WTC-I瓦斯突出参数并发测量软件设计与应用

廖 成 乔 伟

（1.瓦斯灾害应急信息技术国家重点实验室；2.中煤科工集团重庆研究院有限公司）

煤与瓦斯突出是一种极其复杂的瓦斯动力现象，其突发性和破坏性极强，是严重威胁煤矿安全生产的自然灾害之一。发生突出事故时，采掘工作面周围煤岩体快速破碎，向巷道抛出或移动，并伴随有大量瓦斯涌出，会造成人员伤亡、井巷机电设备毁坏、矿井通风系统破坏，甚至引发瓦斯爆炸、瓦斯燃烧等二次事故［1］。WTC-I 瓦斯突出数据采集仪是一种便携式矿用本质安全型仪器，主要用于测定钻屑瓦斯解吸指标K1值，仪器具有体积小、质量轻、操作简单、性能可靠、防潮防尘等优点，是煤矿防止瓦斯灾害不可缺少的一种先进装备。

现有版本WTC-I 瓦斯突出参数测定软件只支持1 台数据采集仪连接1 台WTC-I 主机，存在测试效率不够高、集成和融合程度低、可视化效果差、与煤矿现场防突参数测定业务流程结合不紧密等局限性，还不能完全满足新形势下煤矿防突信息化管理的需求［2］。当前《防治煤与瓦斯突出细则》规定采用钻屑指标法预测煤巷掘进工作面突出危险性时，测定每钻进2 m 至少测定1 次瓦斯解吸指标K1或者△h2值。同时测定中需要接煤样、筛选等各种工序，如采取多套同步进行则测定工作步骤复杂，并且造成数据分散于各个参数测定仪，需要升井之后人工合并。因此，本文基于Android 平台研发了WTC-I 瓦斯突出参数测定并发测量软件，支持1台数据采集仪连接多台WTC-I 主机，并且测量钻孔结束时能够给自动存储、能远程传输到地面的防突信息系统服务器，有效提高瓦斯突出参数测定效率和数据管理水平［3］。

1 关键技术

煤与瓦斯突出参数测量软件包括WTC-I 瓦斯突出数据采集仪（以下简称WTC-I 主机）、YHC11 矿用本安型数据采集仪预装Android 系统（以下简称数据采集仪）和防突信息管理系统三部分组成。数据采集仪通过蓝牙模块与WTC-I 主机进行无线交互，其关键是对多台WTC-I 主机的连接管理、与并发数据交互、整合管理，以及测量软件的交互设计，数据存储，界面展示等软件系统。

1.1 WTC-I与数据采集仪的连接与通讯

数据采集仪通过蓝牙模块与WTC-I 主机进行无线交互，一个完整的数据测量过程需要建立连接、数据交互、整合管理。各个模块的详细说明如下：

（1）建立连接。矿用智能手机需要能够扫描到WTC-I主机；需要1个模块来负责连接不同的WTC-I主机，通过整合模块管理对应编号WTC-I主机。

（2）数据交互。交互过程用WTC-I 主机密码验证、数据同步、掉线重连等业务进行管理。

（3）整合管理。矿用智能手机与WTC-I 主机通过相应的蓝牙模块发送数据包，需要一个唯一的ID来确认这个数据包所属WTC-I 主机。当矿用手机接收到WTC-I 主机发送的数据包时，需要对数据包进行缓存、拼包、过滤得到1个有效包。

1.2 数据采集仪测量终端实现技术

数据采集仪预装的Android 8.0以上系统，所以上文的通讯框架使用Android 系统下低功耗蓝牙模块（BLE）的基础上以数据采集仪作为主机，以WTC-I主机作为从机的方式实现。Android 的BLE API 主要分为Bluetooth Adapter 对蓝牙进行基本操作，例如开启蓝牙扫描。Bluetooth Device代表一个远程蓝牙设备，Bluetooth GATT 用来读取和写入特征值。WTC-I 终端与android 主机的连接流程如下：

WTC-I 主机进行并发测量时需同时对多个终端建立数据连接、数据交互，也需要对多个通讯流程进行维护［4］。所以对蓝牙通讯过程进行面向对象的业务提取、分析。数据连接阶段提取为扫描器、连接器、BLE蓝牙设备管理等对象。数据交互阶段提取为接收数据拼包、数据包、数据分发器等对象，其中最重要为BLE 蓝牙设备管理（BLE Logic Device）对象，APP每连接1个设备，就开辟1个对象，且每个对象分配1 个唯一ID，通过这个ID 就可以管理对应蓝牙设备，如图1所示。

基于Android 界面设计，主要使用了Android 的View组件和View对象来实现并发管理和连接不同的显示层面。设计的目的是提高测量终端的使用效率和用户体验，让用户可以在一个界面上查看和控制多个终端的状态，其优势是可以根据用户的需求，灵活地切换和调整不同终端的显示方式和操作方式，同时保证了界面的简洁和美观［5］。测量界面如图2所示。

