瓦斯抽采效果智能評價系統構建與應用

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]. 針對礦井抽采系統管理信息化、智能化程度低等問題，利用物聯網、數據挖掘分析等技術，以采掘工作面瓦斯抽采精準計量為基礎，結合瓦斯抽采達標評判技術體系，構建瓦斯抽采效果智能評價系統，實現采掘面瓦斯抽采分單元計量、抽采達標效果動態評價、抽采系統異常分析，隨時了解瓦斯抽采達標狀況。

1 系統總體架構設計

基于整體架構的“系統化”構思[4]，結合煤礦瓦斯抽采達標評判的應用需求，充分考慮系統的監測自動化、傳輸網絡化、分析智能化，提高系統的穩定性、可靠性等性能，創建瓦斯抽采效果智能評價系統架構體系，實現礦井采掘面分單元瓦斯抽采計量與抽采效果動態評價。系統主要由地面監控中心子系統、傳輸網絡子系統、井下監測監控子系統3大部分組成，系統網絡拓撲結構見圖1.

圖1 系統網絡拓撲結構圖

1) 地面監控中心子系統。

地面監控中心子系統由監控服務器設備和系統軟件兩部分組成，是整個系統的監控中心環境支撐基礎，通過部署的系統軟件提供對井下各類監測信息的數據采集、分析、存儲、展示和應用管理等，實現采掘工作面分單元瓦斯抽采效果評價、管理，以及數據聯網上傳。

2) 傳輸網絡子系統。

傳輸網絡子系統是數據交互紐帶，由環網交換機、網絡延伸設備、通信線纜等組成，可利用煤礦已建設的光纖環網，實現井下瓦斯抽采分元計量數據實時上傳與控制命令的下發。

3) 井下抽采分元計量子系統。

井下抽采分元計量子系統主要由管道瓦斯濃度、負壓、流量、溫度、一氧化碳等多參數集成傳感器，以及監測數據采集、上傳、控制的監控分站等組成；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測設備，實現采掘工作面、各評價單元及鉆場(鉆孔)等地點的瓦斯抽采分元計量。

2 系統功能設計

瓦斯抽采效果智能評價系統主要設計功能模塊，見圖2.

圖2 系統主要功能模塊圖

2.1 系統數據采集

通過部署瓦斯抽采泵站、主管、干管、支管及評價單元等區域的管道瓦斯監測設備，動態獲取各測點的瓦斯抽采監測數據，利用監控分站、交換機等設備，實現瓦斯抽采監測數據實時采集，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據[5-7]. 根據采掘面瓦斯抽采達標評判標準要求，系統支持包括達標殘余瓦斯含量、達標可解吸瓦斯量、瓦斯抽采率等參數定義，作為瓦斯抽采效果動態達標評判的依據。

2.2 瓦斯抽采效果動態評價

根據《煤礦瓦斯抽采達標暫行規定》、《防治煤與瓦斯突出細則》等要求，構建瓦斯抽采達標評判技術體系，基于大數據挖掘等技術，建立瓦斯抽采效果評價模型、抽采達標預測模型和抽采效果驗證模型，實現采掘工作面及各評價單元的瓦斯抽采效果動態評價，及時了解瓦斯抽采達標預抽期，便于調整抽采措施方案，確保各評價單元按計劃完成抽采達標，進而實現工作面采掘前、采掘中、采掘后全過程的瓦斯抽采達標動態管理。

1) 采掘前瓦斯抽采效果分元評價。

工作面采掘作業前，系統基于瓦斯抽采評價區域的抽采監測數據、煤層瓦斯基礎參數、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。根據瓦斯抽采進度、瓦斯抽采量、預抽達標量等參數，建立瓦斯抽采達標時間預測模型，基于評價區域瓦斯抽采量變化趨勢，實現瓦斯抽采達標預抽期、續抽期自動估算。建立瓦斯抽采效果驗證模型，根據階段性人工實測瓦斯指標數據，與抽采效果評價指標測算數據對比，動態修正系統建立的抽采效果評價模型。為工作面采掘前的防突效果、預抽瓦斯效果達標評判提供動態的管理手段。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評判。

在采掘過程中，對瓦斯抽采的實際效果進行動態達標評判，實現工作面瓦斯抽采率、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，如果出現瓦斯評判不達標的情況，系統會及時發出報警，提醒相關部門分析原因，采取措施抽采達標后，方可恢復作業，為工作面的開采過程提供更加精細化的抽采達標評價。

