第45卷第4期能源与环保Vol．45No.42023年4月ChinaEnergyandEnvironmentalProtectionApr．2023收稿日期:2022－10－25;责任编辑:刘欢欢DOI:10．19389/j．cnki．1003－0506．2023．04．041基金项目:国家重点研发计划资助(2018YFC0808305)作者简介:兰海平(1965—)，男，重庆人，高级工程师，1986年毕业于重庆大学，主要从事煤矿设计、煤炭开采、安全工程等方面的研究工作，现任盘江煤电集团董事长。引用格式:兰海平．煤矿瓦斯抽采与发电多源监测系统设计［J］．能源与环保，2023，45(4):260-264．LanHaiping．Designofmulti-sourcemonitoringsystemforgasdrainageandpowergenerationincoalmines［J］．ChinaEnergyandEnvironmen-talProtection，2023，45(4):260-264．煤矿瓦斯抽采与发电多源监测系统设计兰海平(贵州盘江煤电集团有限责任公司，贵州贵阳550002)摘要:为了解决煤矿瓦斯利用补助资金管理过程中可能存在的数据失真、缺乏监管手段等难题，通过瓦斯赋存动态监测、瓦斯抽采闭环监测、瓦斯发电流量和状态监测研发煤矿瓦斯抽采与发电多源数据监测系统表明，将瓦斯含量测定数据输入基于GIS的瓦斯地质智能分析模块，采用微积分方式得到抽采区块精确的可抽采和剩余瓦斯储量数据;实时监测和采集瓦斯抽采浓度、流量、纯量等参数，通过钻孔工程管控对瓦斯抽采计量进行辅助闭环评估，从中发现有无明显多报、错报事故;系统可经过相邻矿井数据对比、多源数据的关联性特征分析，进行单井瓦斯抽采和发电利用数据异常诊断。系统可为企业瓦斯抽采和发电补助资金的兑现提供依据。关键词:瓦斯抽采;瓦斯发电;可抽采总量;钻孔工程;信息融合中图分类号:TD76文献标志码:A文章编号:1003－0506(2023)04－0260－05Designofmulti-sourcemonitoringsystemforgasdrainageandpowergenerationincoalminesLanHaiping(GuizhouPanjiangCoalPowerGroupCo．，Ltd．，Guiyang550002，China)Abstract:Inordertosolvetheproblemsofdatadistortionandlackofsupervisionmeansthatmayexistintheprocessofcoalminegasutilizationsubsidyfundmanagement，amulti-sourcedatamonitoringsystemforcoalminegasdrainageandpowergenerationisdevel-opedthroughgasstoragedynamicmonitoring，gasdrainageclosed-loopmonitoring，gaspowergenerationflowandstatemonitoring．TheresultsshowthatthegascontentmeasurementdataisinputintotheGISbasedgasgeologyintelligentanalysismodule．Theprecisedataofextractableandresidualgasreservesinthepumpingblockareobtainedbycalculus;monitorandcollectparameterssuchasgasex-tractionconcentration，flowandpurityinrealtime，andconductauxiliaryclosed-loopevaluationongasextractionmeasurementthroughdrillingengineeringcontrol，soastofindoutwhetherthereareobviousoverreportingandfalsereportingaccidents．Thesystemcandiag-nosetheabnormaldataofsinglewellgasextractionandpowergenerationbycomparingthedataofadjacentminesandanalyzingthecorrelationcharacteristicsofmulti-sourcedata．