礦井瓦斯動態(tài)智能預警技術研究及應用

胡少銀，汪正俊，華月存

（1．淮南礦業(yè)集團，安徽 淮南232082；2．淮南潤成科技股份有限公司，安徽 淮南232008）

煤礦瓦斯是井下有毒有害氣體的總稱。這種有毒有害氣體主要以甲烷為主。所以狹義的瓦斯往往泛指甲烷。當空氣中瓦斯?jié)舛群芨邥r，空氣中的氧含量會相對降低，導致人員窒息；另外當空氣中的瓦斯含量達到一定值時遇火就會燃燒或爆炸，瓦斯爆炸時能產(chǎn)生1 850℃以上的高溫和高壓的強大沖擊波，從而造成人員傷亡和設備、設施的損壞，如果爆炸源附近的沉積煤塵被揚起，還將導致煤塵爆炸；瓦斯爆炸將產(chǎn)生大量的有毒有害氣體，氧氣含量減少，一氧化碳、二氧化碳等有害氣體顯著增加，會造成大量人員中毒傷亡，嚴重影響和威脅礦井生產(chǎn)安全，一旦形成災害事故，會給國家財產(chǎn)和職工生命造成巨大損失[1-2]。

礦井生成作業(yè)過程中煤炭瓦斯涌出量大，影響涌出的因素眾多[3-5]，與瓦斯賦存條件及運移動規(guī)律有關[6]，如煤層埋藏深度、圍巖性質(zhì)、煤巖傾角、煤巖滲透性等都會影響到工作面的瓦斯涌出量。單一絕對值瓦斯涌出數(shù)據(jù)及常用的瓦斯涌出量計算[7-8]具有特殊性，日平均值考慮了大量的非作業(yè)時間段及調(diào)校期間數(shù)據(jù)[9-10]，對瓦斯涌出的預測實時參考意義不大。針對此類情況，采用瓦斯動態(tài)高峰均值智能預警技術，采樣數(shù)據(jù)符合瓦斯變化實際、采樣數(shù)據(jù)有效、真實、可靠，對瓦斯變化趨勢的預判及預警，相比其他瓦斯計算、瓦斯預警技術[11]更科學性、更智能化。

1 動態(tài)高峰均值算法簡介

根據(jù)KJ91X 煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)實時采集的數(shù)據(jù)進行二次分析，分測點（激光甲烷、低濃瓦斯、高低濃甲烷等多種類型傳感器）生成隨時間變化的動態(tài)高峰均值，即每天至動態(tài)時刻的時間段內(nèi)，計算出的動態(tài)高峰均值。隨后將各測點實時動態(tài)峰值與前7 d 動態(tài)高峰均值相比較，當即時（當日）動態(tài)高峰均值與前7 d 動態(tài)高峰均值增幅趨勢超過相應的設置倍數(shù)時，觸發(fā)相應等級的預警信息（目前分為三級遞增式報警）。預警倍數(shù)與預警等級關系可根據(jù)礦井實際自由設定。

1.1 基本原理

每一時間段內(nèi)，監(jiān)控系統(tǒng)中某一監(jiān)測點的瓦斯監(jiān)測值隨時變化，每隔1 個時間間隔（周期可由用戶設置）產(chǎn)生1 個數(shù)值，隨時間推進離散分布，其所有監(jiān)測值連接形成的幾何曲線一般會形成1 個或多個波峰和波谷，只有處于生產(chǎn)作業(yè)時間段內(nèi)的峰值波段數(shù)據(jù)及持續(xù)時間對考察瓦斯動態(tài)變化趨勢具有參考意義；為此，取處于波峰期內(nèi)的較大數(shù)值及持續(xù)時間進行分析，數(shù)值從大到小累計持續(xù)時間，當累計時間達“設定時間周期”（默認1 h），對所取的所有數(shù)值及其持續(xù)時間按大數(shù)據(jù)積分法計算設定時間周期內(nèi)的監(jiān)測值平均值，該監(jiān)測值平均值會隨時間變化而發(fā)生同步變化，稱之為“動態(tài)高峰均值”。

