瓦斯涌出智能分析及預(yù)警技術(shù)研究與應(yīng)用

劉 瓊,劉 勇，孫秉成，張慶華，王麒翔

(1.貴州大學(xué) 礦業(yè)學(xué)院， 貴州 貴陽(yáng) 550025； 2.神華新疆能源股份有限公司，新疆 烏魯木齊 830037； 3.中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司， 重慶 400037 )

0 引 言

現(xiàn)階段許多煤礦的自動(dòng)化程度很低，瓦斯監(jiān)控預(yù)測(cè)還停留在手持瓦斯?jié)舛缺O(jiān)測(cè)儀的階段，即使實(shí)現(xiàn)了瓦斯數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集，但是一旦預(yù)測(cè)到將要發(fā)生瓦斯安全事故，留給井下一線工人逃生的時(shí)間很短，預(yù)報(bào)的突發(fā)性，滯后性，準(zhǔn)確性等都不能達(dá)到預(yù)期的效果[1]。2001～2016年之間，煤礦特大事故共有67起，其中瓦斯事故占49起，為威脅煤礦安全的頭號(hào)災(zāi)害[2]。瓦斯事故對(duì)于煤礦的傷害是巨大的，不僅影響煤礦安全生產(chǎn)，造成人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失；甚至可能會(huì)影響煤礦企業(yè)健康發(fā)展和和諧社會(huì)的建立。因此研究出一種適合煤礦，能智能預(yù)測(cè)瓦斯災(zāi)害的預(yù)警技術(shù)是很有必要的。瓦斯預(yù)測(cè)一直都是許多科研工作者致力攻關(guān)的課題，瓦斯預(yù)測(cè)的實(shí)現(xiàn)能很好地指導(dǎo)煤礦的生產(chǎn)。在瓦斯涌出特征突出預(yù)警技術(shù)方面，張希九、于宗立認(rèn)為“瓦斯涌出異?！毕禂?shù)與突出前的壓力和聲響異常同時(shí)，瓦斯涌出忽大忽小，極值懸殊數(shù)倍，但總趨勢(shì)增大，有時(shí)甚至?xí)l(fā)生“喘氣”現(xiàn)象。這一直被認(rèn)為是突出預(yù)兆[3]。王志亮、李其中認(rèn)為可以通過(guò)瓦斯涌出動(dòng)態(tài)連續(xù)監(jiān)測(cè)反映含瓦斯煤體所處的應(yīng)力(或變形)狀態(tài)從而確定工作面附近煤層的突出危險(xiǎn)性等[4]。通過(guò)這些學(xué)者的研究可以說(shuō)明研究瓦斯參數(shù)和煤巖體應(yīng)力參數(shù)可以預(yù)測(cè)瓦斯的涌出異常情況[5-8]。

1 瓦斯涌出異常指標(biāo)分析與計(jì)算

瓦斯災(zāi)害的產(chǎn)生不是絕對(duì)偶然的，通過(guò)研究煤與瓦斯突出的能量機(jī)理，可以得出煤與瓦斯突出事故的發(fā)生是煤體內(nèi)的能量積累到一定程度受外力作用突然釋放的過(guò)程。這種能量突然釋放的過(guò)程主要與煤體內(nèi)的瓦斯能量，煤體應(yīng)力及受采動(dòng)干擾力以及煤體抗干擾能力有密切關(guān)系，通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與這些因素有關(guān)的參數(shù)，并以此確立該礦井工作面瓦斯涌出特征指標(biāo)及其臨界值以輔助礦井預(yù)警煤與瓦斯突出危險(xiǎn)，其基本原理見(jiàn)圖1。

