煤礦沖擊地壓和煤與瓦斯突出感知報警方法研究

孫繼平， 程繼杰

(中國礦業(yè)大學(北京) 機電與信息工程學院， 北京 100083)

0 引言

煤炭是我國的主要能源，約占我國一次能源生產(chǎn)量的70%、消費量的60%。煤炭開采受瓦斯、水、火、沖擊地壓和頂板等事故困擾[1-4]。沖擊地壓和煤與瓦斯突出是煤礦重特大事故，發(fā)生突然，破壞性強，會造成設備和巷道損毀，人員和設備掩埋，巷道堵塞，通風不暢，瓦斯積聚。因此，有必要及時發(fā)現(xiàn)沖擊地壓和煤與瓦斯突出事故并報警，停電并停止作業(yè)，及時撤出井下人員，盡早疏通被堵塞巷道，盡早救出遇險人員，避免次生災害發(fā)生，減少人員傷亡和財產(chǎn)損失[3-4]。

目前沖擊地壓和煤與瓦斯突出研究主要集中在致災機理、預報預警和災害防治方面，感知報警研究較少。文獻[5]提出了基于甲烷濃度、風向、風速、傳感器故障的煤與瓦斯突出報警方法，當滿足下列條件時，發(fā)出煤與瓦斯突出報警信號：甲烷濃度迅速增高或超過報警濃度，且風速不低于正常值；甲烷濃度迅速增高或超過報警濃度，進風巷風流逆轉(zhuǎn)；進風巷甲烷濃度迅速增高或超過報警濃度等。該方法已被AQ 6201—2019《煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)通用技術要求》和AQ 1029—2019《煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)及檢測儀器使用與管理規(guī)范》采納，在全國煤炭行業(yè)推廣應用。文獻[6]提出了基于聲音的沖擊地壓、煤與瓦斯突出、瓦斯和煤塵爆炸(包括瓦斯爆炸、煤塵爆炸、瓦斯煤塵爆炸)、水災等事故報警方法。文獻[7-15]提出了礦井水災、火災、瓦斯和煤塵爆炸事故感知和報警方法。但是，目前沖擊地壓感知報警主要依靠人工完成，存在災害發(fā)現(xiàn)不及時、災情上報時間長、災后響應速度慢等問題。特別當災區(qū)人員全部遇險遇難，將無法上報事故，喪失寶貴的應急救援時間[3-4]。因此，研究沖擊地壓感知報警方法，具有重要的理論意義和實用價值。同時，研究新的煤與瓦斯突出感知報警方法，對促進煤與瓦斯突出感知報警技術進步具有重要意義。

1 基于溫度的沖擊地壓和煤與瓦斯突出感知報警方法

地下煤和巖石(以下簡稱煤巖)溫度隨深度變化而變化。靠近地表的是變溫帶，隨地面溫度變化而變化，冬天溫度低，夏天溫度高；越靠近地表，受地表溫度影響越大。變溫帶下面是恒溫帶，深度一般為20～30 m[16]，恒溫帶溫度接近于當?shù)啬昶骄鶞囟龋赜虿煌銣貛囟炔煌话銥?～23 ℃[16]。恒溫帶下面是增溫帶，每向下延伸100 m，溫度增加3 ℃[16]。增溫帶煤巖溫度為[16]

t=t0+k(H-H0)

(1)

式中：t0為恒溫帶溫度，℃；k為煤巖溫度隨深度變化率，℃/m；H為煤巖距地表深度，m；H0為恒溫帶深度，m。

根據(jù)《煤礦安全規(guī)程》第八十六條“新建非突出大中型礦井開采深度(第一水平)不應超過1 000 m，改擴建大中型礦井開采深度不應超過1 200 m，新建、改擴建小型礦井開采深度不應超過600 m”，取H=1 200 m，并將H0=20 m、t0=23 ℃、k=0.03 ℃/m代入式(1)，得到最大煤巖溫度為58.4 ℃。

為稀釋瓦斯，降低煤礦井下環(huán)境和設備溫度，為煤礦井下作業(yè)人員提供新鮮空氣，煤礦井下必須采用機械通風。煤礦井下采掘工作面空氣溫度一般不大于30 ℃，機電設備硐室空氣溫度一般不大于34 ℃。《煤礦安全規(guī)程》第六百五十五條規(guī)定，當采掘工作面空氣溫度大于30 ℃、機電設備硐室空氣溫度大于34 ℃時，必須停止作業(yè)。

掘進和回采形成的暴露煤巖溫度隨暴露時間增加，逐漸接近于環(huán)境溫度。未暴露煤巖溫度一般高于煤礦井下環(huán)境溫度和已暴露煤巖溫度。因此，可根據(jù)沖擊地壓和煤與瓦斯突出噴出的煤巖溫度高于環(huán)境溫度和已暴露煤巖溫度的特征，感知沖擊地壓和煤與瓦斯突出；再通過甲烷濃度是否迅速升高，區(qū)分沖擊地壓和煤與瓦斯突出。

