山西省煤礦瓦斯氣象預(yù)報預(yù)警信息系統(tǒng)設(shè)計研究

范永玲，朱俊峰，朱金花，薛黎明，郭彩萍，裴克莉，陳紅萍，白志明

(1.山西省氣象服務(wù)中心，山西 太原 030002； 2.山西省晉中市氣象局，山西 晉中030600； 3.中國礦業(yè)大學(xué)(北京)，北京 100083)

煤礦井下瓦斯爆炸與井上天氣變化的關(guān)系密切，在瓦斯?jié)舛扰c氣象因子變化研究方面，國內(nèi)外專家學(xué)者做了許多工作：英國對五年發(fā)生的990次瓦斯爆炸事故分析，證實有51.6%是在地面大氣壓急劇下降的情況下發(fā)生的；日本也推出了同樣的論斷；1990年代以來，我國氣象專家在前人研究的基礎(chǔ)上，注意到煤礦井下瓦斯爆炸與井上天氣變化的密切關(guān)系，張明初、汪法鑒、韓虹等發(fā)現(xiàn)瓦斯爆炸與降壓、增溫、風(fēng)速變化相關(guān)，與大范圍天氣型變化、局地垂直速度變化及地面近期局地變化等氣象因子具有一定的相關(guān)性[1-4]。本文對瓦斯?jié)舛茸兓c氣象影響因素之間的關(guān)系進行了研究，并以山西省為例，結(jié)合中短期天氣預(yù)報，通過統(tǒng)計計算，建立逐日瓦斯?jié)舛阮A(yù)報模型，應(yīng)用此模型，建立了山西省煤礦瓦斯氣象預(yù)報預(yù)警信息系統(tǒng)。

1 瓦斯?jié)舛茸兓瘹庀笥绊懸蜃拥拇_定

根據(jù)對山西省晉中市1995～2009年煤礦重特大瓦斯爆炸事故發(fā)生時的瓦斯?jié)舛扰c氣象影響因子數(shù)據(jù)進行分析，發(fā)現(xiàn)在瓦斯爆炸事故發(fā)生當(dāng)天的天氣特點有兩種：一種為高空為低壓或槽伴隨地面冷鋒過境占一半；高空有槽配合的四次，都產(chǎn)生了小雨天氣(只占20%)；另一種為從地面到高空都為高壓或高脊控制，也占一半。前一種鋒前降壓、增溫，鋒后增壓降溫，鋒前后風(fēng)向轉(zhuǎn)換、風(fēng)速較大。后一種則是風(fēng)小、增溫強烈、下沉運動強。因此，根據(jù)上述天氣特點，選取煤礦瓦斯的氣象影響因子為如下指標：R為煤礦瓦斯?jié)舛葰庀笠蜃诱T因系數(shù)；Σff-1～-2為前1～2日風(fēng)速變化；Δff-1為當(dāng)日與前一日風(fēng)向風(fēng)速的變化，以-1天(前一天)的風(fēng)為準。其它日段風(fēng)向量訂正到方向相鄰差<90°時風(fēng)速為準；ΣΔT-1～-2為前1～2日氣溫變化；ΔP-2為前2日氣壓變化值；ΔΔP-2為前2日氣壓變化值的變動。

利用晉中市1995～2009年煤礦重特大瓦斯爆炸事故年表與天氣圖表資料分析，對瓦斯事故發(fā)生當(dāng)天天氣進行分型并對事故發(fā)生地(單站)氣象要素進行逐日統(tǒng)計分析，得到平均瓦斯?jié)舛龋咚節(jié)舛扰c各影響因子值及最終影響因子的確定見表1。

表1 氣象因子與瓦斯?jié)舛鹊南嚓P(guān)性分析結(jié)果

從表1可看出下列特點：①發(fā)生瓦斯爆炸前2天或前2～3天的降壓過程，前1～前2天增溫過程，以及前1天或前1～前2天和進、出風(fēng)井風(fēng)流方向相反的風(fēng)速加大過程是造成瓦斯爆炸的氣象誘因。此三要素，簡稱誘因三要素。②上述三要素的變化過程，是在前述天氣型下，由影響我省的具體天氣條件所決定的；低壓(低槽)冷鋒前部造成降壓增溫，冷鋒過境前后的風(fēng)向轉(zhuǎn)換、風(fēng)速加大，低壓到高壓的轉(zhuǎn)換造成風(fēng)向變化；而從地面到700hPa的深厚高壓控制，少云、便于地面增溫，和大范圍的下沉運動，加強了增溫趨勢。③地面的降壓過程，直接影響到井下降壓，使風(fēng)速極低區(qū)域瓦斯泄出量增加。地面的增溫過程，產(chǎn)生負風(fēng)壓，使進風(fēng)量減少；而和進出風(fēng)井風(fēng)流相反的風(fēng)速加大，直接減少了出風(fēng)井的排風(fēng)量，因而造成井下瓦斯超限，是爆炸形成的誘因。

