高瓦斯礦井瓦斯災(zāi)害隱患排查及防控技術(shù)研究?

王 磊

（1.中國礦業(yè)大學(xué)（北京），北京市海淀區(qū)，100083；2.國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局，北京市東城區(qū)，100713）

高瓦斯礦井瓦斯災(zāi)害隱患排查及防控技術(shù)研究?

王 磊1，2

（1.中國礦業(yè)大學(xué)（北京），北京市海淀區(qū)，100083；2.國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局，北京市東城區(qū)，100713）

為實(shí)現(xiàn)高瓦斯礦井瓦斯災(zāi)害 “零隱患”，提出了瓦斯災(zāi)害隱患排查防控技術(shù)體系及思路方法。根據(jù)高瓦斯礦井實(shí)際情況，構(gòu)建了具體瓦斯災(zāi)害隱患排查防控四級(jí)技術(shù)體系，建設(shè)了相應(yīng)軟、硬件結(jié)合的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，形成了高瓦斯礦井瓦斯災(zāi)害隱患排查防控技術(shù)方法?，F(xiàn)場應(yīng)用表明，瓦斯災(zāi)害隱患排查防控技術(shù)實(shí)現(xiàn)了瓦斯災(zāi)害隱患的動(dòng)態(tài)監(jiān)測、超前預(yù)判和智能防控，提升了瓦斯災(zāi)害系統(tǒng)性和智能化分析水平。

高瓦斯礦井 瓦斯災(zāi)害 隱患排查 瓦斯防控 動(dòng)態(tài)監(jiān)測 超前預(yù)測 智能防控

健全落實(shí)隱患排查、防控機(jī)制，完善隱患排查治理的自查、自報(bào)、自改系統(tǒng)，是消除煤礦事故隱患、遏制和預(yù)防重特大事故的有效途徑。瓦斯事故是煤礦重、特大事故的罪魁禍?zhǔn)?，相對突出礦井的瓦斯災(zāi)害治理、高瓦斯礦井的瓦斯災(zāi)害防控能力和重視程度較低。近些年，隨著礦井開采深度的加深、生產(chǎn)規(guī)模的擴(kuò)大和集約、綜合機(jī)械化開采強(qiáng)度的增大，高瓦斯礦井的瓦斯涌出量急劇增加，瓦斯事故的發(fā)生幾率也明顯增加，亟需重視、提升高瓦斯礦井的瓦斯災(zāi)害防控能力。引發(fā)瓦斯事故的原因復(fù)雜多樣，由多種不同因素導(dǎo)致，有些因素在生產(chǎn)過程中容易被發(fā)現(xiàn)，而有些因素比較隱蔽，且具有時(shí)變性和突發(fā)性，特別對于高瓦斯礦井的突發(fā)事故預(yù)測、預(yù)防機(jī)制不完善，如不通過有效技術(shù)和手段，就難以全面識(shí)別和發(fā)現(xiàn)。因此利用信息化、智能化技術(shù)查隱患、強(qiáng)防控，對高瓦斯礦井瓦斯災(zāi)害隱患進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測、智能排查和超前管控顯得尤為重要。

1　瓦斯災(zāi)害隱患排查及防控技術(shù)

