吉林省煤礦重大災(zāi)害聯(lián)網(wǎng)預(yù)警分析技術(shù)及預(yù)警系統(tǒng)

崔俊飛

(1.瓦斯災(zāi)害監(jiān)控與應(yīng)急技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400037；2.中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司，重慶 400037)

吉林省煤礦資源匱乏、地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜、災(zāi)害嚴(yán)重，瓦斯、煤塵、水、火、頂板自然災(zāi)害“五毒俱全”，且煤礦分布廣、井型小。遼源、通化2個(gè)礦業(yè)集團(tuán)曾被列入全國(guó)16個(gè)重災(zāi)區(qū)之中。為此，吉林煤礦安全監(jiān)察局所轄國(guó)有重點(diǎn)煤礦均建立了多種災(zāi)害監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，但各種監(jiān)測(cè)系統(tǒng)管理比較分散，導(dǎo)致省局在各個(gè)礦井隱患、危險(xiǎn)情況的及時(shí)掌握方面極為不便，對(duì)于監(jiān)管監(jiān)察工作的開(kāi)展十分不利。本文開(kāi)展了“吉林省煤礦重大災(zāi)害聯(lián)網(wǎng)預(yù)警分析技術(shù)及系統(tǒng)”研究，構(gòu)建煤礦重大災(zāi)害監(jiān)測(cè)聯(lián)網(wǎng)分析預(yù)警系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了吉林省煤礦企業(yè)重大災(zāi)害監(jiān)測(cè)、監(jiān)控及預(yù)警系統(tǒng)數(shù)據(jù)的聯(lián)網(wǎng)、集成和統(tǒng)一管理。

現(xiàn)場(chǎng)考察、調(diào)研了吉林省主要煤礦企業(yè)(龍家堡煤礦、江源煤礦、板石煤礦、八連城煤礦、營(yíng)城礦、西安礦、羊草一礦、羊草二礦、道清礦)在沖擊地壓、二氧化碳突出、煤與瓦斯突出、采空區(qū)自然發(fā)火幾個(gè)重點(diǎn)災(zāi)害方面已經(jīng)建成的自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)以及預(yù)警系統(tǒng)，分析其工作原理和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)以及存儲(chǔ)方式，開(kāi)發(fā)數(shù)據(jù)采集及傳輸接口，建立了分布式數(shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)重大災(zāi)害數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程采集、傳輸及集成存儲(chǔ)、預(yù)警結(jié)果發(fā)布[1-4]。

1 技術(shù)原理

依據(jù)《煤礦安全規(guī)程》《防治煤與瓦斯突出細(xì)則》等法規(guī)和規(guī)定，在全面收集各礦井重大災(zāi)害記錄、概況資料、日常測(cè)定參數(shù)基礎(chǔ)上，詳細(xì)分析各礦井災(zāi)害防治管理模式全過(guò)程，結(jié)合大量煤礦災(zāi)害事故案例，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)、統(tǒng)計(jì)、擬合、計(jì)算和分析[5-6]，分別建立采空區(qū)自然發(fā)火風(fēng)險(xiǎn)、沖擊地壓風(fēng)險(xiǎn)、瓦斯突出風(fēng)險(xiǎn)、二氧化碳突出風(fēng)險(xiǎn)防控評(píng)價(jià)模型?；诖?，確定具體的預(yù)警指標(biāo)和規(guī)則，并應(yīng)用于各類災(zāi)害監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)計(jì)算、分析，及時(shí)生成預(yù)警結(jié)果。最終對(duì)各類災(zāi)害的預(yù)警結(jié)果進(jìn)行綜合的安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)。

2 系統(tǒng)架構(gòu)

