煤礦瓦斯治理動態工作流構建方法研究

張書林，楊建，舒龍勇

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

0 引言

以煤炭工業信息化建設為基礎推進智能礦山建設是煤炭行業發展的必然趨勢[1-2]。煤礦瓦斯治理信息化是煤炭工業信息化建設的重要內容之一。目前在瓦斯治理儀器裝備信息化[3-4]，瓦斯監測監控[5]，基于GIS 的瓦斯信息管理、展示和分析[6-9]等方面取得了重要進展，同時，將現代信息技術應用于瓦斯災害預防預警也成為煤炭科技創新的重要方向之一[10]，但在瓦斯治理管理方面，存在煤層瓦斯參數測定，抽采工程的施工、管理和效果測定與檢驗等關鍵環節尚未實現數字化、信息化，關鍵環節管控仍需要人工監督，瓦斯治理措施還不能做到“質量可靠”和“過程可溯”等問題[11]。近年來，信息技術廣泛使用，但煤礦安全生產管理模式沒有本質變化，其管理架構、業務流程和崗位職責仍然主要是傳統的非信息化或半信息化管理模式，沒有根據智能礦山建設梳理和重構與之相適應的新型瓦斯治理管理模式。瓦斯治理具有“多人參與、跨部門協作”的特點，管理模式的落后必然造成數據孤島問題無法解決，且職能重疊、流程不暢，決策支持出現亂象，無法形成及時、有效、可靠的瓦斯治理業務數據用于瓦斯災害預防預警等多層次應用。

基于工作流技術實現瓦斯治理業務流程化為解決上述問題提供了一種思路方向[12]。工作流技術的發展經歷了電子數據流（Electronic Data Flow，EDF）、事務處理流（Transaction Process Flow，TPF）、信息管理流（Information Management Flow，IMF）3 個階段[13]，其中，IMF 階段強調對企業業務全局、整體性的管理，隨著計算機與網絡技術的快速發展，使得大規模分布式環境下對瓦斯治理復雜多變任務執行的全局監控成為可能。煤礦業務流程化研究以往主要集中在文檔協同審批[14]、機電設備管理[15-16]、安全管理[17-19]、煤質管理[20]、井下工程[21]等方面，在瓦斯治理方面的應用研究則較少。瓦斯治理業務的復雜性和管理精細化要求決定了其監管難度大，傳統工作流系統難以滿足復雜業務動態性和靈活性的要求，制約了瓦斯治理業務流程化的發展。

因此，筆者從煤礦瓦斯治理全局管理的角度，以煤礦采掘工作面和揭煤工作面瓦斯治理工作實施過程為研究對象，結合工作流技術，提出煤礦瓦斯治理動態工作流構建方法，使煤礦瓦斯治理業務流程化，以提升瓦斯治理工作的協同執行效率，實現瓦斯治理業務數據的快速流轉、追蹤和共享。

1 瓦斯治理工作流程

《防治煤與瓦斯突出細則》（以下簡稱細則）附錄A 中規定了從建井前期至采掘過程的瓦斯治理基本流程。對于采掘工作面和揭煤工作面，瓦斯治理工作流程分別如圖1 和圖2 所示，流程可劃分為措施和測試2 類環節，見表1。

表1 瓦斯治理工作流程環節分類Table 1 Link classification of gas control working flow

圖1 采掘工作面瓦斯治理工作流程Fig.1 Working flow of gas control in mining face

圖2 揭煤工作面瓦斯治理工作流程Fig.2 Working flow of gas control in coal uncovering working face

