寺河礦西井區(qū)瓦斯突出預(yù)警系統(tǒng)應(yīng)用實(shí)踐*

左明明

(中煤科工集團(tuán)沈陽(yáng)研究院有限公司,遼寧 撫順 113006)

0 引言

礦井瓦斯災(zāi)害防治工作是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程,涉及到多個(gè)部門(mén),要實(shí)現(xiàn)綜合預(yù)警,需根據(jù)各部門(mén)的工作內(nèi)容和標(biāo)準(zhǔn),建立專(zhuān)業(yè)分析軟件,然后依據(jù)各專(zhuān)業(yè)分析軟件提供的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和判別標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行綜合分析與判別。因此,綜合預(yù)警系統(tǒng)需以預(yù)警數(shù)據(jù)庫(kù)為中心,以預(yù)警處理規(guī)則為核心。

煤與瓦斯突出是一種井下生產(chǎn)的自然災(zāi)害,會(huì)造成人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失[1-2]。王麒翔[3]從防突預(yù)警系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、指標(biāo)考察過(guò)程和典型案例3個(gè)方面對(duì)東李煤礦防突預(yù)警系統(tǒng)的建設(shè)應(yīng)用情況進(jìn)行分析考察,在考察期間,系統(tǒng)體現(xiàn)了良好的預(yù)警功能。王恩元等[4]從電磁輻射預(yù)測(cè)煤與瓦斯突出基本原理和方法、電磁輻射監(jiān)測(cè)預(yù)警裝備及系統(tǒng)、電磁輻射預(yù)測(cè)突出現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用3個(gè)方面對(duì)煤與瓦斯突出監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行了系統(tǒng)分析,發(fā)現(xiàn)電磁輻射對(duì)工作面突出危險(xiǎn)性、瓦斯地質(zhì)及應(yīng)力異常等響應(yīng)較好;李鑫靈等[5]將SVM、PSO這2種算法結(jié)合構(gòu)建了PSO-SVM突出預(yù)警模型,并在此基礎(chǔ)上融合Spark大數(shù)據(jù)平臺(tái)開(kāi)發(fā)了掘進(jìn)工作面突出預(yù)警系統(tǒng),并將系統(tǒng)應(yīng)用于該掘進(jìn)工作面突出風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警,運(yùn)行結(jié)果表明突出預(yù)警模型測(cè)試集的預(yù)測(cè)精度為92%,系統(tǒng)能在工作面突出動(dòng)力現(xiàn)象發(fā)生前22 min準(zhǔn)確預(yù)警;李宇龍[6]對(duì)下峪口煤礦建立的突出預(yù)警系統(tǒng)的數(shù)據(jù)特征分析,結(jié)果顯示系統(tǒng)運(yùn)行期間預(yù)警準(zhǔn)確率達(dá)到了84%,實(shí)現(xiàn)了及時(shí)預(yù)警,提高了瓦斯防突出預(yù)警的準(zhǔn)確率?？到▽幍萚7]基于采掘進(jìn)度監(jiān)測(cè)的突出預(yù)警方法,研制了GJJ100激光測(cè)距傳感器,開(kāi)發(fā)了突出預(yù)警軟件,構(gòu)建了基于采掘進(jìn)度監(jiān)測(cè)的突出預(yù)警系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了工作面與突出易發(fā)區(qū)之間空間距離的在線(xiàn)監(jiān)測(cè)分析和實(shí)時(shí)預(yù)警;李小明等[8]提出了新的瓦斯預(yù)警指標(biāo)體系和臨界值的優(yōu)選方法,通過(guò)對(duì)平舒煤礦的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用檢驗(yàn)結(jié)果表明提前近10 h發(fā)布預(yù)警信息,預(yù)測(cè)總準(zhǔn)確率可達(dá)83.3%,能夠快速準(zhǔn)確且提前發(fā)布預(yù)警信息,預(yù)防事故的發(fā)生。高建成等[9]基于平煤十三煤礦己15-17煤層特征,從工作面與斷層下盤(pán)距離、工作面與應(yīng)力集中區(qū)距離、軟分層厚度、煤厚變化率、日常預(yù)測(cè)、動(dòng)力現(xiàn)象、瓦斯涌出、措施缺陷方面建立了8個(gè)突出預(yù)警指標(biāo);構(gòu)建了深部礦井突出綜合預(yù)警系統(tǒng),并建立了完善的保障機(jī)制;張嘉勇等[10]基于錢(qián)家營(yíng)煤礦,提出了一種基于瓦斯涌出特征的預(yù)警方法,準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)到井下瓦斯的異常現(xiàn)象,達(dá)到了及時(shí)預(yù)警的目的。楊宏偉等[11]針對(duì)成莊煤礦瓦斯災(zāi)害特征與規(guī)律,制定瓦斯超限及突出預(yù)警指標(biāo)及規(guī)則,開(kāi)發(fā)預(yù)警系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了瓦斯預(yù)警及管理的智能化。

