(河南能源貴州公司 新田煤礦，貴州 黔西 551500)

煤礦瓦斯災(zāi)害預(yù)測預(yù)報(bào)是煤礦瓦斯防治工作中亟待解決的最主要問題之一，是煤礦瓦斯防治決策的基礎(chǔ)。只有準(zhǔn)確地掌握了礦井可能會(huì)發(fā)生瓦斯災(zāi)害事故的位置、導(dǎo)致瓦斯災(zāi)害事故的因素，才能有針對(duì)性地采取措施防止瓦斯災(zāi)害事故的發(fā)生，或在發(fā)生瓦斯災(zāi)害事故后及時(shí)、有效地進(jìn)行治理。為探尋一種科學(xué)、準(zhǔn)確、能夠定量和定性預(yù)測瓦斯災(zāi)害事故的分析方法，本文以新田煤礦瓦斯地質(zhì)模型為依據(jù)，通過對(duì)影響瓦斯災(zāi)害事故的各種因素進(jìn)行深入研究，反向?qū)Ρ饶壳暗V井瓦斯災(zāi)害特征，分析總結(jié)出瓦斯災(zāi)害多元信息疊加預(yù)測方法。

1 多元信息疊加法概述

多元信息疊加是指同一區(qū)域有多種信息之間進(jìn)行匹配疊加處理。包括空間配準(zhǔn)和內(nèi)容處理兩個(gè)方面。在同一坐標(biāo)系統(tǒng)下構(gòu)成一組新的空間信息、一種新的合成圖像。同一系列的各種信息合成、疊加突出這一個(gè)系列的專題信息，消突或抑制其他無關(guān)信息，達(dá)到清晰、明確、簡單易懂的成圖目的。

瓦斯災(zāi)害多元信息疊加是在瓦斯地質(zhì)學(xué)和礦井原有瓦斯地質(zhì)圖的基礎(chǔ)上，提出影響瓦斯災(zāi)害的各個(gè)因素，將各要素轉(zhuǎn)化成數(shù)字，建立專題要素?cái)?shù)據(jù)庫，編輯單一要素專題圖紙，然后再進(jìn)行配準(zhǔn)、疊加，形成一個(gè)綜合信息存儲(chǔ)層，構(gòu)建區(qū)域瓦斯地質(zhì)模型進(jìn)行擬合分析，建立瓦斯災(zāi)害模式，進(jìn)行區(qū)域瓦斯災(zāi)害分因素、分區(qū)和分級(jí)別預(yù)測。

整個(gè)預(yù)測過程為：原始數(shù)據(jù)處理→形成瓦斯地質(zhì)圖→選擇影響瓦斯災(zāi)害的因素→將原始瓦斯地質(zhì)圖各要素分類并轉(zhuǎn)化成數(shù)字→建立專題要求數(shù)據(jù)庫→單一要素成圖及分析→多要素疊加成圖(成為一個(gè)瓦斯地質(zhì)模型)→擬合分析瓦斯災(zāi)害模式→瓦斯災(zāi)害預(yù)測。

2 瓦斯災(zāi)害因素?cái)?shù)據(jù)采集與成圖

煤礦瓦斯災(zāi)害因素?cái)?shù)據(jù)的采集是多元信息疊加的基礎(chǔ)，只有把參與疊加的各個(gè)瓦斯災(zāi)害因素?cái)?shù)據(jù)按照統(tǒng)一坐標(biāo)系逐個(gè)采集，才能為瓦斯災(zāi)害因素的專題要素成圖和信息疊加奠定基礎(chǔ)，本次瓦斯災(zāi)害因素采集以煤與瓦斯突出為基礎(chǔ)。通過對(duì)煤與瓦斯突出機(jī)理的分析得出：瓦斯是突出的主要因素，地應(yīng)力是突出的根本動(dòng)力，煤的物理力學(xué)性能決定突出發(fā)生、發(fā)展的難易程度，且在突出過程中發(fā)生明顯改變。并且發(fā)現(xiàn)在煤與瓦斯突出過程中其中一些因素起著主導(dǎo)作用，他們決定了煤與瓦斯突出的性質(zhì)、突出點(diǎn)的分布和突出嚴(yán)重程度。而另外一些因素在煤與瓦斯突出過程中只起到次要作用，尤其是當(dāng)按某個(gè)具體的礦井來分析時(shí)這種現(xiàn)象更加明顯。因此，當(dāng)運(yùn)用多元信息疊加法進(jìn)行瓦斯災(zāi)害預(yù)測時(shí)，必須根據(jù)礦井的具體情況，科學(xué)地選擇對(duì)該礦瓦斯災(zāi)害其決定作用的若干因素，排除次要因素干擾，才能抓住問題的實(shí)質(zhì)、客觀地反映礦區(qū)范圍內(nèi)的煤與瓦斯突出規(guī)律，建立正確的瓦斯地質(zhì)模型，進(jìn)行合理的礦井瓦斯災(zāi)害預(yù)測。