（1）措施類環節。區域防突措施和高瓦斯區域瓦斯治理措施均包含開采保護層和預抽煤層瓦斯2 類措施，為簡化研究，本文僅涉及后者。進一步，預抽煤層瓦斯類措施可采用的方式有地面和井下2 類，其中，地面預抽煤層瓦斯類措施包括地面井預抽煤層瓦斯，井下預抽煤層瓦斯類措施包括穿層鉆孔或順層鉆孔預抽區段煤層瓦斯、順層鉆孔或穿層鉆孔預抽回采區煤層瓦斯、穿層鉆孔預抽井巷（含立井、斜井、石門等）揭煤區域煤層瓦斯、穿層鉆孔預抽煤巷條帶煤層瓦斯、順層鉆孔預抽煤巷條帶煤層瓦斯、定向長鉆孔預抽煤巷條帶煤層瓦斯等，為簡化研究，本文僅涉及井下預抽煤層瓦斯類措施。突出采掘工作面的防突措施可采用的方式有超前鉆孔預抽瓦斯、超前鉆孔排放瓦斯、安裝金屬骨架、煤體固化、水力沖孔及其他經試驗證明有效的措施，低瓦斯采掘工作面可采用在構造發育地帶施工超前鉆孔排放瓦斯等臨時瓦斯治理措施，為簡化研究，本文僅涉及超前鉆孔預抽瓦斯和超前鉆孔排放瓦斯這2 種目前常采用的措施。突出采掘工作面經實施瓦斯治理措施變成無突出危險后，應采取安全防護措施后進行采掘作業，為簡化研究，本文不涉及安全防護措施。綜上，措施類環節的內容主要包括各類鉆孔的施工、驗收，其中，抽采鉆孔還包括封孔、接抽、停抽、拆管及抽采期間進行的單孔和管路抽采參數檢測等。

（2）測試類環節。測試類環節的內容包括測試類鉆孔施工、鉆孔取樣、非孔取樣、制樣、確定指標的井下和實驗室測定等。此外，對于區域驗證、區域防突措施效果檢驗、工作面突出危險性預測、工作面防突措施效果檢驗和揭煤驗證等環節，在確定指標測定的基礎上還要結合區域和工作面防突措施的施工情況形成對應的測定報告單；對于區域突出危險性預測、區域防突措施效果檢驗和抽采達標評判等環節，除了根據確定指標測定和區域防突措施實施情況（對于后2 個環節）外，還需要結合其他指標形成對應的技術報告。測試類環節是采掘工作面和揭煤工作面瓦斯治理措施類環節執行的約束條件，對于同一采掘工作面和揭煤工作面，不同測試類環節的結果決定著對應措施類環節的實施和工作面采掘進度。

2 瓦斯治理實施過程

2.1 專項設計和進度計劃編制

采掘工作面和揭煤工作面瓦斯治理專項設計的編制需要根據具體工作面所在煤層的突出危險性評估/鑒定結果，決定該工作面要采取的具體瓦斯治理工作流程，并根據工作面采掘布置和煤層瓦斯基礎參數對流程中各主要環節進行規劃和圖紙設計。對于突出采掘工作面，要確定區域防突措施環節的鉆孔種類、數量和施工位置，工作面防突措施環節的鉆孔種類、數量和布置原則，區域突出危險性預測、區域防突措施效果檢驗等環節的測定指標、測點數量和位置，區域驗證、工作面突出危險性預測、工作面防突措施效果檢驗等環節的測定指標、測點數量和布置原則；對于高瓦斯采掘工作面，要確定高瓦斯區域瓦斯治理措施環節的鉆孔種類、數量和施工位置，抽采達標評判環節的測定指標、測點數量和位置；對于揭煤工作面，要確定預抽煤層瓦斯區域防突措施環節的鉆孔種類、數量和施工位置，工作面防突措施環節的鉆孔種類、數量和布置原則，區域突出危險性預測、區域防突措施效果檢驗等環節的測定指標、測點數量和位置，區域驗證、工作面突出危險性預測、工作面防突措施效果檢驗、揭煤驗證和煤層段掘進工作面突出危險性預測等環節的測定指標、測點數量和布置原則。此外，專項設計還要包含完成上述工作所需器材設備種類和數量、安全防護措施等信息。專項設計編制完成后需各參與方進行確認和審批。

