防突預警系統在東李煤礦的應用及效果分析

王麒翔

(1.瓦斯災害監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)

東李煤礦位于貴州盤州地區，由于其復雜的地質構造，使得瓦斯災害問題比較突出。目前主采的17和18號煤層，經鑒定均為突出煤層，在采掘作業過程中瓦斯災害比較嚴重，尤其在掘進過程中瓦斯濃度超限現象較為頻繁，嚴重影響了正常的采掘進度，瓦斯災害風險已成為制約東李煤礦安全高效生產的主要災害類型。

為了保障安全生產，目前東李煤礦已構建了以“區域措施先行，局部措施補充”為核心的2個“四位一體”綜合防突技術體系，采取了開采保護層、底板巷穿層鉆孔預抽等區域防突措施，突出防治工作成效顯著。然而，作為保障礦井安全的最后一道屏障，局部“四位一體”防突措施仍存在明顯不足，主要體現在局部預測仍采用人工打鉆取樣的點預測方法。該方法通過測定工作面前方煤體軟分層的鉆屑量和鉆屑瓦斯解吸量，預測突出危險性。該方法不僅工序復雜，而且預測耗時較長，在打鉆過程中容易存在鉆孔空白帶，使得預測數據不能完全反映工作面的突出危險性狀況[1-6]。因此，建設一種非接觸式、連續(在時間和空間上不影響礦井生產作業)的突出預測方法，實時地、不間斷地預測突出危險性[7-11]，能有效提升東李煤礦對煤與瓦斯突出危險性的預測能力，加強對煤層瓦斯防治的管理。

防突預警系統能夠彌補傳統局部突出危險性預測方法的不足，對工作面進行連續的監控預警，并在出現異常時推送預警結果，實現煤礦安全生產系統風險“早期識別”和事故“事先預知”，提高煤礦本質安全化水平，促進煤礦安全生產及安全可持續發展。

1 系統結構

預警系統結構主要包括數據采集、數據分析和結果發布3部分(圖1)，其中數據分析為預警系統的核心。

圖1 預警系統結構

數據采集為預警結果的分析計算提供數據來源，數據采集內容主要有反映開采環境的各類傳感器模擬數據，如甲烷濃度傳感器、風速傳感器等；反映空間位置的生產類數據，如掘進進尺、煤層斷面尺寸等數據；反映煤層突出危險性的防突預測數據，如鉆屑瓦斯解吸指標等。數據采集方式分為訪問目標數據庫、讀取文本文件和手動錄入3種，可根據煤礦的實際情況，選擇相應數據采集方式。

數據分析是預警系統的核心，防突預警主要通過已建立的各類預警模型，根據采集的數據對工作面的突出危險性進行實時連續的計算，當預警指標超過臨界值時判定為預警。預警模型主要是通過反映煤體的瓦斯含量、瓦斯波動狀況及瓦斯變化趨勢等指標，間接反映工作面的突出危險性。

結果發布是將預警結果推送給管理人員，進行預警響應，讓管理人員及時掌握工作面突出危險性狀態，組織人員排查異常原因，在解除威脅后繼續生產。結果發布的方式有短信推送、客戶端語音提示、Web客戶端信息推送。

2 預警指標考察

預警指標考察的目的是從多個預警指標中挑選出對目標煤礦預警敏感性較高的預警指標，以此來提高預警的準確率[12-14]。

預警指標考察的方法是通過跟蹤一個采掘工作面，收集該工作面生產過程中實測的鉆屑瓦斯解吸指標數據，用該數據與各個預警指標進行對比分析。

2.1 考察數據的收集

東李煤礦預警系統考察的工作面為12171里段運輸巷，該工作面煤層平均厚度4.5 m，有局部增厚或變薄現象，實測煤層原始瓦斯含量8.14 m3/t，瓦斯壓力為0.95 MPa，該工作面區域效檢采用鉆屑瓦斯解吸指標K1、鉆屑量指標S，指標臨界值分別按照K1=0.4 mL/(g·min1/2)、S=4.0 kg/m管理。為便于分析研究，統計了考察期間2020年8月10日—30日的區域效檢結果，并將其變化趨勢繪制成曲線圖，如圖 2所示。

圖2 12171里段運輸巷預測指標K1趨勢

2.2 預警指標的優選

防突預警系統圍繞煤與瓦斯突出的影響因素，建立了瓦斯量特征、解吸特征、波動特征和趨勢特征4大類預警模型[15-17]，共計17種預警指標，各個預警指標的釋義見表 1。

表1 預警指標物理意義

有效的預警指標應該是能夠反映工作面的突出危險性且變化趨勢并與實測鉆屑瓦斯解吸指標K1相匹配。

為定量評價預警指標與鉆屑瓦斯解吸指標之間的相關性，避免因人為主觀因素造成預警指標的選取失誤，通過定義一個波動特征T，計算考察期間各預警指標曲線與實測鉆屑瓦斯解吸指標K1曲線的波動特征，定量篩選出對東李煤礦預警敏感性較高的預警指標。

