徐雪戰(zhàn)，　孟祥瑞，　鄒云龍

(1.中煤科工集團重慶研究院有限公司， 重慶　400037； 2.瓦斯災(zāi)害監(jiān)控與應(yīng)急技術(shù)國家重點實驗室，重慶　400037； 3.安徽理工大學(xué) 能源與安全學(xué)院， 安徽 淮南　232001)

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基于瓦斯?jié)舛茸兓拿号c瓦斯突出預(yù)警技術(shù)

徐雪戰(zhàn)1,2，孟祥瑞3，鄒云龍1,2

(1.中煤科工集團重慶研究院有限公司， 重慶400037； 2.瓦斯災(zāi)害監(jiān)控與應(yīng)急技術(shù)國家重點實驗室，重慶400037； 3.安徽理工大學(xué) 能源與安全學(xué)院， 安徽 淮南232001)

為實現(xiàn)掘進工作面煤與瓦斯突出的實時、準確和超前預(yù)測，提出了一種基于瓦斯?jié)舛茸兓拿号c瓦斯突出預(yù)警方法，通過掘進工作面煤體瓦斯壓力反演技術(shù)，確定了煤與瓦斯突出臨界條件，構(gòu)建了煤與瓦斯突出預(yù)警模型，在此基礎(chǔ)上研制了基于瓦斯?jié)舛茸兓姆墙佑|式煤與瓦斯突出預(yù)警系統(tǒng)。應(yīng)用結(jié)果表明，該系統(tǒng)能夠?qū)崟r監(jiān)測掘進工作面瓦斯?jié)舛茸兓惋L(fēng)量信息，并提前一個工作班次對煤與瓦斯突出區(qū)域進行非接觸實時災(zāi)害預(yù)警。

掘進工作面； 煤與瓦斯突出； 瓦斯?jié)舛龋?瓦斯監(jiān)測預(yù)警

網(wǎng)絡(luò)出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/32.1627.TP.20160902.1009.005.html

0　引言

自1834年法國Issac煤礦發(fā)生第一次有記載的煤與瓦斯突出(以下簡稱突出)事故以來[1]，世界上已有140多個國家發(fā)生了突出事故，且中國是受突出事故影響最嚴重的國家之一。到目前為止，由于對不同地質(zhì)、不同開采條件下的突出機理仍未完全掌握，突出事故時有發(fā)生。為了有效防止突出事故，必須在“四位一體”綜合防突技術(shù)體系指導(dǎo)下[2]，加大對突出事故的準確、超前和快速預(yù)測。關(guān)維娟等[3]根據(jù)突出事故發(fā)生機理，設(shè)計并實現(xiàn)了突出辨識體系指標，為突出事故的處理提供了支持；唐巨鵬等[4]利用突出事故模擬儀，模擬了瓦斯壓力和地應(yīng)力對突出事故發(fā)生的影響機理，為突出預(yù)防預(yù)測提供了參考；王恩元等[5]結(jié)合突出預(yù)警指標及電磁輻射技術(shù)，設(shè)計了突出事故預(yù)警模型；閻馨等[6]基于數(shù)據(jù)融合和案例推理分析，提出了一種突出預(yù)測方法。

以上研究成果沒有真正闡述多種因素與突出事故之間的關(guān)系，且多停留在實驗室模擬仿真階段，沒有真正實現(xiàn)對突出事故的實時、準確和超前預(yù)測。本文在總結(jié)前人研究成果的基礎(chǔ)上，首先對突出產(chǎn)生的多個因素進行了分析研究，然后通過掘進工作面的瓦斯?jié)舛茸兓?，反演出工作面前方煤體的瓦斯壓力，并建立了突出預(yù)警模型，進而研制出一套能夠?qū)崿F(xiàn)實時、連續(xù)、超前預(yù)報預(yù)測的突出預(yù)警系統(tǒng)。

1　基于瓦斯?jié)舛茸兓耐怀鲱A(yù)警機理

1.1突出發(fā)生條件

國內(nèi)外學(xué)者對突出產(chǎn)生機理的研究成果[7]大致可以分為以瓦斯壓力為主導(dǎo)作用、以地應(yīng)力為主導(dǎo)作用、多因素綜合作用、“球殼失穩(wěn)”假說和固流耦合假說等。雖然以上研究成果沒有對突出產(chǎn)生的因素形成有機統(tǒng)一，但均認為突出是多因素共同作用的結(jié)果。根據(jù)霍多特BB[8]對突出產(chǎn)生機理的研究成果可知，形成突出需滿足條件：工作面前方煤體內(nèi)瓦斯內(nèi)能Eλ與前方擾動煤體彈性勢能Eε之和大于造成煤體破碎到標志型粉煤狀態(tài)所需的能量A，即

(1)