將吉林省內(nèi)煤與瓦斯(二氧化碳)突出、沖擊地壓礦井和部分采空區(qū)易自然發(fā)火礦井進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)聯(lián)網(wǎng)分析，實(shí)現(xiàn)災(zāi)害礦井風(fēng)險(xiǎn)分析預(yù)警。對(duì)8處易自然發(fā)火礦井采空區(qū)氣體參數(shù)指標(biāo)進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)分析，對(duì)龍嘉堡煤礦等3處存在沖擊地壓、煤與瓦斯突出、煤(巖)與二氧化碳突出礦井的監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)分析預(yù)警[7]。具體包括：礦井?dāng)?shù)據(jù)上傳聯(lián)網(wǎng)工程，吉林省重大災(zāi)害數(shù)據(jù)中心建設(shè)、束管監(jiān)測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集服務(wù)開(kāi)發(fā)、微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采集服務(wù)開(kāi)發(fā)、瓦斯(二氧化碳)突出預(yù)警系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集服務(wù)開(kāi)發(fā)、重大災(zāi)害綜合預(yù)警分析服務(wù)開(kāi)發(fā)、煤礦重大災(zāi)害監(jiān)測(cè)聯(lián)網(wǎng)分析預(yù)警網(wǎng)站平臺(tái)開(kāi)發(fā)。系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)

3 聯(lián)網(wǎng)工程

系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。在各礦安裝礦端前置機(jī)，微震監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)主機(jī)、二氧化碳突出預(yù)警系統(tǒng)主機(jī)、煤與瓦斯突出預(yù)警系統(tǒng)主機(jī)、束管監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主機(jī)通過(guò)煤礦辦公局域網(wǎng)絡(luò)與上傳前置機(jī)連接[8]，前置機(jī)通過(guò)VPN與吉林省煤監(jiān)局重大災(zāi)害監(jiān)測(cè)分析預(yù)警系統(tǒng)服務(wù)器連接，預(yù)警系統(tǒng)服務(wù)器通過(guò)internet連接阿里云服務(wù)器進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)同步，預(yù)警網(wǎng)站平臺(tái)安裝于阿里云服務(wù)器。吉林煤礦安全監(jiān)察局個(gè)人辦公計(jì)算機(jī)以及手機(jī)、平板移動(dòng)終端通過(guò)煤監(jiān)局辦公網(wǎng)絡(luò)或internet訪問(wèn)聯(lián)網(wǎng)分析預(yù)警網(wǎng)站平臺(tái)。

圖2 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

4 系統(tǒng)部署結(jié)構(gòu)及重大災(zāi)害數(shù)據(jù)中心建設(shè)

系統(tǒng)部署結(jié)構(gòu)如圖3所示。數(shù)據(jù)采集服務(wù)安裝于各礦數(shù)據(jù)上傳前置機(jī)，從監(jiān)控系統(tǒng)、預(yù)警系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)中自動(dòng)、實(shí)時(shí)、完整地采集數(shù)據(jù)，并根據(jù)數(shù)據(jù)類別轉(zhuǎn)存到各個(gè)集成數(shù)據(jù)庫(kù)中。數(shù)據(jù)分析及預(yù)警服務(wù)安裝于吉林煤礦安全監(jiān)察局服務(wù)器從復(fù)合災(zāi)害監(jiān)察預(yù)警各子數(shù)據(jù)庫(kù)中讀取采集的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，通過(guò)預(yù)警指標(biāo)和預(yù)警規(guī)則進(jìn)行實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)的綜合計(jì)算，分析得出預(yù)警結(jié)果并存入復(fù)合災(zāi)害監(jiān)察預(yù)警綜合數(shù)據(jù)庫(kù)中。復(fù)合災(zāi)害監(jiān)察預(yù)警網(wǎng)站平臺(tái)從綜合數(shù)據(jù)庫(kù)中讀取實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)及預(yù)警分析結(jié)果進(jìn)行展示。

圖3 數(shù)據(jù)庫(kù)及系統(tǒng)部署結(jié)構(gòu)

