煤礦瓦斯抽采和探水作業智能管理系統標準研究制定

中圖分類號：TD712/745 文獻標志碼：A

DOI：10.13272/j.issn.1671-251x.18251

Study and formulation of standards for intelligent management system of coal mine gas extraction and water exploration operations

SUN Jipingl，GONGDali2 （1.SchoolofArtificialInteligence，China UniversityofMiningandTechnology-Beijing，Beijing0o083，China; 2.Reliable Agent Technology （Beijing） Co.，Ltd.，Beijing10oo83， China）

Abstract：Gas extraction and water exploration operations are the main measures for the prevention and control of gasand water hazards in coal mines. At present， these operations face chalenges such as noncompliance with design plans，ineffective supervision，and substandard borehole quality.The intellgent management system for gas extraction and water exploration leverages AI-based image recognition technology to automatically detect borehole depth， thereby reducing the occurrence of gas and water accidents. ① Based on the operational requirements of gas extraction and water exploration in coal mines， it was proposed that the target identification accuracy should be no less than 95% ，and the target recall rate should be no less than 95% ② According to the workflow of gas extraction operations in coal mines， it was proposed that the intelligent management system for gas extraction should include functions such as gas geological modeling，extraction borehole design，construction planning， borehole operation， borehole acceptance， borehole record management， pipeline management， parameter monitoring， mine environment monitoring， extraction compliance evaluation， and prediction of absolute gas emission. It should also provide capabilities including but not limited to display， query，storage，and alarm function.Based on the operational needs of gas extraction， it was proposed that the system wasalso expected to provide auxiliary borehole design based on extraction methods，dispatch of construction plans，receipt of borehole operation plans by on-site devices，automatic calculation of borehole depth， and final acceptance of gas extraction boreholes.It was further proposed that documentation such as extraction design statements for working faces，safety technical measures，original shift reports，final acceptance forms for gas extraction boreholes，complete extraction borehole operation videos， and videos of each driling process should be retained for at least two years. ③ According to the workflow of water exploration operations in coal mines， it was proposed that the intelligent management system should include functions such as \"three-special management\"，geophysical survey management， driling design，drilling planning， drilling operation，driling acceptance，drilinganalysis，and driling ledger management，with capabilities for display，query，storage，and alarm functions.Based on the operational needs of water exploration， it was proposed that the system should provide auxiliary borehole design based on anomalous geophysical zones，dispatch of driling plans，reception of borehole operation plans by on-site devices，automatic calculation of borehole depth，acceptance of individual boreholes and overal driling projects，and big data analysis applications. It was also proposed that the system should support entry and exit logging of dedicated water exploration personnel and enable real-time tracking of their location during operations. The system was also expected to display real-time methane sensor readings from the operation site. It was proposed that documentation such as geophysical survey and drilling design documents， safety technical measures，excavation suspension notices，water exploration notices，original shift reports，driling project acceptance forms， safety confirmation handover forms， excavation approval notices， driling project summaries，monthly/quarterly/annual water exploration statistics，complete drilling operation videos，single-hole operation videos， and videos of each drilling rod process should be retained for at least two years.

Key words： coal mine disaster prevention and control; gas extraction; water exploration operation; intelligent management; standards

0引言

煤礦瓦斯抽采是煤礦瓦斯防治的主要措施[1-2]當前煤礦瓦斯抽采鉆孔作業存在不按設計施工、無有效監督手段、鉆孔質量難以保障、鉆探作業人工檢測方式效率低、造假等問題。煤礦瓦斯抽采智能管理系統采用人工智能圖像識別和大數據分析技術，構建智能化瓦斯抽采達標評價模型，預測抽采達標狀態，真正落實煤礦瓦斯防治措施，減少了瓦斯事故發生[3-4]，提高了生產效率，促進了煤礦安全生產。為規范煤礦瓦斯抽采智能管理系統，2023年國家能源局綜合司下達了“煤礦瓦斯抽采智能管理系統技術要求”能源行業標準研究制定項目（項目計劃編號：能源20230120），并確定由中國礦業大學（北京）為負責起草單位，負責標準的編寫制定工作[5]。起草單位共同組建成立了標準起草工作組，負責該能源行業標準的有關技術研究及編制起草工作。中國礦業大學（北京）孫繼平教授作為項目工作組組長，負責項目整體技術方案和指標的確定及起草工作。標準起草工作組通過多種途徑廣泛收集了與煤礦瓦斯抽采智能管理系統有關的技術資料，全面掌握了現有煤礦瓦斯抽采智能管理系統有關的應用和技術情況，在分析研究和試驗驗證的基礎上，形成了《煤礦瓦斯抽采智能管理系統技術要求》（征求意見稿）。

