蒲 陽

（1.瓦斯災(zāi)害監(jiān)控與應(yīng)急技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶400037；2.中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司，重慶400039）

在供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革的時代背景下，建設(shè)現(xiàn)代化高產(chǎn)高效礦井成為煤炭企業(yè)轉(zhuǎn)型升級的必由之路，而煤與瓦斯突出礦井追求高產(chǎn)高效則加深了生產(chǎn)與防突之間的矛盾，這是因?yàn)椋阂环矫?，工作面的快速推進(jìn)造成采掘應(yīng)力、瓦斯涌出等因素的快速變化，使得突出危險性演化規(guī)律更加復(fù)雜多變，突出災(zāi)害嚴(yán)重程度、防治難度均大幅增加；另一方面，突出防治需要投入大量工程施工，占用生產(chǎn)時間，制約生產(chǎn)效率的提高。在現(xiàn)有的技術(shù)條件下，要緩解高產(chǎn)高效礦井生產(chǎn)與防突之間的矛盾，必須以提升突出預(yù)測技術(shù)為前提，因?yàn)橹挥蓄A(yù)測做好了，突出防治才能做到有的放矢、事半功倍?，F(xiàn)行的突出預(yù)測方法按照參數(shù)測定方法不同可分為接觸式和非接觸式2 類。其中，接觸式預(yù)測方法主要指鉆屑解吸指標(biāo)法[1]，該方法是目前應(yīng)用最成熟、最廣泛的預(yù)測方法，但是在高產(chǎn)高效礦井，其效率低、不全面、不連續(xù)等不足也日益凸顯；非接觸式預(yù)測方法主要指以電磁輻射、聲發(fā)射等為代表的聲電預(yù)測方法[2-3]，以及基于瓦斯涌出的預(yù)測方法[4]，該類方法在連續(xù)性、便捷性方面具有明顯優(yōu)勢，但也存在數(shù)據(jù)濾噪困難、預(yù)測指標(biāo)較為單一等不足。為此，從突出演化的時空關(guān)系角度構(gòu)建遠(yuǎn)近場協(xié)同預(yù)測技術(shù)體系，基于GIS 平臺開發(fā)專業(yè)的預(yù)測軟件系統(tǒng)，全方位、全過程把控礦井及工作面突出危險性，在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)、高效防突，使高產(chǎn)高效礦井防突與生產(chǎn)不再相互制約。

1 技術(shù)體系

針對目前煤與瓦斯突出危險性預(yù)測方法存在的超前性不足、不全面、不連續(xù)、效率低等諸多不適應(yīng)于高產(chǎn)高效礦井的缺陷，將以陽煤集團(tuán)幾對主力礦井為例，從時空關(guān)系角度建立突出危險性遠(yuǎn)近場協(xié)同[5-6]預(yù)測技術(shù)，彌補(bǔ)上述技術(shù)缺陷，為高產(chǎn)高效礦井防突工作提供技術(shù)支撐。

1.1 遠(yuǎn)場預(yù)測

遠(yuǎn)場預(yù)測具有時間、空間雙重屬性，但側(cè)重點(diǎn)在空間屬性。在空間屬性方面，該技術(shù)主要通過構(gòu)建瓦斯場、應(yīng)力場、地質(zhì)構(gòu)造場及防突措施場，從宏觀層面把控影響突出的區(qū)域因素。遠(yuǎn)場預(yù)測的時間屬性主要體現(xiàn)在對遠(yuǎn)場的超前感知、超前警示，并隨著采掘條件的變化或防突措施的施行，實(shí)現(xiàn)4 個場作用范圍的動態(tài)更新。