Thedesignandapplicationofthesystemprovideabasisfortherealizationofthesubsidyfundsforgasextractionandpowergeneration．Keywords:gasextraction;gaspowergeneration;totalextractablequantity;drillingengineering;informationfusion煤矿瓦斯抽采不仅是我国新能源开发利用的重要内容，还肩负煤矿瓦斯治理、减少煤矿事故的责任，仅靠企业和市场化还不够，产业发展慢。2013年国务院办公厅印发了《国务院办公厅关于进一步加快煤层气(煤矿瓦斯)抽采利用的意见》(国办发［2013］93号)，对瓦斯抽采和发电利用企业给予一定的补助［1-2］，促进煤矿瓦斯抽采利用产业发展。贵州省煤炭资源总量2588亿t，煤炭保有储量549．0亿t，瓦斯储量3．15万亿m3。近些年，贵州省以瓦斯发电利用推动瓦斯治理，增强矿井安全生产、节约能源消耗、改变社会能源消费结构、减少有害气体排放和推动社会和谐发展，瓦斯利用工作得到很大改善，瓦斯发电企业不断增多，财政补助规模不断扩大。然而，瓦斯利用财政补助政策执行过程中仍存在大量问题［3-5］，比如瓦斯抽采和利用计量不准、瓦斯发电信息孤立，甚至出现弄虚作假情况等，给相·062·2023年第4期兰海平:煤矿瓦斯抽采与发电多源监测系统设计第45卷关补助和管理工作带来很多困难，造成财政补助资金使用有可能存在漏洞［6-8］。因此科学性的、可验证性的基础数据分析，成为瓦斯发电财政补助的必然需求［9-11］。在此背景下，迫切需要建立煤矿瓦斯发电多源综合监测系统，通过多渠道、多手段、多源信息对瓦斯抽采利用数据进行交叉验证［12-13］。同时，提供数据查询、统计、分类、类比、计算等大数据分析常规工具，亦能通过网站、短信、APP、大屏幕等方式及时输出异常信息。系统实现瓦斯抽采和瓦斯发电利用信息的“来源可查、去向可追、规律可循”，为瓦斯抽采利用补助资金的精准发放、规范管理保驾护航。1系统架构、功能设计和数据判识准则1．1考察数据的收集系统架构简单，紧紧围绕数据对比与处理为主，采用监控数据和人工录入相结合，进行数据对比分析，验证瓦斯抽采与发电数据合理性。系统采用云服务器+GIS应用服务器+数据库服务器联合运转方式，形成数据层、数据处理层和扩展应用层架构，如图1所示。数据层以采集和存储数据为主，通过云服务器采集矿端瓦斯抽采监控数据、瓦斯发电监控数据，通过GIS应用服务器采集瓦斯赋存数据(瓦斯含量、煤层厚度、抽采区块面积等)，通过数据库服务器存储海量数据，采用规模化服务器集群，配置超过5年大容量存储空间，并支持后续扩展。图1系统架构简图Fig.1Systemarchitecturediagram1．2系统功能设计煤矿瓦斯抽采与发电多源综合监测管理系统研发目的是通过多源数据交叉验证瓦斯抽采与发电数据的可靠性［14-16］，因此系统功能围绕数据监测、数据对比分析和扩展应用进行设计。(1)监测模块。①瓦斯动态赋存动态监测，实时监测矿井瓦斯可抽采瓦斯赋存状态;②瓦斯抽采闭环监测，从抽采流量计量和钻孔工程两方面监测瓦斯抽采量;③瓦斯发电流量与状态监测，监测瓦斯用量和发电量，提示发电机组运行状态。(2)数据处理模块和支持性数据库。提供厂级性能的计算和分析，以人工校正、多源信息融合的数据为基础，聚焦信息综合集成与融合、大数据分析、异常风险预判、数据闭环诊断。1．3抽采与发电数据合理性判识规则首先进行抽采区块原始瓦斯含量测定，将测定结果人工录入基于GIS的瓦斯地质分析软件，进行原始瓦斯储量智能计算，瓦斯抽采量小于原始瓦斯储量将进行下一步分析对比;矿井抽采达标后，进行抽采区块剩余瓦斯含量测定，计算抽采区块可采瓦斯储量和剩余瓦斯储量的差值，若大于瓦斯抽采量将进行下一步分析对比;最后，若瓦斯抽采量大于瓦斯利用量，表示抽采与发电数据合理。抽采与发电数据合理性判识规则如图2所示。图2抽采与发电数据合理性判识规则Fig.2Ｒationalityjudgmentrulesforextractionandpowergenerationdata2瓦斯抽采与发电多源综合监测2．1瓦斯赋存动态监测抽采的瓦斯总量是瓦斯发电的上游数据［12］，掌握抽采了多少瓦斯，也就知道瓦斯发电的数据上限。而抽采的瓦斯总量取决于矿井实际动态变化的可抽·162·2023年第4期能源与环保第45卷采量，因此应首先进行矿井可抽采瓦斯总量动态监测［17-18］。在煤层含气量下限标准界限区域内，瓦斯资源储量计算主要采用体积法［14］，其精度主要取决于瓦斯含量和煤层赋存参数的精度和数量。体积法的计算公式为:Gγ=0．