朱啟成 楊超宇

【摘 要】 瓦斯災(zāi)害給煤礦安全生產(chǎn)帶來極大的威脅，利用瓦斯預(yù)警理論及信息化技術(shù)研究設(shè)計一種煤礦瓦斯安全預(yù)警系統(tǒng)能夠極大地降低事故發(fā)生帶來的損失。本文首先提出了一種新的煤礦瓦斯安全預(yù)警算法，設(shè)計了監(jiān)測指標(biāo)及其預(yù)警標(biāo)準(zhǔn)。以該算法為基礎(chǔ)設(shè)計實現(xiàn)了煤礦瓦斯安全預(yù)警系統(tǒng)，分別介紹了系統(tǒng)總體架構(gòu)及各個功能模塊。最后在煤礦實際數(shù)據(jù)環(huán)境下進(jìn)行了實驗，并對結(jié)果進(jìn)行了分析，能夠有效及時地對瓦斯?fàn)顟B(tài)進(jìn)行動態(tài)監(jiān)測預(yù)警。本文提出的算法及系統(tǒng)方案在煤礦瓦斯事故災(zāi)害預(yù)防中具有重大的現(xiàn)實意義。

【關(guān)鍵詞】 瓦斯;安全監(jiān)控;預(yù)警;算法;數(shù)據(jù)

【中圖分類號】 TD712 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】 A

【文章編號】 2096-4102（2020）03-0017-03 開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（OSID）：

煤礦生產(chǎn)過程中往往受到瓦斯爆炸、煤與瓦斯突出等災(zāi)害事故的威脅，我國煤礦每年發(fā)生死亡10人以上的重特大事故中，瓦斯事故約占死亡人數(shù)的71%。目前，煤礦井下安裝了大量的瓦斯監(jiān)測傳感器，但是，如何從這些傳感器獲取的大量數(shù)據(jù)中挖掘出有效的煤礦瓦斯危險源信息，并進(jìn)行及時準(zhǔn)確的瓦斯風(fēng)險預(yù)警，成為目前煤礦瓦斯監(jiān)控預(yù)警需要解決的關(guān)鍵問題。

目前，一些基于信息技術(shù)的瓦斯預(yù)警系統(tǒng)在煤礦中進(jìn)行了實際應(yīng)用。但是從操作性及預(yù)測效果等方面，無法滿足煤礦瓦斯安全管理的實際需求。在信息化技術(shù)發(fā)展越來越成熟的環(huán)境下，本文在煤礦安全管理、瓦斯突出防治等理論基礎(chǔ)上，提出了一種可行的煤礦瓦斯預(yù)警算法。然后利用傳感器網(wǎng)絡(luò)、信息管理、圖形可視化等技術(shù)，設(shè)計開發(fā)了一套煤礦瓦斯災(zāi)害預(yù)警系統(tǒng)。最后在實際的應(yīng)用環(huán)境下進(jìn)行了測試，能夠?qū)ぷ髅嫱咚範(fàn)顩r進(jìn)行有效的動態(tài)監(jiān)測及預(yù)警，對減少煤礦瓦斯災(zāi)害具有重大的現(xiàn)實意義。

1煤礦瓦斯安全預(yù)警算法

1.1預(yù)警算法監(jiān)測指標(biāo)及預(yù)警標(biāo)準(zhǔn)

1.1.1等效濃度Ci

本文公式及文字中提到的實時濃度Ci均為等效濃度Ci，表示從傳感器節(jié)點中實時采集到的瓦斯?jié)舛戎怠?/p>

1.1.2波動率計算及預(yù)警判別法

波動率是指濃度相對于長周期均線變化幅度，其計算公式如下所示：

Bi=g100%公式（1）

式中，Bi—實時波動率，Ci—實時氣體濃度值，Cmc—長周期瓦斯?jié)舛绕骄怠?/p>

在同一長均值濃度范圍內(nèi)，不同的預(yù)警等級采用同一波動率的臨界值，以超過臨界值次數(shù)劃分預(yù)警等級，不同濃度范圍，波動率臨界值不同。

1.1.3頻率計算與判別法

當(dāng)Ci≠Ci-1，認(rèn)為瓦斯?jié)舛茸兓?次，即記P=1（次），頻率計算需要兩個參數(shù)指標(biāo)。第一個是Pmc，是指實時頻率周期內(nèi)的頻率平均值，其計算公式如下：