1）瓦斯場構(gòu)建。瓦斯場構(gòu)建主要通過對瓦斯含量（壓力）與煤層埋深、煤層厚度等因素的相關(guān)關(guān)系分析，掌握瓦斯賦存整體規(guī)律，最終以瓦斯云圖、等值線圖、等級區(qū)劃圖等形式展現(xiàn)。陽煤集團(tuán)新景礦、新元礦、五礦等礦井原始瓦斯含量均與煤層埋深呈正相關(guān)關(guān)系，隨著煤層埋深的增大，煤層總體瓦斯賦存呈增大趨勢，根據(jù)此關(guān)系并借助GIS 技術(shù)，將區(qū)域瓦斯賦存情況分區(qū)、分級，形成反映瓦斯分布強(qiáng)弱及影響范圍的瓦斯場。

2）應(yīng)力場構(gòu)建。應(yīng)力場構(gòu)建主要是采用數(shù)值模擬、應(yīng)力集中系數(shù)法、應(yīng)力監(jiān)測等方法，圈定采掘應(yīng)力集中區(qū)、煤柱區(qū)及采掘應(yīng)力疊加區(qū)等區(qū)域。在陽煤集團(tuán)新景礦，處于3#煤層煤柱影響區(qū)內(nèi)的8#煤層采掘工作面實(shí)測K1值超標(biāo)次數(shù)明顯多于其它區(qū)域。根據(jù)數(shù)值模擬，并參考礦井生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，確定新景礦采掘應(yīng)力場的作用范圍為：采煤工作面60～80 m，掘進(jìn)工作面20～30 m；對于鄰近層煤柱應(yīng)力場作用范圍，參照《防治煤與瓦斯突出細(xì)則》中卸壓角大小及礦井生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)確定。

3）地質(zhì)構(gòu)造場構(gòu)建。地質(zhì)構(gòu)造場構(gòu)建主要分為2 部分內(nèi)容：第1 部分是圈定探明構(gòu)造區(qū)、物探異常區(qū)及其影響范圍；第2 部分是宏觀把控煤厚分布、軟分層分布等煤層賦存情況。對于已探明構(gòu)造或是物探異常區(qū)，通過數(shù)字化創(chuàng)建地質(zhì)構(gòu)造場，當(dāng)向地質(zhì)構(gòu)造場推進(jìn)時，根據(jù)工作面所處位置地質(zhì)構(gòu)造場的強(qiáng)度，進(jìn)行分類分級、動態(tài)警示。根據(jù)統(tǒng)計，新景礦發(fā)生過的200 余次瓦斯突（噴）出事故中，60%以上發(fā)生在地質(zhì)構(gòu)造影響區(qū)，經(jīng)過考察，陽泉礦區(qū)突出危險性主控地質(zhì)構(gòu)造類型有斷層、沖刷帶及向斜，各構(gòu)造類型的影響范圍為：落差小于10 m 的斷層，影響范圍為15 m，落差大于10 m 的斷層，影響范圍為30 m；沖刷帶影響范圍為構(gòu)造內(nèi)部及輪廓線外延20 m區(qū)域；褶皺構(gòu)造影響范圍為軸部兩側(cè)各30 m 區(qū)域。煤層賦存異常也會造成突出危險性增大，其臨界值為：煤層厚度變化超過25%，或是軟分層厚度超過0.3 m。

4）防突措施場構(gòu)建。防突措施場構(gòu)建內(nèi)容主要包括瓦斯抽采效果、保護(hù)層開采效果及防突措施施鉆效果[7]。其中，瓦斯抽采效果評價主要通過抽采監(jiān)測數(shù)據(jù)及區(qū)域瓦斯賦存情況，綜合分析瓦斯抽采達(dá)標(biāo)情況；保護(hù)層開采效果評價主要基于GIS 技術(shù)，動態(tài)辨識保護(hù)層開采超前距離及其影響范圍；防突措施施鉆效果評價主要通過獲取鉆孔軌跡數(shù)據(jù)，運(yùn)用核密度法分析鉆孔在三維空間中的密度分布，自動圈定措施鉆孔控制范圍、空白帶等區(qū)域。

