煤礦瓦斯治理過程控制方法研究

程遠(yuǎn)平 王海鋒 侯少杰

(中國礦業(yè)大學(xué)煤礦瓦斯治理國家工程研究中心,江蘇省徐州市,221008)

★專題論壇——瓦斯防治 ★

煤礦瓦斯治理過程控制方法研究

程遠(yuǎn)平 王海鋒 侯少杰

(中國礦業(yè)大學(xué)煤礦瓦斯治理國家工程研究中心,江蘇省徐州市,221008)

為確保區(qū)域防突措施效果,提出了瓦斯治理過程系統(tǒng)及過程系統(tǒng)控制的概念,給出了區(qū)域防突措施過程系統(tǒng)模型,分析了3種典型的區(qū)域防突措施過程系統(tǒng)及特征參數(shù),并以穿層鉆孔結(jié)合順層鉆孔預(yù)抽煤層瓦斯技術(shù)為例詳細(xì)介紹了瓦斯治理過程跟蹤控制和節(jié)點控制方法。

煤與瓦斯突出 區(qū)域性瓦斯治理 過程控制

AbstractThis paper states the technology p rincip le of the regional conflict p revention measures in detail.A lso,this paper gives the interrelated engineering app lication method and technology Para meter.To ensure the effectsof the regional conflict p revention measure,this paper p roposes the concep t of gas treatment p rocess system m and p rocess control system,and also gave out themodel of the regional conflict p revention p rocess system.It also analyzed three typical regional conflict p revention p rocess system s.This paper introduced the method of tracking control and node controlmethod,using the borehole that combined w ith the bedding drilling p re-drainage coal gasmethod as an examp le.

Key wordscoal and gas outburst,regional gas treatment,gas treatment p rocess,p rocess management

為了保證煤礦瓦斯治理效果,需要系統(tǒng)掌握礦井瓦斯治理過程,并對過程系統(tǒng)進(jìn)行有效控制。煤礦瓦斯治理過程控制以瓦斯治理過程模型分析、瓦斯治理過程特征參數(shù)及其特點分析為基礎(chǔ),采用適當(dāng)?shù)姆椒ê褪侄蝸韺崿F(xiàn)瓦斯治理工程施工的跟蹤控制、瓦斯抽采和排放過程的跟蹤控制,實現(xiàn)區(qū)域突出危險性預(yù)測、瓦斯治理工程施工質(zhì)量驗收、區(qū)域瓦斯治理效果檢驗、采掘條件審核等節(jié)點控制,確保過程處于穩(wěn)定的受控狀態(tài),進(jìn)而達(dá)到預(yù)期的瓦斯治理效果。

1 過程系統(tǒng)特征參數(shù)分析

1.1 特征參數(shù)的內(nèi)涵分類

為了反映瓦斯治理過程系統(tǒng)的運行狀態(tài),從系統(tǒng)特征參數(shù)的含義來看,包括基礎(chǔ)參數(shù)、施工參數(shù)和瓦斯抽采參數(shù)3類?；A(chǔ)參數(shù)包括空間位置、煤層賦存、地質(zhì)構(gòu)造、瓦斯賦存和瓦斯參數(shù)情況的描述。施工參數(shù)包括煤 (巖)巷道的設(shè)計與掘進(jìn)情況、采煤工作面的設(shè)計與回采情況、鉆場和鉆孔的設(shè)計與施工情況的描述。瓦斯抽采參數(shù)包括瓦斯抽采流量、濃度、溫度、負(fù)壓等抽采情況,工作面風(fēng)速、濃度、產(chǎn)量、絕對瓦斯涌出量、相對瓦斯涌出量情況的描述。

