深部動力災害煤層防突預警技術(shù)在平煤十三礦的應用

高建成，寧小亮，覃木廣

（1.中國平煤神馬集團煉焦煤資源開發(fā)及綜合利用國家重點實驗室，河南 平頂山467000；2.平煤股份煤炭開采利用研究院，河南 平頂山467000；3.瓦斯災害監(jiān)控與應急技術(shù)國家重點實驗室，重慶400037；4.中煤科工集團重慶研究院有限公司，重慶400037）

預測預警作為突出防治的首要環(huán)節(jié)，可為礦井 安全生產(chǎn)提供重要保障，但傳統(tǒng)的煤與瓦斯突出預測技術(shù)是一種抽檢式的、不連續(xù)的、局部突出危險性預測方法，已難以滿足礦井安全高效生產(chǎn)的需求[1-2]。因此，必須針對礦井的生產(chǎn)技術(shù)特點和瓦斯災害規(guī)律特點，研究出新的瓦斯災害防治技術(shù)和手段[3-4]。近年來，國內(nèi)學者通過對突出相關多源動態(tài)信息進行采集與分析，實現(xiàn)工作面突出危險性實時預警，可有效克服傳統(tǒng)預測方法指標單一、靜態(tài)等不足[5-8]。突出預警技術(shù)是當前礦井瓦斯災害防治研究的熱點，也是突出災害治理技術(shù)的主要發(fā)展方向之一，突出預警系統(tǒng)的建設可為有的放矢的實施防突措施提供技術(shù)支撐，可有效提升礦井瓦斯治理水平[9-15]。結(jié)合平煤十三礦己15-17 煤層具體的突出災害特征[16]，搭建適用于該礦的突出預警系統(tǒng)，實現(xiàn)工作面突出危險的實時預警，達到保障礦井日常安全高效生產(chǎn)的目的。

1 突出預警指標

通過對平煤十三礦突出事故的分析可得到以下規(guī)律：突出規(guī)模隨著埋深的增加而增大；突出區(qū)域瓦斯含量較高；突出均發(fā)生在逆斷層的下盤；煤層增厚區(qū)及薄化帶的突出危險性較大；工作面處于應力集中區(qū)容易發(fā)生突出；突出發(fā)生前有夾鉆、頂鉆、噴孔等明顯動力現(xiàn)象；防突措施不到位，盲目生產(chǎn)是造成突出的重要因素；突出前工作面普遍存在軟分層；突出前存在工作面瓦斯涌出忽大忽小現(xiàn)象[12]。根據(jù)上述規(guī)律分析可知，平煤十三礦突出風險主要包括：煤層賦存參數(shù)突變、煤體結(jié)構(gòu)異常、預測指標異常、瓦斯涌出異常、存在動力現(xiàn)象、存在防突措施缺陷、工作面接近逆斷層下盤、工作面處于應力集中區(qū)。平煤十三礦建立的突出預警指標體系如圖1。

圖1 突出預警指標Fig.1 Early warning index of coal and gas outburst

當各預警指標達到如下條件時，可判斷工作面具有突出危險：工作面與逆斷層下盤小于10 m；工作面與應力集中區(qū)的空間距離25 m；日常預測指標超過臨界值或連續(xù)2 個循環(huán)超過臨界值的90%；瓦斯涌出指標A 大于等于0.8；煤厚變化率超過30%時；工作面軟分層厚度超過25 cm；工作面發(fā)生夾鉆、頂鉆、噴孔等動力現(xiàn)象；施工的突出防治措施未完全覆蓋設計區(qū)域，存在空白帶[13-15]。

2 突出預警系統(tǒng)

2.1 預警基本流程及系統(tǒng)構(gòu)成

突出預警的基本流程為：①采集預警工作面的空間位置數(shù)據(jù)、日常預測指標數(shù)據(jù)、瓦斯涌出數(shù)據(jù)、煤層厚度數(shù)據(jù)、軟分層厚度數(shù)據(jù)、動力現(xiàn)象、防突措施驗收數(shù)據(jù)等信息等突出相關安全信息；②利用預警指標和模型對相關信息進行計算和綜合分析，確定突出危險等級；③利用網(wǎng)絡、短信等手段向相關部分和技術(shù)人員發(fā)布預警結(jié)果。

