抽采达标智能评价系统的研究及应用

王升宇 黄 德 李雪冰

(1.通化矿业(集团)有限责任公司；2.辽宁工程技术大学安全科学与工程学院)



抽采达标智能评价系统的研究及应用

王升宇1黄 德2李雪冰2

(1.通化矿业(集团)有限责任公司；2.辽宁工程技术大学安全科学与工程学院)

在实际生产中瓦斯抽采达标评价存在过程复杂、计算量大、基础数据难以获取等不足，为了提高评价的准确性和可靠性，结合计算机C++语言编程技术，运用智能决策支持系统(IDSS)和大量瓦斯抽采领域专家专业知识及经验形成的专家系统，实现整个瓦斯抽采达标智能评价，使瓦斯抽采基础数据的获取、计算以及日常管理事务等过程程序化、可视化，具有绘图快速而且评价结果精准等特点。工业试验结果表明，抽采泵选型与实际矿井使用抽采泵型号一致，工作面风速为1.14 m/s，瓦斯浓度为0.6%，达到瓦斯抽采达标评价要求。

瓦斯抽采 智能决策 达标评价

随着矿井开采技术的提高以及浅部矿石资源的日渐减少，目前煤矿开采深度逐步增加，这导致瓦斯事故预防和治理显得更为重要，瓦斯抽放是解决矿井瓦斯问题的有效方法[1]。瓦斯抽采的效果很大程度上决定着矿井煤与瓦斯突出、瓦斯异常涌出、瓦斯爆炸等事故是否发生，应抽未抽或者抽采效果不好都导致发生事故的概率极度增大[2-4]。建立合理完善的瓦斯抽采评价体系已成为当今煤矿企业加强瓦斯抽采力度，落实瓦斯抽采工作的重要途径。目前瓦斯抽采达标评价在理论上的研究比较成熟[5-9]，基于这些理论，利用计算机技术开发的瓦斯抽采达标评价系统也有不少[10]，但是这些系统需要人为决策的工序仍然比较多，未能达到瓦斯抽采达标评价的智能决策分析。

瓦斯抽采达标评判的程序复杂，基础数据难以获取，计算繁琐，评价指标较多，导致评价过程容易产生疏漏，评价结果不准确。瓦斯抽采达标评价系统存在评价方法单一、对评价参与人员要求高等不足。基于此，本文研究和整理瓦斯抽采达标评价数学模型和算法，并借助智能决策支持系统(IDSS)[11-13]，利用C++编程语言、ObjectARX 2010编程技术开发了一套具有可视、快速、简捷等优点的瓦斯抽采达标智能评价系统(GDES)，为抽采达标工作的开展起到了重要的辅助作用，使抽采达标工作的落实具有实际意义。

1 瓦斯抽采达标智能评价系统

瓦斯抽采达标智能评价系统集成瓦斯抽采达标评价相关的模型库、图形库、属性库、专家库。

系统交互结构中模型库是指评价过程模型，与不同地质条件、采煤方法和评价工艺等映射，针对不同评价条件引导不同的评价过程；图形库是指图元显示效果，相同的图元有多种不同的显示效果，继而形成不同的几何参数，这些大量的几何参数形成了图形库；属性库包含了图元的所有属性数据信息(图元名称、图元编号、图元种类、图元参数等)；专家库包含了大量瓦斯抽采达标评价领域的专家水平知识和经验，有着大量的专业知识和经验，在评价过程中智能引导评价过程和方法。

可视化交互分为图元可视化交互和数据库管理界面交互。图元可视化交互主要为碰撞交互、数据交互、视觉交互，为系统提供图元绘制、编辑与属性数据之间的交互；数据库管理界面交互主要由数据查询、数据新增、数据删除等组成，实现了界面与数据库之间的交互。

1.1 系统模块及功能设计

系统可分为计算模块、智能决策模块、可视化模块、数据库模块。计算模块主要包括评价指标计算、抽采设计助手、系统分析、数据处理模块；智能决策模块主要包括瓦斯泵智能选型、孔口负压预测、石门钻孔设计、报告自动生成、基础条件评价、抽采达标评价、生产能力核定评价等模块；可视化模块包括瓦斯管路、瓦斯抽采设施设备等图元的绘制和编辑模块；数据库模块包括管理瓦斯抽采达标智能评价系统的数据对象以及瓦斯泵的查询和管理等模块。各个模块息息相关，缺一不可，如可视化模块为其他模块提供了拓扑关系以及数据信息等，计算模块为可视化模块提供了图元大小位置关系等信息。系统模块具体划分见图1。

