煤礦瓦斯抽采管網(wǎng)監(jiān)控與分元評價系統(tǒng)研究與應(yīng)用

鄒立雙，李 棟，王浩明

(1.重慶能投渝新能源有限公司逢春煤礦，重慶 401420； 2.重慶大學(xué) 資源與安全學(xué)院，重慶 400044)

煤礦瓦斯與煤炭資源共生，瓦斯作為重要的清潔能源，儲量豐富,達(dá)36.8萬億m3[1-2]。瓦斯的安全高效抽采能顯著提高煤礦企業(yè)的生產(chǎn)效率并降低瓦斯災(zāi)害[3-5]。國內(nèi)尤其是西南地區(qū)煤層多屬于高瓦斯突出煤層，統(tǒng)計顯示，高瓦斯突出礦區(qū)約占煤礦區(qū)總數(shù)的55%[6-7]。煤炭與煤層氣協(xié)調(diào)開采是我國瓦斯防治的必然需求[8]。我國煤礦大多為井下開采，特別是近些年隨著我國淺部資源減少，煤炭開采向深部延伸，煤炭開采中瓦斯事故時有發(fā)生，這嚴(yán)重制約著我國煤炭的開采[9-11]。目前煤礦瓦斯防治手段主要是增透抽采[12-14],針對煤礦復(fù)雜煤層增透抽采方面的難點(diǎn)問題，學(xué)者們前期已進(jìn)行了大量研究工作[15-18]。我國煤礦瓦斯治理“十二字”方針是“先抽后采、以風(fēng)定產(chǎn)、監(jiān)測監(jiān)控”[19-20]，瓦斯抽采是煤礦瓦斯治理的治本措施，按照《煤礦瓦斯抽采達(dá)標(biāo)暫行規(guī)定》要求，煤礦企業(yè)應(yīng)當(dāng)建立瓦斯抽采達(dá)標(biāo)評價工作體系，礦井必須建立瓦斯抽采達(dá)標(biāo)自評價體系，完善井下瓦斯抽采系統(tǒng)的計量測點(diǎn)，切實(shí)做到先抽后采、抽采達(dá)標(biāo)，實(shí)現(xiàn)抽、掘、采相平衡[21-22]。長期以來，煤礦井下瓦斯抽采計量均以人工測量、計算為準(zhǔn)，但是人工計量存在基礎(chǔ)數(shù)據(jù)測定周期長、精度低的缺點(diǎn)，對專業(yè)測量人員技術(shù)水平和工作責(zé)任心要求較高，隨著礦井生產(chǎn)規(guī)模不斷擴(kuò)大，測量人員日趨緊缺。

渝新公司逢春煤礦在井下各抽采主干管道及重點(diǎn)區(qū)域安裝了瓦斯抽采監(jiān)測計量設(shè)備及監(jiān)測軟件，實(shí)現(xiàn)了瓦斯抽采參數(shù)的在線監(jiān)測并聯(lián)網(wǎng)。但生產(chǎn)過程中還存在如下問題：①煤礦瓦斯抽采管網(wǎng)還沒有實(shí)現(xiàn)在線計量設(shè)備的全覆蓋，在很多評價單元還是采用人工測量的方式，工作量大且不能夠?qū)崿F(xiàn)連續(xù)監(jiān)測，計量數(shù)據(jù)可能存在較大誤差，其中速壓測定尤為明顯。②目前已有的在線式瓦斯抽采數(shù)據(jù)還只是單純的作為計量統(tǒng)計使用，數(shù)據(jù)沒有被充分利用，如管網(wǎng)發(fā)生異常現(xiàn)象(泄漏、堵塞)時，若不能夠及時發(fā)現(xiàn)處理將可能造成前方瓦斯超限等安全隱患。③瓦斯抽采達(dá)標(biāo)評判所需的很大一部分?jǐn)?shù)據(jù)還需要人工輸入，人為因素所占比重過大；另外，瓦斯抽采達(dá)標(biāo)評判沒有實(shí)現(xiàn)過程化管理，抽采過程不能夠及時準(zhǔn)確記錄，以一次性結(jié)果進(jìn)行評判，存在評判結(jié)果不準(zhǔn)確、不可靠的可能性，為后期的采掘工作帶來了安全隱患。

