胡少銀，汪正俊，華月存

（1．淮南礦業(yè)集團(tuán)，安徽 淮南232082；2．淮南潤(rùn)成科技股份有限公司，安徽 淮南232008）

煤礦瓦斯是井下有毒有害氣體的總稱(chēng)。這種有毒有害氣體主要以甲烷為主。所以狹義的瓦斯往往泛指甲烷。當(dāng)空氣中瓦斯?jié)舛群芨邥r(shí)，空氣中的氧含量會(huì)相對(duì)降低，導(dǎo)致人員窒息；另外當(dāng)空氣中的瓦斯含量達(dá)到一定值時(shí)遇火就會(huì)燃燒或爆炸，瓦斯爆炸時(shí)能產(chǎn)生1 850℃以上的高溫和高壓的強(qiáng)大沖擊波，從而造成人員傷亡和設(shè)備、設(shè)施的損壞，如果爆炸源附近的沉積煤塵被揚(yáng)起，還將導(dǎo)致煤塵爆炸；瓦斯爆炸將產(chǎn)生大量的有毒有害氣體，氧氣含量減少，一氧化碳、二氧化碳等有害氣體顯著增加，會(huì)造成大量人員中毒傷亡，嚴(yán)重影響和威脅礦井生產(chǎn)安全，一旦形成災(zāi)害事故，會(huì)給國(guó)家財(cái)產(chǎn)和職工生命造成巨大損失[1-2]。

礦井生成作業(yè)過(guò)程中煤炭瓦斯涌出量大，影響涌出的因素眾多[3-5]，與瓦斯賦存條件及運(yùn)移動(dòng)規(guī)律有關(guān)[6]，如煤層埋藏深度、圍巖性質(zhì)、煤巖傾角、煤巖滲透性等都會(huì)影響到工作面的瓦斯涌出量。單一絕對(duì)值瓦斯涌出數(shù)據(jù)及常用的瓦斯涌出量計(jì)算[7-8]具有特殊性，日平均值考慮了大量的非作業(yè)時(shí)間段及調(diào)校期間數(shù)據(jù)[9-10]，對(duì)瓦斯涌出的預(yù)測(cè)實(shí)時(shí)參考意義不大。針對(duì)此類(lèi)情況，采用瓦斯動(dòng)態(tài)高峰均值智能預(yù)警技術(shù)，采樣數(shù)據(jù)符合瓦斯變化實(shí)際、采樣數(shù)據(jù)有效、真實(shí)、可靠，對(duì)瓦斯變化趨勢(shì)的預(yù)判及預(yù)警，相比其他瓦斯計(jì)算、瓦斯預(yù)警技術(shù)[11]更科學(xué)性、更智能化。

1 動(dòng)態(tài)高峰均值算法簡(jiǎn)介

根據(jù)KJ91X 煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行二次分析，分測(cè)點(diǎn)（激光甲烷、低濃瓦斯、高低濃甲烷等多種類(lèi)型傳感器）生成隨時(shí)間變化的動(dòng)態(tài)高峰均值，即每天至動(dòng)態(tài)時(shí)刻的時(shí)間段內(nèi)，計(jì)算出的動(dòng)態(tài)高峰均值。隨后將各測(cè)點(diǎn)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)峰值與前7 d 動(dòng)態(tài)高峰均值相比較，當(dāng)即時(shí)（當(dāng)日）動(dòng)態(tài)高峰均值與前7 d 動(dòng)態(tài)高峰均值增幅趨勢(shì)超過(guò)相應(yīng)的設(shè)置倍數(shù)時(shí)，觸發(fā)相應(yīng)等級(jí)的預(yù)警信息（目前分為三級(jí)遞增式報(bào)警）。預(yù)警倍數(shù)與預(yù)警等級(jí)關(guān)系可根據(jù)礦井實(shí)際自由設(shè)定。

