煤與瓦斯突出災(zāi)害監(jiān)控預(yù)警技術(shù)研究

張亮亮

（山西汾西礦業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司雙柳煤礦，山西 柳林 033300）

山西汾西礦業(yè)雙柳煤礦屬于高瓦斯突出礦井，隨著雙柳煤礦主采區(qū)域的西進(jìn)，煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性也大大增加，煤與瓦斯突出已成為制約雙柳煤礦安全、高效、高產(chǎn)的主要因素之一。為了有效防治煤與瓦斯突出，保障礦井的安全、高效生產(chǎn)，煤礦利用預(yù)警技術(shù)結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)條件建立了雙柳煤礦煤與瓦斯突出災(zāi)害監(jiān)控預(yù)警系統(tǒng)，并進(jìn)行了成功應(yīng)用。

1 煤與瓦斯突出災(zāi)害監(jiān)控預(yù)警系統(tǒng)建設(shè)

雙柳煤礦煤與瓦斯突出災(zāi)害監(jiān)控預(yù)警系統(tǒng)是依托礦井局域網(wǎng)平臺(tái)建立的，集信息管理、專業(yè)分析和災(zāi)害預(yù)警功能為一體的煤與瓦斯突出防治輔助決策系統(tǒng)。該系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

雙柳煤礦煤與瓦斯突出災(zāi)害監(jiān)控預(yù)警系統(tǒng)在硬件上以預(yù)警服務(wù)器為中心，各客戶端通過局域網(wǎng)與服務(wù)器相連，并實(shí)現(xiàn)與礦井監(jiān)控系統(tǒng)的無縫連接；在軟件上以綜合預(yù)警數(shù)據(jù)庫和預(yù)警服務(wù)為中心，各子系統(tǒng)以數(shù)據(jù)庫同步或?qū)崟r(shí)數(shù)據(jù)交換的方式與綜合預(yù)警數(shù)據(jù)庫進(jìn)行信息共享，預(yù)警服務(wù)根據(jù)這些信息實(shí)時(shí)分析工作面的突出危險(xiǎn)狀態(tài)和發(fā)展趨勢(shì)，對(duì)煤與瓦斯突出進(jìn)行實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)、綜合預(yù)警。同時(shí)，各子系統(tǒng)具有獨(dú)立性，可實(shí)現(xiàn)特定的專業(yè)分析功能。

圖1 雙柳煤礦煤與瓦斯突出災(zāi)害監(jiān)控預(yù)警系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.1 硬件系統(tǒng)

雙柳煤礦通風(fēng)瓦斯災(zāi)害預(yù)警系統(tǒng)的硬件部分主要包括服務(wù)器、客戶端和局域網(wǎng)三部分。預(yù)警服務(wù)器是整個(gè)預(yù)警系統(tǒng)的核心，要求存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)量大、處理數(shù)據(jù)速度快且能夠連續(xù)工作，因此預(yù)警服務(wù)器必須具有高可靠性、高處理能力和高擴(kuò)展性。雙柳煤礦預(yù)警服務(wù)器采用HPDL380G6491316-AAl型標(biāo)準(zhǔn)服務(wù)器，安裝于信息中心。客戶端要求相對(duì)較低，采用普通辦公電腦，安裝于雙柳煤礦地測(cè)、通風(fēng)等相關(guān)業(yè)務(wù)科室。煤與瓦斯突出災(zāi)害監(jiān)控預(yù)警系統(tǒng)服務(wù)器與客戶端之間直接借助于雙柳煤礦辦公網(wǎng)進(jìn)行連接。

1.2 軟件系統(tǒng)