以易發(fā)突出事故的煤巷掘進工作面為例，在采掘過程中，工作面前方有塑性區(qū)和彈性區(qū)，如圖1所示,其中Re為煤巷掘進過程中對前頭煤體的擾動范圍半徑,Rr為塑性區(qū)半徑。當(dāng)工作面向前掘進L進尺后，工作面前方部分煤體由彈性區(qū)釋放能量轉(zhuǎn)化為塑性區(qū)。假設(shè)釋放能量的彈性區(qū)為球體結(jié)構(gòu)，則工作面前方煤體內(nèi)瓦斯內(nèi)能Eλ與前方擾動煤體彈性勢能Eε之和E滿足[9]：

(2)

式中：ζ為比例系數(shù)，一般取ζ>1.0；K為煤體之間的孔隙率，%；Vs為突出過程中煤巖體能量釋放區(qū)體積，m3；p0，pa分別為突出發(fā)生前的瓦斯壓力和突出發(fā)生后t時刻的瓦斯壓力，MPa；Ue為單位體積煤體由彈性區(qū)轉(zhuǎn)化為塑性區(qū)時釋放的能量，kJ。

圖1　工作面推進過程中的彈性區(qū)、塑性區(qū)轉(zhuǎn)化

在突出激發(fā)過程中，煤巖體等發(fā)生劇烈破碎。對中國20余個煤礦的煤樣進行沖擊破碎實驗，結(jié)果表明煤體發(fā)生破碎消耗的能量與破碎體表面積呈正比，分析得出煤體破碎時消耗的能量A滿足：

(3)

式中：ρ為煤體密度，t/m3；f為拋出煤體之間的摩擦因數(shù)；YP1為破碎直徑小于0.2mm的煤粉占拋出煤體質(zhì)量的百分比，%；v為拋出煤體的最小速度，m/s。

將式(2)、式(3)代入式(1)，得到突出發(fā)生時的臨界條件：

(4)

由式(4)可得，在煤體參量確定的條件下，形成突出的臨界條件僅與煤體內(nèi)瓦斯壓力有關(guān)。

胡千庭等[9]通過對中國數(shù)十次突出事故的研究，得出在突出發(fā)生前，工作面前方煤體瓦斯壓力發(fā)生較大變化。因此,超前預(yù)測工作面前方煤體賦存瓦斯壓力的變化趨勢，可為突出超前預(yù)警創(chuàng)造條件。

1.2掘進工作面煤體瓦斯壓力反演技術(shù)

根據(jù)煤體內(nèi)瓦斯壓力與瓦斯含量的研究成果可知[10]，工作面前方煤體內(nèi)瓦斯壓力P與煤體內(nèi)瓦斯含量Q之間的關(guān)系為

(5)

式中：a，b為吸附常數(shù)；Ad為煤樣灰分含量，%；Mad為煤樣水分含量，%；γ為煤樣視密度，t/m3。

由式(5)可知，求解煤體內(nèi)瓦斯壓力的過程可轉(zhuǎn)化為求解工作面煤體瓦斯含量。掘進工作面煤體瓦斯含量反演流程如圖2所示。在工作面掘進過程中，掘進工作面瓦斯涌出量可分為掘進工作面煤壁解析瓦斯、落煤瓦斯和巷道壁及鄰近煤層滲透瓦斯。而掘進工作面煤體瓦斯根據(jù)其解析程度又可分為可解析瓦斯和不可解析瓦斯。不可解析瓦斯賦存于煤體之中，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定?？山馕鐾咚垢鶕?jù)來源又可分為掘進過程中煤體已解析瓦斯和掘進采落煤體中殘存的可解析瓦斯。

圖2　掘進工作面煤體瓦斯含量反演流程

采落煤體中殘存的可解析瓦斯含量基本穩(wěn)定，在采用炮掘生產(chǎn)工藝時，殘存可解析瓦斯含量極小，可近似看作為零。當(dāng)采用機掘生產(chǎn)工藝進行工作面采掘時，殘存可解析瓦斯含量受已解析瓦斯含量影響，與工作面掘進推進速度有關(guān)，可利用掘進推進速度對其進行時空修正。掘進過程中已解析瓦斯含量根據(jù)其來源又可細分為采落煤體已解析瓦斯含量和掘進工作面煤壁解析瓦斯含量。采落煤體已解析瓦斯含量可通過瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)直接讀取，而掘進工作面煤壁解析瓦斯含量需要與掘進工作面巷道壁及鄰近煤層滲透瓦斯進行分離。