1.1 基本原理

每一時(shí)間段內(nèi)，監(jiān)控系統(tǒng)中某一監(jiān)測(cè)點(diǎn)的瓦斯監(jiān)測(cè)值隨時(shí)變化，每隔1 個(gè)時(shí)間間隔（周期可由用戶(hù)設(shè)置）產(chǎn)生1 個(gè)數(shù)值，隨時(shí)間推進(jìn)離散分布，其所有監(jiān)測(cè)值連接形成的幾何曲線一般會(huì)形成1 個(gè)或多個(gè)波峰和波谷，只有處于生產(chǎn)作業(yè)時(shí)間段內(nèi)的峰值波段數(shù)據(jù)及持續(xù)時(shí)間對(duì)考察瓦斯動(dòng)態(tài)變化趨勢(shì)具有參考意義；為此，取處于波峰期內(nèi)的較大數(shù)值及持續(xù)時(shí)間進(jìn)行分析，數(shù)值從大到小累計(jì)持續(xù)時(shí)間，當(dāng)累計(jì)時(shí)間達(dá)“設(shè)定時(shí)間周期”（默認(rèn)1 h），對(duì)所取的所有數(shù)值及其持續(xù)時(shí)間按大數(shù)據(jù)積分法計(jì)算設(shè)定時(shí)間周期內(nèi)的監(jiān)測(cè)值平均值，該監(jiān)測(cè)值平均值會(huì)隨時(shí)間變化而發(fā)生同步變化，稱(chēng)之為“動(dòng)態(tài)高峰均值”。

1.2 計(jì)算方法

按設(shè)定起始時(shí)刻起，對(duì)采集到的每一次數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，形成測(cè)點(diǎn)動(dòng)態(tài)峰值“設(shè)定時(shí)間周期”（默認(rèn)1 h）數(shù)據(jù)集合?？深A(yù)設(shè)定有效數(shù)值起點(diǎn)（默認(rèn)為大于0.1 %），對(duì)接收到的每一個(gè)數(shù)據(jù)，當(dāng)大于有效數(shù)值且不屬于調(diào)試數(shù)值時(shí)，記錄該值大小及時(shí)刻，當(dāng)接收到下1 個(gè)數(shù)值時(shí)，記錄該值大小及時(shí)刻并計(jì)算出前1 個(gè)數(shù)值的保持時(shí)間，如此循環(huán)，同時(shí)累加保持時(shí)間。當(dāng)保持時(shí)間達(dá)到“設(shè)定時(shí)間周期”（默認(rèn)1 h）時(shí)，形成測(cè)點(diǎn)動(dòng)態(tài)峰值平均值動(dòng)態(tài)全集合數(shù)據(jù)集。計(jì)算平均值對(duì)數(shù)據(jù)集合按數(shù)值大小排序，以后每接收1 個(gè)數(shù)據(jù)，將和1 h 動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)集合中的最小值比較，當(dāng)小于等于最小值時(shí)，繼續(xù)采集下1 條數(shù)據(jù)，當(dāng)大于數(shù)據(jù)集集合中最小值時(shí)，將該條采集數(shù)據(jù)及保持時(shí)間插入1 h 數(shù)據(jù)集集合，同時(shí)將最小值移出數(shù)據(jù)集。形成最新1 h 峰值數(shù)據(jù)集合，計(jì)算平均值，如此循環(huán)至當(dāng)日結(jié)束。

1）動(dòng)態(tài)高峰均值。

式中：X 為瓦斯峰值趨勢(shì)比率，%；V 為瓦斯?jié)舛葯z測(cè)值，%；T 為瓦斯?jié)舛戎党掷m(xù)的時(shí)間，s；m 為參與計(jì)算的指標(biāo)數(shù)目。

2）日高峰均值。每天的動(dòng)態(tài)峰值平均值至當(dāng)天結(jié)束，生成當(dāng)天峰值平均值進(jìn)行存儲(chǔ)。設(shè)定以天為單位存儲(chǔ)。