瓦斯治理工作隨采掘進行，因此，在完成瓦斯治理專項設計的基礎上，需要結合各工作面采掘的年、季、月進度計劃制定對應瓦斯治理的年、季、月進度計劃。進度計劃是一種對瓦斯治理專項設計中各工作環節任務內容、工作量、人員部門部署、物資物料分配等要素評估和確認的規劃方案，以年、季、月等時間尺度對瓦斯治理環節和工作內容進行層層分解和細化，以便更精準地控制各采掘工作面和揭煤工作面瓦斯治理工作按進度實施。進度計劃編制按照各環節任務期限嚴格、資源相關平衡、部門人員統一協調的準則，按照瓦斯治理工作流程進行部署。瓦斯治理年、季、月進度計劃編制完成后需各參與方進行確認，并通過審批。

2.2 流程環節實施

前述瓦斯治理工作流程環節的內容可體現為各類鉆孔施工、抽采、瓦斯參數測定和文件審批。鉆孔施工包括打鉆、竣工軌跡和參數、打鉆視頻、封孔（排放措施孔除外）、驗收等；抽采包括接抽、停拆和期間進行的單孔/管路抽采參數檢測；瓦斯參數測定包括鉆孔取樣（取樣鉆孔施工）、非孔取樣、制樣、瓦斯數據的井上下測定等；文件審批包括鉆孔施工、抽采和瓦斯參數測定基礎上的報告單、技術報告的審批。

在具體采掘工作面和揭煤工作面瓦斯治理工作實施前，各參與部門要組織相關人員學習瓦斯治理專項設計和進度計劃，熟悉采掘布置、瓦斯治理環節、工作量、進度安排、安全防護和應急事項；瓦斯治理實施時，參與部門根據月度計劃各自統籌好材料物資和人員安排，并與其他參與部門進行協調，準備完畢后，根據瓦斯治理進度計劃統一規劃各部門具體實施工作的派工，各部門參與人員按照分工完成各自任務。

根據采掘和瓦斯治理環節實施時的反饋數據及時對專項設計和進度計劃進行調整，并通過審批。

2.3 質量監督和驗收

2.3.1 措施類環節

對于區域防突措施和高瓦斯區域瓦斯治理措施等環節，監督人員對單孔施工的成孔參數及與設計的偏差、鉆進異?，F象、封孔等方面進行監督并完成驗收；待某個采掘工作面或揭煤工作面的區域瓦斯治理措施環節的鉆孔按照專項設計的計劃數量全部施工完畢后，還要對工作面范圍內施工的鉆孔個數及總進尺、有無空白帶等進行評估和驗收。

工作面防突措施是在突出采掘工作面或揭煤工作面的某個采掘循環內工作面突出危險性預測環節中所測指標結果超標的情況下實施的，監督人員同樣對單孔施工的成孔參數及與設計的偏差、鉆進異?，F象、封孔等方面進行監督并完成驗收；待該采掘循環的工作面防突措施鉆孔按照專項設計的種類、數量和布置原則施工完畢后，還需對該采掘循環內施工的鉆孔數量、總進尺和有無空白帶等進行評估和驗收。

2.3.2 測試類環節

對于突出采掘工作面和揭煤工作面的區域突出危險性預測，先對為實現煤層原始瓦斯壓力和含量等預測指標測定進行的測壓鉆孔施工（施工位置、竣工軌跡及參數、鉆進異常現象、與設計的偏差）、封孔（封孔方式和深度）、鉆孔取樣（取樣方式和深度）、瓦斯壓力數據讀取、瓦斯解吸數據的井上下測定等方面進行監督和審核，再對突出危險性預測報告進行評審和審批。

對于突出采掘工作面和揭煤工作面的區域防突措施效果檢驗、高瓦斯采掘工作面的抽采達標評判，先對為實現殘余瓦斯壓力和含量等檢驗指標測定進行的測壓鉆孔施工（施工位置、竣工軌跡及參數、鉆進異?，F象、與設計的偏差）、封孔（封孔方式和深度）、鉆孔取樣（取樣方式和深度）、瓦斯壓力和瓦斯解吸數據的測定等方面進行監督和審核，再對區域防突措施效果檢驗或抽采達標評判報告進行評審和審批。

對于突出采掘工作面和揭煤工作面其他測試類環節，先對為實現指標（如鉆屑瓦斯放散指標、鉆屑量指標）測定進行的鉆孔施工（位置、施工參數、鉆進異?，F象）、鉆孔取樣（取樣方式和深度）、儀器操作測定等方面進行監督和審核，再對各環節內相應循環測定報告單進行審核和審批。

