WTC-I瓦斯突出參數并發測量軟件設計與應用

廖 成 喬 偉

（1.瓦斯災害應急信息技術國家重點實驗室；2.中煤科工集團重慶研究院有限公司）

煤與瓦斯突出是一種極其復雜的瓦斯動力現象，其突發性和破壞性極強，是嚴重威脅煤礦安全生產的自然災害之一。發生突出事故時，采掘工作面周圍煤巖體快速破碎，向巷道拋出或移動，并伴隨有大量瓦斯涌出，會造成人員傷亡、井巷機電設備毀壞、礦井通風系統破壞，甚至引發瓦斯爆炸、瓦斯燃燒等二次事故［1］。WTC-I 瓦斯突出數據采集儀是一種便攜式礦用本質安全型儀器，主要用于測定鉆屑瓦斯解吸指標K1值，儀器具有體積小、質量輕、操作簡單、性能可靠、防潮防塵等優點，是煤礦防止瓦斯災害不可缺少的一種先進裝備。

現有版本WTC-I 瓦斯突出參數測定軟件只支持1 臺數據采集儀連接1 臺WTC-I 主機，存在測試效率不夠高、集成和融合程度低、可視化效果差、與煤礦現場防突參數測定業務流程結合不緊密等局限性，還不能完全滿足新形勢下煤礦防突信息化管理的需求［2］。當前《防治煤與瓦斯突出細則》規定采用鉆屑指標法預測煤巷掘進工作面突出危險性時，測定每鉆進2 m 至少測定1 次瓦斯解吸指標K1或者△h2值。同時測定中需要接煤樣、篩選等各種工序，如采取多套同步進行則測定工作步驟復雜，并且造成數據分散于各個參數測定儀，需要升井之后人工合并。因此，本文基于Android 平臺研發了WTC-I 瓦斯突出參數測定并發測量軟件，支持1臺數據采集儀連接多臺WTC-I 主機，并且測量鉆孔結束時能夠給自動存儲、能遠程傳輸到地面的防突信息系統服務器，有效提高瓦斯突出參數測定效率和數據管理水平［3］。

1 關鍵技術

煤與瓦斯突出參數測量軟件包括WTC-I 瓦斯突出數據采集儀（以下簡稱WTC-I 主機）、YHC11 礦用本安型數據采集儀預裝Android 系統（以下簡稱數據采集儀）和防突信息管理系統三部分組成。數據采集儀通過藍牙模塊與WTC-I 主機進行無線交互，其關鍵是對多臺WTC-I 主機的連接管理、與并發數據交互、整合管理，以及測量軟件的交互設計，數據存儲，界面展示等軟件系統。

1.1 WTC-I與數據采集儀的連接與通訊

數據采集儀通過藍牙模塊與WTC-I 主機進行無線交互，一個完整的數據測量過程需要建立連接、數據交互、整合管理。各個模塊的詳細說明如下：

（1）建立連接。礦用智能手機需要能夠掃描到WTC-I主機；需要1個模塊來負責連接不同的WTC-I主機，通過整合模塊管理對應編號WTC-I主機。

（2）數據交互。交互過程用WTC-I 主機密碼驗證、數據同步、掉線重連等業務進行管理。

（3）整合管理。礦用智能手機與WTC-I 主機通過相應的藍牙模塊發送數據包，需要一個唯一的ID來確認這個數據包所屬WTC-I 主機。當礦用手機接收到WTC-I 主機發送的數據包時，需要對數據包進行緩存、拼包、過濾得到1個有效包。

1.2 數據采集儀測量終端實現技術

數據采集儀預裝的Android 8.0以上系統，所以上文的通訊框架使用Android 系統下低功耗藍牙模塊（BLE）的基礎上以數據采集儀作為主機，以WTC-I主機作為從機的方式實現。Android 的BLE API 主要分為Bluetooth Adapter 對藍牙進行基本操作，例如開啟藍牙掃描。Bluetooth Device代表一個遠程藍牙設備，Bluetooth GATT 用來讀取和寫入特征值。WTC-I 終端與android 主機的連接流程如下：

WTC-I 主機進行并發測量時需同時對多個終端建立數據連接、數據交互，也需要對多個通訊流程進行維護［4］。所以對藍牙通訊過程進行面向對象的業務提取、分析。數據連接階段提取為掃描器、連接器、BLE藍牙設備管理等對象。數據交互階段提取為接收數據拼包、數據包、數據分發器等對象，其中最重要為BLE 藍牙設備管理（BLE Logic Device）對象，APP每連接1個設備，就開辟1個對象，且每個對象分配1 個唯一ID，通過這個ID 就可以管理對應藍牙設備，如圖1所示。

基于Android 界面設計，主要使用了Android 的View組件和View對象來實現并發管理和連接不同的顯示層面。設計的目的是提高測量終端的使用效率和用戶體驗，讓用戶可以在一個界面上查看和控制多個終端的狀態，其優勢是可以根據用戶的需求，靈活地切換和調整不同終端的顯示方式和操作方式，同時保證了界面的簡潔和美觀［5］。測量界面如圖2所示。

2 構架設計

防治煤與瓦斯突出參數測定管理流程分為井下數據采集和地面管理分析。通常一個礦井配置有多臺數據采集儀進行同時測量或輪換測量，測量完畢后可上傳數據到地面防突參數地面管理系統，才能夠對全礦井參數進行分類存儲與統計分析，以了解整個礦井的突出參數測定結果。整體架構效果如圖3所示。

