由于煤矿工况环境恶劣，因此在瓦斯智能抽采领域的研究大多还处于探索阶段。针对目前煤矿瓦斯智能抽采系统存在子系统分散、瓦斯抽采业务管理覆盖不全等问题，本期推文介绍了一种基于工业互联网架构的煤矿瓦斯智能抽采管控系统。采用数据采集、规则引擎、机器视觉算法等技术实现瓦斯抽采全流程精细化、智能化管控，以提高矿井瓦斯抽采的信息化和智能化水平。
1# 穿层瓦斯抽采钻孔 智能设计方法
    设计原则
1、可操作性原则
    钻孔设计应当考虑到实际打钻过程中的钻机位置与巷道两帮的位置情况，受二者相对位置的影响，钻孔开孔位置不宜距巷道壁过近，并且由于钻机打钻角度范围有限，设计的钻孔倾角不宜过小。
2、规范性原则
    设计得出的钻孔参数应当满足《防治煤与瓦斯突出细则》和《煤矿瓦斯抽采达标暂行规定》的钻孔设计标准。
3、灵活性原则
    煤层起伏过大严重影响到工作面的钻孔设计，煤层起伏较大的局部区域，1 种剖面设计覆盖局部区域容易出现部分区域设计不合理的情况。根据煤层底板的起伏情况，软件可以实现剖面的灵活添加和减少，以满足钻孔资源的合理利用，使得瓦斯抽采效果最大化。
    设计流程
1、参数录入
    首先是根据煤层底板等高线图中等高线的起伏程度确定煤层的剖面个数，选择的剖面个数越多，获得的煤层底板的点位信息越多，拟合出的三维模型精度越高，钻孔设计也更加合理，结合已有的图纸资料获得底抽巷以及上下顺槽的位置信息，通过以上数据结合矿井实际情况确定钻孔设计的上下控制边界以及底抽巷的控制范围进行钻孔设计。
2、单个剖面钻孔参数计算
    钻孔布置的空间状态数学模型建设主要使用Shapely 库完成，Shapely 是基于笛卡尔坐标的几何对象操作和分析的 Python 库，底层基于 GEOS 和 JTS 库，可以实现几何线段的平移、偏移以及相交等操作，计算设计过程中所需的数据。
    1) 剖面图的设计依次对 2 条底抽巷进行钻孔设计，钻孔起始位置即为底抽巷顶部的三维坐标位置，终孔位置由钻孔计算模型计算得到。
    2) 单条底抽巷的设计采用沿煤层倾向方向由两端向中间聚拢的顺序进行设计，上下两端即为所在底抽巷的控制范围边界。
    3) 单侧钻孔的排布方式采用“先偏移再平移”的方法，由底抽巷位置连接至边界的钻孔即为设计的首号钻孔，首号钻孔向内侧偏移 1 个抽放半径的距离，偏移之后的钻孔线会与煤层顶板产生 1 个交点，从该交点沿煤层平移 1 个抽放半径的距离，由此获得的“首号钻孔”与煤层顶板的交点即为 2 号钻孔的出煤点，以此类推可以得到一侧钻孔排布结果。
    4) 同样的方式对另一侧钻孔进行排布设计，随着出煤点由两端逐渐向中间逼近，钻孔的倾角随之增大，在特殊的煤层倾角情况下需要防止控制范围的中间位置出现设计盲区，经系统判定出现设计盲区则需要由底抽巷垂直向煤层方向设计 1 个钻孔，即可以达到无设计盲区的效果。至此可以得出完全的单个剖面的钻孔位置信息。钻孔排布模型如图 1 所示。

