数字矿山瓦斯防治管理与分析决策系统的研究与实现

冯占科

(神华和利时信息技术有限公司，北京 100011)

数字矿山瓦斯防治管理与分析决策系统的研究与实现

冯占科

(神华和利时信息技术有限公司，北京 100011)

根据煤矿的实际情况，研究开发一套较为实用的瓦斯防治管理与分析决策系统，对减少煤矿瓦斯灾害事故具有重大的现实意义。本文通过数字矿山瓦斯防治管理与分析决策系统的瓦斯防治数据库、瓦斯管理指标体系、瓦斯防治管理、瓦斯分析决策驾驶仓四个方面的研究与实现阐述了煤炭企业的瓦斯防治管理与分析决策的建立过程。

数字矿山 瓦斯防治 瓦斯分析决策

1 系统的提出背景

煤矿瓦斯事故防治是煤矿安全管理的重要工作。煤矿瓦斯事故中死亡人数占煤矿事故死亡人数的比例偏大，我国一次死亡10人以上重特大瓦斯事故死亡人数占69.5%，一次死亡百人以上重特大瓦斯事故死亡人数占65.4%，国外一次死亡30人以上重特大瓦斯事故死亡人数占95.3%。神华集团在启动的“数字矿山生产执行系统(cMES)”项目中包含“一通三防”、综合分析相关内容，其中针对矿山瓦斯防治管理与分析决策系统进行了研究与实现，本文将通过瓦斯防治数据库、瓦斯管理指标体系、瓦斯防治管理、瓦斯分析决策驾驶仓四个方面的研究与实现阐述了煤炭企业的瓦斯防治管理与分析决策的建立过程。

2 系统的设计与实现

数字矿山瓦斯防治管理与分析决策系统基于B/S模式，利用JAVA语言开发，底层框架实现了MVC和AOP模式。系统架构包括四方面内容瓦斯防治数据库、瓦斯管理指标体系、瓦斯防治管理、瓦斯分析决策驾驶仓，具体架构见图1所示。

图1 数字矿山瓦斯防治管理与分析决策系统架构图

2.1 瓦斯防治数据库

数字矿山瓦斯防治管理与分析决策系统的数据库使用Oracle 11g数据库，数据库中不仅存储了瓦斯防治管理的业务数据，而且还集成了瓦斯流量监测系统、煤矿安全监测联网系统，通过ETL工具定时将瓦斯流量计的浓度、瓦斯流量计的流量、瓦斯监测仪器瓦斯浓度等数据经过抽取、转换、清洗后到数字矿山瓦斯防治管理与分析决策系统的数据库中，为分析决策提供了数据基础。

集成瓦斯流量监测系统数据包括泵站、流量计监测数据信息，其中流量计监测数据包括钻孔流量、钻场流量及抽放地点的流量数据。集成煤矿安全监测联网系统系统数据包括瓦斯、氧气、二氧化碳测点的浓度值、测点报警等信息。

2.2 瓦斯管理指标体系

通过调研煤炭企业的实际需求并结合《煤矿瓦斯灾害防治及利用技术手册》、《煤矿总工程师技术手册》《AQ 1027—2006煤矿瓦斯抽放规范》、《煤矿瓦斯抽采基本指标》等国家标准和行业标准，研究过程中梳理建立了一套“实用、实际、实效”的瓦斯管理指标体系，如表1所示部分指标，建立一套标准指标体系通过设置参数满足煤矿、子(分)公司不同的管理要求，并将指标体系以树形结构形式存储在系统中方便扩展和调用。

表1 瓦斯管理指标体系部分指标

2.3 瓦斯防治管理

瓦斯防治管理包含瓦斯等级鉴定、瓦斯检查、瓦斯抽采、瓦斯排放、瓦斯报表五部分内容。

(1)瓦斯等级鉴定

煤矿每年对瓦斯进行等级鉴定，由通风科组织牵头，其他部门联合组织外部单位对煤矿瓦斯涌出量进行等级鉴定，系统对鉴定进行管理包括鉴定煤矿、鉴定矿井、鉴定等级、鉴定日期、组织鉴定机构、审批单位、矿井绝对瓦斯涌出量、矿井相对瓦斯涌出量、矿井绝对CO2涌出量、矿井相对CO2涌出量、采面最大绝对瓦斯涌出量、掘进面最大绝对瓦斯涌出量、煤与瓦斯突出情况、瓦斯喷出情况等。