在前人研究的基礎(chǔ)上,開(kāi)發(fā)主要由工作面地質(zhì)測(cè)量管理系統(tǒng)、工作面瓦斯地質(zhì)及動(dòng)態(tài)防突管理系統(tǒng)、瓦斯涌出量分析系統(tǒng)、瓦斯超限預(yù)警平臺(tái)、瓦斯突出預(yù)警平臺(tái)、集團(tuán)公司瓦斯超限及預(yù)警共享平臺(tái)等部分構(gòu)成的預(yù)警系統(tǒng),編制相應(yīng)的管理軟件,以實(shí)現(xiàn)礦井瓦斯地質(zhì)信息的數(shù)字化管理,瓦斯涌出的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),智能分析以及瓦斯突出、超限預(yù)警平臺(tái)的綜合管理。

1 瓦斯預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)

瓦斯災(zāi)害預(yù)警系統(tǒng)軟件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用通用的C/S(Client/Server)結(jié)構(gòu)和B/S(Browser/Server)結(jié)構(gòu)。數(shù)據(jù)平臺(tái)采用微軟公司推出的數(shù)據(jù)管理平臺(tái)Microsoft SQL 2008R2,設(shè)計(jì)了工作面瓦斯涌出動(dòng)態(tài)特征管理系統(tǒng)、工作面采掘進(jìn)度管理系統(tǒng)、工作面地質(zhì)測(cè)量管理系統(tǒng)、工作面動(dòng)態(tài)防突管理系統(tǒng)、工作面預(yù)警管理平臺(tái)、井下數(shù)據(jù)錄入終端系統(tǒng)以及網(wǎng)站預(yù)警信息發(fā)布系統(tǒng)共7個(gè)系統(tǒng),從而構(gòu)建成瓦斯災(zāi)害預(yù)警系統(tǒng)。預(yù)警系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 預(yù)警系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)Fig.1 Integrated design of early warning system

系統(tǒng)主要使用ARCGIS軟件和微軟公司的SQL Server 2008R2實(shí)現(xiàn)3層結(jié)構(gòu)的GIS模式。系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框架結(jié)合C/S模式B/S模式、利用ARCGIS開(kāi)發(fā),設(shè)計(jì)出表現(xiàn)層、邏輯層、數(shù)據(jù)層的3層式結(jié)構(gòu),系統(tǒng)物理結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意Fig.2 Structure of the system

2 瓦斯預(yù)警系統(tǒng)開(kāi)發(fā)

2.1 工作面預(yù)警系統(tǒng)管理平臺(tái)

瓦斯預(yù)警系統(tǒng)共包括7個(gè)子系統(tǒng),以工作面預(yù)警系統(tǒng)管理平臺(tái)為例,闡述工作面預(yù)警系統(tǒng)管理平臺(tái)的開(kāi)發(fā)過(guò)程。

工作面瓦斯超限和突出預(yù)警是預(yù)警系統(tǒng)的核心,預(yù)警系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)根據(jù)預(yù)警規(guī)則對(duì)錄入數(shù)據(jù)和監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)分析,并給出工作面是否需要突出或超限預(yù)警。為了防止人為影響,該步驟是自動(dòng)運(yùn)行,最終在工作面預(yù)警管理平臺(tái)和各預(yù)警網(wǎng)站上顯示。該平臺(tái)是整個(gè)系統(tǒng)的一個(gè)綜合管理平臺(tái),可以更改預(yù)警規(guī)則,查看其他系統(tǒng)運(yùn)行、錄入情況并對(duì)預(yù)警結(jié)果進(jìn)行管理。該平臺(tái)主要內(nèi)容包括預(yù)警結(jié)果、預(yù)警規(guī)則設(shè)置、預(yù)警數(shù)據(jù)管理、采掘進(jìn)度數(shù)據(jù)管理、傳感器數(shù)據(jù)管理、系統(tǒng)設(shè)置和短信管理等,具體如圖3所示。

