掘進(jìn)工作面瓦斯異常區(qū)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)預(yù)警技術(shù)研究

郭海濱

（霍州煤電集團(tuán)河津五星煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西 霍州 031400）

1 前言

霍州煤電集團(tuán)五星礦從2013年的低瓦斯礦井過渡為高瓦斯礦井。隨著五星礦進(jìn)入深部開采區(qū)域，該區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造逐漸變得復(fù)雜，礦井瓦斯涌出量明顯增大，且局部地區(qū)存在瓦斯異常分布，而瓦斯異常區(qū)域又往往還會(huì)伴隨著應(yīng)力的異常集中，給礦井的瓦斯防治提出了更高的要求。對(duì)異常區(qū)域進(jìn)行連續(xù)有效的監(jiān)測(cè)預(yù)警是最直接有效的災(zāi)害防范措施，目前的災(zāi)害預(yù)警通常僅限于瓦斯等單一指標(biāo)，且多為靜態(tài)預(yù)測(cè)，較難全面地反映異常區(qū)域的災(zāi)害狀態(tài)以及災(zāi)害的發(fā)展?fàn)顩r。因此，須對(duì)瓦斯異常區(qū)域的多參數(shù)動(dòng)態(tài)預(yù)警方法進(jìn)行深入的探索與研究。

2 掘進(jìn)工作面瓦斯地質(zhì)概況

五星礦2#煤層總厚度在5.0～5.45m之間，煤層沉積較穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，含有一層夾矸。掘進(jìn)工作面地質(zhì)構(gòu)造較為復(fù)雜，主要表現(xiàn)為斷裂構(gòu)造。根據(jù)探測(cè)結(jié)果，該區(qū)域內(nèi)較大的斷層主要有6條，落差均在5m左右，預(yù)測(cè)工作面區(qū)域小斷層較發(fā)育，斷層及其附近區(qū)域的煤巖體節(jié)理發(fā)育、破碎，對(duì)工作面掘進(jìn)影響較大。掘進(jìn)工作面處于瓦斯地質(zhì)單元V內(nèi)，屬于高瓦斯涌出區(qū)，同時(shí)工作面內(nèi)存在局部瓦斯異常區(qū)域，瓦斯壓力較大，在現(xiàn)有的瓦斯治理措施下，掘進(jìn)面在推進(jìn)過程中時(shí)常出現(xiàn)瓦斯超限，實(shí)際工作中需要加強(qiáng)工作面的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，做好瓦斯災(zāi)害的預(yù)警與防治。

3 掘進(jìn)工作面災(zāi)害動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)的實(shí)踐應(yīng)用

3.1 多參數(shù)指標(biāo)的選取及其監(jiān)測(cè)技術(shù)原理

要實(shí)現(xiàn)對(duì)礦井災(zāi)害的有效預(yù)警，需要對(duì)礦井環(huán)境參數(shù)進(jìn)行有效的監(jiān)測(cè)，并通過監(jiān)測(cè)信息進(jìn)行災(zāi)害特征的有效識(shí)別，進(jìn)而提出防范措施。對(duì)于礦井環(huán)境參數(shù)的監(jiān)測(cè)，主要有接觸式和非接觸式兩類。接觸式主要通過監(jiān)測(cè)煤層的瓦斯參數(shù)以及物理力學(xué)性質(zhì)參數(shù)等方式對(duì)煤層的瓦斯及應(yīng)力特征進(jìn)行直接測(cè)定。非接觸式主要是通過監(jiān)測(cè)巷道瓦斯?jié)舛取鷰r的變形波以及煤結(jié)構(gòu)等，從而間接反映煤體的瓦斯涌出情況以及應(yīng)力釋放狀態(tài)。經(jīng)分析研究特選取瓦斯?jié)舛取⒌貕褐笜?biāo)、煤結(jié)構(gòu)指標(biāo)三種非接觸式方法作為五星礦2#煤層掘進(jìn)工作面動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)預(yù)警的指標(biāo)參數(shù)。

