礦井瓦斯動態巡檢與智能管控系統設計研究

劉海濤 李 娜 吳思博

（1.陜西煤業集團黃陵建莊礦業有限公司通風防塵部 2.西安科技大學計算機科學與技術學院）

0 引言

煤炭是我國的主體能源，2022 年全國煤炭消費總量為30.4 億t 標準煤，占能源消費總量的56.2%[1]，中國工程院預測2050 年中國煤炭占一次能源消費比例還將保持在50%左右[2]。我國煤礦資源賦存地質條件復雜，導致安全事故多發，在統計發生的煤礦特別重大事故中，以瓦斯事故所占比例最高、影響最大[3]。2014年9 月4 日，黑龍江省雙鴨山市雙新煤炭有限責任公司新久煤礦發生一起較大瓦斯爆炸事故，死亡4 人，受傷1 人，直接經濟損失563 萬元。2019 年11 月18 日，山西平遙峰巖煤焦集團二畝溝煤業有限公司9102 工作面發生一起瓦斯爆炸事故，事故共造成15 人遇難，9人受傷。2023 年4 月2 日，吉林省白山市江源區吉坤礦業有限公司發生一起較大瓦斯爆燃事故，造成4 人死亡、4 人受傷，直接經濟損失1016 萬元。2023 年8月21 日，陜西省延安市延川縣新泰煤礦發生一起重大瓦斯爆炸事故，造成11 人遇難、11 人受傷。這些都是因為部分礦井存在局部區域監測盲點、傳感器調校不當、監督管理不力、信息傳遞欠缺、數據處理及利用不充分所造成的重大瓦斯災害事故。因此，規范煤礦瓦斯巡檢流程，提高智能化和管理水平，減少安全隱患，成為煤礦安全領域亟待解決的重大難題。

目前，瓦斯濃度的檢查主要有自動檢查和人工巡檢兩個途徑。自動檢查通過煤礦在井下所安裝的傳感器在地面獲得檢查數據，所使用的傳感器測點分散，且檢測參量單一，覆蓋區域小，井下作業人員無法查看作業區域的瓦斯信息，并存在檢測盲點及漏檢誤檢等問題[4]。人工檢查通過瓦檢員去測量。由于甲烷傳感器具有自動監測報警且能連續工作，使一些礦井過分依賴其作用，從而忽略了瓦檢員的作用，疏忽了對瓦檢員的管理。對于瓦檢員是否按規定線路、時間、地點以及次數進行安全檢查也無法做到具體的監管，增加了煤礦安全生產的管理難度[5]。

鑒于以上原因，為保障礦井安全高效生產的需求，礦井亟需研發一套礦井瓦斯動態巡檢與智能管控系統，結合人員定位系統，對井下瓦斯傳感器和瓦檢員進行有效管理。通過智能巡檢技術，提高巡檢效率和精度，不僅能顯著提高瓦斯監測的效率和準確性，還能減少人工巡檢的頻次，降低勞動強度，進一步提高礦工的工作安全性，有助于煤礦管理者更好地理解和控制礦井內的瓦斯動態，為煤礦的安全生產提供更加科學和有效的決策支持。

1 工程概況

陜西某煤礦核定產能500萬t/a，主采3-1、3-2、3-3、4-1、4-2 號煤層，礦井井田面積48.0km2，分為5 個盤區，目前一、二盤區回采完已封閉，三、四盤區正在回采，五盤區正在開拓，剩余服務年限26a。現階段礦井生產主要集中在4-2 號煤層，4-2 煤層屬Ⅱ類自燃煤層，礦井水文地質類型為“中等”，地質構造類型為“中等”，煤塵具有爆炸性危險，無地熱危害，屬弱沖擊地壓危險礦井。

