煤礦在線智能應(yīng)急預(yù)警系統(tǒng)的研究與應(yīng)用

劉旭東

(國(guó)家能源集團(tuán)新疆能源公司 烏東煤礦，新疆 烏魯木齊 830000)

瓦斯突出事故是影響煤礦生產(chǎn)最嚴(yán)重的災(zāi)害，經(jīng)常造成嚴(yán)重的破壞或次發(fā)災(zāi)害[1]。此外，隨著開(kāi)采深度和強(qiáng)度的增加，氣體含量和氣體壓力不斷增加，加劇了爆炸的風(fēng)險(xiǎn)。瓦斯突出防治的第1步是根據(jù)突出的前體信息來(lái)判斷爆發(fā)的概率和強(qiáng)度。預(yù)報(bào)和預(yù)警系統(tǒng)的準(zhǔn)確性對(duì)突發(fā)事故的防治起著重要作用。瓦斯突出與地質(zhì)結(jié)構(gòu)、吸附特性等因素密切相關(guān)[2]。通過(guò)長(zhǎng)期和不懈的努力，來(lái)自多個(gè)國(guó)家的研究人員在了解爆發(fā)機(jī)制的基礎(chǔ)上，提出了各種爆發(fā)預(yù)測(cè)方法[3]。但大多采用單一指標(biāo)的預(yù)測(cè)方法。然而，某一預(yù)測(cè)指標(biāo)只能間接和部分地反映風(fēng)險(xiǎn)的某個(gè)方面，而不能從多個(gè)方向反映風(fēng)險(xiǎn)。因此，本文對(duì)某煤礦進(jìn)行了研究，結(jié)合礦山生產(chǎn)過(guò)程、地質(zhì)資料和200多種歷史氣體動(dòng)態(tài)現(xiàn)象，對(duì)多源信息進(jìn)行綜合分析，建立綜合預(yù)警指標(biāo)系統(tǒng)和煤礦模型。上述多源信息包括瓦斯地質(zhì)、采礦影響、每日預(yù)測(cè)、瓦斯排放、礦井壓力和抗爆破措施。此外，利用該模型建立了在線綜合系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫(kù)，進(jìn)行了煤氣爆炸的預(yù)測(cè)，實(shí)現(xiàn)了工作面爆發(fā)危險(xiǎn)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和智能識(shí)別。

1 瓦斯突出的影響因素

1.1 地質(zhì)結(jié)構(gòu)

研究表明，超過(guò)90%的顯著瓦斯爆發(fā)集中在地質(zhì)構(gòu)造軸線的強(qiáng)變形區(qū)域[4]。根據(jù)天然氣地質(zhì)劃分理論對(duì)突出區(qū)域的預(yù)測(cè)表明，地質(zhì)結(jié)構(gòu)是控制突出的主要地質(zhì)因素[5]。軟煤的厚度和煤層的瓦斯含量是預(yù)測(cè)突出區(qū)的主要地質(zhì)指標(biāo)。地質(zhì)構(gòu)造通過(guò)控制氣體的發(fā)生、煤結(jié)構(gòu)的類型和結(jié)構(gòu)應(yīng)力狀態(tài)來(lái)控制爆發(fā)[6]。隨著煤層埋深的增加，甲烷的比例增加，氣體含量增加。以本研究所在煤礦為例，煤礦第一次爆發(fā)地點(diǎn)深度為390 m，80%以上的瓦斯爆炸發(fā)生在430 m以上的礦面，隨著深度的增加，瓦斯爆發(fā)強(qiáng)度增加，平均和最大氣體排放顯著增加，如圖1所示。

圖1 氣體排放量與爆發(fā)深度的統(tǒng)計(jì)關(guān)系

根據(jù)煤礦發(fā)生瓦斯突出事故統(tǒng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)60%的噴發(fā)與地質(zhì)構(gòu)造(包括斷層、侵蝕帶、向斜構(gòu)造)有關(guān)，如圖2所示。這意味著在一定的范圍內(nèi)與地質(zhì)構(gòu)造的距離不同，突出的風(fēng)險(xiǎn)增加。