1.2 特征參數(shù)的時空角度分類

瓦斯治理過程是一個連續(xù)作業(yè)的時空過程,其特征參數(shù)可分為初始化參數(shù)、動態(tài)參數(shù)和節(jié)點參數(shù)3類。初始化參數(shù)是指瓦斯治理過程或子過程開始時所賦予的參數(shù),對應(yīng)前述的基礎(chǔ)參數(shù)部分。動態(tài)參數(shù)是指隨著瓦斯治理過程或子過程的進(jìn)行,不斷發(fā)生并記錄的參數(shù),對應(yīng)前述的施工參數(shù)和瓦斯抽采參數(shù)部分。在瓦斯治理過程中,子過程或過程環(huán)節(jié)的相互連接處存在若干分支節(jié)點,它標(biāo)志著上一過程環(huán)節(jié)的結(jié)束和下一過程環(huán)節(jié)的開始。當(dāng)遇到分支節(jié)點時,應(yīng)分析上一過程環(huán)節(jié)是否達(dá)到了預(yù)期的要求,若達(dá)到了,則進(jìn)入下一環(huán)節(jié),否則,跳轉(zhuǎn)到相應(yīng)的環(huán)節(jié)并循環(huán),直至能通過該分支節(jié)點。用于分支節(jié)點分析并給出過程繼續(xù)或跳轉(zhuǎn)結(jié)論的信息描述稱為節(jié)點參數(shù)。例如,瓦斯治理過程中的區(qū)域突出危險性預(yù)測、施工質(zhì)量驗收、區(qū)域瓦斯治理效果檢驗等均為節(jié)點參數(shù)。

初始化參數(shù)和動態(tài)參數(shù)是直接測定和記錄的原始參數(shù),它不經(jīng)任何計算。節(jié)點參數(shù)則不同,它通常可由上一瓦斯治理過程環(huán)節(jié)的初始化參數(shù)和動態(tài)參數(shù)計算獲得,有時需要補(bǔ)充少量的原始參數(shù)。

2 煤礦瓦斯治理過程的跟蹤控制

2.1 跟蹤控制過程

瓦斯治理過程系統(tǒng)包括若干過程環(huán)節(jié)和若干節(jié)點,跟蹤控制的過程可分為施工參數(shù)跟蹤控制、瓦斯抽采和排放參數(shù)跟蹤控制、采掘工作面跟蹤控制3類。

穿層鉆孔結(jié)合順層鉆孔預(yù)抽煤層瓦斯技術(shù)所需要的跟蹤控制過程依次包括如下6個方面。

(1)穿層鉆孔預(yù)抽煤巷條帶瓦斯工程施工過程。需要跟蹤控制底板巖巷、鉆場和穿層鉆孔的施工參數(shù),與設(shè)計參數(shù)比較,確保施工狀態(tài)穩(wěn)定,發(fā)現(xiàn)異常及時預(yù)警。

(2)穿層鉆孔抽采煤巷條帶瓦斯過程。需要跟蹤控制瓦斯抽采和排放參數(shù),維持其穩(wěn)定狀態(tài),發(fā)現(xiàn)異常波動時進(jìn)行預(yù)警。

(3)煤巷掘進(jìn)過程。需要跟蹤瓦斯抽采和排放參數(shù),以及煤巷掘進(jìn)工作面突出危險性預(yù)測或效果檢驗指標(biāo)參數(shù),維持其穩(wěn)定狀態(tài),發(fā)現(xiàn)異常波動時進(jìn)行預(yù)警。

(4)順層鉆孔施工過程。需要跟蹤順層鉆孔的施工參數(shù),與設(shè)計參數(shù)比較,確保施工狀態(tài)穩(wěn)定,發(fā)現(xiàn)異常及時預(yù)警。

(5)順層鉆孔抽采回采區(qū)域瓦斯過程。同穿層鉆孔抽采煤巷條帶瓦斯過程。

(6)工作面回采過程。需要跟蹤瓦斯抽采和排放參數(shù),以及回采工作面突出危險性預(yù)測或效果檢驗指標(biāo)參數(shù),維持其穩(wěn)定狀態(tài),發(fā)現(xiàn)異常波動時進(jìn)行預(yù)警。