煤礦探水作業是煤礦水害防治的主要措施[6-7]。但在煤礦探水作業中，存在探水作業不規范、探水鉆孔不到位等問題，水害事故時有發生。煤礦探水作業場景視頻監控系統解決了鉆探工作取證問題，但視頻監控需要大量工作人員長時間值守和查看，探水作業工程質量難以保障，影響煤礦安全生產。煤礦探水作業智能管理系統采用人工智能機器視覺技術對探水作業過程進行智能識別分析，具有作業流程標準化、作業過程網絡化、監督管理智能化等優點，提高了防治水工作科技水平，減少了煤礦水害事故的發生。為規范煤礦探水作業智能管理系統，2023年國家能源局綜合司下達了“煤礦探水作業智能管理系統技術要求”能源行業標準研究制定項目（項目計劃編號：能源20230119），并確定由中國礦業大學（北京）為負責起草單位，負責標準的編寫制定工作[5]。起草單位共同組建成立了標準起草工作組，負責該能源行業標準的有關技術研究及編制起草工作。中國礦業大學（北京）孫繼平教授作為項目工作組組長，負責項目整體技術方案和指標的確定及起草工作。標準起草工作組通過多種途徑廣泛收集了與煤礦探水作業智能管理系統有關的技術資料，全面掌握了現有煤礦探水作業智能管理系統有關的應用和技術情況，在分析研究和試驗驗證的基礎上，形成了《煤礦探水作業智能管理系統技術要求》征求意見稿）。

本文根據《煤礦瓦斯抽采智能管理系統技術要求》（征求意見稿）和《煤礦探水作業智能管理系統技術要求》（征求意見稿）進行整理。

1術語和定義

1）煤礦瓦斯抽采智能管理系統是指具有瓦斯抽采鉆孔輔助設計、抽采施工計劃制定及自動下發、抽采鉆孔作業管理、人工智能圖像識別抽采鉆孔深度、抽采鉆孔驗收、抽采鉆孔臺賬等功能的系統。

2）煤礦探水作業智能管理系統是指具有物探管理、探水計劃、鉆探設計、鉆探計劃及自動下發、鉆探作業管理、鉆孔深度圖像實時智能識別、鉆探驗收、鉆探分析、鉆探臺賬管理、“三專”管理等功能的煤礦探水作業全流程管理系統。

3）推理服務器是指使用推理引擎和推理規則，對輸人的視頻數據進行推理計算，返回推理結果的專門用于處理推理任務的服務器。

4）應用服務器是指為應用程序提供運行環境的服務器，用于管理應用程序的執行、數據庫連接、文件系統等資源，處理用戶請求，執行業務邏輯，管理數據存儲等。

5）視頻分析控制器是指具有視頻分析功能的專用設備，用于視頻分析和設備控制。

2系統組成與分類

系統一般由應用服務器、視頻分析控制器、推理服務器、網絡交換機、硬盤錄像機、攝像機、手機、電源、線纜等設備組成。

按視頻分析設備設置地點，系統可分為： ① 井上分析型； ② 井下分析型； ③ 井下與井上共同分析型。

3通用要求

1）目標識別準確率（識別目標的準確程度，用正確識別出的目標數量/識別出的全部目標數量表示）應不低于 95% 。目標識別召回率（正例目標被識別全的程度，用識別出正例目標/所有正例目標表示）應不低于 95% 。