因此，前一日風(fēng)向風(fēng)速的變化、前2天降壓過程，前1～2天增溫過程是瓦斯?jié)舛茸兓闹饕绊懸蛩亍?/p>

2 瓦斯?jié)舛茸兓A(yù)報模型建立

根據(jù)上述分析，我們將采用日瓦斯?jié)舛茸兓蹬c前24～48h變溫、前48h變壓以及前24h風(fēng)速風(fēng)向的變化進行回歸分析，對前24～48h變溫、前48h變壓以及前24h風(fēng)向風(fēng)速變化進行計算，得到變溫、變壓、風(fēng)向風(fēng)速變化的序列值。將瓦斯?jié)舛戎鹑兆兓孔鳛轭A(yù)報量，氣溫、氣壓和風(fēng)向風(fēng)速的變化值作為預(yù)報因子，通過多元線性回歸分析，經(jīng)過對晉中市1995～2009年14個事故個例資料進行分析，建立煤礦井下自然通風(fēng)情況下瓦斯?jié)舛茸兓?煤礦瓦斯?jié)舛葰庀笠蜃诱T因系數(shù))與氣象因子相關(guān)的實時監(jiān)測與預(yù)報模型，見下式。

R=0.155Δff-1+0.332ΔP-2+0.015∑ΔT-1～-2

模型中各參數(shù)含義與表1中各參數(shù)含義相同。根據(jù)當(dāng)日實時氣象監(jiān)測資料，運用該模型，可以對煤礦瓦斯?jié)舛茸兓颠M行實時監(jiān)測，對未來24小時瓦斯?jié)舛茸兓M行預(yù)測。

3 瓦斯分色預(yù)報預(yù)警等級劃分

參照中國氣象局2007年6月頒布的《氣象災(zāi)害預(yù)警信號發(fā)布與傳播辦法》，預(yù)警信號的級別依據(jù)氣象災(zāi)害可能造成的危害程度、緊急程度和發(fā)展態(tài)勢一般劃分為四級：Ⅳ級(一般)、Ⅲ級(較重)、Ⅱ級(嚴重)、Ⅰ級(特別嚴重)，依次用藍色、黃色、橙色和紅色表示。煤礦瓦斯?jié)舛葰庀笠蜃诱T因系數(shù)等級分為四級。根據(jù)煤礦瓦斯?jié)舛葰庀笠蜃诱T因系數(shù)公式，對煤礦事故資料進行分析歸類，建立了瓦斯分色預(yù)報預(yù)警等級劃分標準，見表2。

表2 煤礦瓦斯分色預(yù)報預(yù)警

4 煤礦瓦斯氣象預(yù)報預(yù)警系統(tǒng)框架建立

煤礦瓦斯氣象預(yù)報預(yù)警系統(tǒng)主要包括六個模塊，見圖1。

圖1 煤礦瓦斯預(yù)報預(yù)警系統(tǒng)模塊劃分

1)瓦斯災(zāi)害監(jiān)測。根據(jù)瓦斯災(zāi)害指標庫系統(tǒng)，結(jié)合相關(guān)數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對各種災(zāi)害的實時檢測，在地圖上以圖示的方法顯示受災(zāi)地區(qū)及災(zāi)情相關(guān)信息，用戶分別可以 查看省、市、縣、煤礦四級受災(zāi)分布和相關(guān)受災(zāi)詳情。

2)瓦斯災(zāi)害預(yù)測。根據(jù)各種災(zāi)害指標庫系統(tǒng)結(jié)合相關(guān)數(shù)據(jù)(煤礦實時數(shù)據(jù)、煤礦分布數(shù)據(jù)、氣象預(yù)報數(shù)據(jù)、氣象實況數(shù)據(jù))實現(xiàn)對煤礦瓦斯等級災(zāi)害的實時預(yù)測，在地圖上以圖示的方法顯示預(yù)計受災(zāi)地區(qū)、及可能出現(xiàn)的災(zāi)情的相關(guān)信息，用戶分別可以查看省、市、縣、煤礦四級災(zāi)情分布和受災(zāi)詳情。

