煤與瓦斯突出協(xié)同預(yù)測(cè)技術(shù)研究及應(yīng)用

徐雪戰(zhàn)

(1.中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司，重慶 400037；2.瓦斯災(zāi)害監(jiān)控與應(yīng)急技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400037)

0 引言

煤與瓦斯突出極易造成機(jī)械設(shè)備損壞及人員傷亡，是威脅礦井安全高效生產(chǎn)的主要災(zāi)害[1-3]。隨著綜合自動(dòng)化采掘設(shè)備的應(yīng)用，礦井生產(chǎn)效率快速提高，礦井生產(chǎn)水平連續(xù)以20 m/a以上的速度向礦井深部延伸，使得煤與瓦斯突出等礦井瓦斯動(dòng)力災(zāi)害的衍生機(jī)理愈加復(fù)雜[4]，預(yù)測(cè)防治難度明顯加大。通過(guò)傳統(tǒng)的抽檢式防突預(yù)測(cè)工藝[5]，已難以滿足礦井安全生產(chǎn)和煤與瓦斯突出防治工作要求。

在煤與瓦斯突出預(yù)測(cè)領(lǐng)域，專(zhuān)家學(xué)者已經(jīng)開(kāi)展了大量研究，主要通過(guò)模糊理論、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、數(shù)理統(tǒng)計(jì)及灰色理論等技術(shù)對(duì)煤體溫度、瓦斯壓力、瓦斯含量、放散初速度、鉆孔涌出初速度、鉆屑解析指標(biāo)等一個(gè)或多個(gè)指標(biāo)進(jìn)行分析，得到待預(yù)測(cè)區(qū)域的煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性，取得了一定的研究成果[6]。例如，李勝等[7]在考慮采掘擾動(dòng)對(duì)煤與瓦斯突出影響的基礎(chǔ)上，結(jié)合地質(zhì)構(gòu)造、瓦斯含量等指標(biāo)，應(yīng)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法對(duì)煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性進(jìn)行了超前預(yù)測(cè)。郝天軒等[8]利用Hadoop平臺(tái)提高了瓦斯突出監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和完整性。梁冰等[9]針對(duì)部分礦井“低指標(biāo)”致突情況，將定性指標(biāo)和定量數(shù)據(jù)相結(jié)合，提出了一種煤與瓦斯突出危險(xiǎn)預(yù)測(cè)方法。潘一山[10]針對(duì)礦井深部開(kāi)采受復(fù)合動(dòng)力因素影響的問(wèn)題，提出了一種復(fù)合動(dòng)力災(zāi)害分級(jí)分類(lèi)預(yù)測(cè)技術(shù)?，F(xiàn)有研究存在以下不足：① 難以實(shí)現(xiàn)時(shí)間和空間領(lǐng)域的全方位連續(xù)預(yù)測(cè)，預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)模型單一且時(shí)效性較差。② 缺少具有存儲(chǔ)及無(wú)線傳輸功能的防突預(yù)測(cè)儀器儀表，預(yù)測(cè)結(jié)果信息發(fā)布滯后。③ 缺少行之有效的防突信息發(fā)布手段，防突預(yù)測(cè)結(jié)果利用率低。

按照煤與瓦斯突出形成的時(shí)空維度，可以將煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)劃分為以空間維度為主的區(qū)域突出危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)和以時(shí)間維度為主的局部突出危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)[11]，2種預(yù)測(cè)方法既相輔相成又各有側(cè)重點(diǎn)。針對(duì)礦井煤與瓦斯突出危險(xiǎn)災(zāi)害的結(jié)構(gòu)特征，本文通過(guò)總結(jié)現(xiàn)階段突出預(yù)測(cè)工藝結(jié)構(gòu)特征，從預(yù)測(cè)工藝體系、防突管理、現(xiàn)場(chǎng)措施執(zhí)行等環(huán)節(jié)入手，綜合分析區(qū)域、局部突出危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)技術(shù)，提出了一套適用于現(xiàn)代化高產(chǎn)高效礦井的多因素、全方位、時(shí)空連續(xù)型的煤與瓦斯突出協(xié)同預(yù)測(cè)技術(shù)體系，以滿足礦井快速、準(zhǔn)確、連續(xù)的突出危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)需求。

