牛立東,趙希平,徐燚,劉國亮

(中國礦業(yè)大學(xué)資源與安全工程學(xué)院,北京100083)

能源工業(yè)是我們國家經(jīng)濟(jì)發(fā)展的命脈。近年來,隨著石油資源的緊張、石油價(jià)格的飚升,煤炭行業(yè)的重要性和不可替代性也日益凸現(xiàn)。然而,中國煤炭行業(yè)的安全生產(chǎn)形勢卻不容樂觀,尤其是重、特大事故屢見報(bào)端。這其中固然有很多客觀因素,但各煤礦生產(chǎn)企業(yè)安全監(jiān)測監(jiān)控設(shè)備、系統(tǒng)不完備,管理手段落后也是造成事故頻發(fā)的重要原因之一。隨著國家對煤礦安全生產(chǎn)工作的日益重視,以及各礦務(wù)局自身現(xiàn)代化管理的需求,我國高瓦斯或瓦斯突出的生產(chǎn)礦井均裝備了煤礦瓦斯監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)。

1 瓦斯監(jiān)控存在的問題與解決思路

在早期,煤礦生產(chǎn)瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)采用了地面單微機(jī)監(jiān)測監(jiān)控,后來又發(fā)展成為網(wǎng)絡(luò)化監(jiān)測監(jiān)控。但瓦斯監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)依然在網(wǎng)絡(luò)化管理決策和瓦斯檢測技術(shù)方面存在不足,具體存在如下問題。

1)網(wǎng)絡(luò)化監(jiān)測監(jiān)控只是本地系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化,并不與外界進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。由此,也引發(fā)了一些管理問題。各煤礦為了能夠完成或者超額完成公司下達(dá)的煤炭生產(chǎn)任務(wù),有時(shí)會(huì)人為忽視、瞞報(bào)生產(chǎn)監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)的報(bào)警信息,繼續(xù)違章生產(chǎn),產(chǎn)生安全生產(chǎn)隱患,嚴(yán)重時(shí)甚至導(dǎo)致傷亡事故。

2)現(xiàn)有的監(jiān)測只是實(shí)現(xiàn)單獨(dú)點(diǎn)、井下單獨(dú)環(huán)境參數(shù)的監(jiān)測。此種監(jiān)測手段往往會(huì)因?yàn)榫卤O(jiān)測設(shè)備故障、靈敏度下降、巷道堵塞等原因而造成監(jiān)測數(shù)據(jù)的錯(cuò)誤,導(dǎo)致災(zāi)害的發(fā)生;或者因?yàn)橄到y(tǒng)分析所采取的數(shù)據(jù)種類不全而造成誤報(bào)。

為避免這些問題出現(xiàn),加強(qiáng)對下轄各礦井的管理,進(jìn)一步提高安全生產(chǎn)管理水平,臨汾市煤炭工業(yè)管理局要求能夠?qū)崟r(shí)掌握各個(gè)下屬煤礦的安全和生產(chǎn)動(dòng)態(tài)。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo),筆者提出了以下解決方法：第一,利用現(xiàn)有數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò),將各個(gè)下屬煤礦的實(shí)時(shí)監(jiān)測監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)集中到縣、市各中心服務(wù)器,建立起一套煤礦生產(chǎn)監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)的信息網(wǎng)絡(luò)。通過這個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng),使各個(gè)職能部門管理人員可以隨時(shí)掌握各個(gè)煤礦的生產(chǎn)狀況和安全狀況;能夠進(jìn)行綜合性動(dòng)態(tài)分析,并為高層管理人員提供生產(chǎn)決策的數(shù)據(jù)依據(jù),達(dá)到實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程信息交流和生產(chǎn)多級(jí)監(jiān)管的目的。第二,提出一種聯(lián)動(dòng)監(jiān)測思想,即對多個(gè)點(diǎn)、多種井下環(huán)境參數(shù)進(jìn)行聯(lián)合分析,從而能夠快速找出問題原因,進(jìn)一步降低瓦斯事故發(fā)生率。

2 瓦斯監(jiān)控管理決策功能設(shè)計(jì)

通用的瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)際上只是建立了一個(gè)對井下瓦斯進(jìn)行監(jiān)測的系統(tǒng)平臺(tái),要想真正實(shí)現(xiàn)監(jiān)測監(jiān)控和預(yù)測分析,為管理人員提供決策支持,必須結(jié)合自己的實(shí)際情況,借助瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)這個(gè)平臺(tái),拓展性地進(jìn)行工作,才能使瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)在煤礦安全中充分發(fā)揮作用。經(jīng)過幾年的應(yīng)用研究,結(jié)合實(shí)際情況,在原有瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增加了人員考勤、分級(jí)統(tǒng)計(jì)、網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控、測點(diǎn)定義、曲線分析等。這些功能的開發(fā)和應(yīng)用,構(gòu)筑了強(qiáng)大的防治通風(fēng)瓦斯事故的防御體系,為瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)賦予了強(qiáng)大的生命力。以下重點(diǎn)闡述分級(jí)統(tǒng)計(jì)、測點(diǎn)定義、曲線分析模塊設(shè)計(jì)。