1.2 近場預(yù)測

近場預(yù)測同樣具有時間、空間雙重屬性，但側(cè)重點(diǎn)在時間屬性。該技術(shù)以突出演化的時間關(guān)系為主線，通過動態(tài)獲取瓦斯、礦壓監(jiān)測實(shí)時數(shù)據(jù)，提取能夠反映工作面突出危險性的特征指標(biāo)，建立基于瓦斯涌出特征、礦壓監(jiān)測特征的突出預(yù)測技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對工作面突出危險性的連續(xù)預(yù)測。近場預(yù)測的空間范圍為工作面前方卸壓帶、集中應(yīng)力帶[8]以內(nèi)。

1）基于瓦斯涌出特征的突出預(yù)測技術(shù)。陽泉礦區(qū)突出預(yù)測敏感指標(biāo)為瓦斯解吸指標(biāo)K1，而瓦斯監(jiān)測特征指標(biāo)A、B 與K1值變化及現(xiàn)場觀測情況一致，如實(shí)反映了工作面實(shí)際突出危險性大小，據(jù)此確定A、B 指標(biāo)為基于瓦斯涌出特征的突出預(yù)測指標(biāo)。A 指標(biāo)反映工作面前方5～10 m 范圍以內(nèi)可解吸瓦斯含量，B 指標(biāo)反映工作面前方煤體的物理性質(zhì)，2 種指標(biāo)組合使用，同時監(jiān)測煤與瓦斯突出的2類致災(zāi)因素，能夠有效提高預(yù)測準(zhǔn)確性。A、B 指標(biāo)與K1值的變化關(guān)系如圖1。

圖1 A、B 指標(biāo)與K1 值的變化關(guān)系Fig.1 Relationship between indexs A, B and index K1

2）基于礦壓監(jiān)測特征的突出預(yù)測技術(shù)。陽泉礦區(qū)3#煤瓦斯突（噴）出約有90%發(fā)生在回采工作面，通過分析新景礦采煤工作面礦壓監(jiān)測數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，礦壓的異常增大會造成瓦斯涌出量的增大，且礦壓的異常增大超前瓦斯涌出量增大約1～2 d，礦壓變化與瓦斯涌出關(guān)系如圖2。因此，可以利用礦壓監(jiān)測特征來預(yù)測采煤工作面突出危險性。技術(shù)根據(jù)加權(quán)平均、差值法等多種數(shù)學(xué)算法及現(xiàn)場經(jīng)驗(yàn)綜合濾噪，采用R/S 分析法建立礦壓監(jiān)測特征預(yù)測指標(biāo)，同時，綜合考慮工作面周期來壓、片幫、頂板下沉等礦壓顯現(xiàn)特征，構(gòu)建礦壓監(jiān)測特征預(yù)測模型。

1.3 遠(yuǎn)近場預(yù)測的有效融合

圖2 礦壓變化與瓦斯涌出關(guān)系Fig.2 Relationship between mine pressure change and gas emission

遠(yuǎn)場預(yù)測構(gòu)建了瓦斯場、應(yīng)力場、地質(zhì)構(gòu)造場與防突措施場，實(shí)現(xiàn)了對突出影響因素的宏觀把控，側(cè)重空間維度；近場預(yù)測基于瓦斯、礦壓監(jiān)測數(shù)據(jù)，動態(tài)辨識工作面實(shí)時突出危險性大小，側(cè)重于時間維度。只有將遠(yuǎn)近場多元數(shù)據(jù)進(jìn)行有效融合，才能夠從時空關(guān)系角度獲得對工作面突出危險性大小的最佳一致估計。技術(shù)通過2 種途徑實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)近場預(yù)測的有效融合：①借助GIS 技術(shù)，將瓦斯場、應(yīng)力場、地質(zhì)構(gòu)造場與防突措施場數(shù)字化，預(yù)先定義各個場的類型、作用范圍、強(qiáng)弱等屬性，同時，動態(tài)跟蹤掘進(jìn)、采煤工作面進(jìn)度，當(dāng)工作面推進(jìn)至某個場的作用范圍時，遠(yuǎn)近場聯(lián)動判識；②通過結(jié)果分級實(shí)現(xiàn)，遠(yuǎn)近場預(yù)測各有一套預(yù)測指標(biāo)及規(guī)則，各自生成預(yù)測結(jié)果，遠(yuǎn)近場預(yù)測結(jié)果均按照危險程度由大到小分為一級、二級、三級，可通過預(yù)測結(jié)果實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)近場預(yù)測的有效融合，遠(yuǎn)近場預(yù)測融合規(guī)則見表1。