1 煤與瓦斯突出協(xié)同預(yù)測(cè)技術(shù)體系

1.1 區(qū)域突出危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)技術(shù)

區(qū)域突出危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)主要是指在礦區(qū)、井田、采區(qū)等較大空間范圍內(nèi)，應(yīng)用電磁輻射、地質(zhì)雷達(dá)、三維地震、鉆探取樣等防突預(yù)測(cè)工藝，分析煤層結(jié)構(gòu)賦存、煤體破壞類(lèi)型、地質(zhì)構(gòu)造分布、煤體煤質(zhì)、瓦斯含量(壓力)、瓦斯放散初速度等因素對(duì)煤與瓦斯突出的影響，并結(jié)合相應(yīng)統(tǒng)計(jì)分析模型進(jìn)行煤與瓦斯突出預(yù)測(cè)。

1.1.1 地質(zhì)構(gòu)造對(duì)煤與瓦斯突出的影響

地質(zhì)構(gòu)造帶為煤與瓦斯突出災(zāi)害多發(fā)區(qū)。以山西陽(yáng)煤集團(tuán)下屬礦井為例進(jìn)行分析，集團(tuán)下屬17座礦井均為高瓦斯或煤與瓦斯突出礦井，瓦斯災(zāi)害極為嚴(yán)重。自1966年陽(yáng)煤集團(tuán)三礦發(fā)生有記錄的第1次煤與瓦斯突出事故至2018年1月，集團(tuán)共發(fā)生煤與瓦斯突出事故1 554次，瓦斯噴出事故2 415次[12]，其中60%以上瓦斯事故均發(fā)生在斷層、褶曲等地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜帶。分析可知，地質(zhì)構(gòu)造區(qū)域煤體受地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)影響，煤體結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞，裂隙發(fā)育，普氏系數(shù)減小，局部地區(qū)出現(xiàn)瓦斯積聚現(xiàn)象，形成高壓瓦斯聚集區(qū)，存在應(yīng)力集中現(xiàn)象；受生產(chǎn)采掘擾動(dòng)影響，在煤壁暴露面，容易出現(xiàn)向采掘空間瞬時(shí)拋出大量煤與瓦斯的情況，造成煤與瓦斯突出。

以陽(yáng)煤集團(tuán)五礦15號(hào)煤層為例，通過(guò)在地質(zhì)構(gòu)造區(qū)域內(nèi)施鉆測(cè)定煤體破壞類(lèi)型、普氏系數(shù)、瓦斯含量等參數(shù)指標(biāo)，確定地質(zhì)構(gòu)造影響范圍，如圖1所示。由圖1可知，地質(zhì)構(gòu)造周邊為煤與瓦斯突出高危區(qū)域。考慮安全富余因素，確定褶曲兩端構(gòu)造影響范圍為0～30 m；斷層落差大于10 m的斷層，構(gòu)造影響范圍為0～30 m；斷層落差小于10 m的斷層，構(gòu)造影響范圍為0～20 m；煤層沖刷帶構(gòu)造區(qū)影響范圍為0～20 m。

圖1 15號(hào)煤層構(gòu)造影響范圍

1.1.2 煤層埋深對(duì)瓦斯賦存情況的影響

隨著礦井生產(chǎn)水平連續(xù)以20 m/a以上的速度向深部延伸，煤層透氣性系數(shù)急劇降低且地應(yīng)力明顯增大，受地?zé)峒巴咚股⒁輻l件等多重因素共同影響，煤層瓦斯含量(壓力)呈明顯增高趨勢(shì)，煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性急劇上升。