突出預警系統(tǒng)主要包括硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)，是預警技術(shù)的載體和實現(xiàn)手段，其中硬件系統(tǒng)主要包括計算機和網(wǎng)絡設備等，用于用運行預警系統(tǒng)、數(shù)據(jù)的傳輸和預警結(jié)果的發(fā)布；預警軟件系統(tǒng)主要包括預警數(shù)據(jù)庫、采掘進度管理子系統(tǒng)、地質(zhì)測量管理子系統(tǒng)、防突動態(tài)管理子系統(tǒng)、瓦斯地質(zhì)分析子系統(tǒng)、瓦斯涌出分析子系統(tǒng)、預警信息查詢網(wǎng)站、預警短信發(fā)布子系統(tǒng)、突出預警管理平臺等。

2.2 數(shù)據(jù)庫

將預警數(shù)據(jù)庫劃分為綜合預警數(shù)據(jù)庫、地質(zhì)測量數(shù)據(jù)庫、瓦斯地質(zhì)數(shù)據(jù)庫、防突動態(tài)數(shù)據(jù)庫和瓦斯涌出數(shù)據(jù)庫5 個子系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫，數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)如圖2。各子系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫分別存儲本子系統(tǒng)所使用的必要數(shù)據(jù)，從而減少各子系統(tǒng)數(shù)據(jù)訪問時間，提高操作響應速度；綜合預警數(shù)據(jù)庫是其它幾個子系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫的交集，存儲從其它各子系統(tǒng)采集的基礎管理信息和預警所需的相關專業(yè)信息。

圖2 數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)Fig.2 Database structure

2.3 軟件系統(tǒng)

地質(zhì)測量管理子系統(tǒng)、防突動態(tài)管理子系統(tǒng)、瓦斯地質(zhì)分析子系統(tǒng)等分別由客戶端和子系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫組成，用戶通過客戶端進行相關數(shù)據(jù)錄入、查詢、存儲、分析等操作，并通過各自的數(shù)據(jù)同步機制實現(xiàn)本子系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫與綜合預警數(shù)據(jù)庫的同步。瓦斯涌出分析子系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集器、計算服務、客戶端和瓦斯涌出子數(shù)據(jù)庫組成，其中，數(shù)據(jù)采集器負責從監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中讀取相關瓦斯監(jiān)測數(shù)據(jù)并實時傳輸至子數(shù)據(jù)庫；計算服務負責實時計算瓦斯涌出指標，并將指標數(shù)據(jù)傳輸給綜合預警數(shù)據(jù)庫；客戶端主要是便于用戶對瓦斯涌出數(shù)據(jù)的查詢和分析；采掘進度管理系統(tǒng)與綜合預警數(shù)據(jù)庫直連。

采掘進度管理子系統(tǒng)負責采集預警工作面進尺信息，為動態(tài)確定工作面空間位置提供基礎數(shù)據(jù)；地質(zhì)測量管理子系統(tǒng)主要用于實現(xiàn)地質(zhì)及測量相關圖文信息的數(shù)字化入庫，建立地質(zhì)測量資料與礦圖資料數(shù)據(jù)庫，為預警系統(tǒng)功能的實現(xiàn)提供礦井地質(zhì)及測量基礎信息數(shù)字化平臺；防突動態(tài)管理子系統(tǒng)用于日常防突工作的精細化管理，采集日常預測（效檢）指標信息，分析防突措施缺陷；瓦斯地質(zhì)分析子系統(tǒng)用于進行礦井瓦斯地質(zhì)資料管理、瓦斯地質(zhì)及應力動態(tài)分析，為突出預警提供工作面的最新瓦斯地質(zhì)與應力分布信息；瓦斯涌出分析子系統(tǒng)的主要作用是對礦井監(jiān)控系統(tǒng)的瓦斯?jié)舛缺O(jiān)測數(shù)據(jù)進行綜合分析，為突出預警提供瓦斯涌出動態(tài)指標信息；突出預警管理平臺主要用于進行預警指標的綜合計算與分析、設置預警指標和規(guī)則、管理歷史預警結(jié)果、預警原因分析與查詢、發(fā)布預警結(jié)果等；、預警信息查詢網(wǎng)站主要用于技術(shù)人員通過網(wǎng)站形式查詢預警結(jié)果；預警短信發(fā)布子系統(tǒng)的作用是將預警信息實時送達各級主管領導，以便于領導及時決策，將突出危險消除在萌芽狀態(tài)。

2.4 系統(tǒng)部署及保障機制

預警系統(tǒng)正常運行需要防突、地測、生產(chǎn)等多部門提供數(shù)據(jù)支持，同時礦領導也需要不定期查看預警結(jié)果及防突基本信息，因此根據(jù)十三礦管理現(xiàn)狀，按職能部門分工不同，進行部署的預警系統(tǒng)部署圖如圖3。

