基于瓦斯涌出特征的錢(qián)家營(yíng)礦掘進(jìn)工作面突出預(yù)警系統(tǒng)應(yīng)用

張嘉勇,艾子博，呂華新,龐鳳嶺

(1.華北理工大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，河北 唐山 063009； 2.開(kāi)灤(集團(tuán))有限責(zé)任公司錢(qián)家營(yíng)礦業(yè)分公司，河北 唐山 063000)

煤與瓦斯突出(簡(jiǎn)稱“突出”)是礦井煤巖動(dòng)力災(zāi)害的主要表現(xiàn)形式，嚴(yán)重影響礦井的安全生產(chǎn)[1-3]。預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)是防治突出的基礎(chǔ)和前提[4-7]，常規(guī)的突出預(yù)警方法屬于抽檢式，難以反映瞬時(shí)擾動(dòng)和突出危險(xiǎn)性的動(dòng)態(tài)演化過(guò)程[8]。在突出預(yù)警方面國(guó)內(nèi)外專(zhuān)家開(kāi)展了一系列研究，非接觸式連續(xù)突出預(yù)測(cè)在目前防突預(yù)警中得到了推廣應(yīng)用[9-11]。其中通過(guò)分析礦井瓦斯監(jiān)測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)，選取合理的瓦斯特征指標(biāo)進(jìn)行突出預(yù)警，取得了良好的預(yù)警效果[12-15]。筆者通過(guò)提取礦井現(xiàn)有安全監(jiān)控系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)瓦斯涌出量進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，分析驗(yàn)證瓦斯涌出特征，確定掘進(jìn)工作面突出預(yù)警指標(biāo)及臨界值，構(gòu)建錢(qián)家營(yíng)礦掘進(jìn)工作面突出預(yù)警系統(tǒng)，用以實(shí)現(xiàn)煤與瓦斯突出的實(shí)時(shí)、連續(xù)預(yù)警，為礦井防突工作提供技術(shù)指導(dǎo)。

1 礦井煤巖動(dòng)力現(xiàn)象分析

錢(qián)家營(yíng)礦-850 m水平主石門(mén)位于礦井三水平，巷道斷面設(shè)計(jì)凈面積為16.3 m2，巷道端頭風(fēng)量為5.43 m3/s。2010年12月24日夜班01：30左右，巷道端頭突然發(fā)生頂板冒落情況，采樣點(diǎn)處瓦斯?jié)舛?CH4體積分?jǐn)?shù)，下同)達(dá)到1.2%。根據(jù)-850 m水平主石門(mén)T1甲烷傳感器監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)了事故發(fā)生前的瓦斯涌出量變化情況，如圖1所示。

圖1 錢(qián)家營(yíng)礦“12.24”動(dòng)力現(xiàn)象發(fā)生前瓦斯涌出量變化

通過(guò)案例和相關(guān)文獻(xiàn)分析得出，在突出發(fā)生之前的一段時(shí)間內(nèi)，掘進(jìn)工作面瓦斯涌出量有明顯的變化特征，大致分為升高、波動(dòng)和先降后升3種情況，基于此變化特征將瓦斯涌出量作為掘進(jìn)工作面突出預(yù)警指標(biāo)的基礎(chǔ)參數(shù)。

2 掘進(jìn)工作面突出預(yù)警方法

2.1 預(yù)警指標(biāo)確定

掘進(jìn)工作面突出預(yù)警的關(guān)鍵是科學(xué)確定預(yù)警指標(biāo)及其臨界值。依據(jù)《防治煤與瓦斯突出細(xì)則》和錢(qián)家營(yíng)礦動(dòng)力現(xiàn)象發(fā)生期間瓦斯涌出量變化情況，基于對(duì)數(shù)據(jù)離散特征和回歸速率的分析，選取瓦斯涌出量的方差(瓦斯涌出量離散程度)、波峰差(瓦斯涌出量異常差值)、波動(dòng)斜率(瓦斯涌出量異常速率)為掘進(jìn)工作面突出預(yù)警指標(biāo)，并基于錢(qián)家營(yíng)礦-850 m水平主石門(mén)區(qū)域煤巖動(dòng)力現(xiàn)象瓦斯數(shù)據(jù)計(jì)算預(yù)警指標(biāo)臨界值。預(yù)警流程如圖2所示。

圖2 掘進(jìn)工作面突出預(yù)警方法流程

2.2 瓦斯涌出量監(jiān)測(cè)

為實(shí)現(xiàn)對(duì)掘進(jìn)工作面突出的實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確和超前預(yù)警，通過(guò)甲烷傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)讀取掘進(jìn)工作面的瓦斯數(shù)據(jù)。錢(qián)家營(yíng)礦掘進(jìn)工作面甲烷傳感器布置如圖3所示，在距掘進(jìn)工作面端頭5 m和25 m處分別懸掛1臺(tái)高低濃度甲烷傳感器和1臺(tái)風(fēng)速風(fēng)向傳感器，傳感器位置隨掘進(jìn)工作面推進(jìn)而不斷循環(huán)前移。

