基于數據驅動的瓦斯抽采鉆孔精細化管控

郭 恒，王 昊，程曉陽

(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；3.中國煤炭科工集團有限公司，北京 100013； 4.天地科技股份有限公司，北京 100013)

我國作為世界上最大的發展中國家，經濟總量正在迅速增大，同時能源消費也在快速增長。煤炭作為我國經濟發展的主要驅動力之一，在能源結構中占據著重要地位[1]。為了實現煤炭開采過程中的“資源+安全”雙效應，煤層瓦斯預抽成為一種有效的安全手段[2]。雖然瓦斯抽采一定程度上降低了瓦斯超限和煤與瓦斯突出的頻率，但受我國煤層賦存客觀條件制約，瓦斯抽采效率較低，瓦斯事故仍然不能從根本上得到遏制。

為了有效提升瓦斯抽采效率，專家學者們從鉆孔設計、施工、封孔等方面進行了研究[3-8]，優化了抽采工藝，為瓦斯高效抽采奠定了理論基礎。與此同時，隨著信息化、智能化技術在煤炭領域的深度發展，一些新工藝、新裝備也在煤礦生產中得到了廣泛應用[9-11]，為瓦斯高效抽采提供了新的助力。對復雜的瓦斯抽采工藝過程，需要配套科學的管理模型，才能發揮技術優勢。大量瓦斯事故表明：瓦斯抽采管理不到位是造成事故的重要原因之一[12-13]。為此，有學者將精細化管理理念應用到瓦斯抽采管理中，通過建立精細化管理體系及考核機制，對瓦斯抽采各環節進行有效管控，從而有效提升了礦井瓦斯抽采監管水平，降低了瓦斯抽采的風險系數。

現階段，隨著礦井智能化建設的快速推進，也對瓦斯抽采技術工藝提出了更高要求。為此，筆者提出瓦斯儲量精準評估、抽采鉆孔差異化設計、抽采鉆孔精準施工、抽采流量精準計量，以及抽采信息化管理等一系列“工藝+管理”的瓦斯抽采鉆孔全周期精細化管理新模式，旨在為瓦斯抽采效率的優化提供解決思路。

1 瓦斯儲量的精準評估

瓦斯儲量評估是抽采鉆孔設計的重要基礎。通常在計算過程中采用的參數精度偏低，其計算結果與實際存在較大誤差，這也使得抽采鉆孔的設計存在一定偏差。為了有效提高抽采鉆孔設計的科學性，需要從源頭出發，提高抽采單元瓦斯儲量計算的準確性。體積法計算抽采單元瓦斯儲量公式如下：

G=0.01AhρW

(1)

式中：G為抽采單元瓦斯儲量，m3；A為抽采單元面積，m2；h為抽采單元煤層凈厚度，m；ρ為抽采單元煤的密度，t/m3；W為抽采單元的瓦斯含量，m3/t。

由式(1)可知：抽采單元瓦斯儲量計算的精度主要取決于煤層厚度和煤層瓦斯含量2個參數，因此，如何有效提升煤層厚度和煤層瓦斯含量的計算精度對瓦斯儲量的精確評估具有重要意義。

基于SuperMap平臺開發了瓦斯地質動態分析系統，實現了煤礦空間信息和數據的有機關聯。該系統中的煤層厚度智能提取組件和瓦斯含量智能更新組件，為煤層厚度、瓦斯含量的精準評估提供了技術支撐。

1.1 煤層厚度的精準評估

瓦斯地質動態分析系統的煤層厚度智能提取組件，以地勘鉆孔煤層柱狀圖為基礎，自動生成煤層厚度柵格(見圖1)，利用反距離權重插值法智能提取煤層厚度等值線，并根據后期煤層采掘活動揭露的煤層厚度實測數據，進行煤層厚度等值線的智能校正，從而為煤炭儲量的精準計算奠定基礎。