雙柳煤礦煤與瓦斯突出災(zāi)害監(jiān)控預(yù)警系統(tǒng)包括5個(gè)專業(yè)子系統(tǒng)和3個(gè)預(yù)警模塊。

5個(gè)專業(yè)子系統(tǒng)分別為：（1）地質(zhì)測(cè)量管理系統(tǒng)安裝于地測(cè)科和生產(chǎn)技術(shù)科，功能為對(duì)地勘鉆孔、地質(zhì)構(gòu)造等信息進(jìn)行集中管理，對(duì)定向鉆孔進(jìn)行管理，為系統(tǒng)提供基礎(chǔ)空間數(shù)據(jù)。（2）瓦斯地質(zhì)分析系統(tǒng)安裝于通風(fēng)區(qū)和地測(cè)科，功能為對(duì)瓦斯壓力、瓦斯含量、煤層厚度等瓦斯地質(zhì)參數(shù)的智能預(yù)測(cè)及等值線自動(dòng)生成，對(duì)突出危險(xiǎn)區(qū)域智能劃分，為系統(tǒng)提供瓦斯地質(zhì)基礎(chǔ)信息。（3）動(dòng)態(tài)防突管理系統(tǒng)安裝于防突區(qū)，功能為對(duì)工作面日常預(yù)測(cè)、防突措施等信息的集中管理，對(duì)防突措施參數(shù)進(jìn)行智能設(shè)計(jì)及自動(dòng)成圖，為系統(tǒng)提供日常預(yù)測(cè)及防突措施缺陷方面的基礎(chǔ)信息。（4）瓦斯涌出分析系統(tǒng)安裝于信息中心及通風(fēng)區(qū)，功能為實(shí)時(shí)從監(jiān)控系統(tǒng)采集工作面瓦斯涌出數(shù)據(jù)，對(duì)工作面瓦斯涌出特征進(jìn)行分析，對(duì)瓦斯涌出預(yù)警指標(biāo)實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)計(jì)算及瓦斯涌出異常預(yù)警。（5）采掘進(jìn)度管理系統(tǒng)安裝于調(diào)度中心，對(duì)礦井各工作面采掘進(jìn)尺進(jìn)行管理，提供工作面進(jìn)尺方面的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

3個(gè)預(yù)警模塊為：（1）預(yù)警服務(wù)，安裝于預(yù)警服務(wù)器，主要功能為實(shí)時(shí)分析預(yù)警系統(tǒng)獲取的煤與瓦斯突出相關(guān)數(shù)據(jù)，對(duì)工作面突出危險(xiǎn)狀態(tài)及發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行分析，進(jìn)行工作面煤與瓦斯突出災(zāi)害監(jiān)控預(yù)警。（2）預(yù)警信息管理平臺(tái)，安裝于防突區(qū)及調(diào)度中心，主要功能為防突信息的集中管理與分析，預(yù)警指標(biāo)體系及預(yù)警規(guī)則管理，對(duì)預(yù)警過程進(jìn)行控制，以文字、顏色或聲音的方式進(jìn)行預(yù)警結(jié)果發(fā)布及預(yù)警報(bào)表自動(dòng)生成。（3）預(yù)警網(wǎng)站位于預(yù)警服務(wù)器，對(duì)工作面預(yù)警信息以網(wǎng)頁的形式進(jìn)行分布。

2 預(yù)警系統(tǒng)運(yùn)行保障體制

實(shí)時(shí)、超前、可靠的煤與瓦斯突出災(zāi)害監(jiān)控預(yù)警，是以瓦斯地質(zhì)、防突措施、瓦斯涌出、日常預(yù)測(cè)等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和信息的及時(shí)、準(zhǔn)確獲取為前提的。為了規(guī)范對(duì)煤與瓦斯突出災(zāi)害監(jiān)控預(yù)警系統(tǒng)的操作、維護(hù)和管理，結(jié)合預(yù)警系統(tǒng)要求，雙柳煤礦成立了預(yù)警系統(tǒng)管理領(lǐng)導(dǎo)小組和預(yù)警系統(tǒng)管理辦公室，并制定了相應(yīng)的預(yù)警系統(tǒng)操作、維護(hù)及預(yù)警響應(yīng)管理制度，同時(shí)對(duì)相關(guān)人員進(jìn)行了預(yù)警系統(tǒng)相關(guān)培訓(xùn)，形成了預(yù)警系統(tǒng)運(yùn)行保障體制，保證了預(yù)警系統(tǒng)的正常、穩(wěn)定運(yùn)行。

3 實(shí)踐應(yīng)用效果分析

雙柳煤礦煤與瓦斯突出災(zāi)害監(jiān)控預(yù)警系統(tǒng)建成至今，在10多個(gè)煤巷掘進(jìn)工作面進(jìn)行了煤與瓦斯突出災(zāi)害監(jiān)控預(yù)警應(yīng)用，累計(jì)保障了2000余米煤層巷道的安全掘進(jìn)。該系統(tǒng)的成功應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了對(duì)工作面突出危險(xiǎn)的實(shí)時(shí)分析和綜合預(yù)警，同時(shí)提高了礦井煤與瓦斯突出防治技術(shù)水平和管理水平。

