煤礦瓦斯災害風險信息管控平臺的建立與應用

崔俊飛

(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)

琿春礦業(集團)有限責任公司(以下簡稱“琿礦公司”)是吉林省第二大煤炭生產基地，礦區內兩個煤礦年產量將達到500萬t以上。近年來，琿礦公司高度重視礦井瓦斯治理，不斷提升瓦斯治理理念、加大瓦斯治理投入、完善瓦斯治理技術，瓦斯綜合治理能力得到顯著提高，瓦斯治理效果明顯。然而，隨著礦井不斷延深，瓦斯治理難度將不斷加大[1]，不但要解決瓦斯涌出量高的問題，還要應對日益增大的突出風險。因此，進一步提升瓦斯災害風險預判能力，提高瓦斯災害風險防范化解水平，成為了琿礦公司下一階段的工作重點[2]。

琿礦公司與中煤科工集團重慶研究院有限公司合作，以其下屬的八連城煤礦為試點，開展“煤礦瓦斯災害風險信息管控平臺建設”項目，響應新版《防治煤與瓦斯突出細則》的最新要求[3]，在對煤礦井下地質、通風、瓦斯、生產等數據進行實時監測、在線傳輸和集中存儲基礎上，深度挖掘各類數據之間的潛在聯系，實現礦井安全大數據之間的深入融合[4]，進行瓦斯地質區域危險性評估、瓦斯抽采達標全方位評判、通風系統實時監測解算和展示、瓦斯日常管理數據的實時自動上傳、瓦斯涌出的動態分析和實時預警、礦井隱患及時交互和全過程追蹤，實現采掘工作面所處的瓦斯地質環境、礦井通風狀態、礦井瓦斯涌出異常情況、瓦斯抽采達標情況、瓦斯參數總覽、安全隱患跟蹤狀態的一張圖集成顯示。

1 瓦斯災害風險防控技術研究

瓦斯災害風險防控技術的核心是針對八連城煤礦瓦斯防治客觀實際，結合國內先進瓦斯治理經驗，采用信息化手段，從瓦斯地質、瓦斯危險預測預報、瓦斯監控、瓦斯抽采達標管理等方面入手，研究礦井瓦斯災害特征規律。從宏觀區域的角度掌握整個礦井瓦斯賦存規律(瓦斯壓力、瓦斯含量、瓦斯涌出量的分布情況)，在此基礎上對抽采鉆孔施工情況、抽采計量統計數據進行分析，評價抽采措施是否到位、抽采量是否達標。另外，在局部工作面范圍內考察日常預測指標(K1、S值等)與瓦斯涌出之間的關系，建立相關的預警指標、預警規則庫。

1.1 瓦斯地質區域危險性評估

通過對礦井煤層區域地質情況、頂底板巖性、煤層厚度、埋層埋藏深度和瓦斯賦存關鍵參數(煤層瓦斯含量、壓力、涌出量測點、地勘數據、地質資料等參數)的分析，掌握煤層瓦斯賦存主控因素，歸納總結出礦井瓦斯地質規律，構建礦井多級瓦斯地質管理模塊，實現煤層地質單元的自動劃分、瓦斯賦存異常區域的自動圈定、多級瓦斯地質圖的自動更新、瓦斯地質危險性區域動態預測[5-6]。

1.2 瓦斯抽采達標全方位評判

利用先進的監測設備，實現抽采計量數據實時監測及自動采集、鉆孔軌跡在線監測與自動成圖，結合礦井瓦斯抽采相關數據(瓦斯賦存參數、鉆孔設計和施工情況、抽采計量數據)的綜合分析[7-8]，掌握礦井瓦斯抽采規律，構建瓦斯抽采達標評價模塊，動態分析瓦斯抽采半徑等參數，實現瓦斯抽采鉆孔智能設計、鉆孔布孔均勻程度的有效評價、抽采達標的全過程跟蹤評判。

1.3 通風系統實時監測解算和展示

通過對礦井通風網絡基礎數據、風網結構、通風監測等信息綜合分析，以及對關鍵用風點的通風狀況實時監測與風網的在線解算，構建風網在線監控模塊，掌握礦井通風阻力分布，實現風網穩定性評價、通風隱患的智能分析、通風系統實時三維展示，為礦井通風系統調整、巷道貫通等工作決策提供指導[9-10]。