基于上述問題，通過完善瓦斯抽采監(jiān)測系統(tǒng)覆蓋范圍，替代人工計量瓦斯抽采量方式，研究瓦斯抽采數(shù)據(jù)數(shù)字化采集方式，挖掘瓦斯抽采數(shù)據(jù)潛在的規(guī)律，使瓦斯抽采信息化，實(shí)現(xiàn)對瓦斯抽采數(shù)據(jù)、效果、管網(wǎng)、設(shè)備等的實(shí)時監(jiān)測。結(jié)合瓦斯抽采效果評價體系、計算機(jī)軟件編程及大數(shù)據(jù)分析處理技術(shù)，構(gòu)建瓦斯抽采達(dá)標(biāo)評價數(shù)學(xué)模型，設(shè)計一套適用于礦井的瓦斯抽采達(dá)標(biāo)在線評價監(jiān)管平臺，實(shí)現(xiàn)抽采達(dá)標(biāo)評判的數(shù)字化、過程化管理，切實(shí)保障煤礦安全生產(chǎn)，對該項(xiàng)目進(jìn)行技術(shù)攻關(guān)勢在必行。

1 系統(tǒng)構(gòu)建理論依據(jù)及關(guān)鍵技術(shù)

1.1 抽采達(dá)標(biāo)理論依據(jù)

在煤礦生產(chǎn)過程中對瓦斯抽采的基礎(chǔ)條件及抽采效果進(jìn)行評判。首先，在八項(xiàng)基礎(chǔ)條件下(①建立瓦斯抽采系統(tǒng)，且系統(tǒng)正常、運(yùn)行連續(xù)；②制訂瓦斯抽采規(guī)劃年度計劃；③編制完善礦井瓦斯抽采達(dá)標(biāo)工藝方案設(shè)計、采掘工作面瓦斯抽采施工設(shè)計；④瓦斯抽采工程必須嚴(yán)格按設(shè)計施工，并應(yīng)當(dāng)進(jìn)行驗(yàn)收，有齊全完整的驗(yàn)收資料，竣工驗(yàn)收資料真實(shí)、可靠，并由相關(guān)負(fù)責(zé)人簽字；⑤建立礦井瓦斯抽采達(dá)標(biāo)自評價體系和瓦斯抽采管理制度；⑥瓦斯抽采泵站能力和備用泵能力、抽采管網(wǎng)能力滿足抽采達(dá)標(biāo)要求；⑦抽采計量測點(diǎn)、計量器具符合計量標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范要求，無超期使用，計量準(zhǔn)確；⑧具有抽采效果評判用相關(guān)測試條件)滿足瓦斯先抽后采的要求，然后評判抽采效果。煤層瓦斯預(yù)抽效果評判主要內(nèi)容及步驟：

1)抽采鉆孔有效控制范圍界定

順層鉆孔：有效控制范圍由順層鉆孔長度方向控制邊緣線及兩個邊緣鉆孔與鉆孔開孔點(diǎn)連線確定。以鉆孔有效孔深點(diǎn)連線確定鉆孔長度方向邊緣線，鄰鉆孔中短孔終孔點(diǎn)作為相鄰鉆孔有效孔深點(diǎn)。

穿層鉆孔：有效控制范圍取相鄰有效邊緣孔見煤點(diǎn)間連線所圈定的范圍。

2)抽采鉆孔布孔均勻程度評價

施工完成預(yù)抽煤層瓦斯的抽采鉆孔后，應(yīng)對瓦斯抽采孔在有效控制范圍內(nèi)的均勻程度開展評價。瓦斯預(yù)抽鉆孔間距不得大于設(shè)計間距，預(yù)抽時間差異性系數(shù)η應(yīng)低于30%，其計算公式如下：

式中：η為預(yù)抽時間差異系數(shù)；tmax為鉆孔預(yù)抽最長時間,d；tmin為鉆孔預(yù)抽最短時間,d。

3)抽采瓦斯效果評判指標(biāo)測定

同一評價單元瓦斯預(yù)抽效果評價時，首先應(yīng)計算抽后殘存瓦斯壓力或殘存瓦斯含量，并計算可解吸瓦斯量，滿足預(yù)期指標(biāo)要求后，現(xiàn)場實(shí)測預(yù)抽瓦斯效果評判指標(biāo)。

