瓦斯抽采效果智能评价系统构建与应用

相桂桂，路培超，彭富伟，杨永强

(1.永城煤电控股集团有限公司， 河南 永城 476600；2.光力科技股份有限公司， 河南 郑州 450001；3.永煤集团股份有限公司 车集煤矿， 河南 永城 476600)

瓦斯抽采是矿井瓦斯治理的重要手段，抽采达标评判是瓦斯治理工作效果的检验[1-3]. 针对矿井抽采系统管理信息化、智能化程度低等问题，利用物联网、数据挖掘分析等技术，以采掘工作面瓦斯抽采精准计量为基础，结合瓦斯抽采达标评判技术体系，构建瓦斯抽采效果智能评价系统，实现采掘面瓦斯抽采分单元计量、抽采达标效果动态评价、抽采系统异常分析，随时了解瓦斯抽采达标状况。

1 系统总体架构设计

基于整体架构的“系统化”构思[4]，结合煤矿瓦斯抽采达标评判的应用需求，充分考虑系统的监测自动化、传输网络化、分析智能化，提高系统的稳定性、可靠性等性能，创建瓦斯抽采效果智能评价系统架构体系，实现矿井采掘面分单元瓦斯抽采计量与抽采效果动态评价。系统主要由地面监控中心子系统、传输网络子系统、井下监测监控子系统3大部分组成，系统网络拓扑结构见图1.

图1 系统网络拓扑结构图

1) 地面监控中心子系统。

地面监控中心子系统由监控服务器设备和系统软件两部分组成，是整个系统的监控中心环境支撑基础，通过部署的系统软件提供对井下各类监测信息的数据采集、分析、存储、展示和应用管理等，实现采掘工作面分单元瓦斯抽采效果评价、管理，以及数据联网上传。

2) 传输网络子系统。

传输网络子系统是数据交互纽带，由环网交换机、网络延伸设备、通信线缆等组成，可利用煤矿已建设的光纤环网，实现井下瓦斯抽采分元计量数据实时上传与控制命令的下发。

3) 井下抽采分元计量子系统。

井下抽采分元计量子系统主要由管道瓦斯浓度、负压、流量、温度、一氧化碳等多参数集成传感器，以及监测数据采集、上传、控制的监控分站等组成；采掘面按照瓦斯抽采分单元计量测点部署要求安装抽采监测设备，实现采掘工作面、各评价单元及钻场(钻孔)等地点的瓦斯抽采分元计量。

2 系统功能设计

瓦斯抽采效果智能评价系统主要设计功能模块，见图2.

图2 系统主要功能模块图

2.1 系统数据采集

通过部署瓦斯抽采泵站、主管、干管、支管及评价单元等区域的管道瓦斯监测设备，动态获取各测点的瓦斯抽采监测数据，利用监控分站、交换机等设备，实现瓦斯抽采监测数据实时采集，自动测算瓦斯抽采累计量，作为瓦斯抽采达标评判的抽采计量数据[5-7]. 根据采掘面瓦斯抽采达标评判标准要求，系统支持包括达标残余瓦斯含量、达标可解吸瓦斯量、瓦斯抽采率等参数定义，作为瓦斯抽采效果动态达标评判的依据。

2.2 瓦斯抽采效果动态评价

根据《煤矿瓦斯抽采达标暂行规定》、《防治煤与瓦斯突出细则》等要求，构建瓦斯抽采达标评判技术体系，基于大数据挖掘等技术，建立瓦斯抽采效果评价模型、抽采达标预测模型和抽采效果验证模型，实现采掘工作面及各评价单元的瓦斯抽采效果动态评价，及时了解瓦斯抽采达标预抽期，便于调整抽采措施方案，确保各评价单元按计划完成抽采达标，进而实现工作面采掘前、采掘中、采掘后全过程的瓦斯抽采达标动态管理。

1) 采掘前瓦斯抽采效果分元评价。

工作面采掘作业前，系统基于瓦斯抽采评价区域的抽采监测数据、煤层瓦斯基础参数、瓦斯抽采达标评价标准等，建立瓦斯抽采效果评价模型，实现瓦斯抽采效果评价指标自动测算、抽采效果达标自动评判。根据瓦斯抽采进度、瓦斯抽采量、预抽达标量等参数，建立瓦斯抽采达标时间预测模型，基于评价区域瓦斯抽采量变化趋势，实现瓦斯抽采达标预抽期、续抽期自动估算。建立瓦斯抽采效果验证模型，根据阶段性人工实测瓦斯指标数据，与抽采效果评价指标测算数据对比，动态修正系统建立的抽采效果评价模型。为工作面采掘前的防突效果、预抽瓦斯效果达标评判提供动态的管理手段。抽采效果评价信息流程见图3.

