煤礦沖擊地壓和煤與瓦斯突出感知報(bào)警方法研究

孫繼平， 程繼杰

(中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京) 機(jī)電與信息工程學(xué)院， 北京 100083)

0 引言

煤炭是我國(guó)的主要能源，約占我國(guó)一次能源生產(chǎn)量的70%、消費(fèi)量的60%。煤炭開采受瓦斯、水、火、沖擊地壓和頂板等事故困擾[1-4]。沖擊地壓和煤與瓦斯突出是煤礦重特大事故，發(fā)生突然，破壞性強(qiáng)，會(huì)造成設(shè)備和巷道損毀，人員和設(shè)備掩埋，巷道堵塞，通風(fēng)不暢，瓦斯積聚。因此，有必要及時(shí)發(fā)現(xiàn)沖擊地壓和煤與瓦斯突出事故并報(bào)警，停電并停止作業(yè)，及時(shí)撤出井下人員，盡早疏通被堵塞巷道，盡早救出遇險(xiǎn)人員，避免次生災(zāi)害發(fā)生，減少人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失[3-4]。

目前沖擊地壓和煤與瓦斯突出研究主要集中在致災(zāi)機(jī)理、預(yù)報(bào)預(yù)警和災(zāi)害防治方面，感知報(bào)警研究較少。文獻(xiàn)[5]提出了基于甲烷濃度、風(fēng)向、風(fēng)速、傳感器故障的煤與瓦斯突出報(bào)警方法，當(dāng)滿足下列條件時(shí)，發(fā)出煤與瓦斯突出報(bào)警信號(hào)：甲烷濃度迅速增高或超過報(bào)警濃度，且風(fēng)速不低于正常值；甲烷濃度迅速增高或超過報(bào)警濃度，進(jìn)風(fēng)巷風(fēng)流逆轉(zhuǎn)；進(jìn)風(fēng)巷甲烷濃度迅速增高或超過報(bào)警濃度等。該方法已被AQ 6201—2019《煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)通用技術(shù)要求》和AQ 1029—2019《煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)及檢測(cè)儀器使用與管理規(guī)范》采納，在全國(guó)煤炭行業(yè)推廣應(yīng)用。文獻(xiàn)[6]提出了基于聲音的沖擊地壓、煤與瓦斯突出、瓦斯和煤塵爆炸(包括瓦斯爆炸、煤塵爆炸、瓦斯煤塵爆炸)、水災(zāi)等事故報(bào)警方法。文獻(xiàn)[7-15]提出了礦井水災(zāi)、火災(zāi)、瓦斯和煤塵爆炸事故感知和報(bào)警方法。但是，目前沖擊地壓感知報(bào)警主要依靠人工完成，存在災(zāi)害發(fā)現(xiàn)不及時(shí)、災(zāi)情上報(bào)時(shí)間長(zhǎng)、災(zāi)后響應(yīng)速度慢等問題。特別當(dāng)災(zāi)區(qū)人員全部遇險(xiǎn)遇難，將無法上報(bào)事故，喪失寶貴的應(yīng)急救援時(shí)間[3-4]。因此，研究沖擊地壓感知報(bào)警方法，具有重要的理論意義和實(shí)用價(jià)值。同時(shí)，研究新的煤與瓦斯突出感知報(bào)警方法，對(duì)促進(jìn)煤與瓦斯突出感知報(bào)警技術(shù)進(jìn)步具有重要意義。

1 基于溫度的沖擊地壓和煤與瓦斯突出感知報(bào)警方法

地下煤和巖石(以下簡(jiǎn)稱煤巖)溫度隨深度變化而變化?？拷乇淼氖亲儨貛?，隨地面溫度變化而變化，冬天溫度低，夏天溫度高；越靠近地表，受地表溫度影響越大。變溫帶下面是恒溫帶，深度一般為20～30 m[16]，恒溫帶溫度接近于當(dāng)?shù)啬昶骄鶞囟?，地域不同，恒溫帶溫度不同，一般?～23 ℃[16]。恒溫帶下面是增溫帶，每向下延伸100 m，溫度增加3 ℃[16]。增溫帶煤巖溫度為[16]

t=t0+k(H-H0)

(1)

式中：t0為恒溫帶溫度，℃；k為煤巖溫度隨深度變化率，℃/m；H為煤巖距地表深度，m；H0為恒溫帶深度，m。

根據(jù)《煤礦安全規(guī)程》第八十六條“新建非突出大中型礦井開采深度(第一水平)不應(yīng)超過1 000 m，改擴(kuò)建大中型礦井開采深度不應(yīng)超過1 200 m，新建、改擴(kuò)建小型礦井開采深度不應(yīng)超過600 m”，取H=1 200 m，并將H0=20 m、t0=23 ℃、k=0.03 ℃/m代入式(1)，得到最大煤巖溫度為58.4 ℃。

