煤矿瓦斯治理信息协同管控方法研究

张书林

（1.煤炭科学技术研究院有限公司，北京 100013；2.煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室（煤炭科学研究总院），北京 100013）

信息化是推动经济社会变革的重要力量，煤炭工业信息化建设可以推动煤矿安全从静态管理向动态管理[1]，实现安全生产创新。20 世纪80 年代初至今，我国煤炭工业信息化经历了单机（系统）自动化、综合自动化、矿山物联网等阶段，目前正处于智能矿山新兴发展阶段[2]，并最终达到感知矿山的目标[3]。“十三五”以来，国家和行业陆续公布了一批有关煤矿智能化建设的指导文件和技术标准[4-6]；2020年以来，山东、山西、内蒙、河南、陕西、宁夏等省份相继出台了有关加快煤矿智能化建设的文件。以信息化建设为基础推进“智能矿山”建设是煤炭工业发展的时代主题和必然趋势。

瓦斯治理信息化是煤炭工业信息化建设的重要内容。过去瓦斯治理信息化研究多集中在基于GIS 的瓦斯信息管理、展示和分析[7-12]以及瓦斯监测监控[13]等方面，而在矿井瓦斯治理管理信息化方面研究较少，由于采集技术及信息化水平低，仍采用传统的手工填报、绘制、分析等静态管理方法，人工处理工作量大，而且采集的信息也不系统、完整和规范，信息存储、查询也不方便。淡国文等[14-15]实现了工作面预测指标测定后自动上传地面、报告单自动生成、防突信息集成展示、查询与分析；蒲阳等[16]在此基础上实现了防突信息移动审批；徐雪战[17]实现了瓦斯含量测定后数据自动上传入库。

目前，推动现代信息技术服务煤炭行业灾害预防预警已经作为煤炭科学创新的重要方向之一[18-19]。由于瓦斯治理过程有着多人参与和跨部门协作的特点，信息散落在多个部门，且部门间往往缺乏交流与沟通不能形成及时有效且可靠的信息数据用于瓦斯灾害风险评估、预测、预警和其他多层次应用，需要提出一个以业务为中心的瓦斯治理信息管理和协同框架作为共享平台，使得瓦斯治理业务及管理部门“看得见、管得了、控得住”，提升各部门间的横向整合以及各级管理部门间的纵向集成。针对防治煤与瓦斯突出管理信息化方面存在的问题和要求，基于过程控制理论进行瓦斯治理信息管控模式和多级协同机制研究，为智能矿山建设背景下矿井瓦斯治理信息管理探索一种较为系统和规范的管理模式。

1 瓦斯治理过程特征描述

瓦斯治理作为一种特殊的工程过程，是煤矿安全生产的重要组成和关键环节，也是防止重特大瓦斯灾害发生的有效手段和必经之路。经过多年的探索实践，我国瓦斯治理逐步形成了“通风可靠、抽采达标、监控有效、管理到位”十六字方针和“区域防突为主、局部防突为辅”的2 个“四位一体”综合防突措施。

1.1 瓦斯治理过程模型

建立过程模型是瓦斯治理过程控制的基础。由于煤矿瓦斯治理方案和瓦斯治理过程实例都具有多样性，难以用统一的过程模型来描述，因此，通过总过程模型组合子过程模型的方式来实现[20]。总过程模型用来描述瓦斯治理过程的总体框架，不包括瓦斯治理措施的细节，子过程模型用来描述瓦斯治理的工作内容和措施。不同瓦斯治理工作内容和措施对应不同的子过程模型，当它们代入总过程模型后，形成具体的过程，称为过程实例。

瓦斯治理过程是一个连续作业的时空过程,随采掘进行。巷道的生命周期可划分设计、掘进、成巷、回采、密闭/采空等5 个阶段，处在掘进状态时称为掘进工作面，岩巷掘进前方遇见煤层时为揭煤点，是防突重点之一；回采工作面的生命周期可划分设计、圈掘、圈毕、回采、密闭/采空等5 个阶段，处在回采状态时称为回采工作面。防突细则附录A 中规定了井工煤矿从建井前至采掘结束这一过程的瓦斯治理工作，以此为瓦斯治理过程总模型，并从矿井、煤层、水平、采（盘）区和工作面5 个层次划分计划类、措施类、管理类、测试类等4 类20 种的瓦斯治理子过程，瓦斯治理子过程分类见表1。对各类子过程进行建模，计划类子过程模型、措施类子过程模型、管理类子过程模型、测试类子过程模型如图1～图4。