選用SQL Server 2016數(shù)據(jù)庫(kù)引擎，采用分布式存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)，建立微震監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)庫(kù)、二氧化碳突出預(yù)警信息數(shù)據(jù)庫(kù)、瓦斯突出預(yù)警信息數(shù)據(jù)庫(kù)、束管監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)庫(kù)、風(fēng)險(xiǎn)管控平臺(tái)信息數(shù)據(jù)庫(kù)、綜合預(yù)警信息集成數(shù)據(jù)庫(kù)，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)依據(jù)實(shí)際的數(shù)據(jù)特性進(jìn)行設(shè)計(jì)。歷史數(shù)據(jù)采用存儲(chǔ)過(guò)程按月自動(dòng)動(dòng)態(tài)建立數(shù)據(jù)表進(jìn)行存儲(chǔ)，用于保存從各個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)采樣的監(jiān)測(cè)信息、瓦斯災(zāi)害預(yù)警系統(tǒng)分析結(jié)果、瓦斯災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)管控平臺(tái)集成數(shù)據(jù)以及預(yù)警指標(biāo)分析結(jié)果，綜合預(yù)警分析結(jié)果信息等。

5 系統(tǒng)建設(shè)

5.1 數(shù)據(jù)采集傳輸服務(wù)

采用.Net Framework 4.5框架開(kāi)發(fā)，采用Windows服務(wù)模式自動(dòng)運(yùn)行，分析分布于各個(gè)礦井的束管監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、二氧化碳突出預(yù)警系統(tǒng)、煤與瓦斯突出預(yù)警系統(tǒng)、瓦斯風(fēng)險(xiǎn)管控平臺(tái)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，從其數(shù)據(jù)庫(kù)中自動(dòng)、實(shí)時(shí)、完整地采集數(shù)據(jù)和濾噪，并根據(jù)數(shù)據(jù)類別轉(zhuǎn)存到復(fù)合災(zāi)害監(jiān)察預(yù)警數(shù)據(jù)各子數(shù)據(jù)庫(kù)中。服務(wù)管理界面具備控制服務(wù)的啟動(dòng)、停止、運(yùn)行日志查詢等功能。具體數(shù)據(jù)采集內(nèi)容見(jiàn)表1。

表1 數(shù)據(jù)采集內(nèi)容

5.2 數(shù)據(jù)分析及預(yù)警分析服務(wù)

考察礦井日常測(cè)定數(shù)據(jù)與災(zāi)害監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)間的關(guān)系，以綜合預(yù)警技術(shù)研究為核心，按照科學(xué)性、系統(tǒng)性、超前性和可行性原則，建立起多因素、多指標(biāo)的綜合預(yù)警體系。整個(gè)預(yù)警指標(biāo)體系框架包括頂板、火、瓦斯、二氧化碳4個(gè)方面，參考礦井實(shí)際運(yùn)用的災(zāi)害超限、預(yù)警分析方法建立預(yù)警指標(biāo)庫(kù)、規(guī)則庫(kù)，并確定各個(gè)指標(biāo)的臨界值[9-11]。瓦斯災(zāi)害預(yù)警主要指標(biāo)見(jiàn)表2。

表2 瓦斯突出預(yù)警主要指標(biāo)

5.3 聯(lián)網(wǎng)分析預(yù)警網(wǎng)站平臺(tái)

網(wǎng)站具備異常信息實(shí)時(shí)發(fā)布滾動(dòng)頁(yè)面，用于實(shí)時(shí)滾動(dòng)顯示各個(gè)礦井各個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)、預(yù)警系統(tǒng)的異常信息。網(wǎng)站采用大數(shù)據(jù)風(fēng)格對(duì)整個(gè)吉林省實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)主要煤礦分礦井分監(jiān)控系統(tǒng)、預(yù)警系統(tǒng)類別進(jìn)行顯示。功能結(jié)構(gòu)如圖4所示[12]。

圖4 聯(lián)網(wǎng)分析預(yù)警網(wǎng)站平臺(tái)功能結(jié)構(gòu)

