數字礦山瓦斯防治管理與分析決策系統的研究與實現

馮占科

(神華和利時信息技術有限公司，北京 100011)

數字礦山瓦斯防治管理與分析決策系統的研究與實現

馮占科

(神華和利時信息技術有限公司，北京 100011)

根據煤礦的實際情況，研究開發一套較為實用的瓦斯防治管理與分析決策系統，對減少煤礦瓦斯災害事故具有重大的現實意義。本文通過數字礦山瓦斯防治管理與分析決策系統的瓦斯防治數據庫、瓦斯管理指標體系、瓦斯防治管理、瓦斯分析決策駕駛倉四個方面的研究與實現闡述了煤炭企業的瓦斯防治管理與分析決策的建立過程。

數字礦山 瓦斯防治 瓦斯分析決策

1 系統的提出背景

煤礦瓦斯事故防治是煤礦安全管理的重要工作。煤礦瓦斯事故中死亡人數占煤礦事故死亡人數的比例偏大，我國一次死亡10人以上重特大瓦斯事故死亡人數占69.5%，一次死亡百人以上重特大瓦斯事故死亡人數占65.4%，國外一次死亡30人以上重特大瓦斯事故死亡人數占95.3%。神華集團在啟動的“數字礦山生產執行系統(cMES)”項目中包含“一通三防”、綜合分析相關內容，其中針對礦山瓦斯防治管理與分析決策系統進行了研究與實現，本文將通過瓦斯防治數據庫、瓦斯管理指標體系、瓦斯防治管理、瓦斯分析決策駕駛倉四個方面的研究與實現闡述了煤炭企業的瓦斯防治管理與分析決策的建立過程。

2 系統的設計與實現

數字礦山瓦斯防治管理與分析決策系統基于B/S模式，利用JAVA語言開發，底層框架實現了MVC和AOP模式。系統架構包括四方面內容瓦斯防治數據庫、瓦斯管理指標體系、瓦斯防治管理、瓦斯分析決策駕駛倉，具體架構見圖1所示。

圖1 數字礦山瓦斯防治管理與分析決策系統架構圖

2.1 瓦斯防治數據庫

數字礦山瓦斯防治管理與分析決策系統的數據庫使用Oracle 11g數據庫，數據庫中不僅存儲了瓦斯防治管理的業務數據，而且還集成了瓦斯流量監測系統、煤礦安全監測聯網系統，通過ETL工具定時將瓦斯流量計的濃度、瓦斯流量計的流量、瓦斯監測儀器瓦斯濃度等數據經過抽取、轉換、清洗后到數字礦山瓦斯防治管理與分析決策系統的數據庫中，為分析決策提供了數據基礎。

集成瓦斯流量監測系統數據包括泵站、流量計監測數據信息，其中流量計監測數據包括鉆孔流量、鉆場流量及抽放地點的流量數據。集成煤礦安全監測聯網系統系統數據包括瓦斯、氧氣、二氧化碳測點的濃度值、測點報警等信息。

2.2 瓦斯管理指標體系

通過調研煤炭企業的實際需求并結合《煤礦瓦斯災害防治及利用技術手冊》、《煤礦總工程師技術手冊》《AQ 1027—2006煤礦瓦斯抽放規范》、《煤礦瓦斯抽采基本指標》等國家標準和行業標準，研究過程中梳理建立了一套“實用、實際、實效”的瓦斯管理指標體系，如表1所示部分指標，建立一套標準指標體系通過設置參數滿足煤礦、子(分)公司不同的管理要求，并將指標體系以樹形結構形式存儲在系統中方便擴展和調用。

表1 瓦斯管理指標體系部分指標

2.3 瓦斯防治管理

瓦斯防治管理包含瓦斯等級鑒定、瓦斯檢查、瓦斯抽采、瓦斯排放、瓦斯報表五部分內容。

(1)瓦斯等級鑒定

煤礦每年對瓦斯進行等級鑒定，由通風科組織牽頭，其他部門聯合組織外部單位對煤礦瓦斯涌出量進行等級鑒定，系統對鑒定進行管理包括鑒定煤礦、鑒定礦井、鑒定等級、鑒定日期、組織鑒定機構、審批單位、礦井絕對瓦斯涌出量、礦井相對瓦斯涌出量、礦井絕對CO2涌出量、礦井相對CO2涌出量、采面最大絕對瓦斯涌出量、掘進面最大絕對瓦斯涌出量、煤與瓦斯突出情況、瓦斯噴出情況等。