在非掘進落煤期間，工作面涌出瓦斯主要是掘進工作面煤壁解析瓦斯與巷道壁及鄰近煤層滲透瓦斯的總和，而掘進工作面瓦斯傳感器到工作面磧頭這一小段范圍內(nèi)，掘進工作面煤壁與巷道兩幫同時暴露，且單位時間內(nèi)單位面積瓦斯涌出量近似一致。因此，可用掘進工作面煤壁與巷道兩幫的比例關(guān)系求出掘進工作面煤壁瓦斯涌出量。

(6)

(7)

式中：T為一個班次作業(yè)時間，min；xl為單位時間內(nèi)瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)中實測瓦斯體積分數(shù)，%。

由瓦斯涌出量特征值計算方法可知[11]，施鉆掘進施工班次和非施鉆掘進施工班次的瓦斯涌出量特征值分別為

(8)

(9)

式中：β為巷道設(shè)計參數(shù)，為掘進工作面煤壁面積與采掘巷道壁和煤壁面積之和的比值；α為巷道施鉆設(shè)計參數(shù)，為巷道壁內(nèi)鉆進施工長度與總鉆進施工長度的比值。

掘進工作面前方煤體的瓦斯含量可利用工作面瓦斯?jié)舛缺O(jiān)控數(shù)據(jù)反演為

(10)

式中：Qf為巷道內(nèi)通風(fēng)量，m3/min；Mn為掘進工作面采掘過程中從i-n班次到i班次的落煤量，t；D1，D2為時空修正參數(shù)，采用炮采工藝落煤時D1=D2=0，采用機掘工藝采煤時D1=5.60，D2=9.75；v′為掘進工作面掘進速度，m/min。

1.3突出預(yù)警模型

突出預(yù)警模型的建立需要3個基本要素[12-14]：指標集、評判集和突出預(yù)警評判準則。本文結(jié)合多個單指標評判權(quán)重，構(gòu)建了突出預(yù)警評判標準。

(1) 突出預(yù)警指標庫。突出預(yù)警指標庫是評判造成突出的各個因素組成的集合，可用集合O={O1,O2,…,Om}表示，Ok(k=1,2,…,m)為突出預(yù)警影響因素。采用瓦斯量指標、瓦斯解析指標、瓦斯波動指標和瓦斯趨勢指標4類17種因素構(gòu)建突出預(yù)警指標庫，即O={O1,O2,…,O17}，如圖3所示。

(2) 預(yù)警結(jié)果評判集。預(yù)警結(jié)果評判集是由所有突出預(yù)測預(yù)報結(jié)果形成的集合，用集合W表示。在對礦井進行突出預(yù)測預(yù)報過程中，存在極易發(fā)生突出、可能發(fā)生突出和不發(fā)生突出3種情況。令2=極易發(fā)生突出(危險)、1=可能發(fā)生突出(威脅)、0=不發(fā)生突出(正常)，因此預(yù)警結(jié)果評判集W={0,1,2}。

圖3　突出預(yù)警指標庫

(3) 突出預(yù)警綜合評判準則。在制定突出預(yù)警綜合評判準則的過程中，首先從單預(yù)警指標因素出發(fā)，對第k個突出預(yù)警影響因素Ok進行評判，并構(gòu)成單因素預(yù)警評判結(jié)合集S。由于預(yù)警結(jié)果評判集合中存在極易發(fā)生突出、可能發(fā)生突出與不發(fā)生突出3種情況，則單因素預(yù)警評判結(jié)合集S可表示為S={Sk,0,Sk,1,Sk,2}，其中k=1,2，…，17。然后結(jié)合單因素權(quán)重集R，采用加權(quán)平均模型構(gòu)建突出預(yù)警結(jié)果評判指標T：

T=R·S

(11)

根據(jù)多個礦井的具體應(yīng)用效果，本文采用瓦斯指標A和煤質(zhì)指標B作為綜合評判的影響因素，將預(yù)警結(jié)果分為狀態(tài)預(yù)警和趨勢預(yù)警2類，并建立工作面突出預(yù)警結(jié)果等級，見表1。

表1　突出預(yù)警綜合評判準則

2　基于瓦斯?jié)舛茸兓耐怀鲱A(yù)警系統(tǒng)

基于瓦斯?jié)舛茸兓耐怀鲱A(yù)警系統(tǒng)如圖4所示。該系統(tǒng)井下部分包括工業(yè)交換機、安全監(jiān)控分站、高低濃度瓦斯傳感器、風(fēng)速風(fēng)向傳感器和工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)；井上部分包括監(jiān)控系統(tǒng)服務(wù)器、安全監(jiān)控終端、突出預(yù)警服務(wù)器、系統(tǒng)管理控制終端、預(yù)警短信發(fā)布終端和預(yù)警信息顯示終端。

圖4　基于瓦斯?jié)舛茸兓耐怀鲱A(yù)警系統(tǒng)

