徐平安,張若楠,周小雨,趙琦琦

(平安煤炭開采工程技術(shù)研究院有限責(zé)任公司,安徽 淮南 232000)

0 引言

瓦斯是主要由煤層氣構(gòu)成且以甲烷為主的有害氣體,有時單獨指甲烷,是一種無色、無味的氣體。瓦斯在空氣中具有較強的擴散性,局部地點較高濃度的瓦斯會自動向低濃度的區(qū)域擴散,從而使瓦斯?jié)舛融呌诰鶆?。在煤礦井下巷道中,風(fēng)流流動一般處于紊流狀態(tài),由煤壁等處涌出的瓦斯容易與空氣均勻混合。瓦斯的化學(xué)性質(zhì)不活潑,微溶于水,是一種可燃氣體,在空氣中的濃度達到某一范圍時,遇到適當(dāng)?shù)幕鹪淳蜁l(fā)生燃燒或爆炸。瓦斯在煤層中一般有2種狀態(tài),游離狀態(tài)和吸附狀態(tài)。煤層中瓦斯含量實際指的是游離瓦斯和吸附瓦斯之和[1-3]。

為了減少或解除礦井瓦斯對煤礦安全生產(chǎn)的威脅,利用機械設(shè)備和專用管道造成的負壓,將煤層中賦存或釋放的瓦斯抽放出來,送到地面或其他安全地點的做法,叫做瓦斯抽采,所抽放出瓦斯數(shù)量的多少叫做瓦斯抽采量[4]。抽采瓦斯的重要意義主要有以下3點。一是抽采瓦斯可以減少開采時的瓦斯涌出量,從而減少瓦斯隱患和各種瓦斯事故[5-6],是保證安全生產(chǎn)的一項預(yù)防性措施。二是抽采瓦斯可以減少通風(fēng)負擔(dān),能夠解除通風(fēng)不易解決的瓦斯難題,降低通風(fēng)費用,尤其針對瓦斯涌出量很大的礦井或采區(qū),瓦斯抽采在技術(shù)上和經(jīng)濟上都是必須的[7-8]。三是煤層中的瓦斯同樣是一種地下資源,將瓦斯抽采出來送到地面作為燃料和原料加以利用,可以起到保護環(huán)境和提高經(jīng)濟效益的作用[9-10]。

2002年8月,國家煤礦安全監(jiān)察局和中國煤炭協(xié)會,為貫徹落實國務(wù)院關(guān)于安全生產(chǎn)的一系列重要指示和國務(wù)院《關(guān)于黑龍江省雞西礦業(yè)集團公司“6·20”特大瓦斯事故的通報》精神,召開了全國煤礦瓦斯防治現(xiàn)場會議,在這次會議上作出了全國煤礦貫徹落實“先抽后采、以風(fēng)定產(chǎn)、監(jiān)測監(jiān)控”瓦斯治理十二字方針的重要決定?！跋瘸楹蟛伞笔峭咚怪卫淼脑搭^治本措施。因此,瓦斯抽采在采煤工作面回采過程中具有重要意義[11]。

1 基于大數(shù)據(jù)技術(shù)的數(shù)據(jù)研究

1.1 數(shù)據(jù)特征

大數(shù)據(jù)指的是所涉及的資料量規(guī)模巨大到無法通過主流軟件工具,在合理時間內(nèi)達到擷取、管理、處理、并整理成為幫助企業(yè)經(jīng)營決策更積極目的的資訊。其具備了5V特征,指的是5個V開頭的單詞,從5個方面準確、生動、形象的介紹了大數(shù)據(jù)特征[12]。Volume—數(shù)據(jù)體量大:采集數(shù)據(jù)量大,存儲數(shù)據(jù)量大,計算數(shù)據(jù)量大一般是TB、PB級別起步的數(shù)據(jù)。Variety—種類和來源多樣化:結(jié)構(gòu)化、半結(jié)構(gòu)化、非結(jié)構(gòu)化,比如日志文本、圖片、音頻、視頻等等的來源。Value—低價值密度:信息海量但是價值密度低,深度復(fù)雜的挖掘分析,需要機器學(xué)習(xí)參與。Velocity—速度快:數(shù)據(jù)增長速度快、獲取數(shù)據(jù)速度快、數(shù)據(jù)處理速度快。Veracity—數(shù)據(jù)的質(zhì)量:指的是數(shù)據(jù)的準確性和數(shù)據(jù)的可信賴度。