以山西古交礦區(qū)屯蘭井田太原組8號(hào)主采煤層為研究對(duì)象，分別選取7組煤樣研究瓦斯賦存與煤層埋深之間的關(guān)系，結(jié)果如圖2所示，其中r為相關(guān)性系數(shù)。分析可知，當(dāng)煤層瓦斯壓力為0.74 MPa時(shí)，對(duì)應(yīng)煤層埋深為291.7～315.4 m。因此，當(dāng)工作面生產(chǎn)埋深為290 m以上時(shí)，應(yīng)加大煤與瓦斯突出(瓦斯噴出)災(zāi)害的預(yù)防力度，防止事故發(fā)生。

(a)瓦斯含量與埋深之間的關(guān)系

(b)瓦斯壓力與埋深之間的關(guān)系

1.1.3 煤質(zhì)情況對(duì)煤與瓦斯突出的影響

瓦斯作為泥炭、腐泥在高溫高壓作用下成煤過(guò)程的伴生產(chǎn)物，隨著煤化變質(zhì)過(guò)程不斷生成。同時(shí)，瓦斯也是煤與瓦斯突出事故的主要致災(zāi)因素。通過(guò)統(tǒng)計(jì)分析得出煤與瓦斯突出與煤體變質(zhì)程度具有較強(qiáng)的關(guān)系，突出頻率[13]與煤體變質(zhì)程度滿足以下經(jīng)驗(yàn)公式：

(1)

式中：V為突出頻率，表示煤體變質(zhì)程度在一定數(shù)值范圍內(nèi)時(shí)發(fā)生煤與瓦斯突出事故的起數(shù)；Vdaf為煤體變質(zhì)程度；r=0.93。

文獻(xiàn)[13]給出了礦井煤與瓦斯突出密度R和單次突出事故強(qiáng)度Φ與煤體變質(zhì)程度Vdaf之間的關(guān)系曲線，如圖3所示。煤與瓦斯突出密度R是指在106m2面積內(nèi)發(fā)生煤與瓦斯突出事故的次數(shù)，單次突出事故強(qiáng)度Φ是指單次煤與瓦斯突出事故突出的煤體煤量。當(dāng)煤體為中等變質(zhì)程度煙煤(Vdaf=10%～20%)時(shí)，煤與瓦斯突出事故強(qiáng)度及密度較大[13-14]；當(dāng)煤體為高變質(zhì)程度無(wú)煙煤(Vdaf>40%)時(shí)，突出危險(xiǎn)性較低。

圖3 突出密度R及單次突出事故強(qiáng)度Φ與煤體變質(zhì)程度Vdaf之間的關(guān)系

1.1.4 煤厚及軟煤分布對(duì)煤與瓦斯突出的影響

統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，在煤層厚度急劇變化區(qū)域，瓦斯含量及瓦斯壓力梯度明顯增高，進(jìn)而影響煤體瓦斯賦存情況。以山西西山煤電(集團(tuán))馬蘭礦為例，在煤層厚度由3.45 m急劇增大到6.13 m的區(qū)域，瓦斯含量由6.25 m3/t上升到11.47 m3/t，瓦斯含量增大了83.52%，說(shuō)明煤層厚度影響瓦斯賦存，從而影響煤與瓦斯突出。

在煤層軟分層區(qū)域，煤體強(qiáng)度降低，透氣性系數(shù)下降，且單位煤體內(nèi)瓦斯吸附量及瓦斯放散初速度明顯增大，易造成煤與瓦斯突出。馬蘭礦18207低抽巷統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，在工作面前方厚度為0.53 m的軟分層內(nèi)，煤體破壞類(lèi)型由Ⅲ類(lèi)上升到Ⅴ類(lèi)，煤體普氏系數(shù)由0.8下降到0.3，瓦斯放散初速度指標(biāo)ΔP最高為14.7 mmHg，瓦斯含量由5.25 m3/t上升到12.41 m3/t，且在打鉆取樣預(yù)測(cè)過(guò)程中出現(xiàn)卡鉆、噴孔等瓦斯動(dòng)力現(xiàn)象。

