突出礦井瓦斯災害多元化精準防控系統(tǒng)建設

談國文

(1.瓦斯災害監(jiān)控與應急技術(shù)國家重點實驗室，重慶 400037； 2.中煤科工集團重慶研究院有限公司，重慶 400037)

煤與瓦斯突出災害治理一直是突出礦井安全工作的重點和難點[1-3]。21世紀新一輪技術(shù)及能源變革正在孕育，工業(yè)信息化、自動化、智能化發(fā)展勢頭強勁、技術(shù)日趨成熟，為煤礦典型、重大災害治理由傳統(tǒng)的定性及經(jīng)驗型防治向現(xiàn)代的定量及精準型防控轉(zhuǎn)變提供了新的發(fā)展機遇和挑戰(zhàn)，也是遏制煤礦重大事故的有效途徑[4-6]。因此，結(jié)合我國礦井的瓦斯災害特征，研究、建設瓦斯災害多元化精準防控系統(tǒng)，可有效預防瓦斯災害，且該系統(tǒng)的推廣應用具有較高的經(jīng)濟效益和社會效益。

1 瓦斯災害多元化精準防控技術(shù)

1.1 瓦斯災害致因及現(xiàn)有防治技術(shù)局限

礦井工作面的突出危險性一般是動態(tài)變化的，這要求安全技術(shù)及措施應實時調(diào)整?，F(xiàn)有突出災害防治技術(shù)、管理方法，在對煤巖體突出危險性的分析、防治技術(shù)措施施工管理等方面多為靜態(tài)、人工分析及管理，危險信息的自動化監(jiān)測、信息化檢測水平不高，不能適應工作面突出危險的動態(tài)變化，使礦井瓦斯地質(zhì)分析、瓦斯抽采分析、瓦斯涌出分析、日常防突管理等工作的精細度、全面性、可靠性不夠，不能實現(xiàn)瓦斯災害的多元化及自動化的全面、精準防控，制約了煤與瓦斯突出災害防治技術(shù)的有效性和科學性。

1.2 瓦斯災害多元化精準防控技術(shù)構(gòu)架

瓦斯災害多元化精準防控技術(shù)主要在進行地質(zhì)、構(gòu)造、瓦斯精準探測的基礎(chǔ)上，基于當前信息化、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)分析等技術(shù)，以煤炭精準開采科學構(gòu)想為指導，以礦井瓦斯突出災害致因及發(fā)生規(guī)律為基礎(chǔ)，以多源信息采集傳感裝備、計算機及多網(wǎng)融合傳輸裝備為支撐，以瓦斯災害多元化精準防控模型及軟件為工具，從礦井瓦斯地質(zhì)精準控制角度進行瓦斯地質(zhì)精準分析與區(qū)劃、從瓦斯抽采達標精準可靠角度進行瓦斯抽采達標智能評價與抽采鉆孔優(yōu)化設計、從瓦斯涌出智能預警角度進行突出異常連續(xù)監(jiān)測與預警、從日常防突管理規(guī)范角度進行“四位一體”綜合防突措施信息的正規(guī)化管理與集成分析，實現(xiàn)礦井“瓦斯地質(zhì)→瓦斯抽采→瓦斯監(jiān)測→日常防突”等各環(huán)節(jié)數(shù)據(jù)動態(tài)獲取、綜合分析，進行瓦斯災害多元化的精準防控。瓦斯災害多元化精準防控總體技術(shù)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 瓦斯災害多元化精準防控技術(shù)架構(gòu)

2 瓦斯災害多元化精準防控系統(tǒng)

根據(jù)以物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等作支撐的煤炭精準開采的科學內(nèi)涵和關(guān)鍵科學問題，瓦斯災害多元化精準防控系統(tǒng)主要從瓦斯災害的多源信息自動采集及三網(wǎng)融合傳輸裝備、精準防控多元耦合模型、多元化精準防控技術(shù)軟件三方面進行研究及建設。