3) 采掘結束后瓦斯抽采達標總結。

工作面采掘結束后，系統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“一工作面、一工程、一檔案”管理，便于后期資料查閱；系統通過工作面瓦斯抽采數據分析、瓦斯抽采效果評判質量，計算瓦斯抽采效果評價的關鍵指標，分析瓦斯抽采規律，為后續采掘工作面的瓦斯抽采設計、抽采效果評價提供參考依據。

2.3 抽采系統異常分析

系統基于瓦斯抽采監測參數關聯、測點關聯、業務關聯等分析邏輯，利用大數據挖掘技術手段，根據行業標準、理論研究和現場經驗，構建抽采系統異常分析模型、異常處置模型，實現瓦斯抽采管網漏氣、堵塞等異常分析，抽采測點瓦斯異常涌出分析，以及抽采設備故障自診斷，并及時發出報警信息[8-10]. 系統建立自學習機制，對不確定性異常進行模型優化，以提高異常診斷的準確性。

2.4 可視化圖形管理

系統基于系統導航圖、拓撲圖、抽采效果評價圖等多種可視化監控與展示方式，支持礦井CAD、SVG等文件導入作為系統底圖，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，構建瓦斯抽采效果評價“一張圖”，直觀呈現瓦斯抽采的實時監測數據、設備狀態信息、抽采效果評價信息和抽采系統異常診斷信息等。

系統可視化圖形監控以多種顏色動態展示采掘工作面及評價單元的抽采效果評價結果，便于人員直觀了解工作面瓦斯抽采達標狀況；抽采系統出現異常狀況時，可及時定位故障地點，發出報警提醒，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、評價單元等區域，系統自動彈出該區域抽采監測與效果評價的詳細數據。

2.5 系統參數設置

系統參數設置包括用戶角色設置、權限管理、系統參數配置、系統日志查詢、移動應用管理等功能。用戶角色設置實現用戶賬號管理、管理員、普通用戶等角色設置。用戶權限管理可實現用戶操作權限、操作菜單等添加、編輯和刪除等功能。參數配置包括系統名稱設置、班次管理、報警設置、門限設置、全局管理等功能。系統日志查詢具有用戶操作、系統運行等日志查詢與管理功能。

3 現場應用分析

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，選擇處于預抽階段的采煤工作面開展試點應用研究。通過現場應用分析，優化系統構建的抽采效果評價模型、抽采系統異常分析模型，提高瓦斯抽采達標效果評價、抽采管網堵漏等異常診斷結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參數錄入、抽采監測數據實時采集、抽采達標評判標準參數定義，建立工作面瓦斯抽采效果分元評價體系，實現工作面及各評價單元的抽采效果動態評價，提供如抽采效果評價圖、抽采測點監控、監測報表、柱狀圖、曲線等多種可視化展示方式。系統構建有多元信息“一張圖”的抽采效果評價與展示模型，實現工作面分單元瓦斯抽采效果評價數據直觀展示、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測算圖

2) 抽采系統異常自動分析與報警。

系統基于瓦斯抽采大數據挖掘技術，建立抽采系統異常分析模型，通過瓦斯抽采測點參數和測點關聯屬性定義，根據抽采測點瓦斯濃度、流量、負壓等監測數據波動狀況，利用多參數監測曲線、同測點不同參數曲線、關聯測點曲線綜合分析，及時發現抽采系統存在的管道漏氣、堵塞等異常，并發出異常報警提示。例如，系統運行一段時間后，第3個評價單元測點的抽采流量監測數據逐漸下降，而瓦斯濃度、抽采負壓基本不變，瓦斯抽采純流量逐漸降低，系統發出可能出現管道堵塞異常提醒；通過將井下抽采監測設備取出、清理維護后，流量監測數據恢復正常。

3) 抽采達標效果分析報表生成。

系統可自動生成日常抽采監測與抽采效果分析報表、報告。以預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抽瓦斯效果指標，并支持報表導出、打印。分析報表內容包括每個評價單元的煤層瓦斯基礎參數信息、預抽鉆孔進尺和預抽開始時間信息，以及預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 論

以瓦斯抽采精細化管理為目標，利用物聯網、大數據挖掘、可視化分析等技術，開展瓦斯抽采達標動態評判研究，構建瓦斯抽采效果分元評價模型、抽采系統異常智能診斷模型，設計開發了瓦斯抽采效果分元動態評價系統。通過現場試點應用，實現了工作面及各評價單元區域瓦斯抽采的可視化綜合監測、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。