煤矿瓦斯治理动态工作流构建方法研究

张书林，杨建，舒龙勇

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

0 引言

以煤炭工业信息化建设为基础推进智能矿山建设是煤炭行业发展的必然趋势[1-2]。煤矿瓦斯治理信息化是煤炭工业信息化建设的重要内容之一。目前在瓦斯治理仪器装备信息化[3-4]，瓦斯监测监控[5]，基于GIS 的瓦斯信息管理、展示和分析[6-9]等方面取得了重要进展，同时，将现代信息技术应用于瓦斯灾害预防预警也成为煤炭科技创新的重要方向之一[10]，但在瓦斯治理管理方面，存在煤层瓦斯参数测定，抽采工程的施工、管理和效果测定与检验等关键环节尚未实现数字化、信息化，关键环节管控仍需要人工监督，瓦斯治理措施还不能做到“质量可靠”和“过程可溯”等问题[11]。近年来，信息技术广泛使用，但煤矿安全生产管理模式没有本质变化，其管理架构、业务流程和岗位职责仍然主要是传统的非信息化或半信息化管理模式，没有根据智能矿山建设梳理和重构与之相适应的新型瓦斯治理管理模式。瓦斯治理具有“多人参与、跨部门协作”的特点，管理模式的落后必然造成数据孤岛问题无法解决，且职能重叠、流程不畅，决策支持出现乱象，无法形成及时、有效、可靠的瓦斯治理业务数据用于瓦斯灾害预防预警等多层次应用。

基于工作流技术实现瓦斯治理业务流程化为解决上述问题提供了一种思路方向[12]。工作流技术的发展经历了电子数据流（Electronic Data Flow，EDF）、事务处理流（Transaction Process Flow，TPF）、信息管理流（Information Management Flow，IMF）3 个阶段[13]，其中，IMF 阶段强调对企业业务全局、整体性的管理，随着计算机与网络技术的快速发展，使得大规模分布式环境下对瓦斯治理复杂多变任务执行的全局监控成为可能。煤矿业务流程化研究以往主要集中在文档协同审批[14]、机电设备管理[15-16]、安全管理[17-19]、煤质管理[20]、井下工程[21]等方面，在瓦斯治理方面的应用研究则较少。瓦斯治理业务的复杂性和管理精细化要求决定了其监管难度大，传统工作流系统难以满足复杂业务动态性和灵活性的要求，制约了瓦斯治理业务流程化的发展。

因此，笔者从煤矿瓦斯治理全局管理的角度，以煤矿采掘工作面和揭煤工作面瓦斯治理工作实施过程为研究对象，结合工作流技术，提出煤矿瓦斯治理动态工作流构建方法，使煤矿瓦斯治理业务流程化，以提升瓦斯治理工作的协同执行效率，实现瓦斯治理业务数据的快速流转、追踪和共享。

1 瓦斯治理工作流程

《防治煤与瓦斯突出细则》（以下简称细则）附录A 中规定了从建井前期至采掘过程的瓦斯治理基本流程。对于采掘工作面和揭煤工作面，瓦斯治理工作流程分别如图1 和图2 所示，流程可划分为措施和测试2 类环节，见表1。

表1 瓦斯治理工作流程环节分类Table 1 Link classification of gas control working flow

图1 采掘工作面瓦斯治理工作流程Fig.1 Working flow of gas control in mining face

图2 揭煤工作面瓦斯治理工作流程Fig.2 Working flow of gas control in coal uncovering working face