图3 抽采效果评价信息流程图

2) 采掘中瓦斯抽采达标动态评判。

在采掘过程中，对瓦斯抽采的实际效果进行动态达标评判，实现工作面瓦斯抽采率、煤层残余瓦斯量、矿井瓦斯抽采率等测算，以及工作面的月度瓦斯抽采达标评价。工作面采掘期间，如果出现瓦斯评判不达标的情况，系统会及时发出报警，提醒相关部门分析原因，采取措施抽采达标后，方可恢复作业，为工作面的开采过程提供更加精细化的抽采达标评价。

3) 采掘结束后瓦斯抽采达标总结。

工作面采掘结束后，系统自动将工作面瓦斯抽采达标全过程的资料打包、归档、存储，实现“一工作面、一工程、一档案”管理，便于后期资料查阅；系统通过工作面瓦斯抽采数据分析、瓦斯抽采效果评判质量，计算瓦斯抽采效果评价的关键指标，分析瓦斯抽采规律，为后续采掘工作面的瓦斯抽采设计、抽采效果评价提供参考依据。

2.3 抽采系统异常分析

系统基于瓦斯抽采监测参数关联、测点关联、业务关联等分析逻辑，利用大数据挖掘技术手段，根据行业标准、理论研究和现场经验，构建抽采系统异常分析模型、异常处置模型，实现瓦斯抽采管网漏气、堵塞等异常分析，抽采测点瓦斯异常涌出分析，以及抽采设备故障自诊断，并及时发出报警信息[8-10]. 系统建立自学习机制，对不确定性异常进行模型优化，以提高异常诊断的准确性。

2.4 可视化图形管理

系统基于系统导航图、拓扑图、抽采效果评价图等多种可视化监控与展示方式，支持矿井CAD、SVG等文件导入作为系统底图，部署瓦斯抽采计量测点、抽采管路、抽采效果评价等图元，实现煤矿瓦斯抽采基于矿井、采掘面、抽采巷道、评价单元的多维度展示，构建瓦斯抽采效果评价“一张图”，直观呈现瓦斯抽采的实时监测数据、设备状态信息、抽采效果评价信息和抽采系统异常诊断信息等。

系统可视化图形监控以多种颜色动态展示采掘工作面及评价单元的抽采效果评价结果，便于人员直观了解工作面瓦斯抽采达标状况；抽采系统出现异常状况时，可及时定位故障地点，发出报警提醒，便于人员处理故障。此外，为方便全面了解矿井瓦斯抽采效果评价信息，点击图形上抽采泵站、采掘工作面、评价单元等区域，系统自动弹出该区域抽采监测与效果评价的详细数据。

2.5 系统参数设置

系统参数设置包括用户角色设置、权限管理、系统参数配置、系统日志查询、移动应用管理等功能。用户角色设置实现用户账号管理、管理员、普通用户等角色设置。用户权限管理可实现用户操作权限、操作菜单等添加、编辑和删除等功能。参数配置包括系统名称设置、班次管理、报警设置、门限设置、全局管理等功能。系统日志查询具有用户操作、系统运行等日志查询与管理功能。

3 现场应用分析

河南能源化工集团永煤公司下属某煤矿，为煤与瓦斯突出矿井，选择处于预抽阶段的采煤工作面开展试点应用研究。通过现场应用分析，优化系统构建的抽采效果评价模型、抽采系统异常分析模型，提高瓦斯抽采达标效果评价、抽采管网堵漏等异常诊断结果的准确性和可靠性。

1) 抽采达标效果评价可视化。

通过试点工作面及各评价单元的煤层瓦斯基础参数录入、抽采监测数据实时采集、抽采达标评判标准参数定义，建立工作面瓦斯抽采效果分元评价体系，实现工作面及各评价单元的抽采效果动态评价，提供如抽采效果评价图、抽采测点监控、监测报表、柱状图、曲线等多种可视化展示方式。系统构建有多元信息“一张图”的抽采效果评价与展示模型，实现工作面分单元瓦斯抽采效果评价数据直观展示、抽采达标状况精准掌控，见图4.

图4 工作面瓦斯抽采效果指标动态测算图

2) 抽采系统异常自动分析与报警。

系统基于瓦斯抽采大数据挖掘技术，建立抽采系统异常分析模型，通过瓦斯抽采测点参数和测点关联属性定义，根据抽采测点瓦斯浓度、流量、负压等监测数据波动状况，利用多参数监测曲线、同测点不同参数曲线、关联测点曲线综合分析，及时发现抽采系统存在的管道漏气、堵塞等异常，并发出异常报警提示。例如，系统运行一段时间后，第3个评价单元测点的抽采流量监测数据逐渐下降，而瓦斯浓度、抽采负压基本不变，瓦斯抽采纯流量逐渐降低，系统发出可能出现管道堵塞异常提醒；通过将井下抽采监测设备取出、清理维护后，流量监测数据恢复正常。

3) 抽采达标效果分析报表生成。

系统可自动生成日常抽采监测与抽采效果分析报表、报告。以预抽效果指标分析报表为例，选择工作面、评价单元以及抽采时间阶段，可查询工作面各评价单元预抽瓦斯效果指标，并支持报表导出、打印。分析报表内容包括每个评价单元的煤层瓦斯基础参数信息、预抽钻孔进尺和预抽开始时间信息，以及预抽瓦斯效果评价指标，如抽采累计量、计算残余瓦斯含量、计算可解吸瓦斯量、瓦斯抽采率和预计抽采达标时间等，便于管理人员随时掌握工作面抽采达标状况。

4 结 论

以瓦斯抽采精细化管理为目标，利用物联网、大数据挖掘、可视化分析等技术，开展瓦斯抽采达标动态评判研究，构建瓦斯抽采效果分元评价模型、抽采系统异常智能诊断模型，设计开发了瓦斯抽采效果分元动态评价系统。通过现场试点应用，实现了工作面及各评价单元区域瓦斯抽采的可视化综合监测、分元达标评价、曲线分析评价、异常报警等功能，为煤矿瓦斯抽采达标评判提供智能化手段。