4)抽采效果達(dá)標(biāo)評判

當(dāng)各項(xiàng)基礎(chǔ)條件、抽采鉆孔有效控制范圍、抽采鉆孔布孔均勻程度均符合規(guī)定，計算殘存瓦斯含量或殘存瓦斯含量壓力符合規(guī)定后，按以下指標(biāo)進(jìn)行評判：

①當(dāng)采煤工作面瓦斯涌出大多來自于開采煤層，可解吸瓦斯量滿足表1規(guī)定的評價范圍內(nèi)時，判定評價范圍內(nèi)煤層瓦斯抽采達(dá)標(biāo)。

表1 采煤工作面回采前煤的可解吸瓦斯量應(yīng)達(dá)指標(biāo)

②當(dāng)采煤工作面瓦斯涌出主要來自圍巖或鄰近煤層，瓦斯抽采率計算值滿足表2規(guī)定范圍時，判定瓦斯抽采達(dá)標(biāo)。

表2 采煤工作面瓦斯抽采率應(yīng)達(dá)指標(biāo)

③當(dāng)評判范圍內(nèi)測點(diǎn)煤層殘存瓦斯壓力或瓦斯含量都小于預(yù)期的防突效果達(dá)標(biāo)瓦斯壓力或瓦斯含量，施工測定鉆孔無頂鉆、噴孔或其他動力現(xiàn)象時，則評判突出煤層評價范圍瓦斯預(yù)抽防突達(dá)標(biāo)；否則，判定以超標(biāo)點(diǎn)為圓心、半徑100 m內(nèi)未達(dá)標(biāo)。

④當(dāng)采掘工作面滿足風(fēng)速低于4 m/s、回風(fēng)中瓦斯?jié)舛?CH4體積分?jǐn)?shù)，下同)低于1%時，判定采掘工作面瓦斯抽采達(dá)標(biāo)。

⑤當(dāng)?shù)V井瓦斯抽采率滿足表3規(guī)定時，判定礦井瓦斯抽采率達(dá)標(biāo)。

表3 礦井瓦斯抽采率應(yīng)達(dá)指標(biāo)

1.2 系統(tǒng)構(gòu)建關(guān)鍵技術(shù)

1.2.1 瓦斯抽采管網(wǎng)在線監(jiān)測系統(tǒng)

抽采網(wǎng)絡(luò)計量監(jiān)控系統(tǒng)是礦井安全監(jiān)測最重要的組成部分。松藻礦區(qū)瓦斯泵站應(yīng)用表明，GD3型瓦斯抽放多參數(shù)傳感器相對其他抽采監(jiān)測系統(tǒng)在實(shí)現(xiàn)瓦斯抽采準(zhǔn)確、穩(wěn)定、方便、經(jīng)濟(jì)等方面具有較大的優(yōu)越性。精度高、穩(wěn)定性強(qiáng)、安裝簡單、維護(hù)方便的瓦斯抽采網(wǎng)絡(luò)計量監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)井下瓦斯抽采連續(xù)實(shí)時在線監(jiān)測，同時，大大降低了人工井下檢測的勞動強(qiáng)度；精確測定瓦斯抽采參數(shù)是判定突出煤層消突效果和保障安全生產(chǎn)的必要手段。

1.2.2 瓦斯抽采達(dá)標(biāo)分元評價系統(tǒng)

瓦斯抽采管網(wǎng)監(jiān)控及分元評價系統(tǒng)，以各評價單元的基本屬性、空間信息為依托，各評價指標(biāo)分析模型驅(qū)動，實(shí)現(xiàn)綜合分析和動態(tài)預(yù)測。該系統(tǒng)設(shè)計主要包含基本信息采集、信息整理與分析、邏輯處理、結(jié)果展示等4個部分，其基本架構(gòu)如圖1所示。

1)基本信息采集為評價模型提供基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)支持。主要包括工作面及瓦斯地質(zhì)信息、評價單元信息，以及在線監(jiān)控系統(tǒng)記錄的瓦斯抽采監(jiān)測數(shù)據(jù)信息等。

