礦井瓦斯動(dòng)態(tài)巡檢與智能管控系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

劉海濤 李 娜 吳思博

（1.陜西煤業(yè)集團(tuán)黃陵建莊礦業(yè)有限公司通風(fēng)防塵部 2.西安科技大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院）

0 引言

煤炭是我國的主體能源，2022 年全國煤炭消費(fèi)總量為30.4 億t 標(biāo)準(zhǔn)煤，占能源消費(fèi)總量的56.2%[1]，中國工程院預(yù)測(cè)2050 年中國煤炭占一次能源消費(fèi)比例還將保持在50%左右[2]。我國煤礦資源賦存地質(zhì)條件復(fù)雜，導(dǎo)致安全事故多發(fā)，在統(tǒng)計(jì)發(fā)生的煤礦特別重大事故中，以瓦斯事故所占比例最高、影響最大[3]。2014年9 月4 日，黑龍江省雙鴨山市雙新煤炭有限責(zé)任公司新久煤礦發(fā)生一起較大瓦斯爆炸事故，死亡4 人，受傷1 人，直接經(jīng)濟(jì)損失563 萬元。2019 年11 月18 日，山西平遙峰巖煤焦集團(tuán)二畝溝煤業(yè)有限公司9102 工作面發(fā)生一起瓦斯爆炸事故，事故共造成15 人遇難，9人受傷。2023 年4 月2 日，吉林省白山市江源區(qū)吉坤礦業(yè)有限公司發(fā)生一起較大瓦斯爆燃事故，造成4 人死亡、4 人受傷，直接經(jīng)濟(jì)損失1016 萬元。2023 年8月21 日，陜西省延安市延川縣新泰煤礦發(fā)生一起重大瓦斯爆炸事故，造成11 人遇難、11 人受傷。這些都是因?yàn)椴糠值V井存在局部區(qū)域監(jiān)測(cè)盲點(diǎn)、傳感器調(diào)校不當(dāng)、監(jiān)督管理不力、信息傳遞欠缺、數(shù)據(jù)處理及利用不充分所造成的重大瓦斯災(zāi)害事故。因此，規(guī)范煤礦瓦斯巡檢流程，提高智能化和管理水平，減少安全隱患，成為煤礦安全領(lǐng)域亟待解決的重大難題。

目前，瓦斯?jié)舛鹊臋z查主要有自動(dòng)檢查和人工巡檢兩個(gè)途徑。自動(dòng)檢查通過煤礦在井下所安裝的傳感器在地面獲得檢查數(shù)據(jù)，所使用的傳感器測(cè)點(diǎn)分散，且檢測(cè)參量單一，覆蓋區(qū)域小，井下作業(yè)人員無法查看作業(yè)區(qū)域的瓦斯信息，并存在檢測(cè)盲點(diǎn)及漏檢誤檢等問題[4]。人工檢查通過瓦檢員去測(cè)量。由于甲烷傳感器具有自動(dòng)監(jiān)測(cè)報(bào)警且能連續(xù)工作，使一些礦井過分依賴其作用，從而忽略了瓦檢員的作用，疏忽了對(duì)瓦檢員的管理。對(duì)于瓦檢員是否按規(guī)定線路、時(shí)間、地點(diǎn)以及次數(shù)進(jìn)行安全檢查也無法做到具體的監(jiān)管，增加了煤礦安全生產(chǎn)的管理難度[5]。

鑒于以上原因，為保障礦井安全高效生產(chǎn)的需求，礦井亟需研發(fā)一套礦井瓦斯動(dòng)態(tài)巡檢與智能管控系統(tǒng)，結(jié)合人員定位系統(tǒng)，對(duì)井下瓦斯傳感器和瓦檢員進(jìn)行有效管理。通過智能巡檢技術(shù)，提高巡檢效率和精度，不僅能顯著提高瓦斯監(jiān)測(cè)的效率和準(zhǔn)確性，還能減少人工巡檢的頻次，降低勞動(dòng)強(qiáng)度，進(jìn)一步提高礦工的工作安全性，有助于煤礦管理者更好地理解和控制礦井內(nèi)的瓦斯動(dòng)態(tài)，為煤礦的安全生產(chǎn)提供更加科學(xué)和有效的決策支持。