圖3 錢(qián)家營(yíng)礦掘進(jìn)工作面?zhèn)鞲衅鞑贾檬疽鈭D

瓦斯涌出量計(jì)算公式如下：

Q1=Qφ(CH4)/100

(1)

式中：Q1為絕對(duì)瓦斯涌出量，m3/min；Q為風(fēng)量，m3/min；φ(CH4)為風(fēng)流中的平均瓦斯?jié)舛龋?。

2.3 預(yù)警指標(biāo)計(jì)算

掘進(jìn)工作面預(yù)警指標(biāo)確定為瓦斯涌出量特征值：方差、波峰差、波動(dòng)斜率。設(shè)瓦斯涌出量監(jiān)測(cè)序列為{xt，t=1，2，…，i}，根據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算各預(yù)警指標(biāo)值。

方差S2表示監(jiān)測(cè)序列的離散程度，反映數(shù)據(jù)在一定條件下的離散情況，方差越大表示瓦斯涌出量的離散程度越大，說(shuō)明存在突出的趨勢(shì)。采用無(wú)偏估計(jì)下的方差，其計(jì)算公式如下：

(2)

波峰差F是統(tǒng)計(jì)監(jiān)測(cè)序列波動(dòng)大小的度量，當(dāng)F相較于正常序列的值越大時(shí)則表示此監(jiān)測(cè)序列的波動(dòng)越大，說(shuō)明存在突出的趨勢(shì)。其計(jì)算公式如下：

F=xmax-xmin

(3)

式中：xmax為監(jiān)測(cè)序列中最大瓦斯涌出量，m3/min；xmin為監(jiān)測(cè)序列中最小瓦斯涌出量，m3/min。

波動(dòng)斜率K表示監(jiān)測(cè)序列線性回歸增高或下降的方向及快慢。當(dāng)K>0時(shí)，說(shuō)明瓦斯涌出量監(jiān)測(cè)序列xt有增高趨勢(shì)且K值越大增高越快；當(dāng)K<0時(shí)，說(shuō)明監(jiān)測(cè)序列xt有下降趨勢(shì)且K值越小下降越快；當(dāng)K趨近于0時(shí)，說(shuō)明監(jiān)測(cè)序列xt走勢(shì)相對(duì)比較平穩(wěn)，增高或下降趨勢(shì)不明顯。對(duì)監(jiān)測(cè)序列xt進(jìn)行線性擬合后計(jì)算K。實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)︱K︱相較于正常序列︱K︱越大，則說(shuō)明存在突出的趨勢(shì)。其計(jì)算公式如下：

(4)

式中：y1為瓦斯涌出量監(jiān)測(cè)序列線性擬合后的始值，m3/min；y2為瓦斯涌出量監(jiān)測(cè)序列線性擬合后的末值，m3/min；x1為監(jiān)測(cè)序列步長(zhǎng)的始值；x2為監(jiān)測(cè)序列步長(zhǎng)的末值；Δy為瓦斯涌出量監(jiān)測(cè)序列線性擬合后的始末值之差，m3/min；Δx為瓦斯涌出量監(jiān)測(cè)序列線性擬合后序列步長(zhǎng)值。

2.4 預(yù)警指標(biāo)臨界值

基于錢(qián)家營(yíng)礦-850 m主石門(mén)進(jìn)風(fēng)巷道、2077運(yùn)道和2096風(fēng)道3個(gè)區(qū)域某時(shí)段調(diào)度中心瓦斯涌出量實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，以及-850 m水平主石門(mén)區(qū)域動(dòng)力現(xiàn)象發(fā)生前不同時(shí)段巷道甲烷傳感器監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，建立瓦斯涌出量監(jiān)測(cè)序列。由于調(diào)度中心瓦斯數(shù)據(jù)更新間隔為1 min，為確保突出預(yù)警指標(biāo)值的實(shí)時(shí)性及數(shù)據(jù)的有效性，取監(jiān)測(cè)步長(zhǎng)i=10，由公式(2)～(4)對(duì)其進(jìn)行方差、波峰差、波動(dòng)斜率的計(jì)算分析。突出預(yù)警指標(biāo)計(jì)算值如表1所示。

表1 不同樣本預(yù)警指標(biāo)值

通過(guò)對(duì)表1數(shù)據(jù)的分析，選取異常時(shí)期和正常時(shí)期瓦斯涌出量特征值，建立特征數(shù)據(jù)序列，進(jìn)行指標(biāo)臨界值計(jì)算。