（1）措施类环节。区域防突措施和高瓦斯区域瓦斯治理措施均包含开采保护层和预抽煤层瓦斯2 类措施，为简化研究，本文仅涉及后者。进一步，预抽煤层瓦斯类措施可采用的方式有地面和井下2 类，其中，地面预抽煤层瓦斯类措施包括地面井预抽煤层瓦斯，井下预抽煤层瓦斯类措施包括穿层钻孔或顺层钻孔预抽区段煤层瓦斯、顺层钻孔或穿层钻孔预抽回采区煤层瓦斯、穿层钻孔预抽井巷（含立井、斜井、石门等）揭煤区域煤层瓦斯、穿层钻孔预抽煤巷条带煤层瓦斯、顺层钻孔预抽煤巷条带煤层瓦斯、定向长钻孔预抽煤巷条带煤层瓦斯等，为简化研究，本文仅涉及井下预抽煤层瓦斯类措施。突出采掘工作面的防突措施可采用的方式有超前钻孔预抽瓦斯、超前钻孔排放瓦斯、安装金属骨架、煤体固化、水力冲孔及其他经试验证明有效的措施，低瓦斯采掘工作面可采用在构造发育地带施工超前钻孔排放瓦斯等临时瓦斯治理措施，为简化研究，本文仅涉及超前钻孔预抽瓦斯和超前钻孔排放瓦斯这2 种目前常采用的措施。突出采掘工作面经实施瓦斯治理措施变成无突出危险后，应采取安全防护措施后进行采掘作业，为简化研究，本文不涉及安全防护措施。综上，措施类环节的内容主要包括各类钻孔的施工、验收，其中，抽采钻孔还包括封孔、接抽、停抽、拆管及抽采期间进行的单孔和管路抽采参数检测等。

（2）测试类环节。测试类环节的内容包括测试类钻孔施工、钻孔取样、非孔取样、制样、确定指标的井下和实验室测定等。此外，对于区域验证、区域防突措施效果检验、工作面突出危险性预测、工作面防突措施效果检验和揭煤验证等环节，在确定指标测定的基础上还要结合区域和工作面防突措施的施工情况形成对应的测定报告单；对于区域突出危险性预测、区域防突措施效果检验和抽采达标评判等环节，除了根据确定指标测定和区域防突措施实施情况（对于后2 个环节）外，还需要结合其他指标形成对应的技术报告。测试类环节是采掘工作面和揭煤工作面瓦斯治理措施类环节执行的约束条件，对于同一采掘工作面和揭煤工作面，不同测试类环节的结果决定着对应措施类环节的实施和工作面采掘进度。

2 瓦斯治理实施过程

2.1 专项设计和进度计划编制

采掘工作面和揭煤工作面瓦斯治理专项设计的编制需要根据具体工作面所在煤层的突出危险性评估/鉴定结果，决定该工作面要采取的具体瓦斯治理工作流程，并根据工作面采掘布置和煤层瓦斯基础参数对流程中各主要环节进行规划和图纸设计。对于突出采掘工作面，要确定区域防突措施环节的钻孔种类、数量和施工位置，工作面防突措施环节的钻孔种类、数量和布置原则，区域突出危险性预测、区域防突措施效果检验等环节的测定指标、测点数量和位置，区域验证、工作面突出危险性预测、工作面防突措施效果检验等环节的测定指标、测点数量和布置原则；对于高瓦斯采掘工作面，要确定高瓦斯区域瓦斯治理措施环节的钻孔种类、数量和施工位置，抽采达标评判环节的测定指标、测点数量和位置；对于揭煤工作面，要确定预抽煤层瓦斯区域防突措施环节的钻孔种类、数量和施工位置，工作面防突措施环节的钻孔种类、数量和布置原则，区域突出危险性预测、区域防突措施效果检验等环节的测定指标、测点数量和位置，区域验证、工作面突出危险性预测、工作面防突措施效果检验、揭煤验证和煤层段掘进工作面突出危险性预测等环节的测定指标、测点数量和布置原则。此外，专项设计还要包含完成上述工作所需器材设备种类和数量、安全防护措施等信息。专项设计编制完成后需各参与方进行确认和审批。