1.2 局部突出危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)技術(shù)

局部防突預(yù)測(cè)是指在生產(chǎn)作業(yè)過(guò)程中，對(duì)石門(mén)揭煤、掘進(jìn)工作面和回采工作面等生產(chǎn)區(qū)域進(jìn)行煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性連續(xù)預(yù)測(cè)。本文通過(guò)實(shí)時(shí)采集工作面瓦斯監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，分析工作面瓦斯涌出特征，結(jié)合鉆屑解析指標(biāo)和鉆孔瓦斯涌出初速度等，連續(xù)預(yù)測(cè)工作面前方煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性，實(shí)現(xiàn)工作面煤與瓦斯突出超前、準(zhǔn)確、連續(xù)預(yù)測(cè)。

1.2.1 基于鉆屑解析指標(biāo)的預(yù)測(cè)技術(shù)

以掘進(jìn)工作面為例，在采掘作業(yè)時(shí)，向工作面前方施工不少于3個(gè)φ42 mm、孔深為8～10 m的預(yù)測(cè)鉆孔，每鉆進(jìn)1 m收集粒徑為1～3 mm的煤屑，計(jì)算鉆屑量S；每鉆進(jìn)2 m從煤屑中取出一定質(zhì)量(5 g)的固定粒徑(1～3 mm)煤樣，向一密閉空間內(nèi)解析瓦斯，測(cè)量解析瓦斯量，計(jì)算鉆屑解析指標(biāo)K1，根據(jù)K1判斷瓦斯突出危險(xiǎn)性。K1計(jì)算公式為

(2)

式中:K1為鉆屑解析特征，mL/(g·min1/2)；Q為鉆屑裝入預(yù)測(cè)裝置后向密閉空間解析出的瓦斯量，mL/g；W為煤樣自煤體剝落至裝入預(yù)測(cè)裝置之前暴露在空氣中時(shí)向空氣中解析出的瓦斯量，mL/g；ta為鉆屑從煤體剝落到輸出解析結(jié)果所用的總時(shí)間，min。

ta計(jì)算公式為

ta=0.1L+t1+t2

(3)

式中：L為取樣點(diǎn)與煤壁之間的距離，m；t1為煤樣從煤體中取出到開(kāi)始向密閉空間解析瓦斯所用的時(shí)間，min；t2為煤樣開(kāi)始解析到輸出解析結(jié)果所用的時(shí)間，min。

現(xiàn)階段，K1值主要采用分體式WTC型瓦斯突出參數(shù)儀獲取，預(yù)測(cè)主機(jī)和煤樣罐通過(guò)橡膠軟管聯(lián)通，煤樣解析出來(lái)的瓦斯氣體通過(guò)橡膠軟管流動(dòng)到預(yù)測(cè)主機(jī)中。受井下復(fù)雜工作環(huán)境影響，隨著預(yù)測(cè)裝置工作年限越來(lái)越長(zhǎng)，橡膠軟管易出現(xiàn)老化、漏氣等問(wèn)題，影響預(yù)測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性。為了實(shí)現(xiàn)瓦斯鉆屑解析指標(biāo)值的快速準(zhǔn)確測(cè)定及上傳導(dǎo)出功能，研發(fā)了WTC-1型瓦斯突出數(shù)據(jù)采集儀，如圖4所示。該裝置采用一體化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，體積小，質(zhì)量輕，內(nèi)置有指標(biāo)處理、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及無(wú)線傳輸模塊，實(shí)現(xiàn)了K1值的快速測(cè)定、檢測(cè)結(jié)果查詢(xún)及無(wú)線傳輸功能。

圖4 瓦斯突出數(shù)據(jù)采集儀

根據(jù)測(cè)試及統(tǒng)計(jì)結(jié)果，全國(guó)各主要生產(chǎn)礦區(qū)鉆屑解析特征K1臨界指標(biāo)具有較大差異，應(yīng)根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果確定具體臨界值或按《防治煤與瓦斯突出細(xì)則》要求(表1)執(zhí)行。