1.1瓦斯災(zāi)害致因及現(xiàn)有防治技術(shù)缺陷

根據(jù)危險(xiǎn)源理論及事故樹分析，礦井存在高瓦斯區(qū)或突出危險(xiǎn)區(qū)、地質(zhì)構(gòu)造影響區(qū)、瓦斯積聚區(qū)等致使瓦斯災(zāi)害發(fā)生的客觀危險(xiǎn)體或區(qū)域（第一類危險(xiǎn)源）是災(zāi)害發(fā)生的前提條件；瓦斯災(zāi)害防治技術(shù)、措施、檢查、管理上的缺陷或隱患（第二類危險(xiǎn)源）是災(zāi)害發(fā)生的必要條件，這兩類因素相互影響、共同作用，致使瓦斯災(zāi)害事故的發(fā)生。瓦斯災(zāi)害防治技術(shù)、措施、管理上的缺陷或隱患主要體現(xiàn)在現(xiàn)有的瓦斯災(zāi)害觀測、檢測、異常分析等多為靜態(tài)、人工點(diǎn)式分析，不能適應(yīng)井下采掘空間及客觀危險(xiǎn)環(huán)境的動(dòng)態(tài)變化特征；安全監(jiān)控系統(tǒng)僅能監(jiān)測瓦斯、風(fēng)速等環(huán)境以及設(shè)備狀態(tài)，無法全面監(jiān)測瓦斯隱患；瓦斯監(jiān)控僅能簡單超限報(bào)警，瓦斯涌出異常監(jiān)測、預(yù)警能力不足；瓦斯巡檢及隱患排查過程管控重要，但煤礦各職能部門相對獨(dú)立、信息分散，無法做到及時(shí)、全面、準(zhǔn)確掌握隱患排查過程的相關(guān)信息。

1.2隱患排查技術(shù)體系

瓦斯災(zāi)害隱患排查技術(shù)體系是有效預(yù)防瓦斯事故的關(guān)鍵和基礎(chǔ)，必須科學(xué)、合理，同時(shí)與災(zāi)害防治工作緊密結(jié)合，以便維護(hù)和管理。結(jié)合我國瓦斯災(zāi)害防治技術(shù)及方法，上述瓦斯災(zāi)害致因及防治技術(shù)缺陷與礦井的瓦斯地質(zhì)分析、通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)管理、日常監(jiān)測監(jiān)控、瓦斯巡檢及安全隱患管理等工作相關(guān)。因此，按照科學(xué)性、系統(tǒng)性和可行性原則，基于區(qū)域與局部、系統(tǒng)與細(xì)節(jié)、技術(shù)與管理、人工與監(jiān)控的四結(jié)合角度，從安全信息集成、規(guī)范管理以及隱患的監(jiān)測、辨識(shí)、管控等方面，建立瓦斯災(zāi)害隱患排查四級(jí)技術(shù)體系，如圖1所示。

圖1　技術(shù)體系架構(gòu)

1.3基本思路及技術(shù)流程

瓦斯災(zāi)害隱患排查及防控，以零隱患為目標(biāo)，在充分獲取礦井煤層、瓦斯、地質(zhì)構(gòu)造、通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)、監(jiān)測監(jiān)控、瓦斯巡檢、靜態(tài)管理隱患等信息的基礎(chǔ)上，結(jié)合礦井瓦斯災(zāi)害發(fā)生規(guī)律，依據(jù)上述瓦斯災(zāi)害隱患排查四級(jí)技術(shù)體系，進(jìn)行靜態(tài)信息動(dòng)態(tài)化的深入、系統(tǒng)管理與分析，全面查清、掌握災(zāi)害隱患的時(shí)空狀態(tài)、危險(xiǎn)程度等情況，以有效防范瓦斯事故的發(fā)生?；炯夹g(shù)流程如圖2所示。

圖2　技術(shù)流程

由圖2可以看出，以礦井瓦斯災(zāi)害特征和規(guī)律相關(guān)基礎(chǔ)資料為基礎(chǔ)和支撐，結(jié)合煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)和局域網(wǎng)，通過多元化的安全信息收集渠道及時(shí)、全面獲取礦井安全信息；根據(jù)礦井實(shí)際情況和災(zāi)害發(fā)生規(guī)律，進(jìn)行信息及時(shí)計(jì)算和處理；然后根據(jù)瓦斯災(zāi)害隱患排查技術(shù)體系，進(jìn)行瓦斯災(zāi)害多級(jí)辨識(shí)、排查，再集成所有隱患信息，通過局域網(wǎng)、電話、手機(jī)短信等發(fā)布信息。

