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        瓦斯異常涌出影響因素與風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別研究現(xiàn)狀*

        2021-04-01 00:33:26張立志施式亮
        采礦技術(shù) 2021年2期
        關(guān)鍵詞:大氣壓采空區(qū)瓦斯

        張立志,施式亮,

        (1.湖南科技大學(xué) 資源環(huán)境與安全工程學(xué)院, 湖南 湘潭市 411201;2.湖南科技大學(xué) 煤礦安全開采技術(shù)湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 湖南 湘潭市 411201)

        0 引言

        瓦斯主要賦存于煤層中,甲烷是瓦斯的主要成分,從狹義上講,煤礦瓦斯指的就是甲烷[1]。瓦斯一般以游離態(tài)和吸附態(tài)兩種狀態(tài)存在于煤體及圍巖體中,在未受采動(dòng)影響的煤(巖)體內(nèi),瓦斯的解吸與吸附處于動(dòng)態(tài)平衡。受采掘作業(yè)的擾動(dòng)影響,煤巖整體遭到破壞,煤巖體內(nèi)原有的平衡狀態(tài)被打破,大量瓦斯涌入巷道,對(duì)井下人員生命安全造成威脅[2-3],且隨著時(shí)間的延長(zhǎng),瓦斯的解吸與吸附會(huì)趨向于新的平衡。根據(jù)瓦斯涌出形式的不同,一般將其分為普通涌出和異常涌出[4]。普通涌出的涌出速率比較均勻,容易進(jìn)行監(jiān)測(cè)和采取防治措施;而異常涌出則為時(shí)間上突然、空間上集中,涌出量很不均勻的間斷涌出[5]。相較于瓦斯普通涌出,瓦斯異常涌出對(duì)煤礦安全生產(chǎn)威脅更大。因此,掌握瓦斯異常涌出影響因素和風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別及預(yù)警,并有針對(duì)性地提出有效的防控措施,對(duì)瓦斯異常涌出的研究具有重要意義。

        本文通過(guò)回顧瓦斯異常涌出的影響因素及風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別方面的研究成果,概括分析了瓦斯異常涌出的影響因素,對(duì)瓦斯異常涌出的風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別及預(yù)警進(jìn)行了分析并指出了研究的不足,進(jìn)而對(duì)今后的研究進(jìn)行了展望。

        1 瓦斯異常涌出影響因素研究現(xiàn)狀

        國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者一般通過(guò)文獻(xiàn)研究及現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研對(duì)瓦斯異常涌出的影響因素進(jìn)行研究。瓦斯的異常涌出不僅受地質(zhì)因素和采掘技術(shù)因素的影響,也會(huì)受到地面大氣壓力變化的影響。其中,地質(zhì)因素包括地質(zhì)構(gòu)造、頂板巖性、煤層結(jié)構(gòu)、地應(yīng)力等因素,采掘技術(shù)因素則包括開采工藝、掘進(jìn)速率、通風(fēng)系統(tǒng)、開采強(qiáng)度等因素。地面大氣壓的變化也會(huì)對(duì)采空瓦斯涌出造成影響,引起了許多學(xué)者的關(guān)注。

        在單一地質(zhì)因素影響作用方面,孟凡和[6]、湯友誼[7]等對(duì)距斷層不同距離的瓦斯異常涌出情況進(jìn)行了研究,分析了斷層對(duì)瓦斯異常涌出的影響,研究表明斷層附近瓦斯異常涌出次數(shù)相對(duì)頻繁;何旬旬等[8]結(jié)合五陽(yáng)、常村兩礦小型斷層特征及實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),分析了斷層落差和傾角與瓦斯涌出量的數(shù)學(xué)關(guān)系,得出小型斷層落差對(duì)瓦斯異常涌出增長(zhǎng)具有明顯的控制作用;Farahbakhsh E等[9]分析了裂隙對(duì)瓦斯異常涌出的影響,得出Parvadeh煤礦瓦斯涌出量大與采掘裂隙面有關(guān);劉曉斐[10]、王濤[11]、張廣輝[12]等分析沖擊地壓對(duì)瓦斯異常涌出的影響,認(rèn)為沖擊地壓會(huì)使煤巖體裂隙增加,進(jìn)而導(dǎo)致瓦斯的異常涌出;李宏等[13]分析了頂板灰?guī)r中瓦斯異常涌出的原因,認(rèn)為裂隙水的封堵作用和侵蝕作用是導(dǎo)致瓦斯頂板灰?guī)r瓦斯異常涌出的原因。