图1 计划类子过程模型Fig.1 Sub-procedures model of gas control plan

图2 措施类子过程模型Fig.2 Sub-procedures model of gas control measure

图3 管理类子过程模型Fig.3 Sub-procedures model of gas management

图4 测试类子过程模型Fig.4 Subprocess model of gas parameter test

表1 瓦斯治理子过程分类Table 1 Sub-procedures classification of gas prevention and control

每类子过程均分为准备和执行2 个阶段：

1）在准备阶段，根据具体地点实际编制（包括第三方机构）有关瓦斯治理的计划、措施等，然后发起相应审批。

2）审批完成后进入执行阶段，按照实际的业务流程中，尤其在治理措施执行前要组织有关人员进行业务和注意事项的学习，同时对审批后的文档进行盖章归档，包括相关批复文件的存档。在执行阶段，计划类子过程面向一段时期内各地点采取措施的详细计划工作量，以便执行中对照，至预定截止时间结束；措施类子过程面向2 个“四位一体”综合防治措施过程，主要针对措施钻孔的施工和抽采工作，其间伴有区域验证、局部预测和验证，措施的执行进展和落实检查（对比阶段计划量），抽采参数人工检测（单孔和管路检测）等周期性工作，还伴有各类措施钻孔整体施工完毕后的验收评价、抽采钻孔接停抽等非周期性工作，随关联地点生命周期结束而结束；测试类子过程面向煤层各类指标的考察、鉴定工作，主要涉及测试钻孔的施工、取样、封孔、测试、非钻孔取样等井下工作和制样、测试等地面工作，为瓦斯治理决策提供技术支持，随关联地点生命周期结束或至截止时间而结束；管理类子过程面向针对矿井当前瓦斯治理情况进行的采掘设计、预案制定与定期演习、图纸周期性更新、专题调查等环节，为瓦斯治理提供重要的辅助支撑，随关联地点生命周期结束或至截止时间而结束。

1.2 过程特征参数

由过程控制理论可知，瓦斯治理过程的运行状态可以通过其过程特征参数来反映，将过程参数分为基础参数、施工参数、瓦斯抽采参数3 类[20]。

1）基础参数。包括空间位置、煤层赋存、地质构造、瓦斯赋存情况的描述。瓦斯治理与采掘活动密切相关，为了更好地描述瓦斯治理过程中的空间位置，除了矿井统一的空间三维坐标外还应有井下地点的描述，因此，需要对井下地点管理，在矿井开拓煤层、水平、采（盘）区划分的基础上，把井下地点划分为4 个层级，构建其隶属关系，煤矿井下地点分类见表2。在此基础上，对各采掘工作面的抽采单元、揭煤点信息以及它们的统一坐标范围进行添加。最后建立井下地点树方便各类瓦斯治理信息的归类和筛查。此外，瓦斯治理需要人员的参与和仪器设备的投入，因此，瓦斯治理过程的管控除需要矿井组织机构、人员、角色、班次等信息外，还需要瓦斯治理仪器设备全生命周期管理的信息。

表2 煤矿井下地点分类Table 2 Classification of underground sites in coal mine

2）施工参数。除包括煤（岩）巷道的设计与掘进情况、采煤工作面的设计与回采情况、钻场和钻孔的设计与施工情况的描述外，还要增加阶段计划施工量和实际施工量对比的描述。主要涉及采掘进尺、产量，钻孔的设计参数、施工人员、轨迹、视频、验收、接抽、拆管，阶段施工量对比等信息。

3）瓦斯抽采参数。包括抽采钻孔抽采状态和采掘工作面生产时的瓦斯状态的描述。涉及瓦斯抽采流量、浓度、温度、负压等抽采情况，工作面风速、浓度、绝对瓦斯涌出量、相对瓦斯涌出量等信息。

1.3 过程控制参数

从时空角度看，1 个过程的控制参数可分为初始化参数、节点参数。

1）初始化参数。指瓦斯治理过程或子过程开始时所赋予的参数，对应前述的基础参数部分。

2）节点参数。瓦斯治理过程是由各子过程及其内部环节以一定的规则连接而成，其衔接处存在若干分支节点，它标志着前后过程环节的结束和开始。当遇到分支节点时，应分析上一过程环节是否达到了预期的要求，若满足则上一环节结束，否则跳转到相应的环节并循环直至通过该分支节点。区域突出危险性预测/验证、施工质量验收、工作面突出危险性预测和检验均作为措施类子过程的节点参数。对于计划类、测试类和管理类子过程可以用地点的生命周期或预定截止时间作为节点参数。

2 瓦斯治理信息管控方法

2.1 瓦斯治理信息管理框架

瓦斯治理作为1 种特殊的工程过程，时间跨度可长达几年甚至十几年，其间记录了大量报表、文档、图纸、视频、图片等格式的信息，主要分为安全生产基础、人工检测和监测监控等3 类[21]：

1）安全生产基础信息主要包括矿井地质、瓦斯地质、通风与安全管理、生产管理等，包含了大量与瓦斯灾害防控密切相关的重要信息，如地质构造、生产工艺、采掘布置等各种信息。

