我国煤矿瓦斯抽采智能化技术现状与展望

2023-11-24齐黎明王声远陈学习关联合谢凯熙

华北科技学院学报 2023年5期

关键词：封孔瓦斯调控

齐黎明,王声远 ,陈学习,关联合,谢凯熙

(1. 华北科技学院安全工程学院,北京东燕郊 065201;2华北科技学院矿山安全学院,北京东燕郊 065203.3. 开滦集团有限责任公司,河北唐山 063018)

0 引言

矿山智能化发展是我国应急管理事业在“十四五”计划期间的发展重点,煤矿瓦斯抽采的智能化是矿山智能化发展的重要一环,也是未来进一步提升瓦斯抽采效果与技术水平的重要发展方向。

近年来,学者和工程技术人员在煤矿瓦斯智能化抽采方面做了大量研究,取得了众多重要成果,但是,仍不能满足现场工程实践需要。为此,本文在分析、总结现有智能化抽采技术成果的基础上,对未来煤矿瓦斯抽采智能化技术组成结构与发展方向进行了探索。

1 煤矿瓦斯抽采智能化技术现状

2015年,文献[1]提出了智能抽采的概念,即智能瓦斯抽采系统应具有高度自主性,确保抽采系统的理想运行。赵洪瑞[2]通过PLC模糊控制实现对瓦斯抽采阀门的智能调控。马国龙[3]基于SuperMap Object.Net 6R平台开发了定向钻孔智能设计系统,提高了钻孔工作的工作效率。刁勇[4]则设计和构建煤矿瓦斯抽采监控智能评价管理系统。张东旭[5]则建立起煤层气智能抽采监控指标体系。不难看出,我国起步研究煤矿瓦斯抽采智能化技术发展方向以提高抽采系统的功能性为主,研究方向多以实现瓦斯抽采系统中某一流程的智能化为主。为探究当前我国瓦斯抽采智能化技术研究现状,通过选取煤矿瓦斯抽采智能化技术研究成果进行整理分析,将选取的研究资料按照研究领域进行分类,分类结果如图1所示。由图1可得,我国煤矿瓦斯抽采智能化技术的研究重点在钻孔与封孔,抽采监测,抽采评价,设备控制四个领域,四者总和占比高达77%,其他领域研究占比23%。

图1 相关研究成果归纳分类图

图2 数据驱动的精细化管控研究结构

1.1 钻孔施工与密封

钻孔施工与密封是瓦斯抽采智能化研究的重要部分。抽采钻孔的布置、打孔与封孔均可影响瓦斯抽采的效率。当前,对于抽采钻孔的智能化设计做到了只需向计算机输入相关参数计算机便可设计抽采钻孔。比如,郝天轩[6]基于AutoCAD开发了钻孔智能设计系统。郝天轩通过对AutoCAD、PyCharm 2021专业版和QtDesigner的开发,使得用户只需向系统输入煤层参数等参数便可获得钻孔布置图与钻孔信息。

另外,郭恒[7]对瓦斯抽采钻孔的管控研究为抽采钻孔的智能化提供了思路。郭恒的研究结构如图所示,郭恒基于瓦斯地质动态分析系统结合优化算法实现瓦斯储量的精准评估;基于钻孔轨迹测量和现场监控保障了钻孔施工的质量;基于高精度传感器结合矫正模型实现瓦斯抽采数据的精准化。通过对郭恒的研究的分析,不难看出抽采钻孔的智能化研究需要数字化技术与信息化技术的参与,通过建立数学模型对数据进行校正和抽采过程的可视化展示可以有效提高抽采钻孔工作的精细化程度,这对抽采钻孔的智能化有支撑意义。

对于钻孔的密封,我国当前对封孔工作的智能化研究重点是使用智能技术优化封孔工作相关内容,如计算封孔材料的配比和封孔材料的注入等。程健维[8]在研究钻孔封孔时研发了智能控制瓦斯抽采钻孔非凝固恒压浆液封孔系统。该系统的工作方式是通过压力传感器检测封孔浆液压力,当压力小于0.15MP时,控制器通过控制料仓出口的电磁阀进而生产浆液,经浓度检测器检测浆液浓度合格后,再由活塞将配置好的浆液注入钻孔的封孔段。程健维使用自动化技术使封孔工作完全由机器运行,使得封孔工作不需要人工调控,节省人力与时间,又使得封孔浆液可以及时注入钻孔,提高了封孔效果。可见,自动化技术在封孔智能化方面的使用可以有效提高封孔智能化的程度。