        在多種地質(zhì)因素影響作用方面,劉明舉[14]等研究煤層厚度、構(gòu)造、構(gòu)造煤等因素對(duì)瓦斯異常涌出的影響,認(rèn)為瓦斯異常涌出是多種地質(zhì)因素綜合作用的結(jié)果;王志玉[15]等以寺河礦3號(hào)煤層為研究對(duì)象,認(rèn)為地質(zhì)構(gòu)造和上覆巖層厚度是影響該煤礦瓦斯異常涌出的主要因素;曹召奇[16]則認(rèn)為瓦斯的生、儲(chǔ)、蓋條件都會(huì)對(duì)瓦斯異常涌出造成影響;王林[17]等分析了寨崖底煤礦6號(hào)煤層瓦斯異常涌出情況,認(rèn)為影響該煤層瓦斯異常涌出的因素為煤層頂?shù)装鍘r性、煤對(duì)瓦斯的吸附性能和煤的比表面積。

        在采掘技術(shù)因素影響作用方面,榮向東等[18]對(duì)爆破(割煤)落煤期間瓦斯異常涌出情況進(jìn)行了分析,認(rèn)為爆破(割煤)會(huì)使瓦斯涌出量增加;Shu Ma等[19]研究了爆破工序?qū)ν咚褂砍隽康挠绊?,發(fā)現(xiàn)爆破工序的最大絕對(duì)瓦斯涌出量是其他工序的 5倍,掘進(jìn)率和爆破強(qiáng)度與絕對(duì)瓦斯量成正比;安俊孝等[20]分析了采掘技術(shù)因素對(duì)瓦斯異常涌出的影響,認(rèn)為通風(fēng)方式是引起瓦斯涌出量變化的主要原因;王春光[21]研究了超高開采強(qiáng)度下低瓦斯工作面的瓦斯異常涌出情況,結(jié)果表明,在超高開采強(qiáng)度下,單位時(shí)間落煤量大、采空區(qū)面積廣和遺煤多致使回采工作面瓦斯異常涌出。

        在地面大氣壓變化對(duì)瓦斯異常涌出的影響研究方面,郭凡進(jìn)[22]、葉青[23]等認(rèn)為大氣壓變化是造成康家灘煤礦88202采空區(qū)異常涌出的主要原因;李作泉[24]研究了大氣壓變化下的采空區(qū)瓦斯涌出狀態(tài),結(jié)果表明,在大氣壓變化的情況下,采空區(qū)氣體會(huì)呈現(xiàn)膨脹-收縮的“呼吸”狀態(tài),致使瓦斯異常涌出;王帥等[25]通過(guò)理論分析和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè),研究了大氣壓變化與采空區(qū)瓦斯涌出之間的關(guān)系,結(jié)果表明大氣壓變化與采空區(qū)絕對(duì)瓦斯涌出量呈反比例關(guān)系;金毅[26]、薛偉超[27]研究了大氣壓對(duì)瓦斯異常涌出影響,認(rèn)為地面大氣壓驟降會(huì)使瓦斯涌出量異常增大。

