煤礦監測監控系統中傳感器的優化布置

宋澤寶

（山西高河能源有限公司， 山西 長治 047100）

引言

現如今，經濟飛速發展，煤炭作為我國的重要可持續發展資源，安全生產一直都是需要時刻警惕的問題。據統計，由于瓦斯爆炸引起的施工隱患仍占比較大，他不僅破壞巷道，更重要的是影響著礦工的生命安全。因此安裝安全的瓦斯監測監控系統極為必要[1]。對于井下監測監控主要是針對瓦斯的監測，監測結果主要決定于傳感器的響應，若能根據煤礦的實際情況, 優化監測監控系統中傳感器的數量及位置設計則能向井下安全生產的目標邁進一大步。

1 工程概況

本文以某煤礦應用研究工程項目，該煤礦上煤層地勢較為復雜，具有較小的首采范圍，其厚度范圍在0.85～7.14 m 之間，平均煤層厚度2.53 m；中煤層的厚度范圍在0.8～4.6 m 之間，平均煤層厚度3.11 m，該煤層厚度呈現一定的規律性，操作相對穩定，被作為集中開采區域。

去年該煤礦各工作面瓦斯檢測數據如表1 所示，盡管該煤礦屬于低瓦斯礦井，但其仍存在較大的安全隱患，主要包括：整個施工工作面處于少風或者停風的工作面，極易使得瓦斯含量超過其安全范圍，引起安全事故；當在鉆孔或者遭遇斷層施工環境，瓦斯的超限溢出也是危險項。因此，該煤礦的瓦斯監測工作最為重要。

2 LSCP 模型的提出以及最優解法的選擇

2.1 LSCP 模型的提出

煤礦下瓦斯監測效果與傳感器的位置及數量息息相關，該傳感器的位置可關聯于通風位置的邊界或者節點。其中，布置傳感器的位置問題可總結為最優控制問題以及覆蓋最優化問題[2-3]。

表1 煤礦各工作面的瓦斯涌出量

在監測過程中一些概念也值得明確，當瓦斯涌出在上游節點時，下游節點必須在最短時間內做出反應，被稱之為監測有效級；在通風網絡系統中，當風流從一個節點流通到下一個節點的最短路徑，稱之為最短風流路徑；覆蓋域則指明，該節點安置的傳感器能夠監測到該范圍內所有瓦斯涌出的情況。

該模型在一定的監測有效級范圍下，根據LSCP模型，某一個傳感器可以監測一組需求點，不僅可減低傳感器的成本，而且可以使預防災害、抗擊災害起到最大化作用。

2.2 最優解法的選擇

本文算法主要采用混合蟻群以及禁忌搜索算法組成的混合算法進行求解傳感器的布設LSCP 模型。

蟻群算法主要依據螞蟻在覓食過程中所選用的最優路徑方案，該方法主要存在以下優點：對較復雜的問題優化時，可在短時間內得到最優的解決方案；某些單個體對于適應概率超過整體的平均概率；依據算法的特點，不斷地進行完善和改進，效率較高。但該方法也存在一些缺點，比如耗時較長、局部過優。

禁忌搜索算法主要是基于標記已搜索過的對象，在之后的選擇過程中規避標記對象而后更加擴大范圍進行搜索，如此便能加大搜索范圍，最終篩選出最優解。該算法可規避蟻群算法中所存在的局部過優較突出的問題，可針對不同的搜索途徑進行有效搜索。缺點主要表現于：算法結果對初始解有著較強的依賴性，若初始解的結果為優，則整個求解速度就加快；反之，若初始解的結果為劣，則整個求解過程將變得緩慢。串行搜索，移動的為單一狀體。

本論文涉及的傳感器位置最優值可歸結到組合優化問題，本文采納蟻群算法的優勢，同時規避其劣勢，結合了列減少算法以及禁忌搜索算法組合為混合算法，以此得出最優解。通過對某一具體案例進行分析[4]，通過對比三種算法可得出，混合算法具有較好的穩定性；針對不同的參數組合，該方法具有一定的可行性及有效性。

3 工程應用

本論文以某煤礦為應用研究對象，依據所提出的LSCP 模型以及混合算法求的最優解，布設該煤礦監測監控系統中的瓦斯傳感器位置。

甲烷為瓦斯的主要成分，該氣體的相對分子質量低于空氣，因此需在巷道的上方安置傳感器。該安置方式不僅不影響整個施工進程的安全交通，同時可以便捷地進行安裝。根據瓦斯傳感器的安裝規定，其必須為垂直方向安裝，與頂板的距離應小于300 mm，與巷道側面的距離則應小于200 mm。

瓦斯事故存在隱患最大的三個區域分別為工作面、回風巷和進風巷。為了確保采煤工作面瓦斯傳感器的監測效果，該傳感器設置位置應盡可能地靠近工作地面。其中，報警濃度選擇為1.0%，斷電濃度以及復電濃度分別選擇為1.5%和1.0%。回風巷的傳感器則應安置于穩定的風流以及新鮮空氣與瓦斯等有害氣體混合交換的位置，報警濃度選擇為1.0%，斷電濃度以及復電濃度分別選擇為1.1%和1.0%。進風巷的傳感器應布設于靠近地面的位置，其報警濃度選擇為1.0%，斷電濃度以及復電濃度分別選擇為1%和0.5%。

其他工作地點需要安裝瓦斯傳感器的位置包括：機電桐室，回風流的該位置的新風側，其報警濃度選擇為0.5%，斷電濃度以及復電濃度分別選擇為0.6%和0.5%；裝煤點以及運輸巷道，采用電機車裝煤以及運輸的位置，該兩處位置瓦斯報警濃度范圍與機電桐室結果一致。

根據簡化的通風網絡圖，共得出29 個傳感器安置位置，除去礦井通風進口和出口的兩個節點，得出10 個必選傳感器安裝位置，17 個備選位置。瓦斯安裝節點的選擇取決于監測有效級，當監測有效級為～600 s，則需在10 個必選位置安裝傳感器就可覆蓋整個監測區域；當有效級為200～500 s 時，基于傳感器安裝最少為原則，在滿足安裝10 個必選監測位置上之外，額外加設2～4 個監測位置；當有效級為150 s時，則仍需額外增加7 個監測位置。

根據以上安裝計算標準，此應用對象中，監測位置與監測有效級并未呈正比關系。在400～600 s 的有效級范圍內，兩者呈現正比關系；400～200 s 范圍內，隨著有效級的升高，并未需求額外的傳感數量增加。當有效級為150 s 時，則需要額外增加7 的傳感器位置，成本提升占比為50%。基于以上研究，該煤礦的有效級可降至為200 s，則能夠使成本效益較好平衡。

4 結論

本文針對煤礦監測監控系統中的瓦斯傳感器布設給出了研究思路，通過對監測位置提出LSCP 理論模型，在減低成本的基礎上，提高了預防災害和抗擊災害的能力；當確定出理論模型之后，結合蟻群算法、禁忌搜索算法以及列減少算法求出最優解。結合某煤礦的實際情況，在確定監測有效等級的范圍下，結合安裝傳感器成本，當監測等級設定為200 s 時，監測效果以及成本達到雙贏。