3 瓦斯治理動態工作流創建

3.1 瓦斯治理業務流設計

由采掘工作面和揭煤工作面的瓦斯治理工作流程和實施過程可知，其流程環節可進一步具體化為技術文檔和報告單審批、鉆孔施工、取制樣、瓦斯參數測定、抽采及其參數測定等5 類工作。根據流程設計原則，筆者對上述后4 類工作的實施路徑進行了梳理和重構，并進一步拆分為25 個基本工作單元（圖3），建立對應內容表單，基于標準的通信協議支持各類軌跡儀所測鉆孔軌跡、視頻監控設備所錄打鉆視頻、儀器所測參數的井下就地上傳和地面實驗室儀器設備所測瓦斯參數的聯網接入。

圖3 主要瓦斯治理業務及實施路徑Fig.3 Main gas control business and implementation path

Petri Nets 具有描述同步、并發、沖突業務流程的能力，同時具有一定的動態性，可以滿足復雜性和動態性工作流建模要求，因此，根據實際業務需求，利用Petri Nets 將基本工作單元進行組合，用于建立不同跨部門瓦斯治理復雜業務工作流程，并以任務派單的形式執行?；竟ぷ鲉卧g存在反饋機制和實施順序，其中，實施順序可包含多種，如圖4所示，T1，T2，T3之間為串連關系，T31，T32，…，T3n與T4之間為或連關系，T51，T52，…，T5n與T6之間為與連關系。

圖4 瓦斯治理業務協同機制Fig.4 Collaboration mechanism of gas control business

瓦斯治理業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的流程，避免了職能部門間的流程接口問題，實現了煤礦現有瓦斯治理管理模式的改變。

從煤礦瓦斯治理全局管理的角度看，任務工作流的建立是瓦斯治理工作流程環節執行的具體體現。因此，工作流發起時，發起人除了指定待執行任務所屬采掘工作面或揭煤工作面外，還要指定待執行任務所處工作面哪個瓦斯治理工作流程環節，基于瓦斯治理工作流程圖建立工作面瓦斯治理執行進度表示方法，使瓦斯治理工作進展情況一目了然。任務派單后，煤礦各級管理人員通過工作面瓦斯治理執行進度信息，能夠有效監督和控制瓦斯治理工作的整體運作，確保組織決策得以有效執行，提高決策支持能力，通過工作流中各基本工作單元人員的執行動態，可以保證瓦斯治理措施“質量可靠”和“過程可溯”。

3.2 任務分派策略

煤礦人員、機構復雜，任務密集，靠傳統手動方式分配任務需要大量人力和時間。如果分配者不能及時掌握候選人現有的工作量和工作計劃，僅憑主觀判斷，任務分配難以達到均衡，導致部分員工的工作安排負荷較大，而另一部分員工處于等待任務狀態。因此，在工作流任務派單時采用主動和自動相結合的策略將各基本工作單元任務分配給相應的執行者，分2 個階段進行：候選對象在規定時間內從任務列表獲取感興趣的任務；將工作流剩余任務根據任務匹配度篩選出最合適對象[22]，其中，任務匹配度根據候選對象的當前負載量、預期負載量和技能熟練度確定。

3.3 工作流動態設計

由于瓦斯治理業務實施過程管理的工序是嚴格的人為規定，如果因為工序混亂導致施工出現問題，后果不堪設想，因此不允許擅自更改用戶未批準的流程步驟。這里的工作流動態設計主要針對有新的業務流程上傳并替換原有業務流程，包括2 種情況：①過程定義的動態修改。在過程定義階段，通過在描述文件中預先定義的規則，盡量覆蓋到運行中的動態變化，然后為其提供可選擇的流程分支。② 過程實例的動態修改。在工作流運行階段，根據實際狀態變化，可以選擇終止所有正在運行的流程實例，然后按照新的流程定義重新啟動，或者對正在運行的流程實例不做任何處理，之后創建新的流程實例并按照新的流程定義執行，或者將正在運行的過程實例轉換為新流程定義下的流程實例，并執行下去。