瓦斯抽采數(shù)據(jù)滿足體量大、多樣性、需要深度挖掘分析、數(shù)據(jù)增長速度快、數(shù)據(jù)準確的特征,因此在瓦斯抽采領(lǐng)域引入大數(shù)據(jù)技術(shù),可以對瓦斯抽采數(shù)據(jù)進行分析,對減少人工工作量、加強采煤工作面瓦斯治理能力具有積極作用。

1.2 分析方法

在采煤工作面回采過程中,賦存在煤層中的瓦斯可通過抽采的方式將瓦斯抽出,如采煤工作面的老塘埋管、順層孔抽采、鄰近層的穿層孔抽采等方式,另外在回采過程中未抽采出來的瓦斯釋放在空氣中,隨回風(fēng)流匯入風(fēng)井直至地面。這里主要就是2種瓦斯存在方式,一種為抽采管道中瓦斯,稱為抽采瓦斯,另外一種為空氣中的瓦斯,稱為風(fēng)排瓦斯。目前,根據(jù)《煤礦安全規(guī)程》和行業(yè)標準,生產(chǎn)礦井瓦斯監(jiān)測的方式是采用安全監(jiān)控系統(tǒng),吊掛甲烷傳感器監(jiān)測巷道中甲烷濃度的方式,研究的一種方式是將管道抽采的瓦斯和空氣中的瓦斯含量進行數(shù)據(jù)處理,以一種比值曲線圖的形式進行展示,這種方式能夠直觀的看出采煤工作面回采過程中煤層中賦存的瓦斯2種方式的釋放情況,具體計算公式為

(1)

式中,AC為抽采瓦斯量占比,%;C為瓦斯抽采量,m3;T為風(fēng)排瓦斯量,m3。

式(1)中風(fēng)排瓦斯量同樣需要對采集到的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進行處理才能得到。為此,利用安全監(jiān)控系統(tǒng)的風(fēng)速傳感器數(shù)據(jù)乘以風(fēng)速校正系數(shù),風(fēng)速校正系數(shù)用來平衡整體巷道的風(fēng)速情況,再乘以風(fēng)速傳感器所在巷道的截面積得到了本采煤工作面回風(fēng)的風(fēng)量。因回風(fēng)流瓦斯?jié)舛容^為穩(wěn)定,能夠較為準確地反映巷道整體空氣中的瓦斯含量,所以將風(fēng)量乘以T2甲烷傳感器濃度,即可得到采煤工作面風(fēng)排瓦斯量,其計算公式為

T=V×C×S×t

(2)

式中,T為風(fēng)排瓦斯量,m3;V為采煤工作面回風(fēng)巷風(fēng)速,m/s;C是風(fēng)速校正系數(shù),為常數(shù);S為風(fēng)速傳感器所在巷道的斷面面積,m2;t為采煤工作面回風(fēng)巷T2甲烷傳感器數(shù)據(jù),%。

《關(guān)于進一步加強煤礦瓦斯治理工作的指導(dǎo)意見》明確提出“強化多措并舉、應(yīng)抽盡抽、可保盡保、抽采平衡的技術(shù)措施,確保抽采達標”。所以目前高瓦斯和突出煤礦中的采煤工作面抽采方式大部分為多種抽采方式并存。目前,管道抽采的監(jiān)控方式是通過安全監(jiān)控系統(tǒng)安設(shè)自動計量設(shè)備的方式進行實時監(jiān)測,抽采數(shù)據(jù)只能通過安全監(jiān)控系統(tǒng)的頁面進行單個裝置查看,本文研究的是將工作面采用的所有抽采方式放到一張對比圖中,以百分比曲線圖的方式進行展示,通過這種數(shù)據(jù)展示的方式可以即時查看到多種抽采方式抽采力度的變化情況,能夠看出來是哪種抽采方式抽采力度最大,當(dāng)抽采方式變小時,進行預(yù)警,提醒礦井管理技術(shù)人員是否需要加大管道負壓,增加抽采量。其計算公式為

(3)

式中,A為抽采占比率,%;Ci為各類抽采方式(i=1,2,…)的抽采量,m3/min。

另外一種數(shù)據(jù)研究是通過管道自動計量裝置采集到管道流量以及管道甲烷濃度,可以實時計算出本工作面的抽采純量。管道抽采純量分為工況純量、工況混量、標況純量、標況混量。利用直接獲取得到的原始數(shù)據(jù),通過計算得到工況純量數(shù)據(jù),能夠看到本采煤工作面所有的瓦斯抽采量數(shù)據(jù)。其計算公式為

(4)