圖1 王坡煤礦煤層厚度柵格和煤層厚度等值線圖

1.2 瓦斯含量的動態評估

瓦斯地質動態分析系統的瓦斯含量智能更新組件,以預測瓦斯含量等值線為基礎，利用實測瓦斯含量測點數據進行克里金插值法計算，對預測瓦斯含量等值線進行及時校正，極大地提高了瓦斯含量預測的準確性。以山西新元煤礦為例，其瓦斯含量等值線更新前后對比如圖2所示。

(a)更新前

(b)更新后

2 差異化抽采鉆孔設計

抽采鉆孔的設計需要協同考慮抽采時間、抽采位置的關系，進而實現采、掘、抽的平衡[14]。在實際抽采鉆孔設計過程中，為了設計和施工便捷，往往同一工作面采用統一的鉆孔施工參數，尤其是鉆孔間距的盲目統一將給礦井帶來極大的安全隱患和工程浪費[15]。因此，筆者從抽采平衡的合理性出發，對抽采鉆孔進行差異化設計，即在鉆孔設計中采用分區段、非均勻鉆孔分布設計。差異化鉆孔設計示意圖如圖3所示。

圖3 差異化抽采鉆孔設計示意圖

工作面區段瓦斯抽采達標所需的瓦斯抽采量計算公式如下：

(2)

式中:Qi為第i區段瓦斯抽采達標所需的瓦斯抽采量，m3；Wimax為第i區段最大瓦斯含量，m3/t;W0為抽采達標臨界瓦斯含量，m3/t;Si為第i區段的截面積，m2；dS為截面微元。

第i區段瓦斯抽采達標所需的瓦斯抽采量通過單位長度鉆孔抽采量和抽采鉆孔總長度計算，可以表示為：

(3)

式中：q為單位長度鉆孔抽采量，m3/m；Q0為單個鉆孔初始抽采量，m3；Li為第i區段抽采鉆孔總長度，m；L0為單個鉆孔長度，m；B、C為常數。

第i區段的最短抽采時間ti為：

(4)

式中：Mi-1為第i-1區段煤炭儲量，t；Y為工作面日產量，t/d。

結合式(2)和式(3)可得到第i區段抽采鉆孔總長度：

(5)

抽采區域煤體體積，可以用2種方法表示，且近似相等：

(6)

式中Ri為鉆孔抽采半徑，m。

結合式(4)～(6)可得到第i區段鉆孔抽采半徑為：

(7)

為了避免抽采空白帶給生產安全帶來威脅，鉆孔的有效抽采范圍應完全覆蓋抽采區段，因此，抽采鉆孔間距應該為2Ri。

3 鉆孔精準化施工

瓦斯的高效抽采與抽采鉆孔施工質量密切相關。為了提升鉆孔施工質量，采用鉆孔軌跡測量與打鉆視頻相結合的技術手段進行鉆孔的精準化施工。

3.1 鉆孔軌跡測量

目前鉆孔軌跡測量根據鉆機型號的不同分為定向鉆機和普通鉆機鉆孔軌跡測量。

定向鉆機鉆孔軌跡測量過程主要通過在鉆孔施工過程中，將探管安裝于鉆頭后方的無磁鉆桿中，探管隨鉆機向前鉆進，并測量和記錄鉆進深度、傾角、方位角等基礎數據，經通纜鉆桿將數據傳輸至計算機終端，利用專業軟件進行數據的處理和鉆孔軌跡的自動生成。為了減小鉆孔偏差，采用角度對沖法對鉆孔軌跡進行糾偏，實現鉆孔的定向鉆進。定向鉆機鉆孔軌跡測量裝置如圖4所示。

圖4 ZSZ1500定向鉆機鉆孔軌跡測量裝置

普通鉆機鉆孔軌跡測量過程與定向鉆機鉆孔軌跡測量相似，不同之處在于該過程采用手持式數據存儲儀，對隨鉆測量數據進行離線式存儲，并通過配套的鉆孔軌跡可視化平臺，進行數據的分析和鉆孔軌跡自動生成。同時，該平臺開發了鉆孔缺陷分析模塊，采用緩沖區疊加分析法，劃分出鉆孔控制范圍和空白帶，實現了瓦斯預抽鉆孔布置缺陷的自動判識。普通鉆機鉆孔軌跡測量裝置如圖5所示。