1.2 計算方法

按設定起始時刻起，對采集到的每一次數(shù)據(jù)進行分析處理，形成測點動態(tài)峰值“設定時間周期”（默認1 h）數(shù)據(jù)集合?？深A設定有效數(shù)值起點（默認為大于0.1 %），對接收到的每一個數(shù)據(jù)，當大于有效數(shù)值且不屬于調(diào)試數(shù)值時，記錄該值大小及時刻，當接收到下1 個數(shù)值時，記錄該值大小及時刻并計算出前1 個數(shù)值的保持時間，如此循環(huán)，同時累加保持時間。當保持時間達到“設定時間周期”（默認1 h）時，形成測點動態(tài)峰值平均值動態(tài)全集合數(shù)據(jù)集。計算平均值對數(shù)據(jù)集合按數(shù)值大小排序，以后每接收1 個數(shù)據(jù)，將和1 h 動態(tài)數(shù)據(jù)集合中的最小值比較，當小于等于最小值時，繼續(xù)采集下1 條數(shù)據(jù)，當大于數(shù)據(jù)集集合中最小值時，將該條采集數(shù)據(jù)及保持時間插入1 h 數(shù)據(jù)集集合，同時將最小值移出數(shù)據(jù)集。形成最新1 h 峰值數(shù)據(jù)集合，計算平均值，如此循環(huán)至當日結束。

1）動態(tài)高峰均值。

式中：X 為瓦斯峰值趨勢比率，%；V 為瓦斯?jié)舛葯z測值，%；T 為瓦斯?jié)舛戎党掷m(xù)的時間，s；m 為參與計算的指標數(shù)目。

2）日高峰均值。每天的動態(tài)峰值平均值至當天結束，生成當天峰值平均值進行存儲。設定以天為單位存儲。

3）周高峰均值。前7 d 的峰值求平均，設定為前7 d 峰值平均值進行存儲，設定以周為單位存儲。

2 瓦斯動態(tài)智能預警系統(tǒng)主要功能

2.1 動態(tài)高峰均值預警方法

當前選擇的瓦斯測點動態(tài)高峰均值與周高峰均值數(shù)據(jù)進行相比，增幅趨勢達到預定條件時,系統(tǒng)自動文字、語音預警播報。設定預警下限值V0，當前動態(tài)高峰均值為Vn，周動態(tài)高峰均值為Pn；如果Vn≥V0且（Vn/Pn）≥設定的預警等級系數(shù)時，發(fā)出相應等級的預警信息。瓦斯高峰均值控制流程圖如圖1。

圖1 瓦斯高峰均值控制流程圖

2.2 預警測點和預警發(fā)生條件及其他參數(shù)設置

1）預警測點的選擇。按照礦井在用環(huán)境激光、低濃、高低濃等各類瓦斯傳感器作為預警測點，進行相應分析。井下激光類瓦探頭調(diào)校期間，安裝位置前自動增加“調(diào)校”文字顯示（無需手動添加）及時了解測點當前運行狀態(tài)、是否處于調(diào)校狀態(tài)。

2）預警發(fā)生條件設定。瓦斯預警發(fā)生條件設定界面如圖2。具體為：①V0值根據(jù)礦井實際設定，一般可設定V0＝0．15 %；②預警等級系數(shù)：1．5 為三級預警，2．0 為二級預警，2．5 為一級預警，可根據(jù)具體實際自由調(diào)整；③動態(tài)高峰均值Vn≥V0且（動態(tài)高峰均值／周高峰均值）≥1．5 時，三級預警；④動態(tài)高峰均值Vn≥V0且（動態(tài)高峰均值/周高峰均值）≥2．0 時，二級預警；⑤動態(tài)高峰均值Vn≥V0且（動態(tài)高峰均值/周高峰均值）≥2．5 時，一級預警；⑥設置三級報警濃度值及顯示顏色（圖2）；⑦按照用戶需求，當瓦斯測點發(fā)生報警時，是否在主界面“峰值均值”后面顯示出報警級別，是否在未滿1 h 采集數(shù)據(jù)時，按照實際時間進行（圖2）。

圖2 瓦斯預警發(fā)生條件設定界面

3）其他參數(shù)設置。設置預警顯示持續(xù)時間，報警顏色，智能語音報警聲音等。

2.3 預警功能

1）接收監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)。瓦斯動態(tài)高峰均值智能預警系統(tǒng)通過分布式安裝，安裝在任何一臺終端上；遠程通過網(wǎng)絡socket 端口對接KJ91X 安全監(jiān)控系統(tǒng)瓦斯采集數(shù)據(jù)，依據(jù)特定通信協(xié)議格式生成指定數(shù)據(jù)（詳細信息包含瓦斯測點點號、安裝位置、設備類型、報警濃度、斷電值等）；這種安裝方式極大降低耦合度，當需要增刪瓦斯動態(tài)智能預警系統(tǒng)某一功能，不會影響其它功能模塊的運行。

2）處理數(shù)據(jù)。對接收的數(shù)據(jù)利用動態(tài)高峰均值算法分析處理，與周峰值均值進行比較，如達到預警條件，按照預警設置的方案發(fā)出預警信息。