2022～2023 年度礦井瓦斯等級鑒定結果由原來的低瓦斯礦井升為高瓦斯礦井，使得礦井瓦斯災害的危險性增大。目前全礦井具有瓦斯監測點280 個，采用人工巡檢方式進行井下瓦斯濃度的檢測，瓦斯巡檢工作中存在空班漏檢、檢測數據不準確、監管不到位等問題。因此，針對傳統瓦斯檢測方法的漏檢、誤檢和瓦斯巡檢員管理不足等問題，依托礦井5G 網絡、LORA網絡和萬兆工業環網，采用人工智能、物聯網、LORA、邊緣計算、人工智能等技術，研究瓦斯巡檢在線監測技術、瓦斯巡檢數據無線通信同步顯示技術、瓦斯信息可視化呈現技術等，研發礦井瓦斯在線巡檢與智能管控系統。根據瓦斯濃度變化、溫度波動和其他關鍵指標的實時數據，有效地識別瓦斯危險狀態。通過實時監測和智能數據分析，及時預報瓦斯超標風險，還能在潛在災害發生前及時發出警報，實現礦井瓦斯巡檢的數字化、網絡化、智能化。此外，結合精準人員定位系統，可以有效避免瓦檢員空班漏檢的問題，提升了人員管理效率。

2 系統結構

礦井瓦斯在線巡檢與智能管控系統由感知層、網絡層和應用層構成，系統架構圖如圖1 所示。

圖1 礦井瓦斯動態巡檢與智能管控系統結構框架

1）感知層：實現數據的采集。感知層包括人員定位識別卡、礦用本安型便攜式多參數無線傳感器、液晶顯示主機和礦用本安手機等感知設備。通過人員定位識別卡可以精準采集人員位置。礦用本安型便攜式多參數無線傳感器集成微型負壓泵于一體，可同時檢測甲烷、二氧化碳、一氧化碳、氧氣、溫度、濕度等參數，通過藍牙網絡或其他無線網絡可實現在線巡檢數據實時上傳，提高人工巡檢的效率。參數無線傳感器數據上傳的通路有兩條，一是多參數無線傳感器可以和液晶顯示主機進行碰傳，將采集的數據通過液晶顯示主機上傳至瓦斯智能巡檢系統軟件平臺。液晶顯示主機安裝在井下，同時實時更新顯示的監測數據內容。二是多參數無線傳感器也可以和礦用本安手機通過藍牙或者WiFi 方式進行數據互換，數據通過手機上傳至瓦斯巡檢智能系統平臺。

2）網絡層：實現數據的傳輸。感知層將采集的數據通過礦井下的5G、4G 或者WiFi 網絡基站利用萬兆工業環網傳輸到地面上，然后利用交換機部署到云端服務器上從而進行數據的分析與預警預測，完成巡檢、監控、人員定位的功能。

3）應用層：實現實時數據的收集、處理和展示。應用層的客戶端，包括PC 端和移動端，是與用戶的交互系統，主要用來實現用戶對系統的應用和頁面請求；Web 應用服務器，是服務系統，采用J2EE 技術，主要實現用戶請求的解析、數據查詢與處理；人工智能引擎包含了數據處理和智能化服務兩部分，數據處理主要是實現數據的標準化處理，智能化服務則為用戶提供多種業務智能化服務支撐邏輯。

3 系統功能

礦井瓦斯動態巡檢與智能管控系統不僅實現了井下主要礦區、主巷道等重要監測地點的瓦斯實時濃度查看以及實時預測預警，保障了信息的自由流通，還確保了系統部分間的無縫通信，從而為礦井安全提供了堅實的技術支持。

根據用戶的功能需求，系統平臺軟件主要包括態勢感知、實時檢測、任務管理、設備管理、故障管理、應急管理、效能統計、預警預測、報告報表、系統配置等十個子功能模塊，系統軟件主界面圖如圖2 所示。

圖2 系統主界面圖

1）態勢感知：位于系統首頁中，基于礦山整體3D 視圖進行全局監控。頁面包括全景視圖、數據統計、動態信息提示欄等內容，提供礦井的實時三維布局、關鍵運行數據和最新安全通知。