2.2 管理平臺(tái)主要功能

2.2.1 預(yù)警結(jié)果

該功能主要包括實(shí)時(shí)預(yù)警結(jié)果和歷史預(yù)警結(jié)果查詢(xún)。預(yù)警主要通過(guò)文字、語(yǔ)音以及短信模式進(jìn)行預(yù)報(bào)預(yù)警,實(shí)時(shí)預(yù)警是對(duì)煤礦工作面的實(shí)時(shí)情況的分析結(jié)果。預(yù)警的解除可通過(guò)對(duì)“詳細(xì)信息”中預(yù)警工作面措施的實(shí)施、評(píng)價(jià)和解除3步操作進(jìn)行,具體如圖4所示。歷史預(yù)警結(jié)果查詢(xún)可通過(guò)地點(diǎn)、時(shí)間等對(duì)采掘工作面預(yù)警結(jié)果及其詳細(xì)信息進(jìn)行查詢(xún),如圖5所示。

圖3 工作面管理系統(tǒng)菜單Fig.3 Management system menu of working face

圖4 工作面管理系統(tǒng)菜單Fig.4 Management system menu of working face

2.2.2 預(yù)警規(guī)則設(shè)置

預(yù)警規(guī)則設(shè)置主要包括巷道預(yù)警規(guī)則設(shè)置和預(yù)警規(guī)則管理。預(yù)警規(guī)則是預(yù)警的核心內(nèi)容,通過(guò)預(yù)警規(guī)則管理,用戶(hù)可修改和新增預(yù)警指標(biāo)并可對(duì)其進(jìn)行定量和定性化管理,由于預(yù)警指標(biāo)影響著整個(gè)預(yù)警結(jié)果,所以開(kāi)發(fā)時(shí)已完成指標(biāo)錄入工作,一般在實(shí)際應(yīng)用中使用較少。巷道預(yù)警規(guī)則設(shè)置是針對(duì)用戶(hù)根據(jù)實(shí)際情況選用不同的巷道采取不同的預(yù)警規(guī)則,除非特殊情況,一般不建議采用。

圖5 歷史預(yù)警結(jié)果查詢(xún)Fig.5 Search of historical early warning results

2.2.3 預(yù)警及采掘進(jìn)度數(shù)據(jù)管理

預(yù)警數(shù)據(jù)管理功能可查詢(xún)、統(tǒng)計(jì)、分析井下錄入終端數(shù)據(jù)(包括瓦斯賦存、地質(zhì)構(gòu)造、瓦斯、通風(fēng)、管理),并對(duì)錄入人員和數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)督。采掘進(jìn)度數(shù)據(jù)管理功能是為了查詢(xún)和監(jiān)督隊(duì)組進(jìn)尺錄入情況。

2.2.4 傳感器管理及系統(tǒng)設(shè)置

傳感器管理功能查詢(xún)和管理傳感器新增和校驗(yàn)情況,可監(jiān)督監(jiān)測(cè)中心對(duì)傳感器的管理。系統(tǒng)設(shè)置功能是對(duì)用戶(hù)進(jìn)行隊(duì)別和班次設(shè)置,隊(duì)別管理中可添加隊(duì)組名稱(chēng)、隊(duì)長(zhǎng)、成員等,班次設(shè)置可根據(jù)用戶(hù)實(shí)際情況選用“三八制”或“四六制”。

3 寺河煤礦西井應(yīng)用效果考察

截止目前,瓦斯災(zāi)害預(yù)警系統(tǒng)已在寺河煤礦安裝、調(diào)試、試運(yùn)行4個(gè)多月,情況良好,現(xiàn)該系統(tǒng)主要監(jiān)測(cè)的采面為W1308和W2301工作面,掘進(jìn)面為W33015巷南掘、W33011巷南掘、西二盤(pán)區(qū)北回風(fēng)一巷、西區(qū)北膠、西三集中膠帶巷、西三回風(fēng)二巷、W33011巷、W33015巷、W33081巷、W33085巷、西三盤(pán)區(qū)進(jìn)風(fēng)巷、西三盤(pán)區(qū)集中回風(fēng)巷。由于工作面較多,故對(duì)產(chǎn)生預(yù)警的巷道或工作面,結(jié)合實(shí)際使用情況對(duì)該系統(tǒng)應(yīng)用效果進(jìn)行分析。