2.1 分級(jí)統(tǒng)計(jì)監(jiān)控模塊

將采集數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)逐級(jí)上傳,并在礦、縣、市各級(jí)設(shè)置監(jiān)控平臺(tái),方便監(jiān)控人員掌控所轄區(qū)域的統(tǒng)計(jì)信息。市級(jí)監(jiān)控人員可獲取各縣的煤礦總數(shù)、聯(lián)網(wǎng)礦數(shù),以及網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)、數(shù)據(jù)上傳狀態(tài)、設(shè)備異常次數(shù)、異常報(bào)警次數(shù)、異常處理情況、煤礦類型統(tǒng)計(jì)、當(dāng)日產(chǎn)量、當(dāng)日下井人數(shù)、值班人員及聯(lián)系IP電話等統(tǒng)計(jì)信息。突出對異常信息的匯總,對異常報(bào)警傳感器所屬詳細(xì)信息的獲取及異常判斷,強(qiáng)化了技術(shù)與管理的結(jié)合。

2.2 測點(diǎn)定義模塊

根據(jù)實(shí)際情況,對測點(diǎn)的傳感器名稱、監(jiān)測類型(開關(guān)量、控制量、模擬量)、安裝位置、量程及單位等進(jìn)行了有效定義解釋,并定義了報(bào)警門限、斷電門限、復(fù)電門限,用戶可根據(jù)有關(guān)規(guī)定自行設(shè)置,監(jiān)控人員可查詢每個(gè)測點(diǎn)編號(hào)的意義。如表1所示。

表1 測點(diǎn)定義

2.3 曲線分析模塊

以曲線圖的形式把甲烷及相關(guān)的一氧化碳、風(fēng)速、溫度、負(fù)壓等各環(huán)境參數(shù)采集,用設(shè)備監(jiān)控傳感器的數(shù)據(jù)表示出來,可以直觀地分析各傳感器數(shù)據(jù)的情況,預(yù)測安全生產(chǎn)隱患,防范事故發(fā)生,給決策者提供防范依據(jù)。

以堯都區(qū)地方國營豁口煤礦為例,整個(gè)煤礦可進(jìn)行系統(tǒng)曲線分析的傳感器共64個(gè),其中提供11個(gè)點(diǎn)的甲烷監(jiān)測曲線分析。選取該煤礦2601工作面T0,T1,T2及總回風(fēng)瓦斯傳感器數(shù)據(jù)系統(tǒng)曲線分析圖,工作面?zhèn)鞲衅鞣植际疽鈭D。如圖1所示,根據(jù)測點(diǎn)定義中瓦斯報(bào)警濃度(體積分?jǐn)?shù))為大于等于1%,因此4個(gè)測點(diǎn)的瓦斯?jié)舛染鶠檎?。由于傳感器分布及工作面通風(fēng)原因,T0最靠近采掘面,因此監(jiān)測到的數(shù)據(jù)值最高,波動(dòng)幅度也最大;T1,T2逐漸遠(yuǎn)離采掘面,因此其監(jiān)測到瓦斯?jié)舛认鄳?yīng)地被稀釋,數(shù)值也相應(yīng)減少,曲線相對平緩;而總回風(fēng)處的瓦斯?jié)舛扔捎陂L時(shí)間的通風(fēng)稀釋,其數(shù)值最低,曲線也最平緩。

圖1 瓦斯體積分?jǐn)?shù)曲線分析圖

3 聯(lián)動(dòng)分析方法

單一的曲線分析只能直觀地分析各傳感器數(shù)據(jù)的情況,然而一些潛在的因素如：設(shè)備故障、靈敏度下降、巷道堵塞等問題仍然無法發(fā)現(xiàn),為此我們提出了聯(lián)動(dòng)分析法。

所謂聯(lián)動(dòng)分析法是指多因素、多測點(diǎn)綜合聯(lián)系起來進(jìn)行監(jiān)測,并對監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析。具體的方法我們借助煤礦井下生產(chǎn)平面示意圖來詳細(xì)闡述,如圖2所示。

將每個(gè)傳感器監(jiān)測數(shù)據(jù)結(jié)果,根據(jù)波動(dòng)幅度我們定性分析為：減少、不變、增加3種結(jié)果,具體算法如下：