3.2 多參數(shù)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)的布置

由于不同區(qū)域預(yù)警指標(biāo)的變化規(guī)律有較大的差別，因此基于指標(biāo)參數(shù)的預(yù)警技術(shù)首先需要對(duì)區(qū)域指標(biāo)參數(shù)進(jìn)行有效特征提取，也要通過一段時(shí)間的監(jiān)測(cè)獲取該區(qū)域正常采掘工序下的參數(shù)特征，給出多參數(shù)預(yù)警指標(biāo)，然后設(shè)定預(yù)警閾值進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并結(jié)合預(yù)警結(jié)果給出預(yù)測(cè)防范措施。因此，對(duì)于五星礦2#煤層掘進(jìn)工作面的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)預(yù)警主要由兩個(gè)過程組成：試驗(yàn)監(jiān)測(cè)階段和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)階段，而不同的監(jiān)測(cè)階段所選用的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)也有所差別。

（1）試驗(yàn)監(jiān)測(cè)階段。試驗(yàn)階段的監(jiān)測(cè)設(shè)備為兩個(gè)獨(dú)立的監(jiān)測(cè)探頭，探頭采用內(nèi)置獨(dú)立電源以及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)裝置。監(jiān)測(cè)裝置位于皮帶巷掘進(jìn)工作面，探頭通過支撐桿固定安裝于掘進(jìn)機(jī)后20～25m處，兩探頭相距20m（圖1）。隨著向前進(jìn)尺，監(jiān)測(cè)探頭通過更換支撐桿而不斷向前移動(dòng)。試驗(yàn)階段監(jiān)測(cè)持續(xù)5d，每天更換電源，并最終收集采集到的數(shù)據(jù)。

圖1 2#煤層皮帶巷掘進(jìn)工作面試驗(yàn)監(jiān)測(cè)探頭布置

（2）實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)階段。實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)階段的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由監(jiān)測(cè)探頭、探頭供電電源箱、光電轉(zhuǎn)換器、光電轉(zhuǎn)換供電電源箱、數(shù)據(jù)終端計(jì)算機(jī)以及數(shù)據(jù)分析軟件等組成。其中，監(jiān)測(cè)探頭將掘進(jìn)工作面的甲烷濃度、地壓、煤結(jié)構(gòu)等掘進(jìn)物理信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，并通過普通電纜將該電信號(hào)傳輸至光電轉(zhuǎn)換器。光電轉(zhuǎn)換器負(fù)責(zé)將傳輸來的電信號(hào)轉(zhuǎn)換成光信號(hào)，然后將輸出的光信號(hào)接入井下以太網(wǎng)環(huán)網(wǎng)，再通過五星礦的礦井監(jiān)控系統(tǒng)（或其他系統(tǒng)）將該監(jiān)測(cè)信號(hào)傳輸至地面。安裝有數(shù)據(jù)分析軟件的終端計(jì)算機(jī)負(fù)責(zé)接收采集上來的皮帶巷掘進(jìn)信號(hào)，并通過分析軟件實(shí)時(shí)顯示數(shù)據(jù)信號(hào)的變化情況。

系統(tǒng)中，監(jiān)測(cè)探頭與光電轉(zhuǎn)化器分別采用不同電源箱進(jìn)行供電，兩供電電源箱型號(hào)相同，其輸入電壓均可以為127V、220V、380V、660V中的一種，輸出電壓均為18V。探頭供電電源箱與光電轉(zhuǎn)化供電電源箱分別負(fù)責(zé)對(duì)監(jiān)測(cè)探頭和光電轉(zhuǎn)化器供電，供電線纜均為6芯線。探頭與探頭之間通過網(wǎng)線連接進(jìn)行數(shù)據(jù)匯總，探頭與光電轉(zhuǎn)換器之間通過2芯線連接以實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的傳輸。

實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，監(jiān)測(cè)探頭布置于掘進(jìn)工作面后方20～25m處，并隨著掘進(jìn)進(jìn)尺而不斷向前移動(dòng)。探頭供電電源箱布置于井下分站l處，光電轉(zhuǎn)換供電電源箱以及光電轉(zhuǎn)換器布置于分站2處，數(shù)據(jù)終端服務(wù)器布置于地面監(jiān)控室（圖2）。其中分站與關(guān)聯(lián)的聲光報(bào)警器配接，可實(shí)現(xiàn)聲光報(bào)警的功能。