圖2 突出性地質(zhì)構(gòu)造之間的統(tǒng)計(jì)關(guān)系

1.2 采礦活動(dòng)

采礦活動(dòng)破壞原巖體的應(yīng)力平衡，導(dǎo)致巖體內(nèi)應(yīng)力重新分布，從而形成應(yīng)力增高區(qū)[7]。當(dāng)煤層工作面處于采礦引起的應(yīng)力增高區(qū)時(shí)，存在較大的突出危險(xiǎn)，必須迅速采取措施，以消除危險(xiǎn)。為確定采礦效應(yīng)預(yù)警指標(biāo)與突出危險(xiǎn)等級(jí)的關(guān)系，需要分析相鄰層、煤層、交叉工作面的采礦影響范圍，確定預(yù)警工作面與其應(yīng)力增高區(qū)的距離[8]。

1.3 礦井壓力

礦井壓力可以破壞煤體，并改變煤層孔隙斷裂結(jié)構(gòu)、解吸特性和滲透性等物理特性，從而使煤體內(nèi)吸附的氣體大量分解，導(dǎo)致氣體壓力急劇上升，為加速突出發(fā)展提供了能源。典型礦井壓力和鉆屑解吸指標(biāo)K1值的變化曲線如圖3所示。由圖3可以看出，兩者的變化具有一致性。采用相關(guān)分析方法對(duì)壓力警告閾值分別為43 MPa和55 MPa的情形進(jìn)行定量分析。根據(jù)最大安全原則，應(yīng)該以43 MPa作為臨界礦井壓力警告值，且其精度受K1值與礦井壓力的相關(guān)性顯著影響。因此，增加每天觀察礦井壓力特性作為礦井壓力閾值警告的輔助指示器，可以提高預(yù)警系統(tǒng)的準(zhǔn)確性。因?yàn)橄锏赖坠摹㈨敯逑鲁恋仁堑V井壓力的結(jié)果[9]，這很大程度上反映了工作面礦井壓力。

圖3 礦井壓力與K1值之間的關(guān)系

2 煤礦在線智能應(yīng)急預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 瓦斯突出預(yù)測(cè)指標(biāo)

瓦斯突出預(yù)測(cè)指標(biāo)的研究是預(yù)測(cè)實(shí)施的前提和基礎(chǔ)。根據(jù)近年來(lái)突發(fā)事故分析，存在引起瓦斯突出的2個(gè)基本來(lái)源：①工作面客觀存在的突出危險(xiǎn)，如煤層力學(xué)性質(zhì)、氣的發(fā)生、地質(zhì)構(gòu)造和采礦應(yīng)力集中[10]；②與抗爆措施重大缺陷相關(guān)的事件，如鉆井施工中無(wú)預(yù)測(cè)實(shí)施(有效性檢查)和非標(biāo)準(zhǔn)化預(yù)測(cè)(有效檢查)。這些事件是導(dǎo)致瓦斯爆發(fā)的危險(xiǎn)來(lái)源，是構(gòu)成預(yù)警的主要依據(jù)。因此，根據(jù)礦山生產(chǎn)過(guò)程和歷史瓦斯災(zāi)害特點(diǎn)，構(gòu)建了基于瓦斯地質(zhì)、采礦效應(yīng)、日常預(yù)測(cè)、瓦斯排放、地面應(yīng)力、預(yù)防措施6個(gè)信息方面的綜合性預(yù)警系統(tǒng)指標(biāo)系統(tǒng)，如圖4所示。

圖4 綜合性預(yù)警系統(tǒng)指標(biāo)系統(tǒng)