圖1 預(yù)警原理

瓦斯相關(guān)參數(shù)數(shù)據(jù)的獲取是運(yùn)用瓦斯涌出特征分析及預(yù)警突出技術(shù)的基礎(chǔ)，瓦斯涌出預(yù)警系統(tǒng)需要從瓦斯監(jiān)控中心獲取數(shù)據(jù)，但又不能從監(jiān)控中心直接讀取數(shù)據(jù)，以免造成系統(tǒng)間的干擾，需要另外開(kāi)發(fā)專門的數(shù)據(jù)傳輸端口接收或讀取不同監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)圖表，實(shí)現(xiàn)預(yù)警系統(tǒng)獲取數(shù)據(jù)。另外，還需開(kāi)發(fā)專門的存儲(chǔ)數(shù)據(jù)中心，將采集的瓦斯相關(guān)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)存儲(chǔ)，供預(yù)警系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)的長(zhǎng)期計(jì)算分析與調(diào)用。該系統(tǒng)利用預(yù)警指標(biāo)A,B值來(lái)實(shí)時(shí)預(yù)警。A,B值計(jì)算如下。

(1) 第i班次的瓦斯涌出監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)班次均值為：

式中，T為一個(gè)班次作業(yè)時(shí)間，min ；xi為第i分鐘內(nèi)瓦斯涌出監(jiān)控均值，%。

第i班次的瓦斯涌出監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)班次分鐘最大值：

xi,t,min=max[x1,x2，…，xi，…，xt]

第i班次的瓦斯涌出班次t分鐘移動(dòng)最小值：

(2) 獲取巷道形狀設(shè)計(jì)特征參數(shù)β、煤層原始可解吸瓦斯含量Qm，工作面風(fēng)量Qf以及時(shí)間T，其中β=工作面迎頭面積 /( 新鮮巷道壁面積 + 工作面迎頭面積 ) 。

(4) 通過(guò)瓦斯涌出動(dòng)態(tài)特征值a,b, 獲取掘進(jìn)面瓦斯涌出特征狀態(tài)指標(biāo)A,B，其第i班次瓦斯涌出量特征狀態(tài)指標(biāo)為：

式中，Mn為掘進(jìn)面第i-n到第i班次的落煤量，單位為t ；

第i班次瓦斯涌出解吸特征狀態(tài)指標(biāo)Bi,1=bi；

瓦斯預(yù)警的實(shí)施可以產(chǎn)生的顯著效應(yīng)主要有以下兩方面。一是提高突出礦井生產(chǎn)力。傳統(tǒng)的局部預(yù)測(cè)方法作業(yè)工序較多、預(yù)測(cè)時(shí)間較長(zhǎng)，一般預(yù)測(cè)一個(gè)掘進(jìn)工作面需要約3 h左右。而瓦斯涌出智能連續(xù)預(yù)測(cè)技術(shù)對(duì)工作面或掘進(jìn)面的實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)技術(shù)一般只需要1～5 min，并且可以在不影響井下相關(guān)作業(yè)的情況下完成工作面或掘進(jìn)面突出危險(xiǎn)性的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)預(yù)警。二是提高突出預(yù)測(cè)預(yù)警的準(zhǔn)確性。瓦斯涌出連續(xù)預(yù)測(cè)技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)24 h不間斷的實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)，克服了傳統(tǒng)預(yù)測(cè)方法本身的危險(xiǎn)性，在現(xiàn)有防突預(yù)測(cè)水平的基礎(chǔ)上提高防突預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性。通過(guò)井下瓦斯數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集，實(shí)時(shí)分析，實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)，達(dá)到有險(xiǎn)情先知道，早做預(yù)防，一旦瓦斯預(yù)警產(chǎn)生及時(shí)采取必要措施。該套技術(shù)能規(guī)范瓦斯治理工作，形成煤礦治理瓦斯的成套技術(shù)，在技術(shù)上符合國(guó)家煤礦智能化，機(jī)械化操作的政策。瓦斯涌出指標(biāo)的預(yù)警是連續(xù)的，但是井下的采掘卻存在一定的間斷性，井下無(wú)作業(yè)情況或者無(wú)落煤期間的瓦斯數(shù)據(jù)依然存在，但是此時(shí)刻的預(yù)警卻是無(wú)效預(yù)警。因此根據(jù)工作面采掘生產(chǎn)情況，瓦斯涌出指標(biāo)預(yù)警頻率應(yīng)為：

