齊黎明,王聲遠 ,陳學習,關聯(lián)合,謝凱熙

(1. 華北科技學院 安全工程學院,北京 東燕郊 065201;2華北科技學院 礦山安全學院,北京 東燕郊 065203.3. 開灤集團有限責任公司,河北 唐山 063018)

0 引言

礦山智能化發(fā)展是我國應急管理事業(yè)在“十四五”計劃期間的發(fā)展重點,煤礦瓦斯抽采的智能化是礦山智能化發(fā)展的重要一環(huán),也是未來進一步提升瓦斯抽采效果與技術水平的重要發(fā)展方向。

近年來,學者和工程技術人員在煤礦瓦斯智能化抽采方面做了大量研究,取得了眾多重要成果,但是,仍不能滿足現(xiàn)場工程實踐需要。為此,本文在分析、總結現(xiàn)有智能化抽采技術成果的基礎上,對未來煤礦瓦斯抽采智能化技術組成結構與發(fā)展方向進行了探索。

1 煤礦瓦斯抽采智能化技術現(xiàn)狀

2015年,文獻[1]提出了智能抽采的概念,即智能瓦斯抽采系統(tǒng)應具有高度自主性,確保抽采系統(tǒng)的理想運行。趙洪瑞[2]通過PLC模糊控制實現(xiàn)對瓦斯抽采閥門的智能調控。馬國龍[3]基于SuperMap Object.Net 6R平臺開發(fā)了定向鉆孔智能設計系統(tǒng),提高了鉆孔工作的工作效率。刁勇[4]則設計和構建煤礦瓦斯抽采監(jiān)控智能評價管理系統(tǒng)。張東旭[5]則建立起煤層氣智能抽采監(jiān)控指標體系。不難看出,我國起步研究煤礦瓦斯抽采智能化技術發(fā)展方向以提高抽采系統(tǒng)的功能性為主,研究方向多以實現(xiàn)瓦斯抽采系統(tǒng)中某一流程的智能化為主。為探究當前我國瓦斯抽采智能化技術研究現(xiàn)狀,通過選取煤礦瓦斯抽采智能化技術研究成果進行整理分析,將選取的研究資料按照研究領域進行分類,分類結果如圖1所示。由圖1可得,我國煤礦瓦斯抽采智能化技術的研究重點在鉆孔與封孔,抽采監(jiān)測,抽采評價,設備控制四個領域,四者總和占比高達77%,其他領域研究占比23%。

圖1 相關研究成果歸納分類圖

圖2 數(shù)據(jù)驅動的精細化管控研究結構

1.1 鉆孔施工與密封

鉆孔施工與密封是瓦斯抽采智能化研究的重要部分。抽采鉆孔的布置、打孔與封孔均可影響瓦斯抽采的效率。當前,對于抽采鉆孔的智能化設計做到了只需向計算機輸入相關參數(shù)計算機便可設計抽采鉆孔。比如,郝天軒[6]基于AutoCAD開發(fā)了鉆孔智能設計系統(tǒng)。郝天軒通過對AutoCAD、PyCharm 2021專業(yè)版和QtDesigner的開發(fā),使得用戶只需向系統(tǒng)輸入煤層參數(shù)等參數(shù)便可獲得鉆孔布置圖與鉆孔信息。

另外,郭恒[7]對瓦斯抽采鉆孔的管控研究為抽采鉆孔的智能化提供了思路。郭恒的研究結構如圖所示,郭恒基于瓦斯地質動態(tài)分析系統(tǒng)結合優(yōu)化算法實現(xiàn)瓦斯儲量的精準評估;基于鉆孔軌跡測量和現(xiàn)場監(jiān)控保障了鉆孔施工的質量;基于高精度傳感器結合矯正模型實現(xiàn)瓦斯抽采數(shù)據(jù)的精準化。通過對郭恒的研究的分析,不難看出抽采鉆孔的智能化研究需要數(shù)字化技術與信息化技術的參與,通過建立數(shù)學模型對數(shù)據(jù)進行校正和抽采過程的可視化展示可以有效提高抽采鉆孔工作的精細化程度,這對抽采鉆孔的智能化有支撐意義。