對于Petri Nets，上述修改都可歸為添加、刪除和替換，使用描述文件動態生成和配置工作流網絡，并保存為JSON 格式，記錄每個節點的編號、名稱，形成節點列表，代表一個具體的業務步驟；記錄每個節點的前后邏輯關系，形成連線列表，代表業務步驟之間的關聯關系。通過描述文件動態生成和配置工作流網絡，支持瓦斯治理工作流執行過程中的動態性[23]。借助基于微服務的工作流核心，將用戶對描述文件的修改轉變為對工作流節點的添加、刪除、替換操作，從而實現在系統運行時工作流模型實例不停機。

4 應用實例

工作流開發工具主要有Activiti、Camunda 和Flowable 等主流工作流引擎，其中Flowable 在功能性、擴展性方面具有優異表現，且能更好地支持事務子流程、動態添加任務節點等，因此，基于B/S 架構，利用Flowable 6.7 工作流引擎進行瓦斯治理動態工作流相關功能開發。

以某工作面區域防突措施效果檢驗環節中的瓦斯含量測定為例，對瓦斯治理動態工作流進行說明。瓦斯含量測定采用GB/T 23250-2009《煤層瓦斯含量井下直接測定方法》中的自然解吸法，其中，不可解吸量計算所需的工業分析、孔隙率和吸附常數等參數利用同一位置非孔取得的樣品進行測定。同時對取樣鉆孔進行封孔抽采，任務組成及實施流程如圖5 所示。

圖5 瓦斯含量測定任務組成及實施流程Fig.5 Composition and implementation process of gas content determination task

任務派單后，在工作流概覽中可以查看該工作流所屬工作面及瓦斯治理環節、工作面瓦斯治理進度信息、瓦斯治理措施設計文檔、工作流所處階段和過程動態信息等，其中，動態信息包括工作流生成、任務接收和分派統計、流程掛起、流程終止、流程完成等系統信息，子任務接收和完成等工作流信息，任務轉派等提醒信息，如圖6 所示。

圖6 工作流實例概覽Fig.6 Overview of workflow instance

在任務處理中，執行人進入瓦斯含量測定中各流程節點任務頁面進行相應基本工作單元業務處理，完成自己的工作內容并進行提交。執行人也可將自己的任務進行轉派，在規定時限內接收人完成工作內容，如圖7 所示。

圖7 流程實例各任務處理Fig.7 Processing of each task in the process instance

在流程圖中，可以查看完成整個瓦斯含量測定業務和子任務的時長統計，為該業務流程的改進和優化提供依據，加大瓦斯治理工作管理深度。

5 結論

（1）基于細則附錄A，將采掘工作面和揭煤工作面的瓦斯治理工作流程分為測試和措施2 類環節，從前期的專項措施設計和進度計劃、具體實施和環節轉換邏輯、監督和驗收等方面對瓦斯治理實施過程進行了描述，在此基礎上，將瓦斯治理工作流程環節具體化為技術文檔和報告單審批、鉆孔施工、取制樣、瓦斯參數測定、抽采及其參數檢測等5 類工作，為瓦斯治理業務流程化奠定基礎。

（2）為構建瓦斯治理動態工作流，將上述后4 類工作進行重構，并進一步拆分為25 個基本工作單元，利用Petri Nets 將不同基本工作單元進行組合，用于建立不同跨部門瓦斯治理復雜業務工作流程，基于主動和自動相結合的策略進行工作流任務分配。使用描述文件動態生成和配置工作流網絡滿足對瓦斯治理動態工作流建模的要求。工作流包含工作面瓦斯治理執行進度、各基本工作單元的人員執行動態和完成時長等信息。

（3）后續結合需要，可對保護層開采、地面井預抽煤層瓦斯等區域瓦斯治理措施，安裝金屬骨架、煤體固化、水力沖孔等工作面防突措施及安全防護措施開展業務流程化研究，針對接入的不同系統和儀器設備建立對應的內容表單模板，開發移動端程序，以便更加靈活、便捷地執行井下瓦斯治理相關業務，不斷完善瓦斯治理業務流程。