實(shí)現(xiàn)

四川川煤華榮能源有限責(zé)任公司（簡稱“川煤華榮”）現(xiàn)有生產(chǎn)礦井20對，其中，瓦斯突出礦井7對，高瓦斯礦井12對，瓦斯災(zāi)害較為嚴(yán)重，20對礦井安全監(jiān)控系統(tǒng)建設(shè)概況見表1。

2017年，為響應(yīng)國家安全監(jiān)管總局《煤礦安全生產(chǎn)在線監(jiān)測聯(lián)網(wǎng)備查系統(tǒng)通用技術(shù)要求和數(shù)據(jù)采集標(biāo)準(zhǔn)（試行）》要求，公司建設(shè)了“川煤華榮能源煤礦安全綜合監(jiān)管云平臺”（簡稱“106聯(lián)網(wǎng)平臺”），實(shí)現(xiàn)了對下屬全部礦井安全監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)聯(lián)網(wǎng)。

系統(tǒng)充分利用已有的軟硬件資源，直接從106聯(lián)網(wǎng)平臺讀取和分析瓦斯監(jiān)測數(shù)據(jù)，相比于從礦端多個廠家安全監(jiān)控系統(tǒng)中讀取數(shù)據(jù)，減少了軟件運(yùn)維成本和硬件成本，系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)圖如圖2所示。

通過對川煤華榮下屬煤礦瓦斯監(jiān)測值變化情況分析，結(jié)合公司瓦斯治理實(shí)際情況，挖掘出以下特征分析算法。

2.1" 瓦斯突變分析

《國家礦山安全監(jiān)察局關(guān)于加強(qiáng)煤與瓦斯突出防治工作的通知》（礦安〔2022〕68號）第七條指出：煤礦采掘作業(yè)過程中有瓦斯異常情況（瓦斯忽大忽小，變化超過0.2個百分點(diǎn)）時，要立即停止生產(chǎn)，分析原因，制定措施。為有效識別（礦安〔2022〕68號）文中的“瓦斯異常情況”，制定了瓦斯突變分析算法。算法的制定，既要能有效識別異常波動瓦斯，防范瓦斯超限風(fēng)險，保證安全生產(chǎn)，也要盡可能排除生產(chǎn)過程（爆破或采煤機(jī)割煤時）的正常波動情況，保證煤礦生產(chǎn)連續(xù)性[13]。達(dá)到瓦斯突變，需滿足以下條件

2.2 一氧化碳突變分析

一氧化碳是引起瓦斯爆炸的主要?dú)怏w之一，其異常是發(fā)生煤層自燃的先兆，《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定井下一氧化碳濃度最大允許值為24 ppm。川煤華榮下屬礦井一氧化碳監(jiān)測值一般均為0 ppm?？紤]到花山煤礦所在地攀枝花鋼鐵產(chǎn)業(yè)規(guī)模較大，空氣中一氧化碳濃度較高，選取3 ppm作為預(yù)警值，為有效防范一氧化碳超限事故，形成瓦斯突變分析算法如下

xgt;3 ppm ， （3）

式中：x代表一氧化碳實(shí)時監(jiān)測值，典型一氧化碳突變曲線如圖4所示。

2.3" 瓦斯長期不變分析

除避難硐室或回風(fēng)瓦斯外，瓦斯傳感器受井下復(fù)雜環(huán)境和生產(chǎn)通風(fēng)過程影響，應(yīng)當(dāng)呈現(xiàn)數(shù)據(jù)波動，當(dāng)瓦斯傳感器出現(xiàn)掉落、碰撞、進(jìn)水或傳感器老化等情況，可能導(dǎo)致瓦斯傳感器故障，致數(shù)據(jù)失真，長期不變。通過瓦斯不變分析，識別長期不變瓦斯，能保證瓦斯監(jiān)測值正確性，使值機(jī)人員準(zhǔn)確掌握井下瓦斯的真實(shí)信息。通過對多個波動不明顯瓦斯傳感器數(shù)據(jù)曲線分析，發(fā)現(xiàn)當(dāng)瓦斯數(shù)據(jù)3天內(nèi)最大最小值差值小于0.02時，該瓦斯傳感器可能存在異常情況，公式為

xmax-xminlt;|0.02%| ， （4）

式中：xmax代表3天內(nèi)的瓦斯最大值，xmin代表3天內(nèi)瓦斯最小值。

典型長期不變瓦斯曲線如圖5所示。

2.4" 瓦斯偏離均值分析

煤與瓦斯突出對采掘工作面的安全生產(chǎn)構(gòu)成了極大威脅，通常，典型的煤與瓦斯突出災(zāi)前征兆，瓦斯?jié)舛入S時間呈現(xiàn)緩慢上升特征[14]。瓦斯偏離均值分析算法，能有效識別煤與瓦斯突出等災(zāi)害征兆，防范災(zāi)害風(fēng)險，其與瓦斯突變分析主要差別在于瓦斯上升速度，采取的管控措施也不同，瓦斯偏離均值分析共有以下5個步驟。