1.4 瓦斯日常管理數據的實時自動上傳

利用瓦斯突出參數測定儀WTC-1采集工作面日常生產過程中測定的關鍵瓦斯參數，自動生成參數報表(包括瓦斯含量、煤厚、K1值、Δh2、鉆屑量S、放散初速度ΔP等)，通過井下防爆智能手機和無線基站，借助工業環網將這些數據傳輸至地面，分析關鍵瓦斯參數變化規律及其關聯性，實現局部瓦斯風險預警、瓦斯報表的在線生成和審批。同時，地面管理人員通過手機APP可以直接查詢這些數據，以便第一時間掌握井下情況，及時作出決策。

1.5 瓦斯涌出的動態分析和實時預警

通過專業的數據接口實時采集瓦斯監控數據，從瓦斯涌出量、瓦斯解吸速度、瓦斯波動特征、瓦斯發展趨勢4個方面找出礦井瓦斯涌出特點，建立瓦斯涌出異常分析模型，自動濾除無效信息，構建瓦斯涌出異常分析模塊，實現采掘工作面超前5～10 m的瓦斯含量預測和瓦斯異常預警[11-12]。

1.6 礦井隱患及時交互和全過程追蹤

通過建立隱患閉環管理模塊，對隱患通過部門、作業地點、隱患性質、級別進行分類統計；利用瓦檢儀器、防爆手機對井下隱患以文字、聲音、圖像、視頻的形式進行記錄；通過無線基站借助井下安全環網，實現井下隱患信息與地面的交互、追蹤與處理，實現隱患信息的全過程追蹤，彌補現有儀器儀表測量數據缺失導致的重大隱患，實現基于大數據方法實現隱患信息的態勢分析，實現橫向對比各部門工作效率以及重要隱患信息閉環追蹤。

2 瓦斯災害風險信息管控平臺系統建設

以現有主流的軟件開發技術采用C/S和B/S相結合的方式，開發軟件系統作為瓦斯災害風險防控技術實現的載體，并配套專用的硬件設備作為數據支撐。具有復雜分析功能和圖形編輯功能的系統采用C/S模式，信息查詢、發布類的系統采用B/S模式。對應各項技術共建設了7個專業子系統及一個大數據集成平臺[13]，如圖1所示。數據庫設計采用中心數據庫加子系統獨立數據庫的模式，子系統特有的數據，如通風阻力、隱患信息、抽采參數等存于各子系統本地數據庫，共享數據及需要發布的數據比如：瓦斯參數測定數據、日常預測指標、瓦斯監控數據、突出預警結果等存于中心集成數據庫進行數據交換和信息發布。

圖1 瓦斯災害風險信息管控平臺結構Fig.1 Structure of gas disaster risk information management and control platform

2.1 配套硬件設備及網絡環境搭建

定制了一套與礦井鉆機鉆具相匹配的鉆孔軌跡測量裝置，利用該裝置測量高位鉆孔的施工軌跡；在31803回風巷、12606運輸巷等掘進工作面安裝瓦斯涌出異常預警儀，對重點巷道的瓦斯涌出異常進行跟蹤預警；在中央變電所、北翼運輸巷口、西部卡軌車等地點，安裝了6臺無線基站，通過井下安全環網連接地面設備，構建瓦斯參數自動上傳的井下無線網絡環境；配套新版瓦斯突出參數測定儀WTC-1以及安裝安全隱患閉環管理APP等應用的本安防爆手機連接無線基站，直接從井下實時上傳測定數據；在地面安裝了服務器、客戶端計算機、網絡交換機等設備，并依托礦井辦公網，與安全監控系統、抽采監測系統連接，搭建了瓦斯災害風險信息采集傳輸的地面網絡環境，如圖2所示。

圖2 網絡環境結構Fig.2 Network environment structure

2.2 多級瓦斯地質動態分析系統

該系統基于超圖GIS平臺進行開發，能實現多種CAD格式圖形文件的導入、導出。具體功能包括自動分析瓦斯含量、瓦斯壓力與埋深、煤厚等要素之間的關系，并進行公式擬合；按照國家標準，自動繪制礦區、煤層、采區、工作面多種級別的瓦斯地質圖：隨著生產活動的進行，動態分析工作面煤層瓦斯賦存變化，對瓦斯地質圖進行自動更新；自動生成瓦斯壓力、瓦斯含量、煤層埋深、煤層厚度等多種專題云圖，比等值線圖更加直觀；在平面上沿任意方向繪制剖切線，自動生成沿剖切線的瓦斯壓力、瓦斯含量、煤層埋深等要素的變化曲線圖。