2 构架设计

防治煤与瓦斯突出参数测定管理流程分为井下数据采集和地面管理分析。通常一个矿井配置有多台数据采集仪进行同时测量或轮换测量，测量完毕后可上传数据到地面防突参数地面管理系统，才能够对全矿井参数进行分类存储与统计分析，以了解整个矿井的突出参数测定结果。整体架构效果如图3所示。

防突参数地面管理系统是整个系统的运行结果展示分析平台，管理整个矿井的采煤、掘进面、掘进工作量、防突工作量。防突钻孔示意图等信息主要供通风防突技术主管、通风副总及总工程师等领导使用，这类用户要求体验良好、操作简单方便、不安装或少安装程序、浏览器兼容性要求较高（支持主流的IE、Firefox、Google Chrome 等浏览器）［6］。同时设计防突参数同步信息获取与上传服务，数据采集仪可以同步相应的工作面信息，并且在测量完成后上传采集的测量结果［7］。

3 软件实现与操作

防突细则规定，采用钻屑指标法预测煤巷掘进工作面突出危险性时，预测钻孔从2 m 深度开始，每钻进1 m测定该段的全部钻屑量Smax，每钻进2 m至少测定1 次钻屑瓦斯解吸指标K1或者△h2值［4］。假设1个钻孔转进10 m，1台WTC 主机取样需要30秒，完成1 次测定需要5.5 min 左右。目前防突参数测定方式为1 台数据采集仪配对1 台WTC-I 主机，防突钻机钻进效率约为1 m/min。为了实现防突细则规定，2 m进行1 次钻屑法测定，而1 台WTC-I 主机测定需要接粉、称重、测量3个步骤总计达6 min。

目前井下测量时需要停止打钻等待WTC-I 主机测定完成，或使用另一套数据采集仪进行测定，前者容易造成突出预测测定数据误差大，无法准确及时测量数据，后者同一钻孔数据不同深度测量结果存在于多台测量仪，造成数据零散杂乱，需人为手工合并录入于防突信息系统，均无法高效准确地进行测量与统计分析。

在采掘工作面进行突出参数测定时，携带1台数据采集仪与多台（以下默认使用3 台）WTC-I 主机进行测定。流程如下：

（1）使用数据采集仪分别用蓝模块牙扫描并连接1#，2#，3#WTC-I 主机，选择当前进行测定的工作面和钻孔编号之后，选中1#主机点击开始接粉，30 s 之后点击开始测量，测量300 s之后该钻孔测量完毕，然后选择2#设备进行测量，当2#主机开始测量时拿起3#主机开始测量6 m深度钻屑。

（2）当钻孔到8 m 深度时1#WTC-I 主机已经测定完成，并继续对8 m 深度进行取样测定。依次类推使用1台参数测定仪并搭配多台WTC-I测量主机，能够跟随钻机进行及时、便捷的测量工作。当测定完成之后即可对该钻孔进行突出风险预测，并且能够简便地将存储结果上传到防突信息系统进行存储、分析，减少了人为合并、录入的工作［8-9］。

4 现场应用

海石湾煤矿作为国内少见的煤与二氧化碳突出矿井已进入深部开采，主采煤层煤二层厚度0～60.6 m，平均厚度26.8 m，属特厚煤层，其含煤地层比较复杂，存在煤层气和油气共生的特殊现象，且瓦斯含量高、透气性差，导致该矿瓦斯治理的任务重、效果差，严重影响“保、抽、掘、采”平衡和采掘接替，限制了矿井特厚煤层的资源优势和综采放顶煤开采优势，严重制约矿井的生产效率。海石湾煤矿原使用WTC-I数据参数采集仪进行瓦斯突出参数测定，存在3点问题：①测定效率低，单台设备无法匹配钻机的正常打钻速度；②操作复杂，进行快速测定时需多名防突工人同时对1个钻孔进行测定；③测定数据分散存在于多部数据采集仪中，难以管理，且存在录入失误的可能性。

WTC-I 突出参数并发测量软件在海石湾煤矿应用以后，数据采集仪通过并发测量软件可同步钻机正常钻进速度进行测定，避免了多台参数采集仪重复设置测定参数等操作，提高井下防突参数测定的效率。当钻孔转进速度为1 m/min 时，使用原数据采集仪测定时，分别在2，4，8，10，12 m 深度时进行取样测定，共计32 min。采用并发测量数据采集时，进行同样的步骤取样完成测定时间为16 min，节省时间约50%；测定完成了后通过井下网络直接上传测定结果，可有效减少地面数据整理录入时间，又有效避免了人为因素对数据准确性的影响。此外，防突信息管理系统可以对瓦斯突出数据进行综合管理与时间、工作面等不同维度进行分析，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4 所示，测定时间对比效果如图5 所示。

5 结 语

针对目前WTC-I 主机与Android 数据采集仪一对一的测量效率低，无法同步钻机节奏，而多套设备测量同一钻孔又会导致测量数据分散，测量结果难以管理等问题，构建开发了多对一的并发测量通讯协议与统一采集计算上传软件，提高了防突钻孔测定效率、及时性和准确率，减少了矿井防突工作人力成本，有效地提升了防突工作效率，为矿井防突工作提供了有力支撑。