復(fù)雜礦區(qū)煤與瓦斯突出災(zāi)害多參量預(yù)警系統(tǒng)建設(shè)與應(yīng)用

談國文

(1.瓦斯災(zāi)害監(jiān)控與應(yīng)急技術(shù)國家重點(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)

我國礦井煤與瓦斯突出災(zāi)害極其嚴(yán)重，西南地區(qū)是我國瓦斯災(zāi)害重災(zāi)區(qū)，貴州省更是我國瓦斯最嚴(yán)重省區(qū)之一[1-3]。其中，貴州水城礦區(qū)具有高瓦斯含量/壓力、復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造和煤層群開采的特點(diǎn)，是中國煤礦瓦斯突出災(zāi)害難治理的典型代表。利用計(jì)算機(jī)和信息技術(shù)研究瓦斯災(zāi)害預(yù)警技術(shù)是防治瓦斯災(zāi)害的有效方法和發(fā)展趨勢(shì)，近些年，我國一些學(xué)者和單位在瓦斯災(zāi)害預(yù)警技術(shù)方面取得了豐碩的研究成果[4-8]。然而，這些成果主要是在簡(jiǎn)單條件下進(jìn)行研究，偏向于單因素預(yù)警和綜合預(yù)警，不能應(yīng)用于類似于水城礦區(qū)等復(fù)雜礦井的瓦斯災(zāi)害防治。因此，有必要研究適用于水城礦區(qū)的瓦斯突出災(zāi)害多參量預(yù)警系統(tǒng)。

1 水城礦區(qū)概況

貴州水城礦區(qū)地處貴州省六盤水市，礦區(qū)內(nèi)含可采煤層9～10層，85%以上礦井為煤與瓦斯突出礦井。測(cè)得的最大瓦斯含量和壓力分別為19.63m3/t和3.24MPa，先后經(jīng)歷過印支、燕山、喜山等多次構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，使得礦區(qū)內(nèi)瓦斯、煤層和地質(zhì)構(gòu)造賦存極其復(fù)雜，煤層群開采的采掘空間關(guān)系繁雜，礦井瓦斯突出災(zāi)害非常復(fù)雜。近些年，礦區(qū)通過努力，從技術(shù)、裝備、管理、人才等方面形成了一套適用于礦區(qū)特征的瓦斯突出治理技術(shù)體系，使礦井安全生產(chǎn)條件明顯改善。但由于礦區(qū)內(nèi)均為19世紀(jì)60、70年代老礦，且隨著開采深度、強(qiáng)度的延伸和加大，面臨的突出災(zāi)害也越來越嚴(yán)重、復(fù)雜，導(dǎo)致礦區(qū)瓦斯事故偶有發(fā)生。

2 瓦斯突出災(zāi)害多參量預(yù)警技術(shù)

瓦斯突出災(zāi)害多參量預(yù)警技術(shù)(簡(jiǎn)稱“突出預(yù)警”)是以事故理論及煤與瓦斯突出防治理論為指導(dǎo)的。是盡可能全面的獲取煤礦各職能部門監(jiān)測(cè)和掌握的安全信息，在多參量系統(tǒng)分析、計(jì)算的基礎(chǔ)上，進(jìn)行突出危險(xiǎn)有效辨識(shí)和監(jiān)測(cè)，從而整體、動(dòng)態(tài)評(píng)估相關(guān)工作面的突出危險(xiǎn)狀態(tài)和發(fā)展趨勢(shì)，并根據(jù)評(píng)估結(jié)果發(fā)出預(yù)警信號(hào)和響應(yīng)對(duì)策的技術(shù)[8，9]，通過突出危險(xiǎn)狀態(tài)和發(fā)展趨勢(shì)的預(yù)警分析，可以充分了解工作面當(dāng)前和未來的突出危險(xiǎn)，起到實(shí)時(shí)警示提醒的作用，從而為瓦斯突出災(zāi)害防治的科學(xué)決策提供依據(jù)。

