突出矿井瓦斯灾害多元化精准防控系统建设

谈国文

(1.瓦斯灾害监控与应急技术国家重点实验室，重庆 400037； 2.中煤科工集团重庆研究院有限公司，重庆 400037)

煤与瓦斯突出灾害治理一直是突出矿井安全工作的重点和难点[1-3]。21世纪新一轮技术及能源变革正在孕育，工业信息化、自动化、智能化发展势头强劲、技术日趋成熟，为煤矿典型、重大灾害治理由传统的定性及经验型防治向现代的定量及精准型防控转变提供了新的发展机遇和挑战，也是遏制煤矿重大事故的有效途径[4-6]。因此，结合我国矿井的瓦斯灾害特征，研究、建设瓦斯灾害多元化精准防控系统，可有效预防瓦斯灾害，且该系统的推广应用具有较高的经济效益和社会效益。

1 瓦斯灾害多元化精准防控技术

1.1 瓦斯灾害致因及现有防治技术局限

矿井工作面的突出危险性一般是动态变化的，这要求安全技术及措施应实时调整。现有突出灾害防治技术、管理方法，在对煤岩体突出危险性的分析、防治技术措施施工管理等方面多为静态、人工分析及管理，危险信息的自动化监测、信息化检测水平不高，不能适应工作面突出危险的动态变化，使矿井瓦斯地质分析、瓦斯抽采分析、瓦斯涌出分析、日常防突管理等工作的精细度、全面性、可靠性不够，不能实现瓦斯灾害的多元化及自动化的全面、精准防控，制约了煤与瓦斯突出灾害防治技术的有效性和科学性。

1.2 瓦斯灾害多元化精准防控技术构架

瓦斯灾害多元化精准防控技术主要在进行地质、构造、瓦斯精准探测的基础上，基于当前信息化、物联网、大数据分析等技术，以煤炭精准开采科学构想为指导，以矿井瓦斯突出灾害致因及发生规律为基础，以多源信息采集传感装备、计算机及多网融合传输装备为支撑，以瓦斯灾害多元化精准防控模型及软件为工具，从矿井瓦斯地质精准控制角度进行瓦斯地质精准分析与区划、从瓦斯抽采达标精准可靠角度进行瓦斯抽采达标智能评价与抽采钻孔优化设计、从瓦斯涌出智能预警角度进行突出异常连续监测与预警、从日常防突管理规范角度进行“四位一体”综合防突措施信息的正规化管理与集成分析，实现矿井“瓦斯地质→瓦斯抽采→瓦斯监测→日常防突”等各环节数据动态获取、综合分析，进行瓦斯灾害多元化的精准防控。瓦斯灾害多元化精准防控总体技术架构如图1所示。

图1 瓦斯灾害多元化精准防控技术架构

2 瓦斯灾害多元化精准防控系统

根据以物联网、大数据等作支撑的煤炭精准开采的科学内涵和关键科学问题，瓦斯灾害多元化精准防控系统主要从瓦斯灾害的多源信息自动采集及三网融合传输装备、精准防控多元耦合模型、多元化精准防控技术软件三方面进行研究及建设。

2.1 多源信息自动采集及三网融合传输装备

当前瓦斯灾害多源信息采集存在不可靠、不全面、不灵敏、不能融合非同构数据等问题[4]。针对这些问题，从通风、瓦斯、突出参数等方面，研究应用具有上传、自检功能的便携式甲烷检测报警仪、新型瓦斯突出参数仪、高精度风速测定仪、高精度气压测定仪和瓦斯涌出预警仪，高灵敏激光甲烷传感器和风速风向传感器，并组建融合井下无线WiFi、井下工业环网、地面局域网、地面互联网等信息传输网络，实现信息传输的“井下网→局域网→互联网”三网融合互通。

2.2 瓦斯灾害精准防控多元耦合模型

根据“瓦斯地质精准控制、瓦斯抽采达标可靠、瓦斯涌出智能预警、日常防突管理规范”的多元化、精准防控思路，从空间、时间的联合及连续性上，分别从瓦斯地质、瓦斯抽采达标、瓦斯涌出、日常防突几方面构建瓦斯灾害精准防控多元耦合模型。