開(kāi)發(fā)數(shù)據(jù)分析及預(yù)警分析服務(wù)將指標(biāo)和規(guī)則模型嵌入到軟件中，并開(kāi)發(fā)用戶UI針對(duì)不同礦井實(shí)現(xiàn)預(yù)警指標(biāo)進(jìn)行靈活選取以及指標(biāo)參數(shù)、預(yù)警規(guī)則、臨界值設(shè)置。

具體分為以下模塊：①主頁(yè)。顯示吉林煤監(jiān)局所轄礦井的綜合風(fēng)險(xiǎn)評(píng)級(jí)及各礦井各類災(zāi)害的預(yù)警狀態(tài)，各個(gè)礦井聯(lián)網(wǎng)狀態(tài)等綜合信息。②微震監(jiān)測(cè)模塊。龍家堡煤礦微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)展示、查詢、統(tǒng)計(jì)、曲線展示[13]。③瓦斯及二氧化碳突出預(yù)警模塊。實(shí)時(shí)顯示礦井各個(gè)關(guān)注工作面的預(yù)警結(jié)果，具備監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的查詢、曲線展示功能，具備預(yù)警指標(biāo)的選取、指標(biāo)相關(guān)參數(shù)、預(yù)警規(guī)則的設(shè)置界面，具備瓦斯?jié)舛惹€、指標(biāo)曲線、濃度和指標(biāo)對(duì)比曲線組、預(yù)警結(jié)果統(tǒng)計(jì)圖的展示，歷史預(yù)警結(jié)果的查詢、報(bào)表打印功能[14-15]。④束管監(jiān)測(cè)模塊。對(duì)吉林省8對(duì)礦井的束管監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的共性功能進(jìn)行分析，利用通用界面，顯示各礦各個(gè)采樣位置的氮?dú)狻⒀鯕?、甲烷、二氧化碳、一氧化碳、乙烯、乙炔、硫化氫?shí)時(shí)數(shù)據(jù)，提供采集器狀態(tài)、歷史數(shù)據(jù)的查詢功能，提供監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表、統(tǒng)計(jì)報(bào)表的打印功能。

6 結(jié)語(yǔ)

利用當(dāng)前主流的數(shù)據(jù)庫(kù)引擎、軟件開(kāi)發(fā)技術(shù)建立了吉林省煤礦重大災(zāi)害聯(lián)網(wǎng)預(yù)警分析系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了針對(duì)吉林煤監(jiān)局所轄9對(duì)主要礦井瓦斯、二氧化碳、火、頂板4大災(zāi)害的煤與瓦斯(二氧化碳)突出預(yù)警系統(tǒng)、束管監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的集中聯(lián)網(wǎng)及數(shù)據(jù)傳輸。建立了重大災(zāi)害數(shù)據(jù)中心，將各類災(zāi)害的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了集中存儲(chǔ)。針對(duì)各類災(zāi)害研究了一套風(fēng)險(xiǎn)管控評(píng)價(jià)模型，并確定了相應(yīng)的預(yù)警規(guī)則和指標(biāo)。開(kāi)發(fā)了重大災(zāi)害預(yù)警分析網(wǎng)站平臺(tái)對(duì)個(gè)礦監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)、聯(lián)網(wǎng)狀態(tài)進(jìn)行顯示，對(duì)各類災(zāi)害的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、指標(biāo)計(jì)算結(jié)果、預(yù)警分析結(jié)果進(jìn)行動(dòng)態(tài)展示。借助阿里云服務(wù)技術(shù)使吉林省煤監(jiān)局監(jiān)察人員避免了局域網(wǎng)絡(luò)的限制，隨時(shí)隨地接收和查詢各類災(zāi)害實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)。為煤礦安全監(jiān)管監(jiān)察提供了有效輔助工具及手段，實(shí)現(xiàn)了整個(gè)吉林省礦井重大災(zāi)害整體的提前預(yù)警和超前防控，對(duì)提升煤礦災(zāi)害防治的信息化與自動(dòng)化水平，杜絕安全事故的發(fā)生有重要意義。