2）用于煤礦井下爆炸性環境的電氣設備應是防爆型設備，應符合GB/T3836.1—2021《爆炸性環境第1部分：設備通用要求》[8]、GB/T3836.2—2021《爆炸性環境第2部分：由隔爆外殼“d”保護的設備》[9]、GB/T3836.3—2021《爆炸性環境第3部分：由增安型“e”保護的設備》[10]、GB/T3836.4—2021《爆炸性環境第4部分：由本質安全型“T保護的設備》[11]和GB/T3836.9—2021《爆炸性環境第9部分：由澆封型“m”保護的設備》[12]的規定。防爆型電氣設備宜采用本質安全型。

3）系統應具有網絡通信功能。系統傳輸網絡應能保證視頻上傳質量，低時延、無卡頓、無花屏。系統應支持接入符合要求的煤礦已有攝像機。

4）系統應具有使用、運行及維護技術文檔和手冊。系統必須經過測試和試運行驗證后，方可交付運行使用。

5）系統應具有人機對話功能，以便于系統生成、參數修改、功能調用、控制命令輸人等。系統應具有操作權限管理功能，對參數設置、控制等應使用密碼操作，并具有操作記錄。系統應具有煤礦基本信息、班次、關聯設備、工作面、表單模板、審批流程、圖紙等參數配置功能。

6）系統應具有自診斷功能。當系統中攝像機、網絡交換機、硬盤錄像機、服務器等設備發生故障時，報警并記錄故障時間和故障設備，以供查詢及打印。系統應具有數據備份功能。

7）系統應具有防雷功能。分別在入井口、地面調度室等處采取防雷措施[13]。

8）系統應具有實時多任務功能。系統應具有軟件自監視和容錯功能

9）在電網停電后，備用電源應能保證系統連續工作時間不小于 ^4h 。

10）系統信息安全應符合GB/T22239—2019《信息安全技術網絡安全等級保護基本要求》[14]有關要求。攝像機信息安全應符合GB/T28181—2016《公共安全視頻監控聯網系統信息傳輸、交換、控制技術要求》[15]、GB/T30147—2013《安防監控視頻實時智能分析設備技術要求》[16]、GB35114—2017《公共安全視頻監控聯網信息安全技術要求》[17]有關要求。服務器信息安全應符合GB/T22239—2019、GB/T39680—2020《信息安全技術服務器安全技術要求和測評準則》[18]相關要求。

11）攝像機應符合NB/T10720—2021《煤礦用攝像儀》9的規定，并滿足下列要求： ① 可見光成像分辨率應 ?1 （ 280×720 ，紅外熱成像分辨率應 ? 384×288 。 ② 采樣頻率應 ?25 幀/s。 ③ 應支持視頻壓縮標準 H.264/H.265/MJPEG 。 ④ 應支持標準RTSP、ONVIF、GB28181協議對接。 ⑤ 應具有低照度、寬動態、可見光或紅外補光、強光抑制、視頻增強等功能。 ⑥ 應具有斷網本地存儲及續傳功能。

12）視頻分析控制器應具有RS485接口、數字輸入/輸出（DIO）接口、千兆光接口、千兆電接口、數字用戶線技術（DSL）接口。

13）推理服務器應符合下列要求： ① 算力應支持動態擴縮容。 ② 模型推理服務器應支持多類算法并行穩定運行。

14）應用服務器應符合以下要求： ① 應用服務器能夠支撐系統穩定運行，數據及運行日志數據存儲時間應 ?3 個月。 ② 應用服務器可選擇物理服務器或云服務器。 ③ 滿足 7×24h 運行需要，支持上電自啟動功能。 ④ 配置雙熱插拔冗余電源。

15）視頻存儲設備應符合下列要求： ① 應具有視頻播放、快慢速播放、逐幀進退、畫面暫停、圖像抓拍和回放控制、實時圖像畫面分割、錄像、音頻呼叫等功能。 ② 應支持 30d 以上視頻數據存儲，支持存儲按需動態擴縮容。 ③ 應支持錄像備份，關鍵數據雙重備份。 ④ 應符合行業標準協議和規范，支持ONVIF、GB/T28181—2016、RTP/RTSP等標準協議，兼容主流廠商前端設備。 ⑤ 應支持緩存補錄技術，保證業務數據的完整性。 ⑥ 應支持IPC動態模塊快速接入，IPC模板動態更新，用戶可添加和更新各類型IPC模板，模板更新后即時生效。