3）顯示高峰均值、測點信息等數(shù)據(jù)。所有定義的預警測點都顯示，以報警顏色區(qū)分，未報警時，顯示時動態(tài)高峰均值，有報警時不僅在頁面上顯示（測點動態(tài)高峰均值后面加上報警級別信息，表明該測點處于何種報警狀態(tài)），另外彈出報警窗體，發(fā)出報警聲音,該預警軟件主界面，其可劃分為3 大顯示區(qū)域：①主顯示區(qū)：顯示瓦斯測點名稱、安裝位置、動態(tài)峰值等相關實時信息；②運行狀態(tài)顯示區(qū)：顯示系統(tǒng)所有瓦斯設備的運行記錄及報警記錄等信息；③參數(shù)設置區(qū)：用來對系統(tǒng)運行的配置信息進行設置的各類菜單項。

4）查詢報警記錄信息。可按照測點、時間等信息查詢出測點發(fā)生的報警信息以及發(fā)生時間；將發(fā)生的各級報警信息全部記錄下來以便于觀察分析。

5）查詢每日采集數(shù)據(jù)功能?？砂凑諟y點、時間等信息查詢出每天采集的瓦斯匯總數(shù)據(jù)：其中信息包含采集的數(shù)值大小、開始時間、結束時間以及累計時間等信息，可以完整顯示出某一測點當天時間內(nèi)數(shù)值變化狀態(tài)及該狀態(tài)持續(xù)時間，對瓦斯測點歷史曲線、密采曲線、瓦斯涌出量計算具有重大參考價值；另外查詢的數(shù)據(jù)可以按照采集值大小、采集時間等排序觀察。

6）查詢周瓦斯動態(tài)曲線圖?？砂凑諟y點、時間等信息查詢出7 d 存儲的日高峰均值數(shù)據(jù)；同時可以曲線、柱狀圖等方式顯示歷史出周動態(tài)高峰均值數(shù)據(jù)。使用圖形放大、縮小、框選等功能輔助顯示；可以清楚了解某天是否發(fā)生了瓦斯高峰均值預警，結合監(jiān)控系統(tǒng)運行記錄等信息，可以快速查找出預警發(fā)生原因等信息。

7）查詢周瓦斯動態(tài)報表。顯示出各瓦斯測點7 d 內(nèi)峰值均值及分級報警信息，其中信息包括：前7 d 數(shù)據(jù)的詳細日高峰均值及前1 d 高峰均值及其最大值報警及其時刻等信息。

8）可將查詢的各類曲線及報表導出EXCELL 并打印。

9）利用SQL 語句編寫的自定義存儲過程寫入到SQL Server 2008 數(shù)據(jù)庫中，更有利于保證數(shù)據(jù)的安全性和完整性。

10）通過平臺軟件，可以將瓦斯峰值均值數(shù)據(jù)上傳至礦務局綜合平臺，便于第一時間了解各瓦斯測點變化趨勢。

3 瓦斯動態(tài)智能預警系統(tǒng)的特點

1）瓦斯動態(tài)智能預警系統(tǒng)與監(jiān)控系統(tǒng)是相對獨立的，不影響監(jiān)控系統(tǒng)的正常運行。

2）瓦斯動態(tài)預警軟件打印的曲線、報表等信息，可以與監(jiān)控無縫連接，結合監(jiān)控系統(tǒng)的瓦斯抽采報表、運行日志等，可以清晰了解到某一工作面瓦斯采集值波動情況。

3）對瓦斯變化趨勢的預判及預警。利用7 d 的瓦斯數(shù)據(jù)進行深入分析。相比傳統(tǒng)瓦斯預測方式，例如當前值預警方式（當前瓦斯數(shù)據(jù)與前1 個巡檢周期的瓦斯數(shù)據(jù)相比，增幅達到預定條件時，自動預警）更科學性、更智能化。

4）可以與風量、CO 等設備類型進行搭配，便于擴展瓦斯涌出量、瓦斯斜率預警等計算功能。

5）具有分級報警彈窗顯示。可設置三級報警模式，根據(jù)輕重緩急相應加重報警級別，便于用戶區(qū)別觀察處理。

4 結 語

目前礦井瓦斯動態(tài)智能預警在淮南顧橋礦、丁集礦、謝橋礦等各礦已安裝使用，通過對KJ91X 安全監(jiān)控系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)進行二次運算分析，計算出瓦斯測點的實時動態(tài)高峰均值數(shù)據(jù)，并實時顯示、存儲，通過對已存儲瓦斯測點的時、日、周高峰均值智能分析后發(fā)出的瓦斯變化分級預警信息，與現(xiàn)場實際環(huán)境變化高度吻合，預警系統(tǒng)的開發(fā)使用，對研判瓦斯變化趨勢，做好防范瓦斯異常升級，促進礦井安全生產(chǎn)具有重要意義。