图1 瓦斯突出参数自动处理流程
Fig.1 Automatic processing flow of gas outburst parameters
谈国文1,2， 李冰杭3， 李明建1,2
(1.中煤科工集团重庆研究院有限公司， 重庆 400039； 2.瓦斯灾害监控与应急技术国家重点实验室，重庆 400037； 3.重庆工程职业技术学院， 重庆 402260)
摘要：针对传统的人工处理瓦斯突出参数存在信息填报时效性低、工作量大、资料存储及查询分析不方便等问题，设计了矿井瓦斯突出参数自动处理系统。在WTC瓦斯突出参数仪中增加WiFi无线通信模块，使其能自动获取井下IP地址，接入无线网络，实现瓦斯突出参数自动上传。利用SQL Server数据库管理系统，依据数据属性匹配、测定时间关系，依次搜索、存储与瓦斯突出参数仪上传的预测指标相对应的钻孔编号、测定深度信息，生成防突预测表单。现场试验结果表明，该系统实现了瓦斯突出参数的自动上传、防突预测表单的自动生成和防突预测信息的局域网共享及查询，数据上传准确率达到98.2%以上。
关键词：瓦斯突出； 防突预测； 瓦斯突出参数仪； 钻屑指标法； 参数自动处理
国家近些年提出工业化与信息化“两化”融合、“互联网+”等计划，要求“大力推进信息化与工业化深度融合，推动产品数字化、网络化，提高产品信息技术含量和附加值”。自动化、信息化能显著提升煤矿职业健康、精准开采水平，在煤矿安全生产中也将发挥越来越重要的作用[1-2]。根据《防治煤与瓦斯突出规定》(2009)的要求，瓦斯突出参数测定是煤与瓦斯突出矿井的2个“四位一体”综合防突措施的重点工作内容之一，必须长期坚持和严格执行。及时、便捷、规范地自动处理所测定的瓦斯突出参数是安全、高效生产的重要保障，为此，本文针对人工处理瓦斯突出参数的不足，研究了瓦斯突出参数自动处理系统，以提高瓦斯突出参数处理的及时性和便捷性，减轻防突数据处理工作量，促进矿井安全高效生产。
钻屑指标法是预测工作面突出危险性的常用方法之一，钻屑瓦斯解吸指标K1和钻屑量指标S是钻屑指标法的关键预测指标[3]。目前，我国煤矿主要采用WTC瓦斯突出参数仪(简称为WTC)对K1及S指标进行井下测定、地面人工填报、纸质文件存档及查询，该方法存在如下问题[4-7]：
(1) 信息填报的时效性低。在井下测定K1及S指标后，需要将仪器背负到地面，才能进行纸质表单填报、打印和审批，严重影响了信息填报、查询的及时性。
(2) 人工处理工作量大，不够规范。需要根据实测瓦斯突出参数在防突预测表单中填写大量的指标数据，且因为是人工书写，易出错，不便于查看。
(3) 资料存储及查询分析不方便。填写的防突预测表单仅是纸质资料的“孤岛数字”，保存分散，如需查询、分析历史数据，需要在资料室翻阅大量以往相应表单，对于时间久远的防突数据，更是难以查询。
(4) 不符合自动化、信息化发展趋势。随着“两化”深度融合和“互联网+”的迅猛发展，推进煤矿机械化、信息化、自动化、智能化的“四化”发展是提高煤矿本质安全水平的必然之路，落后的手工处理方式明显不符合当前发展趋势及要求。
瓦斯突出参数自动处理系统的关键工作是实现工作面预测指标和预测钻孔编号、深度、钻孔动力现象等瓦斯突出参数的自动上传和防突预测表单的自动生成。
煤矿井下防突工作面多，瓦斯突出参数的测定具有测定地点多、移动性强、不需要连续监测等特点，采用无线通信方式上传数据比较方便。目前，应用于矿井的无线通信方法主要有矿用CDMA、矿用小灵通、矿用WiFi等，矿用WiFi无线通信方法不仅具有通信距离长、通信质量高等优势，而且可以利用井下环网传输，不需要单独组网，可节约成本[8]。因此，瓦斯突出参数自动处理系统采用WiFi无线通信方式，由井下无线网络节点获取WTC上传的瓦斯突出参数信息，然后通过RS485总线将信息传输到井下环网内，再传输到地面数据采集工作站，通过地面工作站及服务器进行数据存储及处理。
自动生成防突预测表单的关键是准确确定预测指标与测定的钻孔编号、所测深度之间的对应关系。利用SQL Server数据库管理系统，依据数据属性匹配、测定时间关系，依次搜索、存储与瓦斯突出参数仪上传的预测指标相对应的钻孔编号、测定深度信息，填入防突预测表单中。
瓦斯突出参数自动处理流程主要包括井下测定与上传、地面采集与处理、局域网发布与管理3个部分，如图1所示。
图1 瓦斯突出参数自动处理流程
Fig.1 Automatic processing flow of gas outburst parameters
瓦斯突出参数自动处理系统结构如图2所示。设备层(数据层)：测定并上传、存储瓦斯突出参数。专业处理与控制层：用于瓦斯突出参数的正确性检查、数据整合归类、防突预测表单生成和数据采集、处理过程控制等。应用层：面向用户，实现其他信息维护、数据分析和报表查询、打印等。
图2 瓦斯突出参数自动处理系统结构
Fig.2 Structure of automatic processing system of gas outburst parameters
从设备层(数据层)的WTC改进及存储数据库构建、专业处理与控制层的数据处理服务开发和应用层的管理终端3个方面进行系统开发[9-10]。
2.3.1 WTC改进及存储数据库构建