對于鉆孔的密封,我國當前對封孔工作的智能化研究重點是使用智能技術優(yōu)化封孔工作相關內容,如計算封孔材料的配比和封孔材料的注入等。程健維[8]在研究鉆孔封孔時研發(fā)了智能控制瓦斯抽采鉆孔非凝固恒壓漿液封孔系統(tǒng)。該系統(tǒng)的工作方式是通過壓力傳感器檢測封孔漿液壓力,當壓力小于0.15MP時,控制器通過控制料倉出口的電磁閥進而生產漿液,經濃度檢測器檢測漿液濃度合格后,再由活塞將配置好的漿液注入鉆孔的封孔段。程健維使用自動化技術使封孔工作完全由機器運行,使得封孔工作不需要人工調控,節(jié)省人力與時間,又使得封孔漿液可以及時注入鉆孔,提高了封孔效果?？梢?自動化技術在封孔智能化方面的使用可以有效提高封孔智能化的程度。

1.2 抽采數(shù)據(jù)監(jiān)測與傳輸

抽采數(shù)據(jù)監(jiān)測與傳輸也是瓦斯抽采智能化的重要部分。我國當前對抽采數(shù)據(jù)監(jiān)測智能化的研究的重點有二。首先是抽采數(shù)據(jù)監(jiān)測可靠性。對于抽采數(shù)據(jù)監(jiān)測的穩(wěn)定性,王祖迅[9]基于S7-1500R冗余技術設計了瓦斯抽采監(jiān)控系統(tǒng),其結構如圖3所示。該研究的主要思路是通過硬件的冗余和自動化技術的運用,使得監(jiān)測系統(tǒng)出現(xiàn)硬件問題時,系統(tǒng)可以自檢問題并自主切換備用設備。王祖迅對S7-1500R冗余技術的使用從硬件結構方面提高了抽采數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)的可靠性。

圖3 基于S7-1500R冗余設計結

其次是對監(jiān)測系統(tǒng)的應用。瓦斯抽采智能監(jiān)測的研究不但要求監(jiān)測系統(tǒng)的穩(wěn)定性和瓦斯抽采情況的全程監(jiān)測,還要求對瓦斯抽采其他環(huán)節(jié)的智能化起到支撐作用。如謝旭[10]設計的瓦斯抽采監(jiān)控系統(tǒng)不但可以監(jiān)控瓦斯抽采過程,還具備瓦斯?jié)舛阮A測、超限報警和閥門自動調節(jié)功能。該監(jiān)控系統(tǒng)不僅可以有效預防瓦斯事故,還可以對瓦斯抽采工作進行調控。

我國當前對于抽采數(shù)據(jù)的傳輸則不在局限于有線傳輸。無線傳輸技術也被運用到抽采數(shù)據(jù)的傳輸上。如路萍[11]則是利用4G網絡的穩(wěn)定與快捷性結合自主設計的風光互補供電系統(tǒng)實現(xiàn)了對地面抽采數(shù)據(jù)的集中監(jiān)控,使包括視頻數(shù)據(jù)在內的抽采數(shù)據(jù)無線傳輸,提高了瓦斯抽采監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測能力。

1.3 抽采達標評判

瓦斯抽采評價是檢驗瓦斯抽采效果的主要方式。瓦斯抽采效果的智能評價也是瓦斯抽采智能化的一大重點。當前,我國對于瓦斯抽采評價智能化的主要研究方式是在評價過程中引入數(shù)字化技術和可視化技術,通過建立模型、優(yōu)化算法和過程可視化的方式對瓦斯抽采達標時間、剩余瓦斯含量等相關信息進行計算、預測和展示。如崔聰[12]通過引入數(shù)據(jù)挖掘實現(xiàn)瓦斯抽采達標的動態(tài)評判,通過構建深度神經網絡結構獲得預測模型,進而實現(xiàn)抽采效果智能分析與抽采達標預測時間計算。通過GIS(地理信息系統(tǒng))和人工編程AI(人工智能)實現(xiàn)瓦斯治理場景的動態(tài)展示;李可[13]在瓦斯抽采評價研究中建立瓦斯抽采達標模型和抽采達標預測模型對預抽效果達標評判。

1.4 抽采參數(shù)分析與設備調控

抽采參數(shù)分析與設備調控的結合是當前我國對瓦斯抽采設備智能調控研究的主要方式。即通過運用數(shù)字化技術等先進技術對瓦斯抽采數(shù)據(jù)進行分析,尋找瓦斯抽采規(guī)律,根據(jù)瓦斯抽采規(guī)律尋找合適的控制方法進而實現(xiàn)瓦斯抽采設備的智能調控。夏同強[14]利用數(shù)學建模、尋優(yōu)算法等方式研究瓦斯抽采參數(shù)實時解算模型,再結合智能算法對抽采系統(tǒng)工況參數(shù)、管網負壓與瓦斯抽采特征參數(shù)之間的聯(lián)系研究,進而獲得智能調控管網負壓的算法。馬莉[15]則基于MPC(模型預測控制算法)研制出瓦斯抽采智能調控模型。馬莉的研究方式是先基于simpleRNN(簡單循環(huán)神經網絡)獲得調控參考的理想曲線,其次再根據(jù)理想曲線利用MPC獲得調控策略,最后再通過校正反饋和滾動優(yōu)化提高模型的抗干擾能力。