3 復(fù)雜礦井突出預(yù)警指標(biāo)體系和方法

3.1 多參量預(yù)警指標(biāo)體系

根據(jù)對(duì)水城礦區(qū)的代表礦井考察，大灣煤礦在斷層影響或煤層松軟區(qū)域發(fā)生的突出事故次數(shù)占總突出事故次數(shù)的比例高達(dá)88.2%，汪家寨煤礦斷層區(qū)域突出危險(xiǎn)變化特征如圖1所示，可以看出，汪家寨煤礦斷層附近的工作面突出危險(xiǎn)預(yù)測(cè)指標(biāo)明顯偏高，表明斷層和軟煤等是影響礦區(qū)瓦斯突出災(zāi)害的主要因素之一，軟煤與構(gòu)造之間也存在明顯關(guān)聯(lián)關(guān)系。另外，巷道對(duì)掘、煤柱等應(yīng)力集中區(qū)也是水城礦區(qū)突出主要影響因素之一，大灣煤礦就有53%的突出發(fā)生于應(yīng)力集中區(qū)。所以，對(duì)于地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜、煤層群開采的復(fù)雜礦井突出預(yù)警，必須考慮地質(zhì)構(gòu)造、采掘應(yīng)力集中等客觀危險(xiǎn)因素。另外，中國瓦斯突出事故的發(fā)生，還與預(yù)防措施落實(shí)不到位、管理不嚴(yán)格、技術(shù)基礎(chǔ)薄弱、信息獲取手段落后等管理因素有重要關(guān)系[2]。因此，必須考慮相關(guān)的防突監(jiān)督和管理因素。

圖1 汪家寨煤礦斷層區(qū)域突出危險(xiǎn)變化特征

鑒于以上分析，結(jié)合兩個(gè)“四位一體”綜合防突措施和安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，從系統(tǒng)的角度出發(fā)，遵循多因素、多參量、全面預(yù)警的原則，從防突措施缺陷和客觀危險(xiǎn)性兩方面建立了包含20多項(xiàng)指標(biāo)的水城礦區(qū)多參量預(yù)警指標(biāo)體系，如圖2所示。從空間和時(shí)間的聯(lián)合、連續(xù)性上，對(duì)工作面進(jìn)入突出危險(xiǎn)區(qū)或抽采效果不佳區(qū)、地質(zhì)構(gòu)造影響區(qū)、進(jìn)入采掘應(yīng)力集中區(qū)和存在日常預(yù)測(cè)指標(biāo)超標(biāo)及變化趨勢(shì)異常、防突措施不到位、工作面超允許進(jìn)尺施工、瓦斯涌出特征異常等情況，將給出狀態(tài)和趨勢(shì)預(yù)警結(jié)果。

圖2 多參量預(yù)警指標(biāo)體系

3.2 預(yù)警模型及實(shí)現(xiàn)流程

預(yù)警的實(shí)施包括安全信息獲取、預(yù)警分析及結(jié)果確定、預(yù)警信息發(fā)布等內(nèi)容。水城礦區(qū)的礦井安全信息分布在防突、地測(cè)、生產(chǎn)、技術(shù)、抽放、監(jiān)測(cè)監(jiān)控等諸多部門，因此首先建立安全信息數(shù)據(jù)庫進(jìn)行數(shù)據(jù)集中存儲(chǔ)和管理，并通過基礎(chǔ)信息初始化、監(jiān)測(cè)自動(dòng)采集、相關(guān)部門輸入等方式獲取、存儲(chǔ)信息。預(yù)警結(jié)果等級(jí)是工作面突出危險(xiǎn)程度的表現(xiàn)形式，將狀態(tài)預(yù)警分為“災(zāi)難、重險(xiǎn)、中險(xiǎn)、無險(xiǎn)”四個(gè)文字等級(jí)，將趨勢(shì)預(yù)警分為“紅、橙、綠”三個(gè)顏色等級(jí)；預(yù)警規(guī)則是突出危險(xiǎn)評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，依據(jù)礦井突出事故發(fā)生特征和突出危險(xiǎn)變化規(guī)律，確定各預(yù)警指標(biāo)與預(yù)警結(jié)果等級(jí)的關(guān)聯(lián)關(guān)系，從區(qū)域效檢、采掘影響、瓦斯地質(zhì)、瓦斯涌出、日常預(yù)測(cè)、防突措施管理等方面制定符合礦井實(shí)際特征的多參量預(yù)警規(guī)則。預(yù)警信息通過手機(jī)短信、礦井辦公網(wǎng)、語音警報(bào)等方式聯(lián)合發(fā)布。在此基礎(chǔ)上，以預(yù)警計(jì)算機(jī)系統(tǒng)為載體、以綜合監(jiān)控系統(tǒng)和局域網(wǎng)絡(luò)為環(huán)境，按圖3所示的流程進(jìn)行多參量準(zhǔn)確、及時(shí)預(yù)警。