2　瓦斯災(zāi)害隱患排查及防控系統(tǒng)平臺(tái)建設(shè)

山西長平煤業(yè)有限責(zé)任公司為現(xiàn)代化高瓦斯礦井，生產(chǎn)能力500萬t/a。礦井地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育，且隨著礦井開采規(guī)模和開采深度的逐漸加大，礦井生產(chǎn)逐步向西南部三盤區(qū)、五盤區(qū)的高瓦斯區(qū)轉(zhuǎn)移，瓦斯災(zāi)害事故也愈發(fā)嚴(yán)重，近些年發(fā)生的瓦斯超限事故給企業(yè)安全生產(chǎn)造成巨大壓力的同時(shí)，也成為制約礦井高產(chǎn)、高效可持續(xù)發(fā)展的瓶頸。針對該礦具體瓦斯災(zāi)害條件，從隱患排查技術(shù)體系和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)兩方面進(jìn)行了瓦斯災(zāi)害隱患排查及防控系統(tǒng)平臺(tái)建設(shè)。

2.1四級(jí)技術(shù)體系建立

2.1.1瓦斯地質(zhì)角度的區(qū)域防控體系

長平公司已開拓開采區(qū)域的實(shí)測煤層最大瓦斯含量已達(dá)15.09 m3/t，且井田內(nèi)斷層、褶皺、陷落柱等構(gòu)造發(fā)育。2010年4月-9月，根據(jù)現(xiàn)場考察，4305工作面（回采長度440 m）一直處于過SF162斷層的過程中，其絕對瓦斯涌出量為13.6～37.2 m3/min、相對瓦斯涌出量為3.28～7.61 m3/t；2010年10月-2011年12月，工作面過斷層后，其絕對瓦斯涌出量為4.88～16.22 m3/ min、相對瓦斯涌出量為0.78～2.91 m3/t。4305工作面瓦斯涌出量受斷層影響情況如圖3所示。

圖3　4305工作面瓦斯涌出量受斷層影響

2012年6月，43061巷（4306工作面機(jī)巷）過泮河南向斜，在向斜軸部兩側(cè)的40 m范圍內(nèi)日常預(yù)測鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)K1值明顯偏高，多次超過0.5 m L/g·min1/2的臨界值；巷道過向斜后K1值逐漸降至安全范圍內(nèi)。43061巷日常預(yù)測指標(biāo)受向斜影響情況如圖4所示?？梢姡L平公司斷層、褶曲等構(gòu)造對瓦斯災(zāi)害危險(xiǎn)有顯著影響。

圖4　43061巷日常預(yù)測指標(biāo)受向斜影響

因此，結(jié)合我國礦井瓦斯災(zāi)害發(fā)生規(guī)律，瓦斯地質(zhì)區(qū)域防控體系首先對煤層瓦斯含量、瓦斯壓力、瓦斯涌出量、地質(zhì)構(gòu)造等瓦斯地質(zhì)信息進(jìn)行動(dòng)態(tài)化、信息化集成管理，并根據(jù)已有瓦斯及生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行瓦斯涌出量智能預(yù)測，以便掌控、預(yù)測礦井瓦斯涌出量；同時(shí)，重點(diǎn)對工作面前方的突出危險(xiǎn)區(qū)、地質(zhì)構(gòu)造影響區(qū)、區(qū)域措施未達(dá)標(biāo)區(qū)等隱患區(qū)域進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)瓦斯地質(zhì)隱患區(qū)超前掌握和及時(shí)提醒。