2.2 跟蹤控制方法

控制圖是過程控制的重要方法之一,用于檢測過程是否處于穩(wěn)定的受控狀態(tài),它是煤礦瓦斯治理過程控制方法研究的基礎(chǔ)。休哈特控制圖基于統(tǒng)計學(xué)分析方法,將檢驗參數(shù)的發(fā)生時間或樣本編號作為橫坐標(biāo),檢驗參數(shù)值作為縱坐標(biāo),建立平面直角坐標(biāo)系,繪制檢驗參數(shù)序列值及其中心線 (CL: Central Line)、上控制界限 (UCL:Upper Control Limit)和下控制界限 (LCL:Low er Control Limit)完成的。若被控過程處于受控狀態(tài),檢驗參數(shù)點應(yīng)落在UCL和LCL之間,當(dāng)檢驗參數(shù)點落UCL和LCL之外時,即可認(rèn)為是過程處于失控狀態(tài),如圖1中第28號樣本就是這種情況,稱之為超界異常。除了超界異常外,控制圖還可能會出現(xiàn)趨勢、鏈狀類型的異常,如圖1中11～21號樣本序列和21～27號樣本就分別代表了趨勢異常和鏈狀異常。

圖1 休哈特控制圖原理示意圖

由于瓦斯治理過程的特征參數(shù)為計量值數(shù)據(jù),應(yīng)以計量值控制圖為基礎(chǔ)并進(jìn)行如下3個方面的改進(jìn):(1)在同一個瓦斯治理過程環(huán)節(jié)中,控制圖的中心線CL、穩(wěn)態(tài)控制界限LCL和UCL不能為常量;(2)相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)或文獻(xiàn)對瓦斯治理過程中的抽采濃度、風(fēng)速、風(fēng)排濃度等特征參數(shù)規(guī)定了明確的臨界值,它們應(yīng)在控制圖中得到反映;(3)瓦斯治理過程控制圖除了常規(guī)控制圖的控制界限,還應(yīng)增加相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的臨界值,控制圖預(yù)警也應(yīng)因此而分級,反映不同的程度的過程失控狀態(tài)。

綜上所述,煤礦瓦斯治理過程控制圖如下。

(1)控制圖中心線為檢驗參數(shù)序列的均值,記為CL。

(2)控制界限分三個級別,3級表示過程狀態(tài)失穩(wěn),2級表示發(fā)生指標(biāo)超限,1級表示發(fā)生指標(biāo)嚴(yán)重超限且有發(fā)生事故的可能,每一級分上限和下限。反映在控制圖上,3級上限、3級下限、2級上限……依次記為UCL 3、LCL 3、UCL 2、LCL 2、UCL 1、LCL1。

(3)控制圖的2級和1級界限對應(yīng)相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的臨界值,若上或下控制界限無臨界值要求時,不進(jìn)行設(shè)置。

(4)在過程失控時,按照3級、2級、1級的順序,預(yù)警強(qiáng)度依次增加。

3 煤礦瓦斯治理過程系統(tǒng)的節(jié)點控制

3.1 過程系統(tǒng)節(jié)點

節(jié)點在過程系統(tǒng)中是一個時間點概念,同時也是一個里程碑事件,它連接著若干過程環(huán)節(jié),一個較大的工程過程系統(tǒng)通常包含很多個節(jié)點,每一個節(jié)點控制都分析和評價上一過程環(huán)節(jié)是否達(dá)到了預(yù)期的目標(biāo),只有達(dá)到預(yù)期目標(biāo)才能通過,否則必須補(bǔ)充一定的措施,直至通過。

結(jié)合瓦斯治理過程及瓦斯治理的目標(biāo),在瓦斯治理過程中包括以下6種類型節(jié)點:(1)區(qū)域突出危險性預(yù)測; (2)瓦斯治理工程設(shè)計方案審核; (3)瓦斯治理工程的施工質(zhì)量驗收;(4)區(qū)域瓦斯治理措施的效果檢驗;(5)采掘條件審核;(6)區(qū)域防突措施效果驗證。