(2)瓦斯检查

首先要建立检查点，在煤矿地质资源中建立巷道、工作面的同时，为了管理瓦斯超限报警，同时按照规程及实际情况建立瓦斯检查点。瓦斯检查点是在地质资源信息的基础上建立的，依附于地质资源信息的检查点。在地质资源树中找到相应检查点所对应的位置信息，系统能根据地质资源按照煤炭规程中规定的瓦斯检查点加载到该地质树的相应节点：①采煤工作面：进风流、工作面、回风隅角、回风流；②掘进工作面：工作面、回风流；③硐室：变电所、充电硐室、水泵房、移动抽放泵站、注氮硐室；④局扇吸风口、局扇配电点。设置相应的值地点类型、CH4报警上限浓度、CH4断电浓度、CH4复电浓度、CO2报警上限浓度、CO报警上限浓度、O2报警下限浓度、H2S报警上限浓度、H2报警上限浓度、状态、录入人、录入时间。

建立检查点后根据检查点进行瓦斯检查记录，瓦斯矿井瓦检员每天对矿井3班，每班2次进行检查；高瓦斯矿井每天3班，每班3次。检查地点按照每月制定的瓦斯检查点设置计划中规定的测点，如有特殊情况，检查点多于计划中测点。具体检查内容包括检查地点、班次、检查时间、CH4、CO2、CO、O2、H2、H2S、瓦检员、备注信息。如数据超出设定上限值则按照不同颜色进行提示，如1.5%级提示黄色；1.5%～3.0%提示橙色，3.0%以上提示红色，且超限记录留存到数据表中，标示为超限显示1，未超限显示0，以便后续业务使用。

(3)瓦斯抽采

瓦斯抽采作业属于煤矿一通三防的重点工程。瓦斯抽采指向煤层、岩层中和瓦斯集聚区域打钻，将钻孔接在专用的管路上，用抽采设备将煤层和采空区中的瓦斯抽至地面，加以利用；或排放至总回风流中，抽采瓦斯不仅是降低开采过程中的瓦斯涌出量、防止瓦斯超限和积聚，预防瓦斯爆炸和煤与瓦斯突出事故的重要措施，还可变害为利，作为煤炭伴生的资源加以开发利用。

瓦斯抽采年度计划：包括年度瓦斯抽放量、利用量、钻孔量、管理长度主要参数。由各矿编制审批，并提交公司、集团审批，审核通过后下发，各矿以此计划为本年度生产执行目标数量。

瓦斯抽采月度计划：包括月度瓦斯抽放量、利用量、钻孔量、管理长度主要参数。由各矿编制审批后下发，各矿以此计划为本年度生产执行目标数量。

瓦斯泵房管理：分井上永久泵房、井下临时泵房、移动泵站，泵房中瓦斯泵安设2～3台，一主一备一修。瓦斯泵分为高、低压瓦斯泵。含煤矿、矿井、泵站名称、状态、泵站类型、泵站位置、泵站位置说明、用途、所属盘区、瓦斯泵、瓦斯泵编码、抽放泵型号、配套电机功率、配套管路、额定流量、状态、备注、安装日期、安装人等信息。

钻孔管理：瓦斯抽采要向煤层、岩层中和瓦斯集聚区域打钻， 钻孔分为穿层钻孔、走向长钻孔。钻孔管理包括施工单位每班记录的钻孔作业信息，包括位置、孔号、进尺等相关信息。含矿井、抽采工单、所属钻场、使用钻机钻孔编号、钻孔类型、业务类型、孔号、孔径、状态、孔深、倾角、孔内层描述、是否喷孔、备注等信息。

安装工程管理：包括瓦斯泵、管路安装工程量统计。含煤矿、矿井、抽采工单、泵站安装信息、瓦斯泵编码、抽放泵型号、配套电机功率、所属泵站、配套管路、额定流量、状态、备注、安装日期、安装人、管路安装量、抽采地点、安装类别、抽放管路类、型号、工程量、备注、安装人、安装日期、验收人等信息。

钻机管理：瓦斯抽采要向煤层、岩层中和瓦斯集聚区域打钻， 根据抽采计划、地质情况，钻场安设钻机打钻孔，钻机分为常规钻机、千米定向钻机、螺旋钻机。含煤矿、矿井、钻机编号、钻机型号、钻机功率、钻机类型、状态、备注等信息。