圖3 預(yù)警實(shí)現(xiàn)技術(shù)流程

對(duì)于預(yù)警指標(biāo)的具體計(jì)算與分析，主要將指標(biāo)分為直接比較類、計(jì)算比較類兩種類型，并根據(jù)《煤礦安全規(guī)程》、《防治煤與瓦斯突出規(guī)定》以及礦井具體防突技術(shù)及管理要求等，確定指標(biāo)的合理預(yù)警閾值，進(jìn)行指標(biāo)值與預(yù)警閾值的比較分析后，形成指標(biāo)預(yù)警結(jié)果。

直接比較類包括區(qū)域效果檢驗(yàn)指標(biāo)，日常預(yù)測(cè)指標(biāo)，瓦斯地質(zhì)異常中的煤厚、軟分層厚指標(biāo)，瓦斯涌出異常的瓦斯?jié)舛戎笜?biāo)等，通過人工輸入、儀器上傳等方式直接獲取指標(biāo)；計(jì)算分析類指標(biāo)包括工作面前方的瓦斯地質(zhì)異常和采掘應(yīng)力集中等特征區(qū)、防突措施缺陷情況和瓦斯涌出的變化特征指標(biāo)等，利用GIS地理信息系統(tǒng)，依據(jù)相關(guān)參數(shù)，計(jì)算工作面空間位置、與前方特征區(qū)距離得出指標(biāo)值，當(dāng)達(dá)到預(yù)警位置或閾值，給出對(duì)應(yīng)預(yù)警結(jié)果。

4 多參量預(yù)警平臺(tái)的建設(shè)

4.1 組件式預(yù)警軟件系統(tǒng)

預(yù)警軟件系統(tǒng)是以GIS和Super map為開發(fā)平臺(tái)，結(jié)合C/S和B/S兩種開發(fā)模式的計(jì)算機(jī)程序?；趯?shí)用、方便、可維護(hù)等原則，綜合考慮礦井相關(guān)業(yè)務(wù)部門劃分方案和預(yù)警信息獲取需要，將其劃分為五個(gè)主要的專業(yè)子系統(tǒng)以及預(yù)警和信息發(fā)布平臺(tái)，組件式預(yù)警系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)如圖4所示。各子系統(tǒng)以預(yù)警為核心，以業(yè)務(wù)部門日常工作為出發(fā)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)礦井瓦斯地質(zhì)、防突、地測(cè)、監(jiān)控等日常工作的專業(yè)管理和分析以及防突過程管控，同時(shí)，通過礦井局域網(wǎng)聯(lián)動(dòng)運(yùn)行，為預(yù)警系統(tǒng)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)預(yù)警分析和數(shù)據(jù)集中管理、共享[4，10-12]。每個(gè)子系統(tǒng)都安裝在相關(guān)業(yè)務(wù)部門，實(shí)現(xiàn)瓦斯參數(shù)等值線及瓦斯地質(zhì)圖、規(guī)范化管理與集成分析日常預(yù)測(cè)信息、自動(dòng)設(shè)計(jì)瓦斯預(yù)抽鉆孔與輔助分析鉆孔控制缺陷、數(shù)字化管理地質(zhì)及采掘進(jìn)度信息、連續(xù)監(jiān)測(cè)瓦斯涌出異常等的自動(dòng)繪制與更新。在此基礎(chǔ)上，預(yù)警及信息發(fā)布平臺(tái)從狀態(tài)和趨勢(shì)兩方面準(zhǔn)確評(píng)價(jià)工作面突出危險(xiǎn)性，給出合理預(yù)警結(jié)果，并及時(shí)、多渠道發(fā)布結(jié)果信息，實(shí)現(xiàn)工作面突出危險(xiǎn)性的在線監(jiān)測(cè)、準(zhǔn)確預(yù)警和防突過程控制。

圖4 組件式預(yù)警系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)

