煤与瓦斯突出防治信息化管理系统构建

蒲 阳，宁小亮

(1.瓦斯灾害监控与应急技术国家重点实验室，重庆 400037； 2.中煤科工集团重庆研究院有限公司，重庆 400037)

煤与瓦斯突出(以下简称“突出”)是一种典型的煤岩动力灾害，其一旦发生则会造成严重的人员伤亡与财产损失。我国在长期的煤与瓦斯突出防治(以下简称“防突”)实践中，探索出了两个“四位一体”综合防突技术体系，对于突出防治工作意义重大，其作为一项实用型技术，在“互联网+”浪潮中，应积极探索构建“互联网+两个‘四位一体’”防突技术体系，充分利用互联网优势重塑、优化两个“四位一体”实现手段，进而在防突技术上取得新的突破。要实现这一目标，目前存在的主要问题在于防突信息化水平严重不足，重要防突参数仍然采用人工填报方式管理，不仅制约防突效率的提升，而且给数据深度分析带来极大不便[1-4]。另外，在2019年颁布实施的《防治煤与瓦斯突出细则》中，也提出了“鼓励突出矿井建立防突信息系统，实施防突信息化管理”[5]，这也说明了防突信息化建设是大势所趋。

笔者以阳煤五矿为试验矿井，通过构建矿井防突信息化管理系统，以信息化技术全面升级防突数据采集与传输、数据分析及数据存储等关键技术，进而提升防突效率、效果，这也是阳煤五矿积极响应“两化”深度融合、“互联网+”战略、智能化矿井建设的重要举措[6-11]。

1 防突信息化管理系统构建

阳煤五矿防突信息化管理系统由硬件支撑体系、数据自动传输技术及防突信息化管理软件3部分构成。硬件支撑体系借助自动化、信息化设备，为防突信息采集、传输及分析提供硬件平台；数据自动传输技术通过构建多网融合下的防突信息自动传输、共享机制，实现防突信息跨网络快速、稳定、安全传输及移动审批；防突信息化管理软件采用电脑、手机客户端联合运行方式，为用户提供专业、便捷的防突信息分析、查询与审批工具。

1.1 硬件支撑体系搭建

硬件设备是防突信息化的基础，通过多种设备联动运行，搭建硬件支撑体系，主要支撑数据采集、传输、存储、分析等功能的实现。按照应用场所不同，硬件设备可分为井下设备、地面设备。

1.1.1 井下设备

1)WTC-1型突出参数测定仪。该设备是阳煤五矿原有瓦斯突出参数测定仪的升级版，工作原理与原设备相同，但在数据管理的信息化、数据上传的自动化及设备的便携性方面优势明显。使用该设备可以便捷地将井下测定的突出参数自动上传至地面服务器，从而避免人工填报模式的种种弊端。

2)井下无线通讯基站。矿用无线通讯基站通过将有线信号转换为无线信号，实现井下无线信号覆盖，为瓦斯参数自动上传提供便利。该设备采用矿用隔爆兼本安型直流电源供电，即使井下交流电停电，也可以保证基站连续工作时间不少于2 h。

1.1.2 地面设备

1)服务器。服务器是具有高速运算能力、长时间可靠运行能力及高负载能力的计算机，在防突信息化管理系统中既是数据存储与分析中心，同时也是多网数据融合中枢，是硬件设备的核心。

2)电脑客户端。电脑客户端是数据采集终端，也是信息发布终端，同时还是系统运行维护的主要设备。在电脑客户端运行的防突信息化管理软件，是数据维护、信息发布与查询，以及系统运行情况监测的主要工具。

3)手机客户端。利用手机客户端可在安卓智能手机上运行防突信息化管理软件，其主要支撑实现防突信息的移动审批、移动查询。

4)短信发布平台。其作用是将工作面防突信息以短信形式发送给相关人员，这是为保障防突信息及时、可靠发布而设计的一套冗余设备，防止由于网络故障等原因造成关键信息无法及时发布。

