王 磊

（1.中國礦業(yè)大學（北京），北京市海淀區(qū)，100083；2.國家安全生產監(jiān)督管理總局，北京市東城區(qū)，100713）

高瓦斯礦井瓦斯災害隱患排查及防控技術研究?

王 磊1，2

（1.中國礦業(yè)大學（北京），北京市海淀區(qū)，100083；2.國家安全生產監(jiān)督管理總局，北京市東城區(qū)，100713）

為實現(xiàn)高瓦斯礦井瓦斯災害 “零隱患”，提出了瓦斯災害隱患排查防控技術體系及思路方法。根據高瓦斯礦井實際情況，構建了具體瓦斯災害隱患排查防控四級技術體系，建設了相應軟、硬件結合的計算機系統(tǒng)，形成了高瓦斯礦井瓦斯災害隱患排查防控技術方法。現(xiàn)場應用表明，瓦斯災害隱患排查防控技術實現(xiàn)了瓦斯災害隱患的動態(tài)監(jiān)測、超前預判和智能防控，提升了瓦斯災害系統(tǒng)性和智能化分析水平。

高瓦斯礦井 瓦斯災害 隱患排查 瓦斯防控 動態(tài)監(jiān)測 超前預測 智能防控

健全落實隱患排查、防控機制，完善隱患排查治理的自查、自報、自改系統(tǒng)，是消除煤礦事故隱患、遏制和預防重特大事故的有效途徑。瓦斯事故是煤礦重、特大事故的罪魁禍首，相對突出礦井的瓦斯災害治理、高瓦斯礦井的瓦斯災害防控能力和重視程度較低。近些年，隨著礦井開采深度的加深、生產規(guī)模的擴大和集約、綜合機械化開采強度的增大，高瓦斯礦井的瓦斯涌出量急劇增加，瓦斯事故的發(fā)生幾率也明顯增加，亟需重視、提升高瓦斯礦井的瓦斯災害防控能力。引發(fā)瓦斯事故的原因復雜多樣，由多種不同因素導致，有些因素在生產過程中容易被發(fā)現(xiàn)，而有些因素比較隱蔽，且具有時變性和突發(fā)性，特別對于高瓦斯礦井的突發(fā)事故預測、預防機制不完善，如不通過有效技術和手段，就難以全面識別和發(fā)現(xiàn)。因此利用信息化、智能化技術查隱患、強防控，對高瓦斯礦井瓦斯災害隱患進行動態(tài)監(jiān)測、智能排查和超前管控顯得尤為重要。

1　瓦斯災害隱患排查及防控技術

1.1瓦斯災害致因及現(xiàn)有防治技術缺陷

根據危險源理論及事故樹分析，礦井存在高瓦斯區(qū)或突出危險區(qū)、地質構造影響區(qū)、瓦斯積聚區(qū)等致使瓦斯災害發(fā)生的客觀危險體或區(qū)域（第一類危險源）是災害發(fā)生的前提條件；瓦斯災害防治技術、措施、檢查、管理上的缺陷或隱患（第二類危險源）是災害發(fā)生的必要條件，這兩類因素相互影響、共同作用，致使瓦斯災害事故的發(fā)生。瓦斯災害防治技術、措施、管理上的缺陷或隱患主要體現(xiàn)在現(xiàn)有的瓦斯災害觀測、檢測、異常分析等多為靜態(tài)、人工點式分析，不能適應井下采掘空間及客觀危險環(huán)境的動態(tài)變化特征；安全監(jiān)控系統(tǒng)僅能監(jiān)測瓦斯、風速等環(huán)境以及設備狀態(tài)，無法全面監(jiān)測瓦斯隱患；瓦斯監(jiān)控僅能簡單超限報警，瓦斯涌出異常監(jiān)測、預警能力不足；瓦斯巡檢及隱患排查過程管控重要，但煤礦各職能部門相對獨立、信息分散，無法做到及時、全面、準確掌握隱患排查過程的相關信息。

1.2隱患排查技術體系

瓦斯災害隱患排查技術體系是有效預防瓦斯事故的關鍵和基礎，必須科學、合理，同時與災害防治工作緊密結合，以便維護和管理。結合我國瓦斯災害防治技術及方法，上述瓦斯災害致因及防治技術缺陷與礦井的瓦斯地質分析、通風網絡管理、日常監(jiān)測監(jiān)控、瓦斯巡檢及安全隱患管理等工作相關。因此，按照科學性、系統(tǒng)性和可行性原則，基于區(qū)域與局部、系統(tǒng)與細節(jié)、技術與管理、人工與監(jiān)控的四結合角度，從安全信息集成、規(guī)范管理以及隱患的監(jiān)測、辨識、管控等方面，建立瓦斯災害隱患排查四級技術體系，如圖1所示。

