基于瓦斯含量反演的工作面瓦斯涌出量動(dòng)態(tài)預(yù)測研究

朱墨然

(1.煤礦災(zāi)害防控全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400037；2.中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司，重慶 400037)

采掘工作面瓦斯涌出是煤礦瓦斯涌出的主要來源，是瓦斯防治的重點(diǎn)區(qū)域，工作面瓦斯涌出量是衡量工作面瓦斯災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)的重要指標(biāo)，準(zhǔn)確預(yù)測工作面的瓦斯涌出量對工作面安全高效生產(chǎn)具有重要意義[1-3]。目前瓦斯涌出量的預(yù)測方法包括礦山統(tǒng)計(jì)法、分源預(yù)測法、瓦斯地質(zhì)統(tǒng)計(jì)法、軟計(jì)算技術(shù)等方法，各類預(yù)測方法有不同的適用范圍和側(cè)重點(diǎn)[4，5]。礦山統(tǒng)計(jì)法的基本原理是通過分析開采深度與瓦斯涌出量的對應(yīng)關(guān)系，以此來預(yù)測延伸水平或鄰近礦井的瓦斯涌出量，適用范圍是生產(chǎn)礦井延伸和鄰近新礦井，并且預(yù)測垂深范圍不超過200 m[6-8]；分源預(yù)測法是通過統(tǒng)計(jì)瓦斯源數(shù)量和各涌出源涌出大小來預(yù)測礦井或工作面的瓦斯涌出量，適用于新建礦井或采掘工作面瓦斯涌出，缺點(diǎn)是若礦井煤層瓦斯實(shí)測資料較少則預(yù)測精度不高[9-11]；瓦斯地質(zhì)統(tǒng)計(jì)法是通過研究瓦斯賦存和地質(zhì)規(guī)律來實(shí)現(xiàn)瓦斯涌出量的預(yù)測，適用于生產(chǎn)礦井對未采區(qū)域的預(yù)測，不足是需要收集大量地質(zhì)資料[12，13]；近年來隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，應(yīng)用模糊邏輯、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等算法實(shí)現(xiàn)了對瓦斯涌出量的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)預(yù)測，該方法是根據(jù)瓦斯涌出歷史數(shù)據(jù)訓(xùn)練預(yù)測模型來對瓦斯涌出量進(jìn)行預(yù)測，存在預(yù)測準(zhǔn)確率較低的問題[14-18]。

總的來說，目前對瓦斯涌出量的預(yù)測多是建立在統(tǒng)計(jì)基礎(chǔ)上的線性回歸靜態(tài)預(yù)測，且預(yù)測值屬于長期的平均值，軟計(jì)算方法雖然實(shí)現(xiàn)了對瓦斯涌出量的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)預(yù)測，但僅依靠瓦斯涌出量歷史數(shù)據(jù)來訓(xùn)練模型，脫離了瓦斯涌出規(guī)律使得預(yù)測效果不佳[19，20]。為此本文將嘗試在瓦斯涌出基本規(guī)律的基礎(chǔ)上，結(jié)合計(jì)算機(jī)技術(shù)建立預(yù)測模型，實(shí)現(xiàn)工作面瓦斯涌出量的實(shí)時(shí)連續(xù)預(yù)測。

1 工作面煤體瓦斯含量反演

瓦斯涌出量的主要影響因素是工作面煤體瓦斯含量、煤體吸附解吸特性等，而煤體瓦斯含量是工作面瓦斯涌出量的關(guān)鍵因素，因此工作面煤體瓦斯含量的實(shí)時(shí)反演是預(yù)測瓦斯涌出量的基礎(chǔ)。

工作面煤體瓦斯涌出量主要由迎頭落煤、巷道兩幫煤壁、頂?shù)装搴袜徑鼘油咚菇M成，其中又以迎頭落煤瓦斯涌出為主。煤層瓦斯含量反演就是基于迎頭瓦斯涌出數(shù)據(jù)結(jié)合瓦斯解吸放散規(guī)律，建立瓦斯含量反演模型。模型建立的難點(diǎn)是對瓦斯涌出量影響因素的處理，包括煤體滲透性、殘存瓦斯含量、煤壁瓦斯涌出和落煤量的影響。研究發(fā)現(xiàn)上述影響因素都可以通過一定的處理方法減小對瓦斯含量反演的結(jié)果的影響，處理過程如下：

1)煤體滲透性的處理。煤體滲透性對瓦斯涌出的影響是在較短時(shí)間或是較小范圍內(nèi)瓦斯涌出分源的影響，對一個(gè)較長時(shí)間段內(nèi)的瓦斯涌出量影響較小。因此采用增加計(jì)算步長來處理滲透性對瓦斯涌出量的影響。