在瓦斯治理過程系統(tǒng)中,6種類型的節(jié)點按如上順序依次進(jìn)行,每一個節(jié)點控制都是對其前一個過程環(huán)節(jié)的階段性評價。其中,瓦斯治理工程的施工質(zhì)量驗收節(jié)點由于施工時間跨度長,因此質(zhì)量驗收一般不是在所有工程施工完畢后再進(jìn)行,例如,底板巖巷穿層鉆孔的質(zhì)量驗收可以在每一個鉆場的鉆孔施工完畢后進(jìn)行,同時不影響其它鉆場和鉆孔的施工作業(yè);其余5類節(jié)點則在上一個過程環(huán)節(jié)結(jié)束后進(jìn)行,其節(jié)點控制的結(jié)論直接決定是否能繼續(xù)下一個過程環(huán)節(jié)。由于各種瓦斯治理過程的流程不同,上述6種節(jié)點可在瓦斯治理過程中循環(huán)重復(fù)出現(xiàn)。

3.2 瓦斯治理過程系統(tǒng)節(jié)點實例

以淮北祁南煤礦713工作面瓦斯治理為例,敘述穿層鉆孔預(yù)抽煤巷條帶瓦斯技術(shù)過程節(jié)點的控制方法及程序,其節(jié)點包括區(qū)域突出危險性預(yù)測、設(shè)計方案審核、施工質(zhì)量驗收、區(qū)域瓦斯治理效果檢驗、掘進(jìn)條件審核5個節(jié)點。

3.2.1 區(qū)域突出危險性預(yù)測節(jié)點控制方法

根據(jù)現(xiàn)場考察獲得標(biāo)高-459 m處瓦斯含量為8.0 m3/t,結(jié)合對瓦斯壓力的分析,確定標(biāo)高-450 m為分界線,以上為無突出危險區(qū),以下為突出危險區(qū)。713工作面標(biāo)高范圍為-503～-550 m,處于突出危險區(qū)。

3.2.2 設(shè)計方案審核節(jié)點控制方法

依據(jù)《防治煤與瓦斯突出規(guī)定》第四十九條和第五十條的規(guī)定,穿層鉆孔預(yù)抽煤巷條帶瓦斯方案所設(shè)計的鉆孔必須控制整條煤巷及兩側(cè)一定范圍內(nèi)的煤層,且必須布孔均勻,間距符合當(dāng)前煤層抽放半徑的要求。

首先,對控制范圍進(jìn)行考察。由穿層鉆孔預(yù)抽煤巷條帶瓦斯方案的設(shè)計參數(shù)可知,底板巖巷布置在距離7#煤層底板25 m的巖層中,巷道斷面為圓弧拱形,凈寬3 m,壁高2 m,斷面積8.26 m2。在底板巖巷每隔25 m布置一個鉆場,長寬高均為3 m,在713工作面機(jī)巷至開切眼位置共布置鉆場32個 (編號由機(jī)巷外段向里段直到開切眼依次為1#～32#)。每個鉆孔施工穿層鉆孔7組 (煤層傾向),每組5個 (煤層走向),鉆孔直徑?100 mm,終孔間距5 m,控制范圍為35 m×25 m的矩形范圍煤體。由于7#煤層傾角為3～6°,《防治煤與瓦斯突出規(guī)定》規(guī)定傾角較小煤層控制巷道兩側(cè)輪廓線外至少各15 m,該方案設(shè)計的控制范圍滿足《防治煤與瓦斯突出規(guī)定》的要求。其次,對鉆孔間距進(jìn)行審核。經(jīng)對7#煤層抽放半徑考察,終孔間距5 m可以滿足瓦斯預(yù)抽的要求。因此,穿層鉆孔預(yù)抽煤巷條帶瓦斯方案審核通過。

3.2.3 施工質(zhì)量驗收節(jié)點控制方法

以穿層鉆孔為例,根據(jù)《防治煤與瓦斯突出規(guī)定》第四十九條的規(guī)定,穿層鉆孔施工質(zhì)量驗收主要包括控制范圍、鉆孔間距和鉆孔深度3個方面的內(nèi)容,其中鉆孔深度在施工參數(shù)的跟蹤中已經(jīng)實現(xiàn)控制,這里只需考慮控制范圍和鉆孔間距兩個方面即可。