3）周高峰均值。前7 d 的峰值求平均，設(shè)定為前7 d 峰值平均值進(jìn)行存儲(chǔ)，設(shè)定以周為單位存儲(chǔ)。

2 瓦斯動(dòng)態(tài)智能預(yù)警系統(tǒng)主要功能

2.1 動(dòng)態(tài)高峰均值預(yù)警方法

當(dāng)前選擇的瓦斯測(cè)點(diǎn)動(dòng)態(tài)高峰均值與周高峰均值數(shù)據(jù)進(jìn)行相比，增幅趨勢(shì)達(dá)到預(yù)定條件時(shí),系統(tǒng)自動(dòng)文字、語(yǔ)音預(yù)警播報(bào)。設(shè)定預(yù)警下限值V0，當(dāng)前動(dòng)態(tài)高峰均值為Vn，周動(dòng)態(tài)高峰均值為Pn；如果Vn≥V0且（Vn/Pn）≥設(shè)定的預(yù)警等級(jí)系數(shù)時(shí)，發(fā)出相應(yīng)等級(jí)的預(yù)警信息。瓦斯高峰均值控制流程圖如圖1。

圖1 瓦斯高峰均值控制流程圖

2.2 預(yù)警測(cè)點(diǎn)和預(yù)警發(fā)生條件及其他參數(shù)設(shè)置

1）預(yù)警測(cè)點(diǎn)的選擇。按照礦井在用環(huán)境激光、低濃、高低濃等各類(lèi)瓦斯傳感器作為預(yù)警測(cè)點(diǎn)，進(jìn)行相應(yīng)分析。井下激光類(lèi)瓦探頭調(diào)校期間，安裝位置前自動(dòng)增加“調(diào)校”文字顯示（無(wú)需手動(dòng)添加）及時(shí)了解測(cè)點(diǎn)當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)、是否處于調(diào)校狀態(tài)。

2）預(yù)警發(fā)生條件設(shè)定。瓦斯預(yù)警發(fā)生條件設(shè)定界面如圖2。具體為：①V0值根據(jù)礦井實(shí)際設(shè)定，一般可設(shè)定V0＝0．15 %；②預(yù)警等級(jí)系數(shù)：1．5 為三級(jí)預(yù)警，2．0 為二級(jí)預(yù)警，2．5 為一級(jí)預(yù)警，可根據(jù)具體實(shí)際自由調(diào)整；③動(dòng)態(tài)高峰均值Vn≥V0且（動(dòng)態(tài)高峰均值／周高峰均值）≥1．5 時(shí)，三級(jí)預(yù)警；④動(dòng)態(tài)高峰均值Vn≥V0且（動(dòng)態(tài)高峰均值/周高峰均值）≥2．0 時(shí)，二級(jí)預(yù)警；⑤動(dòng)態(tài)高峰均值Vn≥V0且（動(dòng)態(tài)高峰均值/周高峰均值）≥2．5 時(shí)，一級(jí)預(yù)警；⑥設(shè)置三級(jí)報(bào)警濃度值及顯示顏色（圖2）；⑦按照用戶(hù)需求，當(dāng)瓦斯測(cè)點(diǎn)發(fā)生報(bào)警時(shí)，是否在主界面“峰值均值”后面顯示出報(bào)警級(jí)別，是否在未滿1 h 采集數(shù)據(jù)時(shí)，按照實(shí)際時(shí)間進(jìn)行（圖2）。