瓦斯治理工作随采掘进行，因此，在完成瓦斯治理专项设计的基础上，需要结合各工作面采掘的年、季、月进度计划制定对应瓦斯治理的年、季、月进度计划。进度计划是一种对瓦斯治理专项设计中各工作环节任务内容、工作量、人员部门部署、物资物料分配等要素评估和确认的规划方案，以年、季、月等时间尺度对瓦斯治理环节和工作内容进行层层分解和细化，以便更精准地控制各采掘工作面和揭煤工作面瓦斯治理工作按进度实施。进度计划编制按照各环节任务期限严格、资源相关平衡、部门人员统一协调的准则，按照瓦斯治理工作流程进行部署。瓦斯治理年、季、月进度计划编制完成后需各参与方进行确认，并通过审批。

2.2 流程环节实施

前述瓦斯治理工作流程环节的内容可体现为各类钻孔施工、抽采、瓦斯参数测定和文件审批。钻孔施工包括打钻、竣工轨迹和参数、打钻视频、封孔（排放措施孔除外）、验收等；抽采包括接抽、停拆和期间进行的单孔/管路抽采参数检测；瓦斯参数测定包括钻孔取样（取样钻孔施工）、非孔取样、制样、瓦斯数据的井上下测定等；文件审批包括钻孔施工、抽采和瓦斯参数测定基础上的报告单、技术报告的审批。

在具体采掘工作面和揭煤工作面瓦斯治理工作实施前，各参与部门要组织相关人员学习瓦斯治理专项设计和进度计划，熟悉采掘布置、瓦斯治理环节、工作量、进度安排、安全防护和应急事项；瓦斯治理实施时，参与部门根据月度计划各自统筹好材料物资和人员安排，并与其他参与部门进行协调，准备完毕后，根据瓦斯治理进度计划统一规划各部门具体实施工作的派工，各部门参与人员按照分工完成各自任务。

根据采掘和瓦斯治理环节实施时的反馈数据及时对专项设计和进度计划进行调整，并通过审批。

2.3 质量监督和验收

2.3.1 措施类环节

对于区域防突措施和高瓦斯区域瓦斯治理措施等环节，监督人员对单孔施工的成孔参数及与设计的偏差、钻进异常现象、封孔等方面进行监督并完成验收；待某个采掘工作面或揭煤工作面的区域瓦斯治理措施环节的钻孔按照专项设计的计划数量全部施工完毕后，还要对工作面范围内施工的钻孔个数及总进尺、有无空白带等进行评估和验收。

工作面防突措施是在突出采掘工作面或揭煤工作面的某个采掘循环内工作面突出危险性预测环节中所测指标结果超标的情况下实施的，监督人员同样对单孔施工的成孔参数及与设计的偏差、钻进异常现象、封孔等方面进行监督并完成验收；待该采掘循环的工作面防突措施钻孔按照专项设计的种类、数量和布置原则施工完毕后，还需对该采掘循环内施工的钻孔数量、总进尺和有无空白带等进行评估和验收。

2.3.2 测试类环节

对于突出采掘工作面和揭煤工作面的区域突出危险性预测，先对为实现煤层原始瓦斯压力和含量等预测指标测定进行的测压钻孔施工（施工位置、竣工轨迹及参数、钻进异常现象、与设计的偏差）、封孔（封孔方式和深度）、钻孔取样（取样方式和深度）、瓦斯压力数据读取、瓦斯解吸数据的井上下测定等方面进行监督和审核，再对突出危险性预测报告进行评审和审批。

对于突出采掘工作面和揭煤工作面的区域防突措施效果检验、高瓦斯采掘工作面的抽采达标评判，先对为实现残余瓦斯压力和含量等检验指标测定进行的测压钻孔施工（施工位置、竣工轨迹及参数、钻进异常现象、与设计的偏差）、封孔（封孔方式和深度）、钻孔取样（取样方式和深度）、瓦斯压力和瓦斯解吸数据的测定等方面进行监督和审核，再对区域防突措施效果检验或抽采达标评判报告进行评审和审批。

对于突出采掘工作面和揭煤工作面其他测试类环节，先对为实现指标（如钻屑瓦斯放散指标、钻屑量指标）测定进行的钻孔施工（位置、施工参数、钻进异常现象）、钻孔取样（取样方式和深度）、仪器操作测定等方面进行监督和审核，再对各环节内相应循环测定报告单进行审核和审批。