        從以上研究成果可以看出,無(wú)論是地質(zhì)因素、采掘技術(shù)因素還是地面大氣壓變化造成的瓦斯異常涌出,都與瓦斯的賦存及賦存狀態(tài)發(fā)生改變有關(guān)。而且,根據(jù)煤礦地質(zhì)條件、氣象條件及采掘規(guī)劃設(shè)計(jì)的不同,瓦斯異常涌出的主控影響因素也會(huì)有所不同。當(dāng)煤體裂隙發(fā)育與瓦斯富集區(qū)相連通時(shí),就可能發(fā)生瓦斯異常涌出。頂?shù)装鍘r性、煤層厚度、煤層結(jié)構(gòu)、煤層透氣性、煤對(duì)瓦斯的吸附性等地質(zhì)因素通過(guò)改變瓦斯的生、儲(chǔ)、蓋條件來(lái)影響瓦斯異常涌出;沖擊地壓、礦震等地質(zhì)因素和爆破(割煤)、掘進(jìn)率、開采強(qiáng)度等采掘技術(shù)因素,都是通過(guò)造成煤(巖)體裂隙或增加落煤量及新煤層暴露面積引起瓦斯異常涌出;而大氣壓變化則是通過(guò)改變采空區(qū)內(nèi)外壓差引起采空區(qū)的瓦斯異常涌出,特別是當(dāng)?shù)孛娲髿鈮后E降時(shí),采空區(qū)瓦斯涌出量突增,且大氣壓變化與采空區(qū)瓦斯異常涌出在時(shí)間上存在一定的規(guī)律性。斷層也是地質(zhì)構(gòu)造因素中的研究重點(diǎn),斷層對(duì)瓦斯的賦存具有重要的影響,斷層落差越大,煤礦瓦斯涌出量也越大。另外,地溫等影響瓦斯吸附、解吸和滲透率的因素也會(huì)對(duì)瓦斯的異常涌出造成影響。

        一般來(lái)說(shuō),瓦斯異常涌出不僅受單一因素的影響,也受多種因素及多因素耦合作用的影響。以往,多從單一因素和多種因素對(duì)瓦斯異常涌出的影響開展研究,但是因素之間關(guān)系及各種因素對(duì)瓦斯異常涌出的耦合作用則需要進(jìn)一步研究。

        2 瓦斯異常涌出風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別及預(yù)警研究現(xiàn)狀

        許多學(xué)者結(jié)合相關(guān)理論及方法構(gòu)建瓦斯異常涌出的風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別模型和預(yù)警模型來(lái)進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別及預(yù)警,并取得了一些成果。馬麗娟[28-29]基于模糊數(shù)學(xué)原理和模式識(shí)別技術(shù),以瓦斯?jié)舛鹊淖兓首鳛橹笜?biāo),構(gòu)建危險(xiǎn)識(shí)別預(yù)測(cè)模型,并運(yùn)用Fisher判別方法確定出危險(xiǎn)臨界值,對(duì)不同區(qū)域的危險(xiǎn)程度進(jìn)行動(dòng)態(tài)預(yù)警;肖丹[30]基于灰色理論,建立了4個(gè)瓦斯異常涌出致因指標(biāo),構(gòu)建了瓦斯異常涌出灰色預(yù)警模型;王菲茵[31-32]在研究瓦斯?jié)舛葧r(shí)間序列及瓦斯異常涌出圖像特征的基礎(chǔ)上,構(gòu)建了基于ReliefF-維度區(qū)間-支持向量機(jī)的圖像識(shí)別模型,以識(shí)別瓦斯異常涌出的危險(xiǎn)程度;魏連江等[33]歸納了瓦斯時(shí)間序列異常模式,從 K線圖的角度進(jìn)行研究,確定K線診斷準(zhǔn)則,并編寫了K線診斷程序;羅新榮等[34]結(jié)合礦井瓦斯監(jiān)測(cè)情況,利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù),對(duì)瓦斯異常涌出情況進(jìn)行判斷,建立了基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的瓦斯預(yù)警理論模型;楊守國(guó)[35]利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),建立了瓦斯異常涌出類別判識(shí)指標(biāo),并構(gòu)建了瓦斯異常涌出類別判識(shí)模型,結(jié)合多傳感器聯(lián)合判識(shí)方法,實(shí)現(xiàn)涌出地點(diǎn)的判識(shí)和影響范圍的解算。