1.2.2 基于鉆孔瓦斯涌出初速度的預(yù)測(cè)技術(shù)

以煤巷為例，向掘進(jìn)方向施工鉆進(jìn)直徑為0.42 m的鉆孔，待施工鉆進(jìn)完成以后，退出鉆桿，密封鉆孔，瓦斯通過(guò)煤體之間的毛細(xì)管道向測(cè)量室涌入。定義單位時(shí)間內(nèi)涌入測(cè)量室的瓦斯量為g，g計(jì)算公式為

表1 鉆屑解析指標(biāo)臨界值

(4)

式中：X為測(cè)量室內(nèi)瓦斯體積分?jǐn)?shù)，%；n為多變曲線指數(shù)；P1為測(cè)量室內(nèi)瓦斯壓力，MPa；P0為測(cè)量室外煤體瓦斯壓力，MPa；β為與測(cè)量室體積成反比的常數(shù)；ρ為鉆孔直徑，m。

文獻(xiàn)[13]給出了單位時(shí)間內(nèi)鉆孔內(nèi)涌出瓦斯量g與時(shí)間t之間的關(guān)系曲線，如圖5所示，其中，t0為打鉆施工結(jié)束時(shí)間，tH為施鉆封孔后開(kāi)始測(cè)量鉆孔瓦斯涌出初速度的時(shí)間，tn為瓦斯涌出量達(dá)到最大值的時(shí)間。定義單位時(shí)間內(nèi)向測(cè)量室涌入的最大瓦斯量為鉆孔瓦斯涌出初速度gH，通過(guò)對(duì)全國(guó)各大礦區(qū)實(shí)驗(yàn)室跟蹤考察得出，不同煤與瓦斯突出煤層的鉆孔瓦斯涌出初速度gH臨界值能夠較好地反映工作面前方煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性。

圖5 鉆孔瓦斯涌出量g與時(shí)間t之間的關(guān)系

1.3 區(qū)域、局部防突預(yù)測(cè)體系融合

區(qū)域預(yù)測(cè)側(cè)重于空間范圍屬性，局部預(yù)測(cè)側(cè)重于時(shí)間范圍屬性，通過(guò)區(qū)域、局部2種預(yù)測(cè)技術(shù)的有效融合，實(shí)現(xiàn)時(shí)間和空間范圍內(nèi)的連續(xù)監(jiān)測(cè)預(yù)警。本文首先通過(guò)三維地震、電磁輻射等區(qū)域預(yù)測(cè)技術(shù)探明礦井地質(zhì)構(gòu)造賦存情況，結(jié)合煤層埋深、煤質(zhì)對(duì)瓦斯賦存的影響，應(yīng)用GIS(地理信息系統(tǒng))技術(shù)，將區(qū)域預(yù)測(cè)指標(biāo)數(shù)字化入庫(kù)，并確定礦井瓦斯賦存情況。當(dāng)工作面采煤和掘進(jìn)進(jìn)入局部預(yù)測(cè)區(qū)域范圍內(nèi)時(shí)，結(jié)合鉆屑解析指標(biāo)、瓦斯涌出初速度等局部預(yù)測(cè)指標(biāo)，實(shí)現(xiàn)時(shí)、空兩個(gè)維度的連續(xù)、準(zhǔn)確預(yù)測(cè)。根據(jù)預(yù)測(cè)結(jié)果，將區(qū)域預(yù)測(cè)和局部預(yù)測(cè)劃分為正常、威脅、危險(xiǎn)3個(gè)預(yù)警等級(jí)。預(yù)警等級(jí)為正常時(shí)，工作面可以正常推進(jìn)生產(chǎn)；預(yù)警等級(jí)為威脅時(shí)，工作面應(yīng)加大防突預(yù)測(cè)力度，確保礦井生產(chǎn)安全；預(yù)警等級(jí)為危險(xiǎn)時(shí)，工作面應(yīng)立即停止生產(chǎn)，采取相應(yīng)的防突措施。相應(yīng)措施完成之后，重新預(yù)測(cè)工作面前方突出危險(xiǎn)等級(jí)，待預(yù)警級(jí)別下降為正常后，方可恢復(fù)正常生產(chǎn)。煤與瓦斯突出預(yù)測(cè)結(jié)果分級(jí)規(guī)則見(jiàn)表2。