1.2 抽采数据监测与传输

抽采数据监测与传输也是瓦斯抽采智能化的重要部分。我国当前对抽采数据监测智能化的研究的重点有二。首先是抽采数据监测可靠性。对于抽采数据监测的稳定性,王祖迅[9]基于S7-1500R冗余技术设计了瓦斯抽采监控系统,其结构如图3所示。该研究的主要思路是通过硬件的冗余和自动化技术的运用,使得监测系统出现硬件问题时,系统可以自检问题并自主切换备用设备。王祖迅对S7-1500R冗余技术的使用从硬件结构方面提高了抽采数据监测系统的可靠性。

图3 基于S7-1500R冗余设计结

其次是对监测系统的应用。瓦斯抽采智能监测的研究不但要求监测系统的稳定性和瓦斯抽采情况的全程监测,还要求对瓦斯抽采其他环节的智能化起到支撑作用。如谢旭[10]设计的瓦斯抽采监控系统不但可以监控瓦斯抽采过程,还具备瓦斯浓度预测、超限报警和阀门自动调节功能。该监控系统不仅可以有效预防瓦斯事故,还可以对瓦斯抽采工作进行调控。

我国当前对于抽采数据的传输则不在局限于有线传输。无线传输技术也被运用到抽采数据的传输上。如路萍[11]则是利用4G网络的稳定与快捷性结合自主设计的风光互补供电系统实现了对地面抽采数据的集中监控,使包括视频数据在内的抽采数据无线传输,提高了瓦斯抽采监测系统的监测能力。

1.3 抽采达标评判

瓦斯抽采评价是检验瓦斯抽采效果的主要方式。瓦斯抽采效果的智能评价也是瓦斯抽采智能化的一大重点。当前,我国对于瓦斯抽采评价智能化的主要研究方式是在评价过程中引入数字化技术和可视化技术,通过建立模型、优化算法和过程可视化的方式对瓦斯抽采达标时间、剩余瓦斯含量等相关信息进行计算、预测和展示。如崔聪[12]通过引入数据挖掘实现瓦斯抽采达标的动态评判,通过构建深度神经网络结构获得预测模型,进而实现抽采效果智能分析与抽采达标预测时间计算。通过GIS(地理信息系统)和人工编程AI(人工智能)实现瓦斯治理场景的动态展示;李可[13]在瓦斯抽采评价研究中建立瓦斯抽采达标模型和抽采达标预测模型对预抽效果达标评判。

1.4 抽采参数分析与设备调控

抽采参数分析与设备调控的结合是当前我国对瓦斯抽采设备智能调控研究的主要方式。即通过运用数字化技术等先进技术对瓦斯抽采数据进行分析,寻找瓦斯抽采规律,根据瓦斯抽采规律寻找合适的控制方法进而实现瓦斯抽采设备的智能调控。夏同强[14]利用数学建模、寻优算法等方式研究瓦斯抽采参数实时解算模型,再结合智能算法对抽采系统工况参数、管网负压与瓦斯抽采特征参数之间的联系研究,进而获得智能调控管网负压的算法。马莉[15]则基于MPC(模型预测控制算法)研制出瓦斯抽采智能调控模型。马莉的研究方式是先基于simpleRNN(简单循环神经网络)获得调控参考的理想曲线,其次再根据理想曲线利用MPC获得调控策略,最后再通过校正反馈和滚动优化提高模型的抗干扰能力。

1.5 当前我国煤矿瓦斯抽采智能化技术发展方式

通过对煤矿瓦斯抽采智能化技术发展现状分析与归纳,发现当前我国煤矿瓦斯抽采智能化技术的发展方式是以自动化、功能综合化、可视化和数字化四项协同发展。其中:

(1) 自动化体现在对人工的简化。通过人机交互界面,工作者只需发出指令,实际工作由计算机控制设备完成。

(2) 可视化体现在工作者只需处在人机交互界面,便可以得到瓦斯抽采工作的实际情况。

(3) 功能综合化体现在瓦斯抽采智能化研究从实现瓦斯抽采任一流程的单功能智能转变为实现瓦斯抽采任一流程的多功能智能,瓦斯抽采任一流程变的可视、可控。

(4) 数字化体现在对研究资料分析发现多个研究成果的研究方式在于根据采集的瓦斯抽采数据建立模型和通过优化算法的方式使计算机自动处理瓦斯抽采数据并获得结果。

2 煤矿瓦斯智能抽采结构

通过对研究资料的分析与总结,结合笔者对煤矿瓦斯抽采智能化的见解,提出我国当今智能瓦斯抽采结构如图4所示。应用层包括瓦斯抽采全过程的传感器、监控设备和瓦斯抽采可控设备,其作用是将瓦斯抽采全过程数字化并将数据传输到数据层,同时接收数据层指令对瓦斯抽采可控设备调控。