圖5 ZKG普通鉆機鉆孔軌跡測量裝置

3.2 打鉆視頻監控

打鉆視頻監控系統是實現打鉆過程監管的有效技術手段，該系統能夠對鉆孔施工參數、鉆孔施工現場等進行實時監控，有效避免了監管不到位造成的虛假鉆孔，提升了鉆孔施工管理水平。打鉆視頻監控系統的工作原理是通過井下高清攝像儀采集鉆孔施工過程中的視頻信息，利用光纜傳輸技術將視頻信號傳輸至地面服務器，通過硬盤錄像機實現視頻的存儲及回放。根據數據拓撲結構，打鉆視頻監控系統可被劃分為視頻采集層、數據傳輸層和應用層3部分，如圖6所示。

圖6 打鉆視頻監控系統網絡拓撲圖

4 瓦斯抽采數據的精準化

4.1 抽采數據精準計量

抽采數據的精準計量需要以高精度的抽采監測儀器為支撐。為此，采用GQLC20礦用本安型超聲波氣體流量傳感器和YZC5便攜式瓦斯抽采管道綜合參數測定儀，分別對抽采流量和抽采管網數據進行精準計量。

GQLC20礦用本安型超聲波氣體流量傳感器通過接收成對超聲波換能器的聲波信號，經由信號采集電路和FPGA+ARM微控制器組成的信號處理單元進行運算、分析、處理等，并由集成的大屏幕液晶顯示，最終的測量結果通過RS485總線通信上傳到監控系統進行存儲。

YZC5便攜式瓦斯抽采管道綜合參數測定儀采用“閉式內循環采樣新技術”，對抽采管道中的甲烷和一氧化碳濃度、負壓、溫度、流量等關鍵參數進行快速測定，解決了長期以來抽采濃度、負壓“測不快、測不準、儀器重”等技術難題，為抽采管網的精準監測奠定了基礎。

4.2 抽采數據校正

抽采數據一般采用抽采監控系統在線計量和人工計量兩種方式。盡管采用了先進的抽采監控系統和計量儀器，但是在漫長的抽采過程中，要始終保持系統和儀器的精確性依然存在技術挑戰，這也不可避免地導致抽采數據與真實數據之間存在偏差。鑒于此，首先考察瓦斯抽采監控數據與人工數據之間的差異性，分析瓦斯抽采監控數據偏差規律，建立抽采數據校正模型，結合計算機技術，實現瓦斯抽采監測數據的自動校準，提高礦井瓦斯抽采監測數據的準確性。瓦斯抽采數據校正流程如圖7所示。

圖7 瓦斯抽采數據校正流程圖

4.3 瓦斯抽采鉆孔失效判識

瓦斯抽采鉆孔形成后，在鉆孔周圍應力場的作用下，鉆孔經常出現塌孔失穩、鉆孔間裂隙貫通、鉆孔與圍巖裂隙貫通等現象，造成抽采瓦斯濃度和流量降低甚至中斷[15]。因此，需要對失效的瓦斯抽采鉆孔進行判識，以提高鉆孔的抽采效率。

在抽采管網中，各抽采鉆孔的瓦斯匯流進入抽采單元支管路，并在支管路上安裝流量傳感器用于整個抽采單元的抽采流量計量。抽采系統管網示意圖見圖8。

圖8 抽采系統管網示意圖

抽采系統僅靠支管和總管路上的數據計量，難以實時、準確地掌握單一鉆孔的抽采數據和抽采狀態。因此，采用數據分源處理方法，即在抽采單元的抽采鉆孔全部連接進入抽采系統的初始階段，采用YZC5便攜式瓦斯抽采管道綜合參數測定儀對各個鉆孔的瓦斯流量進行計量，同時通過支管路流量計讀取抽采單元總流量，利用式(8)計算各鉆孔的流量占比：