圖1　技術體系架構

1.3基本思路及技術流程

瓦斯災害隱患排查及防控，以零隱患為目標，在充分獲取礦井煤層、瓦斯、地質構造、通風網絡、監(jiān)測監(jiān)控、瓦斯巡檢、靜態(tài)管理隱患等信息的基礎上，結合礦井瓦斯災害發(fā)生規(guī)律，依據上述瓦斯災害隱患排查四級技術體系，進行靜態(tài)信息動態(tài)化的深入、系統(tǒng)管理與分析，全面查清、掌握災害隱患的時空狀態(tài)、危險程度等情況，以有效防范瓦斯事故的發(fā)生?；炯夹g流程如圖2所示。

圖2　技術流程

由圖2可以看出，以礦井瓦斯災害特征和規(guī)律相關基礎資料為基礎和支撐，結合煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)和局域網，通過多元化的安全信息收集渠道及時、全面獲取礦井安全信息；根據礦井實際情況和災害發(fā)生規(guī)律，進行信息及時計算和處理；然后根據瓦斯災害隱患排查技術體系，進行瓦斯災害多級辨識、排查，再集成所有隱患信息，通過局域網、電話、手機短信等發(fā)布信息。

2　瓦斯災害隱患排查及防控系統(tǒng)平臺建設

山西長平煤業(yè)有限責任公司為現(xiàn)代化高瓦斯礦井，生產能力500萬t/a。礦井地質構造發(fā)育，且隨著礦井開采規(guī)模和開采深度的逐漸加大，礦井生產逐步向西南部三盤區(qū)、五盤區(qū)的高瓦斯區(qū)轉移，瓦斯災害事故也愈發(fā)嚴重，近些年發(fā)生的瓦斯超限事故給企業(yè)安全生產造成巨大壓力的同時，也成為制約礦井高產、高效可持續(xù)發(fā)展的瓶頸。針對該礦具體瓦斯災害條件，從隱患排查技術體系和計算機系統(tǒng)兩方面進行了瓦斯災害隱患排查及防控系統(tǒng)平臺建設。

2.1四級技術體系建立

2.1.1瓦斯地質角度的區(qū)域防控體系

長平公司已開拓開采區(qū)域的實測煤層最大瓦斯含量已達15.09 m3/t，且井田內斷層、褶皺、陷落柱等構造發(fā)育。2010年4月-9月，根據現(xiàn)場考察，4305工作面（回采長度440 m）一直處于過SF162斷層的過程中，其絕對瓦斯涌出量為13.6～37.2 m3/min、相對瓦斯涌出量為3.28～7.61 m3/t；2010年10月-2011年12月，工作面過斷層后，其絕對瓦斯涌出量為4.88～16.22 m3/ min、相對瓦斯涌出量為0.78～2.91 m3/t。4305工作面瓦斯涌出量受斷層影響情況如圖3所示。

圖3　4305工作面瓦斯涌出量受斷層影響

2012年6月，43061巷（4306工作面機巷）過泮河南向斜，在向斜軸部兩側的40 m范圍內日常預測鉆屑瓦斯解吸指標K1值明顯偏高，多次超過0.5 m L/g·min1/2的臨界值；巷道過向斜后K1值逐漸降至安全范圍內。43061巷日常預測指標受向斜影響情況如圖4所示?？梢?，長平公司斷層、褶曲等構造對瓦斯災害危險有顯著影響。

圖4　43061巷日常預測指標受向斜影響

因此，結合我國礦井瓦斯災害發(fā)生規(guī)律，瓦斯地質區(qū)域防控體系首先對煤層瓦斯含量、瓦斯壓力、瓦斯涌出量、地質構造等瓦斯地質信息進行動態(tài)化、信息化集成管理，并根據已有瓦斯及生產數據進行瓦斯涌出量智能預測，以便掌控、預測礦井瓦斯涌出量；同時，重點對工作面前方的突出危險區(qū)、地質構造影響區(qū)、區(qū)域措施未達標區(qū)等隱患區(qū)域進行動態(tài)監(jiān)控，實現(xiàn)瓦斯地質隱患區(qū)超前掌握和及時提醒。