(2)瓦斯檢查

首先要建立檢查點，在煤礦地質資源中建立巷道、工作面的同時，為了管理瓦斯超限報警，同時按照規程及實際情況建立瓦斯檢查點。瓦斯檢查點是在地質資源信息的基礎上建立的，依附于地質資源信息的檢查點。在地質資源樹中找到相應檢查點所對應的位置信息，系統能根據地質資源按照煤炭規程中規定的瓦斯檢查點加載到該地質樹的相應節點：①采煤工作面：進風流、工作面、回風隅角、回風流；②掘進工作面：工作面、回風流；③硐室：變電所、充電硐室、水泵房、移動抽放泵站、注氮硐室；④局扇吸風口、局扇配電點。設置相應的值地點類型、CH4報警上限濃度、CH4斷電濃度、CH4復電濃度、CO2報警上限濃度、CO報警上限濃度、O2報警下限濃度、H2S報警上限濃度、H2報警上限濃度、狀態、錄入人、錄入時間。

建立檢查點后根據檢查點進行瓦斯檢查記錄，瓦斯礦井瓦檢員每天對礦井3班，每班2次進行檢查；高瓦斯礦井每天3班，每班3次。檢查地點按照每月制定的瓦斯檢查點設置計劃中規定的測點，如有特殊情況，檢查點多于計劃中測點。具體檢查內容包括檢查地點、班次、檢查時間、CH4、CO2、CO、O2、H2、H2S、瓦檢員、備注信息。如數據超出設定上限值則按照不同顏色進行提示，如1.5%級提示黃色；1.5%～3.0%提示橙色，3.0%以上提示紅色，且超限記錄留存到數據表中，標示為超限顯示1，未超限顯示0，以便后續業務使用。

(3)瓦斯抽采

瓦斯抽采作業屬于煤礦一通三防的重點工程。瓦斯抽采指向煤層、巖層中和瓦斯集聚區域打鉆，將鉆孔接在專用的管路上，用抽采設備將煤層和采空區中的瓦斯抽至地面，加以利用；或排放至總回風流中，抽采瓦斯不僅是降低開采過程中的瓦斯涌出量、防止瓦斯超限和積聚，預防瓦斯爆炸和煤與瓦斯突出事故的重要措施，還可變害為利，作為煤炭伴生的資源加以開發利用。

瓦斯抽采年度計劃：包括年度瓦斯抽放量、利用量、鉆孔量、管理長度主要參數。由各礦編制審批，并提交公司、集團審批，審核通過后下發，各礦以此計劃為本年度生產執行目標數量。

瓦斯抽采月度計劃：包括月度瓦斯抽放量、利用量、鉆孔量、管理長度主要參數。由各礦編制審批后下發，各礦以此計劃為本年度生產執行目標數量。

瓦斯泵房管理：分井上永久泵房、井下臨時泵房、移動泵站，泵房中瓦斯泵安設2～3臺，一主一備一修。瓦斯泵分為高、低壓瓦斯泵。含煤礦、礦井、泵站名稱、狀態、泵站類型、泵站位置、泵站位置說明、用途、所屬盤區、瓦斯泵、瓦斯泵編碼、抽放泵型號、配套電機功率、配套管路、額定流量、狀態、備注、安裝日期、安裝人等信息。

鉆孔管理：瓦斯抽采要向煤層、巖層中和瓦斯集聚區域打鉆， 鉆孔分為穿層鉆孔、走向長鉆孔。鉆孔管理包括施工單位每班記錄的鉆孔作業信息，包括位置、孔號、進尺等相關信息。含礦井、抽采工單、所屬鉆場、使用鉆機鉆孔編號、鉆孔類型、業務類型、孔號、孔徑、狀態、孔深、傾角、孔內層描述、是否噴孔、備注等信息。

安裝工程管理：包括瓦斯泵、管路安裝工程量統計。含煤礦、礦井、抽采工單、泵站安裝信息、瓦斯泵編碼、抽放泵型號、配套電機功率、所屬泵站、配套管路、額定流量、狀態、備注、安裝日期、安裝人、管路安裝量、抽采地點、安裝類別、抽放管路類、型號、工程量、備注、安裝人、安裝日期、驗收人等信息。

鉆機管理：瓦斯抽采要向煤層、巖層中和瓦斯集聚區域打鉆， 根據抽采計劃、地質情況，鉆場安設鉆機打鉆孔，鉆機分為常規鉆機、千米定向鉆機、螺旋鉆機。含煤礦、礦井、鉆機編號、鉆機型號、鉆機功率、鉆機類型、狀態、備注等信息。