3.1 工作面概況

3.1.1 W23023/24巷東掘連采掘進(jìn)工作面

W23023/24巷東掘連采掘進(jìn)工作面地面標(biāo)高+665～+830 m,工作面標(biāo)高+245～+270 m。W23023/24巷單巷剩余掘進(jìn)長(zhǎng)度約為837 m(從東掘9#起至西掘2#橫川),巷道掘進(jìn)過(guò)程嚴(yán)格按設(shè)計(jì)及放送的中腰線(xiàn)進(jìn)行施工。老頂為細(xì)粒砂巖,厚度6.5 m。直接頂為粉砂巖,厚度2.15 m。偽頂為碳質(zhì)泥巖,厚度0.40 m。直接底為細(xì)粒砂巖,厚度2.66 m。根據(jù)同類(lèi)型巷道瓦斯含量情況預(yù)計(jì)單巷掘進(jìn)時(shí)的絕對(duì)瓦斯涌出量為2.5 m3/min。工作面二氧化碳主要為人員呼吸產(chǎn)生,不影響正常生產(chǎn)作業(yè)。工作面自西向東總體呈西低東高,煤層整體傾向北西,傾角變化1°～7°,平均坡度約4°。

3.1.2 W33081/85巷掘進(jìn)工作面

地面標(biāo)高+620～+660 m,工作面標(biāo)高+400～+450 m。W33081/85巷設(shè)計(jì)長(zhǎng)度約為1 147.2 m,現(xiàn)已掘進(jìn)170 m,剩余977.2 m。老頂巖性為粉砂巖,平均厚度為3.4 m。直接頂巖性為砂質(zhì)泥巖,平均厚度為4.16 m。偽頂巖性為泥巖,平均厚度為0.2 m。直接底巖性為砂質(zhì)泥巖,平均厚度為5.41 m。根據(jù)同類(lèi)型巷道瓦斯含量情況預(yù)計(jì)單巷掘進(jìn)時(shí)的瓦斯絕對(duì)涌出量為3 m3/min。工作面地質(zhì)條件簡(jiǎn)單,自西向東總體呈西高東低,煤層整體傾向北偏西,傾角變化1°～7°。

3.2 應(yīng)用效果分析

瓦斯災(zāi)害預(yù)警系統(tǒng)主要通過(guò)數(shù)據(jù)的收集、錄入和監(jiān)測(cè)對(duì)煤礦瓦斯、地質(zhì)構(gòu)造、煤層賦存、通風(fēng)和管理這5個(gè)方面進(jìn)行分析,并根據(jù)相應(yīng)預(yù)警規(guī)則對(duì)煤礦災(zāi)害進(jìn)行預(yù)警。

3.2.1 瓦斯預(yù)警分析

瓦斯預(yù)警主要是通過(guò)檢測(cè)井下瓦斯探頭數(shù)據(jù)、打鉆情況、斷電情況以及實(shí)測(cè)的瓦斯相關(guān)數(shù)據(jù)(含量、壓力、K1值、S值)等進(jìn)行煤礦瓦斯預(yù)警提醒[12]。西三盤(pán)區(qū)掘進(jìn)工作面在掘進(jìn)過(guò)程中進(jìn)行了工作面突出危險(xiǎn)性檢測(cè),檢測(cè)結(jié)果K1值為0.45,根據(jù)預(yù)警規(guī)則“干煤K1≥0.45”,系統(tǒng)判斷為突出黃色預(yù)警,經(jīng)過(guò)防突小組的討論及領(lǐng)導(dǎo)同意,決定執(zhí)行施工排放鉆孔排放瓦斯的措施。措施執(zhí)行后,根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)參數(shù)測(cè)定,突出危險(xiǎn)性已經(jīng)消除,解危措施有效,而后在系統(tǒng)中將此預(yù)警結(jié)果予以解除。

W2301工作面在9月13日啟動(dòng)黃色預(yù)警,原因是工作面瓦斯含量達(dá)到了7.575 3 m3/t,滿(mǎn)足預(yù)警規(guī)則“瓦斯含量[min](7.5)≤W≤[max](8)m3/t”。之后通過(guò)打排放鉆孔平穩(wěn)度過(guò),經(jīng)檢驗(yàn),突出危險(xiǎn)已消除,措施有效,予以解除此項(xiàng)預(yù)警結(jié)果。

