基于瓦斯地質特征的多參量突出預警技術在新建煤礦的應用

姚亞虎

(1.瓦斯災害監(jiān)控與應急技術國家重點實驗室，重慶 400037； 2.中煤科工集團重慶研究院有限公司，重慶 400037)

煤與瓦斯突出(以下簡稱“突出”)是煤礦井下嚴重的災害之一，破壞性極大，突出發(fā)生時形成的沖擊波能夠摧毀巷道和通風設施，拋出的煤巖會掩埋采掘設備和作業(yè)人員，涌出的大量瓦斯會造成人員窒息或引發(fā)瓦斯爆炸事故，因此，突出災害是我國煤礦安全的重點防控對象。長期的防突實踐表明，突出受瓦斯地質條件控制[1-4]。從突出防治的角度出發(fā)，充分掌握開采范圍內的瓦斯地質環(huán)境，加強構造影響區(qū)的預測預警是突出防治的重要技術措施。近年來，突出預警技術是煤炭行業(yè)研究的熱點，借助信息化手段和預警技術能夠有效提升礦井瓦斯地質管控能力和突出危險性預警水平。因此，分析瓦斯地質因素對突出的影響，利用獲取的各類數(shù)據(jù)，研究突出的各影響因素及其臨界值，以此為基礎進行突出預警是十分必要的[5-6]。

新建煤礦是我國東北地區(qū)典型的突出礦井之一，其地質條件較為復雜，煤層賦存極不穩(wěn)定，斷層構造十分發(fā)育。復雜的地質條件導致煤層瓦斯賦存極不均衡，局部區(qū)域煤層瓦斯富集現(xiàn)象嚴重，突出災害防治難度較大。針對這一問題，筆者考察了新建煤礦瓦斯地質因素與突出危險的關系，從煤層賦存、地質構造、煤層瓦斯3個方面構建瓦斯地質特征突出預警指標體系，建立基于瓦斯地質特征的突出預警模型，設計開發(fā)瓦斯地質特征突出預警系統(tǒng)，旨在有效提升新建煤礦突出預警的效率和水平。

1 礦井概況

新建煤礦隸屬于黑龍江龍煤集團，井田走向長度10.9 km，傾向長度4.5 km，井田面積49.2 km2，礦井生產(chǎn)能力120萬t/a。礦井共有11層煤可采，煤層傾角2°～36°，煤層厚度0.6～1.3 m。目前有二采區(qū)、三采區(qū)和五采區(qū)共3個生產(chǎn)采區(qū)，采用高檔普采、綜合機械化采煤工藝。

新建煤礦為突出礦井，2015年11月18日22時在三水平三采區(qū)回風下山二片聯(lián)絡車場發(fā)生1次突出，共突出煤巖100 t，涌出瓦斯超過2 400 m3。目前正在開采的87#、90#、91#、93#煤層原始瓦斯壓力均大于0.74 MPa，90#、91#煤層瓦斯壓力最高可達 3 MPa 以上；各煤層瓦斯含量為5～20 m3/t，平均為 13 m3/t；礦井開采期間揭露斷層375條，其中落差超過10 m的斷層多達30余條，大量星羅棋布的地質構造給礦井的安全生產(chǎn)造成極大風險。

2 瓦斯地質特征預警指標

影響突出的瓦斯地質因素包括煤層瓦斯、地質構造和煤層賦存等[7-10]。首先，煤層瓦斯是突出發(fā)生的重要物質基礎和能量來源，瓦斯壓力和瓦斯含量是突出預測預報的重要指標；其次，地質構造破壞了煤體的整體性，使煤的承載能力下降，且容易造成構造應力集中或瓦斯富集，有利于突出發(fā)生，地質構造帶是突出的易發(fā)區(qū)域[11-12];第三，煤層賦存異常是突出的重要征兆，突出地點通常存在煤層厚度或傾角突變、軟分層增厚等現(xiàn)象[13-14]。

對新建煤礦近5年有記錄的136次噴孔、頂鉆等瓦斯動力現(xiàn)象進行統(tǒng)計，結果顯示：有84次動力現(xiàn)象發(fā)生地點存在煤層傾角或厚度變化，或有軟分層存在，占瓦斯動力現(xiàn)象總數(shù)的62%；109次發(fā)生在地質構造附近，占比達到80%。從煤層賦存、地質構造和瓦斯參數(shù)3個方面建立了瓦斯地質特征突出預警指標體系框架，如圖1所示。