01AhDCadＲf其中，Gγ为抽采区块可采瓦斯储量，108m3;A为煤层含气面积;h为煤层净厚度;D为煤的空气干燥基质量密度(煤的容重);Cad为煤的空气干燥基含气量;Ｒf为采收率。以上参数中，随着抽采和生产实时变化较大的为煤的瓦斯含量空气干燥基含气量［15］，即应实时监测瓦斯含量。目前煤矿瓦斯含量井下直接测定技术与装备已普遍应用多年，参数测定时间短、精度高［16］，其能够实时监测瓦斯剩余含量，掌握瓦斯赋存变化情况，智能绘制瓦斯剩余含量云图。把矿井划分无限个小区块进行瓦斯可抽采储量计算，每个小区块瓦斯含量对应瓦斯可抽采量，利用微积分计算获得矿井瓦斯可抽采总量，进而智能描绘动态的瓦斯可抽采总量等值线图或云图，如图3所示。图3矿井瓦斯可抽采量云图Fig.3Clouddiagramofgasextractablevolumeinthemine贵州省含煤盆地多，煤层赋存条件复杂，煤层气采收率(Ｒf)不尽相同。煤层气采收率需要与已开发气田或邻近气田的地质参数和工程参数进行类比，邻近同一地质单元矿井采收率不宜相差悬殊。2．2瓦斯抽采闭环监测瓦斯抽采闭环监测包括单矿井抽采量计量、钻孔工程量统计。通过实时监测和采集瓦斯抽采浓度、流量、纯量等参数，并提供图表统计、实时访问、历史查询、在线干预等功能，实现对瓦斯抽采数据的在线分析与管理。针对瓦斯抽采利用流量计量误差问题，煤矿企业必须定期对计量装置进行人工校正，并将人工计量校检记录和结果上传，管理部门定期抽查检验，确保计量装置计量数据的准确性。钻孔工程量一定程度上反映了瓦斯抽采量，因此可通过钻孔工程管控对瓦斯抽采计量进行辅助闭环评估［19］，从中发现有无明显多报、错报事故。通过建立瓦斯抽采量评估模型［20］，获得钻孔工程瓦斯抽采量的评估区间值，与监测计量计算结果进行对比，即瓦斯抽采计量计算结果不能大于钻孔工程评估区间值最大值。抽采钻孔工程信息应做到井下—煤矿—企业信息同步化，实时获取钻孔空间位置、抽采浓度、钻孔流量等参数，实现井下与地面抽采钻孔全程可视化掌控。目前，千米钻机、定向钻机、钻孔轨迹测量技术已愈趋成熟，对矿井关键层位的控制方面已取得突破性的进展。为过程化管控钻孔工程量，可通过轨迹测量装置、定向钻机等自动化上传钻孔轨迹，通过软件系统实时成图。另外，也可以通过手动绘制的方式上传钻孔布置情况。系统利用专业工具和软件系统对矿井上传的瓦斯抽采钻孔信息进行系统分析和信息化管理，通过导入钻孔轨迹采集数据及手工录入钻孔布置参数，对煤岩体中抽采钻孔信息进行分析整合，形成多色渐变图来表征钻孔分布情况，系统诊断钻孔工程量合理性。2．3瓦斯发电流量和状态监测我国瓦斯发电机组单位瓦斯(纯甲烷)发电量的设计值3．8～4．2kWh/m3，实际值为2．66kWh/m3左右。系统对瓦斯发电站输入端的瓦斯抽采浓度、瓦斯利用量、瓦斯发电量等数据进行实时监测和采集。瓦斯发电流量和状态监控包括对发电机组运行状态的监测和对燃气管路运行参数的监测。通过监测发电机组的电压、电流、功率、功率因数以及电网电压等参数来监测发电机组的运行状态和发电效率;通过监测燃气管路的管路瓦斯流量、瓦斯浓度、管路压力等来掌握管路运行状态和进入发电机组的瓦斯量数据。系统自动采集发电机组和燃气管路的运行数据，能将运行数据通过曲线实现显示。并提供数据分析功能，包括数据对比、历史数据查询、数据统计、异常状态报警等。还能将监测数据生成报表，根据实际需求进行查询、打印输出和调用等。3基于多源信息融合的数据应用分析系统建立瓦斯抽采、瓦斯发电利用监测数据存储中心，建立瓦斯可抽采总量、抽采量、钻孔工程量、发电瓦斯利用量等参数统一的数据结构，按矿井井·262·2023年第4期兰海平:煤矿瓦斯抽采与发电多源监测系统设计第45卷口坐标将数据投影在贵州省瓦斯抽采利用监测管理系统地理地图上。系统借助大数据常用分析方法，例如关联分析、多维分析、趋势分析、聚类分析等，既可以实时监测可抽采总量情况，也可以掌握各区域钻孔工程实施进度，实时查询瓦斯抽采监控数据、瓦斯发电利用监控数据，对瓦斯抽采和发电利用数据出现异常情况进行实时预警。以贵州大方县绿塘煤矿为例，抽采区块面积0．13km2，煤层厚度平均1．4m，煤的密度1．38m3/t，抽采区块瓦斯赋存瓦斯含量平均由6．3m3/t降至4．4m3/t，瓦斯赋存变化量计算约47．72×104m3;2022年6月26日至7月25日4套机组瓦斯发电总量为525271W，瓦斯抽采量C为39．9509×104m3，瓦斯利用量D为27．3403×104m3。多源监测信息主要包括瓦斯可抽采总量、瓦斯抽采量、发电瓦斯利用量等相关监测参数，应符合以下公式规律:Gγ-Gs=47．72×104m3＞C=39．9509×104m3＞D=27．3403×104m3。其中，瓦斯抽采系统监控数据不得大于瓦斯可抽采总量监测数据和钻孔工程参数反算数据，计量人工校检频率不得少于管理部门规定次数。