2）人工检测信息是指结合煤矿生产系统特点构建的人工检测体系所提供的信息源，如瓦斯参数检测、各类措施施工、仪器设备检测、人员安全行为检查等所提供的信息。

3）监测监控信息是指煤矿中各类安全生产监测监控系统所提供的信息源。

矿井瓦斯治理措施多样，过程模型不统一、过程特征参数复杂，如何有效管理治理过程中产生的3类信息数据，并能服务于灾害预测预警和其他多层次应用，满足矿井智能化建设要求，是当前所面临的问题。毛善君等[12]提出将原有地测、通防等各专题图形，按统一的时间序列、空间坐标和数据标准，将各专业图形通过分层进行叠加形成“1 张图”，各专业部门只需更新图形中各自的数据，并与各应用系统业务数据和监控系统环境数据相集成为未来的大数据分析、云计算和智能辅助决策提供技术支撑。

对于瓦斯治理业务数据的管理，在基础参数管理的基础上，提出1 个以瓦斯治理业务为中心的信息管理框架，对前述4 类瓦斯治理子过程按时间先后划分准备和执行2 个阶段：准备阶段包括发起和审批2 个部分；执行阶段包括归档、学习记录、计划内容、施工记录、执行进展、落实检查、整体验收、瓦斯参数、抽采检测等9 个部分，瓦斯治理业务数据管理框架见表3。不同类型子过程配置不同内容，可为“1 张图”等多层次应用提供可靠的瓦斯治理业务综合数据。

表3 瓦斯治理业务数据管理框架Table 3 Management architecture of gas control information

框架基于标准的数据接口规范，支持各类仪器设备业务数据的接入，消除各种系统信息孤岛。如：井下各类轨迹仪所测钻孔轨迹、各类视频监控设备所录打钻视频、各类仪器所测瓦斯参数等通过井下环网就地或实时上传，地面实验仪器设备所测参数联网接入。

框架整合了钻孔施工、抽采、取制样、瓦斯参数测试等4 类瓦斯治理关键信息，其中，钻孔施工信息主要包括施工地点（包括统一坐标）、施工人员、设计参数、打钻视频、轨迹、验收、所属工作面和抽采单元（抽采孔）等；抽采信息包括接抽和拆管时间、单孔和抽采管路人工检测等；取制样信息包括样品类别、取样人员、取样地点或钻孔（钻孔样）、制样人、粒度、所用设备等；瓦斯参数测试信息包括测试人、测试项目、所用设备、测试结果等。支持学习记录、措施计划量（包括阶段计划量）、钻孔施工信息、预测/验证测试信息、执行进展记录、落实检查记录、整体验收记录、各类瓦斯参数测试、抽采检测数据等列表信息的批量导出；支持各类瓦斯参数测试单的动态生成和导出。

2.2 信息管控方法

瓦斯治理业务数据的管控通过以下方式：

1）部门技术人员或系统管理员根据井下生产实际切换各采掘工作面生命周期的不同阶段来控制各类瓦斯治理子过程的进行。

2）各类瓦斯治理子过程通过审批后默认处于待执行状态，不能进行学习记录、计划内容、施工记录、执行进展、落实检查、整体验收、瓦斯参数和抽采检测等模块数据的录入，执行负责人或管理员可以根据井下现场实际进展将子过程的状态切换为执行、暂停或完成状态来控制上述数据的录入。

3）在子过程执行过程中，上述瓦斯治理业务数据信息录入后需要通过录入人所属部门主管技术人员的审核。通过以上3 个层次的管控来确保数据的真实可靠。

3 瓦斯治理工作协同和追溯

3.1 瓦斯治理业务流设计

矿井瓦斯治理工作多人参与和跨部门协作的特点决定了其管理的难度，由于粗放型施工管理时常会出现流程责任不清晰，参与人和参与部门之间相互推诿，流程执行过程不清晰，信息共享难，过程难监控，流程优化无据可循等问题。瓦斯治理业务流程化关系到煤矿信息化建设[22]，一直以来也是众多学者密切关注的研究方向。它的目标是提高组织运作效率，打破部门间壁垒，增强横向协作，加快信息传递；管理层能够有效地监督和控制矿井瓦斯治理工作的整体运作，确保组织决策得以有效地执行；提高决策支持能力，扩大瓦斯治理工作管理的深度，进而触发和推动业务流程的改进和优化。

基于上述目标，对瓦斯治理过程中主要业务及其实施路径进行了调研梳理，根据矿井瓦斯治理工作实际需求和流程设计原则，把瓦斯治理具体工作重构、拆分了25 个不同的基本工作单元，围绕钻孔施工、取制样等关键基本工作单元，通过“串联、与连、或连”进行组合，建立不同跨部门瓦斯治理复杂业务工作流程，主要瓦斯治理业务及其实施流程如图5。将矿井的组织、角色模型数据融合进瓦斯治理业务工作流程中进行协同，瓦斯治理业务协同机制如图6。