圖1 瓦斯地質特征突出預警指標體系框架

2.1 煤層賦存指標

煤層厚度變化、煤層傾角變化、軟分層厚度變化區(qū)域是突出易發(fā)地點[15]。根據(jù)新建煤礦突出與煤層賦存變化的關系，構建了煤層厚度變化率η、煤層傾角變化率ω和軟分層厚度h3個指標，來定量描述煤層賦存狀態(tài)的變化。

2.1.1 煤層厚度變化率

以煤層厚度變化率η表示相鄰2個防突預測循環(huán)煤層厚度變化的劇烈程度，其計算公式如下：

(1)

式中：η為煤層厚度變化率；M1、M2分別為實測的上、下循環(huán)煤層厚度，m。

為了確定煤層厚度變化率η的突出危險判定閾值，對1304回風巷210～525 m段、1515運輸巷540～800 m段煤厚變化和鉆屑瓦斯解吸指標K1進行了跟蹤對比，結果如圖2和圖3所示。

圖2 1304回風巷煤厚變化率η與K1值關系曲線

圖3 1515運輸巷煤厚變化率η與K1值關系曲線

由圖2可以看出，K1值超限點有5個，坐標分別為(240,0.58)、(255,0.82)、(270,0.63)、(330,0.75)、(360,0.71)，其對應的煤層厚度變化率η分別為30%、28%、26%、32%、25%。由圖3可以看出，K1值超限點有4個，坐標分別為(540,0.50)、(640,0.95)、(740,0.75)、(760,0.52)，對應的煤層厚度變化率η分別為29%、34%、26%、28%。統(tǒng)計計算的2條巷道掘進期間9個K1值超限點對應的煤層厚度變化率η的絕對值均在25%以上。因此，可將煤層厚度變化率η的臨界值確定為25%。

2.1.2 煤層傾角變化率

以煤層傾角變化率ω來表示相鄰2個防突預測循環(huán)的煤層傾角變化情況，其計算公式如下：

(2)

式中：ω為煤層傾角變化率，(°)/m；θ1、θ2分別為實測的上、下循環(huán)煤層傾角，(°)；L為上、下循環(huán)間距，m。

通過公式(2)計算1301回風巷40～240 m范圍內每兩相鄰循環(huán)的煤層傾角變化率ω，并與對應工作循環(huán)測得的K1值進行對比，形成煤層傾角變化率ω與K1值的關系圖，如圖4所示。

圖4 1301回風巷煤層傾角變化率ω與K1值關系曲線

由圖4可以看出，在考察的200 m巷道中K1值出現(xiàn)了3次明顯的增大現(xiàn)象。K1值第一次出現(xiàn)明顯增大，前一工作循環(huán)煤層傾角變化率ω即出現(xiàn)了明顯增大，連續(xù)3個工作循環(huán)分別達到0.30°/m、0.32°/m、0.59°/m；同樣，K1值第二次出現(xiàn)明顯增大，前一工作循環(huán)煤層傾角變化率ω也出現(xiàn)了明顯增大，連續(xù)3個工作循環(huán)分別達到0.44°/m、0.32°/m、0.71°/m。上述2次K1值突變實例表明，K1值對煤層傾角變化率ω較為敏感，且傾角變化對K1值的影響是超前的，具有預警作用。2個實例中煤層傾角變化率ω的預警值最小為0.30°/m，因此，可將煤層傾角變化率ω的臨界值確定為0.30°/m。

2.1.3 軟分層厚度

通過跟蹤考察1303回風巷距巷道開口50～300 m內軟分層厚度變化情況，并與對應工作循環(huán)的K1值進行對比，得到的軟分層厚度h與K1值的關系圖，如圖5所示。

圖5 1303回風巷軟分層厚度h與K1值關系曲線

由圖5可以看出，1303回風巷一般情況下無軟分層，在考察的250 m范圍內，當軟分層厚度h超過0.3 m時，K1值出現(xiàn)明顯的上升趨勢，當軟分層消失后，K1值基本恢復到0.2 mL/(g·min1/2)左右。因此，將軟分層厚度h臨界值設定為0.3 m。

2.2 地質構造指標

地質構造的形成及其演化過程為突出的發(fā)生創(chuàng)造了自然條件[16-18]。在同一構造附近存在著應力增高區(qū)和應力降低區(qū)，煤體的受力環(huán)境也表現(xiàn)出明顯的分區(qū)特征，進而有利于瓦斯儲存或排放[19]。