改进的WTC是瓦斯突出参数测定及上传的原始数据来源，为方便现场防突预测人员的使用，在最大程度地保留传统WTC操作模式和流程的前提下进行改进，改进的关键是实现瓦斯突出参数的可靠上传。根据煤矿井下常用的IEEE80.11b/g/n无线通信标准协议、2.4 GHz/5 GHz无线频率，在传统WTC中增加无线通信模块，使其遵循标准WiFi无线通信协议，发出标准无线电磁信号，使进入无线信息覆盖区域的每台WTC能自动获取井下IP地址，接入无线网络，实现瓦斯突出参数自动上传。
存储数据库用于接收WTC上传的瓦斯突出参数及其他信息，并为生成防突预测表单和用户访问提供数据源。由于本系统存储数据库涉及到大量的存储数据，且涉及多用户同时访问，因此要选择一种存储能力基本不受限制、访问效率高、兼容性好、可管理性好、性价比高的数据库管理系统。比较SQL Server,Oracle,MySQL发现，SQL Server在原生数据存储、可管理性、数据访问效率等方面有明显优势，因此，系统采用SQL Server作为存储数据库。根据瓦斯突出参数上传需要，在存储数据库中分别建立防突工作面信息、上传信息、瓦斯突出参数信息、预测钻孔信息、防突措施钻孔信息、管理信息等信息关系表，实现瓦斯突出参数的可靠存储。
2.3.2 数据处理服务开发
数据处理服务以后台服务的方式进行数据存储、处理分析等。面向服务架构(Service-Oriented Architecture, SOA)具有易维护、可用性高、伸缩性好、封装粒度大等优势，因此，基于SOA架构思想，采用整合了.Net Remoting、ASMX、Enterprise Service、WSE、MSMQ等技术的WCF软件开发包开发数据处理Web服务。数据处理服务实现如下功能：① 实时监测井下瓦斯突出参数仪的数据上传活动，自动接收上传的瓦斯突出参数信息，对于因工作面名称不统一而未成功接收的瓦斯突出参数，可用手动方式补充上传和接收。② 分析上传的瓦斯突出参数信息的正确性，判识错误数据并剔除重复上传的数据后，存储数据到防突预测信息数据库中；同时，对测定仪器编号、测定时间、K1值和S值、钻屑暴露时间、漏气情况等突出参数详细测定信息进行查询和输出。③ 按照工作面防突预测施工次数、预测钻孔编号、测定深度等关系进行数据归类、整合，自动生成防突预测表单。④ 进行防突预测表单信息的局域网发布，便于矿井相关用户通过客户终端查询。
2.3.3 管理终端开发
数据管理终端用于用户管理和数据查询等，具有如下功能[4]：① 巷道断面及参数、钻孔施工参数、施工位置、煤(岩)层赋存状况等信息的管理、维护。② 防突预测指标变化曲线拟合、指标变化统计表绘制、指标超限及其他异常情况的监测分析、防突措施(预测)钻孔施工图绘制、防突措施钻孔缺陷分析等。③ 防突预测表单的发布与查询，用户可直接打印表单，用于存档和领导签字。
网络平台是瓦斯突出参数自动上传的传输通道，必须满足井下及时上传、地面及时采集和方便发布等要求。整个网络以工作站、服务器为载体，以WiFi无线网络和TCP/IP协议为基本架构，以矿井工业以太环网为井下主干传输平台，以局域网为地面主干传输平台[11]。传输网络结构如图3所示。
图3 传输网络结构
Fig.3 Structure of transport network
无线基站用于提供井下WiFi信号，主要安装在井下掘进工作面、采区上山、主要大巷、井底车场等关键位置，通过光纤与环网交换机连接，然后并入井下工业环网。为保证数据安全及井下工业环网安全，数据采集工作站通过防火墙与井下环网无缝连接，负责实时采集瓦斯突出参数。数据处理服务器连接地面监控网和局域网，无缝连接数据采集工作站，形成井下、井上相连接的双网络环境。
在重庆松藻煤电有限责任公司石壕煤矿对瓦斯突出参数自动处理系统进行了试验。该矿为多煤层开采煤与瓦斯突出矿井，主采6号、7号和8号3个煤层均为突出煤层。矿井采用钻屑指标法进行工作面突出危险预测，测定指标为钻屑瓦斯解吸指标K1及钻屑量指标S。首先，在该矿井下S1641工作面机巷开口、南四采区7号煤层轨道巷等关键位置安装无线基站，并入井下环网，形成井下无线传输网络；然后，在地面监控中心部署数据采集工作站和处理服务器，并入局域网，形成了地面采集、处理网络；最后，根据矿井实际瓦斯灾害特征及防突管理模式定制开发、安装自动处理服务和管理终端，形成适合试验矿井的瓦斯突出参数自动处理系统。
瓦斯突出参数自动处理系统在石壕煤矿的S1641工作面(南)、S1641工作面(北)、N1741工作面的运输巷、回风巷、开切眼(或称“切割巷”)进行了连续2个月的瓦斯突出参数测定与上传试验。累计试验、上传瓦斯突出参数62次(642条数据)，准确上传数据631条、错误上传数据11条，数据上传准确率为98.2%以上，每次上传的时间在40 s内(平均时间在20 s内)，部分瓦斯突出参数上传记录如图4所示。上传错误主要是由于用户输入错误导致，用户熟悉系统后，基本没有出现漏传、数据交叉等错误现象。基于自动上传的瓦斯突出参数，系统自动生成了准确的工作面防突预测表单，如图5所示。瓦斯突出参数自动处理系统实现了瓦斯突出参数的自动上传、防突预测表单的自动生成和局域网共享，大大减轻了人工录入数据工作量。
图4 WTC上传的数据记录
Fig.4 Data record uploaded by WTC