圖3 預警系統(tǒng)部署圖Fig.3 Early warning system deployment chart

完善、健全的組織管理結(jié)構(gòu)是預警系統(tǒng)穩(wěn)定、正常運行必不可少的條件，為保證各系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，平煤十三礦設立了瓦斯突出預警管理機構(gòu)，以總工程師為系統(tǒng)負責人，各部門技術(shù)主管為該部門預警系統(tǒng)的負責人，主要負責預警系統(tǒng)管理工作和人員協(xié)調(diào)，監(jiān)督、檢查、考核預警系統(tǒng)操作、維護工作完成情況，保證預警系統(tǒng)的正常運行；操作人員主要負責錄入相關數(shù)據(jù)和資料，確保錄入數(shù)據(jù)和資料的及時性和有效性，并定期對預警系統(tǒng)進行維護，及時發(fā)布預警結(jié)果。預警系統(tǒng)管理機構(gòu)設置如圖4。

圖4 預警系統(tǒng)管理機構(gòu)設置圖Fig.4 Setup chart of management organization of early warning system

3 應用效果

3.1 在己15-17-11001 采面過大斷層期間應用

1）實際情況。該工作面自2015 年2 月15 日開始進入斷層影響范圍內(nèi)。從2015 年2 月15 日至2015 年3 月27 日期間，該工作面一直處于斷層影響范圍內(nèi)，此階段內(nèi)日常預測指標、防突措施等嚴格按照規(guī)定執(zhí)行未出現(xiàn)預測預報危險情況。

2）預警結(jié)果。預警系統(tǒng)在分析瓦斯監(jiān)測數(shù)據(jù)和日常預測指標信息后，在距斷層影響范圍外沿10 m位置開始對工作面進行趨勢威脅預警，當工作面進入到距離斷層影響范圍內(nèi)時開始執(zhí)行危險狀態(tài)預警，直至工作面遠離斷層影響范圍外沿10 m 之外系統(tǒng)預警恢復正常狀態(tài)。在此時間段內(nèi)系統(tǒng)實時發(fā)布了預警信息，提醒相關部門及時采取措施，保障了采煤生產(chǎn)安全。

3.2 在己15-17-11001 采面正常生產(chǎn)期間應用

1）實際情況。2015 年4 月1 日至4 月30 日，己15-17-11001 采面地質(zhì)、煤層賦存條件正常，各項突出預測指標均未超標，也未出現(xiàn)瓦斯超限、動力現(xiàn)象等突出征兆，工作面正常推進。

2）預警結(jié)果。此時間段內(nèi)，各項數(shù)據(jù)采集與分析完全正常，各單項預警指標均未超標，狀態(tài)預警級別為“正?！?，趨勢預警級別為“綠色”，預警結(jié)果與工作面實際情況完全一致。

3.3 其他應用

平煤十三礦突出預警系統(tǒng)先后應用于11072 機巷、11111 風巷、12072 機巷、13031 補切眼、14020 風巷等20 余個突出工作面，通過對突出相關各種動態(tài)安全信息的綜合分析，預警系統(tǒng)能準確判斷工作面的突出危險性，多次捕捉了危險預兆，提前給出了報警信息，實現(xiàn)了工作面突出危險超前預警。經(jīng)現(xiàn)場應用統(tǒng)計表明：各考察工作面在考察期內(nèi)的預警準確率可達到85.65%～100%，平均狀態(tài)預警準確率為95.94%，平均趨勢預警準確率為97.09%，整體處于較高水平。

平煤十三礦突出預警系統(tǒng)的建設為礦井制定更加合理的防突措施提供了技術(shù)支撐，使得防突工作更具有針對性、更加及時，并有效降低了采掘生產(chǎn)成本，進一步確保了礦井的生產(chǎn)安全。

4 結(jié) 語

1）分析得到了平煤十三礦突出規(guī)律，確定了突出風險因素，并依此從工作面與斷層下盤距離、與應力集中區(qū)距離、軟分層厚度、煤厚變化率、日常預測、動力現(xiàn)象、瓦斯涌出、措施缺陷等方面建立了8 個突出預警指標，并給出了相應的突出危險判識方法。

2）確定了平煤十三礦突出預警的基本流程，構(gòu)建了平煤十三礦突出預警軟硬件系統(tǒng)，并建立了完善的保障機制。經(jīng)現(xiàn)場應用統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)：預警系統(tǒng)平均狀態(tài)預警準確率為95.94%，平均趨勢預警準確率為97.09%，預警系統(tǒng)能夠及時、準確的預警工作面突出危險性，為制定更加合理的防突措施提供了支撐，保障了礦井日常的安全高效生產(chǎn)。