為稀釋瓦斯，降低煤礦井下環(huán)境和設(shè)備溫度，為煤礦井下作業(yè)人員提供新鮮空氣，煤礦井下必須采用機(jī)械通風(fēng)。煤礦井下采掘工作面空氣溫度一般不大于30 ℃，機(jī)電設(shè)備硐室空氣溫度一般不大于34 ℃?！睹旱V安全規(guī)程》第六百五十五條規(guī)定，當(dāng)采掘工作面空氣溫度大于30 ℃、機(jī)電設(shè)備硐室空氣溫度大于34 ℃時(shí)，必須停止作業(yè)。

掘進(jìn)和回采形成的暴露煤巖溫度隨暴露時(shí)間增加，逐漸接近于環(huán)境溫度。未暴露煤巖溫度一般高于煤礦井下環(huán)境溫度和已暴露煤巖溫度。因此，可根據(jù)沖擊地壓和煤與瓦斯突出噴出的煤巖溫度高于環(huán)境溫度和已暴露煤巖溫度的特征，感知沖擊地壓和煤與瓦斯突出；再通過甲烷濃度是否迅速升高，區(qū)分沖擊地壓和煤與瓦斯突出。

煤礦井下作業(yè)人員體溫和運(yùn)行的機(jī)電設(shè)備溫度高于環(huán)境溫度和已暴露煤巖溫度，但作業(yè)人員和機(jī)電設(shè)備的數(shù)量、體積和面積遠(yuǎn)小于沖擊地壓和煤與瓦斯突出噴出的煤巖數(shù)量、體積和面積。因此，可根據(jù)高于環(huán)境溫度物體的數(shù)量、體積和面積，排除煤礦井下作業(yè)人員體溫和運(yùn)行的機(jī)電設(shè)備溫度對(duì)沖擊地壓和煤與瓦斯突出感知的干擾。

瓦斯和煤塵爆炸的溫度大于1 850 ℃[17]，遠(yuǎn)高于環(huán)境溫度。礦井火災(zāi)溫度大于270 ℃(褐煤的著火溫度為270～350 ℃，煙煤的著火溫度為320～380 ℃，無煙煤的著火溫度為400 ℃，燃燒溫度遠(yuǎn)高于著火溫度)[17]，遠(yuǎn)高于環(huán)境溫度。而未暴露煤巖最高溫度為58.4 ℃。因此，可根據(jù)高溫，排除瓦斯和煤塵爆炸、礦井火災(zāi)對(duì)沖擊地壓和煤與瓦斯突出感知的干擾。

通過上述分析研究，筆者提出了基于溫度的沖擊地壓和煤與瓦斯突出感知報(bào)警方法，流程如圖1所示。使用紅外熱像儀等監(jiān)測(cè)物體溫度，使用甲烷傳感器監(jiān)測(cè)環(huán)境甲烷濃度；當(dāng)物體溫度高于煤礦井下環(huán)境溫度和已暴露煤巖溫度，并且高于環(huán)境溫度和已暴露煤巖溫度的物體數(shù)量較多、體積和面積較大，則判定發(fā)生沖擊地壓、煤與瓦斯突出、礦井火災(zāi)或瓦斯和煤塵爆炸事故；進(jìn)一步判別高溫物體溫度，若大于設(shè)定閾值A(chǔ)(A≥150 ℃)，則判定發(fā)生礦井火災(zāi)或瓦斯和煤塵爆炸事故，反之，則判定發(fā)生沖擊地壓或煤與瓦斯突出事故；進(jìn)一步分析甲烷濃度變化，若甲烷濃度迅速升高，則判定發(fā)生煤與瓦斯突出事故，反之，則判定發(fā)生沖擊地壓事故。

圖1 基于溫度的沖擊地壓和煤與瓦斯突出感知 報(bào)警方法流程Fig.1 Flow of rock burst and coal and gas outburst perception alarm method based on temperature