Pmc=Ts·Pc/Tc公式（2）

式中，Ts代表實時頻率周期，一般取2-10分鐘，測試時取5分鐘。Pc是指長周期內(nèi)頻率值;Tc是指長周期時間。

第二個指標(biāo)是Pi5，計算方法如下面公式所示：

Api=100·公式（3）

式中，Api是等級系數(shù)，Pmc為公式（2）中Pmc，Pi5為實時周期內(nèi)的頻率值。濃度變化頻率預(yù)警方法有兩種方式，一是超標(biāo)準(zhǔn)次數(shù)（在同一幅度內(nèi)頻率次數(shù)增加），二是頻率變化幅度。

1.2工作面瓦斯預(yù)警等級及判斷標(biāo)準(zhǔn)

工作面瓦斯?fàn)顟B(tài)預(yù)警等級及判斷標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)以上各個單項預(yù)警指標(biāo)匯總而定的。工作面預(yù)警等級對應(yīng)于某個地點，即與某組傳感器綁定。我們將瓦斯?fàn)顟B(tài)預(yù)警等級劃分為：0——無異常、1——關(guān)注、2——提醒、3——警告、4——響應(yīng)，隨著數(shù)字的增加，預(yù)警等級越來越高。工作面預(yù)警等級劃分方法采用相鄰等級指標(biāo)疊加和各單項同級指標(biāo)疊加相結(jié)合的方法。

2系統(tǒng)分析與設(shè)計

2.1系統(tǒng)總體架構(gòu)設(shè)計

根據(jù)以上煤礦瓦斯預(yù)警算法，設(shè)計一個以物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境為基礎(chǔ)的、數(shù)據(jù)庫存儲查詢?yōu)橹行牡耐咚箍梢暬A(yù)警綜合管理平臺，如圖1所示。首先通過礦井工作面的瓦斯傳感器節(jié)點將采集到的實時瓦斯?jié)舛葦?shù)據(jù)通過無線網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)匯總到服務(wù)器中，隨著傳感器節(jié)點不停地采集數(shù)據(jù)，服務(wù)器上數(shù)據(jù)文件也將會不停地更新。服務(wù)器上同時部署數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化統(tǒng)一處理應(yīng)用程序，將不同廠家、不同類型傳感器生成的不同格式瓦斯?jié)舛葦?shù)據(jù)進(jìn)行格式化，形成統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)格式。服務(wù)器端程序在得到最新的數(shù)據(jù)后，將最新數(shù)據(jù)更新到數(shù)據(jù)庫中，在此過程中，把工作面信息、傳感器信息、時間信息同步更新到數(shù)據(jù)庫中。圖1中有一個Excel歷史數(shù)據(jù)文件，可保存煤礦歷史瓦斯?jié)舛葦?shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)通過一個單獨的Excel數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換處理程序按行讀取Excel文件中的內(nèi)容，將瓦斯?jié)舛葦?shù)據(jù)解析后更新到服務(wù)器上瓦斯?jié)舛葦?shù)據(jù)文件中。采用這種方法，實時采集的瓦斯?jié)舛葦?shù)據(jù)與歷史瓦斯?jié)舛葦?shù)據(jù)能夠統(tǒng)一化處理，服務(wù)器端處理程序只需要查看同一個數(shù)據(jù)文件即可。在數(shù)據(jù)更新到數(shù)據(jù)庫中以后，通過一個瓦斯預(yù)警客戶端應(yīng)用程序?qū)ν咚節(jié)舛阮A(yù)警信息進(jìn)行多維可視化展示。

2.2系統(tǒng)功能分析

根據(jù)煤礦瓦斯安全管理的實際需求，結(jié)合安全管理理論與計算機(jī)管理信息化技術(shù)設(shè)計實現(xiàn)煤礦瓦斯安全監(jiān)控預(yù)警系統(tǒng)。其中，主要功能模塊劃分為數(shù)據(jù)采集、預(yù)警信息、信息錄入、報表、應(yīng)急管理、決策支持、系統(tǒng)設(shè)置等。

（1）數(shù)據(jù)采集。此功能中分為監(jiān)測系統(tǒng)和Excel表格兩個子功能，監(jiān)測系統(tǒng)功能能夠從煤礦工作面瓦斯傳感器實時讀取數(shù)據(jù)，Excel表格能夠從瓦斯?jié)舛菶xcel歷史數(shù)據(jù)表中解析瓦斯?jié)舛葦?shù)據(jù)。