圖2 動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)組成

3.3 掘進(jìn)工作面災(zāi)害動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)的結(jié)果分析

該系統(tǒng)在五星礦2#煤層2150工作面進(jìn)行了6個(gè)月的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)預(yù)警。從2014年4月1日至2014年10月1日，該系統(tǒng)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)預(yù)警指標(biāo)與該礦實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的適應(yīng)性良好，能夠起到對(duì)2#煤層2150工作面瓦斯突出的實(shí)時(shí)預(yù)警的作用。圖3為4月8日至4月11日期間該系統(tǒng)的預(yù)警指標(biāo)表現(xiàn)。效果分析結(jié)果表明該系統(tǒng)預(yù)警指標(biāo)確定的可靠性和系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

圖3 2150工作面4月8日至4月11日預(yù)警指標(biāo)表現(xiàn)圖

3.4 多參數(shù)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)預(yù)警技術(shù)可靠性評(píng)析

災(zāi)害預(yù)警技術(shù)的優(yōu)劣，一方面體現(xiàn)在預(yù)測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性上，一方面體現(xiàn)在防治措施的可靠性上。預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性不僅取決于監(jiān)測(cè)原理的適用性，同時(shí)也受監(jiān)測(cè)設(shè)備的可靠性影響。五星礦2#煤層掘進(jìn)工作面的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)采用了基于瓦斯?jié)舛扰c地壓、煤結(jié)構(gòu)等多參數(shù)同步監(jiān)測(cè)方法。幾個(gè)指標(biāo)之間存在一定關(guān)聯(lián)，因此在預(yù)警中可以相互補(bǔ)充，減少誤判或漏判。而每一個(gè)單項(xiàng)指標(biāo)參數(shù)在礦井監(jiān)測(cè)中均有較為廣泛的應(yīng)用，其可靠性已經(jīng)在諸多礦井中得到了驗(yàn)證。盡管所選用的監(jiān)測(cè)設(shè)備均為按照規(guī)范要求中規(guī)定的要求進(jìn)行配置，同時(shí)在入井之前需經(jīng)過反復(fù)測(cè)試，合格后方可入井，但影響設(shè)備可靠性的因素有很多，在井下實(shí)際工作環(huán)境中還需要結(jié)合實(shí)際預(yù)測(cè)狀態(tài)進(jìn)一步驗(yàn)證。

該掘進(jìn)工作面瓦斯異常區(qū)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)在五星礦進(jìn)行了實(shí)踐應(yīng)用，系統(tǒng)通過識(shí)別異常特征，劃分危險(xiǎn)區(qū)域，建立瓦斯異常涌出數(shù)據(jù)庫，設(shè)置災(zāi)害控制裝置，并給出優(yōu)化的鉆孔抽采設(shè)計(jì)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)從多角度控制災(zāi)害的發(fā)生，防范災(zāi)害的擴(kuò)展，對(duì)保障五星礦2#煤層的安全開采起到了重要作用。

4 結(jié)論

2#煤層掘進(jìn)工作面處于瓦斯地質(zhì)單元V內(nèi)，屬于高瓦斯涌出區(qū)，同時(shí)工作面內(nèi)存在局部瓦斯異常區(qū)域，在現(xiàn)有的瓦斯治理措施下，掘進(jìn)面在推進(jìn)過程中時(shí)常出現(xiàn)瓦斯超限，實(shí)際中需要加強(qiáng)工作面的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)預(yù)警。

基于礦井災(zāi)害監(jiān)測(cè)方法原理，選取了瓦斯?jié)舛取⒚航Y(jié)構(gòu)、地壓等非接觸式多參數(shù)指標(biāo)作為掘進(jìn)工作面的動(dòng)態(tài)連續(xù)監(jiān)測(cè)預(yù)警方法。同時(shí)結(jié)合工作面膠帶巷掘進(jìn)工作面的實(shí)際狀況，分析了多參數(shù)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)的設(shè)備布置情況及各部分的功能。結(jié)合預(yù)警的定義給出了掘進(jìn)工作面多參數(shù)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)預(yù)警技術(shù)的研究內(nèi)容及技術(shù)路線，實(shí)踐應(yīng)用效果表明該動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)和預(yù)警系統(tǒng)的效果非常理想。