深部動(dòng)力災(zāi)害煤層防突預(yù)警技術(shù)在平煤十三礦的應(yīng)用

高建成，寧小亮，覃木廣

（1.中國平煤神馬集團(tuán)煉焦煤資源開發(fā)及綜合利用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 平頂山467000；2.平煤股份煤炭開采利用研究院，河南 平頂山467000；3.瓦斯災(zāi)害監(jiān)控與應(yīng)急技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶400037；4.中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司，重慶400037）

預(yù)測預(yù)警作為突出防治的首要環(huán)節(jié)，可為礦井 安全生產(chǎn)提供重要保障，但傳統(tǒng)的煤與瓦斯突出預(yù)測技術(shù)是一種抽檢式的、不連續(xù)的、局部突出危險(xiǎn)性預(yù)測方法，已難以滿足礦井安全高效生產(chǎn)的需求[1-2]。因此，必須針對礦井的生產(chǎn)技術(shù)特點(diǎn)和瓦斯災(zāi)害規(guī)律特點(diǎn)，研究出新的瓦斯災(zāi)害防治技術(shù)和手段[3-4]。近年來，國內(nèi)學(xué)者通過對突出相關(guān)多源動(dòng)態(tài)信息進(jìn)行采集與分析，實(shí)現(xiàn)工作面突出危險(xiǎn)性實(shí)時(shí)預(yù)警，可有效克服傳統(tǒng)預(yù)測方法指標(biāo)單一、靜態(tài)等不足[5-8]。突出預(yù)警技術(shù)是當(dāng)前礦井瓦斯災(zāi)害防治研究的熱點(diǎn)，也是突出災(zāi)害治理技術(shù)的主要發(fā)展方向之一，突出預(yù)警系統(tǒng)的建設(shè)可為有的放矢的實(shí)施防突措施提供技術(shù)支撐，可有效提升礦井瓦斯治理水平[9-15]。結(jié)合平煤十三礦己15-17 煤層具體的突出災(zāi)害特征[16]，搭建適用于該礦的突出預(yù)警系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)工作面突出危險(xiǎn)的實(shí)時(shí)預(yù)警，達(dá)到保障礦井日常安全高效生產(chǎn)的目的。

1 突出預(yù)警指標(biāo)

通過對平煤十三礦突出事故的分析可得到以下規(guī)律：突出規(guī)模隨著埋深的增加而增大；突出區(qū)域瓦斯含量較高；突出均發(fā)生在逆斷層的下盤；煤層增厚區(qū)及薄化帶的突出危險(xiǎn)性較大；工作面處于應(yīng)力集中區(qū)容易發(fā)生突出；突出發(fā)生前有夾鉆、頂鉆、噴孔等明顯動(dòng)力現(xiàn)象；防突措施不到位，盲目生產(chǎn)是造成突出的重要因素；突出前工作面普遍存在軟分層；突出前存在工作面瓦斯涌出忽大忽小現(xiàn)象[12]。根據(jù)上述規(guī)律分析可知，平煤十三礦突出風(fēng)險(xiǎn)主要包括：煤層賦存參數(shù)突變、煤體結(jié)構(gòu)異常、預(yù)測指標(biāo)異常、瓦斯涌出異常、存在動(dòng)力現(xiàn)象、存在防突措施缺陷、工作面接近逆斷層下盤、工作面處于應(yīng)力集中區(qū)。平煤十三礦建立的突出預(yù)警指標(biāo)體系如圖1。

圖1 突出預(yù)警指標(biāo)Fig.1 Early warning index of coal and gas outburst

當(dāng)各預(yù)警指標(biāo)達(dá)到如下條件時(shí)，可判斷工作面具有突出危險(xiǎn)：工作面與逆斷層下盤小于10 m；工作面與應(yīng)力集中區(qū)的空間距離25 m；日常預(yù)測指標(biāo)超過臨界值或連續(xù)2 個(gè)循環(huán)超過臨界值的90%；瓦斯涌出指標(biāo)A 大于等于0.8；煤厚變化率超過30%時(shí)；工作面軟分層厚度超過25 cm；工作面發(fā)生夾鉆、頂鉆、噴孔等動(dòng)力現(xiàn)象；施工的突出防治措施未完全覆蓋設(shè)計(jì)區(qū)域，存在空白帶[13-15]。