圖2 瓦斯預(yù)警發(fā)生條件設(shè)定界面

3）其他參數(shù)設(shè)置。設(shè)置預(yù)警顯示持續(xù)時(shí)間，報(bào)警顏色，智能語(yǔ)音報(bào)警聲音等。

2.3 預(yù)警功能

1）接收監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)。瓦斯動(dòng)態(tài)高峰均值智能預(yù)警系統(tǒng)通過(guò)分布式安裝，安裝在任何一臺(tái)終端上；遠(yuǎn)程通過(guò)網(wǎng)絡(luò)socket 端口對(duì)接KJ91X 安全監(jiān)控系統(tǒng)瓦斯采集數(shù)據(jù)，依據(jù)特定通信協(xié)議格式生成指定數(shù)據(jù)（詳細(xì)信息包含瓦斯測(cè)點(diǎn)點(diǎn)號(hào)、安裝位置、設(shè)備類(lèi)型、報(bào)警濃度、斷電值等）；這種安裝方式極大降低耦合度，當(dāng)需要增刪瓦斯動(dòng)態(tài)智能預(yù)警系統(tǒng)某一功能，不會(huì)影響其它功能模塊的運(yùn)行。

2）處理數(shù)據(jù)。對(duì)接收的數(shù)據(jù)利用動(dòng)態(tài)高峰均值算法分析處理，與周峰值均值進(jìn)行比較，如達(dá)到預(yù)警條件，按照預(yù)警設(shè)置的方案發(fā)出預(yù)警信息。

3）顯示高峰均值、測(cè)點(diǎn)信息等數(shù)據(jù)。所有定義的預(yù)警測(cè)點(diǎn)都顯示，以報(bào)警顏色區(qū)分，未報(bào)警時(shí)，顯示時(shí)動(dòng)態(tài)高峰均值，有報(bào)警時(shí)不僅在頁(yè)面上顯示（測(cè)點(diǎn)動(dòng)態(tài)高峰均值后面加上報(bào)警級(jí)別信息，表明該測(cè)點(diǎn)處于何種報(bào)警狀態(tài)），另外彈出報(bào)警窗體，發(fā)出報(bào)警聲音,該預(yù)警軟件主界面，其可劃分為3 大顯示區(qū)域：①主顯示區(qū)：顯示瓦斯測(cè)點(diǎn)名稱(chēng)、安裝位置、動(dòng)態(tài)峰值等相關(guān)實(shí)時(shí)信息；②運(yùn)行狀態(tài)顯示區(qū)：顯示系統(tǒng)所有瓦斯設(shè)備的運(yùn)行記錄及報(bào)警記錄等信息；③參數(shù)設(shè)置區(qū)：用來(lái)對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行的配置信息進(jìn)行設(shè)置的各類(lèi)菜單項(xiàng)。

4）查詢(xún)報(bào)警記錄信息。可按照測(cè)點(diǎn)、時(shí)間等信息查詢(xún)出測(cè)點(diǎn)發(fā)生的報(bào)警信息以及發(fā)生時(shí)間；將發(fā)生的各級(jí)報(bào)警信息全部記錄下來(lái)以便于觀察分析。

5）查詢(xún)每日采集數(shù)據(jù)功能?？砂凑諟y(cè)點(diǎn)、時(shí)間等信息查詢(xún)出每天采集的瓦斯匯總數(shù)據(jù)：其中信息包含采集的數(shù)值大小、開(kāi)始時(shí)間、結(jié)束時(shí)間以及累計(jì)時(shí)間等信息，可以完整顯示出某一測(cè)點(diǎn)當(dāng)天時(shí)間內(nèi)數(shù)值變化狀態(tài)及該狀態(tài)持續(xù)時(shí)間，對(duì)瓦斯測(cè)點(diǎn)歷史曲線、密采曲線、瓦斯涌出量計(jì)算具有重大參考價(jià)值；另外查詢(xún)的數(shù)據(jù)可以按照采集值大小、采集時(shí)間等排序觀察。

6）查詢(xún)周瓦斯動(dòng)態(tài)曲線圖?？砂凑諟y(cè)點(diǎn)、時(shí)間等信息查詢(xún)出7 d 存儲(chǔ)的日高峰均值數(shù)據(jù)；同時(shí)可以曲線、柱狀圖等方式顯示歷史出周動(dòng)態(tài)高峰均值數(shù)據(jù)。使用圖形放大、縮小、框選等功能輔助顯示；可以清楚了解某天是否發(fā)生了瓦斯高峰均值預(yù)警，結(jié)合監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行記錄等信息，可以快速查找出預(yù)警發(fā)生原因等信息。