4煤礦瓦斯抽采智能管理

4.1一般要求

1）系統應符合《煤礦瓦斯抽采智能管理系統技術要求》的規定，系統中的設備應符合《煤礦瓦斯抽采智能管理系統技術要求》和有關標準的要求。

2）系統應具有煤礦基本信息、煤層信息、采掘工作面瓦斯地質信息、煤層瓦斯賦存區分布、表單模板、審批流程、圖紙等參數配置功能。

4.2 瓦斯地質建模

系統應具有瓦斯地質建模功能，具有煤層瓦斯賦存區分布、煤層瓦斯壓力、煤層瓦斯含量、絕對瓦斯涌出量、瓦斯抽采達標在線分析預測等功能。

4.3抽采鉆孔與管路

4.3.1 抽采鉆孔設計

1）系統應具有工作面抽采設計說明書及抽采鉆孔信息顯示、查詢、存儲、審批等功能。抽采設計信息包括： ① 抽采方法； ② 鉆場編號； ③ 鉆孔編號；④ 鉆機型號； ⑤ 鉆孔位置； ⑥ 開孔高度； ⑦ 鉆孔方位角; ⑧ 鉆孔傾角； ⑨ 鉆孔間距； ⑩ 鉆孔孔徑； ① 鉆孔深度等。

2）系統應具有基于抽采方法的抽采鉆孔輔助設計功能。鉆場鉆孔布置應符合AQ1027—2006《煤礦瓦斯抽放規范》[20]的規定。

4.3.2 抽采施工計劃

系統應具有抽采施工計劃信息顯示、查詢、存儲、審批等功能。抽采施工計劃信息包括： ① 鉆場編號; ② 鉆孔編號； ③ 鉆孔位置； ④ 開孔高度； ⑤ 鉆孔方位角； ⑥ 鉆孔傾角; ⑦ 鉆孔間距; ⑧ 鉆孔孔徑；⑨ 鉆孔深度。

4.3.3 抽采鉆孔作業

1）系統應由現場設備完成抽采鉆孔作業的接收、查詢、顯示、開始、暫停、結束、匯報等功能。

2）系統應具有自動計算抽采鉆孔深度功能，宜采用人工智能圖像識別技術實時識別抽采鉆桿數量，并計算鉆孔深度。

3）系統宜具有開孔方位角、傾角判斷和鉆孔軌跡測量儀器控制功能。

4）瓦斯抽采鉆孔封孔方法及要求應符合AQ1027—2006的規定。

4.3.4 抽采鉆孔驗收

系統應具有瓦斯抽采鉆孔驗收功能，并自動生成鉆孔驗收表。系統宜具有視頻智能輔助驗收

功能。

4.3.5 抽采鉆孔臺賬

系統應具有瓦斯抽采鉆孔臺賬顯示、查詢、存儲、下載、打印等功能。臺賬內容包括： ① 工作面抽采設計說明書； ② 安全技術措施； ③ 原始記錄班報表； ④ 抽采鉆孔竣工驗收表； ⑤ 抽采鉆孔作業完整視頻等。

4.3.6抽采管路管理

系統應具有瓦斯抽采鉆孔、抽采管路、抽采設備及泵站等信息的顯示、查詢、存儲功能。抽采管路布置、抽采設備及泵站應符合AQ1027—2006的規定。

4.4監測與評判

4.4.1 抽采參數監測

系統應具有抽采管路中甲烷濃度、流量、壓力、溫度等參數的采集、顯示及報警功能。監測內容應符合MT/T1126—2011《煤礦瓦斯抽采（放）監控系統通用技術條件》[21]的規定。