2.1 煤礦瓦斯災(zāi)害因素?cái)?shù)據(jù)的采集

以貴州省黔西縣新田煤礦為例，通過對(duì)新田煤礦井田4號(hào)煤層的瓦斯地質(zhì)賦存特點(diǎn)和目前采掘活動(dòng)情況進(jìn)行分析，在新田煤礦瓦斯災(zāi)害因素?cái)?shù)據(jù)采集時(shí)，主要選擇以下幾個(gè)方面。

2.1.1 礦井瓦斯異常區(qū)數(shù)據(jù)采集

煤層瓦斯含量和壓力在煤與瓦斯突出中發(fā)揮著及其重要的作用，一般情況下瓦斯含量高、壓力大，突出危險(xiǎn)性就高，反之突出危險(xiǎn)性就小。根據(jù)中煤科工集團(tuán)重慶研究院提交的《新田煤礦4號(hào)煤層瓦斯基本參數(shù)測定及突出危險(xiǎn)性鑒定報(bào)告》，新田煤礦井田范圍內(nèi)4號(hào)煤層瓦斯含量10.95～30.00m3/t，瓦斯壓力2.5MPa，整個(gè)井田均屬于煤與瓦斯突出危險(xiǎn)區(qū)。

2.1.2 地質(zhì)應(yīng)力異常區(qū)數(shù)據(jù)采集

新田煤礦井田地質(zhì)條件復(fù)雜，區(qū)內(nèi)褶曲和斷層發(fā)育，其中白巖坡背斜橫穿井田中部，與東部巖頭上向斜、西部幾條斷層將礦井形成為中間高東西兩側(cè)低的一組隆起。在地質(zhì)應(yīng)力異常區(qū)數(shù)據(jù)采集時(shí)分別考慮褶曲和斷層應(yīng)力異常區(qū)。

1)褶曲應(yīng)力異常區(qū)數(shù)據(jù)采集。參考崔宏偉等學(xué)者發(fā)表的“煤層小構(gòu)造與瓦斯涌出關(guān)系數(shù)值模擬研究”[7]，在埋深400m的井下，煤層厚4m，封閉效果良好的區(qū)域內(nèi)，通過建立煤層小型褶曲構(gòu)造的地質(zhì)模型發(fā)現(xiàn)距離褶曲軸線30m處應(yīng)力為褶曲軸部應(yīng)力的0.5倍，距離軸部越近地應(yīng)力明顯升高，如圖1所示。 新田煤礦井田范圍內(nèi)4號(hào)煤層埋深338～425m，中部白巖坡背斜、東部邊界的巖頭上向斜，以及采掘過程中局部小褶皺發(fā)育，因此，取褶曲軸部向兩翼延展30m范圍內(nèi)為應(yīng)力異常區(qū)。

圖1 褶曲斷距應(yīng)力異常區(qū)分布曲線

2)斷層應(yīng)力異常區(qū)數(shù)據(jù)采集。參考朱維申等學(xué)者發(fā)表的“斷層附近應(yīng)力分布的異常和對(duì)隧洞穩(wěn)定的影響”[8]，發(fā)現(xiàn)埋深400m內(nèi)的地下，各類斷層在距離斷層面兩側(cè)水平方向上22～28m內(nèi)應(yīng)力波動(dòng)明顯，如圖2所示。新田煤礦井田范圍內(nèi)地表斷層跡象明顯落差大于30m的斷層6條，10～30m的斷層5條，地下隱伏小斷層9條，礦井采掘過程中揭露的落差大于3m的斷層一條，其他均小于3m，因此，取水平方向上斷層面兩側(cè)30m為應(yīng)力異常區(qū)。