瓦斯抽采地點管理：瓦斯抽采地點管理是對瓦斯抽采模塊中涉及到的瓦斯抽采地點進行統一維護與調用。包含煤礦、礦井、地點、地點類型、地點說明、抽采方法、開始抽采時間、結束抽采時間、瓦斯含量、瓦斯儲量、回采前可解吸瓦斯量、回采前瓦斯含量、原始壓力、卸壓后壓力、所屬泵站、所屬區域等信息。

抽采地點監測指對借助鉆孔、巷道或采空區埋管等工程設施收匯瓦斯源，經管路和瓦斯泵等裝備進行安全抽采，檢測、監測、壓送。井下抽采地點瓦斯流量定期監測并記錄，含煤礦、礦井、抽采地點、采集人、采集時間、CH4、負壓、混合流量、純瓦斯量、壓差、天數等信息。

瓦斯抽采泵站監測指實時監控管網瓦斯濃度、壓力、壓差、流量、溫度參數及設備的開停狀態等。瓦斯抽采泵站數據以人工監測為主，每小時觀測一次并錄入臺賬。瓦斯抽采泵包括地面固定泵站、井下移動泵站抽采泵。含煤礦、礦井、泵站、采集人、采集時間、瓦斯濃度、負壓、標況混合流量、標況純瓦斯量、溫度、壓差、天數等信息。

(4)瓦斯排放

瓦斯排放指瓦斯抽采的瓦斯或井下積聚瓦斯，通過風排、管排等方式排放到指定瓦斯治理巷的過程。通風隊技術員編制排放信息。系統管理包括礦井、排放地點、地點類型、地點說明、工單名稱、排放原因、排放級別、排放開始時間、排放結束時間、排放量、排放方法、排放方式、是否計劃內、排放路線、CH4濃度、CO2濃度、混合CH4濃度、混合CO2濃度、瓦檢員、跟班負責人、排放責任人、現場責任人等管理信息。

(5)瓦斯報表

將瓦斯檢查記錄，系統按照日期形成瓦斯日報。取當班、相同地點最大值，氧氣取最小值。形成報表后由技術員或系統管理員對報表進行審核，提交，走審批流。報表中包含編號、日期、檢查地點、CH4-晚班(8點)、CH4-早班(8點)、CH4-中班(16點)、CO2-晚班(8點)CO2-早班(8點)、CO2-中班(16點)、其他氣體、備注等管理信息，按照通風隊、通風科、通風副總、總工程師、礦長流程進行審批。

2.4 瓦斯分析決策駕駛倉

數字礦山瓦斯防治管理與分析決策系統從國家標準、行業標準、安全規程、神華集團考核要求及煤礦要求提取了多個指標，建立了一套指標體系。建立瓦斯分析決策模型庫，并對指標設置預警等級。系統自動定期根據指標設置及實際業務數據監測指標是否正常，若指標異常將發出預警信息。預警信息將輔助領導及相關業務人員對瓦斯防治管理工作進行指導，瓦斯管理的的基礎數據又會回到系統，系統再次對指標進行監測，實現閉環管理。使抽瓦斯管理的相關標處于正常范圍，保障礦井的安全生產。

(1)抽采鉆孔分析模型

抽采鉆孔分析模型是根據噸煤鉆孔量指標，按月進行決策分析，系統分析出每個回采面的噸煤鉆孔指標是否正常，若正常為綠色顯示，不正常為紅色顯示并推送預警信息。

噸煤鉆孔量=當月回采工作面在籍鉆孔量(m)/當月回采面剩余的儲量(t)，在籍鉆孔量是正在使用每個鉆孔長度之和。抽采鉆孔分析模型決策分析對31111綜采面的分析結果如圖2所示。

圖2 抽采鉆孔分析模型對31111綜采面決策分析結果

柱子長度代表噸煤鉆孔量(m/t)，當月噸煤鉆孔量實際值與指標體系中的噸煤鉆孔量標準值智能對比并返回相應的預警結果，柱子顏色根據預警結果顯示相應的預警顏色(綠色、紅色)，柱子的豎線代表指標體系的標準值，根據指標體系動態獲取。

(2)抽采指標分析模型

抽采指標分析模型根據礦井瓦斯抽采率、礦井絕對瓦斯涌出量、回采面瓦斯抽采率，按月進行決策分析，系統分析出礦井及每個回采面的抽采指標是否正常，若正常為綠色顯示，不正常為紅色顯示并推送預警信息，本章主要介紹回采面瓦斯抽采率模型。