μ1=v1×P1
μ2=v2×P1
μ3=v1×P2
μ4=v2×P2

式中，μ1為瓦斯涌出特征指標(biāo)趨勢(shì)威脅預(yù)警率，%；μ2為瓦斯涌出特征指標(biāo)趨勢(shì)危險(xiǎn)預(yù)警率，%；μ3為瓦斯涌出特征指標(biāo)狀態(tài)威脅預(yù)警率，%；μ4為瓦斯涌出特征指標(biāo)狀態(tài)危險(xiǎn)預(yù)警率，%；v1為井下實(shí)際突出預(yù)測(cè)指標(biāo)威脅預(yù)警率，%；v2為井下實(shí)際突出預(yù)測(cè)指標(biāo)危險(xiǎn)預(yù)警率，%；P1為工作面有效作業(yè)率，%；P2為工作面有效落煤時(shí)間，%。

2 工業(yè)性試驗(yàn)

2.1 礦井概況

烏冬礦隸屬神華新疆能源有限公司。生產(chǎn)規(guī)模達(dá)到6.0 Mt/a， 2015年烏冬礦煤礦瓦斯等級(jí)鑒定結(jié)果為：礦井瓦斯相對(duì)涌出量為6.68 m3/t，瓦斯絕對(duì)涌出量為26.01 m3/min，二氧化碳相對(duì)涌出量為9.66 m3/t，二氧化碳絕對(duì)涌出量為37.64 m3/min；采面工作面最大瓦斯絕對(duì)涌出量為5.65 m3/min，掘進(jìn)工作面最大瓦斯絕對(duì)涌出量為3.34 m3/min。隨著北區(qū)采掘進(jìn)度的推進(jìn)，瓦斯防治工作的愈發(fā)困難，將成為制約烏東礦井安全可持續(xù)發(fā)展的瓶頸。

2.2 瓦斯預(yù)警技術(shù)實(shí)施必要性分析

烏冬礦地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，瓦斯富集，煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性嚴(yán)重，安全開(kāi)采條件已經(jīng)成為制約安全、高效礦井建設(shè)進(jìn)一步向縱深發(fā)展的“瓶頸”，面對(duì)嚴(yán)重威協(xié)礦井安全生產(chǎn)的瓦斯，烏冬礦通過(guò)一系列有針對(duì)性、切實(shí)可行的技術(shù)措施，加大礦井硬件投入和防突體系建設(shè)，嚴(yán)格按照《防治煤與瓦斯突出規(guī)定》及專項(xiàng)設(shè)計(jì)，采取區(qū)域綜合防突措施與局部綜合防突措施相結(jié)合的瓦斯突出防治方法，嚴(yán)格執(zhí)行“先抽后采、監(jiān)測(cè)監(jiān)控、以風(fēng)定產(chǎn)”的安全生產(chǎn)方針，有效防止煤與瓦斯突出事故。雖然礦井瓦斯治理成效顯著，但是礦井瓦斯治理的技術(shù)水平仍需要進(jìn)一步總結(jié)和提高，借助科技的手段，實(shí)現(xiàn)礦區(qū)瓦斯災(zāi)害的過(guò)程化預(yù)控，使礦區(qū)瓦斯治理整體水平達(dá)到世界領(lǐng)先水平。項(xiàng)目通過(guò)烏冬礦大數(shù)據(jù)建設(shè)工程構(gòu)建成套的信息化、智能化、科學(xué)化突出防控技術(shù)體系，推動(dòng)煤礦現(xiàn)場(chǎng)夯實(shí)煤與瓦斯突出防治基礎(chǔ)工作。

2.3 瓦斯預(yù)警技術(shù)在烏冬礦的建設(shè)