2.2.1 瓦斯地质控制模型

煤与瓦斯突出是瓦斯、煤体结构和地应力等因素综合作用的结果，地质构造通过控制瓦斯赋存、煤层赋存和构造应力来控制突出危险性的分布，80%以上的突出事故发生在断层等地质构造附近[7-9]。因此，瓦斯地质分析控制将地质构造作为监控重点的同时，并行分析瓦斯赋存、煤层赋存变化，按表1所示因素进行瓦斯地质异常控制。

表1 瓦斯地质控制因素

瓦斯地质控制按照多级瓦斯地质方法，首先进行数字化融合，对矿井瓦斯参数、煤层参数、地质勘探、地质构造、工作面及巷道等多元信息进行归类，拟合、分析瓦斯赋存主控因素，建立瓦斯参数与各因素的多元回归分析模型，自动绘制瓦斯参数等值线，生成融合瓦斯、构造、煤层、地质等因素的标准化矿井瓦斯地质图，如图2所示。

图2 标准化矿井瓦斯地质图

然后，基于瓦斯地质空间识别、处理技术[7，9]，按表1中的因素在瓦斯地质图中精准化计算、识别工作面采掘区域的构造、瓦斯及煤层赋存，生成精准化工作面瓦斯地质图，准确控制、划分异常区域。

2.2.2 瓦斯抽采达标分析模型

“抽采达标”是有效预防瓦斯事故的关键，如果瓦斯抽采钻孔不满足要求、抽采过程中抽采效果及管理不到位，就难以实现抽采达标[10-11]。因此，从以下两方面评判抽采达标情况。

1)抽采钻孔达标分析。根据措施钻孔缺陷分析方法，当自动计算的钻孔控制距离和钻孔终孔空白带达到如下要求，就认为抽采钻孔设计或施工参数达标：

R≥R0

(1)

K≤K0

(2)

式中：R、R0分别为钻孔实际控制距离和要求控制距离，m；K、K0分别为实际空白带比例和允许最大空白带比例，%。

K按下式计算：

(3)

式中S0、S1i和S2i分别为预抽区域煤层总面积、钻孔有效控制面积和两相邻钻孔重叠面积，m2。

2)抽采效果达标分析。抽采效果达标分析主要融合分析人工测定或监控抽采数据、瓦斯赋存规律、瓦斯抽采规律、钻孔实际控制范围、钻孔实际工程量、钻孔接入管网时间、工作面风量等信息，计算、评价工作面剩余瓦斯含量和瓦斯预抽率是否达到规定要求。抽采效果达标分析流程如图3所示。

图3 抽采效果达标分析流程

主要计算依据为：

(4)

(5)

式中：WC、W分别为预抽区域的煤体残存瓦斯含量和原始瓦斯含量，m3/t；Q为预抽区域瓦斯预抽总量(依据抽采计量或监控数据计算得出)，m3；G为预抽区域煤炭储量，t；ηm为区域瓦斯预抽率，%；Qmc、Qmf分别为区域当月平均瓦斯抽出量和风排瓦斯量，m3/min。

2.2.3 瓦斯涌出动态分析模型

众多突出危险分析及研究表明，在不同突出危险程度区域，瓦斯涌出会存在一定差异或异常[12-13]。瓦斯涌出动态分析，根据煤与瓦斯突出综合作用假说、发生机理，以现有瓦斯监控数据为基础，挖掘、分析工作面瓦斯量、瓦斯解吸特性、瓦斯波动特性、瓦斯趋势特性4个方面的差异和特征，按如图4 所示的关联突出危险因素，进行突出危险分析。具体需根据矿井不同工作面的实际突出危险性，从 4个方面的10多种指标中，综合考虑结果准确率、误报率、漏报率等，利用计算机选取方法，优选出矿井适用瓦斯涌出指标，并确定指标临界值。