2 突出預(yù)警系統(tǒng)

2.1 預(yù)警基本流程及系統(tǒng)構(gòu)成

突出預(yù)警的基本流程為：①采集預(yù)警工作面的空間位置數(shù)據(jù)、日常預(yù)測指標(biāo)數(shù)據(jù)、瓦斯涌出數(shù)據(jù)、煤層厚度數(shù)據(jù)、軟分層厚度數(shù)據(jù)、動(dòng)力現(xiàn)象、防突措施驗(yàn)收數(shù)據(jù)等信息等突出相關(guān)安全信息；②利用預(yù)警指標(biāo)和模型對相關(guān)信息進(jìn)行計(jì)算和綜合分析，確定突出危險(xiǎn)等級(jí)；③利用網(wǎng)絡(luò)、短信等手段向相關(guān)部分和技術(shù)人員發(fā)布預(yù)警結(jié)果。

突出預(yù)警系統(tǒng)主要包括硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)，是預(yù)警技術(shù)的載體和實(shí)現(xiàn)手段，其中硬件系統(tǒng)主要包括計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等，用于用運(yùn)行預(yù)警系統(tǒng)、數(shù)據(jù)的傳輸和預(yù)警結(jié)果的發(fā)布；預(yù)警軟件系統(tǒng)主要包括預(yù)警數(shù)據(jù)庫、采掘進(jìn)度管理子系統(tǒng)、地質(zhì)測量管理子系統(tǒng)、防突動(dòng)態(tài)管理子系統(tǒng)、瓦斯地質(zhì)分析子系統(tǒng)、瓦斯涌出分析子系統(tǒng)、預(yù)警信息查詢網(wǎng)站、預(yù)警短信發(fā)布子系統(tǒng)、突出預(yù)警管理平臺(tái)等。

2.2 數(shù)據(jù)庫

將預(yù)警數(shù)據(jù)庫劃分為綜合預(yù)警數(shù)據(jù)庫、地質(zhì)測量數(shù)據(jù)庫、瓦斯地質(zhì)數(shù)據(jù)庫、防突動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)庫和瓦斯涌出數(shù)據(jù)庫5 個(gè)子系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫，數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)如圖2。各子系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫分別存儲(chǔ)本子系統(tǒng)所使用的必要數(shù)據(jù)，從而減少各子系統(tǒng)數(shù)據(jù)訪問時(shí)間，提高操作響應(yīng)速度；綜合預(yù)警數(shù)據(jù)庫是其它幾個(gè)子系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫的交集，存儲(chǔ)從其它各子系統(tǒng)采集的基礎(chǔ)管理信息和預(yù)警所需的相關(guān)專業(yè)信息。

圖2 數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)Fig.2 Database structure

2.3 軟件系統(tǒng)

地質(zhì)測量管理子系統(tǒng)、防突動(dòng)態(tài)管理子系統(tǒng)、瓦斯地質(zhì)分析子系統(tǒng)等分別由客戶端和子系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫組成，用戶通過客戶端進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)錄入、查詢、存儲(chǔ)、分析等操作，并通過各自的數(shù)據(jù)同步機(jī)制實(shí)現(xiàn)本子系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫與綜合預(yù)警數(shù)據(jù)庫的同步。瓦斯涌出分析子系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集器、計(jì)算服務(wù)、客戶端和瓦斯涌出子數(shù)據(jù)庫組成，其中，數(shù)據(jù)采集器負(fù)責(zé)從監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中讀取相關(guān)瓦斯監(jiān)測數(shù)據(jù)并實(shí)時(shí)傳輸至子數(shù)據(jù)庫；計(jì)算服務(wù)負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)計(jì)算瓦斯涌出指標(biāo)，并將指標(biāo)數(shù)據(jù)傳輸給綜合預(yù)警數(shù)據(jù)庫；客戶端主要是便于用戶對瓦斯涌出數(shù)據(jù)的查詢和分析；采掘進(jìn)度管理系統(tǒng)與綜合預(yù)警數(shù)據(jù)庫直連。