2.1 多源信息自動采集及三網(wǎng)融合傳輸裝備

當前瓦斯災害多源信息采集存在不可靠、不全面、不靈敏、不能融合非同構(gòu)數(shù)據(jù)等問題[4]。針對這些問題，從通風、瓦斯、突出參數(shù)等方面，研究應用具有上傳、自檢功能的便攜式甲烷檢測報警儀、新型瓦斯突出參數(shù)儀、高精度風速測定儀、高精度氣壓測定儀和瓦斯涌出預警儀，高靈敏激光甲烷傳感器和風速風向傳感器，并組建融合井下無線WiFi、井下工業(yè)環(huán)網(wǎng)、地面局域網(wǎng)、地面互聯(lián)網(wǎng)等信息傳輸網(wǎng)絡，實現(xiàn)信息傳輸?shù)摹熬戮W(wǎng)→局域網(wǎng)→互聯(lián)網(wǎng)”三網(wǎng)融合互通。

2.2 瓦斯災害精準防控多元耦合模型

根據(jù)“瓦斯地質(zhì)精準控制、瓦斯抽采達標可靠、瓦斯涌出智能預警、日常防突管理規(guī)范”的多元化、精準防控思路，從空間、時間的聯(lián)合及連續(xù)性上，分別從瓦斯地質(zhì)、瓦斯抽采達標、瓦斯涌出、日常防突幾方面構(gòu)建瓦斯災害精準防控多元耦合模型。

2.2.1 瓦斯地質(zhì)控制模型

煤與瓦斯突出是瓦斯、煤體結(jié)構(gòu)和地應力等因素綜合作用的結(jié)果，地質(zhì)構(gòu)造通過控制瓦斯賦存、煤層賦存和構(gòu)造應力來控制突出危險性的分布，80%以上的突出事故發(fā)生在斷層等地質(zhì)構(gòu)造附近[7-9]。因此，瓦斯地質(zhì)分析控制將地質(zhì)構(gòu)造作為監(jiān)控重點的同時，并行分析瓦斯賦存、煤層賦存變化，按表1所示因素進行瓦斯地質(zhì)異常控制。

表1 瓦斯地質(zhì)控制因素

瓦斯地質(zhì)控制按照多級瓦斯地質(zhì)方法，首先進行數(shù)字化融合，對礦井瓦斯參數(shù)、煤層參數(shù)、地質(zhì)勘探、地質(zhì)構(gòu)造、工作面及巷道等多元信息進行歸類，擬合、分析瓦斯賦存主控因素，建立瓦斯參數(shù)與各因素的多元回歸分析模型，自動繪制瓦斯參數(shù)等值線，生成融合瓦斯、構(gòu)造、煤層、地質(zhì)等因素的標準化礦井瓦斯地質(zhì)圖，如圖2所示。

圖2 標準化礦井瓦斯地質(zhì)圖

然后，基于瓦斯地質(zhì)空間識別、處理技術(shù)[7，9]，按表1中的因素在瓦斯地質(zhì)圖中精準化計算、識別工作面采掘區(qū)域的構(gòu)造、瓦斯及煤層賦存，生成精準化工作面瓦斯地質(zhì)圖，準確控制、劃分異常區(qū)域。

2.2.2 瓦斯抽采達標分析模型

“抽采達標”是有效預防瓦斯事故的關(guān)鍵，如果瓦斯抽采鉆孔不滿足要求、抽采過程中抽采效果及管理不到位，就難以實現(xiàn)抽采達標[10-11]。因此，從以下兩方面評判抽采達標情況。

1)抽采鉆孔達標分析。根據(jù)措施鉆孔缺陷分析方法，當自動計算的鉆孔控制距離和鉆孔終孔空白帶達到如下要求，就認為抽采鉆孔設計或施工參數(shù)達標：

R≥R0

(1)

K≤K0

(2)