正常時(shí)期指標(biāo)值可基于對(duì)錢(qián)家營(yíng)礦2018年 11月至12月正常生產(chǎn)期間的瓦斯涌出量采集數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算得到，方差數(shù)值為[0，0.034]，波峰差數(shù)值為[0，0.5]，波動(dòng)斜率數(shù)值為[0，0.001 8]。異常時(shí)期瓦斯數(shù)據(jù)根據(jù)表1中事故發(fā)生前各時(shí)間段的指標(biāo)值得到。

中位數(shù)是確定全體單位標(biāo)志值的代表值，不受分布數(shù)列的極大或極小值影響，在一定程度上提高了分布數(shù)列的代表性，因此計(jì)算數(shù)值序列中位數(shù)為掘進(jìn)工作面突出預(yù)警指標(biāo)危險(xiǎn)臨界值。由于正常時(shí)期指標(biāo)值較小，取全部數(shù)值進(jìn)行中位數(shù)計(jì)算會(huì)使序列代表性受到影響，因此選取正常時(shí)期指標(biāo)最大值，結(jié)合異常時(shí)期指標(biāo)值，建立特征數(shù)值序列進(jìn)行中位數(shù)計(jì)算得出指標(biāo)危險(xiǎn)臨界值。正常時(shí)期方差指標(biāo)最大值為0.034，結(jié)合異常時(shí)期方差指標(biāo)值[0.005 0，0.006 2，0.013 0，0.018 0，0.037 0，0.110 0]，組成特征序列[0.005 0，0.006 2，0.013 0，0.018 0，0.034 0，0.037 0，0.110 0]取中位數(shù)0.018 0為方差危險(xiǎn)臨界值。同理求出波峰差危險(xiǎn)臨界值為0.41，波動(dòng)斜率危險(xiǎn)臨界值為±0.027。

根據(jù)異常瓦斯指標(biāo)值和錢(qián)家營(yíng)礦井下實(shí)際，采取專(zhuān)家意見(jiàn)確定提醒臨界值和關(guān)注臨界值分別為危險(xiǎn)臨界值的60%和80%左右。為了提高預(yù)警的準(zhǔn)確性，礦井應(yīng)根據(jù)不同區(qū)域、不同煤層的實(shí)際情況，重新評(píng)估確定方差、波峰差和波動(dòng)斜率的臨界值，以降低漏報(bào)率和誤報(bào)率。

3 掘進(jìn)工作面突出預(yù)警系統(tǒng)

基于Matlab數(shù)值計(jì)算和VB可視化界面設(shè)計(jì)結(jié)合Sql server數(shù)據(jù)庫(kù)平臺(tái)，構(gòu)建掘進(jìn)工作面突出預(yù)警系統(tǒng)。該預(yù)警系統(tǒng)由兩部分組成：瓦斯數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集系統(tǒng)和可視化預(yù)警系統(tǒng)。其工作原理是：瓦斯數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集系統(tǒng)通過(guò)礦區(qū)局域網(wǎng)建立網(wǎng)絡(luò)協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸拷貝，實(shí)時(shí)讀取調(diào)度中心瓦斯監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，得到各工作面實(shí)時(shí)瓦斯涌出量并存入數(shù)據(jù)庫(kù)中；可視化預(yù)警系統(tǒng)連接數(shù)據(jù)庫(kù)讀取實(shí)時(shí)瓦斯涌出值并進(jìn)行預(yù)警指標(biāo)計(jì)算，實(shí)現(xiàn)非接觸式、實(shí)時(shí)預(yù)警，以及預(yù)警數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、查詢、報(bào)表等功能。

3.1 瓦斯數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集

瓦斯數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集系統(tǒng)由系統(tǒng)配置和系統(tǒng)運(yùn)行兩大部分組成，其中系統(tǒng)配置部分主要完成對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境的配置與對(duì)接，系統(tǒng)運(yùn)行部分主要完成對(duì)數(shù)據(jù)采集的實(shí)時(shí)控制。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主界面顯示錢(qián)家營(yíng)礦某時(shí)段各工作面采樣點(diǎn)瓦斯涌出量，如圖4所示。

