煤與瓦斯突出綜合預警系統(tǒng)的實踐應用

李瑞鵬

（山西霍寶干河煤礦，山西 霍州 031400）

接觸式間斷點預測方法存在誤差，預警不具有實效性，準確率較低。針對這一情況，采用了煤與瓦斯突出綜合實時預警系統(tǒng)。該預警系統(tǒng)對突出工作面風流中的瓦斯?jié)舛冗M行實時監(jiān)測、分析，及時發(fā)現(xiàn)突出信息并發(fā)出不同級別的預警信號，是一種實時監(jiān)測風流瓦斯?jié)舛茸兓?、實現(xiàn)瓦斯突出預警的專家系統(tǒng)。該系統(tǒng)的預警信息具有實效性，提前1 d就可以發(fā)出預警信號，從而可以采取有效的防突方案。山西霍寶干河煤礦與煤炭科學重慶研究院進行聯(lián)合開發(fā)，針對干河煤礦的具體情況建設了煤與瓦斯突出綜合預警系統(tǒng)，并在該礦生產(chǎn)過程中進行了實踐應用。

1 礦井概況

山西霍寶干河煤礦位于山西省臨汾市洪洞縣趙城鎮(zhèn)，生產(chǎn)能力180 萬t/a，立井開拓，當前主要開采1#煤層、2#煤層，屬于煤與瓦斯突出礦井。礦井地質(zhì)條件復雜，褶皺4 條，落差≥3 m 的斷層7條，絕對瓦斯涌出量60～89 m3/min，相對瓦斯涌出量73.99 m3/min。隨著煤礦開采深度的加大，瓦斯含量和瓦斯壓力也在增大，突出危險性也越來越大，成為了制約該礦高產(chǎn)高效安全開采的“瓶頸”。

2 煤與瓦斯突出綜合預警系統(tǒng)原理與構(gòu)架

2.1 系統(tǒng)技術(shù)原理

煤與瓦斯突出預警系統(tǒng)技術(shù)是在研究礦井瓦斯突出災害特征和規(guī)律的基礎上，對煤與瓦斯突出的精細化、規(guī)范化、信息化、智能化管理，通過對監(jiān)測采集數(shù)據(jù)的充分挖掘，并利用大數(shù)據(jù)系統(tǒng)和專家診斷系統(tǒng)，對煤與瓦斯突出的危險性進行預警。最終可以實現(xiàn)對煤與瓦斯突出危險性的實時在線監(jiān)測、實時播報、提前預警、發(fā)展趨勢預測，為制定防突措施提供依據(jù)。

2.2 系統(tǒng)構(gòu)架

煤與瓦斯突出綜合預警系統(tǒng)的架構(gòu)示意圖如圖1 所示。該系統(tǒng)主要由瓦斯地質(zhì)動態(tài)分析技術(shù)與系統(tǒng)、地質(zhì)測量信息管理系統(tǒng)、瓦斯涌出分析技術(shù)與系統(tǒng)、動態(tài)防突分析系統(tǒng)、預警發(fā)布系統(tǒng)等組成。該系統(tǒng)是以預警計算機系統(tǒng)為載體，以綜合監(jiān)控系統(tǒng)和局域網(wǎng)絡為環(huán)境，以系列預警管理制度為保障，通過技術(shù)采集各項參數(shù)并對其進行分析，從而實現(xiàn)突出預警。

圖1 煤與瓦斯突出綜合預警系統(tǒng)的構(gòu)架方法示意圖

其計算機系統(tǒng)以預警服務器為中心，以中央數(shù)據(jù)庫及預警服務程序為核心，無縫連接綜合監(jiān)控系統(tǒng)，各子系統(tǒng)分布式、并行運行，實現(xiàn)突出災害的智能、即時、超前預警和發(fā)布，結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

圖2 煤與瓦斯突出綜合預警系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖

3 預警系統(tǒng)關鍵技術(shù)及實現(xiàn)方法

3.1 系統(tǒng)關鍵技術(shù)

（1）瓦斯地質(zhì)動態(tài)分析——煤層的煤與瓦斯突出危險帶分布、瓦斯賦存異常區(qū)域、地質(zhì)構(gòu)造影響帶、瓦斯賦存參數(shù)的計算機動態(tài)預測。

（2）采掘影響動態(tài)分析——對煤柱和開采導致的應力集中帶、鄰近層開采（卸壓保護）影響帶、工作面應力疊加等方面進行的動態(tài)預警。

（3）日常預測指標動態(tài)分析——對煤與瓦斯突出的日常預測指標及鉆孔施工動力現(xiàn)象進行狀態(tài)和發(fā)展趨勢上的動態(tài)分析和預警。