(1)

其中，Ti為波動特征，i=1，2，3，…，n-1；Di為第i個數據，i=1，2，3，…，n。

分別計算考察期間K1值和預警指標的波動特征T，計算結果見表 2。

由表 2可知，K1指標在考察期間的波動特征值為0.45，與其較為接近的有3個預警指標Qn、A2和A指標，其波動特征分別為0.57，0.58和0.69。將這3個預警指標曲線提取出來與K1值曲線進行比較，分析預警指標的有效性，結果如圖 3所示。

表2 各指標波動特征結果

由圖 3可知，3個預警指標的變化趨勢與K1值基本一致，都能夠反映工作面的突出危險性。在這3個指標當中，預警指標A的變化幅度相對更大一些，對K1值變化的表現更敏感。

圖3 預警指標變化趨勢

2.3 反演瓦斯含量分析

由于預警指標A的物理意義是反映工作面前方煤層的可解吸瓦斯含量，為驗證其物理意義的準確性，應用反演瓦斯含量的方法，進一步考察預警指標A的有效性。

通過實測12171煤層的工業參數，利用K1—P關系和朗格繆爾關系式[18-20]反演瓦斯含量，然后與預警指標A進行比較。

實驗室測定東李煤礦12171里段運輸巷的鉆屑瓦斯解吸指標(K1)—壓力(P)關系模型表達式為K1=0.639 9P0.598 5，瓦斯含量(W)—壓力關系(P)簡化表達式W=23.057 7P/(1+0.869 9P)。通過K1反演瓦斯含量計算結果見表3。

表3 12171里段運輸巷瓦斯含量反演結果

由表3可知，反演的瓦斯含量大小在4 m3/t左右，而這一結果與現場實際情況基本符合。

為對比瓦斯含量W與預警指標A之間的關系，繪制二者的趨勢圖進行對比，結果如圖 4所示。

由圖4可知，預警指標A比工作面反演的瓦斯含量數值低約為2 m3/t，該值與考察區域煤的殘存瓦斯含量基本一致，說明預警指標A能夠反映工作面前方的可解吸瓦斯含量，具有良好的預警作用，將預警指標A作為重點關注指標。

圖4 12171里段運輸巷瓦斯含量反演數據對比

3 典型案例

2020年8月10日22點4分，預警系統計算12173里段運輸巷預警A指標超過臨界值，發出預警提示，向東李煤礦通風部發送了預警短信。2020年8月11日早班掘進作業時瓦斯濃度繼續攀升，預警A指標達11.42(圖5)。東李煤礦對此高度重視，立即安排專人到現場查看，經現場確認12173里段運輸巷煤層厚度由4.5 m增大到了6.0 m，使得瓦斯涌出異常升高，在采取相應措施后安全穿過煤層厚度異常增大區域。

圖5 12173里段運輸巷工作面超前預警案例

該案例中預警系統展現了良好的預測預警功能，對瓦斯異常涌出的預警效果顯著，預警指標超標后能及時為東李煤礦相關管理人員發送預警信息，為工作面的安全掘進起到了良好的提醒作用。

4 應用情況

4.1 預警統計

預警效果是對預警臨界值可靠性的檢驗，東李煤礦預警系統自2020年8月10日安裝調試完成，截至2021年1月10日，已穩定運行5個月，累計跟蹤考察巷道超過1 000 m，發布預警信息1 904次，其中，威脅預警11次，占總預警次數0.58%，危險預警2次，占總預警次數0.10%，詳見表4。

表4 東李煤礦預警信息概況

4.2 系統運行保障制度

為使東李煤礦防突預警系統穩定運行，充分發揮系統對工作面煤與瓦斯突出的預警作用，東李煤礦成立了專門的運行組織機構，礦長、總工程師為主要負責人，通防部門和機電部門負責系統維護。同時制定了《防突預警系統操作規程》《防突預警響應制度》等文件。此外，還安排專人每天負責打印預警報表，并經礦長、總工程師簽字審批后存檔。通過防突預警系統的建設，有效提高了東李煤礦的防突管理水平，強化了人員安全意識和預警響應能力。

5 結論

(1)通過對12171里段運輸巷等工作面的跟蹤考察，并計算預警指標的波動特征，從17種指標中優選出了適用于東李煤礦的預警指標：瓦斯量指標A、瓦斯解吸指標A2、瓦斯涌出量指標Qn。

(2)通過預警指標A計算得出的煤層瓦斯含量與礦井實測的防突預測指標K1反算的瓦斯含量結果相符，驗證了預警指標A的有效性。

(3)預警系統在東李煤礦自2020年8月10日安裝調試完成運行以來，能夠穩定、可靠地對工作面的危險狀態及發展趨勢進行評估與預警，跟蹤考察掘進巷道逾1 000 m，超前捕捉瓦斯異常現象多起，取得了良好的應用效果。