1.5 當前我國煤礦瓦斯抽采智能化技術發(fā)展方式

通過對煤礦瓦斯抽采智能化技術發(fā)展現(xiàn)狀分析與歸納,發(fā)現(xiàn)當前我國煤礦瓦斯抽采智能化技術的發(fā)展方式是以自動化、功能綜合化、可視化和數(shù)字化四項協(xié)同發(fā)展。其中:

(1) 自動化體現(xiàn)在對人工的簡化。通過人機交互界面,工作者只需發(fā)出指令,實際工作由計算機控制設備完成。

(2) 可視化體現(xiàn)在工作者只需處在人機交互界面,便可以得到瓦斯抽采工作的實際情況。

(3) 功能綜合化體現(xiàn)在瓦斯抽采智能化研究從實現(xiàn)瓦斯抽采任一流程的單功能智能轉變?yōu)閷崿F(xiàn)瓦斯抽采任一流程的多功能智能,瓦斯抽采任一流程變的可視、可控。

(4) 數(shù)字化體現(xiàn)在對研究資料分析發(fā)現(xiàn)多個研究成果的研究方式在于根據(jù)采集的瓦斯抽采數(shù) 據(jù)建立模型和通過優(yōu)化算法的方式使計算機自動處理瓦斯抽采數(shù)據(jù)并獲得結果。

2 煤礦瓦斯智能抽采結構

通過對研究資料的分析與總結,結合筆者對煤礦瓦斯抽采智能化的見解,提出我國當今智能瓦斯抽采結構如圖4所示。應用層包括瓦斯抽采全過程的傳感器、監(jiān)控設備和瓦斯抽采可控設備,其作用是將瓦斯抽采全過程數(shù)字化并將數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)層,同時接收數(shù)據(jù)層指令對瓦斯抽采可控設備調控。

圖4 煤礦瓦斯智能抽采結構

數(shù)據(jù)層是智能瓦斯抽采結構的核心層。首先對應用層傳輸?shù)耐咚钩椴蓴?shù)據(jù)進行篩選和儲存。其次基于算法和數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)分析篩選后的應用層傳輸數(shù)據(jù),再通過相關模型的計算得到相應的結果,最后將篩選后的應用層傳輸數(shù)據(jù)和模型計算結果傳輸至使用層。

使用層是人機交互界面。將瓦斯抽采情況和數(shù)據(jù)層運算結果以數(shù)字、圖像等方式向用戶展示,同時也允許用戶對瓦斯抽采設備進行手動調控。人工調控指令下發(fā)到數(shù)據(jù)層,由數(shù)據(jù)層根據(jù)指令要求調控瓦斯抽采設備;若沒有人工調控指令,則數(shù)據(jù)層根據(jù)設定要求和運算程序自主調控設備。

通信網絡則貫穿整個架構,根據(jù)實際情況采用合理的通訊技術保障應用層和數(shù)據(jù)層、數(shù)據(jù)層和使用層之間的信息交流,將瓦斯抽采各個流程緊密結合。

應用層包括瓦斯抽采全過程的傳感器、監(jiān)控設備和瓦斯抽采可控設備,其作用是將瓦斯抽采全過程數(shù)字化并將數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)層,同時接收數(shù)據(jù)層指令對瓦斯抽采可控設備調控。

數(shù)據(jù)層是智能瓦斯抽采結構的核心層。首先對應用層傳輸?shù)耐咚钩椴蓴?shù)據(jù)進行篩選和儲存。其次基于算法和數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)分析篩選后的應用層傳輸數(shù)據(jù),再通過相關模型的計算得到相應的結果,最后將篩選后的應用層傳輸數(shù)據(jù)和模型計算結果傳輸至使用層。