根據(jù)新建煤礦近5年的突出事故和動力現(xiàn)象統(tǒng)計，80%的動力現(xiàn)象發(fā)生在斷層附近，斷層是新建煤礦影響突出的主要地質構造類型。

2.2.1 斷層影響范圍的確定方法

以4102回風巷掘進期間揭露的落差為2 m的逆斷層為例，說明斷層影響范圍的確定方法。4102回風巷2 m落差逆斷層對鉆屑解吸指標K1值影響的考察結果如圖6所示。

圖6 4102回風巷2 m落差逆斷層影響范圍

由圖6可以看出，當掘進到距離斷層15 m位置時，K1值從0.24 mL/(g·min1/2)突然增大到0.59 mL/(g·min1/2)，突出危險性明顯增大，通過斷層15 m時K1值從0.62 mL/(g·min1/2)降低到0.25 mL/(g·min1/2)。以K1值出現(xiàn)突變的起始點和終止點為界，確定4102回風巷2 m落差逆斷層的影響范圍為15 m。

2.2.2 斷層影響范圍的統(tǒng)計分析

根據(jù)斷層影響范圍的確定方法，跟蹤考察了新建煤礦正在掘進的5條巷道地質構造揭露情況和K1值變化情況，掘進期間共揭露斷層16條，其中正斷層7條，逆斷層9條，落差H均在4 m以內。按照斷層類型、落差進行分類統(tǒng)計，結果見表1。

表1 斷層影響范圍考察情況統(tǒng)計結果

分析表1的統(tǒng)計結果，落差H<2 m的正斷層、逆斷層最大影響范圍分別為12、14 m；落差H=2～3 m 的正斷層、逆斷層最大影響范圍均為18 m；落差H>3 m 的正斷層、逆斷層最大影響范圍分別為22、24 m。為使預警模型簡單化，將正斷層、逆斷層影響范圍統(tǒng)一為同一標準，考慮一定的富余量，落差H<2 m、H=2～3 m、H>3 m的斷層影響范圍預警指標臨界值分別確定為15、20、25 m。

2.3 瓦斯參數(shù)指標

新建煤礦多年防突工作以瓦斯含量8 m3/t、瓦斯壓力0.74 MPa為預測指標，因此，將瓦斯含量預警指標臨界值確定為8 m3/t，瓦斯壓力預警指標臨界值確定為0.74 MPa。

3 基于瓦斯地質特征的突出預警模型

3.1 預警模型

根據(jù)煤層賦存、地質構造、瓦斯參數(shù)中各預警指標確定的臨界值，建立各指標是否超限的判定規(guī)則，并根據(jù)專家知識，確定各判定規(guī)則的權重wi，所有判定規(guī)則的權重之和為1。將井下考察所獲取的各項參數(shù)與判定規(guī)則進行對比，當滿足該條判定規(guī)則時，該指標權重系數(shù)ki為1；否則，該指標權重系數(shù)ki為0。具體判定規(guī)則的權重及其系數(shù)如表2所示。

表2 各類預警指標權重及其系數(shù)

通過表2確定的各指標權重及其系數(shù)，計算得出權重綜合值R，以此為標準進行預警等級劃分。權重綜合值R計算公式如下：

(3)

3.2 預警結果等級判識

預警結果等級的判識規(guī)則，根據(jù)在新建煤礦跟蹤考察的各條巷道突出危險性指標及其超限情況結合專家知識確定，其劃分規(guī)則如表3所示。

表3 預警結果等級判識規(guī)則

4 瓦斯地質特征突出預警系統(tǒng)

4.1 系統(tǒng)架構

基于SuperMap平臺，采用C/S架構，開發(fā)了瓦斯地質特征突出預警系統(tǒng)。該系統(tǒng)整體架構主要包括數(shù)據(jù)庫、預警分析服務、客戶端。

1)數(shù)據(jù)庫。用于存儲每個循環(huán)測定的各類指標數(shù)據(jù)(煤層厚度、軟分層厚度、煤層傾角、K1值、瓦斯含量、瓦斯壓力等)、預警指標臨界值、指標的權重及其系數(shù)、預警結果等級判識規(guī)則等。

2)預警分析服務。主要包括預警指標分析計算、預警權重綜合值分析、預警結果等級劃分與發(fā)布3個部分。預警指標分析計算服務，根據(jù)上傳的井下測定數(shù)據(jù)計算確定各類預警指標數(shù)值；預警權重綜合值分析服務，根據(jù)各預警指標超限情況計算預警權重綜合值；預警結果等級劃分與發(fā)布服務，負責按照預警結果等級判識規(guī)則自動判定預警等級并發(fā)布預警結果。