表2 煤與瓦斯突出預(yù)測(cè)結(jié)果分級(jí)規(guī)則

2 防突信息綜合管控平臺(tái)

為了方便礦井防突信息預(yù)測(cè)及管理部門(mén)對(duì)礦井防突信息的管理及使用，實(shí)現(xiàn)礦井對(duì)區(qū)域、局部綜合防突措施實(shí)施過(guò)程化管控，本文設(shè)計(jì)了防突信息綜合管控平臺(tái)。

2.1 平臺(tái)架構(gòu)設(shè)計(jì)

平臺(tái)采用C/S軟件開(kāi)發(fā)框架結(jié)構(gòu)，其架構(gòu)如圖6所示。平臺(tái)井下部分包括防爆工業(yè)交換機(jī)、安全監(jiān)控分站、無(wú)線通信分站、鉆屑解析指標(biāo)預(yù)測(cè)裝置、鉆孔瓦斯涌出初速度預(yù)測(cè)裝置、工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)及防突信息數(shù)據(jù)上傳終端等；井上部分包括數(shù)據(jù)中心服務(wù)器、數(shù)據(jù)備用服務(wù)器、防突信息管理終端、移動(dòng)審批終端、UPS電源、防火墻及瓦斯實(shí)驗(yàn)檢測(cè)裝置等。數(shù)據(jù)中心服務(wù)器安裝在礦井中心機(jī)房?jī)?nèi)，應(yīng)用終端軟件安裝在瓦斯實(shí)驗(yàn)室、調(diào)度中心及其他業(yè)務(wù)管理部門(mén)。

平臺(tái)軟件系統(tǒng)采用Visual Studio開(kāi)發(fā)工具和C#開(kāi)發(fā)語(yǔ)言設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。平臺(tái)核心功能包括區(qū)域預(yù)測(cè)(校檢)防突參數(shù)信息管理，局部預(yù)測(cè)(校檢)防突參數(shù)信息管理，礦井防突預(yù)測(cè)表單自動(dòng)生成，防突信息溯源管理，防突預(yù)測(cè)結(jié)果自動(dòng)生成、網(wǎng)絡(luò)審批、打印及發(fā)布等。

2.2 防突信息采集

礦井防突信息涉及瓦斯、地質(zhì)、采掘及煤質(zhì)等，本文根據(jù)防突信息來(lái)源，將其劃分為區(qū)域防突信息和局部防突信息。

圖6 礦井防突信息管控平臺(tái)架構(gòu)

Fig.6 Architecture of mine outburst prevention information management and control platform

區(qū)域防突信息主要包括瓦斯賦存、地質(zhì)構(gòu)造、煤體煤質(zhì)、采掘應(yīng)力、煤層產(chǎn)狀等。此類(lèi)信息相對(duì)比較穩(wěn)定，首先可以通過(guò)三維地震、電磁輻射等預(yù)測(cè)工藝，探明礦井地質(zhì)構(gòu)造及煤層產(chǎn)狀信息；然后，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)取樣測(cè)試，得到煤層瓦斯含量(壓力)、采掘應(yīng)力數(shù)據(jù)，結(jié)合煤層產(chǎn)狀及地質(zhì)構(gòu)造分布情況，建立數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)分析模型，得到礦井瓦斯賦存及采掘應(yīng)力分布情況；最后，借助GIS技術(shù)，對(duì)區(qū)域預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字化處理，并開(kāi)發(fā)專(zhuān)用數(shù)據(jù)傳輸接口，進(jìn)行數(shù)據(jù)入庫(kù)處理。