图5 主要瓦斯治理业务及其实施流程Fig.5 Gas control activities and their implementation paths

图6 瓦斯治理业务协同机制Fig.6 Collaborative mechanism of gas control business

从3 个方面来满足流程管理动态性[23]：

1）在流程建模阶段。利用流程再造技术对瓦斯治理业务进行工作流建模形成流程组件，根据业务需要通过拆分、重构、组合形成新的流程。

2）在流程实例运行阶段。将业务流程中可能存在的并发分支事先定义出来，流程实例执行到该处时，通过流程参数和流程规则，动态选择某1 个分支继续执行，从而将不确定的定义转换未确定的定义。

3）在修改对象上。可以修改某个定义，也可以修改某个流程实例的状态，因此，流程定义的排序、状态变迁、流程执行者和流程实例等参数都可以进行修改，可以在规则定义阶段进行修改，也可以在运行着的流程实例中进行修改。

瓦斯治理业务流程化打破了原有工作的部门和职能界限，将由不同部门完成的工作作为一个整体交给“流程所有者”负责，从而构造出一个完整的端到端流程，避免职能部门间流程接口问题，有利于瓦斯治理业务信息数据的快速流转、追踪和共享。

3.2 信息追溯方法

细则要求矿井瓦斯治理工作质量可靠、过程可溯。利用计算机技术开发瓦斯治理信息管控支撑系统，授予瓦斯治理参与人不同权限，实现各类瓦斯治理子过程实例化协同审批和各类瓦斯治理业务协同。对准备和执行阶段产生的用户操作日志进行分类展示，实现瓦斯治理过程各环节追踪，相关用户登录系统后可查看各类实例化子过程实施的过程信息。

4 应用实践

基于B/S 架构开发了矿井瓦斯治理信息管理系统，部分成果在冀中能源股份有限公司东庞矿应用。在进行煤层、水平、采区划分，巷道，回采工作面，班次，组织机构，人员，仪器设备，采掘进尺，预测指标临界值等基础信息管理的基础上，实现各类实例化瓦斯治理子过程的协同审批、修订和归档；支持学习记录、措施阶段计划、钻孔施工、预测/验证测试、执行进展记录、落实检查记录、整体验收记录、瓦斯参数测试、抽采检测等信息接入、录入和关联管理，报表批量导出；动态生成和导出各类瓦斯参数测试单，内附二维码用于数据防伪；建立东庞矿井下地点树，方便查看各类实例化瓦斯治理子过程的详情、2 个“四位一体”综合防突措施执行情况概览、过程信息等。

系统支持用户订阅井下地点瓦斯治理动态信息；支持用户收藏各类实例化瓦斯治理子过程，方便快速查阅。

系统具有各类技术证件的管理和到期提醒功能；施工和测试多种数据报表的生成导出功能；措施执行进度、审批动态、实例化子过程状态、采掘和钻孔进尺统计、仪器设备状态、技术证件状态、当日所测瓦斯参数等关键信息可视化大屏展示功能。

系统基于统一的数据标准对其他业务系统提供访问接口，为基于“1 张图”多层次应用和瓦斯灾害多元信息综合预警提供可靠的瓦斯治理业务数据。

5 结 语

1）基于过程控制理论建立了“总过程+子过程”形式的瓦斯治理过程模型，以防突细则附录A 作为总过程，从矿井、煤层、水平、采（盘）区和工作面5个层次划分计划类、措施类、测试类、管理类等4 类20 种的瓦斯治理子过程，并描述了过程的特征参数和控制参数。过程模型的建立为瓦斯治理信息管控框架奠定了基础。并可以根据煤矿瓦斯治理的需求来丰富和完善该过程模型。

2）针对瓦斯治理工作多人参与和跨部门协作的特点，把瓦斯治理具体工作重构、拆分了25 个不同的基本工作单元，并围绕钻孔施工、取制样等关键基本工作单元建立不同跨部门瓦斯治理复杂业务动态工作流，以便瓦斯治理业务信息数据的快速流转、追踪、共享和深层次应用。

3）矿井瓦斯治理信息管理系统是瓦斯治理信息化重要的支撑，可实现实例化瓦斯治理子过程的审批信息、学习记录、措施阶段计划量、钻孔施工信息、预测/验证测试信息、执行进展记录、落实检查记录、整体验收记录、各类瓦斯参数测试、抽采检测数等瓦斯治理业务数据在矿井内部横向和纵向流动，可保证矿井瓦斯治理工作管理的协同调度、集中管控。同时为基于“1 张图”多层次应用和瓦斯灾害多元信息综合预警提供可靠的瓦斯治理业务数据。