首先,對控制范圍進(jìn)行驗收。由施工的動態(tài)參數(shù)可計算出,1#鉆場施工穿層鉆孔7組,沿煤層傾向控制范圍為34.8～36.2 m,每組鉆孔5個,沿煤層走向控制范圍為24.3～27.2 m。由設(shè)計可知該鉆場的設(shè)計控制范圍為35 m×25 m的矩形范圍煤體。穿層鉆孔終孔位置如圖2所示,圖中鉆孔終孔設(shè)計的位置用綠色標(biāo)記,施工后的位置用藍(lán)色標(biāo)記,控制范圍滿足《防治煤與瓦斯突出規(guī)定》的要求。

圖2 713底板巖巷1#號鉆場穿層鉆孔終孔位置圖

其次,對鉆孔間距進(jìn)行驗收。由圖2可發(fā)現(xiàn),編號為2#4、3#4、4#4、4#3、5#3、6#3、6#4、5#4、5#5、4#5、3#5、2#5的穿層鉆孔圍成了較大的空白區(qū)域,不能滿足鉆孔均勻的要求。

綜上所述,1#鉆場控制范圍合理,但存在空白區(qū)域,施工質(zhì)量驗收節(jié)點控制不能通過,必須向空白區(qū)域補(bǔ)充穿層鉆孔直到該節(jié)點控制通過。

3.2.4 區(qū)域瓦斯治理效果檢驗節(jié)點控制方法

依據(jù)《防治煤與瓦斯突出規(guī)定》,穿層鉆孔預(yù)抽煤巷條帶瓦斯效果檢驗可采用間接計算殘余瓦斯壓力或瓦斯含量的方法,同時,必須保證鉆孔間距合理且均勻,抽采時間較長且均衡。鉆孔間距的控制在施工質(zhì)量驗收節(jié)點已經(jīng)完成,只需考察殘余瓦斯參數(shù)和抽采時間均衡性即可。

首先,對殘余瓦斯含量進(jìn)行計算。由施工跟蹤采集參數(shù)可統(tǒng)計出,713底板巖巷共施工32個鉆場,每個鉆場控制范圍總寬度 (含機(jī)巷或開切眼)為35 m(實際施工中,由于煤層產(chǎn)狀的變化,部分鉆場補(bǔ)充鉆孔后,在傾向上的控制范圍可達(dá)50 m),機(jī)巷或開切眼位于控制范圍中心位置。工作面底板巖巷長度為890 m,煤層平均厚度為3.5 m,計算上穿層鉆孔控制范圍內(nèi)的煤體體積為155750 m3。煤層原始瓦斯含量為12.3 m3/t,煤的容重為1.4 t/m3,計算出鉆孔控制范圍內(nèi)原始瓦斯儲量為268.2萬 m3。由底板巖巷抽采時間段2006年10月10日～2008年6月30日內(nèi)瓦斯抽采跟蹤采集參數(shù)可統(tǒng)計出713底板巖巷的瓦斯抽采純量為170.05萬 m3。進(jìn)而計算出殘余瓦斯含量為4.5 m3/t,小于《防治煤與瓦斯突出規(guī)定》規(guī)定的8 m3/t。

其次,分析各個鉆場瓦斯抽采時間,由施工跟蹤采集參數(shù)可統(tǒng)計出每個鉆場接入抽采管路的日期,截止2008年6月30日,抽采時間如圖3所示。

圖3 713底板巖巷1#～32#鉆場的瓦斯抽采時間

可見,鉆場抽采時間都在120 d以上,從1#～32#鉆場抽采時間依次降低,考慮到煤層內(nèi)巷道掘進(jìn)的方向是從機(jī)巷外段向里段,最后是切眼,對應(yīng)底板巖巷的鉆場編號為1#到32#。機(jī)巷和開切眼掘進(jìn)會為713底板巖巷里段的鉆場留出更多的時間 (至少2個月以上)進(jìn)行抽采,使得整體抽采時間均衡。