圖6和圖7是地勘數(shù)據(jù)壓力和含量值,由于“相對(duì)瓦斯壓力>0.74 MPa”和“瓦斯含量>8 m3/t”,故根據(jù)規(guī)則產(chǎn)生突出紅色預(yù)警。

3.2.2 地質(zhì)構(gòu)造預(yù)警分析

地質(zhì)構(gòu)造預(yù)警主要是對(duì)井下采掘面在生產(chǎn)過(guò)程中可能遇到的地質(zhì)構(gòu)造、圍巖變化以及采取的措施等進(jìn)行檢測(cè)預(yù)警,避免盲目開(kāi)采,并提示礦井相關(guān)人員對(duì)地質(zhì)構(gòu)造進(jìn)行預(yù)警控制。西三盤(pán)區(qū)進(jìn)風(fēng)巷北掘工作面在10月4日掘進(jìn)時(shí)系統(tǒng)提示黃色預(yù)警,預(yù)警原因?yàn)榫蜻M(jìn)面位置距地面鉆井48.80m,符合預(yù)警規(guī)則“地面鉆井或鉆孔(50)范圍內(nèi)”,故系統(tǒng)判定為地質(zhì)構(gòu)造黃色預(yù)警。接到預(yù)警后,寺河煤礦相關(guān)工作組立即討論制定了預(yù)防措施,在過(guò)鉆井期間采用噴漿加固、加強(qiáng)支護(hù)的方法進(jìn)行安全防護(hù)。在安全推過(guò)鉆井后,解除預(yù)警。

圖6 西一盤(pán)區(qū)瓦斯壓力預(yù)警結(jié)果Fig.6 Early warning results of gas pressure in West 1 pan area

圖7 西二盤(pán)區(qū)瓦斯含量預(yù)警結(jié)果Fig.7 Early warning results of gas pressure in West 2 pan area

W2302西段切眼在9月24日掘進(jìn)到166 m時(shí)距DF9斷層距離為6.86 m,根據(jù)預(yù)警規(guī)則“距地質(zhì)構(gòu)造距離≤(20)m”,系統(tǒng)啟動(dòng)突出黃色預(yù)警。接到預(yù)警后,礦上采取了加強(qiáng)探測(cè)和支護(hù)的措施,由于斷層還未揭露,預(yù)警信息將一直存在,直到安全推過(guò)斷層至20 m后,方可解除預(yù)警。

3.2.3 其他預(yù)警分析

煤層賦存預(yù)警是對(duì)井下采掘工作面軟分層厚度、煤層結(jié)構(gòu)變化、煤層賦存異常等突出征兆進(jìn)行定性和定量判斷并預(yù)警提示,以加強(qiáng)管理。通風(fēng)預(yù)警主要是監(jiān)測(cè)礦井巷道風(fēng)速、風(fēng)量是否滿(mǎn)足《煤礦安全規(guī)程》以及是否有微風(fēng)、停風(fēng)、風(fēng)流反向等。管理預(yù)警是對(duì)井下施工、措施執(zhí)行不到位等一切人為因素造成的一種超限和突出預(yù)警反應(yīng)。

4 結(jié)論

(1)根據(jù)系統(tǒng)需求分析及開(kāi)發(fā)技術(shù),結(jié)合所選平臺(tái)的特點(diǎn),對(duì)瓦斯預(yù)警系統(tǒng)進(jìn)行總體設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā),并以瓦斯預(yù)警系統(tǒng)7個(gè)子系統(tǒng)中的工作面預(yù)警系統(tǒng)管理平臺(tái)為例,闡述了具體開(kāi)發(fā)過(guò)程。

(2)分別從煤礦瓦斯、地質(zhì)構(gòu)造、煤層賦存、通風(fēng)和管理5個(gè)方面對(duì)生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的瓦斯預(yù)警結(jié)果進(jìn)行詳細(xì)分析,探究瓦斯預(yù)警產(chǎn)生的原因,并采取相應(yīng)的解除預(yù)警措施。

(3)通過(guò)對(duì)寺河煤礦西井的瓦斯災(zāi)害預(yù)警系統(tǒng)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用,實(shí)踐效果表明瓦斯預(yù)警結(jié)果及時(shí)、準(zhǔn)確、可靠,能有效指導(dǎo)煤礦的安全生產(chǎn)。