2 基于速度的沖擊地壓和煤與瓦斯突出感知報(bào)警方法

沖擊地壓和煤與瓦斯突出會(huì)導(dǎo)致大量煤巖突然破壞并拋向巷道空間，造成大量煤巖短時(shí)間移動(dòng)速度異常增加；噴出的煤巖和強(qiáng)氣流等會(huì)對(duì)設(shè)備和支護(hù)等造成高能量沖擊，導(dǎo)致支護(hù)和設(shè)備損毀、瞬間移位和傾倒等，支護(hù)和設(shè)備短時(shí)間內(nèi)移動(dòng)速度異常增加；隨著與災(zāi)源距離的增加，噴出的煤巖移動(dòng)速度逐漸減小。文獻(xiàn)[18]通過實(shí)驗(yàn)觀測(cè)到，在卸壓口暴露的瞬間發(fā)生持續(xù)時(shí)間約0.5 s的煤粉噴出現(xiàn)象，噴出速度達(dá)50 m/s。因此，可通過監(jiān)測(cè)物體移動(dòng)速度異常，感知沖擊地壓和煤與瓦斯突出；通過監(jiān)測(cè)和分析不同地點(diǎn)的物體移動(dòng)速度異常增加、發(fā)生的先后時(shí)序關(guān)系和傳感器損壞情況等，判定災(zāi)源；再通過甲烷濃度是否迅速升高，區(qū)分沖擊地壓和煤與瓦斯突出。

為防止事故發(fā)生，《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定了煤礦井下設(shè)備最大移動(dòng)速度：① 第三百四十條規(guī)定，井下用機(jī)車運(yùn)送爆炸物品時(shí)，列車行駛速度不得超過2 m/s。② 第三百四十一條規(guī)定，水平巷道和傾斜巷道內(nèi)有可靠的信號(hào)裝置時(shí)，可以用鋼絲繩牽引的車輛運(yùn)送爆炸物品，運(yùn)輸速度不得超過1 m/s。③ 第三百七十五條規(guī)定，生產(chǎn)礦井采用鋼絲繩牽引帶式輸送機(jī)運(yùn)輸時(shí)，運(yùn)行速度不得超過1.8 m/s。④ 第三百八十三條規(guī)定，采用架空乘人裝置運(yùn)送人員時(shí)，最大運(yùn)行速度不得超過1.7 m/s。⑤ 第三百八十五條規(guī)定，采用平巷人車運(yùn)送人員時(shí)，列車行駛速度不得超過4 m/s。⑥ 第三百九十二條規(guī)定，采用無軌膠輪車運(yùn)人時(shí)運(yùn)行速度不得超過25 km/h(6.94 m/s)，運(yùn)送物料時(shí)運(yùn)行速度不得超過40 km/h(11.11 m/s)。

在正常情況下，煤礦井下作業(yè)人員和設(shè)備移動(dòng)速度不大于11.11 m/s，遠(yuǎn)小于沖擊地壓和煤與瓦斯突出發(fā)生時(shí)煤巖的噴出速度。因此，可以通過監(jiān)測(cè)速度異常，感知沖擊地壓和煤與瓦斯突出事故；再通過甲烷濃度是否迅速升高，區(qū)分沖擊地壓和煤與瓦斯突出。

瓦斯和煤塵爆炸也會(huì)發(fā)生物體速度異常，但速度異常物體的數(shù)量、體積和面積，遠(yuǎn)小于沖擊地壓和煤與瓦斯突出噴出的煤巖數(shù)量、體積和面積。因此，可根據(jù)速度異常物體的數(shù)量、體積和面積，排除瓦斯和煤塵爆炸對(duì)沖擊地壓和煤與瓦斯突出感知的干擾。

通過上述分析研究，筆者提出了基于速度的沖擊地壓和煤與瓦斯突出感知報(bào)警方法，流程如圖2所示。使用激光雷達(dá)、毫米波雷達(dá)、超聲波雷達(dá)、雙目視覺攝像機(jī)等監(jiān)測(cè)物體移動(dòng)速度，使用甲烷傳感器監(jiān)測(cè)環(huán)境甲烷濃度；當(dāng)物體移動(dòng)速度不小于設(shè)定閾值B(B>11.11 m/s，考慮超速10%和測(cè)量誤差，可取B=13 m/s)時(shí)，則判定發(fā)生沖擊地壓、煤與瓦斯突出或瓦斯和煤塵爆炸事故；進(jìn)一步判別速度異常物體的數(shù)量、體積和面積，若速度異常物體的數(shù)量較少、體積和面積較小，則判定發(fā)生瓦斯和煤塵爆炸事故，若速度異常物體的數(shù)量較多、體積和面積較大，則判定發(fā)生沖擊地壓或煤與瓦斯突出事故；進(jìn)一步分析甲烷濃度變化，若甲烷濃度迅速升高，則判定發(fā)生煤與瓦斯突出事故，反之，則判定發(fā)生沖擊地壓事故。