2.1.2通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控角度的系統(tǒng)防控體系

長平公司采用分區(qū)式通風(fēng)系統(tǒng)，井下工作面回采巷道的斷面大、長度長，且采用兩相鄰巷道平行掘進(jìn)方式同時(shí)掘進(jìn)，通風(fēng)隱患的發(fā)生可能性相當(dāng)大。通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)防控體系從通風(fēng)參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測、通風(fēng)隱患自動(dòng)監(jiān)控、地面遠(yuǎn)程管控三方面構(gòu)建:利用關(guān)鍵位置安裝的風(fēng)速、風(fēng)壓監(jiān)測傳感器，實(shí)時(shí)監(jiān)測風(fēng)速、風(fēng)壓等風(fēng)流參數(shù)，并解算整個(gè)礦井通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)；對通風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)流狀態(tài)、工作面通風(fēng)安全狀況進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)控，出現(xiàn)異常及時(shí)預(yù)警提醒；根據(jù)異常預(yù)警信息，智能輔助分析調(diào)控方案，進(jìn)行井下通風(fēng)系統(tǒng)的地面遠(yuǎn)程調(diào)控。通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)解算是通風(fēng)系統(tǒng)防控體系的關(guān)鍵，根據(jù)非穩(wěn)態(tài)條件下的回路風(fēng)流方程，按泰勒級(jí)數(shù)展開得出式（1）所示的回路各分支風(fēng)量變化值ΔQ的計(jì)算公式，將每支巷道擬定初始風(fēng)量，利用計(jì)算機(jī)按式（1）迭代計(jì)算各分支風(fēng)量變化值。

式中:ΔQ——分支風(fēng)量修正值，m3/s；

Ri——巷道i的摩擦風(fēng)阻，Ns2/m8；

Qi——巷道i的風(fēng)量，m3/s；

Q0i——初始時(shí)刻巷道i的風(fēng)量，m3/s；

Ki——巷道斷面系數(shù)；

ρi——巷道i內(nèi)空氣密度，kg/m3；

g——重力加速度，m/s2；

Zi——巷道i兩端高程差，m；

Δt——巷道風(fēng)量計(jì)算時(shí)間差，s；

hfi——巷道i上安裝的通風(fēng)機(jī)壓力，Pa。

2.1.3瓦斯涌出異常實(shí)時(shí)分析角度的局部動(dòng)態(tài)防控體系

瓦斯涌出動(dòng)態(tài)防控的關(guān)鍵是根據(jù)礦井工作面采掘過程中的每個(gè)瓦斯涌出指標(biāo)與實(shí)際突出危險(xiǎn)之間的相關(guān)性和差異性，選擇合適的指標(biāo)進(jìn)行突出危險(xiǎn)性預(yù)測。根據(jù)瓦斯涌出特征優(yōu)選方法，通過長平公司的大量考察和分析，發(fā)現(xiàn)瓦斯量指標(biāo)Gn和解吸特征指標(biāo)Dn與工作面實(shí)際突出危險(xiǎn)性具有較優(yōu)關(guān)聯(lián)性，43062巷（4306工作面風(fēng)巷）K1值與Gn、Dn指標(biāo)變化關(guān)系如圖5所示，因此確定瓦斯量指標(biāo)Gn和解吸特征指標(biāo)Dn為長平公司瓦斯涌出動(dòng)態(tài)防控指標(biāo)。

圖5　43062巷K1值與Gn、Dn指標(biāo)變化關(guān)系

瓦斯量指標(biāo)Gn反映工作面煤體中殘余瓦斯含量變化情況，瓦斯解吸指標(biāo)Dn反映工作面煤體結(jié)構(gòu)的變化情況，其計(jì)算式:

式中:Gn——瓦斯量指標(biāo)；

Dn——瓦斯解吸指標(biāo)；

Xt——第t分鐘瓦斯?jié)舛染担?；

k——巷修期間瓦斯?jié)舛龋?；

W0——煤體瓦斯含量，m3/t；

γ——煤層密度，t/m3；

L——巷道班次掘進(jìn)長度，m；

S——巷道面積，m2；

V——巷道掘進(jìn)速度，m/s；

β——巷道風(fēng)量系數(shù)；

a、b——瓦斯?jié)舛?、巷道掘進(jìn)速度修正系數(shù)。

Gn、Dn指標(biāo)利用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)每1 min計(jì)算一次，當(dāng)計(jì)算的Gn≥1.2或Dn≤1.1，則預(yù)測工作面有瓦斯災(zāi)害危險(xiǎn)性。