（4）瓦斯涌出動態(tài)分析——與綜合監(jiān)控系統(tǒng)實現(xiàn)無縫連接，分析工作面瓦斯涌出規(guī)律，用瓦斯涌出動態(tài)指標（Kv、V30 等）超前預警突出危險性。

（5）防突措施及缺陷動態(tài)分析——對突出危險工作面的防突措施施工效果及其可能存在的技術(shù)或施工缺陷進行動態(tài)分析和預警。

（6）安全隱患動態(tài)分析——對防突技術(shù)及措施、安全管理、生產(chǎn)施工、人員等系統(tǒng)上可能導致煤與瓦斯突出危險性的安全隱患進行動態(tài)分析和預警。

（7）工作面的煤與瓦斯突出危險性預警——分為兩類：危險狀態(tài)預警，包括正常、威脅、危險和災變四個等級；危險趨勢預警，包括綠色、橙色和紅色三個等級。

3.2 實現(xiàn)方法

根據(jù)具體礦井的煤與瓦斯突出類型、特點和管理模式，制定有針對性的預警解決方案，選擇專項或多參量預警技術(shù)，集成計算機系統(tǒng)。

（1）預警成套技術(shù)研究。對具體礦井及煤層的煤與瓦斯突出危險性類型、分布特征、發(fā)生規(guī)律、發(fā)展趨勢等進行詳細的考察和研究，結(jié)合具體的防突技術(shù)措施、管理模式、采掘部署及生產(chǎn)特點，建立有針對性的危險性預警模型、預警指標體系、預警規(guī)則和判據(jù)庫、預警機制，形成特定礦井環(huán)境下的預警成套技術(shù)。

（2）預警計算機系統(tǒng)建設。預警計算機系統(tǒng)主要是在礦井局域網(wǎng)環(huán)境下，對煤與瓦斯突出實現(xiàn)信息化管埋、計算機分析參數(shù)比對和計算機預警管理。

（3）綜合預警實現(xiàn)系統(tǒng)。對煤層及瓦斯參數(shù)、突出預測資料、防突措施、安全隱患、管理信息等信息化資料庫進行自動數(shù)據(jù)挖掘，采用專業(yè)手段進行分析。根據(jù)預警系統(tǒng)的專家?guī)鞌?shù)據(jù)及設定的預警規(guī)則，對煤與瓦斯突出危險性實現(xiàn)危險狀態(tài)和發(fā)展趨勢的超前預警、發(fā)布和管理，還可實現(xiàn)與綜合自動化（監(jiān)控）系統(tǒng)的聯(lián)合控制。

（4）預警發(fā)布。工作面綜合預警等級用不同的文字和顏色表示，并通過聲光報警、局域網(wǎng)和手機短信等方式實時發(fā)布。

3.3 系統(tǒng)主要技術(shù)指標

（1）煤層的突出危險區(qū)域預測準確率（面積比和埋深）達95%，瓦斯賦存參數(shù)及等值線預測綜合準確率達80%。

（2）預警規(guī)則庫的直接判據(jù)達50 條以上，組合判據(jù)達上千條。

（3）與綜合監(jiān)控系統(tǒng)實現(xiàn)無縫連接，聯(lián)合控制達到一致性。

（4）綜合數(shù)據(jù)挖掘量及數(shù)據(jù)處理能力達10 GB以上。

（5）工作面突出危險性預警綜合準確率達90%。

4 應用及效果分析

從2017 年2 月至2018 年1 月，完成了對預警系統(tǒng)的調(diào)研、設計、研制、試驗、改進等過程，已開發(fā)出運行穩(wěn)定可靠的煤與瓦斯突出綜合預警系統(tǒng)。該系統(tǒng)在山西霍寶干河煤礦2-116 綜采工作面、2-5111 工作面回風順槽、2-209 綜采工作面、2-116末采工作面進行了安裝應用。該系統(tǒng)能準確分析工作面的突出危險性，對發(fā)生突出危險的預兆信息進行了捕捉，并及時進行預警，預警情況如表1 所示。

表1 系統(tǒng)的預警匯總表

系統(tǒng)的應用在該礦煤與瓦斯突出的防治中起到了理想效果，主要表現(xiàn)在：

（1）提高了煤礦防突工作的精細化、規(guī)范化、信息化管理。預警系統(tǒng)的應用可以準確分析、預測工作面煤與瓦斯的危險性及發(fā)展趨勢，為防突措施提供依據(jù)，有效地提高了防突效率，降低防突工作量達65%左右。

（2）建立了霍寶干河煤礦煤與瓦斯監(jiān)測的信息化平臺，提高了工作效率。