2.2 預(yù)警系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

預(yù)警系統(tǒng)服務(wù)器設(shè)置在網(wǎng)絡(luò)中心室，通過(guò)局域網(wǎng)接入氣體監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)服務(wù)器，直接采集實(shí)時(shí)氣體監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。客戶端計(jì)算機(jī)分布在防爆破辦公室和大地測(cè)量部門(mén)等多個(gè)部門(mén)。該系統(tǒng)的物理結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 預(yù)警系統(tǒng)物理結(jié)構(gòu)

在充分考慮煤礦組織結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，構(gòu)建了地質(zhì)調(diào)查管理、瓦斯地質(zhì)動(dòng)態(tài)分析、爆發(fā)動(dòng)態(tài)管理分析、瓦斯排放動(dòng)態(tài)分析(KJA)、采礦壓力監(jiān)測(cè)和預(yù)警系統(tǒng)等子系統(tǒng)。除了各職能部門(mén)的日常管理工作外，各子系統(tǒng)還為綜合預(yù)警系統(tǒng)提供相應(yīng)的基本數(shù)據(jù)。例如，地質(zhì)勘察管理系統(tǒng)提供綜合預(yù)警分析的基本數(shù)據(jù)，如防預(yù)防工作面位置和基本開(kāi)采參數(shù)、相鄰空間采礦部署、地質(zhì)結(jié)構(gòu)信息、地質(zhì)鉆探信息。預(yù)警系統(tǒng)根據(jù)這些數(shù)據(jù)計(jì)算和檢查工作面的空間位置關(guān)系。綜合爆發(fā)預(yù)警平臺(tái)主要定制預(yù)警規(guī)則和指標(biāo)參數(shù)，查詢、分析和發(fā)布預(yù)警信息。

2.3 動(dòng)態(tài)安全信息數(shù)據(jù)庫(kù)

瓦斯突出預(yù)警系統(tǒng)是多個(gè)子系統(tǒng)有機(jī)組合協(xié)同運(yùn)行形成的復(fù)雜系統(tǒng)。在預(yù)警系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，子系統(tǒng)分布在不同的功能部門(mén)，分布在不同的空間位置。每個(gè)子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理和輸出都是高度共享的；然而，每個(gè)子系統(tǒng)都有自己的重點(diǎn)。因此，動(dòng)態(tài)安全信息數(shù)據(jù)庫(kù)是分布式的。數(shù)據(jù)庫(kù)(DB)存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)使其易于使用，并最小化數(shù)據(jù)冗余、數(shù)據(jù)丟失和混亂。動(dòng)態(tài)安全信息數(shù)據(jù)庫(kù)需要存儲(chǔ)具有煤層氣空間特征和煤層氣發(fā)生、井工程、地質(zhì)構(gòu)造等雙重特征的空間對(duì)象數(shù)據(jù)，并利用開(kāi)采進(jìn)度、抗爆破措施、日常預(yù)測(cè)、瓦斯監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)等非空間對(duì)象數(shù)據(jù)。因此，動(dòng)態(tài)空間信息數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)使用關(guān)系數(shù)據(jù)模型。根據(jù)各子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)流分析，結(jié)合煤礦現(xiàn)場(chǎng)各部門(mén)的職責(zé)，設(shè)計(jì)了動(dòng)態(tài)安全信息數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)構(gòu)，將相應(yīng)數(shù)據(jù)庫(kù)劃分為6個(gè)早期綜合子系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)，包括預(yù)警、地質(zhì)測(cè)量、氣體地質(zhì)、動(dòng)態(tài)防御數(shù)據(jù)庫(kù)、礦井壓力數(shù)據(jù)庫(kù)、氣體排放動(dòng)態(tài)特征數(shù)據(jù)庫(kù)，存儲(chǔ)子系統(tǒng)所使用的必要數(shù)據(jù)，減少各子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)訪問(wèn)時(shí)間，提高運(yùn)行響應(yīng)速度。