1.2 数据自动传输技术构建

防突信息从井下采集到地面防突信息服务器，再到云服务器，过程涉及井下工业环网、地面办公网及广域网之间的跨网络数据传输，数据传输网络结构如图1所示。

图1 数据传输网络结构示意图

1.2.1 局域网数据传输

局域网数据传输的目的是将各类防突信息上传至服务器集中管理，主要有两种方式：一种是跨网络传输，对于WTC-1型突出参数测定仪采集的日常预测及钻孔数据，由测定仪主机经井下工业环网无线基站上传至地面办公网络防突信息服务器，为保证网络安全，两局域网之间采用硬件防火墙隔离，数据单向传输；另一种是办公网内部传输，即由电脑客户端在局域网内将防突措施钻孔竣工参数、区域预测及其他观测信息等直接上传至防突信息服务器。

1.2.2 云同步服务构建

要实现防突信息局域网外的移动管理，需通过云同步服务将数据接入广域网，也就是将数据传输至移动客户端可以实时访问的云服务器。为实现防突信息云同步，首先对阳煤五矿本地数据库进行重新设计，以满足云同步机制的要求，主要包括：①建立同步标识字段，并以标识字段为参照实现本地数据库与云数据库数据同步更新；②选择同步内容，如指标信息、钻孔信息、班次信息、部分图件信息等，对不符合要求的数据结构进行重新设计；③建立数据同步容错机制，解决同步过程中可能出现的网络适配、同步中断、数据量过大等问题。然后以数据表为对象，建立相关的检索标识、内容判断机制、同步频率、同步类型，以及其他同步依据形成同步机制，实现防突信息服务器与云服务器数据双向同步。

1.3 防突信息化管理软件开发

防突信息化管理软件分为电脑客户端、手机客户端软件，两者共享数据信息，功能设置各有侧重：电脑客户端软件侧重数据分析、系统维护；手机客户端软件侧重防突信息查看、移动审批。

1.3.1 电脑客户端软件

电脑客户端软件通过各项专业的分析管理功能，实现对防突信息管理的信息化、规范化、集约化，主要功能可分为3部分：防突数据信息化管理、防突数据分析及可视化、系统管理[12-16]。

1)防突数据信息化管理。按照两个“四位一体”防突技术体系的标准，采用专用电子表格，对各工作面区域及局部预测指标、钻孔参数等数据按时序、分循环进行管理，可以便捷查询任意工作面、任意时间区间内的突出预测(效检)或防突措施数据。针对阳煤五矿执行频次较高的工作面日常预测工作，首先根据矿井原有纸质预测表单样式创建电子表单，并以井上下硬件设备为支撑，通过软件专业功能实现日常预测表单的自动填报及数据云同步，为手机移动审批奠定基础。

2)防突数据分析及可视化。统计分析实测防突数据，掌握其时空变化规律，对于预测未知区域突出危险性大小意义重大。数据统计分析功能的实现主要通过专业工具，对防突数据的时空变化规律、循环变化规律、数据变化趋势及防突措施执行效果等进行多角度全面分析，并以防突大样图、步进图、曲线图、柱状图等形式实现数据可视化。其中大样图以工作面防突时空关系为主线，全面反映预测(效检)钻孔情况、预测(效检)指标值，以及措施钻孔施工情况、施工时间、巷道循环进度等信息；步进图主要反映工作面日常预测(效检)指标值与工作面推进度关系，图形能够直观显示工作面预测(效检)指标值、工艺类型、工作面循环进度、累计进度，以及是否存在指标超限、超采超掘等异常状况等信息；曲线图主要反映预测(效检)指标值随采掘进度或时间的变化规律；柱状图通过统计各工作面选定时间内预测(效检)指标值区间分布情况，从总体上反映工作面突出危险性大小。各类统计图件分别从不同角度，系统反映两个“四位一体”执行情况，以及工作面突出危险性大小，具有较高的实用价值。

防突数据分析的另一个重要内容是防突措施钻孔施工效果分析，即根据钻孔竣工参数来分析钻孔空间分布，判识是否存在空白带或是控制范围不足等防突措施缺陷[17-20]，从而超前捕捉工作面潜在的突出隐患信息。