1 工程概況

陜西某煤礦核定產(chǎn)能500萬t/a，主采3-1、3-2、3-3、4-1、4-2 號(hào)煤層，礦井井田面積48.0km2，分為5 個(gè)盤區(qū)，目前一、二盤區(qū)回采完已封閉，三、四盤區(qū)正在回采，五盤區(qū)正在開拓，剩余服務(wù)年限26a。現(xiàn)階段礦井生產(chǎn)主要集中在4-2 號(hào)煤層，4-2 煤層屬Ⅱ類自燃煤層，礦井水文地質(zhì)類型為“中等”，地質(zhì)構(gòu)造類型為“中等”，煤塵具有爆炸性危險(xiǎn)，無地?zé)嵛：Γ瑢偃鯖_擊地壓危險(xiǎn)礦井。

2022～2023 年度礦井瓦斯等級(jí)鑒定結(jié)果由原來的低瓦斯礦井升為高瓦斯礦井，使得礦井瓦斯災(zāi)害的危險(xiǎn)性增大。目前全礦井具有瓦斯監(jiān)測(cè)點(diǎn)280 個(gè)，采用人工巡檢方式進(jìn)行井下瓦斯?jié)舛鹊臋z測(cè)，瓦斯巡檢工作中存在空班漏檢、檢測(cè)數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確、監(jiān)管不到位等問題。因此，針對(duì)傳統(tǒng)瓦斯檢測(cè)方法的漏檢、誤檢和瓦斯巡檢員管理不足等問題，依托礦井5G 網(wǎng)絡(luò)、LORA網(wǎng)絡(luò)和萬兆工業(yè)環(huán)網(wǎng)，采用人工智能、物聯(lián)網(wǎng)、LORA、邊緣計(jì)算、人工智能等技術(shù)，研究瓦斯巡檢在線監(jiān)測(cè)技術(shù)、瓦斯巡檢數(shù)據(jù)無線通信同步顯示技術(shù)、瓦斯信息可視化呈現(xiàn)技術(shù)等，研發(fā)礦井瓦斯在線巡檢與智能管控系統(tǒng)。根據(jù)瓦斯?jié)舛茸兓囟炔▌?dòng)和其他關(guān)鍵指標(biāo)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，有效地識(shí)別瓦斯危險(xiǎn)狀態(tài)。通過實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和智能數(shù)據(jù)分析，及時(shí)預(yù)報(bào)瓦斯超標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)，還能在潛在災(zāi)害發(fā)生前及時(shí)發(fā)出警報(bào)，實(shí)現(xiàn)礦井瓦斯巡檢的數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化。此外，結(jié)合精準(zhǔn)人員定位系統(tǒng)，可以有效避免瓦檢員空班漏檢的問題，提升了人員管理效率。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

礦井瓦斯在線巡檢與智能管控系統(tǒng)由感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層構(gòu)成，系統(tǒng)架構(gòu)圖如圖1 所示。

圖1 礦井瓦斯動(dòng)態(tài)巡檢與智能管控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架

1）感知層：實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集。感知層包括人員定位識(shí)別卡、礦用本安型便攜式多參數(shù)無線傳感器、液晶顯示主機(jī)和礦用本安手機(jī)等感知設(shè)備。通過人員定位識(shí)別卡可以精準(zhǔn)采集人員位置。礦用本安型便攜式多參數(shù)無線傳感器集成微型負(fù)壓泵于一體，可同時(shí)檢測(cè)甲烷、二氧化碳、一氧化碳、氧氣、溫度、濕度等參數(shù)，通過藍(lán)牙網(wǎng)絡(luò)或其他無線網(wǎng)絡(luò)可實(shí)現(xiàn)在線巡檢數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)上傳，提高人工巡檢的效率。參數(shù)無線傳感器數(shù)據(jù)上傳的通路有兩條，一是多參數(shù)無線傳感器可以和液晶顯示主機(jī)進(jìn)行碰傳，將采集的數(shù)據(jù)通過液晶顯示主機(jī)上傳至瓦斯智能巡檢系統(tǒng)軟件平臺(tái)。液晶顯示主機(jī)安裝在井下，同時(shí)實(shí)時(shí)更新顯示的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)內(nèi)容。二是多參數(shù)無線傳感器也可以和礦用本安手機(jī)通過藍(lán)牙或者WiFi 方式進(jìn)行數(shù)據(jù)互換，數(shù)據(jù)通過手機(jī)上傳至瓦斯巡檢智能系統(tǒng)平臺(tái)。