動(dòng)態(tài)安全信息數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)構(gòu)如圖6所示。其中，綜合預(yù)警數(shù)據(jù)庫(kù)是其他幾個(gè)子系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)的交集，存儲(chǔ)從其他子系統(tǒng)收集的基本管理信息和預(yù)警所需的相關(guān)專業(yè)信息，包括公共關(guān)系表、基本空間數(shù)據(jù)和各種子系統(tǒng)信息表。根據(jù)基本空間數(shù)據(jù)的物理類型和使用差異，分為地面、地下非煤層、煤層，以及相應(yīng)建立的基本空間特征集。地質(zhì)測(cè)量數(shù)據(jù)庫(kù)主要存儲(chǔ)地質(zhì)測(cè)量管理子系統(tǒng)所需的大地測(cè)量數(shù)據(jù)，為綜合預(yù)警系統(tǒng)提供基本的空間坐標(biāo)信息。它使用SQL Server 2008 Express作為數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)，并通過(guò)數(shù)據(jù)同步與一個(gè)全面的警報(bào)數(shù)據(jù)庫(kù)交換數(shù)據(jù)。氣體地質(zhì)數(shù)據(jù)庫(kù)主要存儲(chǔ)瓦斯地質(zhì)分析子系統(tǒng)運(yùn)行所需的煤層發(fā)生信息、地質(zhì)勘探、放氣和基本氣體參數(shù)(壓力、含量、噴氣量等)，重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)危險(xiǎn)區(qū)域劃分，與綜合預(yù)警數(shù)據(jù)庫(kù)同步，提供天然氣地質(zhì)信息。抗爆動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)主要存儲(chǔ)抗爆措施設(shè)計(jì)信息、每日預(yù)測(cè)(有效檢查)鉆井施工和指標(biāo)測(cè)量信息、抗爆破措施施工信息、防沖擊施工地圖信息，并通過(guò)接口和綜合預(yù)警數(shù)據(jù)庫(kù)同步實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸。KJA數(shù)據(jù)庫(kù)用于存儲(chǔ)從氣體監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)庫(kù)、氣體監(jiān)測(cè)中采樣的傳感器信息，監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)分析結(jié)果，并通過(guò)接口與綜合預(yù)警數(shù)據(jù)庫(kù)保持實(shí)時(shí)同步。礦井壓力數(shù)據(jù)庫(kù)用于存儲(chǔ)礦井壓力監(jiān)測(cè)信息和礦井壓力觀測(cè)指數(shù)信息，以及工作面開(kāi)采的時(shí)空信息，并通過(guò)接口與綜合預(yù)警數(shù)據(jù)庫(kù)保持實(shí)時(shí)同步。

圖6 動(dòng)態(tài)安全信息數(shù)據(jù)庫(kù)

3 在線集成系統(tǒng)的應(yīng)用

3.1 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)地介紹

為驗(yàn)證系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和有效性，選擇某大型煤礦的3號(hào)、8號(hào)煤層中的車(chē)道作為分析對(duì)象。2層煤層平均距離約為48 m，其中3號(hào)煤層厚2.34～3.05 m，平均厚2.56 m，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，煤層主要由低灰、低硫的優(yōu)質(zhì)無(wú)煙煤、鏡面煤、亮煤和內(nèi)源性裂隙組成。其中，南八車(chē)道南側(cè)為單斜結(jié)構(gòu)，呈東南走向，煤層傾角為3°～6°；中間區(qū)域?yàn)楸承苯Y(jié)構(gòu)，有1個(gè)西北軸線，傾角為2°～5°；北側(cè)為單斜結(jié)構(gòu)，呈東南走向，煤層傾角為3°～10°。7212切割車(chē)道位于北側(cè)的中部，煤層主要由鏡面煤和亮煤組成，內(nèi)源性裂隙發(fā)育。7212切割車(chē)道所在區(qū)域是具有東南傾向的單斜結(jié)構(gòu)，煤層傾角為3°～11°。北面靠近沖洗帶，可能影響整個(gè)駕駛面的突出危險(xiǎn)。8號(hào)煤層較為穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，為無(wú)煙煤，中灰、中硫，磷含量中。煤層主要由半亮煤組成，形成了內(nèi)源性裂縫。其中，北第六輔助車(chē)道南面是具有東北向軸的背斜結(jié)構(gòu)，傾角為2°～7°；中間部分為斜向結(jié)構(gòu)，傾角為2°～6°；北側(cè)為有西向傾向的單斜結(jié)構(gòu)，傾角為3°～5°。為檢查工作面區(qū)域突出的危險(xiǎn)性，區(qū)域測(cè)量效果試驗(yàn)采用含氣量指標(biāo)，指標(biāo)臨界值為7 m3/t。采用工作面預(yù)測(cè)方法進(jìn)行區(qū)域驗(yàn)證。采用預(yù)采煤層氣區(qū)域抗爆破措施，根據(jù)主孔實(shí)際施工深度確定推進(jìn)程度。超前儲(chǔ)量距離不小于20 m。