（2）預(yù)警信息。該功能中包括實時信息、預(yù)警等級、預(yù)測指標(biāo)、濃度變化。這四部分功能分別從瓦斯?jié)舛葘崟r數(shù)據(jù)、瓦斯預(yù)警等級狀態(tài)、預(yù)測指標(biāo)對比、濃度變化狀態(tài)四個角度來進(jìn)行瓦斯?fàn)顟B(tài)預(yù)警信息的可視化展示。

（3）信息錄入。該功能中主要對需要監(jiān)測的工作面、傳感器、瓦斯預(yù)警等級等基礎(chǔ)信息進(jìn)行管理。

（4）報表。該功能中包括對歷史監(jiān)測過程中發(fā)生的瓦斯突出信息、煤層狀態(tài)等進(jìn)行分析，生成統(tǒng)計報表的形式。

（5）應(yīng)急管理。對瓦斯發(fā)生突出事故后相應(yīng)的應(yīng)急預(yù)案、救援隊伍信息進(jìn)行管理。

（6）決策支持。對可能發(fā)生的瓦斯突出情況提供決策方案信息管理。

（7）系統(tǒng)設(shè)置。管理系統(tǒng)中基礎(chǔ)信息，包括登錄用戶、用戶密碼、系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫連接配置等。

3系統(tǒng)實現(xiàn)及結(jié)果分析

該系統(tǒng)在平頂山天安煤業(yè)有限公司十礦進(jìn)行了試運行，該礦井為年產(chǎn)350萬噸特大型現(xiàn)代化礦井。礦井主采的戊組、己組煤層均為突出煤層，礦井突出防治壓力較大。為預(yù)防采掘作業(yè)中的煤與瓦斯突出，礦井布置了煤與瓦斯突出預(yù)警系統(tǒng)，進(jìn)行了試運行。系統(tǒng)采用共享礦井已有安全監(jiān)控系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)，進(jìn)行專門數(shù)據(jù)處理與分析，以獨立發(fā)布分析結(jié)果和預(yù)警信號的方式進(jìn)行。

3.1瓦斯?jié)舛葦?shù)據(jù)更新方式及文件格式

3.1.1服務(wù)器數(shù)據(jù)更新方式

在傳感器數(shù)據(jù)中心服務(wù)器指定目錄下有一個名稱為“data.txt”的文件，不同礦有不同的要求，一般3～10秒更新一次，完全覆蓋，內(nèi)容為逗號分隔符的csv文件。其中的文件位置、文件名稱、更新頻率可以隨時配置，配置后在一段時間內(nèi)保持固定。由于該數(shù)據(jù)文件按一定的頻率更新，所以在讀文件的時候要考慮文件是否更新完畢。一般情況下，瓦斯?jié)舛葌鞲衅鲾?shù)據(jù)的讀取設(shè)置間隔時間為0.15秒，既能保證數(shù)據(jù)的實時有效性，同時能夠滿足系統(tǒng)處理效率。

3.1.2數(shù)據(jù)文件格式

文件中需要解析的內(nèi)容包括傳感器名稱（對應(yīng)于多個數(shù)據(jù)中的地點）、氣體濃度、時間，其他項可以忽略。其中的每一項所在位置可以根據(jù)不同的礦來進(jìn)行配置。傳感器分兩種：風(fēng)速和濃度。具體按傳感器名稱根據(jù)后面兩個漢字來判斷。讀取文件時需要考慮漢字編碼問題，系統(tǒng)程序處理時將原編碼（GBK或GB2312或UTF-8）統(tǒng)計轉(zhuǎn)成UTF-8編碼。

文件格式舉例：

十礦，14，-320北大巷風(fēng)速，3，3，2.96，1，2013-10-20 08：53：58

十礦，14，-320行人石門風(fēng)速，4，3，4.2，1，2013-10-2008：53：58

3.2系統(tǒng)實現(xiàn)

在煤礦瓦斯預(yù)警系統(tǒng)總體架構(gòu)設(shè)計中提出，必須將不同傳感器采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一格式化，并實時轉(zhuǎn)存到數(shù)據(jù)庫中，因此系統(tǒng)實現(xiàn)了一個服務(wù)器端數(shù)據(jù)處理程序。該程序運行在服務(wù)器上，實時地分析傳感器是否采集了瓦斯?fàn)顟B(tài)數(shù)據(jù)，如果更新了數(shù)據(jù)文件，程序解析讀取數(shù)據(jù)文件，然后存入數(shù)據(jù)庫中。