式中,C為工況抽采純量,m3/min;Qi為各類抽采方式的抽采流量,m3/min;t為管道自動計量裝置監(jiān)測的甲烷濃度值,%。

2 結(jié)果分析

通過上述算法看出,主要研究的三類瓦斯抽采數(shù)據(jù)分別為風(fēng)排瓦斯量和瓦斯抽采量占比數(shù)據(jù),瓦斯抽采方式占比數(shù)據(jù),采煤工作面瓦斯抽采工況純量數(shù)據(jù),通過利用可以直接讀取到的數(shù)據(jù),代入到建立好公式計算的模型中,即可得到需要展示的計算數(shù)據(jù)。

2.1 算法實現(xiàn)技術(shù)

本文研究的算法采用了大數(shù)據(jù)的邏輯思維方式,首先將本地機房服務(wù)器利用云端虛擬技術(shù),將服務(wù)器資源化作虛擬池,對儲存數(shù)據(jù)進行分布式存儲,防止數(shù)據(jù)丟失,再將服務(wù)器進行分配,給分析算法分配較強CPU的計算能力,保證數(shù)據(jù)計算過程流暢。本次研究的算法模型,數(shù)據(jù)處理的語言主要是Java,存儲是Mysql,連接框架是Mybatis,同時采用Spring、Springmvc,集成框架為Springboot,數(shù)據(jù)采集使用的是定時輪詢掃描新增數(shù)據(jù),定時框架為Scheduled;靜態(tài)數(shù)據(jù)緩存采用Map技術(shù),動態(tài)數(shù)據(jù)引入Mybatis二級緩存進行處理;數(shù)據(jù)的清洗使用了動態(tài)規(guī)劃和回溯搜索的算法?；诓杉降臄?shù)據(jù),需進行基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)清洗和數(shù)據(jù)分析步驟。

2.1.1 數(shù)據(jù)清洗

對采集到的數(shù)據(jù)根據(jù)時間規(guī)劃為5 min一個間隔,進行對齊處理,如果在對應(yīng)的時間間隔內(nèi)沒有數(shù)據(jù),就往前找最近的一個間隔數(shù)據(jù),然后進行抓取裝載,對于不符合規(guī)則的數(shù)據(jù)做特殊的清洗處理。將處理后的數(shù)據(jù)根據(jù)對應(yīng)的類型進行裝載處理,以方便根據(jù)時間維度進行數(shù)據(jù)計算。

2.1.2 風(fēng)排瓦斯量和瓦斯抽采量占比

將風(fēng)排和抽采進行求和和求占比的處理,然后將對應(yīng)的數(shù)據(jù)根據(jù)模板進行裝載處理。從時間維度進行循環(huán)計算,累積量以5 min一個單元進行存儲。

2.1.3 抽采方式占比

將不同位置傳感器的抽采占比進行求和以及求占比的計算,然后將對應(yīng)的數(shù)據(jù)根據(jù)模板進行裝載處理。以時間的維度為主,然后在同一維度上統(tǒng)計出不同位置傳感器的數(shù)值和占比以及對應(yīng)的濃度和混量,方便求和使用。

2.1.4 瓦斯抽采工況純量數(shù)據(jù)統(tǒng)計

將對應(yīng)的抽采數(shù)值進行求和梳理,以時間維度為主,統(tǒng)計每個時間間隔內(nèi)的數(shù)據(jù)的累積量以上的3種計算以及存儲方式都以Bigdecimal進行包裝計算。防止計算時因為精度丟失導(dǎo)致的結(jié)果數(shù)值偏差過大的問題,存儲的時候使用占用空間偏小的Double類型進行存儲。

2.1.5 數(shù)據(jù)預(yù)警

當(dāng)某種抽采方式占比降低幅度過大的時候,程序計算通過前后時間差的對比方式實現(xiàn)了對抽采占比的變化監(jiān)測以及預(yù)警功能。

2.2 效果展示

通過上述步驟,最終得到了相關(guān)的計算模型,并通過安全監(jiān)控系統(tǒng)采集到了現(xiàn)場的實時數(shù)據(jù)。目前相關(guān)算法模型在淮南礦業(yè)集團8對礦井進行了試用,針對潘三礦1682(1)工作面進行試用,并達到了預(yù)期的效果,下面就將本次研究的情況進行梳理。圖1為風(fēng)排瓦斯量和瓦斯抽采量的百分占比分析。

圖1 風(fēng)排瓦斯量和瓦斯抽采量占比分析Fig.1 Analysis of the proportion of air exhaust gas volume and gas extraction volume