2）任務管理：支持發起、分類和查看巡檢任務，并為任務設置必要的屬性，如任務名稱、任務描述、執行時間、任務狀態、任務發起人等，同時用戶可以根據實際需要設置巡檢點的位置區域、路徑節點、巡檢路線、規劃采礦區域，通過提供詳盡的任務視圖和進度更新，這一模塊助力提升礦井作業的組織效率和執行準確性。

3）設備管理：對感知層的數據采集設備進行有效管理，包括設備的新增、配置、查詢、刪除、導出、故障上報功能，系統可以基于設備地址和類型直接進行設備查詢與配置等操作，也可以將設備搭載到巡檢點，基于巡檢點管理，通過集中管理和智能化分析，以提高設備的可靠性和操作的連續性，從而支持礦井的全面運營需求。

4）實時監測：將礦用本安型便攜式多參數無線傳感器采集的礦井數據以列表形式展示，包括瓦斯濃度、溫度、濕度和其他有害氣體的水平。通過精確的傳感器網絡和先進的數據處理技術，該模塊能夠實時捕捉到每一個微小的變化，及時識別安全風險，并迅速發出警報。這不僅提高了礦井安全監控的響應速度，也增強了預防事故的能力。

5）應急管理：專注于識別和響應因異常氣體濃度引起的緊急情況。它能夠迅速識別出超標的瓦斯、一氧化碳或其他有害氣體，并立即啟動應急預案，指引礦工迅速安全地撤離危險區域。

6）效能統計：通過綜合個人效能評估、任務完成情況分析、設備運行效率監測及數據報告和分析功能，它不僅為管理者提供了關鍵績效指標和趨勢分析，還幫助優化資源分配和改進作業流程，從而有效提升整個礦井的運營效率和安全管理水平。

7）故障管理：全面負責監測、診斷和處理礦井設備故障。一旦發生故障異常，及時生成警報，記錄故障發生的關鍵信息，包括故障名稱、故障類型、故障設備、故障級別、故障狀態、故障發生時間以及故障消失時間等，有效地協調維修任務和分析故障原因，從而提高礦井設備的維護效率和減少停機時間，保障礦井的連續運行和安全。

8）預警預測：通過對井下工作點瓦斯災害特征信息各氣體成分濃度統計分析，基于改進的LSTM 算法預測瓦斯風險，發出及時預警，還支持對長期數據趨勢的分析，為礦井安全管理和決策提供了數據驅動的洞察，顯著提高了對礦井潛在風險的預測能力和應急響應效率。

9）報告報表：根據用戶的特定需求，生成巡檢任務和監測數據的詳盡報告和報表，支持報告的在線打印與PDF 文件格式的導出功能，以供決策制定和合規性審查提供全面而可靠的依據。

10）系統配置：為系統管理員提供了一個中心化的界面來配置和維護系統的各項功能，包括但不限于用戶配置、設備配置、策略配置等。用戶管理能夠對用戶進行增刪改查等操作；設備配置包括各種設備的備案以及管理；同時系統應支持自定義各類數據的報警閾值，并在超過這些閾值時生成預警通知，以及通知相關人員采取必要的措施；不僅確保了系統運行的高效性和可靠性，還提升了整個系統對不同礦井環境和特定操作需求的適應性。

4 結束語

礦井瓦斯動態巡檢與智能管控系統針對現有礦井瓦斯巡檢管理中存在的問題，結合精準人員定位系統，基于多參數感知設備采集的實時監測數據，建立礦井瓦斯超限辨識與預測模型，實現礦井瓦斯潛在危險性的多元信息感知，提高了礦井對瓦斯災害的預防預控和應急處置能力；規范了礦井瓦斯巡檢工作流程，有效降低瓦檢員的工作強度；加強了對瓦檢員的監督管理，避免漏檢和不檢現象。系統的實施切實發揮瓦檢員對于煤礦安全生產的作用，進一步提升了煤礦智能化水平和管理水平。