采掘進(jìn)度管理子系統(tǒng)負(fù)責(zé)采集預(yù)警工作面進(jìn)尺信息，為動(dòng)態(tài)確定工作面空間位置提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)；地質(zhì)測量管理子系統(tǒng)主要用于實(shí)現(xiàn)地質(zhì)及測量相關(guān)圖文信息的數(shù)字化入庫，建立地質(zhì)測量資料與礦圖資料數(shù)據(jù)庫，為預(yù)警系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)提供礦井地質(zhì)及測量基礎(chǔ)信息數(shù)字化平臺(tái)；防突動(dòng)態(tài)管理子系統(tǒng)用于日常防突工作的精細(xì)化管理，采集日常預(yù)測（效檢）指標(biāo)信息，分析防突措施缺陷；瓦斯地質(zhì)分析子系統(tǒng)用于進(jìn)行礦井瓦斯地質(zhì)資料管理、瓦斯地質(zhì)及應(yīng)力動(dòng)態(tài)分析，為突出預(yù)警提供工作面的最新瓦斯地質(zhì)與應(yīng)力分布信息；瓦斯涌出分析子系統(tǒng)的主要作用是對礦井監(jiān)控系統(tǒng)的瓦斯?jié)舛缺O(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析，為突出預(yù)警提供瓦斯涌出動(dòng)態(tài)指標(biāo)信息；突出預(yù)警管理平臺(tái)主要用于進(jìn)行預(yù)警指標(biāo)的綜合計(jì)算與分析、設(shè)置預(yù)警指標(biāo)和規(guī)則、管理歷史預(yù)警結(jié)果、預(yù)警原因分析與查詢、發(fā)布預(yù)警結(jié)果等；、預(yù)警信息查詢網(wǎng)站主要用于技術(shù)人員通過網(wǎng)站形式查詢預(yù)警結(jié)果；預(yù)警短信發(fā)布子系統(tǒng)的作用是將預(yù)警信息實(shí)時(shí)送達(dá)各級(jí)主管領(lǐng)導(dǎo)，以便于領(lǐng)導(dǎo)及時(shí)決策，將突出危險(xiǎn)消除在萌芽狀態(tài)。

2.4 系統(tǒng)部署及保障機(jī)制

預(yù)警系統(tǒng)正常運(yùn)行需要防突、地測、生產(chǎn)等多部門提供數(shù)據(jù)支持，同時(shí)礦領(lǐng)導(dǎo)也需要不定期查看預(yù)警結(jié)果及防突基本信息，因此根據(jù)十三礦管理現(xiàn)狀，按職能部門分工不同，進(jìn)行部署的預(yù)警系統(tǒng)部署圖如圖3。

圖3 預(yù)警系統(tǒng)部署圖Fig.3 Early warning system deployment chart

完善、健全的組織管理結(jié)構(gòu)是預(yù)警系統(tǒng)穩(wěn)定、正常運(yùn)行必不可少的條件，為保證各系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，平煤十三礦設(shè)立了瓦斯突出預(yù)警管理機(jī)構(gòu)，以總工程師為系統(tǒng)負(fù)責(zé)人，各部門技術(shù)主管為該部門預(yù)警系統(tǒng)的負(fù)責(zé)人，主要負(fù)責(zé)預(yù)警系統(tǒng)管理工作和人員協(xié)調(diào)，監(jiān)督、檢查、考核預(yù)警系統(tǒng)操作、維護(hù)工作完成情況，保證預(yù)警系統(tǒng)的正常運(yùn)行；操作人員主要負(fù)責(zé)錄入相關(guān)數(shù)據(jù)和資料，確保錄入數(shù)據(jù)和資料的及時(shí)性和有效性，并定期對預(yù)警系統(tǒng)進(jìn)行維護(hù)，及時(shí)發(fā)布預(yù)警結(jié)果。預(yù)警系統(tǒng)管理機(jī)構(gòu)設(shè)置如圖4。

圖4 預(yù)警系統(tǒng)管理機(jī)構(gòu)設(shè)置圖Fig.4 Setup chart of management organization of early warning system

3 應(yīng)用效果

3.1 在己15-17-11001 采面過大斷層期間應(yīng)用

1）實(shí)際情況。該工作面自2015 年2 月15 日開始進(jìn)入斷層影響范圍內(nèi)。從2015 年2 月15 日至2015 年3 月27 日期間，該工作面一直處于斷層影響范圍內(nèi)，此階段內(nèi)日常預(yù)測指標(biāo)、防突措施等嚴(yán)格按照規(guī)定執(zhí)行未出現(xiàn)預(yù)測預(yù)報(bào)危險(xiǎn)情況。