2.1.4瓦斯巡檢及隱患排查角度的隱患閉環(huán)管理體系

隱患閉環(huán)管理體系從瓦斯巡檢閉環(huán)管理和安全隱患閉環(huán)管理兩方面建立。瓦斯巡檢為以定路線、定人員、定次數(shù)、定周期為原則的走動(dòng)管理模式，對瓦檢員沿著各自巡檢路線的檢查次數(shù)、檢查結(jié)果、結(jié)果上報(bào)情況進(jìn)行監(jiān)控管理，保證瓦斯巡檢的全覆蓋、無空檢、無漏檢；隱患閉環(huán)管理包括瓦斯災(zāi)害相關(guān)的 “三違”、“一通三防”、機(jī)電設(shè)備、重點(diǎn)防控工程等隱患，進(jìn)行登記、評級(jí)、處理、審核、銷賬的全過程閉環(huán)管理，保證所有安全生產(chǎn)隱患的徹底排查。

2.2計(jì)算機(jī)系統(tǒng)建設(shè)

計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的建設(shè)包括隱患信息監(jiān)測與采集、隱患管控與排查分析、隱患信息集成與發(fā)布等關(guān)鍵環(huán)節(jié)的搭建實(shí)現(xiàn)。為了充分利用現(xiàn)有自動(dòng)化監(jiān)測技術(shù)及裝備，有效收集井下和掌握于各職能部門的安全隱患信息，實(shí)現(xiàn)瓦斯災(zāi)害隱患及時(shí)、全面管控與排查，根據(jù)長平公司KJ90監(jiān)控系統(tǒng)和辦公網(wǎng)的實(shí)際情況，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖6所示。

構(gòu)建圖包括信息自動(dòng)監(jiān)測采集裝備、煤礦監(jiān)控系統(tǒng)、礦井辦公網(wǎng)、中心服務(wù)器、專業(yè)管理與分析系統(tǒng)、隱患信息集成發(fā)布平臺(tái)等。

其中，專業(yè)管理與分析系統(tǒng)是瓦斯災(zāi)害隱患排查及管控的關(guān)鍵和核心，采用組件式開發(fā)結(jié)構(gòu)，以先進(jìn)的三維地理信息技術(shù)為基礎(chǔ)，根據(jù)礦井防突、通風(fēng)、監(jiān)控、安監(jiān)等部門的工作需要和習(xí)慣，進(jìn)行設(shè)計(jì)、開發(fā)，具體包括瓦斯地質(zhì)動(dòng)態(tài)分析系統(tǒng)、礦井通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)、工作面瓦斯涌出異常分析系統(tǒng)和瓦斯巡檢及安全隱患閉環(huán)管理系統(tǒng)，分別實(shí)現(xiàn)四方面的隱患排查與防控，并提供相關(guān)的瓦斯地質(zhì)信息集中管理、瓦斯參數(shù)等值線自動(dòng)繪制與輔助預(yù)測、瓦斯地質(zhì)圖自動(dòng)生成與動(dòng)態(tài)更新、通風(fēng)數(shù)據(jù)管理與分析、通風(fēng)系統(tǒng)二三維一體展示、巡檢及隱患信息集中管理等管理與分析功能。