4.4.2 礦井環境監測

系統宜具有甲烷濃度、風速、風壓、一氧化碳濃度、溫度、粉塵等模擬量采集、顯示及報警功能

4.4.3 抽采達標評判

系統應具有計算評價工作面瓦斯抽采率、回風瓦斯濃度評判、風速評判等功能。判定指標應符合AQ1026—2006《煤礦瓦斯抽采基本指標》[22的規定。

4.4.4絕對瓦斯涌出量預測

系統應能根據煤層賦存條件、地質構造、采掘情況、抽采流量等因素，分析瓦斯涌出來源，構建工作面瓦斯涌出預測模型，預測絕對瓦斯涌出量。

5煤礦探水作業智能管理

5.1一般要求

1）煤礦探水作業智能管理系統應符合《煤礦探水作業智能管理系統技術要求》的規定，系統中的設備應符合《煤礦探水作業智能管理系統技術要求》和有關標準的要求。

2）系統應具有物探、鉆探設計、計劃、作業、驗收、分析、臺賬等功能。系統應具有水害隱蔽致災因素顯示、查詢、存儲等功能。

3）物探設計文檔、鉆探設計文檔、安全技術措施、停止掘進通知單、探水通知單、原始記錄班報表、鉆探工程驗收表、安全確認移交表、允許掘進通知單、鉆探工程總結、月/季/年度探水統計表、鉆探作業完整視頻、單孔作業視頻、每桿鉆進視頻等資

料文檔應保存2a以上。

5.2 “三專”管理

1）系統應具有防治水專業技術人員信息顯示、查詢、存儲、報警等功能。防治水專業技術人員信息包括： ① 姓名； ② 性別; ③ 年齡; ④ 學歷; ⑤ 專業；⑥ 職務； ⑦ 職稱; ⑧ 再培訓記錄等。當不符合煤礦水害防治的有關規定時，系統應發出報警信號。

2）系統應具有專用探放水設備信息顯示、查詢、存儲、報警等功能。專用探放水設備信息包括：① 設備名稱; ② 設備狀態； ③ 設備數量； ④ 生產廠家； ⑤ 購置日期; ⑥ 設備管理部門； ⑦ 設備使用地點； ⑧ 維修狀況； ⑨ 相關配件等。當不符合煤礦水害防治的有關規定時，系統應發出報警信號。

3）系統應具有專門探放水隊伍中專職探放水作業人員信息顯示、查詢、存儲、報警等功能。專職探放水作業人員信息包括： ① 姓名； ② 年齡; ③ 部門；④ 職務； ⑤ 人員定位卡號； ⑥ 特種作業操作證證件編號; ⑦ 特種作業操作證有效期; ⑧ 再培訓記錄等。當不符合煤礦水害防治的有關規定時，系統應發出報警信號。

5.3 物探管理

系統應具有物探作業信息顯示、查詢、存儲、審批等功能。物探作業信息包括： ① 物探位置; ② 物探日期; ③ 物探方法； ④ 物探范圍； ⑤ 物探單位； ⑥ 物探人員； ⑦ 物探設備； ⑧ 物探成果報告； ⑨ 物探成果圖紙等。

5.4鉆探管理

5.4.1 鉆探設計

1）系統應具有鉆探設計文檔及相關信息顯示、查詢、存儲、審批等功能。鉆探設計信息包括： ① 工作面名稱; ② 設計鉆探次數; ③ 鉆機型號； ④ 鉆桿長度； ⑤ 鉆孔編號; ⑥ 鉆孔方位角； ⑦ 鉆孔傾角； ⑧ 鉆孔孔徑； ⑨ 鉆孔深度； ⑩ 套管長度； ① 套管直徑等。系統應具有基于物探異常區域范圍的鉆孔輔助設計功能。

2）系統應具有鉆探計劃信息顯示、查詢、存儲、審批、下發等功能。鉆探計劃信息包括： ① 工作面名稱; ② 鉆探位置; ③ 鉆探日期; ④ 鉆探班次; ⑤ 施工單位; ⑥ 施工班組長; ⑦ 施工人員； ⑧ 鉆孔編號；⑨ 鉆孔方位角； ⑩ 鉆孔傾角； ① 鉆孔孔徑； ? 鉆孔深度； ? 套管長度； ? 套管直徑等。系統應自動生成、下發停止掘進通知單和探水通知單。