2)殘存瓦斯含量的處理。落煤殘存瓦斯含量在同一巷道或同一采掘工藝可以基本認(rèn)為其變化不大，基本可以融入掘進(jìn)速度一并處理。

3)煤壁瓦斯涌出影響的處理。掘進(jìn)面?zhèn)鞲衅骶嚯x工作面迎頭煤壁的距離約為5 m?？梢哉J(rèn)為在瓦斯傳感器距離迎頭煤壁的這段巷道煤壁屬于巷道新鮮煤壁，其瓦斯涌出強(qiáng)度與迎頭煤壁瓦斯涌出強(qiáng)度相等。另外，在一個(gè)班次時(shí)間內(nèi)，瓦斯涌出最小值可以大致認(rèn)為是煤壁瓦斯涌出的表現(xiàn)。

4)落煤量影響的處理。落煤量的計(jì)算出現(xiàn)誤差的主要原因在于井下生產(chǎn)作業(yè)的特殊環(huán)境使得井下班次落煤量的準(zhǔn)確測量以及監(jiān)督存在較多的漏洞。但是，井下落煤量在一個(gè)班次內(nèi)的計(jì)算與測量雖然存在較大的誤差，但是在一段時(shí)間內(nèi)(例如一個(gè)循環(huán))落煤量的誤差卻是較小的。根據(jù)井下生產(chǎn)的這種特點(diǎn)利用一段時(shí)間內(nèi)的落煤量排除落煤量對瓦斯涌出量特征的影響是可行的。

綜上所述，通過增加計(jì)算步長等方法減小煤體滲透性、殘存瓦斯含量、煤壁瓦斯涌出和落煤量等對瓦斯含量反演的影響后，統(tǒng)計(jì)工作面一段時(shí)間的瓦斯涌出量，并根據(jù)工作面煤面、煤壁等面積關(guān)系，提取工作面迎頭煤面的瓦斯涌出特征，建立瓦斯含量反演模型。瓦斯含量指標(biāo)Wp計(jì)算模型如下：

2 瓦斯涌出量動(dòng)態(tài)預(yù)測模型研究

瓦斯涌出量動(dòng)態(tài)預(yù)測方法是在瓦斯含量反演預(yù)測的基礎(chǔ)上，以瓦斯在煤體中的賦存狀態(tài)是連續(xù)變化為前提進(jìn)行的。受采掘活動(dòng)影響工作面迎頭前方約5 m范圍內(nèi)的煤體卸壓，煤中瓦斯向采掘空間持續(xù)涌出，瓦斯含量反演結(jié)果即為工作面前方約5 m范圍內(nèi)煤體的瓦斯含量大小。因此通過對瓦斯含量實(shí)時(shí)反演，結(jié)合工作面瓦斯涌出特征，實(shí)現(xiàn)對工作面瓦斯涌出量的預(yù)測。該預(yù)測方法包括煤體瓦斯含量反演、確定瓦斯涌出量特征系數(shù)和預(yù)測瓦斯涌出量三步，具體步驟如下：

1)工作面煤體瓦斯含量反演。工作面瓦斯涌出是煤體內(nèi)的瓦斯在瓦斯壓力梯度的作用下向工作空間持續(xù)涌出的現(xiàn)象，由于采掘擾動(dòng)破壞了工作面煤體原有的瓦斯賦存狀態(tài)，使得工作面前方煤體內(nèi)的瓦斯向工作空間涌出。通過采集采掘工作面瓦斯傳感器數(shù)據(jù)，應(yīng)用建立的工作面瓦斯含量反演模型，實(shí)現(xiàn)對工作面煤體瓦斯含量的實(shí)時(shí)連續(xù)預(yù)測。瓦斯含量Wp預(yù)測方法見式(1)。

2)確定瓦斯涌出量特征系數(shù)K。由于各個(gè)煤礦在瓦斯賦存條件、煤層瓦斯基本參數(shù)、巷道斷面特征、采掘工藝等方面存在較大差異，因此在對煤礦瓦斯涌出進(jìn)行預(yù)測的時(shí)候，需要對瓦斯涌出量特征系數(shù)進(jìn)行確定。瓦斯涌出量特征系數(shù)K計(jì)算公式如式(2)。

3)瓦斯涌出量預(yù)測Qp。根據(jù)瓦斯含量實(shí)時(shí)反演數(shù)據(jù)Wd，對未來一個(gè)班次內(nèi)的瓦斯涌出量進(jìn)行動(dòng)態(tài)預(yù)測。

Qp=K×Wd

(3)