圖2 煤礦井下生產(chǎn)平面示意圖

1)取兩個(gè)連續(xù)相等的時(shí)間段記為t1,t2,對時(shí)間段的選取由用戶設(shè)定;對于即時(shí)判斷的,時(shí)間段易選取1 min內(nèi);對于為了歷史數(shù)據(jù)分析統(tǒng)計(jì)、找出潛在知識(shí)、規(guī)則的時(shí)間段選取為1～4 h,從當(dāng)前時(shí)間往后選,即t1為距離當(dāng)前較近的時(shí)段。

2)波動(dòng)值記為W,計(jì)算公式為.每秒的瓦斯?jié)舛扔洖镃.其中根據(jù)公式可得W1,W2.

3)計(jì)算波動(dòng)幅度M,M=W1-W2.

4)查找臨界值K,表2給出了部分監(jiān)測參數(shù)變化參考臨界值。若 -K＜M＜K,則可定性為無變化;若M≤-K,定性為減少;若M≥K,定性為增加。

表2 監(jiān)測參數(shù)變化參考臨界值

3.1 多點(diǎn)監(jiān)測

對于同一環(huán)境設(shè)備參數(shù)監(jiān)測,我們選取多個(gè)測點(diǎn)聯(lián)合監(jiān)測。如對于瓦斯的濃度監(jiān)測,采用對總回風(fēng)巷、回采面、掘進(jìn)面1、掘進(jìn)面2進(jìn)行聯(lián)合檢測。如此對4個(gè)點(diǎn)的瓦斯監(jiān)測共有81種變化組合,通過這81種組合,我們可以較精確地分析出瓦斯?jié)舛葦?shù)據(jù)變化的具體原因。如表3中序號(hào)為1,2的數(shù)據(jù)：掘進(jìn)2,回采監(jiān)測數(shù)據(jù)不變,在掘進(jìn)1瓦斯數(shù)據(jù)大幅波動(dòng)(增大或減小)的情況下,總回風(fēng)也應(yīng)該增大或減小,然而總回風(fēng)卻不變,因此我們可判斷出掘進(jìn)2的瓦斯傳感器故障,或總回風(fēng)瓦斯傳感器靈敏度低。進(jìn)一步分析序號(hào)3—6我們可以看到,在回采、掘進(jìn)1、掘進(jìn)2變動(dòng)的同時(shí),總回風(fēng)依然不變,因此可確定總回風(fēng)瓦斯傳感器靈敏度低。同樣,對于序號(hào)7,8,我們可分別判斷出存在其他作業(yè)區(qū),總回風(fēng)甲烷傳感器故障。

同理,對于風(fēng)速關(guān)系我們也對總回風(fēng)巷、回采面、掘進(jìn)面1、掘進(jìn)面2進(jìn)行多點(diǎn)聯(lián)合檢測。通過該方法,我們能較精確地發(fā)現(xiàn)調(diào)風(fēng)系統(tǒng)、其他通風(fēng)處、有漏風(fēng)處、某一個(gè)傳感器故障等監(jiān)測異常原因。

表3 相同礦時(shí)間段下甲烷監(jiān)測關(guān)系表

3.2 多因素(參數(shù))監(jiān)測

如前所述,瓦斯事故的發(fā)生與井下多種環(huán)境參數(shù)有關(guān),井下監(jiān)測的眾多因素很多都是相互關(guān)聯(lián)的,邏輯上存在著某種關(guān)系。因此,將多個(gè)聯(lián)系的參數(shù)聯(lián)合在一起監(jiān)測分析,將更有助于問題的發(fā)現(xiàn),如將主扇(轉(zhuǎn)速)、負(fù)壓、采區(qū)風(fēng)速3個(gè)參數(shù)進(jìn)行綜合分析。人為調(diào)速是影響主扇轉(zhuǎn)速的原因,在其他條件不變的情況下,負(fù)壓(礦井內(nèi)外氣壓差值)與采區(qū)風(fēng)速成正比關(guān)系。當(dāng)通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)中出現(xiàn)巷道堵塞,因此負(fù)壓、通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)是影響采區(qū)風(fēng)速的主要因素;主扇轉(zhuǎn)速,通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)(抽風(fēng)口、主風(fēng)機(jī)個(gè)數(shù),外壓值,巷道堵塞、風(fēng)流短路)是影響負(fù)壓的主要因素。在其他條件不變的情況下,負(fù)壓與主扇轉(zhuǎn)速成正比關(guān)系;而通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)中抽風(fēng)口、主風(fēng)機(jī)個(gè)數(shù),外壓值都是確定的,風(fēng)流短路會(huì)造成負(fù)壓值下降,巷道堵塞會(huì)造成負(fù)壓值增加。