瓦斯抽采地点管理：瓦斯抽采地点管理是对瓦斯抽采模块中涉及到的瓦斯抽采地点进行统一维护与调用。包含煤矿、矿井、地点、地点类型、地点说明、抽采方法、开始抽采时间、结束抽采时间、瓦斯含量、瓦斯储量、回采前可解吸瓦斯量、回采前瓦斯含量、原始压力、卸压后压力、所属泵站、所属区域等信息。

抽采地点监测指对借助钻孔、巷道或采空区埋管等工程设施收汇瓦斯源，经管路和瓦斯泵等装备进行安全抽采，检测、监测、压送。井下抽采地点瓦斯流量定期监测并记录，含煤矿、矿井、抽采地点、采集人、采集时间、CH4、负压、混合流量、纯瓦斯量、压差、天数等信息。

瓦斯抽采泵站监测指实时监控管网瓦斯浓度、压力、压差、流量、温度参数及设备的开停状态等。瓦斯抽采泵站数据以人工监测为主，每小时观测一次并录入台账。瓦斯抽采泵包括地面固定泵站、井下移动泵站抽采泵。含煤矿、矿井、泵站、采集人、采集时间、瓦斯浓度、负压、标况混合流量、标况纯瓦斯量、温度、压差、天数等信息。

(4)瓦斯排放

瓦斯排放指瓦斯抽采的瓦斯或井下积聚瓦斯，通过风排、管排等方式排放到指定瓦斯治理巷的过程。通风队技术员编制排放信息。系统管理包括矿井、排放地点、地点类型、地点说明、工单名称、排放原因、排放级别、排放开始时间、排放结束时间、排放量、排放方法、排放方式、是否计划内、排放路线、CH4浓度、CO2浓度、混合CH4浓度、混合CO2浓度、瓦检员、跟班负责人、排放责任人、现场责任人等管理信息。

(5)瓦斯报表

将瓦斯检查记录，系统按照日期形成瓦斯日报。取当班、相同地点最大值，氧气取最小值。形成报表后由技术员或系统管理员对报表进行审核，提交，走审批流。报表中包含编号、日期、检查地点、CH4-晚班(8点)、CH4-早班(8点)、CH4-中班(16点)、CO2-晚班(8点)CO2-早班(8点)、CO2-中班(16点)、其他气体、备注等管理信息，按照通风队、通风科、通风副总、总工程师、矿长流程进行审批。

2.4 瓦斯分析决策驾驶仓

数字矿山瓦斯防治管理与分析决策系统从国家标准、行业标准、安全规程、神华集团考核要求及煤矿要求提取了多个指标，建立了一套指标体系。建立瓦斯分析决策模型库，并对指标设置预警等级。系统自动定期根据指标设置及实际业务数据监测指标是否正常，若指标异常将发出预警信息。预警信息将辅助领导及相关业务人员对瓦斯防治管理工作进行指导，瓦斯管理的的基础数据又会回到系统，系统再次对指标进行监测，实现闭环管理。使抽瓦斯管理的相关标处于正常范围，保障矿井的安全生产。

(1)抽采钻孔分析模型

抽采钻孔分析模型是根据吨煤钻孔量指标，按月进行决策分析，系统分析出每个回采面的吨煤钻孔指标是否正常，若正常为绿色显示，不正常为红色显示并推送预警信息。

吨煤钻孔量=当月回采工作面在籍钻孔量(m)/当月回采面剩余的储量(t)，在籍钻孔量是正在使用每个钻孔长度之和。抽采钻孔分析模型决策分析对31111综采面的分析结果如图2所示。

图2 抽采钻孔分析模型对31111综采面决策分析结果

柱子长度代表吨煤钻孔量(m/t)，当月吨煤钻孔量实际值与指标体系中的吨煤钻孔量标准值智能对比并返回相应的预警结果，柱子颜色根据预警结果显示相应的预警颜色(绿色、红色)，柱子的竖线代表指标体系的标准值，根据指标体系动态获取。

(2)抽采指标分析模型

抽采指标分析模型根据矿井瓦斯抽采率、矿井绝对瓦斯涌出量、回采面瓦斯抽采率，按月进行决策分析，系统分析出矿井及每个回采面的抽采指标是否正常，若正常为绿色显示，不正常为红色显示并推送预警信息，本章主要介绍回采面瓦斯抽采率模型。