图4 瓦斯涌出与突出危险关联结构

2.2.4 日常防突规范管理模型

根据局部综合防突措施要求，从以下两方面进行日常防突规范管理分析。

1)局部措施钻孔规范性分析。首先，按区域措施钻孔达标性分析方法，分析局部措施钻孔的控制效果达标情况；然后，按比较法分析钻孔排放时长是否达到要求；最后，按式(6)计算工作面每班次的剩余安全距离，并预测下班次的剩余安全距离，当计算或预测剩余安全距离不足时，给出提醒消息。

(6)

式中：l、L分别为工作面剩余安全距离和措施钻孔的前方控制距离，m；n为钻孔措施循环内班次；xi为每班次进度，m。

2)预测指标安全性分析。根据日常预测指标与工作面突出危险性的关系，从其与危险临界值关系、钻孔动力现象等方面控制指标安全性。具体为当指标最大值超过危险临界值或预测钻孔存在动力现象时，则判定该地点有突出危险，给予危险提醒；当指标连续几次接近危险临界值时，则判定该地点有突出异常，给予异常提醒。同时，根据相关要求，监测一定范围内的日常预测执行密度是否符合要求，如果不符合要求，则给予危险提醒。

2.3 瓦斯灾害多元化精准防控技术软件

整套软件基于成熟的“客户端/服务器、浏览器/服务器”相结合的软件架构模式设计，将计算任务、管理任务、查询分析任务合理分配至客户端、浏览器或服务器，实现瓦斯灾害多源信息的分布式管理、集中式存储和自由式查询，提升系统运行效率和用户工作效率[14-15]。

基于“少交叉维护、多聚类分享”原则，根据防突相关工作内容和要求，设计分布式软件组成结构(见图5)，并开发对应软件系统。其中，将4套子系统开发成客户端软件模式，进行标准化“矿井→工作面”两级瓦斯地质图自动绘制、瓦斯地质异常逐级控制、瓦斯抽采钻孔辅助设计、瓦斯抽采达标智能评价、瓦斯监控数据自动提取和分析、瓦斯涌出异常自动监测、规范化防突预测报告单自动生成、日常防突“一张图”辅助生成与分析等，实现瓦斯灾害多元分析、规范管理和辅助决策。将安全信息集成管理与分析系统开发成网站模式，自动融合、归类展示上述 4套子系统的基础信息和多元分析结果，便于矿井领导层和相关人员能方便地掌握矿井安全动态。

图5 分布式软件组成结构

3 现场应用

重庆能投渝新能源有限公司石壕煤矿位于地质构造复杂的松藻矿区，具有瓦斯含量高、瓦斯压力大、煤层透气性差、多煤层开采等特征，为典型的煤与瓦斯突出矿井。根据矿井实际情况，建立了瓦斯灾害多元化精准防控系统。

系统建成后，从瓦斯地质精准控制、抽采达标精准分析、日常防突规范管理等方面实现了工作面瓦斯灾害防治的精准管控，多次准确分析了突出异常情况，有效提升了矿井瓦斯灾害防治技术和分析水平。如N1643回风联络巷在2018年3—4月(从2018年3月12日开始)的掘进过程中遇地质构造带，揭露0.8 m正断层，此过程中煤层厚度也常有变薄增厚现象，瓦斯涌出动态分析系统从2018年3月12日开始不断给出了橙色、红色的预警信息，如图6 所示。

图6 瓦斯涌出预警实例图

石壕煤矿在提前进行瓦斯预抽的基础上，根据现场实际构造情况，结合瓦斯涌出分析结果，采取了浅掘浅进、增加排放钻孔的安全措施，保证了巷道的安全施工，防止了危险情况的发生。

4 结论

1)基于煤炭精准开采科学内涵，确定了瓦斯灾害多元化精准防控的技术结构，研究并建设了包含仪器、网络、模型、软件等内容的瓦斯灾害多元化精准防控系统，为瓦斯灾害治理提供了科学手段。

2)瓦斯灾害多元化精准防控系统的现场应用结果表明，该系统实现了瓦斯地质精准控制、抽采措施钻孔辅助设计、抽采达标监测及智能评价、瓦斯涌出异常自动监测预警、标准化防突预测报告单自动生成、日常预测指标集成分析、防突措施达标性分析等，提升了矿井瓦斯灾害防控技术水平。