7）查詢(xún)周瓦斯動(dòng)態(tài)報(bào)表。顯示出各瓦斯測(cè)點(diǎn)7 d 內(nèi)峰值均值及分級(jí)報(bào)警信息，其中信息包括：前7 d 數(shù)據(jù)的詳細(xì)日高峰均值及前1 d 高峰均值及其最大值報(bào)警及其時(shí)刻等信息。

8）可將查詢(xún)的各類(lèi)曲線及報(bào)表導(dǎo)出EXCELL 并打印。

9）利用SQL 語(yǔ)句編寫(xiě)的自定義存儲(chǔ)過(guò)程寫(xiě)入到SQL Server 2008 數(shù)據(jù)庫(kù)中，更有利于保證數(shù)據(jù)的安全性和完整性。

10）通過(guò)平臺(tái)軟件，可以將瓦斯峰值均值數(shù)據(jù)上傳至礦務(wù)局綜合平臺(tái)，便于第一時(shí)間了解各瓦斯測(cè)點(diǎn)變化趨勢(shì)。

3 瓦斯動(dòng)態(tài)智能預(yù)警系統(tǒng)的特點(diǎn)

1）瓦斯動(dòng)態(tài)智能預(yù)警系統(tǒng)與監(jiān)控系統(tǒng)是相對(duì)獨(dú)立的，不影響監(jiān)控系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

2）瓦斯動(dòng)態(tài)預(yù)警軟件打印的曲線、報(bào)表等信息，可以與監(jiān)控?zé)o縫連接，結(jié)合監(jiān)控系統(tǒng)的瓦斯抽采報(bào)表、運(yùn)行日志等，可以清晰了解到某一工作面瓦斯采集值波動(dòng)情況。

3）對(duì)瓦斯變化趨勢(shì)的預(yù)判及預(yù)警。利用7 d 的瓦斯數(shù)據(jù)進(jìn)行深入分析。相比傳統(tǒng)瓦斯預(yù)測(cè)方式，例如當(dāng)前值預(yù)警方式（當(dāng)前瓦斯數(shù)據(jù)與前1 個(gè)巡檢周期的瓦斯數(shù)據(jù)相比，增幅達(dá)到預(yù)定條件時(shí)，自動(dòng)預(yù)警）更科學(xué)性、更智能化。

4）可以與風(fēng)量、CO 等設(shè)備類(lèi)型進(jìn)行搭配，便于擴(kuò)展瓦斯涌出量、瓦斯斜率預(yù)警等計(jì)算功能。

5）具有分級(jí)報(bào)警彈窗顯示?？稍O(shè)置三級(jí)報(bào)警模式，根據(jù)輕重緩急相應(yīng)加重報(bào)警級(jí)別，便于用戶(hù)區(qū)別觀察處理。

4 結(jié) 語(yǔ)

目前礦井瓦斯動(dòng)態(tài)智能預(yù)警在淮南顧橋礦、丁集礦、謝橋礦等各礦已安裝使用，通過(guò)對(duì)KJ91X 安全監(jiān)控系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行二次運(yùn)算分析，計(jì)算出瓦斯測(cè)點(diǎn)的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)高峰均值數(shù)據(jù)，并實(shí)時(shí)顯示、存儲(chǔ)，通過(guò)對(duì)已存儲(chǔ)瓦斯測(cè)點(diǎn)的時(shí)、日、周高峰均值智能分析后發(fā)出的瓦斯變化分級(jí)預(yù)警信息，與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際環(huán)境變化高度吻合，預(yù)警系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)使用，對(duì)研判瓦斯變化趨勢(shì)，做好防范瓦斯異常升級(jí)，促進(jìn)礦井安全生產(chǎn)具有重要意義。