如表4中的序號(hào)1,2都為正常情況。而序號(hào)3顯示主扇轉(zhuǎn)速減少,采區(qū)風(fēng)速也減少,兩者變化一致;正常情況下負(fù)壓應(yīng)該也減少,表中數(shù)據(jù)為不變,則可判斷巷道堵塞。序號(hào)4顯示,主扇轉(zhuǎn)速、負(fù)壓都一致減少,正常情況下采區(qū)風(fēng)速應(yīng)減少,而表中數(shù)據(jù)卻不變,因此可判斷采區(qū)風(fēng)速傳感器故障(失靈)。同理,序號(hào)5也說明采區(qū)風(fēng)速傳感器故障。序號(hào)6在主扇轉(zhuǎn)速與風(fēng)速增加的情況下,負(fù)壓也應(yīng)該增加,然而負(fù)壓異常減少(或不變),因此推斷只能是風(fēng)流短路才能引起此異常。

表4 相同礦時(shí)間段下主扇與負(fù)壓風(fēng)速關(guān)系表

3.3 形成計(jì)算機(jī)規(guī)則庫

將每一種變化用計(jì)算機(jī)語言描述形成規(guī)則,應(yīng)用于最新的瓦斯監(jiān)控系統(tǒng),可有效提高故障分析、定位準(zhǔn)確率,大大降低了瓦斯事故發(fā)生。同時(shí),精確的故障定位,也極大地縮短了人為檢查時(shí)間,加快了故障恢復(fù),從而提高了生產(chǎn)效率。目前70%的規(guī)則已在臨汾市煤礦生產(chǎn)運(yùn)營中得到驗(yàn)證。

4 結(jié)束語

新的煤礦瓦斯安全監(jiān)控系統(tǒng)從技術(shù)上強(qiáng)化了管理,實(shí)現(xiàn)了監(jiān)管到位、責(zé)任到人管理方式。運(yùn)用此系統(tǒng)后,臨汾市煤炭工業(yè)整體管理水平大幅提升,煤礦安全生產(chǎn)明顯改善,百萬噸死亡率由2005年的0.93,下降為2008年的0.74,煤礦安全監(jiān)管水平名列全國前列,取得了經(jīng)濟(jì)利益和社會(huì)利益的最大化。

新的瓦斯安全監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對各種監(jiān)測數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)圖形、柱狀圖、實(shí)時(shí)曲線、歷史曲線的顯示,大大提高了它的人性化。實(shí)現(xiàn)了瓦斯監(jiān)測信息的網(wǎng)絡(luò)發(fā)布,各級(jí)領(lǐng)導(dǎo)可以隨時(shí)掌握瓦斯監(jiān)測的實(shí)時(shí)信息,及時(shí)做出戰(zhàn)略決策,指導(dǎo)生產(chǎn)。真正實(shí)現(xiàn)了瓦斯監(jiān)測信息采集、分析、發(fā)布和備份自動(dòng)化,使瓦斯信息的網(wǎng)絡(luò)化、可視化的實(shí)現(xiàn)成為可能,并對瓦斯信息進(jìn)行聯(lián)合、動(dòng)態(tài)統(tǒng)計(jì)分析,為安全生產(chǎn)提供了保障。然而,目前此系統(tǒng)在聯(lián)動(dòng)分析中尚有一部分規(guī)則未得到驗(yàn)證。隨著瓦斯測點(diǎn)的增多,規(guī)則數(shù)目也就多,為形成計(jì)算機(jī)規(guī)則及驗(yàn)證帶來一定的困難。為此,在今后的研究驗(yàn)證中,要將聯(lián)動(dòng)分析法用一種更為精確的數(shù)學(xué)函數(shù)來表示,形成具有一般性的規(guī)則。

[1] 于不凡,王佑安.煤礦瓦斯災(zāi)害防治及利用技術(shù)手冊[M].北京：煤炭工業(yè)出版社,2000.

[2] 樊栓保.國內(nèi)外煤與瓦斯突出預(yù)測的新方法[J].礦業(yè)安全與環(huán)保,2000,27(5)：17-19.

[3] 蘇文叔.利用瓦斯涌出動(dòng)態(tài)指標(biāo)預(yù)測煤與瓦斯突出[J].煤炭工程師,1996(5)：1-7.

[4] 龔鍵雅.地理信息系統(tǒng)基礎(chǔ)[M].北京：科學(xué)出版社,2001.

[5] 段海新,楊家海,吳建平.基于WEB和數(shù)據(jù)庫的網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)[J].軟件學(xué)報(bào),2000(11)：468-473.