瓦斯預(yù)警技術(shù)主要是對(duì)井下監(jiān)控系統(tǒng)中的瓦斯參數(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析計(jì)算，得出瓦斯預(yù)警系統(tǒng)需要的指標(biāo)，通過(guò)相關(guān)指標(biāo)實(shí)現(xiàn)工作面或掘進(jìn)面的實(shí)時(shí)瓦斯災(zāi)害預(yù)警。此套系統(tǒng)包含主機(jī)總端和網(wǎng)頁(yè)登錄端，主機(jī)總端是通過(guò)參數(shù)設(shè)置，數(shù)據(jù)傳輸與收集，以及通過(guò)數(shù)據(jù)分析計(jì)算相關(guān)指標(biāo)的具體值，選擇需要預(yù)警的區(qū)域使其在網(wǎng)站登陸端顯示；網(wǎng)站登錄端方便礦上各級(jí)領(lǐng)導(dǎo)實(shí)時(shí)查看，提出意見(jiàn)以及發(fā)布指示，使瓦斯預(yù)警工作透明化，智能化。

從煤礦瓦斯監(jiān)控中心獲取井下瓦斯傳感器的實(shí)時(shí)瓦斯涌出參數(shù)數(shù)據(jù)，從中提取工作面或掘進(jìn)面瓦斯涌出的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)特征，包括瓦斯涌出監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)班次均值、瓦斯涌出監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)班次分鐘最大值和瓦斯涌出班次 t 分鐘移動(dòng)最小值 ；獲取巷道形狀設(shè)計(jì)特征參數(shù)、煤層原始可解吸瓦斯含量、風(fēng)量以及班次時(shí)間，由以上數(shù)據(jù)先后獲取掘進(jìn)面瓦斯涌出量特征指標(biāo)、瓦斯解吸指標(biāo)以及瓦斯分源特征指標(biāo)，并根據(jù)三種特征指標(biāo)的狀態(tài)以及趨勢(shì)對(duì)工作面突出危險(xiǎn)性進(jìn)行實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)。

烏東礦目前主要防突重點(diǎn)包括9號(hào)煤層9706進(jìn)風(fēng)、9706回風(fēng)、9706配風(fēng)、9706尾巷4個(gè)工作面以及3號(hào)煤層3904進(jìn)風(fēng)1個(gè)工作面，共計(jì)五個(gè)防突工作面。在考察期間，5個(gè)工作面累計(jì)掘進(jìn)223個(gè)循環(huán)，進(jìn)尺1862 m，見(jiàn)表1所示。

表1 預(yù)警指標(biāo)考察

通過(guò)在預(yù)警煤層進(jìn)行取樣，得出煤層煤樣的K1(鉆屑瓦斯解吸指標(biāo))-P(瓦斯壓力)關(guān)系，所測(cè)得的K1-P關(guān)系模型，見(jiàn)圖2和圖3。

通過(guò)工業(yè)性實(shí)測(cè)，計(jì)算出烏冬礦的瓦斯預(yù)警指標(biāo)重要值A(chǔ)和B,見(jiàn)表2。

圖2 3904進(jìn)風(fēng)800 m處

圖3 9706進(jìn)風(fēng)700 m處

煤層指標(biāo)類別正常威脅危險(xiǎn)3#煤層趨勢(shì)預(yù)警A<0．80．8≤A<1．0A≥1．0狀態(tài)預(yù)警B<0．70．7≤B<1．0B≥1．09#煤層趨勢(shì)預(yù)警A<0．80．8≤A<1．0A≥1．0狀態(tài)預(yù)警B<0．60．6≤B<0．8B≥0．8

(1) A正常。參數(shù)設(shè)置正確前提下，預(yù)警前方5～10 m之間安全，預(yù)計(jì)瓦斯含量在A*10 m3/t左右。

(2) A威脅。參數(shù)設(shè)置正確前提下，預(yù)警前方5～10 m之間存在威脅，預(yù)計(jì)瓦斯含量在A*10 m3/t左右，應(yīng)當(dāng)采取相應(yīng)措施，抽放煤體中瓦斯。

(3) A危險(xiǎn)。參數(shù)設(shè)置正確前提下，預(yù)警前方5～10 m之間存在危險(xiǎn)，預(yù)計(jì)瓦斯含量在A*10 m3/t左右，應(yīng)當(dāng)果斷采取瓦斯抽采，釋放煤體中瓦斯。