表1 遠(yuǎn)近場預(yù)測融合規(guī)則Table 1 Fusion rules of far and near fields prediction

2 軟件系統(tǒng)開發(fā)

軟件系統(tǒng)是預(yù)測模型的載體，是遠(yuǎn)近場預(yù)測得以實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵，軟件系統(tǒng)開發(fā)主要涉及基礎(chǔ)數(shù)據(jù)采集及存儲、專業(yè)應(yīng)用軟件開發(fā)2 大方面內(nèi)容。

2.1 數(shù)據(jù)采集及存儲

技術(shù)建立的遠(yuǎn)近場協(xié)同預(yù)測方法為多角度、多因素的綜合預(yù)測方法[9-12]，所需數(shù)據(jù)來源廣泛、屬性眾多，因此必須構(gòu)建科學(xué)合理的數(shù)據(jù)采集及存儲方法，以保障系統(tǒng)穩(wěn)定、高效運(yùn)行。

1）數(shù)據(jù)采集。遠(yuǎn)場數(shù)據(jù)采集主要包括數(shù)據(jù)初始化與數(shù)據(jù)更新。遠(yuǎn)場數(shù)據(jù)初始化是指在系統(tǒng)建設(shè)期間，將礦井瓦斯賦存、應(yīng)力集中區(qū)、地質(zhì)構(gòu)造、物探異常區(qū)、煤層賦存、防突措施影響區(qū)等宏觀因素通過數(shù)字化、以“場”的形式在瓦斯地質(zhì)圖上進(jìn)行標(biāo)注；遠(yuǎn)場數(shù)據(jù)更新是指在系統(tǒng)日常運(yùn)行過程中，根據(jù)實(shí)測數(shù)據(jù)，修正“場”的作用范圍或強(qiáng)度屬性，操作方法與初始化相同。近場數(shù)據(jù)采集通過開發(fā)專用的數(shù)據(jù)采集器，自動獲取或接收礦井安全監(jiān)控系統(tǒng)中的瓦斯及礦壓監(jiān)測數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)采集器采用Windows 服務(wù)方式，后臺運(yùn)行，不需要人工干預(yù)。

2）數(shù)據(jù)存儲。遠(yuǎn)近場預(yù)測涉及突出演化的時空關(guān)系，基礎(chǔ)數(shù)據(jù)類型主要有屬性數(shù)據(jù)、圖形圖像數(shù)據(jù)及空間關(guān)系數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)具有種類繁多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜等特征，隨著信息技術(shù)的發(fā)展，礦井采集信息的廣度、深度還將不斷拓展，因此，必須建立科學(xué)合理的數(shù)據(jù)存儲結(jié)構(gòu)，以滿足對多元信息分析的需求。建立了立方體數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，突出預(yù)測數(shù)據(jù)立方體如圖3，立方體的3 個維度分別為時間、空間、突出危險演化特征，在數(shù)據(jù)立方體中，不同維度的組合及其對應(yīng)的度量值構(gòu)成相應(yīng)的查詢和分析，解決了突出危險性預(yù)測多元數(shù)據(jù)分析的基本問題。對于數(shù)據(jù)庫的選擇，在綜合考慮遠(yuǎn)近場數(shù)據(jù)融合、數(shù)據(jù)規(guī)模、安全性等因素的基礎(chǔ)上，采用關(guān)系型數(shù)據(jù)庫，選用Microsoft SQL Server 數(shù)據(jù)庫管理平臺。