4.2 標(biāo)準(zhǔn)化運(yùn)行保障機(jī)制

根據(jù)煤礦生產(chǎn)管理現(xiàn)狀及預(yù)警系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行要求，充分發(fā)揮預(yù)警系統(tǒng)作用，成立了由煤礦技術(shù)負(fù)責(zé)人、職能部門負(fù)責(zé)人和維護(hù)/操作人員組成的預(yù)警系統(tǒng)運(yùn)行組織機(jī)構(gòu)。并制定了《預(yù)警系統(tǒng)崗位責(zé)任制度》《預(yù)警系統(tǒng)運(yùn)行規(guī)范》《預(yù)警結(jié)果響應(yīng)措施》等制度、規(guī)范。其中，預(yù)警響應(yīng)措施根據(jù)預(yù)警結(jié)果的緊急程度分為一般響應(yīng)和緊急響應(yīng)措施，一般響應(yīng)措施針對(duì)異常情況，由技術(shù)負(fù)責(zé)人確定技術(shù)措施，再將消突效果反饋到預(yù)警發(fā)系統(tǒng)，消除危險(xiǎn)預(yù)警；緊急響應(yīng)措施是在災(zāi)難狀態(tài)下，直接向礦井監(jiān)控、井下廣播系統(tǒng)等發(fā)布控制措施及建議，經(jīng)調(diào)度人員確認(rèn)后可執(zhí)行斷電、撤人等應(yīng)急措施。

4.3 多元信息自動(dòng)采集傳感裝備

自動(dòng)采集和傳輸各類基本信息能提高預(yù)警結(jié)果的及時(shí)性?；谖锫?lián)網(wǎng)思維，利用當(dāng)前自動(dòng)化采集、傳輸技術(shù)及裝備，進(jìn)行了自動(dòng)上傳版WTC瓦斯突出參數(shù)儀、激光測(cè)距傳感器和鉆孔軌跡測(cè)定儀的改進(jìn)、應(yīng)用，并組建多網(wǎng)融合(井下無線網(wǎng)、工業(yè)環(huán)網(wǎng)和局域網(wǎng))傳輸網(wǎng)絡(luò)，自動(dòng)監(jiān)測(cè)、檢測(cè)和上傳瓦斯突出參數(shù)、工作面進(jìn)尺、措施鉆孔施工參數(shù)等，提升基礎(chǔ)信息感知、共享能力[13-15]。

5 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用及效果

預(yù)警系統(tǒng)在水城礦區(qū)的汪家寨和大灣煤礦進(jìn)行了示范應(yīng)用。根據(jù)兩對(duì)煤礦實(shí)際情況，定制了配套預(yù)警系統(tǒng)，在兩對(duì)煤礦的相關(guān)業(yè)務(wù)部門和領(lǐng)導(dǎo)辦公室安裝，并通過專用網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建起突出災(zāi)害多參量預(yù)警平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了防突、地測(cè)、瓦斯地質(zhì)等日常業(yè)務(wù)的專業(yè)管理和分析，以及對(duì)突出異常和潛在征兆的全面監(jiān)測(cè)、準(zhǔn)確捕捉。系統(tǒng)安裝運(yùn)行以來，已在兩對(duì)煤礦的多個(gè)防突工作面成功應(yīng)用，近200次捕捉了工作面日常預(yù)測(cè)指標(biāo)超標(biāo)、打鉆噴孔、揭露斷層等異常、危險(xiǎn)情況，提前發(fā)出了預(yù)警信息，避免了危險(xiǎn)情況的進(jìn)一步發(fā)生及發(fā)展。一工作面預(yù)警結(jié)果對(duì)比曲線如圖5所示，標(biāo)注段內(nèi)是日常預(yù)測(cè)超標(biāo)時(shí)的預(yù)警結(jié)果表現(xiàn)，可以看出預(yù)警結(jié)果與工作面的現(xiàn)實(shí)突出危險(xiǎn)性完全一致，系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確反映工作面突出危險(xiǎn)性、及時(shí)捕捉異常情況。

圖5 工作面預(yù)警結(jié)果對(duì)比曲線

6 結(jié) 語

通過對(duì)水城礦區(qū)的瓦斯突出災(zāi)害多參量預(yù)警系統(tǒng)的研究、建設(shè)，形成了一套復(fù)雜礦區(qū)適用的突出災(zāi)害多參量預(yù)警方法。從空間和時(shí)間的聯(lián)合、連續(xù)性上，實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜礦區(qū)煤與瓦斯突出危險(xiǎn)的全面監(jiān)測(cè)和及時(shí)、準(zhǔn)確預(yù)警，增強(qiáng)了復(fù)雜礦區(qū)的瓦斯突出災(zāi)害防治的過程管控能力，提高了礦井防突技術(shù)及管理水平。水城礦區(qū)地處我國西南地區(qū)，是我國瓦斯災(zāi)害的重點(diǎn)地區(qū)，預(yù)警技術(shù)及系統(tǒng)在該礦區(qū)的成功研究和應(yīng)用，能夠提升瓦斯災(zāi)害預(yù)警技術(shù)水平、拓展應(yīng)用層面和高度，示范意義明顯。