2)信息整理與分析的主要功能是將不同結(jié)構(gòu)和屬性的信息進(jìn)行歸類和整合，使工作面信息和瓦斯抽采監(jiān)測數(shù)據(jù)統(tǒng)一儲存于基礎(chǔ)信息數(shù)據(jù)庫，為后續(xù)工作提供數(shù)據(jù)支持。

3)邏輯處理是該系統(tǒng)的核心，將經(jīng)過整合、分析的數(shù)據(jù)通過評價模型進(jìn)行邏輯計算以得到評價指標(biāo)值，最后與評價指標(biāo)進(jìn)行對比，得到評價結(jié)果。

4)結(jié)果展示為該系統(tǒng)的后處理部分，通過報表、圖紙等形式實(shí)現(xiàn)評價數(shù)據(jù)、過程和評價結(jié)果的直觀展示，實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)測數(shù)據(jù)、抽采效果與評價結(jié)果的實(shí)時更新和展示。

2 逢春煤礦應(yīng)用實(shí)例

自2015年以來，逢春煤礦井下抽采主干管道及重點(diǎn)區(qū)域已安設(shè)瓦斯抽采在線監(jiān)測裝置共18套，并將其數(shù)據(jù)與礦井KJ90X安全監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行關(guān)聯(lián)上傳，實(shí)現(xiàn)了瓦斯抽采濃度、負(fù)壓、流量等數(shù)據(jù)的實(shí)時監(jiān)測。

2.1 分元評價試驗(yàn)地點(diǎn)基本情況

試驗(yàn)地點(diǎn)選擇在N2612工作面回風(fēng)巷本煤層抽采區(qū)域，N2612工作面回風(fēng)巷評價單元抽采鉆孔施工時間為2017年11月10日至2018年4月4日，抽采鉆孔為工作面本煤層順層鉆孔，預(yù)抽M6煤層瓦斯，該區(qū)域M6煤層厚0.88 m，原始瓦斯含量為18.09 m3/t，其余參數(shù)見表4。

表4 評價單元煤層參數(shù)

N2612工作面回風(fēng)巷評價單元抽采鉆孔控制范圍為工作面走向400 m、煤層傾向長度60 m，煤層瓦斯儲量見表5(圍巖瓦斯按煤層總瓦斯儲量的10%計算)。

表5 評價單元煤層瓦斯儲量計算

2.2 分元評價系統(tǒng)試運(yùn)行情況

2.2.1 在線監(jiān)控系統(tǒng)的配置

N2612工作面回風(fēng)巷作為試驗(yàn)地點(diǎn)，按評判單元劃分安設(shè)了GD3型瓦斯抽放多參數(shù)傳感器，該傳感器采用管道激光甲烷傳感器(GJG100J(B)型激光甲烷傳感器)，檢測精度高，測量結(jié)果不受水氣、其他烷烴氣體影響，穩(wěn)定性好，校驗(yàn)周期長，維護(hù)量小；同時采用微差壓測量技術(shù)、威力巴多點(diǎn)均衡測流技術(shù)、皮托管測流技術(shù)，以及動態(tài)自適應(yīng)技術(shù)的管道瓦斯流量計(GD4點(diǎn)式流量計和GD3(B)威力巴流量計)測量精確至0.3 m/s，測量精度高，實(shí)現(xiàn)了瓦斯抽采參數(shù)的實(shí)時精確監(jiān)測，某月評價單元在線監(jiān)測數(shù)據(jù)如圖2所示。

圖2 N2612工作面本煤層瓦斯抽采流量(標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)況下)曲線

由圖2中系統(tǒng)監(jiān)測曲線與人工測點(diǎn)數(shù)據(jù)來看，該在線監(jiān)測裝置傳輸?shù)臄?shù)據(jù)穩(wěn)定，與人工采用手持式瓦斯抽采參數(shù)快速測定儀測定結(jié)果對比，測量結(jié)果基本吻合，且能實(shí)現(xiàn)人工測定無法實(shí)現(xiàn)的長期實(shí)時監(jiān)測。

2.2.2 分元評價系統(tǒng)瓦斯抽采達(dá)標(biāo)評判程序

分元評價系統(tǒng)瓦斯抽采達(dá)標(biāo)評判程序主要包含以下7個步驟：

1)錄入工作面基本信息、導(dǎo)入工作面;