3 瓦斯治理动态工作流创建

3.1 瓦斯治理业务流设计

由采掘工作面和揭煤工作面的瓦斯治理工作流程和实施过程可知，其流程环节可进一步具体化为技术文档和报告单审批、钻孔施工、取制样、瓦斯参数测定、抽采及其参数测定等5 类工作。根据流程设计原则，笔者对上述后4 类工作的实施路径进行了梳理和重构，并进一步拆分为25 个基本工作单元（图3），建立对应内容表单，基于标准的通信协议支持各类轨迹仪所测钻孔轨迹、视频监控设备所录打钻视频、仪器所测参数的井下就地上传和地面实验室仪器设备所测瓦斯参数的联网接入。

图3 主要瓦斯治理业务及实施路径Fig.3 Main gas control business and implementation path

Petri Nets 具有描述同步、并发、冲突业务流程的能力，同时具有一定的动态性，可以满足复杂性和动态性工作流建模要求，因此，根据实际业务需求，利用Petri Nets 将基本工作单元进行组合，用于建立不同跨部门瓦斯治理复杂业务工作流程，并以任务派单的形式执行。基本工作单元之间存在反馈机制和实施顺序，其中，实施顺序可包含多种，如图4所示，T1，T2，T3之间为串连关系，T31，T32，…，T3n与T4之间为或连关系，T51，T52，…，T5n与T6之间为与连关系。

图4 瓦斯治理业务协同机制Fig.4 Collaboration mechanism of gas control business

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的流程，避免了职能部门间的流程接口问题，实现了煤矿现有瓦斯治理管理模式的改变。

从煤矿瓦斯治理全局管理的角度看，任务工作流的建立是瓦斯治理工作流程环节执行的具体体现。因此，工作流发起时，发起人除了指定待执行任务所属采掘工作面或揭煤工作面外，还要指定待执行任务所处工作面哪个瓦斯治理工作流程环节，基于瓦斯治理工作流程图建立工作面瓦斯治理执行进度表示方法，使瓦斯治理工作进展情况一目了然。任务派单后，煤矿各级管理人员通过工作面瓦斯治理执行进度信息，能够有效监督和控制瓦斯治理工作的整体运作，确保组织决策得以有效执行，提高决策支持能力，通过工作流中各基本工作单元人员的执行动态，可以保证瓦斯治理措施“质量可靠”和“过程可溯”。

3.2 任务分派策略

煤矿人员、机构复杂，任务密集，靠传统手动方式分配任务需要大量人力和时间。如果分配者不能及时掌握候选人现有的工作量和工作计划，仅凭主观判断，任务分配难以达到均衡，导致部分员工的工作安排负荷较大，而另一部分员工处于等待任务状态。因此，在工作流任务派单时采用主动和自动相结合的策略将各基本工作单元任务分配给相应的执行者，分2 个阶段进行：候选对象在规定时间内从任务列表获取感兴趣的任务；将工作流剩余任务根据任务匹配度筛选出最合适对象[22]，其中，任务匹配度根据候选对象的当前负载量、预期负载量和技能熟练度确定。

3.3 工作流动态设计

由于瓦斯治理业务实施过程管理的工序是严格的人为规定，如果因为工序混乱导致施工出现问题，后果不堪设想，因此不允许擅自更改用户未批准的流程步骤。这里的工作流动态设计主要针对有新的业务流程上传并替换原有业务流程，包括2 种情况：①过程定义的动态修改。在过程定义阶段，通过在描述文件中预先定义的规则，尽量覆盖到运行中的动态变化，然后为其提供可选择的流程分支。② 过程实例的动态修改。在工作流运行阶段，根据实际状态变化，可以选择终止所有正在运行的流程实例，然后按照新的流程定义重新启动，或者对正在运行的流程实例不做任何处理，之后创建新的流程实例并按照新的流程定义执行，或者将正在运行的过程实例转换为新流程定义下的流程实例，并执行下去。