回采面瓦斯抽采率(%)=当月回采面平均瓦斯抽采量(m3/min)/当月回采面平均绝对瓦斯涌出量(m3/min)；当月回采面平均绝对瓦斯涌出量(m3/min)=当月回采面平均瓦斯抽采量(m3/min)+当月回采面平均风排瓦斯量(m3/min)；当月回采面平均瓦斯抽采量(m3/min)= 当月回采面所有支管平均瓦斯抽采量(m3/min)之和；当月回采面平均风排瓦斯量(m3/min)= 所有回风巷道的风排瓦斯量(m3/min)之和；当月回采面的风排瓦斯量(m3/min)= (旬风量(m3/min)*旬瓦斯浓度(%))之和/3；抽采指标分析模型决策分析对31111综采面的分析结果如图3所示。

图3 抽采指标分析模型决策分析对31111综采面的分析结果

柱子长度代表回采面斯抽采率(%)，当月回采面瓦斯抽采率实际值与指标体系中的回采面瓦斯抽采率标准值智能比较并返回相应的预警结果，柱子颜色根据预警结果显示相应的预警颜色(绿色、红色)。柱子最大长度为100%，柱子的竖线代表根据当月回采面平均绝对瓦斯涌出量动态指标体系取相应的回采面抽采率的标准值；

(3)瓦斯利用分析模型

瓦斯利用分析模型根据瓦斯利用率指标、排入大气量指标按月进行决策分析，系统分析出矿井瓦斯利用率是否正常，如图4所示，若正常为绿色显示，不正常为红色显示并推送预警信息。

瓦斯利用率(%)=标况的瓦斯利用量(m3)/标况的瓦斯抽出量(m3)；排入大气量(m3)=标况的瓦斯抽出量(m3)-标况的瓦斯利用量(m3)；

柱子长度代表瓦斯利用率(%)，当月瓦斯利用率实际值与指标体系中的瓦斯利用率标准值比较并返回相应的预警结果，柱子颜色根据预警结果显示相应的预警颜色(绿色、红色)。

图4 瓦斯利用分析模型分析结果

3 系统应用效果

数字矿山生产执行系统中的数字矿山瓦斯防治管理与分析决策系统在神东公司2015年1月1日正式上线后效果明显。(1)用户覆盖范围更广，包括公司和各矿，达到了公司与矿井的瓦斯防治管理的横向协同、纵向贯通；(2)瓦斯防治全部报表为系统自动统计、分析和生成，避免了人为错误，提高了数据准确度；(3)建立一套瓦斯管理指标体系，设置参数满足煤矿、子(分)公司不同的管理要求。(4)将瓦斯防治管理人员和专家的管理思想固化到瓦斯分析决策模型库和瓦斯管理指标体系中，很好的为煤矿领导、瓦斯防治相关的管理人员提供决策数据支持，很好的为公司领导、各业务管理部门及相关管理人员提供决策数据支持。

[1] 孙继平.瓦斯综合防治方法研究[J].北京：工矿自动化，2011.02.

[2] 神华集团数字矿山规划项目组.神华集团数字矿山规划研究[M]. 北京： 煤炭工业出版社，2012.6.

[3] 于不凡.煤矿瓦斯灾害防治及利用技术手册[M].北京：煤炭工业出版社，2005.1.

[4] 袁亮.煤矿总工程师技术手册[M].北京：煤炭工业出版社，2012.5.

[5] 王泮飞.基于数据仓库的煤矿集团决策支持信息系统的设计与实现[D].天津大学，2012.

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(责任编辑 丁 聪)

The Research and Implementation of Gas Control Management and Analysis Decision System in Digital Mine

FENG Zhanke

(Shenhua Hollyinfo Technology Co. Ltd, Beijing 100011)

According to the actual situation of coal mines, to research and develop a more practical gas prevention and control management and decision analysis system has a great practical significance for reducing the coal mine gas accident. In this paper, four aspects are researched to elaborate build-up process of gas prevention and control management and decision analysis system for coal mine enterprise, including gas prevention and control of the database, gas management index system, gas prevention and control of management and gas analysis and decision cockpit.

Digital mine; gas control; gas analysis decision

冯占科，男，现为神华和利时信息技术有限公司研发部项目经理，2014年取得国家高级项目管理师职业资格证书。