3)客戶端。主要用于人機交互、數(shù)據(jù)錄入和查看預警結果。

4.2 主要功能

瓦斯地質特征突出預警系統(tǒng)的功能如圖7 所示。

圖7 瓦斯地質預警系統(tǒng)功能結構

1)礦圖管理。系統(tǒng)可對地質構造、煤層傾角變化、瓦斯含量、瓦斯壓力等瓦斯地質信息進行圖形管理、瀏覽，并在圖上自動顯示相應的數(shù)值和圖標，同時支持瓦斯地質圖的生成、輸出和打印[20]。

2)數(shù)據(jù)管理。系統(tǒng)設置有瓦斯參數(shù)管理、煤層賦存及煤體結構數(shù)據(jù)管理、地質構造數(shù)據(jù)管理、工作面進尺數(shù)據(jù)管理表單，用戶將井下測定數(shù)據(jù)錄入后，系統(tǒng)自動計算各類指標數(shù)值。

3)突出預警。系統(tǒng)能夠自動根據(jù)計算得出的各類預警指標數(shù)值，按照預警模型進行分析計算，以綠色、橙色、黃色3種狀態(tài)發(fā)布預警結果；能夠按照用戶的查詢條件，對各指標歷史數(shù)據(jù)、指標超限情況、各工作循環(huán)預警綜合值、預警結果等級進行查詢，如圖8所示。

圖8 新建煤礦13084反向掘進巷道瓦斯地質

5 應用效果

13084反向掘進巷道是新建煤礦一采區(qū)的重點防突巷道，在該巷道掘進過程中每個防突預測循環(huán)均對煤層厚度、軟分層厚度、煤層傾角、斷層等進行了跟蹤考察，詳細記錄并及時錄入至瓦斯地質特征突出預警系統(tǒng)。

2018年5月13日夜班，煤層厚度由1 m變?yōu)?.32 m，煤層傾角從0°增大到24°，瓦斯含量達到9.32 m3/t，瓦斯壓力達到1.16 MPa。該工作循環(huán)的間距為6 m，計算后4個預警指標出現(xiàn)超限，該掘進工作面停止掘進，采取防突措施。上述考察數(shù)據(jù)錄入系統(tǒng)后，系統(tǒng)自動計算得出了預警權重綜合值為0.85，達到了“危險”等級，發(fā)布了“危險”預警，預警結果見圖9。經(jīng)分析原因，13084反向掘進巷道進入斷層F420影響范圍內，該斷層為落差2.5 m的逆斷層，圖8中紅色陰影部分為預警系統(tǒng)根據(jù)探測數(shù)據(jù)圈定的斷層20 m影響范圍，13084反向掘進巷道在該班已進入危險區(qū)域2.05 m。5月16日早班在工作面煤層中發(fā)現(xiàn)了矸石，工作面圍巖較為破碎，5月22日揭露F420斷層，預警系統(tǒng)提前10 d對F420斷層發(fā)布了準確預警，對接近地質構造可能危險區(qū)域邊界進行了預警。

圖9 13084反向掘進巷道預警結果

應用結果表明，基于瓦斯地質特征建立的突出預警系統(tǒng)能夠通過實時跟蹤影響突出的瓦斯地質相關信息，通過多參量預警指標的計算進行突出危險預警，提升了礦井防突預警效率和技術水平。

6 結語

1)通過統(tǒng)計分析新建煤礦近5年的瓦斯動力現(xiàn)象和防突數(shù)據(jù)，從煤層賦存、地質構造和瓦斯參數(shù) 3個方面建立了針對該礦的瓦斯地質特征突出預警指標體系，包括煤層厚度變化率、軟分層厚度、煤層傾角變化率、斷層影響范圍、煤層瓦斯含量(或壓力)5個指標。

2)分析了瓦斯地質因素和煤與瓦斯突出預測指標K1值的關系，確定了煤層厚度變化率、煤層傾角變化率、軟分層厚度3個煤層賦存預警指標的臨界值分別25%、0.3°/m、0.3 m，斷層影響范圍預警指標分別為落差H<2 m時，15 m；落差H=2～3 m時，20 m；落差H>3 m時，25 m。

3)根據(jù)各類預警指標臨界值判定規(guī)則，建立了瓦斯地質特征突出預警模型，開發(fā)了瓦斯地質特征突出預警系統(tǒng)，并對新建煤礦斷層影響區(qū)突出危險性進行了準確預警。