煤矿监测监控系统中传感器的优化布置

宋泽宝

（山西高河能源有限公司， 山西 长治 047100）

引言

现如今，经济飞速发展，煤炭作为我国的重要可持续发展资源，安全生产一直都是需要时刻警惕的问题。据统计，由于瓦斯爆炸引起的施工隐患仍占比较大，他不仅破坏巷道，更重要的是影响着矿工的生命安全。因此安装安全的瓦斯监测监控系统极为必要[1]。对于井下监测监控主要是针对瓦斯的监测，监测结果主要决定于传感器的响应，若能根据煤矿的实际情况, 优化监测监控系统中传感器的数量及位置设计则能向井下安全生产的目标迈进一大步。

1 工程概况

本文以某煤矿应用研究工程项目，该煤矿上煤层地势较为复杂，具有较小的首采范围，其厚度范围在0.85～7.14 m 之间，平均煤层厚度2.53 m；中煤层的厚度范围在0.8～4.6 m 之间，平均煤层厚度3.11 m，该煤层厚度呈现一定的规律性，操作相对稳定，被作为集中开采区域。

去年该煤矿各工作面瓦斯检测数据如表1 所示，尽管该煤矿属于低瓦斯矿井，但其仍存在较大的安全隐患，主要包括：整个施工工作面处于少风或者停风的工作面，极易使得瓦斯含量超过其安全范围，引起安全事故；当在钻孔或者遭遇断层施工环境，瓦斯的超限溢出也是危险项。因此，该煤矿的瓦斯监测工作最为重要。

2 LSCP 模型的提出以及最优解法的选择

2.1 LSCP 模型的提出

煤矿下瓦斯监测效果与传感器的位置及数量息息相关，该传感器的位置可关联于通风位置的边界或者节点。其中，布置传感器的位置问题可总结为最优控制问题以及覆盖最优化问题[2-3]。

表1 煤矿各工作面的瓦斯涌出量

在监测过程中一些概念也值得明确，当瓦斯涌出在上游节点时，下游节点必须在最短时间内做出反应，被称之为监测有效级；在通风网络系统中，当风流从一个节点流通到下一个节点的最短路径，称之为最短风流路径；覆盖域则指明，该节点安置的传感器能够监测到该范围内所有瓦斯涌出的情况。

该模型在一定的监测有效级范围下，根据LSCP模型，某一个传感器可以监测一组需求点，不仅可减低传感器的成本，而且可以使预防灾害、抗击灾害起到最大化作用。

2.2 最优解法的选择

本文算法主要采用混合蚁群以及禁忌搜索算法组成的混合算法进行求解传感器的布设LSCP 模型。

蚁群算法主要依据蚂蚁在觅食过程中所选用的最优路径方案，该方法主要存在以下优点：对较复杂的问题优化时，可在短时间内得到最优的解决方案；某些单个体对于适应概率超过整体的平均概率；依据算法的特点，不断地进行完善和改进，效率较高。但该方法也存在一些缺点，比如耗时较长、局部过优。

禁忌搜索算法主要是基于标记已搜索过的对象，在之后的选择过程中规避标记对象而后更加扩大范围进行搜索，如此便能加大搜索范围，最终筛选出最优解。该算法可规避蚁群算法中所存在的局部过优较突出的问题，可针对不同的搜索途径进行有效搜索。缺点主要表现于：算法结果对初始解有着较强的依赖性，若初始解的结果为优，则整个求解速度就加快；反之，若初始解的结果为劣，则整个求解过程将变得缓慢。串行搜索，移动的为单一状体。

本论文涉及的传感器位置最优值可归结到组合优化问题，本文采纳蚁群算法的优势，同时规避其劣势，结合了列减少算法以及禁忌搜索算法组合为混合算法，以此得出最优解。通过对某一具体案例进行分析[4]，通过对比三种算法可得出，混合算法具有较好的稳定性；针对不同的参数组合，该方法具有一定的可行性及有效性。

3 工程应用

本论文以某煤矿为应用研究对象，依据所提出的LSCP 模型以及混合算法求的最优解，布设该煤矿监测监控系统中的瓦斯传感器位置。

甲烷为瓦斯的主要成分，该气体的相对分子质量低于空气，因此需在巷道的上方安置传感器。该安置方式不仅不影响整个施工进程的安全交通，同时可以便捷地进行安装。根据瓦斯传感器的安装规定，其必须为垂直方向安装，与顶板的距离应小于300 mm，与巷道侧面的距离则应小于200 mm。

瓦斯事故存在隐患最大的三个区域分别为工作面、回风巷和进风巷。为了确保采煤工作面瓦斯传感器的监测效果，该传感器设置位置应尽可能地靠近工作地面。其中，报警浓度选择为1.0%，断电浓度以及复电浓度分别选择为1.5%和1.0%。回风巷的传感器则应安置于稳定的风流以及新鲜空气与瓦斯等有害气体混合交换的位置，报警浓度选择为1.0%，断电浓度以及复电浓度分别选择为1.1%和1.0%。进风巷的传感器应布设于靠近地面的位置，其报警浓度选择为1.0%，断电浓度以及复电浓度分别选择为1%和0.5%。

其他工作地点需要安装瓦斯传感器的位置包括：机电桐室，回风流的该位置的新风侧，其报警浓度选择为0.5%，断电浓度以及复电浓度分别选择为0.6%和0.5%；装煤点以及运输巷道，采用电机车装煤以及运输的位置，该两处位置瓦斯报警浓度范围与机电桐室结果一致。

根据简化的通风网络图，共得出29 个传感器安置位置，除去矿井通风进口和出口的两个节点，得出10 个必选传感器安装位置，17 个备选位置。瓦斯安装节点的选择取决于监测有效级，当监测有效级为～600 s，则需在10 个必选位置安装传感器就可覆盖整个监测区域；当有效级为200～500 s 时，基于传感器安装最少为原则，在满足安装10 个必选监测位置上之外，额外加设2～4 个监测位置；当有效级为150 s时，则仍需额外增加7 个监测位置。

根据以上安装计算标准，此应用对象中，监测位置与监测有效级并未呈正比关系。在400～600 s 的有效级范围内，两者呈现正比关系；400～200 s 范围内，随着有效级的升高，并未需求额外的传感数量增加。当有效级为150 s 时，则需要额外增加7 的传感器位置，成本提升占比为50%。基于以上研究，该煤矿的有效级可降至为200 s，则能够使成本效益较好平衡。

4 结论

本文针对煤矿监测监控系统中的瓦斯传感器布设给出了研究思路，通过对监测位置提出LSCP 理论模型，在减低成本的基础上，提高了预防灾害和抗击灾害的能力；当确定出理论模型之后，结合蚁群算法、禁忌搜索算法以及列减少算法求出最优解。结合某煤矿的实际情况，在确定监测有效等级的范围下，结合安装传感器成本，当监测等级设定为200 s 时，监测效果以及成本达到双赢。