圖3 突出預(yù)測數(shù)據(jù)立方體Fig.3 Data cube of gas outburst prediction

2.2 專業(yè)應(yīng)用軟件開發(fā)

根據(jù)遠(yuǎn)近場預(yù)測功能需求，綜合考慮煤礦相關(guān)部門專業(yè)人才配置情況，共開發(fā)5 個專業(yè)子系統(tǒng)，以最大程度的融入礦井管理模式，提高系統(tǒng)運(yùn)行效率。

1）多場融合綜合分析系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要為瓦斯場、應(yīng)力場及地質(zhì)構(gòu)造場的構(gòu)建提供支撐，其核心功能包括：瓦斯賦存規(guī)律等值線圖（或云圖）自動繪制及動態(tài)更新；工作面空間位置分析及應(yīng)力集中區(qū)動態(tài)區(qū)劃；瓦斯抽采達(dá)標(biāo)評價；地質(zhì)構(gòu)造、物探異常區(qū)屬性管理及影響范圍圈定。

2）防突措施綜合分析系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要為防突措施場的構(gòu)建提供數(shù)據(jù)支撐，其核心功能包括：鉆孔軌跡數(shù)據(jù)的自動獲??；鉆孔控制范圍的自動分析；鉆孔三維分布圖繪制；鉆孔施工合理性評價。

3）瓦斯涌出動態(tài)分析系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要為近場預(yù)測提供瓦斯涌出數(shù)據(jù)支持，其核心功能包括：瓦斯監(jiān)控數(shù)據(jù)的動態(tài)獲取及自動濾噪；瓦斯涌出預(yù)測指標(biāo)的自動計算；基于瓦斯涌出特征的工作面突出危險性自動辨識與動態(tài)預(yù)測。

4）礦壓特征動態(tài)分析系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要為近場預(yù)測提供礦壓顯現(xiàn)數(shù)據(jù)支持，其核心功能包括：礦壓監(jiān)測數(shù)據(jù)的動態(tài)獲取及自動濾噪；礦壓預(yù)測指標(biāo)的自動計算；基于礦壓顯現(xiàn)特征的工作面突出危險性自動辨識與動態(tài)預(yù)測。

5）瓦斯突出遠(yuǎn)近場融合預(yù)測平臺。平臺主要實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)近場預(yù)測的有效融合，其核心功能包括：遠(yuǎn)近場預(yù)測融合規(guī)則定義；各子系統(tǒng)數(shù)據(jù)獲取與分析；以軟件平臺、短信、語音、網(wǎng)頁等多種形式同時發(fā)布預(yù)測結(jié)果。

3 現(xiàn)場應(yīng)用

技術(shù)在陽煤集團(tuán)新景礦、新元礦、平舒礦等多個礦井進(jìn)行了推廣應(yīng)用，從3 個方面考察了現(xiàn)場應(yīng)用情況。

1）整體應(yīng)用效果。選擇新景礦3 個典型掘進(jìn)面3#煤南八副巷、7212 切巷及8#煤北六副巷為考察工作面，跟蹤考察4 個月，并統(tǒng)計了預(yù)測結(jié)果等級分布情況，不同工作面預(yù)測結(jié)果統(tǒng)計如圖4。可以看出：預(yù)測突出危險性最大的是7212 切巷，其次是南八正巷，最小的是北六副巷。而現(xiàn)場實(shí)際情況是：7212 切巷受沖刷帶控制，K1值頻繁超標(biāo)，煤體偏軟，多次出現(xiàn)施鉆動力現(xiàn)象；南八正巷在考察期間穿過1 條斷層，過斷層期間突出危險性較大，K1值超標(biāo)嚴(yán)重；北六副巷處于上部3#煤層開采的卸壓保護(hù)區(qū)內(nèi)，考察期內(nèi)未出現(xiàn)明顯異?，F(xiàn)象。通過對比發(fā)現(xiàn)，預(yù)測結(jié)果真實(shí)反映了工作面突出危險大?。ㄆ骄A(yù)測準(zhǔn)確率達(dá)96.09%），而且還在預(yù)測的超前性、連續(xù)性方面有較大優(yōu)勢。