圖6　計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3　試驗(yàn)與應(yīng)用

山西長平煤業(yè)有限責(zé)任公司自此系統(tǒng)應(yīng)用以來，總體運(yùn)行穩(wěn)定、反映迅速，從瓦斯地質(zhì)區(qū)域防控、通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)防控、瓦斯涌出動(dòng)態(tài)防控、隱患閉環(huán)管理四方面實(shí)現(xiàn)了 “四結(jié)合”的礦井瓦斯災(zāi)害隱患動(dòng)態(tài)監(jiān)測、超前預(yù)判和智能防控，分析結(jié)果準(zhǔn)確、超前性好。系統(tǒng)多次有效識(shí)別、捕捉了現(xiàn)場地質(zhì)構(gòu)造異常、瓦斯涌出異常等災(zāi)害隱患；實(shí)現(xiàn)了礦井風(fēng)網(wǎng)全面監(jiān)測、結(jié)算和巡檢及隱患信息的過程跟蹤和管控，杜絕了通風(fēng)隱患、巡檢空檢、漏檢和安全隱患的登記、處理不規(guī)范。同時(shí)，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了礦井瓦斯地質(zhì)、通風(fēng)、隱患等礦井安全信息的集中管理和透明共享，提升了礦井瓦斯災(zāi)害防治的信息化、規(guī)范化和精細(xì)化。

4　結(jié)論

（1）高瓦斯礦井的瓦斯災(zāi)害防治任務(wù)及難度將日趨嚴(yán)重，利用先進(jìn)信息化、智能化技術(shù)查隱患、強(qiáng)管理，實(shí)現(xiàn)瓦斯災(zāi)害隱患動(dòng)態(tài)監(jiān)測、超前預(yù)判和智能防控是有效發(fā)展方向。根據(jù)具體高瓦斯礦井的實(shí)際情況，結(jié)合瓦斯災(zāi)害影響因素及發(fā)生規(guī)律，構(gòu)建了瓦斯災(zāi)害隱患排查預(yù)警四級(jí)技術(shù)體系，建立計(jì)算機(jī)系統(tǒng)平臺(tái)，形成了軟件、硬件、網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合的瓦斯災(zāi)害隱患排查技術(shù)方法。

（2）現(xiàn)場應(yīng)用表明，瓦斯災(zāi)害隱患排查及防控技術(shù)從瓦斯地質(zhì)區(qū)域防控、通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)防控、瓦斯涌出動(dòng)態(tài)防控、隱患閉環(huán)管理四方面實(shí)現(xiàn)了瓦斯災(zāi)害隱患有效排查與管理，提升了礦井瓦斯災(zāi)害保障能力和災(zāi)害防治工作的信息化、自動(dòng)化技術(shù)水平，瓦斯災(zāi)害隱患排查及防控技術(shù)符合礦井實(shí)際瓦斯災(zāi)害特征。

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（責(zé)任編輯 張艷華）

Research on methane disaster elimination and control technology for high gassy mine

Wang Lei1，2
（1.China University of Mining and Technology，Beijing，Haidian，Beijing 100083，China；2.State Administration of Work Safety，Dongcheng，Beijing 100713，China）

To realize gas disaster"zero hazard potential"in high gassy mine，this paper proposed gas disaster potential elimination control technology system and its methodology.According to the fact of high gassy mine，"four-level"gas disaster potential elimination control technology system and the corresponding hardware and software computer system were established and gas disaster potential elimination control technology was formed.Field application showed that gas disaster potential elimination control technology realized dynamic monitoring，advanced anticipation and intelligent control for gas disaster potential，upgraded systematic and intelligent analysis for gas disaster to a higher level.

high gassy mine，gas disaster，potential elimination，gas prevention and control，dynamic monitoring，advanced anticipation，intelligential prevention

TD712.5

A

?重慶市 “科技創(chuàng)新領(lǐng)軍人才支持計(jì)劃”（CSTCKJCXLJRC14），國家“十三五”重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2016YFC0801404），中國煤炭科工集團(tuán)有限公司科技創(chuàng)新基金（2013ZD002）

王磊（1976-），山東省棗莊市人，中國礦業(yè)大學(xué)（北京）在讀博士研究生，現(xiàn)任國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局培訓(xùn)教育處處長。