3.2 預(yù)警驗(yàn)證

根據(jù)防爆及地質(zhì)部門(mén)提供的相關(guān)資料，試驗(yàn)期間南八車(chē)道產(chǎn)生了2大突出風(fēng)險(xiǎn)：①2013年2月2日，預(yù)測(cè)K1值達(dá)到1.28 mL/(g·min1/2)，軟層厚度為0.8 m；②2013年3月11日，顯示正常故障，軟層厚度下降0.8 m。1月30日午夜，趨勢(shì)預(yù)警階段為“橙色”，2月1日4：00，趨勢(shì)預(yù)警升級(jí)為“紅色”，2月2日8：00，狀態(tài)預(yù)警升級(jí)為“危險(xiǎn)”，趨勢(shì)預(yù)警為“橙色”，K1預(yù)測(cè)超標(biāo)時(shí)，該預(yù)警過(guò)程觸發(fā)因素為氣體排放，預(yù)警如圖7所示。預(yù)警結(jié)果準(zhǔn)確，提前預(yù)測(cè)較好(比K1預(yù)測(cè)提前2 d)。另外，2月2日軟層厚度超過(guò)0.3 m預(yù)警閾值，預(yù)警系統(tǒng)從氣地質(zhì)方面進(jìn)入“預(yù)警”狀態(tài)，提醒有關(guān)部門(mén)加強(qiáng)保護(hù)。氣體排放的預(yù)測(cè)與預(yù)警曲線如圖7所示。

圖7 氣體排放的預(yù)測(cè)與預(yù)警曲線

同時(shí)，2013年3月7日8：00，趨勢(shì)預(yù)警為“橙色”，觸發(fā)因素為氣體地質(zhì)，表示工作面距結(jié)構(gòu)影響范圍在10 m以內(nèi)；3月8日8：00趨勢(shì)預(yù)警升級(jí)為“紅色”，狀態(tài)警告為“警告”，表示工作面進(jìn)入結(jié)構(gòu)影響范圍；3月9日午夜，預(yù)警系統(tǒng)對(duì)氣體排放發(fā)出“橙色”警告；10日午夜，升級(jí)為“紅色”警告，表明氣體排放在地質(zhì)構(gòu)造的影響下出現(xiàn)異常。預(yù)警過(guò)程從氣體地質(zhì)和氣體排放方面警告工作面前的突出危險(xiǎn)。突出災(zāi)害特征與理論研究和現(xiàn)場(chǎng)情況完全一致，進(jìn)一步證明預(yù)警系統(tǒng)預(yù)測(cè)可靠。

3.3 預(yù)警結(jié)果等級(jí)分析

工作面的危險(xiǎn)程度與天然氣地質(zhì)條件、防爆破措施和工作面所在區(qū)域的采礦部署等各種因素有關(guān)。綜合預(yù)警結(jié)果從不同角度判斷工作面爆發(fā)危險(xiǎn)，統(tǒng)計(jì)各種工作面。開(kāi)挖過(guò)程中不同等級(jí)預(yù)警結(jié)果比例的差異可反映工作面的整體危險(xiǎn)風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)，通過(guò)比較同一工作面上各類預(yù)警指標(biāo)的分布，可以反映工作面的風(fēng)險(xiǎn)敏感指標(biāo)。