圖4 不同工作面預(yù)測結(jié)果統(tǒng)計Fig.4 Statistics of prediction results of different working faces

2）典型應(yīng)用案例。遠(yuǎn)近場協(xié)同預(yù)測如圖5。新景礦3#層北九正巷在3 月20 日遠(yuǎn)場預(yù)測結(jié)果為一級（瓦斯場為二級，地質(zhì)構(gòu)造場為一級），近場預(yù)測結(jié)果為一級（瓦斯指標(biāo)A 超標(biāo)），遠(yuǎn)近場協(xié)同預(yù)測結(jié)果為一級。而根據(jù)現(xiàn)場實(shí)測，K1值達(dá)0.86 mL/（g·min1/2），且有0.5 m 厚軟分層?？梢?，本技術(shù)準(zhǔn)確預(yù)測了工作面突出危險性，超前K1值預(yù)測2 d，且實(shí)現(xiàn)了動態(tài)預(yù)測。

3）與礦井防突管理結(jié)合情況。瓦斯地質(zhì)評級是陽煤集團(tuán)重要的防突管理手段，在整體架構(gòu)設(shè)計上綜合考慮了現(xiàn)場應(yīng)用需求，遠(yuǎn)近場預(yù)測模型完全涵蓋瓦斯地質(zhì)評級技術(shù)體系，并拓展了瓦斯地質(zhì)評級技術(shù)體系的廣度、深度；還為陽煤集團(tuán)定制開發(fā)了電子報表，實(shí)現(xiàn)瓦斯地質(zhì)評級報表的自動生成。

圖5 遠(yuǎn)近場協(xié)同之近場預(yù)測Fig.5 Far and near fields collaborative prediction

4 結(jié) 論

1）構(gòu)建了遠(yuǎn)近場協(xié)同預(yù)測技術(shù)體系。基于突出危險性演化的時空關(guān)系，從遠(yuǎn)場預(yù)測方面，實(shí)現(xiàn)了對瓦斯場、應(yīng)力場、地質(zhì)構(gòu)造場、防突措施場等突出影響因素的超前、動態(tài)、宏觀把控；從近場預(yù)測方面，構(gòu)建了基于瓦斯、礦壓監(jiān)測特征的實(shí)時、精準(zhǔn)預(yù)測；最終通過遠(yuǎn)近場數(shù)據(jù)的有效融合，實(shí)現(xiàn)了突出危險性的遠(yuǎn)近場協(xié)同預(yù)測。

2）建立了數(shù)據(jù)驅(qū)動的遠(yuǎn)近場協(xié)同預(yù)測模型。根據(jù)遠(yuǎn)近場數(shù)據(jù)特征，建立了數(shù)據(jù)驅(qū)動的遠(yuǎn)近場時空協(xié)同預(yù)測模型，開發(fā)了突出危險性遠(yuǎn)近場預(yù)測平臺，實(shí)現(xiàn)了突出危險性的超前、動態(tài)預(yù)測，解決了現(xiàn)有預(yù)測技術(shù)不能完全適用于高產(chǎn)高效礦井的難題。

3）取得了較好的現(xiàn)場應(yīng)用效果。該技術(shù)在陽泉礦區(qū)高產(chǎn)高效礦井進(jìn)行了全面應(yīng)用，實(shí)際考察預(yù)測準(zhǔn)確率達(dá)96.09%，大幅提高了預(yù)測的超前性、實(shí)時性、全面性，升級了瓦斯地質(zhì)量化評級技術(shù)體系，完全融入了陽煤集團(tuán)的防突管理工作。