煤礦井下作業(yè)人員體溫和運行的機電設備溫度高于環(huán)境溫度和已暴露煤巖溫度，但作業(yè)人員和機電設備的數(shù)量、體積和面積遠小于沖擊地壓和煤與瓦斯突出噴出的煤巖數(shù)量、體積和面積。因此，可根據(jù)高于環(huán)境溫度物體的數(shù)量、體積和面積，排除煤礦井下作業(yè)人員體溫和運行的機電設備溫度對沖擊地壓和煤與瓦斯突出感知的干擾。

瓦斯和煤塵爆炸的溫度大于1 850 ℃[17]，遠高于環(huán)境溫度。礦井火災溫度大于270 ℃(褐煤的著火溫度為270～350 ℃，煙煤的著火溫度為320～380 ℃，無煙煤的著火溫度為400 ℃，燃燒溫度遠高于著火溫度)[17]，遠高于環(huán)境溫度。而未暴露煤巖最高溫度為58.4 ℃。因此，可根據(jù)高溫，排除瓦斯和煤塵爆炸、礦井火災對沖擊地壓和煤與瓦斯突出感知的干擾。

通過上述分析研究，筆者提出了基于溫度的沖擊地壓和煤與瓦斯突出感知報警方法，流程如圖1所示。使用紅外熱像儀等監(jiān)測物體溫度，使用甲烷傳感器監(jiān)測環(huán)境甲烷濃度；當物體溫度高于煤礦井下環(huán)境溫度和已暴露煤巖溫度，并且高于環(huán)境溫度和已暴露煤巖溫度的物體數(shù)量較多、體積和面積較大，則判定發(fā)生沖擊地壓、煤與瓦斯突出、礦井火災或瓦斯和煤塵爆炸事故；進一步判別高溫物體溫度，若大于設定閾值A(A≥150 ℃)，則判定發(fā)生礦井火災或瓦斯和煤塵爆炸事故，反之，則判定發(fā)生沖擊地壓或煤與瓦斯突出事故；進一步分析甲烷濃度變化，若甲烷濃度迅速升高，則判定發(fā)生煤與瓦斯突出事故，反之，則判定發(fā)生沖擊地壓事故。

圖1 基于溫度的沖擊地壓和煤與瓦斯突出感知 報警方法流程Fig.1 Flow of rock burst and coal and gas outburst perception alarm method based on temperature

2 基于速度的沖擊地壓和煤與瓦斯突出感知報警方法

沖擊地壓和煤與瓦斯突出會導致大量煤巖突然破壞并拋向巷道空間，造成大量煤巖短時間移動速度異常增加；噴出的煤巖和強氣流等會對設備和支護等造成高能量沖擊，導致支護和設備損毀、瞬間移位和傾倒等，支護和設備短時間內(nèi)移動速度異常增加；隨著與災源距離的增加，噴出的煤巖移動速度逐漸減小。文獻[18]通過實驗觀測到，在卸壓口暴露的瞬間發(fā)生持續(xù)時間約0.5 s的煤粉噴出現(xiàn)象，噴出速度達50 m/s。因此，可通過監(jiān)測物體移動速度異常，感知沖擊地壓和煤與瓦斯突出；通過監(jiān)測和分析不同地點的物體移動速度異常增加、發(fā)生的先后時序關系和傳感器損壞情況等，判定災源；再通過甲烷濃度是否迅速升高，區(qū)分沖擊地壓和煤與瓦斯突出。

為防止事故發(fā)生，《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定了煤礦井下設備最大移動速度：① 第三百四十條規(guī)定，井下用機車運送爆炸物品時，列車行駛速度不得超過2 m/s。② 第三百四十一條規(guī)定，水平巷道和傾斜巷道內(nèi)有可靠的信號裝置時，可以用鋼絲繩牽引的車輛運送爆炸物品，運輸速度不得超過1 m/s。③ 第三百七十五條規(guī)定，生產(chǎn)礦井采用鋼絲繩牽引帶式輸送機運輸時，運行速度不得超過1.8 m/s。④ 第三百八十三條規(guī)定，采用架空乘人裝置運送人員時，最大運行速度不得超過1.7 m/s。⑤ 第三百八十五條規(guī)定，采用平巷人車運送人員時，列車行駛速度不得超過4 m/s。⑥ 第三百九十二條規(guī)定，采用無軌膠輪車運人時運行速度不得超過25 km/h(6.94 m/s)，運送物料時運行速度不得超過40 km/h(11.11 m/s)。