2）網(wǎng)絡(luò)層：實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸。感知層將采集的數(shù)據(jù)通過礦井下的5G、4G 或者WiFi 網(wǎng)絡(luò)基站利用萬兆工業(yè)環(huán)網(wǎng)傳輸?shù)降孛嫔希缓罄媒粨Q機(jī)部署到云端服務(wù)器上從而進(jìn)行數(shù)據(jù)的分析與預(yù)警預(yù)測(cè)，完成巡檢、監(jiān)控、人員定位的功能。

3）應(yīng)用層：實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的收集、處理和展示。應(yīng)用層的客戶端，包括PC 端和移動(dòng)端，是與用戶的交互系統(tǒng)，主要用來實(shí)現(xiàn)用戶對(duì)系統(tǒng)的應(yīng)用和頁面請(qǐng)求；Web 應(yīng)用服務(wù)器，是服務(wù)系統(tǒng)，采用J2EE 技術(shù)，主要實(shí)現(xiàn)用戶請(qǐng)求的解析、數(shù)據(jù)查詢與處理；人工智能引擎包含了數(shù)據(jù)處理和智能化服務(wù)兩部分，數(shù)據(jù)處理主要是實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化處理，智能化服務(wù)則為用戶提供多種業(yè)務(wù)智能化服務(wù)支撐邏輯。

3 系統(tǒng)功能

礦井瓦斯動(dòng)態(tài)巡檢與智能管控系統(tǒng)不僅實(shí)現(xiàn)了井下主要礦區(qū)、主巷道等重要監(jiān)測(cè)地點(diǎn)的瓦斯實(shí)時(shí)濃度查看以及實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)預(yù)警，保障了信息的自由流通，還確保了系統(tǒng)部分間的無縫通信，從而為礦井安全提供了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)支持。

根據(jù)用戶的功能需求，系統(tǒng)平臺(tái)軟件主要包括態(tài)勢(shì)感知、實(shí)時(shí)檢測(cè)、任務(wù)管理、設(shè)備管理、故障管理、應(yīng)急管理、效能統(tǒng)計(jì)、預(yù)警預(yù)測(cè)、報(bào)告報(bào)表、系統(tǒng)配置等十個(gè)子功能模塊，系統(tǒng)軟件主界面圖如圖2 所示。

圖2 系統(tǒng)主界面圖

1）態(tài)勢(shì)感知：位于系統(tǒng)首頁中，基于礦山整體3D 視圖進(jìn)行全局監(jiān)控。頁面包括全景視圖、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、動(dòng)態(tài)信息提示欄等內(nèi)容，提供礦井的實(shí)時(shí)三維布局、關(guān)鍵運(yùn)行數(shù)據(jù)和最新安全通知。

2）任務(wù)管理：支持發(fā)起、分類和查看巡檢任務(wù)，并為任務(wù)設(shè)置必要的屬性，如任務(wù)名稱、任務(wù)描述、執(zhí)行時(shí)間、任務(wù)狀態(tài)、任務(wù)發(fā)起人等，同時(shí)用戶可以根據(jù)實(shí)際需要設(shè)置巡檢點(diǎn)的位置區(qū)域、路徑節(jié)點(diǎn)、巡檢路線、規(guī)劃采礦區(qū)域，通過提供詳盡的任務(wù)視圖和進(jìn)度更新，這一模塊助力提升礦井作業(yè)的組織效率和執(zhí)行準(zhǔn)確性。

3）設(shè)備管理：對(duì)感知層的數(shù)據(jù)采集設(shè)備進(jìn)行有效管理，包括設(shè)備的新增、配置、查詢、刪除、導(dǎo)出、故障上報(bào)功能，系統(tǒng)可以基于設(shè)備地址和類型直接進(jìn)行設(shè)備查詢與配置等操作，也可以將設(shè)備搭載到巡檢點(diǎn)，基于巡檢點(diǎn)管理，通過集中管理和智能化分析，以提高設(shè)備的可靠性和操作的連續(xù)性，從而支持礦井的全面運(yùn)營需求。

4）實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)：將礦用本安型便攜式多參數(shù)無線傳感器采集的礦井?dāng)?shù)據(jù)以列表形式展示，包括瓦斯?jié)舛取囟取穸群推渌泻怏w的水平。通過精確的傳感器網(wǎng)絡(luò)和先進(jìn)的數(shù)據(jù)處理技術(shù)，該模塊能夠?qū)崟r(shí)捕捉到每一個(gè)微小的變化，及時(shí)識(shí)別安全風(fēng)險(xiǎn)，并迅速發(fā)出警報(bào)。這不僅提高了礦井安全監(jiān)控的響應(yīng)速度，也增強(qiáng)了預(yù)防事故的能力。