图4 煤矿瓦斯智能抽采结构

数据层是智能瓦斯抽采结构的核心层。首先对应用层传输的瓦斯抽采数据进行筛选和储存。其次基于算法和数据库数据分析筛选后的应用层传输数据,再通过相关模型的计算得到相应的结果,最后将筛选后的应用层传输数据和模型计算结果传输至使用层。

使用层是人机交互界面。将瓦斯抽采情况和数据层运算结果以数字、图像等方式向用户展示,同时也允许用户对瓦斯抽采设备进行手动调控。人工调控指令下发到数据层,由数据层根据指令要求调控瓦斯抽采设备;若没有人工调控指令,则数据层根据设定要求和运算程序自主调控设备。

通信网络则贯穿整个架构,根据实际情况采用合理的通讯技术保障应用层和数据层、数据层和使用层之间的信息交流,将瓦斯抽采各个流程紧密结合。

应用层包括瓦斯抽采全过程的传感器、监控设备和瓦斯抽采可控设备,其作用是将瓦斯抽采全过程数字化并将数据传输到数据层,同时接收数据层指令对瓦斯抽采可控设备调控。

通信网络则贯穿整个架构,根据实际情况采用合理的通讯技术保障应用层和数据层、数据层和使用层之间的信息交流,将瓦斯抽采各个流程紧密结合。

3 技术展望

3.1 抽采能力智能调配

抽采系统涉及的抽采点很多,而且不同的抽采点在抽采效果和允许抽采时间等方面不尽相同,只有实现了抽采能力的智能调配,才能将抽采能力多分配给亟需抽采的点和抽采效果好的点,最终实现综合抽采效果最佳。

比如,通过瓦斯抽采管路的阀门控制,并结合工作面采掘顺序、抽采钻孔布置顺序和矿山压力分布规律,实现工作面瓦斯均匀、高效抽采(矿山压力大、透气性低和可供抽采时间长的区域,少配置抽采能力;透气性高和可供抽采时间短的区域,多配置抽采能力)。

3.2 抽采管网气体泄漏智能识别

矿井抽采系统是一个很复杂的管网,由于接头松动、管道腐蚀等原因,会造成气体泄漏;井巷空气漏入抽采管道,必然会降低各抽采点的抽采效果。

当前,对瓦斯抽采管网的研究聚焦于通过优化管网布局、管道管径的合理选择来提高瓦斯抽采效率,对于抽采管网部分的监测方面研究成果较少,这与瓦斯抽采智能化发展的理念不符。对于瓦斯抽采管网气体泄漏识别,可以在管网各处布置瓦斯浓度、瓦斯压力等传感器,将传感器采集数据传输至电脑进行集中筛选并实时计算各瓦斯抽采管道内的瓦斯情况用以评判抽采管网瓦斯是否泄漏。这将比单纯布置瓦斯浓度报警装置等预警方式更灵敏、更具有前瞻性。

3.3 抽采全过程一体化控制

整个瓦斯抽采全过程的一体化控制是瓦斯抽采智能化的发展目标之一。抽采全过程的一体化控制即对瓦斯抽采全过程的设备进行统一调控,将所有瓦斯抽采相关设备的运行交给系统控制,只在需要时采取人工措施。实现抽采全过程一体化控制的前提条件就是对瓦斯抽采相关设备的智能化。瓦斯抽采设备的智能程度和精准程度会直接影响瓦斯抽采智能化的成果。其次,对瓦斯抽采全过程,包括抽采工作前期对如煤层厚度、瓦斯含量等自然条件的精准测定,这是一体化控制提高瓦斯抽采效率的前提,例如煤层瓦斯含量的测定准确性就可直接影响瓦斯治理效果[16]。另外,如何将现有的瓦斯抽采部分流程的智能化成果进行有机结合,在已有的瓦斯抽采智能化成果上进行抽采全过程一体化控制的改造也是当前各大煤矿企业所面临的瓦斯抽采抽采全过程一体化控制问题。将瓦斯抽采变成一个整体可控、部分可控且全流程可监测的整体也是瓦斯抽采智能化的目标。