使用層是人機交互界面。將瓦斯抽采情況和數(shù)據(jù)層運算結果以數(shù)字、圖像等方式向用戶展示,同時也允許用戶對瓦斯抽采設備進行手動調控。人工調控指令下發(fā)到數(shù)據(jù)層,由數(shù)據(jù)層根據(jù)指令要求調控瓦斯抽采設備;若沒有人工調控指令,則數(shù)據(jù)層根據(jù)設定要求和運算程序自主調控設備。

通信網絡則貫穿整個架構,根據(jù)實際情況采用合理的通訊技術保障應用層和數(shù)據(jù)層、數(shù)據(jù)層和使用層之間的信息交流,將瓦斯抽采各個流程緊密結合。

3 技術展望

3.1 抽采能力智能調配

抽采系統(tǒng)涉及的抽采點很多,而且不同的抽采點在抽采效果和允許抽采時間等方面不盡相同,只有實現(xiàn)了抽采能力的智能調配,才能將抽采能力多分配給亟需抽采的點和抽采效果好的點,最終實現(xiàn)綜合抽采效果最佳。

比如,通過瓦斯抽采管路的閥門控制,并結合工作面采掘順序、抽采鉆孔布置順序和礦山壓力分布規(guī)律,實現(xiàn)工作面瓦斯均勻、高效抽采(礦山壓力大、透氣性低和可供抽采時間長的 區(qū)域,少配置抽采能力;透氣性高和可供抽采時間短的區(qū)域,多配置抽采能力)。

3.2 抽采管網氣體泄漏智能識別

礦井抽采系統(tǒng)是一個很復雜的管網,由于接頭松動、管道腐蝕等原因,會造成氣體泄漏;井巷空氣漏入抽采管道,必然會降低各抽采點的抽采效果。

當前,對瓦斯抽采管網的研究聚焦于通過優(yōu)化管網布局、管道管徑的合理選擇來提高瓦斯抽采效率,對于抽采管網部分的監(jiān)測方面研究成果較少,這與瓦斯抽采智能化發(fā)展的理念不符。對于瓦斯抽采管網氣體泄漏識別,可以在管網各處布置瓦斯?jié)舛?、瓦斯壓力等傳感?將傳感器采集數(shù)據(jù)傳輸至電腦進行集中篩選并實時計算各瓦斯抽采管道內的瓦斯情況用以評判抽采管網瓦斯是否泄漏。這將比單純布置瓦斯?jié)舛葓缶b置等預警方式更靈敏、更具有前瞻性。

3.3 抽采全過程一體化控制

整個瓦斯抽采全過程的一體化控制是瓦斯抽采智能化的發(fā)展目標之一。抽采全過程的一體化控制即對瓦斯抽采全過程的設備進行統(tǒng)一調控,將所有瓦斯抽采相關設備的運行交給系統(tǒng)控制,只在需要時采取人工措施。實現(xiàn)抽采全過程一體化控制的前提條件就是對瓦斯抽采相關設備的智能化。瓦斯抽采設備的智能程度和精準程度會直接影響瓦斯抽采智能化的成果。其次,對瓦斯抽采全過程,包括抽采工作前期對如煤層厚度、瓦斯含量等自然條件的精準測定,這是一體化控制提高瓦斯抽采效率的前提,例如煤層瓦斯含量的測定準確性就可直接影響瓦斯治理效果[16]。另外,如何將現(xiàn)有的瓦斯抽采部分流程的智能化成果進行有機結合,在已有的瓦斯抽采智能化成果上進行抽采全過程一體化控制的改造也是當前各大煤礦企業(yè)所面臨的瓦斯抽采抽采全過程一體化控制問題。將瓦斯抽采變成一個整體可控、部分可控且全流程可監(jiān)測的整體也是瓦斯抽采智能化的目標。

4 結論

(1) 通過對研究資料的歸類與總結闡述了我國煤礦瓦斯抽采智能化技術發(fā)展現(xiàn)狀,并且認為我國煤礦瓦斯抽采智能化技術的發(fā)展方式是以自動化、功能綜合化、可視化和數(shù)字化四項協(xié)同發(fā)展。

(2) 提出我國煤礦瓦斯智能抽采結構,描述了從瓦斯抽采檢測到可視化分析再到抽采設備智能控制的全流程結構。

(3) 展望了我國煤礦瓦斯抽采智能化技術發(fā)展趨勢,認為未來我國煤礦瓦斯抽采智能化技術發(fā)展方向為抽采能力智能調配、抽采管網氣體泄漏智能識別和抽采全過程一體化控制,為我國以后的瓦斯抽采智能化發(fā)展提供了參考。