文章来源：《智能矿山》2024年第8期 “学术园地”专栏

作者简介：张博，助理研究员，现任唐山大方汇中仪表有限公司党支部书记、执行董事

作者单位：唐山大方汇中仪表有限公司

引用格式：张博，孙文涛.矿山透明管网监测系统的研发及应用[J].智能矿山，2024，5（8）：62-68.

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我国人均淡水资源占有量远低于世界平均水平，水资源短缺已成为经济社会发展的重要瓶颈。目前我国大部分煤矿都存在大量的矿井涌水，矿井水是矿产资源开采过程中的伴生产物，也是重要的非常规水源。2024年3月以来，国家发展改革委等部门印发了《关于加强矿井水保护和利用的指导意见》，对煤矿矿井水的保护利用做出部署：到2025年，全国矿井水利用率要不断提升，黄河流域力争大于68％，基本建立矿井水保护利用政策体系和市场机制。到2030年，矿井水管理制度体系、市场调节机制和技术支撑能力不断增强，矿井水利用效率和效益进一步提高。加强矿井水利用的前提，是要加强矿井水配置，建设完善健全的矿井水输送管网，合理进行矿井水资源分配与水资源利用统计。

在此背景下，本文围绕煤矿取水用水、水平衡核验、水资源管理、井下管网安全建设，以管网状态信息自动采集监测为基础，全方位融合物联网、大数据、智能算法、深度学习等新技术，开发矿山透明管网监测系统，建立集团级、地区级、煤矿级水资源管控平台，优化水资源配置；针对矿区复杂管网进行数字孪生实景展示，全级管网信息透明感知，建立矿区管网一张图。实现对井下用水配水、管网实时状态监测，解决煤矿在矿井水利用过程中存在的管道走向不明、管网状态监控不到位、漏损响应不及时、用水配水缺乏统计等问题。

矿山透明管网监测系统可场景再现井下管道，采用一张图清晰展示煤矿井下管道分布，实现整个井下管网可视化，便于供水工艺修改与日常管网维护。系统采用B/S架构，利用WebGL技术在网页中展示三维图形，轻量化场景建设，满足远程查看占用更少计算机资源，具体界面展示如图1所示。

图1　管网场景建设

系统针对管网管理中的关键部位或关键工艺设备，进行精细化建模与管控，综合监测分析泵房设备、能耗、反向控制，全面掌握设备运行状态、能耗情况，及时发现问题并采取措施，可提高管理效率、节约能源和保障用水质量，具体界面展示如图2所示。

图2　关键部位关键设备

矿山透明管网监测系统通过高精度感知单元，精确获取管网运行的流量、压力、浊度等主要参数，打破井下管网黑匣子，实现对管网的实时透明感知。系统搭载的高精度流量感知单元，以超声波速差法为原理的矿用隔爆兼本安型多声道超声波流量计如图3所示，计量精度达到0.5级，适配DN100～DN300管道，测量流速范围为0.3～3m/s。以法拉第电磁感应定律为原理的矿用本安型高精度电磁流量计如图4所示，计量精度达到0.3级，适配DN25～DN300的管道，测量流速范围为0.5～5m/s。高精度流量感知单元稳定且精确获取流量数据，为系统数据分析、漏损判断、水量平衡以及数据推送提供基础数据支撑。

图3 LCZ-806矿用隔爆兼本安型多声道超声波流量计

图4 LGD矿用本安型高精度电磁流量计

利用声波微动传感器感知与数据驱动，以管网中流量、压力参数为数据基础，融合声波微动传感器接收的管道震动信号，融合BP神经网络深度学习方法，预测分析当前管网中关键位置数据，实现矿山透明管网监测系统的管网漏损监测。

当不同点漏损发生时，管网水流状态发生变化，管道发生剧烈震动，监测点间微动传感器会产生非常规震动信号，同时压力监测点和流量监测点感应类似变化。通过BP前馈型神经网络深度学习方法，在满足“管网水流状态”和“漏损状态”间构成映射关系，通过拟合预测模型，在预测值与实际值间产生预测误差，统计分析预测误差符合正态分布，设定模型预测误差在正常情况下的波动阈值，判断管网发生漏损的状态，当监测值和预测值间残差超出预测模型误差阈值时，可判定为管网发生漏损，为实时预测管网漏损及漏损定位提供技术支撑，如图5所示。

图5　漏损判别

矿山透明管网监测系统通过算法判断，获取漏损信息后，系统首页的数字孪生大屏对产生漏损的点进行红色高亮显示（如图6），直观展示漏损位置。

图6　大屏漏损高亮显示

矿山透明管网监测系统涵盖智慧水务系统，在系统建设初期，针对重点水源及用水情况、调查主要设备情况，绘制计量网络、给排水系统的网络图，构建水平衡体系，明确测试点。核验所有计量器具有效后，系统通过大数据分析测试自动水平衡，确定煤矿用水状态和生产中的吨煤用水量，进一步推算出煤矿用水定额，为煤矿企业科学用水管理、节水降耗、水资源合理调配提供科学依据，如图7所示。

图7　水平衡与用量统计

在进行水平衡测试的同时，系统统计用水数据生成对应台账，以年月日形式存储，方便后续查验；同时系统开放数据接口，推送水平衡测试数据，协助煤矿集团、地区、对应监管部门进行水资源管控，贯彻“节水优先、空间均衡、系统治理、两手发力”治水思路的新发展理念。