系统可经过分析对比相邻矿井数据、瓦斯抽采计量数据、瓦斯发电利用计量数据的关联性特征，进行单井瓦斯抽采计量异常诊断，利用单井瓦斯发电数据进行异常诊断，对异常信息或设备异常进行预警。系统信息采集、融合以安全、高效、智能3个层面提高煤矿生产管理水平。从安全层面看，全面感知抽采利用信息，提升闭环管理数据可靠性;感知设备健康状况，实现设备的预知维修;感知煤矿与临矿、环境之间的数据对比，实现被动式数据保障。从高效层面看，通过系统的协同优化控制，实现瓦斯抽采利用信息集中管理以及信息多渠道高效获取和发布。从智能层面看，对数据异常能够智能诊断与预警，对已经抽采的瓦斯的利用率进行实时监测和阶段统计，利用瓦斯发电量、瓦斯利用量的比值对瓦斯发电机组的运行状况进行监控与分析，实现瓦斯抽采利用的智能调度与决策。4结论和展望基于瓦斯赋存动态评估的瓦斯可抽采总量智能监测，从宏观上控制瓦斯抽采利用总量的合理性;通过钻孔工程管控对瓦斯抽采计量进行辅助闭环评估，从中发现有无明显多报、错报事故;监测和采集抽采泵进入端、输出端的瓦斯抽采浓度、流量、纯量等实时数据，监测和采集瓦斯利用发电站输入端的瓦斯发电量、瓦斯利用量等实时数据，为管理部门技术人员提供实时访问、历史查询、在线干预等手段;利用可靠设备对计量装置进行人工校正，并将人工计量校检记录和结果上传，解决瓦斯抽采利用流量计量普遍存在误差问题;全面感知抽采利用信息，诊断设备健康状况、瓦斯抽采利用状况，实现贵州省瓦斯抽采利用的智能调度与决策。参考文献(Ｒeferences):［1］王国法，张铁岗，王成山，等．基于新一代信息技术的能源与矿业治理体系发展战略研究［J］．中国工程科学，2022，24(1):176-189．WangGuofa，ZhangTiegang，WangChengshan，etal．Ｒesearchondevelopmentstrategyofenergyandmininggovernancesystembasedonnewgenerationinformationtechnology［J］．StrategicStud-yofCAE，2022，24(1):176-189．［2］袁亮．我国煤矿安全发展战略研究［J］．中国煤炭，2021，47(6):1-6．YuanLiang．ＲesearchonChina'scoalminesafetydevelopmentstrategy［J］．ChinaCoal，2021，47(6):1-6．［3］刘见中，孙海涛，雷毅，等．煤矿区煤层气开发利用新技术现状及发展趋势［J］．煤炭学报，2020，45(1):258-267．LiuJianzhong，SunHaitao，LeiYi，etal．Currentsituationandde-velopmenttrendofnewtechnologiesforthedevelopmentandutili-zationofcoalbedmethaneincoalminingareas［J］．JournalofChi-naCoalSociety，2020，45(1):258-267．［4］张庆华，王麒翔．全国煤矿瓦斯基础信息数据库平台［J］．煤矿安全，2016，47(10):93-96．ZhangQinghua，WangQixiang．Nationalcoalminegasbasicinfor-mationdatabaseplatform［J］．SafetyinCoalMines，2016，47(10):93-96．［5］廉常军．小型煤矿低浓度瓦斯发电技术及应用效果研究［J］．能源与环保，2020，42(3):96-99．LianChangjun．Ｒesearchonlowconcentrationgaspowergenera-tiontechnologyandapplicationeffectinsmallcoalmines［J］．Chi-naEnergyandEnvironmentalProtection，2020，42(3):96-99．［6］张鹏．贵州省级瓦斯抽采与发电移动监测平台设计［J］．煤矿安全，2020，51(8):100-103．ZhangPeng．DesignofGuizhouprovincialgasextractionandpowergenerationmobilemonitoringplatform［J］．SafetyinCoalMines，2020，51(8):100-103．［7］刘春峰，杨凌霄．孔板流量计在煤矿瓦斯抽采计量中的应用及常见问题分析［J］．煤矿安全，2017，48(11):175-178．LiuChunfeng，YangLingxiao．