2.3 工作面瓦斯涌出異常分析系統

瓦斯超限、突出等事故發生前，大多存在瓦斯涌出異常預兆。通過對國內上百座礦井瓦斯涌出規律進行考察研究，總結出近20種瓦斯涌出特征指標。通過對八連城礦瓦斯涌出數據進行考察、分析、總結，優選了瓦斯量指標A和瓦斯解吸指標B，作為工作面瓦斯風險預警的主要指標，如圖3所示。瓦斯涌出異常分析系統能夠實時采集礦井安全監控系統數據，借助涌出特征指標，能夠在線分析工作面瓦斯涌出特征，自動判識瓦斯涌出異常預兆，對瓦斯災害風險進行超前預警。

圖3 瓦斯涌出特征指標Fig.3 Characteristic index of gas emission

2.4 防突信息系統

《防治煤與瓦斯突出細則》在第四十四條明確提出，鼓勵突出礦井建立防突信息系統，實施信息化管理。防突信息系統配備了WTC-1突出參數測定儀，能夠實現突出參數測定結果從井下現場自動上傳到地面，減少了人員填報環節，保證了數據的真實性和及時性；可以自動生成瓦斯參數電子表單，并對電子表單進行數字簽名網絡審批，能夠取代傳統紙質表單，填報、審批、查詢、管理更便捷，并能永久保存；能夠對突出參數進行多角度統計分析，自動生成統計圖表，自動識別“超標、突變、高位波動” 等異常，對煤與瓦斯突出影響因素(地質構造、瓦斯異常、軟分層等)進行超前辨識。

2.5 風網在線監控分析預警系統

風網在線監控分析預警系統是以礦井通風參數精測為基礎，以通風網絡解算為核心，以仿真技術為基礎，實現礦井通風系統圖、三維通風系統圖、通風網絡圖、通風立體圖等四圖一體，實現通風系統輔助設計，通風系統的網絡化管理，通風網絡靜態、動態解算，通風網絡解算與調節，通風系統改造仿真，通風系統的分析與評價，通風異常及時發現和預警，作為生產礦井通風管理的輔助決策支持工具。

2.6 瓦斯抽采管理分析系統

該系統是一個瓦斯抽采專業管理平臺，實現瓦斯抽采從設計到施工再到驗收的全過程管理，以及抽采達標自動在線評判。主要功能為：鉆孔智能設計，包括定向鉆孔、穿層鉆孔、順層鉆孔和高位鉆孔等在內的多種類型瓦斯抽采鉆孔智能設計，自動計算鉆孔設計參數，自動繪制鉆孔設計施工圖，能夠根據鉆孔設計參數和竣工參數，進行鉆孔三維立體展示，并自動生成鉆孔設計圖和竣工圖；連接瓦斯抽采監測系統，自動讀取瓦斯抽采監測數據，或通過Excel文件導入瓦斯抽采人工檢測數據，并在抽采系統圖上對監測、檢測結果進行在線、動態顯示，實時、準確掌握抽采系統的運行情況；對瓦斯抽采量進行在線、動態、自動、分類統計，自動生成相應的統計圖表，實時、自動計算工作面瓦斯抽采率，在線評判礦井各工作面瓦斯抽采是否達標。

2.7 瓦斯災害風險信息管控集成平臺

該平臺主要用于礦井瓦斯災害防治關鍵信息的匯總、分析、集中展示，能夠“一目了然”地掌握礦井瓦斯防治總體情況，實時發布預警結果[14-15]，指導礦井瓦斯防治決策。主要功能包括：對各子系統的所有信息進行采集，并集中存儲；對關鍵數據進行提取、分析，自動生成相應的圖表，并進行展示；以語音、短信等多形式進行預警信息發布；平臺采用云服務架構，并開發有APP軟件，能夠通過手機等移動終端，對平臺信息進行隨時、隨地查詢。

3 結語

面向琿春礦業集團瓦斯災害防治客觀需求，基于國內瓦斯治理先進經驗，采用先進信息化技術手段，經過技術研究、系統開發、硬件安裝、網絡搭建、系統集成等工作，最終成功構建了八連城礦瓦斯災害風險信息管控平臺，實現了包括瓦斯地質、瓦斯涌出、突出預測、瓦斯抽采、安全監控、安全隱患排查、風網動態解算等環節在內的礦井瓦斯防治全方位、全過程管控，達到了礦井瓦斯災害提前預警、超前防控的目的，為礦井的安全、高效開采提供保障。

下一步，還將在礦井防塵、防火、礦壓等方面進行深入研究，豐富煤礦災害風險管控平臺內容，打造一個全方位、綜合型的礦井安全管控平臺，進一步提升礦井安全管理的自動化、信息化、智能化水平，強化礦井安全管理能力，為礦井安全生產保駕護航。