式中：R、R0分別為鉆孔實際控制距離和要求控制距離，m；K、K0分別為實際空白帶比例和允許最大空白帶比例，%。

K按下式計算：

(3)

式中S0、S1i和S2i分別為預抽區(qū)域煤層總面積、鉆孔有效控制面積和兩相鄰鉆孔重疊面積，m2。

2)抽采效果達標分析。抽采效果達標分析主要融合分析人工測定或監(jiān)控抽采數(shù)據(jù)、瓦斯賦存規(guī)律、瓦斯抽采規(guī)律、鉆孔實際控制范圍、鉆孔實際工程量、鉆孔接入管網(wǎng)時間、工作面風量等信息，計算、評價工作面剩余瓦斯含量和瓦斯預抽率是否達到規(guī)定要求。抽采效果達標分析流程如圖3所示。

圖3 抽采效果達標分析流程

主要計算依據(jù)為：

(4)

(5)

式中：WC、W分別為預抽區(qū)域的煤體殘存瓦斯含量和原始瓦斯含量，m3/t；Q為預抽區(qū)域瓦斯預抽總量(依據(jù)抽采計量或監(jiān)控數(shù)據(jù)計算得出)，m3；G為預抽區(qū)域煤炭儲量，t；ηm為區(qū)域瓦斯預抽率，%；Qmc、Qmf分別為區(qū)域當月平均瓦斯抽出量和風排瓦斯量，m3/min。

2.2.3 瓦斯涌出動態(tài)分析模型

眾多突出危險分析及研究表明，在不同突出危險程度區(qū)域，瓦斯涌出會存在一定差異或異常[12-13]。瓦斯涌出動態(tài)分析，根據(jù)煤與瓦斯突出綜合作用假說、發(fā)生機理，以現(xiàn)有瓦斯監(jiān)控數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，挖掘、分析工作面瓦斯量、瓦斯解吸特性、瓦斯波動特性、瓦斯趨勢特性4個方面的差異和特征，按如圖4 所示的關(guān)聯(lián)突出危險因素，進行突出危險分析。具體需根據(jù)礦井不同工作面的實際突出危險性，從 4個方面的10多種指標中，綜合考慮結(jié)果準確率、誤報率、漏報率等，利用計算機選取方法，優(yōu)選出礦井適用瓦斯涌出指標，并確定指標臨界值。

圖4 瓦斯涌出與突出危險關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)

2.2.4 日常防突規(guī)范管理模型

根據(jù)局部綜合防突措施要求，從以下兩方面進行日常防突規(guī)范管理分析。

1)局部措施鉆孔規(guī)范性分析。首先，按區(qū)域措施鉆孔達標性分析方法，分析局部措施鉆孔的控制效果達標情況；然后，按比較法分析鉆孔排放時長是否達到要求；最后，按式(6)計算工作面每班次的剩余安全距離，并預測下班次的剩余安全距離，當計算或預測剩余安全距離不足時，給出提醒消息。

(6)

式中：l、L分別為工作面剩余安全距離和措施鉆孔的前方控制距離，m；n為鉆孔措施循環(huán)內(nèi)班次；xi為每班次進度，m。

2)預測指標安全性分析。根據(jù)日常預測指標與工作面突出危險性的關(guān)系，從其與危險臨界值關(guān)系、鉆孔動力現(xiàn)象等方面控制指標安全性。具體為當指標最大值超過危險臨界值或預測鉆孔存在動力現(xiàn)象時，則判定該地點有突出危險，給予危險提醒；當指標連續(xù)幾次接近危險臨界值時，則判定該地點有突出異常，給予異常提醒。同時，根據(jù)相關(guān)要求，監(jiān)測一定范圍內(nèi)的日常預測執(zhí)行密度是否符合要求，如果不符合要求，則給予危險提醒。