2.1.2通風網絡監(jiān)控角度的系統(tǒng)防控體系

長平公司采用分區(qū)式通風系統(tǒng)，井下工作面回采巷道的斷面大、長度長，且采用兩相鄰巷道平行掘進方式同時掘進，通風隱患的發(fā)生可能性相當大。通風網絡防控體系從通風參數實時監(jiān)測、通風隱患自動監(jiān)控、地面遠程管控三方面構建:利用關鍵位置安裝的風速、風壓監(jiān)測傳感器，實時監(jiān)測風速、風壓等風流參數，并解算整個礦井通風網絡；對通風系統(tǒng)風流狀態(tài)、工作面通風安全狀況進行動態(tài)監(jiān)控，出現(xiàn)異常及時預警提醒；根據異常預警信息，智能輔助分析調控方案，進行井下通風系統(tǒng)的地面遠程調控。通風網絡解算是通風系統(tǒng)防控體系的關鍵，根據非穩(wěn)態(tài)條件下的回路風流方程，按泰勒級數展開得出式（1）所示的回路各分支風量變化值ΔQ的計算公式，將每支巷道擬定初始風量，利用計算機按式（1）迭代計算各分支風量變化值。

式中:ΔQ——分支風量修正值，m3/s；

Ri——巷道i的摩擦風阻，Ns2/m8；

Qi——巷道i的風量，m3/s；

Q0i——初始時刻巷道i的風量，m3/s；

Ki——巷道斷面系數；

ρi——巷道i內空氣密度，kg/m3；

g——重力加速度，m/s2；

Zi——巷道i兩端高程差，m；

Δt——巷道風量計算時間差，s；

hfi——巷道i上安裝的通風機壓力，Pa。

2.1.3瓦斯涌出異常實時分析角度的局部動態(tài)防控體系

瓦斯涌出動態(tài)防控的關鍵是根據礦井工作面采掘過程中的每個瓦斯涌出指標與實際突出危險之間的相關性和差異性，選擇合適的指標進行突出危險性預測。根據瓦斯涌出特征優(yōu)選方法，通過長平公司的大量考察和分析，發(fā)現(xiàn)瓦斯量指標Gn和解吸特征指標Dn與工作面實際突出危險性具有較優(yōu)關聯(lián)性，43062巷（4306工作面風巷）K1值與Gn、Dn指標變化關系如圖5所示，因此確定瓦斯量指標Gn和解吸特征指標Dn為長平公司瓦斯涌出動態(tài)防控指標。

圖5　43062巷K1值與Gn、Dn指標變化關系

瓦斯量指標Gn反映工作面煤體中殘余瓦斯含量變化情況，瓦斯解吸指標Dn反映工作面煤體結構的變化情況，其計算式:

式中:Gn——瓦斯量指標；

Dn——瓦斯解吸指標；

Xt——第t分鐘瓦斯?jié)舛染担?；

k——巷修期間瓦斯?jié)舛龋?；

W0——煤體瓦斯含量，m3/t；

γ——煤層密度，t/m3；

L——巷道班次掘進長度，m；

S——巷道面積，m2；

V——巷道掘進速度，m/s；

β——巷道風量系數；

a、b——瓦斯?jié)舛?、巷道掘進速度修正系數。

Gn、Dn指標利用計算機系統(tǒng)每1 min計算一次，當計算的Gn≥1.2或Dn≤1.1，則預測工作面有瓦斯災害危險性。

2.1.4瓦斯巡檢及隱患排查角度的隱患閉環(huán)管理體系

隱患閉環(huán)管理體系從瓦斯巡檢閉環(huán)管理和安全隱患閉環(huán)管理兩方面建立。瓦斯巡檢為以定路線、定人員、定次數、定周期為原則的走動管理模式，對瓦檢員沿著各自巡檢路線的檢查次數、檢查結果、結果上報情況進行監(jiān)控管理，保證瓦斯巡檢的全覆蓋、無空檢、無漏檢；隱患閉環(huán)管理包括瓦斯災害相關的 “三違”、“一通三防”、機電設備、重點防控工程等隱患，進行登記、評級、處理、審核、銷賬的全過程閉環(huán)管理，保證所有安全生產隱患的徹底排查。

2.2計算機系統(tǒng)建設

計算機系統(tǒng)的建設包括隱患信息監(jiān)測與采集、隱患管控與排查分析、隱患信息集成與發(fā)布等關鍵環(huán)節(jié)的搭建實現(xiàn)。為了充分利用現(xiàn)有自動化監(jiān)測技術及裝備，有效收集井下和掌握于各職能部門的安全隱患信息，實現(xiàn)瓦斯災害隱患及時、全面管控與排查，根據長平公司KJ90監(jiān)控系統(tǒng)和辦公網的實際情況，計算機系統(tǒng)結構如圖6所示。

構建圖包括信息自動監(jiān)測采集裝備、煤礦監(jiān)控系統(tǒng)、礦井辦公網、中心服務器、專業(yè)管理與分析系統(tǒng)、隱患信息集成發(fā)布平臺等。