局部防突信息主要是指以鉆屑解析指標(biāo)K1、鉆孔瓦斯涌出初速度gH為代表的現(xiàn)場(chǎng)預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)。為了實(shí)現(xiàn)局部防突信息的及時(shí)采集和有效利用，開(kāi)發(fā)了專(zhuān)用數(shù)據(jù)采集端口，通過(guò)主動(dòng)式數(shù)據(jù)獲取模式，將局部防突信息從預(yù)測(cè)裝置直接導(dǎo)出到防突信息綜合管控平臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)。

2.3 數(shù)據(jù)庫(kù)建設(shè)

礦井防突信息具有數(shù)據(jù)來(lái)源廣泛、屬性復(fù)雜、格式多樣等多重屬性。為了便于綜合管理維護(hù)，同時(shí)保證數(shù)據(jù)的多樣性和關(guān)系屬性，采用關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)管理軟件SQL Server設(shè)計(jì)了礦井防突信息綜合數(shù)據(jù)庫(kù)。同時(shí)，為了保證礦井預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)、參數(shù)信息、預(yù)測(cè)結(jié)果等多重屬性的相對(duì)獨(dú)立，設(shè)計(jì)了多個(gè)具有相關(guān)屬性的數(shù)據(jù)表，實(shí)現(xiàn)了礦井防突信息資料的獨(dú)立存儲(chǔ)。

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用及效果檢驗(yàn)

防突信息綜合管控平臺(tái)已在峰峰礦區(qū)、淮南礦區(qū)等多個(gè)礦區(qū)近50對(duì)礦井開(kāi)展了現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，并取得了良好的應(yīng)用效果?，F(xiàn)以峰峰集團(tuán)大淑村煤礦為例，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果進(jìn)行具體說(shuō)明。

大淑村煤礦位于峰峰礦區(qū)東北部，北起F1斷層，南至F7斷層，東西兩部分別以2號(hào)煤-800 m垂直投影和F4斷層為界，井田東西長(zhǎng)為7.1 km，南北寬為2.51 km，井田面積為17.6 km2，礦井核定生產(chǎn)能力為125萬(wàn)t/a，采用綜合機(jī)械化方式開(kāi)采。井田范圍內(nèi)共有2號(hào)、4號(hào)、6號(hào)3個(gè)主采煤層，其中2號(hào)煤層實(shí)測(cè)最大瓦斯壓力為1.26 MPa，煤層瓦斯含量為14.28～16.79 m3/t，為突出煤層。礦井采用瓦斯含量作為區(qū)域綜合防突預(yù)測(cè)指標(biāo)，鉆屑解析指標(biāo)K1作為局部綜合防突預(yù)測(cè)指標(biāo)，鉆孔瓦斯涌出初速度作為輔助預(yù)測(cè)指標(biāo)，應(yīng)用防突信息綜合管控平臺(tái)作為防突管理工具。

3.1 區(qū)域綜合防突預(yù)測(cè)

為掌握大淑村煤礦煤層瓦斯賦存特征，綜合考慮地質(zhì)構(gòu)造、煤層埋深、煤層厚度、煤體煤質(zhì)等多重因素對(duì)煤層瓦斯賦存的影響，研究礦井煤層瓦斯賦存與主要影響因素之間的關(guān)系。研究結(jié)果顯示：瓦斯含量總體趨勢(shì)為隨煤層埋深及厚度增大而增大，三者之間具有良好線性關(guān)系，具體關(guān)系式為

H=0.036 8h+0.052 4l-7.276 2

(5)

式中：H為瓦斯含量，m3/t；h為煤層埋深，m；l為煤層厚度，m。

根據(jù)煤層埋深和厚度等因素，利用防突信息綜合管控平臺(tái)自動(dòng)生成礦井煤層瓦斯賦存情況，如圖7所示。其中紅色等顏色較重區(qū)域?yàn)槊号c瓦斯突出危險(xiǎn)性較高區(qū)域，藍(lán)色等顏色較淡區(qū)域?yàn)槊号c瓦斯突出危險(xiǎn)程度較低區(qū)域。