2.3 瓦斯災害多元化精準防控技術(shù)軟件

整套軟件基于成熟的“客戶端/服務器、瀏覽器/服務器”相結(jié)合的軟件架構(gòu)模式設計，將計算任務、管理任務、查詢分析任務合理分配至客戶端、瀏覽器或服務器，實現(xiàn)瓦斯災害多源信息的分布式管理、集中式存儲和自由式查詢，提升系統(tǒng)運行效率和用戶工作效率[14-15]。

基于“少交叉維護、多聚類分享”原則，根據(jù)防突相關(guān)工作內(nèi)容和要求，設計分布式軟件組成結(jié)構(gòu)(見圖5)，并開發(fā)對應軟件系統(tǒng)。其中，將4套子系統(tǒng)開發(fā)成客戶端軟件模式，進行標準化“礦井→工作面”兩級瓦斯地質(zhì)圖自動繪制、瓦斯地質(zhì)異常逐級控制、瓦斯抽采鉆孔輔助設計、瓦斯抽采達標智能評價、瓦斯監(jiān)控數(shù)據(jù)自動提取和分析、瓦斯涌出異常自動監(jiān)測、規(guī)范化防突預測報告單自動生成、日常防突“一張圖”輔助生成與分析等，實現(xiàn)瓦斯災害多元分析、規(guī)范管理和輔助決策。將安全信息集成管理與分析系統(tǒng)開發(fā)成網(wǎng)站模式，自動融合、歸類展示上述 4套子系統(tǒng)的基礎(chǔ)信息和多元分析結(jié)果，便于礦井領(lǐng)導層和相關(guān)人員能方便地掌握礦井安全動態(tài)。

圖5 分布式軟件組成結(jié)構(gòu)

3 現(xiàn)場應用

重慶能投渝新能源有限公司石壕煤礦位于地質(zhì)構(gòu)造復雜的松藻礦區(qū)，具有瓦斯含量高、瓦斯壓力大、煤層透氣性差、多煤層開采等特征，為典型的煤與瓦斯突出礦井。根據(jù)礦井實際情況，建立了瓦斯災害多元化精準防控系統(tǒng)。

系統(tǒng)建成后，從瓦斯地質(zhì)精準控制、抽采達標精準分析、日常防突規(guī)范管理等方面實現(xiàn)了工作面瓦斯災害防治的精準管控，多次準確分析了突出異常情況，有效提升了礦井瓦斯災害防治技術(shù)和分析水平。如N1643回風聯(lián)絡巷在2018年3—4月(從2018年3月12日開始)的掘進過程中遇地質(zhì)構(gòu)造帶，揭露0.8 m正斷層，此過程中煤層厚度也常有變薄增厚現(xiàn)象，瓦斯涌出動態(tài)分析系統(tǒng)從2018年3月12日開始不斷給出了橙色、紅色的預警信息，如圖6 所示。

圖6 瓦斯涌出預警實例圖

石壕煤礦在提前進行瓦斯預抽的基礎(chǔ)上，根據(jù)現(xiàn)場實際構(gòu)造情況，結(jié)合瓦斯涌出分析結(jié)果，采取了淺掘淺進、增加排放鉆孔的安全措施，保證了巷道的安全施工，防止了危險情況的發(fā)生。

4 結(jié)論

1)基于煤炭精準開采科學內(nèi)涵，確定了瓦斯災害多元化精準防控的技術(shù)結(jié)構(gòu)，研究并建設了包含儀器、網(wǎng)絡、模型、軟件等內(nèi)容的瓦斯災害多元化精準防控系統(tǒng)，為瓦斯災害治理提供了科學手段。

2)瓦斯災害多元化精準防控系統(tǒng)的現(xiàn)場應用結(jié)果表明，該系統(tǒng)實現(xiàn)了瓦斯地質(zhì)精準控制、抽采措施鉆孔輔助設計、抽采達標監(jiān)測及智能評價、瓦斯涌出異常自動監(jiān)測預警、標準化防突預測報告單自動生成、日常預測指標集成分析、防突措施達標性分析等，提升了礦井瓦斯災害防控技術(shù)水平。