隨著掘進工作面向前推移，突出預(yù)警系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸端實時將瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)中的瓦斯?jié)舛群凸ぷ髅骘L(fēng)量信息傳輸?shù)酵怀鲱A(yù)警服務(wù)器并進行運算，實現(xiàn)井下掘進工作面的非接觸式連續(xù)突出預(yù)警。另外，該突出預(yù)警系統(tǒng)能夠根據(jù)突出危險等級實現(xiàn)3級聯(lián)動預(yù)警，并在預(yù)警結(jié)果顯示界面分別以綠色、橙色、紅色顯示。

3　系統(tǒng)在突出礦井掘進工作面的應(yīng)用

3.1礦井工程概況

川煤芙蓉礦業(yè)集團新維礦2號煤層為突出煤層，煤質(zhì)以亮煤和暗煤為主，煤層范圍內(nèi)分布有若干斷層且褶曲較為發(fā)育。煤層平均厚度為1.09m，與相鄰回采煤層間距為6.2m，煤層傾角為4～48°，平均瓦斯含量為8.743m3/t。為保證掘進工作巷道回采期間的安全生產(chǎn)，在該掘進巷道處推廣安裝了基于瓦斯?jié)舛茸兓耐怀鲱A(yù)警系統(tǒng)。距掘進工作面磧頭5m和20m處分別懸掛1臺高低瓦斯?jié)舛葌鞲衅骱?臺風(fēng)速風(fēng)向傳感器，如圖5所示。傳感器位置隨掘進工作面推進而不斷循環(huán)前移。

圖5　工作面?zhèn)鞲衅鞑贾?/p>

3.2應(yīng)用及效果檢驗

圖6　2104回風(fēng)巷下段突出預(yù)警結(jié)果

4　結(jié)語

利用掘進工作面煤體壓力反演技術(shù)，研究了工作面突出發(fā)生的臨界條件，開發(fā)了基于瓦斯?jié)舛茸兓姆墙佑|式突出預(yù)警系統(tǒng)；分析研究了指標集、評判集和突出預(yù)警評判準則3個突出預(yù)警模型基本要素之間的屬性關(guān)系，將瓦斯指標A和煤質(zhì)指標B這2個指標作為突出預(yù)警綜合準則，分別針對不同的預(yù)警結(jié)果等級制定了相應(yīng)的防突解危措施。應(yīng)用結(jié)果表明，基于瓦斯?jié)舛茸兓耐怀鲱A(yù)警系統(tǒng)能夠?qū)崟r監(jiān)測工作面瓦斯?jié)舛茸兓惋L(fēng)量信息，提前一個工作班次實現(xiàn)工作面突出災(zāi)害預(yù)警。

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Coal and gas outburst early-warning technology based on change of gas concentration

XU Xuezhan1,2,MENG Xiangrui3,ZOU Yunlong1,2

(1.CCTEGChongqingResearchInstitute,Chongqing400037,China; 2.StateKeyLaboratoryofGasDisasterDetecting,PreventingandEmergencyControlling,Chongqing400037,China;3.SchoolofResourceandSafetyEngineering,AnhuiUniversityofScienceandTechnology,Huainan232001,China)

Inordertorealizereal-time,accurateandadvancedpredictionofcoalandgasoutburstinheadingface,acoalandgasoutburstearly-warningmethodbasedonchangeofgasconcentrationwasproposed.Throughinversiontechniqueofcoalgaspressureinheadingface,criticalconditionofcoalandgasoutburstwasdetermined,andearly-warningmodelofcoalandgasoutburstwasbuilt.Anon-contactearly-warningsystemofcoalandgasoutburstwasdevelopedbasedonchangeofgasconcentration.Theapplicationresultshowsthatthesystemcanmonitorchangeofgasconcentrationandvolumeinformationreal-timely,andmakenon-contactandreal-timehazardearly-warningincoalandgasoutburstregionalinadvanceofaworkshift.

headingface;coalandgasoutburst；gasconcentration;gasmonitoringandearly-warning

1671-251X(2016)09-0017-05DOI:10.13272/j.issn.1671-251x.2016.09.005

2016-02-19；

2016-07-22；責(zé)任編輯：李明。

“十二五”國家科技支撐計劃資助項目(2012BAK04B01)；中煤科工集團有限公司科技創(chuàng)新基金資助項目(2013ZD002)。

徐雪戰(zhàn)(1989-)，男，河南開封人，工程師，碩士，現(xiàn)主要從事煤礦智能監(jiān)控、災(zāi)害預(yù)警等方面的研究工作，E-mail:resico@126.com。

TD713

A網(wǎng)絡(luò)出版時間：2016-09-02 10:09

徐雪戰(zhàn)，孟祥瑞，鄒云龍.基于瓦斯?jié)舛茸兓拿号c瓦斯突出預(yù)警技術(shù)[J].工礦自動化，2016,42(9)：17-21.