图 1 钻孔排布示意

3、全剖面钻孔参数计算
    单个剖面的覆盖范围受剖面个数的影响，依据单剖面覆盖范围可以得出所有剖面的钻孔参数信息，单个钻场采用双列排布的方式，2 列钻场间距为 2 个有效半径，经过系统计算得出所有钻孔的参数信息。
4、钻孔自动成图
    软件根据设计的钻孔设计计算方法，自动生成钻孔的倾角、方位角、钻孔深度、终孔点、起始位置以及终孔位置的三维坐标，以此在 CAD 中生成钻孔设计剖面图、平面图及三维立体图。
#2穿层钻孔智能设计  系统的设计与研发
    开发环境
1、AutoCAD 2022
    该钻孔智能设计系统的图形支撑平台为 AutoCAD2022 简体中文版，AutoCAD 是 Autodesk 公司开发的 1 款计算机辅助设计软件，能够用来进行二维以及三维绘图，可以使用多种方式进行二次开发或用户定制，具有较强的数据交换能力。
2、PyCharm 2021 专业版
    PyCharm 是 JetBrains 为专业开发者设计的可以跨平台的一款针对 Python 设计的编辑器，具有代码提示、语法高亮、调试等功能。而 Python 是一门开源免费、通用型的脚本编程语言，具有上手简单、功能强大、面向对象等特点，并且拥有着庞大的类库支撑，为实现软件的图形信息计算提供许多便利。
3、QtDesigner
    Qt Designer 是 PyQt 程序用于界面设计的一个可视化工具，使用 Qt Designer 可以通过拖拽控件等操作完成GUI 界面设计，并且设计完成的.ui 程序可以转换成.py文件供 Python 脚本调用。
    软件总体设计
1、界面设计
    软件界面的设计基于 PyQt5 进行实现，通过可视化界面与 AutoCAD 之间相互搭配，交互使用。软件界面主要包括剖面参数录入区、其他参数录入区和功能实现区。钻孔智能设计系统界面如图 2 所示。

图 2 钻孔智能设计系统界面

2、 功能设计
    针对钻孔设计过程中的需求，从减少人员工作量，提高设计效率的角度出发，软件功能主要包括以下 3 个模块: 钻孔参数录入与生成模块、钻孔设计成图模块和钻孔信息展示模块。系统功能结构图如图 3 所示。

图 3 系统功能结构

3、架构设计
    结合 PyQt5 信号与槽机制的特点，考虑到软件的可扩展性以及稳定性，软件采用分层设计，分为 3 个水平层的模式，分别为表现层、业务逻辑层以及数据层，软件架构如图 4 所示。

图 4 系统架构

    穿层钻孔功能实现
    首先确定合适的剖面个数，并且录入必要信息，通过钻孔智能设计，可以实现在设计区域内的钻孔无盲区覆盖的目的，同时生成指定断面的钻孔设计剖面图、钻孔布置平面图以及钻孔的 3D 布置效果图。
1、参数录入
    系统需要通过 QSpinBox 控件输入指定剖面个数，并且经过对 QTableWidget 的增删改操作建立合适的参数录入表，考虑到剖面与煤层的相对位置在 WCS( 世界坐标系) 坐标系下处理的不便性，整个参数的录入及处理基于指定的 UCS( 用户坐标系) 坐标系下进行，通过系统建立新的 UCS 坐标系，利用 CAD 中的选择集功能，选取图纸空间中的图形对象即可获取所需巷道位置的坐标信息，需要注意的是 CAD 内部空间反馈得到的坐标信息依然是位于 WCS 坐标系下的坐标信息，因此需要对坐标信息进行坐标变换处理，在 CAD 中 WCS 坐标系下与 UCS 坐标系下坐标转换的关键参数是一个 4 × 4 的变换矩阵，如式(1) 所示:

式中: Ｒ01，Ｒ02，Ｒ10，Ｒ11，Ｒ12，Ｒ20，Ｒ21，Ｒ22表示旋转、缩放量; T03，T13，T23表示平移量。转换之前的坐标值与转换之后的坐标二者满足如式(2) 所示关系:

  式中: ［x，y，z］表示原坐标，［x1，y1，z1］表示转换之后的坐标。经过变换之后的煤层剖面坐标信息自动录入操作面板上的参数录入表中。设计所需录入的参数主要包括: 不同剖面位置的煤层底板深度、煤层厚度、煤层平均倾角、上下底抽巷的位置以及工作面上下顺槽位置等参数。
2、钻孔设计
    根据系统录入的参数信息，通过计算模型处理得出设计钻孔的信息，根据巷道位置以及倾角等参数信息依次对多个剖面进行钻孔设计，每个剖面的钻孔设计根据等高线的起伏程度覆盖不同距离的工作面区域，在面对煤层出现断层等构造的特殊情况下，可以根据断层的实际位置动态加密设计剖面数量，最终经计算得出整个工作面钻孔设计信息。
3、钻孔成图
    程序启动默认自动建立与 AutoCAD 之间的通信，使用的工具为 Pywin32 包，直接包装几乎所有的 WindowsAPI，可以方便地从 Python 直接调用，该模块另一大主要功能是通过 Python 进行 COM 编程，通过 COM 接口系统可以访问 AutoCAD 中的模型对象，进行对象的创建、修改和属性获取等操作。借助 AutoCAD 安装目录下的帮助文件可以获取创建图形对象的方法，以及查看相应的图形属性。需要注意的是帮助文件中给出的是 VBA 以及 AutoLisp 代码，将代码根据 Python 语法规则实现即可。以系统计算模型生成的钻孔参数信息为数据基础，在 CAD 的图纸空间中绘制钻孔设计剖面图，以现有的平面设计图图纸为底图，将钻孔设计平面图绘制在工作面区域，初步判断钻孔排布位置以及钻孔控制上下边界情况，三维立体图的绘制则可以进一步地观察到钻孔以及煤层的空间状态，通过观察钻孔出煤点与每层顶板之间的交叉关系，判断钻孔设计的空白区域，通过增加设计剖面的数量，缩短单个剖面的覆盖区域，能有效减少抽采空白区域面积，进一步提高瓦斯抽采的效果。
4、钻孔信息查看
    除了根据钻孔参数表查看不同位置的钻孔参数之外，还可以通过一种更加直观、交互性更强的方式，将钻孔信息寄存在 CAD 中的实体对象中，再通过对象的属性获取钻孔信息，以弹窗的形式展示出来。钻孔信息通过添加自定义扩展属性信息的方式添加在钻孔对象中，在 CAD 中的图形对象可以灵活地添加一些自定义数据，依靠的方式主要有两 种，分别为XＲecord 和 XData 方式，采用 XData 方式存储图元的属性信息适用于添加数据量较小的情况，而 XＲecord 则要求更高的存储空间，同时其存储数据量也更多，鉴于数据赋存需求选择使 用 XData 的方式添加自定义属性信息。
    使用者可以通过选中三维模型中的钻孔来查看钻孔信息，具体的操作方式为选中系统界面上的信息查看按钮，启动 CAD 中的选择集功能，在 CAD 图纸空间中选择想要查看的钻孔，将会弹出钻孔信息展示窗口，内容主要包括钻场号、钻孔号和穿煤深度等信息。弹窗设计通过改写 PyQt5 中的原生类 QMessageBox 类实现，原生类由于弹出框尺寸较小，并且界面的自定义程度较低，实现输出信息的定制自由度较低，改写类库的方式更能满足信息展示的需求。信息展示界面如图 5 所示。钻孔设计流程如图 6 所示。

图 5 钻孔信息提示

图 6 钻孔设计流程

#3 现场应用
    该钻孔智能设计系统在鹤煤八矿成功应用,3207北工作面平均倾角为16°。煤厚 6.84 ～ 8.11m，平均煤厚 8.0m，测定原煤瓦斯含量为14.931m3 /t; 瓦斯压力测定为 1.20MPa。3207 北工作面切眼采用穿层钻孔预抽煤巷条带区域防突措施。在 32 采区集中巷、3207 下部底抽巷和 32 边界布置穿层钻孔对切眼进行控制。32 采区集中巷和 3207 下部底抽巷利用控制回采区域钻孔控制切眼轮廓线以里 30m范围。钻孔设计所需参数如表 1 所示。
表 1 钻孔设计所需参数

    对于 32 采区集中巷系统设计使用剖面 5 个，生成共计 80 个钻场，1450 个钻孔，3207 下部底抽巷则设计生成共计 80 个钻场，1540 个钻孔，钻孔平面图如图 7 所示。部分钻孔剖面图如图 8 所示。

图 7 钻孔布置平面

图 8 钻孔布置剖面

 根据系统自动生成三维立体图，在三维场景下清楚地展示出钻孔以及煤层之间的位置关系，可以更加直观地了解到钻孔的空间位置形态以及钻孔的控制范围，及时发现设计中存在的不足，改进现有抽采设计及井下施工钻孔，三维立体图如图 9 所示。

图 9 钻孔三维展示

#4结论
    1) 研究穿层钻孔的 1 种设计方法，建立钻孔智能设计模型，通过输入相关煤层参数得出输出参数，主要参数包括开孔位置、终孔位置、钻场号、钻孔号和钻孔深度以及穿煤深度，可以达到抽采区域无空白带的效果。
    2) 使用 Python 语言对 CAD 进行二次开发，并且在CAD 模型空间中绘制钻孔剖面图、平面图、钻孔参数表以及钻孔三维立体图。
    3) 经过现场应用表明钻孔剖面图以及钻孔参数表的绘制花费时间约为 3.5min，可有效减少工作人员的设计时间，提升工作效率。
参考文献
    [1]郝天轩,范国阳,赵立桢.基于AutoCAD的钻孔智能设计系统[J].中国安全生产科学技术,2023,19(04):71-77。

文本参考 公众号 瓦斯10点