对于Petri Nets，上述修改都可归为添加、删除和替换，使用描述文件动态生成和配置工作流网络，并保存为JSON 格式，记录每个节点的编号、名称，形成节点列表，代表一个具体的业务步骤；记录每个节点的前后逻辑关系，形成连线列表，代表业务步骤之间的关联关系。通过描述文件动态生成和配置工作流网络，支持瓦斯治理工作流执行过程中的动态性[23]。借助基于微服务的工作流核心，将用户对描述文件的修改转变为对工作流节点的添加、删除、替换操作，从而实现在系统运行时工作流模型实例不停机。

4 应用实例

工作流开发工具主要有Activiti、Camunda 和Flowable 等主流工作流引擎，其中Flowable 在功能性、扩展性方面具有优异表现，且能更好地支持事务子流程、动态添加任务节点等，因此，基于B/S 架构，利用Flowable 6.7 工作流引擎进行瓦斯治理动态工作流相关功能开发。

以某工作面区域防突措施效果检验环节中的瓦斯含量测定为例，对瓦斯治理动态工作流进行说明。瓦斯含量测定采用GB/T 23250-2009《煤层瓦斯含量井下直接测定方法》中的自然解吸法，其中，不可解吸量计算所需的工业分析、孔隙率和吸附常数等参数利用同一位置非孔取得的样品进行测定。同时对取样钻孔进行封孔抽采，任务组成及实施流程如图5 所示。

图5 瓦斯含量测定任务组成及实施流程Fig.5 Composition and implementation process of gas content determination task

任务派单后，在工作流概览中可以查看该工作流所属工作面及瓦斯治理环节、工作面瓦斯治理进度信息、瓦斯治理措施设计文档、工作流所处阶段和过程动态信息等，其中，动态信息包括工作流生成、任务接收和分派统计、流程挂起、流程终止、流程完成等系统信息，子任务接收和完成等工作流信息，任务转派等提醒信息，如图6 所示。

图6 工作流实例概览Fig.6 Overview of workflow instance

在任务处理中，执行人进入瓦斯含量测定中各流程节点任务页面进行相应基本工作单元业务处理，完成自己的工作内容并进行提交。执行人也可将自己的任务进行转派，在规定时限内接收人完成工作内容，如图7 所示。

图7 流程实例各任务处理Fig.7 Processing of each task in the process instance

在流程图中，可以查看完成整个瓦斯含量测定业务和子任务的时长统计，为该业务流程的改进和优化提供依据，加大瓦斯治理工作管理深度。

5 结论

（1）基于细则附录A，将采掘工作面和揭煤工作面的瓦斯治理工作流程分为测试和措施2 类环节，从前期的专项措施设计和进度计划、具体实施和环节转换逻辑、监督和验收等方面对瓦斯治理实施过程进行了描述，在此基础上，将瓦斯治理工作流程环节具体化为技术文档和报告单审批、钻孔施工、取制样、瓦斯参数测定、抽采及其参数检测等5 类工作，为瓦斯治理业务流程化奠定基础。

（2）为构建瓦斯治理动态工作流，将上述后4 类工作进行重构，并进一步拆分为25 个基本工作单元，利用Petri Nets 将不同基本工作单元进行组合，用于建立不同跨部门瓦斯治理复杂业务工作流程，基于主动和自动相结合的策略进行工作流任务分配。使用描述文件动态生成和配置工作流网络满足对瓦斯治理动态工作流建模的要求。工作流包含工作面瓦斯治理执行进度、各基本工作单元的人员执行动态和完成时长等信息。

（3）后续结合需要，可对保护层开采、地面井预抽煤层瓦斯等区域瓦斯治理措施，安装金属骨架、煤体固化、水力冲孔等工作面防突措施及安全防护措施开展业务流程化研究，针对接入的不同系统和仪器设备建立对应的内容表单模板，开发移动端程序，以便更加灵活、便捷地执行井下瓦斯治理相关业务，不断完善瓦斯治理业务流程。