其中，專業(yè)管理與分析系統(tǒng)是瓦斯災害隱患排查及管控的關鍵和核心，采用組件式開發(fā)結構，以先進的三維地理信息技術為基礎，根據礦井防突、通風、監(jiān)控、安監(jiān)等部門的工作需要和習慣，進行設計、開發(fā)，具體包括瓦斯地質動態(tài)分析系統(tǒng)、礦井通風網絡動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)、工作面瓦斯涌出異常分析系統(tǒng)和瓦斯巡檢及安全隱患閉環(huán)管理系統(tǒng)，分別實現(xiàn)四方面的隱患排查與防控，并提供相關的瓦斯地質信息集中管理、瓦斯參數等值線自動繪制與輔助預測、瓦斯地質圖自動生成與動態(tài)更新、通風數據管理與分析、通風系統(tǒng)二三維一體展示、巡檢及隱患信息集中管理等管理與分析功能。

圖6　計算機系統(tǒng)結構

3　試驗與應用

山西長平煤業(yè)有限責任公司自此系統(tǒng)應用以來，總體運行穩(wěn)定、反映迅速，從瓦斯地質區(qū)域防控、通風網絡系統(tǒng)防控、瓦斯涌出動態(tài)防控、隱患閉環(huán)管理四方面實現(xiàn)了 “四結合”的礦井瓦斯災害隱患動態(tài)監(jiān)測、超前預判和智能防控，分析結果準確、超前性好。系統(tǒng)多次有效識別、捕捉了現(xiàn)場地質構造異常、瓦斯涌出異常等災害隱患；實現(xiàn)了礦井風網全面監(jiān)測、結算和巡檢及隱患信息的過程跟蹤和管控，杜絕了通風隱患、巡檢空檢、漏檢和安全隱患的登記、處理不規(guī)范。同時，系統(tǒng)實現(xiàn)了礦井瓦斯地質、通風、隱患等礦井安全信息的集中管理和透明共享，提升了礦井瓦斯災害防治的信息化、規(guī)范化和精細化。

4　結論

（1）高瓦斯礦井的瓦斯災害防治任務及難度將日趨嚴重，利用先進信息化、智能化技術查隱患、強管理，實現(xiàn)瓦斯災害隱患動態(tài)監(jiān)測、超前預判和智能防控是有效發(fā)展方向。根據具體高瓦斯礦井的實際情況，結合瓦斯災害影響因素及發(fā)生規(guī)律，構建了瓦斯災害隱患排查預警四級技術體系，建立計算機系統(tǒng)平臺，形成了軟件、硬件、網絡相結合的瓦斯災害隱患排查技術方法。

（2）現(xiàn)場應用表明，瓦斯災害隱患排查及防控技術從瓦斯地質區(qū)域防控、通風網絡系統(tǒng)防控、瓦斯涌出動態(tài)防控、隱患閉環(huán)管理四方面實現(xiàn)了瓦斯災害隱患有效排查與管理，提升了礦井瓦斯災害保障能力和災害防治工作的信息化、自動化技術水平，瓦斯災害隱患排查及防控技術符合礦井實際瓦斯災害特征。

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（責任編輯 張艷華）

Research on methane disaster elimination and control technology for high gassy mine

Wang Lei1，2
（1.China University of Mining and Technology，Beijing，Haidian，Beijing 100083，China；2.State Administration of Work Safety，Dongcheng，Beijing 100713，China）

To realize gas disaster"zero hazard potential"in high gassy mine，this paper proposed gas disaster potential elimination control technology system and its methodology.According to the fact of high gassy mine，"four-level"gas disaster potential elimination control technology system and the corresponding hardware and software computer system were established and gas disaster potential elimination control technology was formed.Field application showed that gas disaster potential elimination control technology realized dynamic monitoring，advanced anticipation and intelligent control for gas disaster potential，upgraded systematic and intelligent analysis for gas disaster to a higher level.

high gassy mine，gas disaster，potential elimination，gas prevention and control，dynamic monitoring，advanced anticipation，intelligential prevention

TD712.5

A

?重慶市 “科技創(chuàng)新領軍人才支持計劃”（CSTCKJCXLJRC14），國家“十三五”重點研發(fā)計劃（2016YFC0801404），中國煤炭科工集團有限公司科技創(chuàng)新基金（2013ZD002）

王磊（1976-），山東省棗莊市人，中國礦業(yè)大學（北京）在讀博士研究生，現(xiàn)任國家安全生產監(jiān)督管理總局培訓教育處處長。