3.1 突出預(yù)警效果分析

該系統(tǒng)既可對(duì)工作面瓦斯地質(zhì)、采掘影響、日常預(yù)測(cè)、瓦斯涌出和措施缺陷等方面存在的突出隱患和征兆進(jìn)行專項(xiàng)預(yù)警，又可以對(duì)各方面信息進(jìn)行綜合分析，對(duì)工作面突出危險(xiǎn)性進(jìn)行綜合預(yù)警。

3.1.1 綜合預(yù)警效果分析

（1）工作面突出危險(xiǎn)性對(duì)比

工作面掘進(jìn)過程中不同等級(jí)預(yù)警結(jié)果所占比例的不同，從整體上反映了各工作面突出危險(xiǎn)性的大小。33（4）15運(yùn)巷和33（4）16運(yùn)巷掘進(jìn)期間，不同等級(jí)預(yù)警結(jié)果所占比例是不相同的，33（4）15運(yùn)巷和33（4）16運(yùn)巷兩者工作面基本情況相同，但是前者的突出危險(xiǎn)性遠(yuǎn)高于后者。分析原因?yàn)椋?3（4）15運(yùn)巷煤層殘余瓦斯含量較大，受煤層變薄帶影響，突出危險(xiǎn)性較大；但是33（4）16運(yùn)巷煤層賦存穩(wěn)定，已經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間瓦斯抽采，瓦斯含量降低，已實(shí)現(xiàn)了消突。

（2）突出危險(xiǎn)區(qū)段分析

分析33（4）15運(yùn)巷不同級(jí)別預(yù)警結(jié)果的分布情況，巷道掘進(jìn)過程中不同區(qū)段的突出預(yù)警結(jié)果和工作面實(shí)際突出危險(xiǎn)如圖2所示。從圖2中可以看出，二者變化趨勢(shì)一致，而且“威脅”和“危險(xiǎn)”級(jí)預(yù)警結(jié)果基本位于36m以后區(qū)域，因此可以根據(jù)工作面預(yù)警結(jié)果判識(shí)33（4）15運(yùn)巷的嚴(yán)重突出危險(xiǎn)性區(qū)段為36m以后區(qū)域。

（3）突出危險(xiǎn)主控因素分析

通過對(duì)導(dǎo)致預(yù)警結(jié)果異常的預(yù)警要素類型的分析，可以探尋控制工作面突出危險(xiǎn)的主要因素和反映工作面突出危險(xiǎn)的主要征兆，以便有針對(duì)性地觀測(cè)突出征兆和采取防突措施。在33（4）15運(yùn)巷掘進(jìn)過程中，導(dǎo)致預(yù)警結(jié)果異常的各類預(yù)警要素所占的比例如圖3所示。從圖中可以看出，瓦斯地質(zhì)是該工作面煤與瓦斯突出的主要影響因素，其次為日常預(yù)測(cè)。據(jù)此，33（4）15運(yùn)巷掘進(jìn)過程中加強(qiáng)了對(duì)地質(zhì)構(gòu)造和煤層賦存狀態(tài)的探測(cè)，并將日常預(yù)測(cè)指標(biāo)測(cè)定結(jié)果及其變化趨勢(shì)作為重點(diǎn)關(guān)注對(duì)象。

圖2 33（4）15運(yùn)巷預(yù)警結(jié)果隨巷道掘進(jìn)長(zhǎng)度變化圖

圖3 33（4）15運(yùn)巷異常預(yù)警結(jié)果影響因素分析

3.1.2 專項(xiàng)預(yù)警效果分析

煤與瓦斯突出專項(xiàng)預(yù)警實(shí)現(xiàn)了對(duì)工作面瓦斯地質(zhì)、采掘影響等方面突出隱患的控制和突出征兆的警示。

（1）瓦斯地質(zhì)預(yù)警。雙柳煤礦煤與瓦斯突出災(zāi)害監(jiān)控預(yù)警系統(tǒng)可對(duì)地質(zhì)構(gòu)造影響帶、煤層賦存異常、煤層結(jié)構(gòu)異常、軟分層異常等工作面瓦斯地質(zhì)條件異常情況進(jìn)行預(yù)警提醒。以33（4）16運(yùn)巷為例，巷道掘進(jìn)過程中，預(yù)警系統(tǒng)超前10m對(duì)工作面煤層沖刷帶影響區(qū)進(jìn)行了準(zhǔn)確預(yù)警。