        從以上成果可以看出,瓦斯異常涌出風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別及預(yù)警方面的研究一般都是從瓦斯涌出數(shù)據(jù)挖掘及處理、選取瓦斯異常涌出指標(biāo)和瓦斯異常涌出圖像特征出發(fā),運(yùn)用時(shí)間序列理論、灰色理論、馬爾科夫鏈、模糊數(shù)學(xué)理論、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等各種理論方法,構(gòu)建出瓦斯異常涌出的風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別模型和預(yù)警模型,通過(guò)模擬仿真,對(duì)瓦斯異常涌出的影響范圍、危害程度、地點(diǎn)和時(shí)間等進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別和預(yù)警。雖然以上理論方法在風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別和預(yù)警上具有各自的優(yōu)勢(shì),但運(yùn)用以上理論和方法構(gòu)建的風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別模型更多只適用于靜態(tài)的識(shí)別,且對(duì)經(jīng)驗(yàn)具有一定的依賴性。比如,人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有很好的學(xué)習(xí)、記憶和聯(lián)想等解決問(wèn)題和分析問(wèn)題的能力,但是如果井下環(huán)境發(fā)生變化,通過(guò)人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立的風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別模型一般難以對(duì)變化的環(huán)境進(jìn)行很好的追蹤和自我調(diào)節(jié)。因此,在瓦斯異常涌出的動(dòng)態(tài)識(shí)別方面,特別是動(dòng)態(tài)識(shí)別模型的自我調(diào)節(jié)及環(huán)境追蹤能力方面,仍需要對(duì)其進(jìn)行進(jìn)一步研究。

        3 存在的不足

        (1)瓦斯異常涌出影響因素方面,對(duì)于影響因素之間的關(guān)系及各種影響因素對(duì)瓦斯異常涌出的耦合作用的研究開展較少。

        (2)構(gòu)造作用、水文地質(zhì)條件等因素對(duì)瓦斯異常涌出的影響多為定性研究,定量描述較少。

        (3)更多的風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別模型只適用于靜態(tài)識(shí)別,對(duì)經(jīng)驗(yàn)的依賴性較強(qiáng),未將環(huán)境追蹤和自我調(diào)節(jié)能力充分考慮到模型構(gòu)建中,但井下環(huán)境是動(dòng)態(tài)變化的,且環(huán)境變化對(duì)于瓦斯異常涌出或瓦斯異常涌出風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別模型的準(zhǔn)確性具有一定的影響。

        (4)風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別模型的驗(yàn)證一般是通過(guò)模擬仿真進(jìn)行,但模擬環(huán)境與井下實(shí)際情況存在差距,不能完全反映模型的準(zhǔn)確性。

        4 展望

        針對(duì)存在的不足,提出以下展望。

        (1)應(yīng)探究地質(zhì)因素、采掘技術(shù)因素、氣象因素等各種影響因素相互之間的關(guān)系,同時(shí)進(jìn)一步研究各種因素耦合作用下的瓦斯異常涌出情況。

        (2)應(yīng)采用現(xiàn)場(chǎng)采樣、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)等方式研究構(gòu)造作用、水文地質(zhì)條件等因素對(duì)瓦斯異常涌出的影響。

        (3)進(jìn)一步研究熱門的人工智能技術(shù)是構(gòu)建具備環(huán)境追蹤、自我調(diào)節(jié)能力且不過(guò)多依賴經(jīng)驗(yàn)的瓦斯異常涌出風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別模型的一個(gè)重要發(fā)展方向。

        (4)對(duì)井下環(huán)境及變化進(jìn)行充分的調(diào)研,以提高模擬仿真精度,使所構(gòu)建的風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別模型更具應(yīng)用價(jià)值。

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