回采面瓦斯抽采率(%)=當月回采面平均瓦斯抽采量(m3/min)/當月回采面平均絕對瓦斯涌出量(m3/min)；當月回采面平均絕對瓦斯涌出量(m3/min)=當月回采面平均瓦斯抽采量(m3/min)+當月回采面平均風排瓦斯量(m3/min)；當月回采面平均瓦斯抽采量(m3/min)= 當月回采面所有支管平均瓦斯抽采量(m3/min)之和；當月回采面平均風排瓦斯量(m3/min)= 所有回風巷道的風排瓦斯量(m3/min)之和；當月回采面的風排瓦斯量(m3/min)= (旬風量(m3/min)*旬瓦斯濃度(%))之和/3；抽采指標分析模型決策分析對31111綜采面的分析結果如圖3所示。

圖3 抽采指標分析模型決策分析對31111綜采面的分析結果

柱子長度代表回采面斯抽采率(%)，當月回采面瓦斯抽采率實際值與指標體系中的回采面瓦斯抽采率標準值智能比較并返回相應的預警結果，柱子顏色根據預警結果顯示相應的預警顏色(綠色、紅色)。柱子最大長度為100%，柱子的豎線代表根據當月回采面平均絕對瓦斯涌出量動態指標體系取相應的回采面抽采率的標準值；

(3)瓦斯利用分析模型

瓦斯利用分析模型根據瓦斯利用率指標、排入大氣量指標按月進行決策分析，系統分析出礦井瓦斯利用率是否正常，如圖4所示，若正常為綠色顯示，不正常為紅色顯示并推送預警信息。

瓦斯利用率(%)=標況的瓦斯利用量(m3)/標況的瓦斯抽出量(m3)；排入大氣量(m3)=標況的瓦斯抽出量(m3)-標況的瓦斯利用量(m3)；

柱子長度代表瓦斯利用率(%)，當月瓦斯利用率實際值與指標體系中的瓦斯利用率標準值比較并返回相應的預警結果，柱子顏色根據預警結果顯示相應的預警顏色(綠色、紅色)。

圖4 瓦斯利用分析模型分析結果

3 系統應用效果

數字礦山生產執行系統中的數字礦山瓦斯防治管理與分析決策系統在神東公司2015年1月1日正式上線后效果明顯。(1)用戶覆蓋范圍更廣，包括公司和各礦，達到了公司與礦井的瓦斯防治管理的橫向協同、縱向貫通；(2)瓦斯防治全部報表為系統自動統計、分析和生成，避免了人為錯誤，提高了數據準確度；(3)建立一套瓦斯管理指標體系，設置參數滿足煤礦、子(分)公司不同的管理要求。(4)將瓦斯防治管理人員和專家的管理思想固化到瓦斯分析決策模型庫和瓦斯管理指標體系中，很好的為煤礦領導、瓦斯防治相關的管理人員提供決策數據支持，很好的為公司領導、各業務管理部門及相關管理人員提供決策數據支持。

[1] 孫繼平.瓦斯綜合防治方法研究[J].北京：工礦自動化，2011.02.

[2] 神華集團數字礦山規劃項目組.神華集團數字礦山規劃研究[M]. 北京： 煤炭工業出版社，2012.6.

[3] 于不凡.煤礦瓦斯災害防治及利用技術手冊[M].北京：煤炭工業出版社，2005.1.

[4] 袁亮.煤礦總工程師技術手冊[M].北京：煤炭工業出版社，2012.5.

[5] 王泮飛.基于數據倉庫的煤礦集團決策支持信息系統的設計與實現[D].天津大學，2012.

[6] AQ 1018—2006.礦井瓦斯涌出量預測方法[S].國家安全生產監督管理總局，2006-02-27.

(責任編輯 丁 聰)

The Research and Implementation of Gas Control Management and Analysis Decision System in Digital Mine

FENG Zhanke

(Shenhua Hollyinfo Technology Co. Ltd, Beijing 100011)

According to the actual situation of coal mines, to research and develop a more practical gas prevention and control management and decision analysis system has a great practical significance for reducing the coal mine gas accident. In this paper, four aspects are researched to elaborate build-up process of gas prevention and control management and decision analysis system for coal mine enterprise, including gas prevention and control of the database, gas management index system, gas prevention and control of management and gas analysis and decision cockpit.

Digital mine; gas control; gas analysis decision

馮占科，男，現為神華和利時信息技術有限公司研發部項目經理，2014年取得國家高級項目管理師職業資格證書。