（2）采掘影響預(yù)警。通過實(shí)時(shí)分析工作面附近采掘巷道布置、煤柱保留等條件，對(duì)工作面對(duì)穿貫通、交叉貫通、平行掘進(jìn)、煤柱影響等可能導(dǎo)致采掘應(yīng)力疊加或應(yīng)力集中的情況進(jìn)行預(yù)警控制。以33（4）21抽采巷為例，在掘進(jìn)過程中通過1#橫貫進(jìn)行反掘，預(yù)警系統(tǒng)超前60m對(duì)反掘工作面與已掘巷道貫通進(jìn)行了預(yù)警控制。

（3）日常預(yù)測(cè)預(yù)警。預(yù)警系統(tǒng)根據(jù)局部預(yù)測(cè)（效檢）指標(biāo)測(cè)值大小、變化趨勢(shì)，以及施鉆動(dòng)力現(xiàn)象等信息，對(duì)工作面突出危險(xiǎn)性進(jìn)行分析，對(duì)日常預(yù)測(cè)異常情況進(jìn)行預(yù)警提醒。根據(jù)對(duì)各工作面日常預(yù)測(cè)專項(xiàng)預(yù)警結(jié)果的分析，預(yù)警結(jié)果為“安全”的準(zhǔn)確率達(dá)90%以上，預(yù)警結(jié)果為“威脅”或“危險(xiǎn)”的準(zhǔn)確率為50%～60%。

（4）瓦斯涌出預(yù)警。以W23012巷為例，在考察期間共發(fā)生兩次瓦斯涌出異常（如圖4所示），預(yù)警系統(tǒng)均對(duì)其做出了準(zhǔn)確預(yù)警。

圖4 W23012巷瓦斯涌出專項(xiàng)預(yù)警

（5）措施缺陷預(yù)警。預(yù)警系統(tǒng)通過對(duì)局部防突措施參數(shù)的實(shí)時(shí)分析，對(duì)措施控制范圍不足、措施存在空白帶及超采超掘等措施缺陷進(jìn)行預(yù)警控制。考察期間，各工作面共施工了25次局部防突措施，預(yù)警系統(tǒng)對(duì)其進(jìn)行了準(zhǔn)確的措施缺陷預(yù)警，預(yù)警結(jié)果為“正常”24次，準(zhǔn)確率100%。預(yù)警結(jié)果為“危險(xiǎn)”1次，準(zhǔn)確率100%。

3.2 防突管理效果分析

雙柳煤礦煤與瓦斯突出災(zāi)害監(jiān)控預(yù)警系統(tǒng)的使用，在防突管理上的效果有以下幾方面：（1）使各部門之間掌握的煤與瓦斯突出信息更加透明化。煤與瓦斯突出防治工作是一個(gè)系統(tǒng)工程，涉及防突、抽采、地質(zhì)、生產(chǎn)等多部門。對(duì)各職能部門掌握的煤與瓦斯突出相關(guān)信息的及時(shí)匯總、分析和共享，是科學(xué)地、針對(duì)性地制定、實(shí)施防突措施，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并消除防突措施安全隱患的前提。（2）促進(jìn)了礦井防突工作的精細(xì)化、規(guī)范化管理。煤與瓦斯突出災(zāi)害監(jiān)控預(yù)警系統(tǒng)的各子系統(tǒng)針對(duì)雙柳煤礦定制開發(fā)，成為防突措施科學(xué)設(shè)計(jì)和準(zhǔn)確實(shí)施的保障。（3）實(shí)現(xiàn)了防突工作的過程控制。

4 結(jié)語

雙柳煤礦借助局域網(wǎng)平臺(tái)，通過對(duì)硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)的建設(shè)，構(gòu)建了煤與瓦斯突出綜合預(yù)警系統(tǒng)平臺(tái)，并通過建立相應(yīng)的管理機(jī)構(gòu)、管理制度和對(duì)相關(guān)人員的培訓(xùn)，保障了預(yù)警系統(tǒng)的正常、穩(wěn)定運(yùn)行。雙柳煤礦煤與瓦斯突出災(zāi)害監(jiān)控預(yù)警系統(tǒng)的建立和使用，實(shí)現(xiàn)了礦井防突信息的集中共享和工作面煤與瓦斯突出的實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)、綜合預(yù)警，促進(jìn)了雙柳煤礦防突工作的規(guī)范化管理，有效地提升了雙柳煤礦煤與瓦斯突出防治技術(shù)水平和管理水平。