2）預(yù)警結(jié)果。預(yù)警系統(tǒng)在分析瓦斯監(jiān)測數(shù)據(jù)和日常預(yù)測指標(biāo)信息后，在距斷層影響范圍外沿10 m位置開始對工作面進(jìn)行趨勢威脅預(yù)警，當(dāng)工作面進(jìn)入到距離斷層影響范圍內(nèi)時(shí)開始執(zhí)行危險(xiǎn)狀態(tài)預(yù)警，直至工作面遠(yuǎn)離斷層影響范圍外沿10 m 之外系統(tǒng)預(yù)警恢復(fù)正常狀態(tài)。在此時(shí)間段內(nèi)系統(tǒng)實(shí)時(shí)發(fā)布了預(yù)警信息，提醒相關(guān)部門及時(shí)采取措施，保障了采煤生產(chǎn)安全。

3.2 在己15-17-11001 采面正常生產(chǎn)期間應(yīng)用

1）實(shí)際情況。2015 年4 月1 日至4 月30 日，己15-17-11001 采面地質(zhì)、煤層賦存條件正常，各項(xiàng)突出預(yù)測指標(biāo)均未超標(biāo)，也未出現(xiàn)瓦斯超限、動(dòng)力現(xiàn)象等突出征兆，工作面正常推進(jìn)。

2）預(yù)警結(jié)果。此時(shí)間段內(nèi)，各項(xiàng)數(shù)據(jù)采集與分析完全正常，各單項(xiàng)預(yù)警指標(biāo)均未超標(biāo)，狀態(tài)預(yù)警級(jí)別為“正常”，趨勢預(yù)警級(jí)別為“綠色”，預(yù)警結(jié)果與工作面實(shí)際情況完全一致。

3.3 其他應(yīng)用

平煤十三礦突出預(yù)警系統(tǒng)先后應(yīng)用于11072 機(jī)巷、11111 風(fēng)巷、12072 機(jī)巷、13031 補(bǔ)切眼、14020 風(fēng)巷等20 余個(gè)突出工作面，通過對突出相關(guān)各種動(dòng)態(tài)安全信息的綜合分析，預(yù)警系統(tǒng)能準(zhǔn)確判斷工作面的突出危險(xiǎn)性，多次捕捉了危險(xiǎn)預(yù)兆，提前給出了報(bào)警信息，實(shí)現(xiàn)了工作面突出危險(xiǎn)超前預(yù)警。經(jīng)現(xiàn)場應(yīng)用統(tǒng)計(jì)表明：各考察工作面在考察期內(nèi)的預(yù)警準(zhǔn)確率可達(dá)到85.65%～100%，平均狀態(tài)預(yù)警準(zhǔn)確率為95.94%，平均趨勢預(yù)警準(zhǔn)確率為97.09%，整體處于較高水平。

平煤十三礦突出預(yù)警系統(tǒng)的建設(shè)為礦井制定更加合理的防突措施提供了技術(shù)支撐，使得防突工作更具有針對性、更加及時(shí)，并有效降低了采掘生產(chǎn)成本，進(jìn)一步確保了礦井的生產(chǎn)安全。

4 結(jié) 語

1）分析得到了平煤十三礦突出規(guī)律，確定了突出風(fēng)險(xiǎn)因素，并依此從工作面與斷層下盤距離、與應(yīng)力集中區(qū)距離、軟分層厚度、煤厚變化率、日常預(yù)測、動(dòng)力現(xiàn)象、瓦斯涌出、措施缺陷等方面建立了8 個(gè)突出預(yù)警指標(biāo)，并給出了相應(yīng)的突出危險(xiǎn)判識(shí)方法。

2）確定了平煤十三礦突出預(yù)警的基本流程，構(gòu)建了平煤十三礦突出預(yù)警軟硬件系統(tǒng)，并建立了完善的保障機(jī)制。經(jīng)現(xiàn)場應(yīng)用統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)：預(yù)警系統(tǒng)平均狀態(tài)預(yù)警準(zhǔn)確率為95.94%，平均趨勢預(yù)警準(zhǔn)確率為97.09%，預(yù)警系統(tǒng)能夠及時(shí)、準(zhǔn)確的預(yù)警工作面突出危險(xiǎn)性，為制定更加合理的防突措施提供了支撐，保障了礦井日常的安全高效生產(chǎn)。