φj=Qj/Qc

(8)

式中：φj為第j鉆孔流量比；Qj為第j鉆孔流量，m3/min；Qc為支管總流量,m3/min。

在初始抽采階段，由于鉆孔卸壓增透作用，加上抽采負壓作用，各鉆孔瓦斯流量較大，流量比差異較小。隨著抽采時間的延長，會相繼出現一些失穩、漏風鉆孔，經由這些鉆孔抽出的瓦斯氣體中混合有大量空氣，匯入抽采管道后會降低瓦斯抽采流量。此時，利用分源數據處理方法得到的此類鉆孔流量比顯著減小，而正常鉆孔的流量比顯著增大。根據各個礦井的抽采要求，當鉆孔流量比低于臨界值φL時可將其判定為失效抽采鉆孔，需要采取技術措施進行抽采鉆孔的修復，以實現瓦斯的高效抽采。

5 瓦斯抽采信息管控平臺

瓦斯抽采信息管控平臺是對抽采相關數據進行信息化管理及可視化展示的平臺，其界面如圖9所示。

圖9 瓦斯抽采信息管控平臺界面圖

該平臺采用Visual Studio 2015作為開發語言，使用Maver進行版本控制，在客戶端/服務器(C/S模式)結構所需的網絡環境下實現。平臺整體采用模塊化分層設計，根據平臺功能需求，將其劃分為數據采集層、數據管理層、業務邏輯層和數據展示層。數據采集層一方面實現瓦斯監控數據的實時采集、標準化處理和濾除無效信息等，另一方面進行人工輸入參數和數據的標準化；數據管理層采用Microsoft SQL Server 2012 R2數據庫對抽采相關數據進行分類存儲和管理，其中數據統計模塊是數據庫的核心組件；業務邏輯層主要完成數據展示層發出的交互指令所需數據的邏輯處理，主要分為抽采系統管理、抽采效果管理和重點抽采對象管理3部分；數據展示層是通過數字化和圖形化的形式對瓦斯抽采信息進行可視化表達。

瓦斯抽采信息管控平臺的主要功能如下：

1)反映礦井瓦斯抽采效果：包括礦井累計瓦斯抽采量和抽采鉆孔施工累計進度。

2)反映抽采系統運行效果：包括抽采系統實時運行狀態及參數(負壓、濃度、溫度等)、各抽采系統每月瓦斯抽采量及累計瓦斯抽采量統計等。

3)反映重點工作面瓦斯抽采效果：包括抽采方式、負壓、濃度、混合流量、純流量、累計抽采量等。

4)顯示鉆孔信息：鉆孔工程量統計，包括按時間的鉆孔工程量和按類型的鉆孔工程量統計；鉆孔參數列表，包括設計參數、施工參數、施工人員、驗收人員等。另外，每個鉆孔還可以上傳對應的打鉆視頻文件。

6 結語

1)基于瓦斯地質動態分析系統，分別采用反距離權重插值法和克里金插值法智能生成和校正煤層厚度、瓦斯含量等值線，為瓦斯儲量的精準計算奠定了基礎。

2)將抽采區域進行區段劃分，并以采掘平衡為前提，建立了不同區段抽采鉆孔間距計算模型，實現了抽采鉆孔的差異化設計。

3)采用鉆孔軌跡測量和打鉆視頻監控相結合的技術手段，實現了瓦斯抽采鉆孔的精準施工和“過程化”管控，提升了鉆孔施工質量和管理水平。

4)采用高精度氣體流量傳感器和瓦斯抽采管道綜合參數測定儀對抽采鉆孔和抽采管網進行精準監測，并通過建立抽采數據校正模型和鉆孔失效判識模型，進一步提升了瓦斯抽采數據的準確性和可靠性。

5)建立了瓦斯抽采信息管控平臺，實現了瓦斯抽采全周期信息的集約化管理和可視化展示。