5）應(yīng)急管理：專注于識(shí)別和響應(yīng)因異常氣體濃度引起的緊急情況。它能夠迅速識(shí)別出超標(biāo)的瓦斯、一氧化碳或其他有害氣體，并立即啟動(dòng)應(yīng)急預(yù)案，指引礦工迅速安全地撤離危險(xiǎn)區(qū)域。

6）效能統(tǒng)計(jì)：通過綜合個(gè)人效能評(píng)估、任務(wù)完成情況分析、設(shè)備運(yùn)行效率監(jiān)測(cè)及數(shù)據(jù)報(bào)告和分析功能，它不僅為管理者提供了關(guān)鍵績效指標(biāo)和趨勢(shì)分析，還幫助優(yōu)化資源分配和改進(jìn)作業(yè)流程，從而有效提升整個(gè)礦井的運(yùn)營效率和安全管理水平。

7）故障管理：全面負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)、診斷和處理礦井設(shè)備故障。一旦發(fā)生故障異常，及時(shí)生成警報(bào)，記錄故障發(fā)生的關(guān)鍵信息，包括故障名稱、故障類型、故障設(shè)備、故障級(jí)別、故障狀態(tài)、故障發(fā)生時(shí)間以及故障消失時(shí)間等，有效地協(xié)調(diào)維修任務(wù)和分析故障原因，從而提高礦井設(shè)備的維護(hù)效率和減少停機(jī)時(shí)間，保障礦井的連續(xù)運(yùn)行和安全。

8）預(yù)警預(yù)測(cè)：通過對(duì)井下工作點(diǎn)瓦斯災(zāi)害特征信息各氣體成分濃度統(tǒng)計(jì)分析，基于改進(jìn)的LSTM 算法預(yù)測(cè)瓦斯風(fēng)險(xiǎn)，發(fā)出及時(shí)預(yù)警，還支持對(duì)長期數(shù)據(jù)趨勢(shì)的分析，為礦井安全管理和決策提供了數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的洞察，顯著提高了對(duì)礦井潛在風(fēng)險(xiǎn)的預(yù)測(cè)能力和應(yīng)急響應(yīng)效率。

9）報(bào)告報(bào)表：根據(jù)用戶的特定需求，生成巡檢任務(wù)和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的詳盡報(bào)告和報(bào)表，支持報(bào)告的在線打印與PDF 文件格式的導(dǎo)出功能，以供決策制定和合規(guī)性審查提供全面而可靠的依據(jù)。

10）系統(tǒng)配置：為系統(tǒng)管理員提供了一個(gè)中心化的界面來配置和維護(hù)系統(tǒng)的各項(xiàng)功能，包括但不限于用戶配置、設(shè)備配置、策略配置等。用戶管理能夠?qū)τ脩暨M(jìn)行增刪改查等操作；設(shè)備配置包括各種設(shè)備的備案以及管理；同時(shí)系統(tǒng)應(yīng)支持自定義各類數(shù)據(jù)的報(bào)警閾值，并在超過這些閾值時(shí)生成預(yù)警通知，以及通知相關(guān)人員采取必要的措施；不僅確保了系統(tǒng)運(yùn)行的高效性和可靠性，還提升了整個(gè)系統(tǒng)對(duì)不同礦井環(huán)境和特定操作需求的適應(yīng)性。

4 結(jié)束語

礦井瓦斯動(dòng)態(tài)巡檢與智能管控系統(tǒng)針對(duì)現(xiàn)有礦井瓦斯巡檢管理中存在的問題，結(jié)合精準(zhǔn)人員定位系統(tǒng)，基于多參數(shù)感知設(shè)備采集的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，建立礦井瓦斯超限辨識(shí)與預(yù)測(cè)模型，實(shí)現(xiàn)礦井瓦斯?jié)撛谖ｋU(xiǎn)性的多元信息感知，提高了礦井對(duì)瓦斯災(zāi)害的預(yù)防預(yù)控和應(yīng)急處置能力；規(guī)范了礦井瓦斯巡檢工作流程，有效降低瓦檢員的工作強(qiáng)度；加強(qiáng)了對(duì)瓦檢員的監(jiān)督管理，避免漏檢和不檢現(xiàn)象。系統(tǒng)的實(shí)施切實(shí)發(fā)揮瓦檢員對(duì)于煤礦安全生產(chǎn)的作用，進(jìn)一步提升了煤礦智能化水平和管理水平。