(4) B正常。預(yù)警前方1～3 m之間瓦斯含量，煤體應(yīng)力狀態(tài)正常。

(5) B威脅。預(yù)警前方1～3 m之間瓦斯含量，煤體應(yīng)力狀態(tài)存在威脅，應(yīng)當(dāng)尋找威脅原因，采取相關(guān)對(duì)策。

(6) B危險(xiǎn)。預(yù)警前方1～3 m之間瓦斯含量，煤體應(yīng)力狀態(tài)存在危險(xiǎn)，應(yīng)當(dāng)果斷采取針對(duì)措施降低煤體應(yīng)力和煤體瓦斯含量。

通過(guò)近半年運(yùn)行，安全預(yù)警準(zhǔn)確率達(dá)到90%以上，對(duì)礦井安全監(jiān)控系統(tǒng)的瓦斯?jié)舛缺O(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析，實(shí)時(shí)顯示出瓦斯預(yù)警指標(biāo)值，實(shí)現(xiàn)了瓦斯防突的實(shí)時(shí)可連續(xù)性。烏冬礦該系統(tǒng)從2017年4月10日試運(yùn)行以來(lái)，未出現(xiàn)一次異常或誤報(bào)，各系統(tǒng)運(yùn)行正常，穩(wěn)定可靠。各系統(tǒng)的安裝運(yùn)用必將進(jìn)一步增強(qiáng)烏冬礦煤礦在重大災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別與預(yù)警防控體系能力，實(shí)現(xiàn)煤礦安全生產(chǎn)遠(yuǎn)程監(jiān)管監(jiān)察、安全生產(chǎn)警示教育和安全生產(chǎn)應(yīng)急管理等主要業(yè)務(wù)功能的信息化工程；實(shí)現(xiàn)煤礦安全生產(chǎn)系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)“早期識(shí)別”和事故“事先預(yù)知”、提高煤礦本質(zhì)安全化水平，為烏冬礦煤礦的安全生產(chǎn)保駕護(hù)航。

3 結(jié) 語(yǔ)

(1) KJA瓦斯預(yù)警技術(shù)在烏冬礦的使用，解決了傳統(tǒng)瓦斯靜態(tài)非連續(xù)性監(jiān)測(cè)技術(shù)的不連續(xù)性、不全面性和人工工作的不精細(xì)性；實(shí)現(xiàn)了預(yù)警工作與安全生產(chǎn)工作的同步運(yùn)行，對(duì)于提高生產(chǎn)效率有積極作用，并且其預(yù)警效果得到了進(jìn)一步的證實(shí)。使得煤礦防突工作進(jìn)入精細(xì)化和正規(guī)化，實(shí)現(xiàn)了防突信息的公開(kāi)透明化，并實(shí)現(xiàn)了瓦斯防突的連續(xù)性，提升了礦井對(duì)于瓦斯災(zāi)害的管理水平和智能化水平。

(2) 瓦斯涌出動(dòng)態(tài)特征預(yù)警技術(shù)實(shí)時(shí)顯示工作面或掘進(jìn)面前方內(nèi)部的瓦斯含量及壓力狀態(tài)，保障了井下工人工作的安全及高效性。同時(shí)井下瓦斯預(yù)警的實(shí)時(shí)在線網(wǎng)絡(luò)化，有利于上級(jí)部門對(duì)于煤礦井下防突工作的了解，并發(fā)布適應(yīng)性高的政策，促進(jìn)煤礦管理水平的提高，提高生產(chǎn)效益。

(3) 瓦斯預(yù)警技術(shù)的實(shí)施現(xiàn)狀，能促進(jìn)煤礦瓦斯參數(shù)大數(shù)據(jù)的收集，促進(jìn)礦端數(shù)據(jù)中心的建設(shè)，對(duì)于研究瓦斯一般規(guī)律提供了資料保證，為以后各個(gè)指標(biāo)的精細(xì)化打造了基礎(chǔ)，推動(dòng)了瓦斯治理工作的進(jìn)一步發(fā)展。

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