圖2 巷道前方應(yīng)力集中系數(shù)分布曲線

2.1.3 礦井煤層賦存異常區(qū)數(shù)據(jù)采集

通過大量研究發(fā)現(xiàn)，凡發(fā)生過煤與瓦斯突出的煤層都有軟分層的存在，軟分層在瓦斯災(zāi)害事故中起著必要作用；而煤層的硬度系數(shù)又體現(xiàn)了煤體對(duì)瓦斯災(zāi)害的抵抗強(qiáng)度，阻止瓦斯災(zāi)害的發(fā)生。因此，在提取煤層賦存異常區(qū)數(shù)據(jù)時(shí)，主要從煤層軟分層和煤體硬度異常區(qū)著手。

1)煤層厚度異常區(qū)信息采集。根據(jù)新田煤礦地層賦存特征和生產(chǎn)過程中揭露的煤層情況來看，4號(hào)煤層厚1.24～5.83m，平均2.79m，煤層整體破碎，受層內(nèi)構(gòu)造影響，局部變厚區(qū)域煤層破碎程度高，因此，取厚度大于3.0m的煤層厚度增厚帶為煤厚異常區(qū)。

2)煤層硬度異常區(qū)信息采集。《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定煤的破壞類型為Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ類的煤層具有突出危險(xiǎn)性，在煤層硬度異常區(qū)信息采集時(shí)，以出現(xiàn)破碎煤體、粉末狀煤體的鉆孔和煤體硬度值f<0.5的區(qū)域?yàn)槊簩拥挠捕犬惓^(qū)。

2.2 瓦斯災(zāi)害系列圖紙的繪制

應(yīng)用多元信息疊加法繪制瓦斯災(zāi)害系列圖紙需將采集的數(shù)據(jù)分別建立專題數(shù)據(jù)庫，由計(jì)算機(jī)自動(dòng)成各類專題圖件，然后疊加形成綜合圖，再進(jìn)行擬合微調(diào)形成最終的瓦斯災(zāi)害因素系列圖。

2.2.1 建立瓦斯災(zāi)害因素專題數(shù)據(jù)庫

計(jì)算機(jī)成圖的基礎(chǔ)是建立各類數(shù)據(jù)庫。本文將礦井采掘工程平面圖做為底圖，將底圖上所反映的礦井邊界、構(gòu)造、井巷工程、采掘區(qū)域、鉆孔資料、煤層底板等高線等轉(zhuǎn)化成數(shù)字和坐標(biāo)信息，建立基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫。然后根據(jù)瓦斯災(zāi)害異常信息再將各鉆孔瓦斯含量、瓦斯壓力、褶曲和斷層的異常區(qū)、煤厚異常區(qū)、煤層硬度異常區(qū)等瓦斯災(zāi)害異常信息轉(zhuǎn)化成數(shù)字，建立瓦斯災(zāi)害異常信息數(shù)據(jù)庫，完成瓦斯災(zāi)害異常信息采集，建立礦井瓦斯災(zāi)害異常信息專項(xiàng)數(shù)據(jù)庫。

2.2.2 繪制瓦斯災(zāi)害系列圖件

根據(jù)建立的數(shù)據(jù)庫由計(jì)算機(jī)直接成圖，包括區(qū)域基礎(chǔ)圖件、礦井瓦斯含量和壓力等值線圖、地質(zhì)應(yīng)力異常信息圖、煤層厚度異常信息圖和煤層硬度異常信息圖，形成瓦斯災(zāi)害系列圖件，建立礦井瓦斯地質(zhì)模型。應(yīng)用地質(zhì)模型和各類異常信息專題圖件進(jìn)行信息疊加，經(jīng)融合、調(diào)整后形成瓦斯災(zāi)害預(yù)警圖，如圖3所示。將新田煤礦井田瓦斯災(zāi)害預(yù)警圖轉(zhuǎn)化成瓦斯災(zāi)害異常信息疊加，可得到礦井瓦斯災(zāi)害預(yù)警區(qū)預(yù)警信息分布圖，如圖4所示。

圖3 新田煤礦井田瓦斯災(zāi)害預(yù)警圖

圖4 新田煤礦瓦斯災(zāi)害預(yù)警區(qū)預(yù)警信息分布圖(m3/t)