綜上所述,穿層鉆孔預(yù)抽煤巷條帶瓦斯殘余瓦斯參數(shù)和抽采時間均滿足《防治煤與瓦斯突出規(guī)定》的要求,該節(jié)點通過。

3.2.5 掘進(jìn)條件審核關(guān)鍵節(jié)點控制方法實例

掘進(jìn)條件審核節(jié)點是工作面掘進(jìn)之前的最后1個節(jié)點,用以檢查是否具備安全生產(chǎn)條件,若不合格必須完善后才能繼續(xù),以保證采掘作業(yè)的安全。本文對該節(jié)點的研究只涉及相關(guān)瓦斯治理的內(nèi)容,通常包括通風(fēng)系統(tǒng)、瓦斯抽采系統(tǒng)、瓦斯監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)、安全防護(hù)措施4個方面是否滿足掘進(jìn)工作面的需要。下面以通風(fēng)系統(tǒng)的考核為例,來闡述該節(jié)點的控制方法。

掘進(jìn)巷道的瓦斯涌出包括煤壁和采落煤兩個來源,經(jīng)計算,煤巷掘進(jìn)時絕對瓦斯涌出量為2.02 m3/min,取工作面最高回風(fēng)瓦斯?jié)舛葹?.8%,可得掘進(jìn)工作面所需風(fēng)量為495 m3/min。

713煤巷掘進(jìn)工作面通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計局扇采用雙回路、雙三專供電,可以實現(xiàn)風(fēng)電、瓦斯電和主備局扇閉鎖,經(jīng)考察可以滿足風(fēng)量的需求,該節(jié)點可以通過。

3.2.6 區(qū)域措施效果驗證

713機(jī)巷掘進(jìn)采用鉆屑指標(biāo)法進(jìn)行區(qū)域措施的效果驗證,在工作面掘進(jìn)之前,先進(jìn)行了2次區(qū)域驗證,區(qū)域驗證的鉆屑相關(guān)指標(biāo)低于臨界值,說明已消除了突出危險性,可以進(jìn)行工作面的掘進(jìn)。在巷道掘進(jìn)過程中,每推進(jìn)10～50 m進(jìn)行不少于2次的區(qū)域驗證。在整個掘進(jìn)過程中,區(qū)域驗證指標(biāo)均低于臨界指標(biāo),保證了713工作面的安全順利掘進(jìn)。

4 結(jié)束語

煤礦瓦斯治理必須堅持區(qū)域防突措施先行、局部防突措施補(bǔ)充的原則。為進(jìn)一步提高煤礦瓦斯治理水平,加強(qiáng)煤礦瓦斯治理的過程管理,本文在區(qū)域防突措施的基礎(chǔ)上,引入瓦斯治理過程控制理論,以煤礦瓦斯治理過程智能化支撐系統(tǒng)為手段,通過對瓦斯治理過程的跟蹤控制與節(jié)點控制,確保瓦斯治理過程規(guī)范、質(zhì)量合格、措施有效、管理到位,以消除煤層的突出危險性及安全生產(chǎn)隱患,最終實現(xiàn)瓦斯治理過程的規(guī)范化和程序化。及應(yīng)用 [J].中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報,2003(5)

[1]程遠(yuǎn)平,付建華,俞啟香.中國煤礦瓦斯抽采技術(shù)的發(fā)展 [J].采礦與安全工程學(xué)報,2009,26(2)

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[3]錢鳴高,石平五.礦山壓力與巖層控制 [M].徐州:中國礦業(yè)大學(xué)出版社,2003

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(責(zé)任編輯 梁子榮)

Gas con trol technology and processmanagemen t

Cheng Yuanping,Wang Haifeng,Hou Shaojie
(National Engineering Research Center for Coal&Gas Control,China University of mining&Technology,Xuzhou,Jiangsu Province,221008,China)

A

程遠(yuǎn)平 (1962-),男,吉林集安人,博士,國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局專家組專家,現(xiàn)任中國礦業(yè)大學(xué)煤礦瓦斯治理國家工程研究中心主任,安全技術(shù)及工程學(xué)科教授、博士生導(dǎo)師。1995年～1997年在德國Dort mund大學(xué)做訪問學(xué)者,2003年在德國 Karlsruhe大學(xué)從事合作科研工作。主要研究方向為煤礦瓦斯災(zāi)害防治理論與技術(shù)、建筑火災(zāi)防護(hù)理論與技術(shù)。曾獲國家科技進(jìn)步二等獎2項、省部級科技進(jìn)步1等獎3項、二等獎6項。