式中，Qp為瓦斯涌出量預(yù)測值，m3/min；K為瓦斯涌出量特征系數(shù)，t/min；Wd為瓦斯含量反演實(shí)時(shí)值，m3/t。

3 瓦斯涌出量動(dòng)態(tài)預(yù)測模型應(yīng)用

3.1 工作面煤體瓦斯含量預(yù)測

為驗(yàn)證瓦斯涌出量預(yù)測模型的有效性，在陜西韓城象山煤礦21315輔助進(jìn)風(fēng)巷工作面進(jìn)行應(yīng)用，工作面基本參數(shù)見表1。選取2021年11月13日到2021年11月24日的瓦斯傳感器的數(shù)據(jù)，在此期間該工作面的瓦斯涌出量波動(dòng)較大，能夠較好地反映工作面瓦斯涌出特征，該時(shí)間段內(nèi)瓦斯數(shù)據(jù)共15840條，工作面瓦斯?jié)舛葦?shù)據(jù)如圖1所示。

圖1 瓦斯?jié)舛缺O(jiān)控曲線Fig.1 Gas concentration monitoring curve

表1 進(jìn)風(fēng)巷掘進(jìn)工作面基本參數(shù)Table 1 Basic parameters of the air intake roadway excavation face

3.2 瓦斯涌出量特征系數(shù)

3.3 瓦斯涌出量預(yù)測

應(yīng)用式(1)對該工作面2021年11月14日到2021年11月24日期間的數(shù)據(jù)進(jìn)行瓦斯含量實(shí)時(shí)連續(xù)反演，每5 min計(jì)算一次實(shí)時(shí)反演結(jié)果Wd。然后根據(jù)式(3)計(jì)算瓦斯涌出量預(yù)測值，并將瓦斯涌出量預(yù)測值與實(shí)際值進(jìn)行對比，如圖2所示。

圖2 21315輔助進(jìn)風(fēng)巷瓦斯涌出量預(yù)測值與實(shí)際值對比曲線Fig.2 Comparison between predicted and actual gas emission values in 21315 auxiliary air intake roadway

由圖2可知，瓦斯涌出量預(yù)測值與實(shí)測值變化趨勢和大小基本一致，瓦斯涌出量預(yù)測值比實(shí)際值能夠提前大約一個(gè)班次，該瓦斯涌出量預(yù)測方法能夠較好的對工作面瓦斯涌出量進(jìn)行預(yù)測。

3.4 預(yù)測效果量化分析

為定量分析該瓦斯涌出量預(yù)測方法的有效性，將瓦斯涌出量預(yù)測數(shù)據(jù)與實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，分析預(yù)測效果的偏離程度，分析結(jié)果見表2。由表2可知，瓦斯涌出量預(yù)測值與實(shí)測值之間偏差的誤差波動(dòng)范圍在-0.09～0.20 m3/min之間，誤差百分比控制在20%以內(nèi)。

表2 涌出量預(yù)測偏差分析Table 2 Deviation analysis of predicted emissions

3.5 適用性分析

為驗(yàn)證該預(yù)測模型的適用性，用同樣的方法對云南雨汪煤礦1010201軌道巷工作面2022年5月24日至6月1日期間的瓦斯涌出量進(jìn)行預(yù)測。在該時(shí)間段內(nèi)瓦斯數(shù)據(jù)共12959條，工作面基本參數(shù)見表3，預(yù)測結(jié)果如圖3所示。

圖3 1010201軌道巷瓦斯涌出量預(yù)測Fig.3 Prediction of gas emission in 1010201 track roadway

表3 軌道巷掘進(jìn)工作面基本參數(shù)Table 3 Basic parameters of trackroadway excavation face

由圖3可知，瓦斯涌出量預(yù)測值能夠較好預(yù)測工作面實(shí)際瓦斯涌出量，預(yù)測值與實(shí)際值之間的偏差絕對值最大不超過0.2 m3/min。該預(yù)測方法在不同的煤層和開采條件下都取得了較好的預(yù)測效果，表明該方法具有較強(qiáng)的適用性。

4 結(jié) 論

1)分析了煤礦工作面瓦斯涌出影響因素，建立了工作面煤體瓦斯含量反演模型。

2)建立了基于瓦斯含量反演的工作面瓦斯涌出量預(yù)測模型，并對該模型的應(yīng)用效果進(jìn)行了量化分析，該預(yù)測模型瓦斯涌出量預(yù)測誤差范圍在-0.09～0.20 m3/min之間，誤差百分比控制在20%以內(nèi)。

3)基于瓦斯含量反演的瓦斯涌出量預(yù)測模型具有較強(qiáng)的適用性，能夠適應(yīng)不同地區(qū)和生產(chǎn)條件的煤礦。