在正常情況下，煤礦井下作業(yè)人員和設備移動速度不大于11.11 m/s，遠小于沖擊地壓和煤與瓦斯突出發(fā)生時煤巖的噴出速度。因此，可以通過監(jiān)測速度異常，感知沖擊地壓和煤與瓦斯突出事故；再通過甲烷濃度是否迅速升高，區(qū)分沖擊地壓和煤與瓦斯突出。

瓦斯和煤塵爆炸也會發(fā)生物體速度異常，但速度異常物體的數(shù)量、體積和面積，遠小于沖擊地壓和煤與瓦斯突出噴出的煤巖數(shù)量、體積和面積。因此，可根據(jù)速度異常物體的數(shù)量、體積和面積，排除瓦斯和煤塵爆炸對沖擊地壓和煤與瓦斯突出感知的干擾。

通過上述分析研究，筆者提出了基于速度的沖擊地壓和煤與瓦斯突出感知報警方法，流程如圖2所示。使用激光雷達、毫米波雷達、超聲波雷達、雙目視覺攝像機等監(jiān)測物體移動速度，使用甲烷傳感器監(jiān)測環(huán)境甲烷濃度；當物體移動速度不小于設定閾值B(B>11.11 m/s，考慮超速10%和測量誤差，可取B=13 m/s)時，則判定發(fā)生沖擊地壓、煤與瓦斯突出或瓦斯和煤塵爆炸事故；進一步判別速度異常物體的數(shù)量、體積和面積，若速度異常物體的數(shù)量較少、體積和面積較小，則判定發(fā)生瓦斯和煤塵爆炸事故，若速度異常物體的數(shù)量較多、體積和面積較大，則判定發(fā)生沖擊地壓或煤與瓦斯突出事故；進一步分析甲烷濃度變化，若甲烷濃度迅速升高，則判定發(fā)生煤與瓦斯突出事故，反之，則判定發(fā)生沖擊地壓事故。

圖2 基于速度的沖擊地壓和煤與瓦斯突出感知 報警方法流程Fig.2 Flow of rock burst and coal and gas outburst perception alarm method based on velocity

3 多信息融合的沖擊地壓和煤與瓦斯突出感知報警及災源判定方法

沖擊地壓和煤與瓦斯突出是2種不同的煤巖動力災害，內(nèi)在作用機理不同，但外在顯現(xiàn)規(guī)律具有一定的相似性。煤與瓦斯突出除具有沖擊地壓特征外，還具有大量瓦斯氣體噴出、甲烷濃度迅速升高等特征。

沖擊地壓和煤與瓦斯突出具有以下特征：① 大量煤巖突然破壞并拋向巷道空間；大量噴出的煤巖在巷道空間擴散、堆積。② 噴出煤巖的溫度高于正常生產(chǎn)時礦井環(huán)境溫度和已暴露煤巖溫度。③ 噴出煤巖的最大速度高于正常生產(chǎn)時礦井車輛、設備和人員最大移動速度。④ 造成巷道支護和機電設備等損毀、傾倒、變形、移動，移動速度和加速度異常。⑤ 造成水管、電纜、瓦斯抽采管路等損毀、墜落。⑥ 巷道支護和機電設備被噴出的煤巖覆蓋，覆蓋面積異常，被覆蓋面積變化速度與變化加速度異常。⑦ 產(chǎn)生大量粉塵。⑧ 產(chǎn)生煤巖破碎聲響和強烈震動。⑨ 造成礦井風速和空氣壓力迅速增大后回落，風流反向；通風系統(tǒng)損毀。產(chǎn)生紅外輻射和電磁輻射。造成井下作業(yè)人員傷亡。沖擊地壓時甲烷濃度不會突然大幅升高，煤與瓦斯突出時甲烷濃度會突然大幅升高，這是區(qū)分沖擊地壓和煤與瓦斯突出的主要指標。

為進一步提高沖擊地壓和煤與瓦斯突出報警準確率，根據(jù)煤礦沖擊地壓和煤與瓦斯突出特征，筆者提出了多信息融合的沖擊地壓和煤與瓦斯突出感知報警及災源判定方法：監(jiān)測并融合溫度、速度、加速度、掩埋深度、聲音、氣壓、風速、風向、粉塵、甲烷濃度、設備狀態(tài)、微震、地音、應力、紅外輻射、電磁輻射、圖像等多種信息，感知沖擊地壓和煤與瓦斯突出；通過不同位置參數(shù)變化的幅度、先后時序關系及傳感器損壞情況，判定災源。