圖2 基于速度的沖擊地壓和煤與瓦斯突出感知 報(bào)警方法流程Fig.2 Flow of rock burst and coal and gas outburst perception alarm method based on velocity

3 多信息融合的沖擊地壓和煤與瓦斯突出感知報(bào)警及災(zāi)源判定方法

沖擊地壓和煤與瓦斯突出是2種不同的煤巖動(dòng)力災(zāi)害，內(nèi)在作用機(jī)理不同，但外在顯現(xiàn)規(guī)律具有一定的相似性。煤與瓦斯突出除具有沖擊地壓特征外，還具有大量瓦斯氣體噴出、甲烷濃度迅速升高等特征。

沖擊地壓和煤與瓦斯突出具有以下特征：① 大量煤巖突然破壞并拋向巷道空間；大量噴出的煤巖在巷道空間擴(kuò)散、堆積。② 噴出煤巖的溫度高于正常生產(chǎn)時(shí)礦井環(huán)境溫度和已暴露煤巖溫度。③ 噴出煤巖的最大速度高于正常生產(chǎn)時(shí)礦井車輛、設(shè)備和人員最大移動(dòng)速度。④ 造成巷道支護(hù)和機(jī)電設(shè)備等損毀、傾倒、變形、移動(dòng)，移動(dòng)速度和加速度異常。⑤ 造成水管、電纜、瓦斯抽采管路等損毀、墜落。⑥ 巷道支護(hù)和機(jī)電設(shè)備被噴出的煤巖覆蓋，覆蓋面積異常，被覆蓋面積變化速度與變化加速度異常。⑦ 產(chǎn)生大量粉塵。⑧ 產(chǎn)生煤巖破碎聲響和強(qiáng)烈震動(dòng)。⑨ 造成礦井風(fēng)速和空氣壓力迅速增大后回落，風(fēng)流反向；通風(fēng)系統(tǒng)損毀。產(chǎn)生紅外輻射和電磁輻射。造成井下作業(yè)人員傷亡。沖擊地壓時(shí)甲烷濃度不會(huì)突然大幅升高，煤與瓦斯突出時(shí)甲烷濃度會(huì)突然大幅升高，這是區(qū)分沖擊地壓和煤與瓦斯突出的主要指標(biāo)。

為進(jìn)一步提高沖擊地壓和煤與瓦斯突出報(bào)警準(zhǔn)確率，根據(jù)煤礦沖擊地壓和煤與瓦斯突出特征，筆者提出了多信息融合的沖擊地壓和煤與瓦斯突出感知報(bào)警及災(zāi)源判定方法：監(jiān)測(cè)并融合溫度、速度、加速度、掩埋深度、聲音、氣壓、風(fēng)速、風(fēng)向、粉塵、甲烷濃度、設(shè)備狀態(tài)、微震、地音、應(yīng)力、紅外輻射、電磁輻射、圖像等多種信息，感知沖擊地壓和煤與瓦斯突出；通過不同位置參數(shù)變化的幅度、先后時(shí)序關(guān)系及傳感器損壞情況，判定災(zāi)源。

4 結(jié)論

(1) 未暴露煤巖溫度一般高于煤礦井下環(huán)境溫度和已暴露煤巖溫度。因此，可根據(jù)沖擊地壓和煤與瓦斯突出噴出的煤巖溫度高于環(huán)境溫度和已暴露煤巖溫度的特征，感知沖擊地壓和煤與瓦斯突出；再通過甲烷濃度是否迅速升高，區(qū)分沖擊地壓和煤與瓦斯突出。煤礦井下作業(yè)人員體溫和運(yùn)行的機(jī)電設(shè)備溫度高于環(huán)境溫度和已暴露煤巖溫度，但作業(yè)人員和機(jī)電設(shè)備的數(shù)量、體積和面積遠(yuǎn)小于沖擊地壓和煤與瓦斯突出噴出的煤巖數(shù)量、體積和面積。因此，可根據(jù)高于環(huán)境溫度和已暴露煤巖溫度物體的數(shù)量、體積和面積，排除運(yùn)行的機(jī)電設(shè)備溫度和煤礦井下作業(yè)人員體溫對(duì)沖擊地壓和煤與瓦斯突出感知的干擾。瓦斯和煤塵爆炸的溫度大于1 850 ℃，遠(yuǎn)高于環(huán)境溫度。礦井火災(zāi)溫度大于270 ℃，遠(yuǎn)高于環(huán)境溫度。未暴露煤巖最高溫度為58.4 ℃。因此，可根據(jù)高溫，排除瓦斯和煤塵爆炸、礦井火災(zāi)對(duì)沖擊地壓和煤與瓦斯突出感知的干擾。