圖7 煤層瓦斯賦存情況

3.2 局部綜合防突預(yù)測(cè)

為了實(shí)現(xiàn)大淑村煤礦防突預(yù)測(cè)工作的專(zhuān)業(yè)化、精細(xì)化管理，采用WTC-1型瓦斯突出數(shù)據(jù)采集儀采集工作面鉆屑解析指標(biāo)K1值，并上傳到防突信息綜合管控平臺(tái)軟件系統(tǒng)。軟件系統(tǒng)集成了查詢(xún)分析及網(wǎng)絡(luò)審批功能，實(shí)現(xiàn)了防突預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)的快速查詢(xún)，提高了防突預(yù)測(cè)結(jié)果審批效率。自動(dòng)生成的防突預(yù)測(cè)表單如圖8所示。

圖8 防突預(yù)測(cè)表單

3.3 礦井防突信息協(xié)同預(yù)測(cè)效果

為了驗(yàn)證防突信息綜合管控平臺(tái)在礦井防突預(yù)測(cè)工作中的應(yīng)用效果，跟蹤考察了大淑村煤礦174402回風(fēng)巷、174302回風(fēng)巷、172301進(jìn)風(fēng)巷、174301工作面等30余個(gè)工作面。考察結(jié)果顯示，防突預(yù)測(cè)鉆進(jìn)進(jìn)尺量降低了32.7%，防突預(yù)測(cè)結(jié)果單次審批時(shí)間縮短為原來(lái)的22.5%，防突預(yù)測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確率為91.4%。2018年的應(yīng)用效果顯示，與2017年相比，礦井綜合防突預(yù)測(cè)成本節(jié)省了486.5萬(wàn)元，為礦井防突工作提供了透明、高效、便捷的生產(chǎn)管理工具。

4 結(jié)論

(1)針對(duì)高瓦斯礦井生產(chǎn)管理特征，通過(guò)總結(jié)現(xiàn)階段煤與瓦斯突出預(yù)測(cè)工藝結(jié)構(gòu)特征，從預(yù)測(cè)工藝體系、防突管理、現(xiàn)場(chǎng)措施執(zhí)行等多個(gè)環(huán)節(jié)入手，綜合分析區(qū)域、局部突出危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)技術(shù)，提出了一套適用于現(xiàn)代化礦井的多因素、全方位、時(shí)空連續(xù)型的煤與瓦斯突出協(xié)同預(yù)測(cè)技術(shù)體系，解決了傳統(tǒng)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)防突預(yù)測(cè)工藝存在的時(shí)間、空間維度預(yù)測(cè)結(jié)果不連續(xù)且準(zhǔn)確率低的難題。

(2)研發(fā)了WTC-1型瓦斯突出數(shù)據(jù)采集儀，該裝置實(shí)現(xiàn)了K1值的快速測(cè)定、檢測(cè)結(jié)果查詢(xún)及無(wú)線傳輸功能。開(kāi)發(fā)了適用于高瓦斯礦井的防突信息綜合管控平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了礦井防突預(yù)測(cè)信息多因素全過(guò)程連續(xù)監(jiān)測(cè)。

(3)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用結(jié)果顯示，礦井防突預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率超過(guò)90%，防突預(yù)測(cè)結(jié)果單次審批時(shí)間縮短為原來(lái)的22.5%，防突信息綜合管控平臺(tái)多次超前捕捉到了煤與瓦斯突出危險(xiǎn)。煤與瓦斯突出協(xié)同預(yù)測(cè)技術(shù)的應(yīng)用提高了礦井防突信息利用效率，減輕了工人勞動(dòng)強(qiáng)度，節(jié)省了防突預(yù)測(cè)時(shí)間，有效提高了礦井瓦斯災(zāi)害防治技術(shù)水平。