如果在客戶端中僅需要分析歷史數(shù)據(jù)，系統(tǒng)可以對歷史Excel文件進(jìn)行按行讀取，模擬實時數(shù)據(jù)采集狀態(tài)，將歷史數(shù)據(jù)依次錄入到數(shù)據(jù)庫中。系統(tǒng)實現(xiàn)了一個Excel文件讀取程序，對Excel文件進(jìn)行解析，并轉(zhuǎn)存入系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中。

對系統(tǒng)測試實驗結(jié)果分析，通過長均線和中均線濃度變化可以看出，在中間曲線出現(xiàn)了波動現(xiàn)象，這種波動體現(xiàn)了突出的危險性，反映了突出的前兆信號。當(dāng)波動率突破上限值時，煤與瓦斯突出的發(fā)生概率進(jìn)一步增強(qiáng)，預(yù)示著突出臨近。從瓦斯?jié)舛茸兓卣鱽砜?，兩者預(yù)警信號一致。

4結(jié)論

針對煤礦安全生產(chǎn)中瓦斯監(jiān)測系統(tǒng)的不足，本文基于瓦斯?jié)舛缺O(jiān)測傳感器網(wǎng)絡(luò)，提出了一種新的瓦斯?jié)舛阮A(yù)警算法，并設(shè)計了具有實時監(jiān)測、傳感器異構(gòu)數(shù)據(jù)統(tǒng)一格式化、歷史數(shù)據(jù)分析等功能的煤礦瓦斯監(jiān)控預(yù)警系統(tǒng)。系統(tǒng)能夠在實際的煤礦環(huán)境中對瓦斯?jié)舛缺O(jiān)控和預(yù)警，且數(shù)據(jù)監(jiān)測精度高、預(yù)警響應(yīng)速度快、系統(tǒng)運行穩(wěn)定、操作維護(hù)方便，為煤礦瓦斯安全管理提供了準(zhǔn)確的科學(xué)依據(jù)，有效地提高了煤礦生產(chǎn)安全管理水平，在煤礦瓦斯災(zāi)害防治應(yīng)用中具有極大的參考及推廣價值。

【參考文獻(xiàn)】

[1]常彥昆.對防治煤礦瓦斯爆炸的技術(shù)研究[J].中小企業(yè)管理與科技，2011（27）：191.

[2]趙恒，王婷婷.煤與瓦斯突出災(zāi)害預(yù)警系統(tǒng)在趙莊煤業(yè)的現(xiàn)場應(yīng)用[J].山西煤炭管理干部學(xué)院學(xué)報，2015，28（1）：7-8，12.

[3]關(guān)維娟.煤礦工作面作業(yè)環(huán)境及煤與瓦斯突出危險綜合評價研究[D].淮南：安徽理工大學(xué)，2015.

[4]李潤求.煤礦瓦斯爆炸災(zāi)害風(fēng)險模式識別與預(yù)警研究[D].長沙：中南大學(xué)，2013.

[5]顧榮榮，任萍，郝偉.嵌入式ZigBee瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計[J].長春師范學(xué)院學(xué)報，2013，32（5）：42-44.

[6]金鑫.基于PXI的無線通信遠(yuǎn)程實驗平臺的設(shè)計[J].國外電子測量技術(shù)，2015，34（3）：81-84.

[7]楊揚(yáng).河西區(qū)應(yīng)急聯(lián)動和服務(wù)管理系統(tǒng)研發(fā)[D].天津：天津大學(xué)，2010.

[8]楊宏飛.智能化井下瓦斯監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計[J].山西能源學(xué)院學(xué)報，2018，31（1）：30-33.

[9]冀少軍.多傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù)在煤礦瓦斯預(yù)警中的應(yīng)用研究[D].邯鄲：河北工程大學(xué)，2016.

收稿日期：2020-01-11

基金項目：本文系2018年度安徽高校自然科學(xué)研究項目“煤與瓦斯突出智能預(yù)警系統(tǒng)的開發(fā)與應(yīng)用研究”（項目編號：KJ2018A0769）最終研究成果。

作者簡介：朱啟成（1973—），男，安徽長豐人，安徽工貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院計算機(jī)信息工程系講師，碩士。