图1 系统模块划分

1.2 系统智能决策评价

传统的决策支持系统主要组成部分为模型库、数据库和方法库，IDSS在结构上增加了知识库与推理机，在达标智能评价系统中为瓦斯抽采达标评价专家库。人机接口即为用户与系统进行交互的可视化界面，负责从用户获取相关参数和信息，传递给系统，并且将最终决策的结果呈现给用户；自然语言处理系统是用户与系统沟通的翻译者，用户所提供的所有信息经过语言处理系统处理成机器语言，而系统得出的结果则被语言处理系统翻译成用户所识别的语言；问题处理系统为系统的关键部分，通过用户给定的信息访问模型库、数据库和方法库，进行大量计算和处理之后，利用专家库的专业知识和经验最终得出决策结果。

系统涉及智能评价的过程为瓦斯抽采基础条件评价和瓦斯抽采达标评价。瓦斯抽采基础条件评价是用户通过人机交互界面输入相关参数，系统将计算结果与数据库和方法库进行智能比较，得出评价结果，并通过专家库对评价结果进行描述，给出评价不达标的原因和优化方案，最终以表格形式对《煤矿瓦斯抽采达标暂行规定》所要求的8项评价指标进行评价，并以报告形式输出。瓦斯抽采达标评价涉及整个智能决策支持系统，经过图形绘制、参数输入、数据处理、相关计算等过程后，根据评价条件和计算结果从模型库中智能选择评价方案，结合数据库、方法库和专家库对瓦斯抽采达标效果进行智能决策评价。

2 应用实例

松树镇煤矿为煤与瓦斯突出矿井，煤层瓦斯压力为0.5～3.98 MPa，瓦斯含量为3.44～11.31 m3/t。待评价单元为311回采工作面，煤层瓦斯压力为1.65～3.98 MPa，煤层瓦斯含量为8.17～11.31 m3/t，为突出危险区域。评价工作面煤层主要为一、二煤层合区。一层煤呈条带状，黑色油脂光泽，为石炭二迭系山西组含煤系，煤层最大厚度为3.34 m，最小厚度为2.8 m，平均厚3.0 m；二层煤呈粉末状，黑色油脂光泽，为石炭二迭系山西组含煤系，煤层最大厚度为3.1 m，最小厚度为2.8 m，平均厚2.95 m。工作面详细参数见表1，将基本参数录入到系统中并进行数据处理，得到如图2所示对话框。

表1 工作面基本参数

图2 录入基本信息

利用抽采达标评价的相关计算方法对瓦斯抽采达标评价相关指标进行相应计算，结果见表2。

表2 指标计算结果

通过系统对瓦斯管路分析，计算得到瓦斯泵流量为213.2 m3/min，瓦斯泵压力为52 933.99 Pa。根据瓦斯泵选型原则，综合考虑流量、吸入绝压以及瓦斯泵工作效率选取2BEC50型瓦斯泵，与松树镇煤矿311回采面实际使用瓦斯泵型号一致。瓦斯泵参数见表3，可视化效果见图3。

表3 2BEC50型瓦斯泵参数

图3 抽采泵参数可视化效果

根据《煤矿瓦斯抽采达标评价暂行规定》，采掘工作面同时满足瓦斯压力降到0.74 MPa以下、瓦斯含量降到8 m3/t以下、风速不超过4 m/s、回风流中瓦斯浓度低于1%时，则判定采掘工作面瓦斯抽采效果为达标。经系统核算，311工作面残余瓦斯压力为3.78 MPa，残余瓦斯含量为4.23 m3/t；工作面等效通风断面为10.13 m2，风速为1.14 m/s，瓦斯浓度为0.6%，满足规定要求。

综合以上所有评价结果可得出，松树镇煤矿311回采面瓦斯抽采达标评价结果为达标，可以安全地进行下一步工作。

3 结 语

GDES将整个瓦斯抽采达标评价过程程序化，使评价过程可视化、智能化，对瓦斯抽采达标评价工作和瓦斯抽采日常管理起到辅助决策支持作用，解决了瓦斯抽采达标评价过程复杂、评价效果不理想等问题。系统建立了丰富评价方案的模型库，为不同评价条件提供不同评价方案，使评价过程更贴近现场评价过程；同时系统将有着大量瓦斯抽采达标评价的专业知识和专家经验的专家库结合到智能决策支持系统中，使评价结果更准确、更有说服力。工业试验表明，工作面评价结果为达标。由此可见，GDES实用性较强，评价结果准确，评价效果理想，在一定程度上减少了人力、物力、财力的投入，具有较好的推广前景。

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2016-07-21)

王升宇(1961—)，男，高级工程师，博士，134300 吉林省白山市。