防突參數地面管理系統是整個系統的運行結果展示分析平臺，管理整個礦井的采煤、掘進面、掘進工作量、防突工作量。防突鉆孔示意圖等信息主要供通風防突技術主管、通風副總及總工程師等領導使用，這類用戶要求體驗良好、操作簡單方便、不安裝或少安裝程序、瀏覽器兼容性要求較高（支持主流的IE、Firefox、Google Chrome 等瀏覽器）［6］。同時設計防突參數同步信息獲取與上傳服務，數據采集儀可以同步相應的工作面信息，并且在測量完成后上傳采集的測量結果［7］。

3 軟件實現與操作

防突細則規定，采用鉆屑指標法預測煤巷掘進工作面突出危險性時，預測鉆孔從2 m 深度開始，每鉆進1 m測定該段的全部鉆屑量Smax，每鉆進2 m至少測定1 次鉆屑瓦斯解吸指標K1或者△h2值［4］。假設1個鉆孔轉進10 m，1臺WTC 主機取樣需要30秒，完成1 次測定需要5.5 min 左右。目前防突參數測定方式為1 臺數據采集儀配對1 臺WTC-I 主機，防突鉆機鉆進效率約為1 m/min。為了實現防突細則規定，2 m進行1 次鉆屑法測定，而1 臺WTC-I 主機測定需要接粉、稱重、測量3個步驟總計達6 min。

目前井下測量時需要停止打鉆等待WTC-I 主機測定完成，或使用另一套數據采集儀進行測定，前者容易造成突出預測測定數據誤差大，無法準確及時測量數據，后者同一鉆孔數據不同深度測量結果存在于多臺測量儀，造成數據零散雜亂，需人為手工合并錄入于防突信息系統，均無法高效準確地進行測量與統計分析。

在采掘工作面進行突出參數測定時，攜帶1臺數據采集儀與多臺（以下默認使用3 臺）WTC-I 主機進行測定。流程如下：

（1）使用數據采集儀分別用藍模塊牙掃描并連接1#，2#，3#WTC-I 主機，選擇當前進行測定的工作面和鉆孔編號之后，選中1#主機點擊開始接粉，30 s 之后點擊開始測量，測量300 s之后該鉆孔測量完畢，然后選擇2#設備進行測量，當2#主機開始測量時拿起3#主機開始測量6 m深度鉆屑。

（2）當鉆孔到8 m 深度時1#WTC-I 主機已經測定完成，并繼續對8 m 深度進行取樣測定。依次類推使用1臺參數測定儀并搭配多臺WTC-I測量主機，能夠跟隨鉆機進行及時、便捷的測量工作。當測定完成之后即可對該鉆孔進行突出風險預測，并且能夠簡便地將存儲結果上傳到防突信息系統進行存儲、分析，減少了人為合并、錄入的工作［8-9］。

4 現場應用

海石灣煤礦作為國內少見的煤與二氧化碳突出礦井已進入深部開采，主采煤層煤二層厚度0～60.6 m，平均厚度26.8 m，屬特厚煤層，其含煤地層比較復雜，存在煤層氣和油氣共生的特殊現象，且瓦斯含量高、透氣性差，導致該礦瓦斯治理的任務重、效果差，嚴重影響“保、抽、掘、采”平衡和采掘接替，限制了礦井特厚煤層的資源優勢和綜采放頂煤開采優勢，嚴重制約礦井的生產效率。海石灣煤礦原使用WTC-I數據參數采集儀進行瓦斯突出參數測定，存在3點問題：①測定效率低，單臺設備無法匹配鉆機的正常打鉆速度；②操作復雜，進行快速測定時需多名防突工人同時對1個鉆孔進行測定；③測定數據分散存在于多部數據采集儀中，難以管理，且存在錄入失誤的可能性。

WTC-I 突出參數并發測量軟件在海石灣煤礦應用以后，數據采集儀通過并發測量軟件可同步鉆機正常鉆進速度進行測定，避免了多臺參數采集儀重復設置測定參數等操作，提高井下防突參數測定的效率。當鉆孔轉進速度為1 m/min 時，使用原數據采集儀測定時，分別在2，4，8，10，12 m 深度時進行取樣測定，共計32 min。采用并發測量數據采集時，進行同樣的步驟取樣完成測定時間為16 min，節省時間約50%；測定完成了后通過井下網絡直接上傳測定結果，可有效減少地面數據整理錄入時間，又有效避免了人為因素對數據準確性的影響。此外，防突信息管理系統可以對瓦斯突出數據進行綜合管理與時間、工作面等不同維度進行分析，能夠有效指導礦井防突工作，并為相鄰工作面防突工作提供參考。系統運行效果如圖4 所示，測定時間對比效果如圖5 所示。

5 結 語

針對目前WTC-I 主機與Android 數據采集儀一對一的測量效率低，無法同步鉆機節奏，而多套設備測量同一鉆孔又會導致測量數據分散，測量結果難以管理等問題，構建開發了多對一的并發測量通訊協議與統一采集計算上傳軟件，提高了防突鉆孔測定效率、及時性和準確率，減少了礦井防突工作人力成本，有效地提升了防突工作效率，為礦井防突工作提供了有力支撐。