Applicationoforificeflowmeterincoalminegasdrainageandmeteringandanalysisofcommonprob-lems［J］．SafetyinCoalMines，2017，48(11):175-178．［8］齐仁龙，杨绪华，李大海．基于工业以太网的太阳能发电监测系统的设计［J］．仪表技术与传感器，2019(12):69-72．QiＲenlong，YangXuhua，LiDahai．Designofsolarpowergenera-tionmonitoringsystembasedonIndustrialEthernet［J］．InstrumentTechnologyandSensors，2019(12):69-72．［9］张超林，许江，彭守建，等．钻孔数量对瓦斯抽采量及抽采时间·362·2023年第4期能源与环保第45卷的影响［J］．中国矿业大学学报，2019，48(2):287-294．ZhangChaolin，XuJiang，PengShoujian，etal．Influenceofthenumberofboreholesongasextractionvolumeandextractiontime［J］．JournalofChinaUniversityofMiningandTechnology，2019，48(2):287-294．［10］李博．新能源发电集中运行监控对策分析［J］．中国战略新兴产业，2018(36):11．LiBo．Analysisofmonitoringcountermeasuresforcentralizedoper-ationofnewenergypowergeneration［J］．ChinaStrategicEmer-gingIndustry，2018(36):11．［11］唐江波，肖露．瓦斯发电管理系统设计分析［J］．矿业安全与环保，2017，44(3):90-94．TangJiangbo，XiaoLu．Designandanalysisofgaspowergenerationmanagementsystem［J］．MiningSafety＆EnvironmentalProtec-tion，2017，44(3):90-94．［12］何章玮．电力设备状态监测数据融合算法分析［J］．能源与环保，2022，44(5):162-167．HeZhangwei．Analysisofdatafusionalgorithmforpowerequip-mentconditionmonitoring［J］．ChinaEnergyandEnvironmentalProtection，2022，44(5):162-167．［13］韩丁，白宏坤，王圆圆，等．能源大数据中心建设标准框架体系研究［J］．能源与环保，2022，44(5):216-224．HanDing，BaiHongkun，WangYuanyuan，etal．Ｒesearchonthestandardframeworksystemofenergybigdatacenterconstruction［J］．ChinaEnergyandEnvironmentalProtection，2022，44(5):216-224．［14］陈刚．贵州省瓦斯安全数据云平台设计与应用［J］．煤矿机械，2017，38(4):9-11．ChenGang．DesignandapplicationofGuizhougassafetydatacloudplatform［J］．CoalMineMachinery，2017，38(4):9-11．［15］傅国廷，李波．煤矿瓦斯抽采监测准确计量技术应用［J］．煤炭科学技术，2016，44(7):64-68．FuGuoting，LiBo．Applicationofaccuratemeasurementtechnologyincoalminegasdrainagemonitoring［J］．CoalScienceandTech-nology，2016，44(7):64-68．［16］张庆华．山西省瓦斯抽采全覆盖智能管控大数据平台［J］．煤矿安全，2018，49(8):84-87．ZhangQinghua．ShanxiProvincegasextractionfullcoverageintel-ligentcontrolbigdataplatform［J］．SafetyinCoalMines，2018，49(8):84-87．［17］王麒翔．防突预警系统在东李煤矿的应用及效果分析［J］．能源与环保，2021，43(7):209-214．WangQixiang．Applicationan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