(2) 提出的基于溫度的沖擊地壓和煤與瓦斯突出感知報(bào)警方法，不僅可用于沖擊地壓和煤與瓦斯突出事故感知和報(bào)警，還可用于礦井火災(zāi)、瓦斯和煤塵爆炸事故感知和報(bào)警：使用紅外熱像儀等監(jiān)測(cè)物體溫度，使用甲烷傳感器監(jiān)測(cè)環(huán)境甲烷濃度；當(dāng)物體溫度高于煤礦井下環(huán)境溫度和已暴露煤巖溫度，并且高于環(huán)境溫度和已暴露煤巖溫度的物體數(shù)量較多、體積和面積較大，則判定發(fā)生沖擊地壓、煤與瓦斯突出、礦井火災(zāi)或瓦斯和煤塵爆炸事故；進(jìn)一步判別高溫物體溫度，若大于設(shè)定閾值A(chǔ)(A≥150 ℃)，則判定發(fā)生礦井火災(zāi)或瓦斯和煤塵爆炸事故，反之，則判定發(fā)生沖擊地壓或煤與瓦斯突出事故；進(jìn)一步分析甲烷濃度變化，若甲烷濃度迅速升高，則判定發(fā)生煤與瓦斯突出事故，反之，則判定發(fā)生沖擊地壓事故。

(3) 正常情況下煤礦井下作業(yè)人員和設(shè)備移動(dòng)速度不大于11.11 m/s，遠(yuǎn)小于沖擊地壓和煤與瓦斯突出發(fā)生時(shí)煤巖的噴出速度。因此，可以通過監(jiān)測(cè)速度異常，感知沖擊地壓和煤與瓦斯突出事故；再通過甲烷濃度是否迅速升高，區(qū)分沖擊地壓和煤與瓦斯突出。瓦斯和煤塵爆炸也會(huì)發(fā)生物體速度異常，但速度異常物體的數(shù)量、體積和面積，遠(yuǎn)小于沖擊地壓和煤與瓦斯突出噴出的煤巖數(shù)量、體積和面積。因此，可根據(jù)速度異常物體的數(shù)量、體積和面積，排除瓦斯和煤塵爆炸對(duì)沖擊地壓和煤與瓦斯突出感知的干擾。

(4) 提出的基于速度的沖擊地壓和煤與瓦斯突出感知報(bào)警方法，不僅可用于沖擊地壓和煤與瓦斯突出事故感知和報(bào)警，還可用于礦井瓦斯和煤塵爆炸事故感知和報(bào)警：使用激光雷達(dá)、毫米波雷達(dá)、超聲波雷達(dá)、雙目視覺攝像機(jī)等監(jiān)測(cè)物體移動(dòng)速度，使用甲烷傳感器監(jiān)測(cè)環(huán)境甲烷濃度；當(dāng)物體移動(dòng)速度不小于設(shè)定閾值B(B>11.11 m/s，考慮超速10%和測(cè)量誤差，可取B=13 m/s)時(shí)，則判定發(fā)生沖擊地壓、煤與瓦斯突出或瓦斯和煤塵爆炸事故；進(jìn)一步判別速度異常物體的數(shù)量、體積和面積，若速度異常物體的數(shù)量較少、體積和面積較小，則判定發(fā)生瓦斯和煤塵爆炸事故，若速度異常物體的數(shù)量較多、體積和面積較大，則判定發(fā)生沖擊地壓或煤與瓦斯突出事故；進(jìn)一步分析甲烷濃度變化，若甲烷濃度迅速升高，則判定發(fā)生煤與瓦斯突出事故，反之，則判定發(fā)生沖擊地壓事故。

(5) 提出的多信息融合的沖擊地壓和煤與瓦斯突出感知報(bào)警及災(zāi)源判定方法，可進(jìn)一步提高沖擊地壓和煤與瓦斯突出報(bào)警準(zhǔn)確率：監(jiān)測(cè)并融合溫度、速度、加速度、掩埋深度、聲音、氣壓、風(fēng)速、風(fēng)向、粉塵、甲烷濃度、設(shè)備狀態(tài)、微震、地音、應(yīng)力、紅外輻射、電磁輻射、圖像等多種信息，感知沖擊地壓和煤與瓦斯突出；通過不同位置參數(shù)變化的幅度、先后時(shí)序關(guān)系及傳感器損壞情況，判定災(zāi)源。