陕煤集团龙华煤矿矿井井田面积54.4km²，矿井核定产能8.0Mt/a，采用综合机械化采煤，煤矿使用平硐作为主要开拓巷道。目前开采规模为3个盘区，井下生产由主运泵房和井下辅运泵房供水，井下管道压力约2.0MPa，且因井下使用纯水液压支架，对水质要求较高。井下管道采用钢丝骨架管，钢丝骨架管轻量便于改造，但长时间高压易发生管道破裂。

龙华煤矿平硐开拓巷道最长为7600m，且3个盘区存在高差，若发生管道破裂，井下检修人员需根据管道走向巡检，确定爆管位置，最近一次二盘区漏损发生事故记录数据见表1。根据如图8所示的管道走向与用水逻辑表明，管道发生爆管后，检修人员用2h定位到爆管位置为6700～7300m，采取措施关闭漏损位置阀门，6700m位置的压力恢复正常，之后进行维修又耗费4h，在此期间，煤矿井下生产用水受到严重影响，并对安全生产造成负担，如图9所示。

表1　二盘区漏损发生事故记录数据（压力/MPa）

图8　二盘区用水逻辑

图9　二盘区漏损处理过程压力变化

分析漏损处理过程可知，缺乏监测的煤矿管网，从出现漏损、找到漏损点、处理漏损，占用大量人力物力，期间同时存在其他安全隐患。通过全天候实时监测煤矿供水管道的流量、压力、水质状态参数，发生漏损时自动定位并及时上报，可根据管网参数对井下用水生产工艺及时调整，当管道漏损时及时止损，避免造成水资源浪费和经济损失。

围绕煤矿安全生产、节能减排、减员增效及智能化建设需求，实现龙华煤矿井下二盘区、三盘区供水管路、排水泵房的排水管路的流量和压力监测，建立供排水管路智能监测系统。对煤矿井下供水、排水管路远程实时动态监测、实时显示、统计分析、欠压报警、泄漏预警。系统平台展示并存储各测点的瞬时值、累计值，可查询历史数据，并生成报表方便统计，系统欠压报警功能可降低因水压力不足对采掘工作面生产的影响。系统对管路的泄漏预警功能，可及时发现并处理管路故障，确保供水和排水系统稳定运行，保证矿井的正常安全生产。

（1）数据采集方面

通过勘察与分析现场管道，确定系统整体架构如图10所示，数据采集与传输模块为系统感知层，采集并传输井下管网实时状态参数。该模块包括流量计、压力传感器等多种数据采集设备，满足煤矿井下复杂环境和温度变化。传感器通过有线方式将数据上传到最近采集节点，通过传输网络发送到平台层。实施方案确定17处监测点加装流量、压力传感器，2处监测点加装水质分析仪，加装设备如图11所示，满足整体管道健康状态监测。

图10　管网漏损监测系统架构

图11　管网漏损监测系统硬件配置

系统采用modbus-RTU通信协议，各监测数据以有线方式接入通信基站，通过4G网络与外部对接。分站将监测数据巡检、处理、打包，通过煤矿环网发送数据到地面监控站，地面服务器通过专业软件和数据库，实现实时监测管网各状态量数据。为防止断电检修等对通信产生影响，通信分站和压力传感器配接本安电源，提供不间断供电，保障系统的稳定性和可靠性。

（2）管网漏损检测效果

龙华煤矿井下管网监测系统的实际应用表明，管道流量数据与预测模型发生偏移时，偏移阈值大于预测误差时，即可判断该点发生漏损。龙华煤矿20202回风巷最近一次发生漏损数据记录见表2，数据统计可发现18∶55时开始，预测误差大，超出正常阈值波动范围，管网监测系统发出爆管漏损报警，向现场工作人员推送报警信息如图12所示。收到推送后，现场检修人员响应后到达漏损现场，确定漏损位置，并采取应急抢修措施，1h内恢复现场管路供水，响应速度与维修速度得到很大提升，为煤矿管道维护和用水安全提供保障。

表2 20202回风巷漏损数据对比

图12　漏损信息手机远程推送

（3）数字孪生技术应用

通过3D建模全景展示复杂管网分布，管网供水、排水管路的管线结构、管线数据等。基于此创建数字孪生体虚拟管网系统如图13所示。虚拟系统实时反映物理管网实际状态，为管网管理、运维、优化提供数据支持。实现一张图展示整个管网脉络并通过数据分析判断管网状态。

图13　数字孪生体虚拟管网系统

（4）水量统计用水分析

采集煤矿用量形成对应需求的数据报表，在规定时间对应生成流量曲线与压力曲线，方便煤矿判断用水量，以及对管道压力调节，提供科学指导意见，如图14所示。

图14　流量和压力曲线

通过应用矿山透明管网监测系统，验证了高精度感知单元的准确性与稳定性，实现了对井下官网数据的透明感知，同时在做到精确计量的前提下，对全矿的管网进行了三维建模，实现了管网的全景展示。针对煤矿经常发生的爆管漏损现象，系统应用BP神经网络的方式进行数据预测，通过多类传感器获取的信号数据分析漏损状态，并成功定位井下管网漏损。

系统成功应用提升了煤矿安全生产水平，显著减少了事故发生风险。系统的故障诊断和预测功能，能够预先识别管网异常，大幅缩短故障恢复时间，保障了矿井生产的连续性和稳定性，为智能矿山透明管网建设提供更具保障性的技术支撑。