以3號(hào)煤層南八車(chē)道、7212切割車(chē)道、8號(hào)煤層北六輔助車(chē)道為例，進(jìn)行了預(yù)警效果比較分析。通過(guò)比較各工作面各級(jí)預(yù)警結(jié)果的比例，測(cè)試了預(yù)警結(jié)果的爆發(fā)危險(xiǎn)性與實(shí)際工作面是否一致。不同工作面預(yù)警結(jié)果等級(jí)統(tǒng)計(jì)如圖8所示。①北六輔車(chē)道的預(yù)警結(jié)果水平明顯低于南八車(chē)道，這與實(shí)際情況完全一致，因?yàn)?號(hào)煤層的整體變質(zhì)程度低于3號(hào)，且含氣量低于3號(hào)煤層。此外，3號(hào)煤礦開(kāi)采對(duì)北第六車(chē)道上部分下煤層的卸壓作用大大降低了北第六輔助車(chē)道駕駛面的突出危險(xiǎn)。②南八車(chē)道警告等級(jí)低于7212切割車(chē)道，與實(shí)際情況一致。7212切割道位于沖刷結(jié)構(gòu)帶邊緣，工作面突出危險(xiǎn)受沖刷帶影響較大。雖然7212切割車(chē)道工作面采取了更密集的防爆破措施，保持隧道速度小，但檢查期間仍有2個(gè)K1值超標(biāo)，最大達(dá)到1.73 mL/(g·min1/2)。這表明，7212切割車(chē)道確實(shí)有嚴(yán)重的突出危險(xiǎn)。可以看出，預(yù)警結(jié)果與工作面的實(shí)際危險(xiǎn)風(fēng)險(xiǎn)一致，反映了不同工作面的總體風(fēng)險(xiǎn)。

圖8 不同工作面預(yù)警結(jié)果等級(jí)統(tǒng)計(jì)

4 結(jié)論

對(duì)多年來(lái)煤礦瓦斯突出的規(guī)律性、地質(zhì)條件、采礦部署特點(diǎn)和突出預(yù)防技術(shù)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析。根據(jù)地下實(shí)測(cè)資料，分析了瓦斯地質(zhì)、采礦效應(yīng)、日預(yù)測(cè)、瓦斯排放、采礦壓力以及防止新井礦工作面突出危險(xiǎn)的方法。建立了各種因素與爆發(fā)危險(xiǎn)的演化特征之間的關(guān)系。最后，建立了新疆煤礦煤瓦斯突出在線綜合分析預(yù)警指標(biāo)系統(tǒng)和規(guī)則。基于指標(biāo)系統(tǒng)和模型，結(jié)合礦山日常預(yù)防管理、地質(zhì)調(diào)查管理系統(tǒng)、瓦斯地質(zhì)動(dòng)態(tài)分析系統(tǒng)、抗爆動(dòng)態(tài)管理分析系統(tǒng)、氣氣排放動(dòng)力學(xué)分析系統(tǒng)、采礦進(jìn)度管理、礦井壓力監(jiān)測(cè)和預(yù)警系統(tǒng)以及瓦斯突出綜合預(yù)警平臺(tái)，進(jìn)行了自適應(yīng)調(diào)整。同時(shí)，建立了綜合預(yù)警軟件系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了綜合風(fēng)險(xiǎn)分析和預(yù)警功能。研究了該預(yù)測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用效果。結(jié)果表明，該系統(tǒng)可以保證早期預(yù)警。系統(tǒng)連續(xù)穩(wěn)定，預(yù)警結(jié)果及時(shí)準(zhǔn)確。預(yù)警結(jié)果的準(zhǔn)確性較高，與工作面的實(shí)際風(fēng)險(xiǎn)一致。