3)在線煤礦。該部分主要是體現(xiàn)當(dāng)前系統(tǒng)中，處于在線監(jiān)測狀態(tài)的煤礦數(shù)據(jù)量及具體分布，該部分可以為省、市、縣、煤礦四級用戶提供煤礦的精確地理定位和煤礦詳細信息，還可以為結(jié)合電子交通圖和衛(wèi)星圖為用戶和決策者提供地理空間、時間上的與煤礦相關(guān)的空間地理信息，為決策服務(wù)提供實質(zhì)性的有用性的GIS服務(wù)、為用戶提供方便。

4)歷史災(zāi)情查詢。該部分的功能主要針對災(zāi)害的歷史數(shù)據(jù)進行分析和查詢，用戶能夠以表格的形式查詢選定日期的相關(guān)災(zāi)害信息，可以方便的進行查詢、分析、利用災(zāi)情數(shù)據(jù)。

5)重要氣象信息發(fā)布。該部分主要是方便政府部門、各級煤管局、煤礦用戶能夠從該系統(tǒng)中實時方便地獲取關(guān)于氣象方面的重要信息、如暴雨(雪)、寒潮、大風(fēng)(沙塵暴)、雷電、道路結(jié)冰、地質(zhì)災(zāi)害氣象預(yù)警信息等，該部分由氣象局管理員在后臺添加、發(fā)布。

6)災(zāi)害信息維護。該部分主要包括煤礦災(zāi)情維護和災(zāi)害等級設(shè)置。在煤礦災(zāi)情信息維護系統(tǒng)中，省級氣象管理員、煤礦管理員可以進行訪問和編輯。煤礦管理員可以對自己煤礦的信息加以編輯、反饋和調(diào)整；省級氣象局管理員對可以對省、市、縣、煤礦四級發(fā)生的災(zāi)害進行查詢，如果發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)有誤可以調(diào)整相關(guān)災(zāi)害信息，系統(tǒng)會把修改后的數(shù)據(jù)保存在服務(wù)器上，確認無誤后對災(zāi)害信息通過各種渠道(LED、WEB等)進行災(zāi)害發(fā)布。災(zāi)害等級設(shè)置系統(tǒng)主要是對煤礦瓦斯災(zāi)害預(yù)警等級的維護包括查詢、增加等級指標、修改等級指標、刪除等級指標。用戶可以按照實際情況，對指標的等級、誘因系數(shù)、危險程序、發(fā)生可能、預(yù)警顏色、是否參與運算、預(yù)報提示語句進行設(shè)置、添加。可以按照實際情況，對指標的等級、誘因系數(shù)、危險程序、發(fā)生可能、預(yù)警顏色、是否參與運算、預(yù)報提示語句進行設(shè)置、修改。

5 結(jié)語

本文收集山西省歷年主要礦區(qū)重大典型事故案例資料、地面氣象要素資料、高空氣象要素資料，對收集的資料，應(yīng)用數(shù)理統(tǒng)計的方法，找出引起瓦斯積聚的關(guān)鍵氣象因子，結(jié)果表明瓦斯?jié)舛扰c前48小時變壓值成負相關(guān)、與前24小時～前48小時變溫值和前24小時風(fēng)向風(fēng)速的變化成正相關(guān)。

經(jīng)過分析研究建立了瓦斯?jié)舛扰c氣象條件之間的相關(guān)關(guān)系模型，在該模型的基礎(chǔ)上建立了山西省煤礦瓦斯氣象預(yù)報預(yù)警系統(tǒng)，不僅為煤礦瓦斯聚集提供實時監(jiān)測資料，還能夠提供未來24小時瓦斯?jié)舛阮A(yù)測，為減少煤礦安全生產(chǎn)事故的發(fā)生提供了科學(xué)的依據(jù)；系統(tǒng)設(shè)置的用戶權(quán)限，使省、市、縣、礦區(qū)4級煤礦管理部門可以根據(jù)信息系統(tǒng)的相關(guān)信息，提前預(yù)知瓦斯?jié)舛鹊淖兓厔荩皶r采取多種措施，加大礦井通風(fēng)力度,減少瓦斯爆炸事故發(fā)生，創(chuàng)建了煤礦氣象減災(zāi)的新手段、新方式，對地方能源安全發(fā)展具有重要意義。

[1] 汪法鑒，安龍.“4.15”瓦斯爆炸與天氣條件分析[J].貴州氣象，2005.29(6):39.

[2] 李春生.大同煤田北部瓦斯賦存規(guī)律[J].中國煤田地質(zhì),2001，13(12):23-24.

[3] 張明初.煤礦瓦斯爆炸與氣象要素關(guān)系的分析[J].江西氣象科技，1994(4):21，23.

[4] 韓虹，康中華，李勝，等.煤礦瓦斯?jié)舛扰c氣象因子相關(guān)分析及預(yù)報模型[J].氣象科技，2006，34(12):796-797.