4 結論

(1) 未暴露煤巖溫度一般高于煤礦井下環(huán)境溫度和已暴露煤巖溫度。因此，可根據(jù)沖擊地壓和煤與瓦斯突出噴出的煤巖溫度高于環(huán)境溫度和已暴露煤巖溫度的特征，感知沖擊地壓和煤與瓦斯突出；再通過甲烷濃度是否迅速升高，區(qū)分沖擊地壓和煤與瓦斯突出。煤礦井下作業(yè)人員體溫和運行的機電設備溫度高于環(huán)境溫度和已暴露煤巖溫度，但作業(yè)人員和機電設備的數(shù)量、體積和面積遠小于沖擊地壓和煤與瓦斯突出噴出的煤巖數(shù)量、體積和面積。因此，可根據(jù)高于環(huán)境溫度和已暴露煤巖溫度物體的數(shù)量、體積和面積，排除運行的機電設備溫度和煤礦井下作業(yè)人員體溫對沖擊地壓和煤與瓦斯突出感知的干擾。瓦斯和煤塵爆炸的溫度大于1 850 ℃，遠高于環(huán)境溫度。礦井火災溫度大于270 ℃，遠高于環(huán)境溫度。未暴露煤巖最高溫度為58.4 ℃。因此，可根據(jù)高溫，排除瓦斯和煤塵爆炸、礦井火災對沖擊地壓和煤與瓦斯突出感知的干擾。

(2) 提出的基于溫度的沖擊地壓和煤與瓦斯突出感知報警方法，不僅可用于沖擊地壓和煤與瓦斯突出事故感知和報警，還可用于礦井火災、瓦斯和煤塵爆炸事故感知和報警：使用紅外熱像儀等監(jiān)測物體溫度，使用甲烷傳感器監(jiān)測環(huán)境甲烷濃度；當物體溫度高于煤礦井下環(huán)境溫度和已暴露煤巖溫度，并且高于環(huán)境溫度和已暴露煤巖溫度的物體數(shù)量較多、體積和面積較大，則判定發(fā)生沖擊地壓、煤與瓦斯突出、礦井火災或瓦斯和煤塵爆炸事故；進一步判別高溫物體溫度，若大于設定閾值A(A≥150 ℃)，則判定發(fā)生礦井火災或瓦斯和煤塵爆炸事故，反之，則判定發(fā)生沖擊地壓或煤與瓦斯突出事故；進一步分析甲烷濃度變化，若甲烷濃度迅速升高，則判定發(fā)生煤與瓦斯突出事故，反之，則判定發(fā)生沖擊地壓事故。

(3) 正常情況下煤礦井下作業(yè)人員和設備移動速度不大于11.11 m/s，遠小于沖擊地壓和煤與瓦斯突出發(fā)生時煤巖的噴出速度。因此，可以通過監(jiān)測速度異常，感知沖擊地壓和煤與瓦斯突出事故；再通過甲烷濃度是否迅速升高，區(qū)分沖擊地壓和煤與瓦斯突出。瓦斯和煤塵爆炸也會發(fā)生物體速度異常，但速度異常物體的數(shù)量、體積和面積，遠小于沖擊地壓和煤與瓦斯突出噴出的煤巖數(shù)量、體積和面積。因此，可根據(jù)速度異常物體的數(shù)量、體積和面積，排除瓦斯和煤塵爆炸對沖擊地壓和煤與瓦斯突出感知的干擾。

(4) 提出的基于速度的沖擊地壓和煤與瓦斯突出感知報警方法，不僅可用于沖擊地壓和煤與瓦斯突出事故感知和報警，還可用于礦井瓦斯和煤塵爆炸事故感知和報警：使用激光雷達、毫米波雷達、超聲波雷達、雙目視覺攝像機等監(jiān)測物體移動速度，使用甲烷傳感器監(jiān)測環(huán)境甲烷濃度；當物體移動速度不小于設定閾值B(B>11.11 m/s，考慮超速10%和測量誤差，可取B=13 m/s)時，則判定發(fā)生沖擊地壓、煤與瓦斯突出或瓦斯和煤塵爆炸事故；進一步判別速度異常物體的數(shù)量、體積和面積，若速度異常物體的數(shù)量較少、體積和面積較小，則判定發(fā)生瓦斯和煤塵爆炸事故，若速度異常物體的數(shù)量較多、體積和面積較大，則判定發(fā)生沖擊地壓或煤與瓦斯突出事故；進一步分析甲烷濃度變化，若甲烷濃度迅速升高，則判定發(fā)生煤與瓦斯突出事故，反之，則判定發(fā)生沖擊地壓事故。

(5) 提出的多信息融合的沖擊地壓和煤與瓦斯突出感知報警及災源判定方法，可進一步提高沖擊地壓和煤與瓦斯突出報警準確率：監(jiān)測并融合溫度、速度、加速度、掩埋深度、聲音、氣壓、風速、風向、粉塵、甲烷濃度、設備狀態(tài)、微震、地音、應力、紅外輻射、電磁輻射、圖像等多種信息，感知沖擊地壓和煤與瓦斯突出；通過不同位置參數(shù)變化的幅度、先后時序關系及傳感器損壞情況，判定災源。