通过分析传统瓦斯突出参数处理方法的不足，开发了一套包括仪器、网络、软件等方面内容的矿井瓦斯突出参数自动处理系统，稳定、可靠地实现了瓦斯突出参数的井下及时上传、防突预测表单的自动生成和防突预测信息的局域网共享，提升了防突信息管理的信息化、自动化水平。现场试验结果表明，该系统数据上传准确率为98.2%以上。
图5 自动生成的防突预测表单
Fig.5 Automatically generated outburst forecasting form
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TAN Guowen1,2， LI Binghang3， LI Mingjian1,2
(1.CCTEG Chongqing Research Institute, Chongqing 400039, China; 2.State Key Laboratory for Gas Disaster Monitoring and Emergency Technology, Chongqing 400037, China; 3.Chongqing Vocational Institute of Engineering, Chongqing 400037, China)
Abstract:In view of problems such as bad timeliness, heavy workload, inconvenient data storage, query and analysis of traditional manual processing method of gas outburst parameters, an automatic processing system of gas outburst parameters was designed. WiFi wireless communication module was add to WTC gas outburst parameter meter to make it automatically obtain underground IP address and access wireless network, so as to automatically upload gas outburst parameters. Using SQL Server database management system, according to data attribute matching and measuring time relationship, the system searches and stores drilling numbers and measured depth information corresponding to forecasting indicators uploaded by the gas outburst parameter meter in sequence, and generates outburst forecasting form. Field test results show that the system achieves automatic upload of gas outburst parameters, automatic generation of outburst prediction forms and LAN share and inquiring of outburst forecasting information, and the data upload accuracy researches above 98.2%.
Key words:gas outburst; outburst prediction; gas outburst parameter meter; method of drilling index; automatic parameter processing
收稿日期：2017-10-18；
修回日期：2017-11-21；
责任编辑：胡娴。
基金项目：国家重点研发计划资助项目(2016YFC0801404)。
作者简介：谈国文(1983-)，男，安徽桐城人，副研究员，硕士，研究方向为煤矿灾害预警理论、技术及装备，E-mail：cqgwt983@qq.com。
引用格式：谈国文，李冰杭，李明建.矿井瓦斯突出参数自动处理系统研究[J].工矿自动化，2018,44(1)：21-25.
TAN Guowen， LI Binghang， LI Mingjian. Research on automatic processing system of gas outburst parameters in coal mine[J].Industry and Mine Automation，2018,44(1)：21-25.
文章编号：1671-251X(2018)01-0021-05
DOI:10.13272/j.issn.1671-251x.17293
中图分类号：TD713
文献标志码：A 网络出版时间：2017-12-15 16:13
网络出版地址：http://kns.cnki.net/kcms/detail/32.1627.TP.20171213.1536.010.html