圖4 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主界面

系統(tǒng)配置部分包括配置系統(tǒng)模塊和數(shù)據(jù)庫(kù)配置模塊。配置系統(tǒng)模塊主要完成對(duì)系統(tǒng)環(huán)境的設(shè)置，其中數(shù)據(jù)庫(kù)地址、數(shù)據(jù)庫(kù)名稱、數(shù)據(jù)庫(kù)用戶名和數(shù)據(jù)庫(kù)密碼為保存實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫(kù)訪問(wèn)信息；實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)位置(網(wǎng)絡(luò))和實(shí)時(shí)設(shè)備信息位置(網(wǎng)絡(luò))為調(diào)度中心數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)向本系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)位置(根據(jù)錢(qián)家營(yíng)礦網(wǎng)絡(luò)文件訪問(wèn)方式采用ftp方式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸)；實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)位置(本地)和實(shí)時(shí)設(shè)備信息位置(本地)為實(shí)時(shí)拷貝礦山采集數(shù)據(jù)文件的本地硬盤(pán)存儲(chǔ)位置；上次數(shù)據(jù)采集時(shí)間為本采集系統(tǒng)所記錄的最后一次錄入數(shù)據(jù)時(shí)間；生成實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)間隔為其他數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)向本系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)的時(shí)間間隔；數(shù)據(jù)文件位置(本地)為礦山采集數(shù)據(jù)文件的本地存儲(chǔ)目錄；文件拷貝時(shí)間間隔為本地硬盤(pán)同步拷貝礦山實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)文件的時(shí)間間隔。系統(tǒng)配置界面如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)配置界面

數(shù)據(jù)庫(kù)配置模塊主要完成對(duì)系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)信息的增加、修改和刪除，其中包括采區(qū)設(shè)置、工作面設(shè)置和瓦斯采樣點(diǎn)設(shè)置幾部分。數(shù)據(jù)庫(kù)配置界面如圖6所示。

圖6 數(shù)據(jù)庫(kù)配置界面

系統(tǒng)運(yùn)行部分主要完成對(duì)數(shù)據(jù)采集的實(shí)時(shí)控制，包括開(kāi)始采集數(shù)據(jù)和停止采集數(shù)據(jù)。

3.2 可視化預(yù)警應(yīng)用

突出預(yù)警系統(tǒng)在錢(qián)家營(yíng)礦調(diào)試應(yīng)用，基于掘進(jìn)工作面突出預(yù)警方法對(duì)系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)警分析，在此期間各工作面生產(chǎn)正常，無(wú)突出危險(xiǎn)事故發(fā)生。

錢(qián)家營(yíng)礦2172回風(fēng)巷道設(shè)計(jì)長(zhǎng)度1 150 m，服務(wù)于2172回采工作面。2018年12月23日早班期間對(duì)2172回風(fēng)巷道某時(shí)段瓦斯涌出量進(jìn)行預(yù)警指標(biāo)分析，如圖7所示?？梢钥闯?，各項(xiàng)預(yù)警指標(biāo)均處于正常狀態(tài)，井下現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證與預(yù)警分析結(jié)果相符。

圖7 正常瓦斯涌出預(yù)警指標(biāo)分析

12月23日11:30在對(duì)2172回風(fēng)巷道瓦斯數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)警分析時(shí)，預(yù)警指標(biāo)出現(xiàn)異常，其中方差和波峰差均超過(guò)指標(biāo)提醒臨界值，波動(dòng)斜率正常，可視化預(yù)警界面如圖8所示。

圖8 可視化預(yù)警界面

發(fā)現(xiàn)突出預(yù)警指標(biāo)出現(xiàn)異常后，立即通知井下工作人員進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)排查，經(jīng)確認(rèn)在此期間有臨時(shí)鉆孔施工，導(dǎo)致預(yù)警指標(biāo)值超限。因此在進(jìn)行指標(biāo)計(jì)算分析后，一旦出現(xiàn)指標(biāo)異常情況，就應(yīng)立即通知井下工作人員進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證，排除其他因素造成的指標(biāo)異常，避免出現(xiàn)預(yù)警誤差。

4 結(jié)論

1)通過(guò)對(duì)瓦斯事故案例的綜合分析，確定將瓦斯涌出量作為錢(qián)家營(yíng)礦掘進(jìn)工作面突出預(yù)警監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。

2)確定掘進(jìn)工作面突出預(yù)警指標(biāo)為瓦斯涌出量特征值：方差、波峰差、波動(dòng)斜率?；阱X(qián)家營(yíng)礦-850 m水平主石門(mén)區(qū)域瓦斯動(dòng)力現(xiàn)象，以及正常時(shí)期與異常時(shí)期瓦斯涌出量特征值，確定出預(yù)警指標(biāo)方差危險(xiǎn)臨界值為0.018，波峰差危險(xiǎn)臨界值為0.41，波動(dòng)斜率危險(xiǎn)臨界值為±0.027。提醒臨界值和關(guān)注臨界值分別為危險(xiǎn)臨界值的60%和80%左右。

3)基于Matlab計(jì)算分析和VB可視化設(shè)計(jì)，連接Sql server數(shù)據(jù)庫(kù)平臺(tái)，構(gòu)建了錢(qián)家營(yíng)礦掘進(jìn)工作面突出預(yù)警系統(tǒng)。該系統(tǒng)在錢(qián)家營(yíng)礦調(diào)試期間，能夠?qū)崟r(shí)采集現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控系統(tǒng)瓦斯數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)警分析，其結(jié)果符合礦井實(shí)際情況。