1）計算單個瓦斯5天均值，得到Avgx。

2）當(dāng)瓦斯偏離均值開始需達(dá)到以下條件，記錄ts，視為偏離開始時間。

xnowgt;0.4%∩（xnowgt;（Avgx+0.2）∪xnowgt;（1.3×Avgx））。

（5）

3）當(dāng)瓦斯開始偏離后，達(dá)到以下條件，記錄te，視為偏離結(jié)束時間。

Avgxgt;Avg+0.02 。 （6）

4）當(dāng)當(dāng)前時間tnow-tsgt;1 h，視作偏離均值，代表該瓦斯監(jiān)測值處于緩慢上升狀態(tài)，典型的瓦斯偏離均值曲線如圖6所示。

2.5" 瓦斯短期趨勢分析

三次指數(shù)平滑法[15-17]是指數(shù)平滑法的一種，適用于時間序列呈現(xiàn)拋物線趨勢的非線性數(shù)據(jù)，使用便捷，在各個領(lǐng)域均有應(yīng)用，使用近30 min瓦斯監(jiān)測數(shù)據(jù)，采用三次指數(shù)平滑法，可對瓦斯短期濃度變化情況進(jìn)行預(yù)測。其計算公式為

式中：T為預(yù)測的超前期數(shù)，Yt+T為第t+T期的預(yù)測值；α表示靜態(tài)平滑系數(shù)，α取值在0到1之間，α取值越大，即離預(yù)測值近的歷史數(shù)據(jù)對于預(yù)測值的影響越大，結(jié)合瓦斯監(jiān)測值采集頻率、數(shù)值變化特點(diǎn)等，取α= 0.1；m代表平滑初值，取前三期數(shù)據(jù)的平均數(shù)作為m。瓦斯預(yù)測曲線如圖7所示，其中，圖片左側(cè)曲線代表瓦斯監(jiān)測值，右側(cè)曲線代表瓦斯預(yù)測值。

2.6" 瓦斯長期趨勢分析

瓦斯長期趨勢分析可識別瓦斯從巖體或煤體裂隙和孔洞中長時間緩慢涌出情況，通過最小二乘法[18-20]，判斷瓦斯長期趨勢，可在瓦斯堆積的初期，發(fā)現(xiàn)風(fēng)險，防范瓦斯進(jìn)一步升高。方法如下。

1）針對每個監(jiān)測點(diǎn)計算統(tǒng)計周期t內(nèi)監(jiān)測點(diǎn)的每日均值。統(tǒng)計周期t應(yīng)適當(dāng)選取較長時期，如1個月或3個月。

2）根據(jù)每日均值，得到統(tǒng)計周期t內(nèi)瓦斯?jié)舛葧r間序列。

3）采用最小二乘法對時間序列進(jìn)行擬合，得到形如y=ax+b的擬合曲線。a即為監(jiān)測點(diǎn)的趨勢表征，a值越大，代表瓦斯上升趨勢越明顯。

4）當(dāng)agt;0.3時，視為長期上升趨勢瓦斯。

典型的長期上升趨勢瓦斯曲線如圖8所示。

3" 預(yù)警信息處置閉環(huán)

四川川煤華榮能源有限責(zé)任公司針對不同的預(yù)警信息，制定了多套預(yù)警處置閉環(huán)方法，當(dāng)突變預(yù)警、偏離均值預(yù)警發(fā)生時，通過聲光報警、APP通知、短信等方式，及時通知公司管理人員、煤礦管理人員和調(diào)度室值班人員，要求煤礦落實(shí)責(zé)任人，并在2 h內(nèi)，排查預(yù)警原因，8 h內(nèi)，完成預(yù)警處置，并在預(yù)警系統(tǒng)中，填報處理過程，完成預(yù)警銷號，形成閉環(huán)。預(yù)警系統(tǒng)建成后，有效減少了人工識別預(yù)警信息的人力物力成本和礦井瓦斯報警次數(shù)，提升了公司安全生產(chǎn)能力。

4" 結(jié)論

1）通過分析四川川煤華榮能源有限責(zé)任公司下屬20對礦井瓦斯監(jiān)測數(shù)據(jù)，制定了瓦斯突變、一氧化碳突變、長期不變、偏離均值和長短期趨勢等多種基于數(shù)理統(tǒng)計的瓦斯預(yù)測分析算法。

2）結(jié)合分析算法，建設(shè)支持安全監(jiān)控系統(tǒng)，各煤礦集團(tuán)公司、省市監(jiān)察單位聯(lián)網(wǎng)平臺數(shù)據(jù)的瓦斯預(yù)警系統(tǒng)，并形成了預(yù)警識別、通知、處置、銷號的閉環(huán)。

3）算法的設(shè)計和系統(tǒng)的建設(shè)，均是依據(jù)瓦斯監(jiān)測值的數(shù)理特征，未考慮生產(chǎn)過程、井下環(huán)境、通風(fēng)情況等對瓦斯數(shù)值的影響，具有一定局限性。

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