5.4.2 鉆探作業

1）系統應由現場設備完成鉆探作業的接收、查詢、顯示、開始、暫停、結束、匯報等功能。

2）系統應具有自動計算鉆孔深度功能，宜采用人工智能圖像識別技術實時識別鉆桿數量，并計算鉆孔深度。3）系統宜具有專職探放水作業人員作業期間的出入并記錄、人員定位軌跡查詢功能。4）系統宜具有作業現場甲烷、一氧化碳、溫度傳感器實時監測值顯示功能。5）系統宜具有開孔方位角、傾角判斷和鉆孔軌跡測量儀器控制功能。

5.4.3 鉆探驗收

系統應具有單孔驗收及鉆探工程驗收功能，并自動生成鉆孔驗收表。系統宜具有視頻輔助驗收功能。

5.4.4 鉆探分析

系統應具有鉆孔深度、鉆進時間、鉆孔軌跡、終孔位置偏差等大數據應用分析功能，并自動生成安全確認移交表和允許掘進通知單。

5.4.5 鉆探臺賬

系統應具有鉆探作業臺賬顯示、查詢、存儲、下載、打印等功能。臺賬內容包括： ① 停止掘進通知單； ② 鉆探作業通知單； ③ 原始記錄班報表； ④ 鉆探工程驗收表； ⑤ 安全確認移交表； ⑥ 充許掘進通知單； ⑦ 鉆探作業完整視頻; ⑧ 單孔作業視頻; ⑨ 每桿鉆進視頻等。

6結論

1）根據煤礦視頻分析設備設置地點，將系統分為井上分析型、井下分析型、井下與井上共同分析型3類。

2）根據煤礦瓦斯抽采和探水作業業務需求，提出自標識別準確率應不低于 95% ，目標召回率應不低于 95% 。

3）根據煤礦瓦斯抽采業務流程，提出煤礦瓦斯抽采智能管理系統應具有瓦斯地質建模、抽采鉆孔設計、抽采施工計劃、抽采鉆孔作業、抽采鉆孔驗收、抽采鉆孔臺賬、抽采管路管理、抽采參數監測、礦井環境監測、抽采達標評判、絕對瓦斯涌出量預測等顯示、查詢、存儲、報警等功能。

4）根據煤礦瓦斯抽采作業需求，提出煤礦瓦斯抽采智能管理系統應具有基于抽采方法的抽采鉆孔輔助設計、抽采施工計劃下發、現場設備接收抽采鉆孔作業、自動計算抽采鉆孔深度、瓦斯抽采鉆孔驗收等功能；提出工作面抽采設計說明書、安全技術措施、原始記錄班報表、抽采鉆孔竣工驗收表、抽采鉆孔作業完整視頻、每桿鉆機視頻等資料文檔保存

期限應 ?2 a。

5）根據煤礦探放水業務流程，提出煤礦探水作業智能管理系統應具有“三專”管理、物探管理、鉆探設計、鉆探計劃、鉆探作業、鉆探驗收、鉆探分析、鉆探臺賬等顯示、查詢、存儲、報警等功能。

6）根據煤礦探放水作業需求，提出系統應具有基于物探異常區域范圍的鉆孔輔助設計、鉆探計劃下發、現場設備接收鉆探作業、自動計算鉆孔深度、單孔驗收及鉆探工程驗收、系統大數據應用分析等功能；提出系統應具有專職探放水作業人員作業期間的出入井記錄、人員定位軌跡查詢等功能；提出系統應具有作業現場甲烷傳感器實時監測值顯示等功能；提出物探設計文檔、鉆探設計文檔、安全技術措施、停止掘進通知單、探水通知單、原始記錄班報表、鉆探工程驗收表、安全確認移交表、允許掘進通知單、鉆探工程總結、月/季/年度探水統計表、鉆探作業完整視頻、單孔作業視頻、每桿鉆進視頻等資料文檔保存期限應 。

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