瓦斯涌出特征突出預警技術的實踐應用

楊立海

（霍州煤電集團李雅莊煤礦機電科，山西 霍州 031400）

隨著霍州煤電集團李雅莊煤礦采深的增加，井下掘進工作面突出危險區域越來越多。但該礦以往防治突出的理念、管理經驗和技術力量相對薄弱，“局部四位一體”的綜合防突措施由于比較依賴預測和效果檢驗準確性，安全防護措施難以滿足遠距離操作等要求，技術和管理均不能適應礦井生產條件和生產方式的變化。因此，立項開展井下掘進工作面突出危險區域的突出預警技術及系統研究，從技術和管理兩個方面實現突出事故的超前預警，可以及早發現突出事故前兆，實現有效超前預防，為提高管理決策水平提供手段和依據。

1 瓦斯涌出特征預警技術原理

1.1 應用背景

李雅莊煤礦局部預測和措施效果檢驗主要采用鉆屑瓦斯解吸指標K1及鉆屑量法，該預測技術方法具有相當的局限性，影響因素也非常多，常發生低指標突出現象。因此該礦聯合中煤科工集團重慶研究院，基于李雅莊煤礦掘進工作面瓦斯突出危險性狀態和趨勢，開發設計了瓦斯涌出特征突出預警系統，來對李雅莊煤礦南二采區南翼掘進區域進行了連續的突出預測實踐。

1.2 原理分析

進行煤與瓦斯突出危險區域預測的基礎是了解煤層瓦斯賦存規律。煤層瓦斯賦存規律受煤層賦存特征、煤質、地質構造等因素影響。重慶研究院運用沉積學、構造學、層序地層學、煤田地質學、煤層氣地質學及儲層地質學等理論從礦區或礦井區域、層域角度對煤層瓦斯賦存特征進行了研究。得出煤層不同區域瓦斯賦存主控因素及不同層域上煤層瓦斯賦存主控因素。

以煤層瓦斯賦存主控因素為指導，進行煤層瓦斯地質單元劃分，進而得出煤層瓦斯賦存規律。利用瓦斯基本參數測點和煤與瓦斯突出點等為數據基礎，運用軟件算法將瓦斯因素與地質因素進行智能耦合，從而實現井下掘進工作面突出危險區域的預警。瓦斯突出的智能耦合技術為煤與瓦斯突出危險性區域預測的信息化、智能化奠定了基礎?；谝陨显碓O計的KJA系統瓦斯涌出特征與突出危險關系見圖1所示。

圖1 瓦斯涌出特征與突出危險關系

基于李雅莊煤礦掘進工作面瓦斯突出危險性狀態和趨勢，建立了瓦斯涌出量特征指標A和瓦斯解吸特征指標B。特征指標A的數學模型如下：

式中：

Ai-第i班次區域瓦斯涌出量指標；

Qf-掘進面風流，m3/min；

a-巷道特征參數；

Mn-工作面n/個班次內落煤量，t；

c、d-巷道掘進速度修正系數；

V-巷道掘進速度，m/d；

WO-煤層原始瓦斯含量，m3/t；

Xj,avg-第j班次瓦斯涌出均值，%；

Xj,30min-第j班次瓦斯涌出30min移動最小值，%；

T-班次時間，min。

特征指標B的計算模型如下：

式中：

Bi-第i班次落煤瓦斯涌出峰值變化指標；

Xi,max-第i班次瓦斯監控數據最大值，%；

Xi,30min-第i班次瓦斯監控數據30min移動最小值，%。

2 礦井掘進工作面瓦斯涌出預警效果

2.1 礦井基本情況

霍州煤電集團李雅莊煤礦為單一煤層開采的高瓦斯礦井，當前的治理方法主要是抽采瓦斯。根據李雅莊煤礦瓦斯賦存狀況，結合地質條件，確定了該礦瓦斯的治理方案：瓦斯抽放為主、采空區抽放為輔、預抽與邊采邊抽、邊掘邊抽結合的三方面綜合治理措施。

2.2 礦井掘進工作面瓦斯涌出預警效果

根據礦井瓦斯涌出動態特征突出預警系統的原理和預警效果分析，針對該礦的實際情況事先設定特征指標A威脅值為0.7，危險值為0.9；特征指標B威脅值為0.25，危險值為0.4。李雅莊煤礦瓦斯涌出指標預警臨界值見表1所示。

表1 該礦瓦斯涌出指標預警臨界值

隨著該礦開采速度加快，殘存瓦斯量將增大，檢測結果表明該礦二采區南翼開采層平均瓦斯含量和殘存瓦斯量高達9.70m3/t和2.5m3/t。S2206進風順槽和S2206膠帶順槽處在突出危險性較大的采掘工作面區域內。但是針對S2206進風順槽的位置在非突出危險區域和突出危險區域之間進行交錯。從2015年9月1日至2016年3月18日期間應用該系統對該突出危險區域進行了實踐應用的預警措施。在半年的時間內，該工作面掘進進尺達243.2m，期間突出預測結果共有54次，數值超過0.4的次數為10次，數值超過0.5的次數為3次。

在瓦斯涌出動態特征突出預警系統應用期間，同時實測井下的K1值，將兩者數據進行對比分析得到工作面瓦斯涌出預警效果圖（圖2）和K1值實測預警預測效果圖（圖3）。

圖2 S2206進風順槽掘進工作面瓦斯涌出預警效果圖

圖3 掘進工作面K1值實測預警預測效果圖

從2015年9月1日至2016年3月18日期間對S2206膠帶順槽掘進工作面進行了預警系統的應用，該期間內工作面掘進進尺累計達137.5m，期間井下實測K1值2次超過0.4。 在瓦斯涌出動態特征突出預警系統應用期間，同時實測井下的K1值，將兩者數據進行對比分析得到工作面瓦斯涌出預警效果圖（圖4）和K1值實測預警預測效果圖（圖5）。

圖4 S2206膠帶順槽掘進工作面瓦斯涌出預警效果圖

圖5 掘進工作面K1值實測預警預測效果圖

通過圖2與圖3，圖4與圖5對S2206進風順槽、S2206膠帶順槽兩條掘進工作面，累計41個循環，380.7m進尺分析表明，瓦斯涌出特征指標A和B在該礦井下掘進工作面的瓦斯突出危險區域的預警效果與井下實測K1值預測結果基本吻合，該系統的檢測結果能夠做為掘進工作面瓦斯突出預警指標進行使用。

3 結語

根據KJA系統的技術原理，在李雅莊煤礦S2206進風順槽、S2206膠帶順槽兩條掘進工作面進行了實踐應用。系統檢測結果特征指標A、B在該礦井下掘進工作面的瓦斯突出危險區域的預警效果與井下實測K1值預測結果對比具有較好的一致性，該系統的檢測結果能夠做為掘進工作面瓦斯突出預警指標進行使用。