3)系统管理。由于防突信息化管理系统运行涉及跨网络、多台设备联合运行，且防突管理本身就是一项精细化工作，因此必须建立严格的运行管理机制，才能确保系统正常运行。在系统运行方面，严格规范操作者权限、网络配置、硬件配置、数据上传设置、工作面关联等关键控制点信息，保证系统按流程正常稳定运行。在业务流程方面，基于两个“四位一体”综合防突技术体系，按照“突出危险性预测→若超标，执行消突措施→措施效果检验→未达标，继续执行消突措施，直至消除危险”的管理流程，对防突信息审批实行闭环管理，只有当各级审批人员全部审批通过以后才能生效，否则，返回重走审批流程。

1.3.2 手机客户端软件

为实现防突信息移动审批、移动查询，基于Android系统开发了防突信息化手机客户端软件，可以通过手机实时查看突出参数及其变化规律、防突措施执行情况、瓦斯异常等信息，这不仅是对突出参数查阅途径的扩展，更是对防突智能化管理的技术革新。手机客户端软件主要功能包括防突信息审批、防突信息查询。

1)防突信息审批。在手机端本地存储支持下，通过无线局域网或移动互联网，对已经执行区域验证、局部预测或局部效检的工作面，根据不同职位审批级别，进行是否允许施工、允许进尺、允许实施措施的审批；对于已经本人审批，但下一审批人在给定时间内未进行及时审批的信息，可以发送短信进行催促提示。在非联机状态，也可执行审批，即将审批结果保存于本地数据库，手机端软件在网络连通时，将自动执行上传操作。在审批过程中，可以通过手机查询工作面施工信息、工作面循环信息、工作面预测指标详情、工作面钻孔施工信息、提请审批的基本情况或审批意见等信息。

2)防突信息查询。手机客户端软件提供了防突信息图形、图表查询，其中，图形查询主要类型有钻孔施工图、预测指标变化曲线、指标值分布直方图等；图表查询主要类型有最新突出预测报表、历史预测统计表、防突信息审批情况列表等。

2 现场应用情况

阳煤五矿防突数据信息原采用人工填报纸质表单方式进行审批与管理，这种方式主要存在以下不足：①突出预测时效性差，表单填报、审批耗时过长，管理人员无法第一时间获知工作面突出危险信息，从而导致错失最佳防突消突时机；②突出预测准确性易受人为因素影响，无法避免数据篡改或是录入失误；③缺乏有效的防突措施执行效果分析工具，无法判识是否存在防突措施空白带，可能给工作面留下潜在的突出隐患；④防突数据信息多以纸质表单零散保存，数据统计分析不便，难以系统、准确地把握工作面突出危险性大小及变化趋势。

防突信息化管理系统在阳煤五矿应用以后，在采掘工作面利用WTC-1型突出参数测定仪采集的突出参数，可以在井下直接上传至地面防突信息服务器，并通过云同步实现预测报表移动审批，既大幅压缩了突出预测表单填报、送审等中间环节耗时(平均减少约70%)，又有效避免了人为因素对数据准确性的影响；此外，通过系统提供的专业数据分析及管理工具，可以对防突信息的时空变化规律及防突措施执行效果等进行全面、综合分析，并对各类数据按时序、分层级进行管理，能够有效指导矿井防突工作，并为相邻工作面防突工作提供参考。系统运行效果如图2和图3所示。

图3 防突措施执行效果分析界面

3 结语

针对目前防突信息化不足导致的诸多问题，在阳煤五矿构建了集硬件支撑体系、数据传输与云同步机制、软件平台于一体的防突信息化管理系统，实现了对防突数据从获取、传输到分析，再到结果发布、归档存储的全过程、全方位的集约化管控。该系统在阳煤五矿应用以来，一方面以自动化、信息化手段，实现了防突数据的自动采集上传、移动审批，大大提升了防突工作效率；另一方面，采用专业化的数据分析工具，实现了多元防突数据的有效融合、联合判识，突出预测更加精准、及时，为矿井防突决策提供了有力支撑。