2)錄入評價單元基本信息(接抽時間用于計算時間差異性系數(shù));

3)選擇配置在線測點(diǎn)或錄入人工數(shù)據(jù)(可輸入抽采量的配置比例);

4)錄入煤層參數(shù)信息;

5)錄入瓦斯抽采基礎(chǔ)條件信息;

6)顯示初判結(jié)論;

7)初判達(dá)標(biāo)后，即可錄入終判數(shù)據(jù)(實(shí)測數(shù)據(jù))，然后顯示最終結(jié)論。

分元評價系統(tǒng)瓦斯抽采達(dá)標(biāo)評判流程如圖3所示。

圖3 分元評價系統(tǒng)瓦斯抽采達(dá)標(biāo)評判流程

2.2.3 瓦斯抽采信息化呈現(xiàn)方式

1)通過KJ90X安全監(jiān)控系統(tǒng)呈現(xiàn)瓦斯抽采在線監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)，實(shí)時監(jiān)控抽采系統(tǒng)各項(xiàng)參數(shù)，工作人員可隨時查看各時段的瓦斯抽采系統(tǒng)濃度、負(fù)壓、流量等變化曲線，同時可以將泵站運(yùn)行的異常信息展示在報警監(jiān)視窗口內(nèi)。有利于在最短的時間內(nèi)排查抽采系統(tǒng)故障，并采取措施進(jìn)行處理，減小故障影響范圍和時間。監(jiān)控系統(tǒng)界面如圖4所示。

圖4 KJ90X安全監(jiān)控系統(tǒng)界面圖

2)導(dǎo)入測流數(shù)據(jù)報表或根據(jù)錄入數(shù)據(jù)自動生成測流報表，同時可進(jìn)行打印設(shè)置、下載保存等操作。數(shù)據(jù)保存及導(dǎo)出界面如圖5所示。

圖5 數(shù)據(jù)保存及導(dǎo)出界面圖

3)可自動生成抽采量分時段統(tǒng)計曲線、抽采達(dá)標(biāo)量情況、剩余達(dá)標(biāo)時間等統(tǒng)計數(shù)據(jù)圖，如圖6所示，安全生產(chǎn)管理者隨時掌握達(dá)標(biāo)動態(tài)。

(a)抽采量分時段統(tǒng)計圖

(b)瓦斯抽采達(dá)標(biāo)量統(tǒng)計圖

(c)預(yù)估剩余時間統(tǒng)計圖

3 結(jié)語

逢春煤礦通過新技術(shù)的應(yīng)用，初步建立了瓦斯抽采管網(wǎng)監(jiān)控與分元評價系統(tǒng)，并實(shí)現(xiàn)了以下功能：

1)安裝、構(gòu)建瓦斯抽采管網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)，能夠?qū)崟r、真實(shí)、精確地對瓦斯抽采參數(shù)進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測，基本實(shí)現(xiàn)了瓦斯抽采電子化、信息化、數(shù)字化管理。瓦斯抽采管網(wǎng)監(jiān)控與分元評價系統(tǒng)所采用的在線監(jiān)測裝置穩(wěn)定性好，測量精度高，有效降低了人的因素對抽采達(dá)標(biāo)評判的影響。

2)通過對瓦斯抽采管網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)定相應(yīng)的報警參數(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)抽采管網(wǎng)及抽采設(shè)備的異常狀態(tài)報警，有利于及時對抽采系統(tǒng)的故障進(jìn)行排查和處理，大幅度減少故障的影響范圍和時間。

3)建立了瓦斯抽采管網(wǎng)監(jiān)控與分元評價系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了抽采達(dá)標(biāo)過程在線動態(tài)評判。瓦斯抽采達(dá)標(biāo)分元在線評價系統(tǒng)能夠根據(jù)聯(lián)網(wǎng)的監(jiān)測數(shù)據(jù)或人工導(dǎo)入的相關(guān)參數(shù)，進(jìn)行動態(tài)化的評判，評估計算結(jié)果能夠通過圖表的形式直觀呈現(xiàn)，保障了生產(chǎn)安全。