通過數(shù)據(jù)對比,可以很直觀地看出來2種瓦斯釋放方式的占比情況,當(dāng)風(fēng)排瓦斯量曲線圖提高時,需要及時查看甲烷傳感器的數(shù)值是否變大,目前,我們在工作面回采過程中,需要時刻關(guān)注甲烷傳感器的數(shù)值,一旦超過預(yù)警值,就需要進行相關(guān)處理,通過這種數(shù)據(jù)占比的方式可以更加直觀的看到變化趨勢。另外一種情況就是當(dāng)本工作面的瓦斯抽采量降低時,需要通過分析多種抽采方式抽采數(shù)據(jù),看出是哪種抽采方式的抽采比例降低了。

通過圖2能夠看出本工作面采用了工作面軌順老塘埋管、地面鉆孔抽采、高抽巷1#、2#管道抽采、工作面軌順順層孔管道抽采、工作面運順順層孔抽采等6種抽采方式,通過占比曲線能夠分析出,抽采量的數(shù)據(jù)在當(dāng)下時間的情況,如果保持抽采平穩(wěn),即幾條占比曲線為直線,若發(fā)生了波動,需要查明是什么原因?qū)е鲁椴刹环€(wěn)定。

圖2 抽采方式占比分析Fig.2 Analysis of the proportion of extraction methods

在圖2中,本文研究出一種趨勢預(yù)警方法,即當(dāng)某種抽采方式下降達到一定比例時,進行預(yù)警提示,即設(shè)置20%為閾值,下降比例或者上升比例超過20%時,就會預(yù)警提示,通過這種數(shù)據(jù)分析的方式,讓技術(shù)管理人員能夠及時查看是哪種抽采方式變化較大,能夠及時調(diào)整,保證工作面在回采過程中瓦斯治理安全可靠。這種預(yù)警方法不同于一般安全監(jiān)控系統(tǒng)的上下限預(yù)警,這是一種趨勢預(yù)警,通過趨勢變化幅度的大小,去判斷瓦斯抽采情況是否存在異常。這種方式是通過對抽采數(shù)據(jù)的分析,能夠超前預(yù)判瓦斯治理情況是否存在問題,以往在煤礦生產(chǎn)中,涉及到瓦斯抽采數(shù)據(jù)是人工進行手動測算,通過研究大數(shù)據(jù)的方法,能夠自動分析相關(guān)數(shù)據(jù),產(chǎn)生預(yù)警提示,減少了工作量,提高了采煤工作面在回采過程中瓦斯治理的可靠性。

通過圖3能夠看出來本工作面采用工作面軌順老塘埋管、地面鉆孔抽采、高抽巷1#、2#管道抽采、工作面軌順順層孔管道抽采、工作面運順順層孔抽采等6種抽采方式后的瓦斯工況純量數(shù)據(jù)。

圖3 瓦斯抽采量統(tǒng)計分析Fig.3 Statistical analysis of gas extraction volume

目前,在煤礦實際生產(chǎn)過程中,只能通過安全監(jiān)控系統(tǒng)查看到某一個抽采單元的抽采情況,無法將一個工作面整體所有的抽采純量情況進行實時統(tǒng)計分析。通過基于大數(shù)據(jù)的抽采數(shù)據(jù)分析,能夠在獲取基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的同時,將需要的計算數(shù)據(jù)進行實時反饋,能夠準確看出本工作面的整體抽采能力。

3 結(jié)語

瓦斯是一種危險氣體,不僅會威脅煤礦生產(chǎn)的安全,而且會影響煤炭的質(zhì)量。在煤炭開采過程中,瓦斯會占用有效空間,減少可開采面積,直接影響煤炭的生產(chǎn)效率和質(zhì)量。而通過抽采煤礦瓦斯,可以保持煤炭開采的安全和穩(wěn)定,同時提高煤炭的生產(chǎn)效率和質(zhì)量?，F(xiàn)代煤礦瓦斯抽采技術(shù)不斷進步,有效降低了煤礦瓦斯危險,提高煤炭生產(chǎn)的安全和穩(wěn)定。將大數(shù)據(jù)技術(shù)利用在瓦斯抽采數(shù)據(jù)分析上,能夠減少以往人工的工作量,并且在即時性和準確性上相較于人工有較大提高,通過這種自動分析的方法建立模型算法,并以此算法為基礎(chǔ)搭建的系統(tǒng)目前在實際礦井中應(yīng)用,獲得了一致好評,保障了現(xiàn)場采煤工作面在回采過程中瓦斯治理的穩(wěn)定。