3 新田煤礦瓦斯災(zāi)害預(yù)測和效果評(píng)價(jià)

3.1 煤礦瓦斯災(zāi)害預(yù)測

根據(jù)繪制的瓦斯災(zāi)害系列圖件和疊加后形成的新田煤礦瓦斯災(zāi)害預(yù)警圖、瓦斯災(zāi)害預(yù)警區(qū)預(yù)警信息分布圖，可以看出新田煤礦井田大部分范圍處于一級(jí)和二級(jí)瓦斯災(zāi)害預(yù)警區(qū)，主要包括北部、東部邊界四、五采區(qū)北部和三采區(qū)東部的礦井厚煤區(qū)，以及西南部邊界煤層硬度異常區(qū)；目前的生產(chǎn)采區(qū)一采區(qū)和接替采區(qū)二采區(qū)北部及中部區(qū)域受白巖坡背斜影響地質(zhì)應(yīng)力集中、煤層硬度降低、厚度變化大，為礦井三級(jí)和四級(jí)瓦斯災(zāi)害預(yù)警區(qū)，是礦井瓦斯災(zāi)害最嚴(yán)重區(qū)域。新田煤礦瓦斯災(zāi)害預(yù)測情況見表1。其中，新田煤礦井田范圍內(nèi)4號(hào)煤層瓦斯含量10～30m3/t，瓦斯壓力2.5MPa，全井田4號(hào)煤層屬于突出煤層，所以井田范圍內(nèi)不存在安全區(qū)域，無異常區(qū)按一級(jí)預(yù)警區(qū)預(yù)計(jì)。

表1 新田煤礦瓦斯災(zāi)害預(yù)測情況

3.2 預(yù)測效果評(píng)價(jià)

應(yīng)用地質(zhì)模型和瓦斯災(zāi)害異常區(qū)域分區(qū)所做的瓦斯災(zāi)害預(yù)警圖，礦井前期生產(chǎn)過程中出現(xiàn)的煤與瓦斯突出、打鉆噴孔以及其他預(yù)兆對(duì)新田煤礦瓦斯災(zāi)害預(yù)警圖及預(yù)測結(jié)果進(jìn)行反向驗(yàn)證，兩者基本吻合。細(xì)化后的瓦斯災(zāi)害異常信息圖對(duì)礦井瓦斯治理過程提出針對(duì)性預(yù)測，采取專項(xiàng)措施，礦井工作面及煤巷掘進(jìn)方面瓦斯治理效率提升明顯。

以此證明多元信息疊加法預(yù)測瓦斯災(zāi)害是科學(xué)有效、符合實(shí)際、能夠定量和定性反映礦井瓦斯災(zāi)害。隨著測試手段的改進(jìn)，還可以從采集瓦斯災(zāi)害前的預(yù)兆信息入手，研究他們的失控變化及其與瓦斯災(zāi)害新的擬合關(guān)系，以實(shí)現(xiàn)瓦斯災(zāi)害的短期預(yù)報(bào)或?qū)崟r(shí)預(yù)報(bào)。

4 結(jié) 論

1)通過多元信息疊加預(yù)測法預(yù)測新田煤礦瓦斯災(zāi)害，并根據(jù)災(zāi)害程度將整個(gè)井田劃分為四級(jí)瓦斯災(zāi)害預(yù)警區(qū)，進(jìn)行瓦斯災(zāi)害預(yù)測。該方法操作簡單、參數(shù)易于選取、實(shí)用性強(qiáng)，預(yù)測結(jié)果與礦井采掘生產(chǎn)過程中發(fā)現(xiàn)的實(shí)際情況基本吻合，預(yù)測結(jié)果準(zhǔn)確，可以作為煤礦瓦斯災(zāi)害預(yù)測方法。

2)煤礦瓦斯災(zāi)害多元信息疊加預(yù)測法既是一種災(zāi)害預(yù)測方法，也是一種繪圖方法。通過選取不同系列的異常參數(shù)，同樣也可以繪制其他系列圖，對(duì)礦井水害、地質(zhì)災(zāi)害、自然災(zāi)害進(jìn)行預(yù)測，預(yù)測方法科學(xué)易行，能夠定量、定性分析各類災(zāi)害情況，預(yù)測結(jié)果準(zhǔn)確，能夠準(zhǔn)確指導(dǎo)礦井的安全生產(chǎn)。