王麒翔

(1.瓦斯災(zāi)害監(jiān)控與應(yīng)急技術(shù)國(guó)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 400037)

東李煤礦位于貴州盤(pán)州地區(qū)，由于其復(fù)雜的地質(zhì)構(gòu)造，使得瓦斯災(zāi)害問(wèn)題比較突出。目前主采的17和18號(hào)煤層，經(jīng)鑒定均為突出煤層，在采掘作業(yè)過(guò)程中瓦斯災(zāi)害比較嚴(yán)重，尤其在掘進(jìn)過(guò)程中瓦斯?jié)舛瘸蕃F(xiàn)象較為頻繁，嚴(yán)重影響了正常的采掘進(jìn)度，瓦斯災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)已成為制約東李煤礦安全高效生產(chǎn)的主要災(zāi)害類(lèi)型。

為了保障安全生產(chǎn)，目前東李煤礦已構(gòu)建了以“區(qū)域措施先行，局部措施補(bǔ)充”為核心的2個(gè)“四位一體”綜合防突技術(shù)體系，采取了開(kāi)采保護(hù)層、底板巷穿層鉆孔預(yù)抽等區(qū)域防突措施，突出防治工作成效顯著。然而，作為保障礦井安全的最后一道屏障，局部“四位一體”防突措施仍存在明顯不足，主要體現(xiàn)在局部預(yù)測(cè)仍采用人工打鉆取樣的點(diǎn)預(yù)測(cè)方法。該方法通過(guò)測(cè)定工作面前方煤體軟分層的鉆屑量和鉆屑瓦斯解吸量，預(yù)測(cè)突出危險(xiǎn)性。該方法不僅工序復(fù)雜，而且預(yù)測(cè)耗時(shí)較長(zhǎng)，在打鉆過(guò)程中容易存在鉆孔空白帶，使得預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)不能完全反映工作面的突出危險(xiǎn)性狀況[1-6]。因此，建設(shè)一種非接觸式、連續(xù)(在時(shí)間和空間上不影響礦井生產(chǎn)作業(yè))的突出預(yù)測(cè)方法，實(shí)時(shí)地、不間斷地預(yù)測(cè)突出危險(xiǎn)性[7-11]，能有效提升東李煤礦對(duì)煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性的預(yù)測(cè)能力，加強(qiáng)對(duì)煤層瓦斯防治的管理。

防突預(yù)警系統(tǒng)能夠彌補(bǔ)傳統(tǒng)局部突出危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)方法的不足，對(duì)工作面進(jìn)行連續(xù)的監(jiān)控預(yù)警，并在出現(xiàn)異常時(shí)推送預(yù)警結(jié)果，實(shí)現(xiàn)煤礦安全生產(chǎn)系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)“早期識(shí)別”和事故“事先預(yù)知”，提高煤礦本質(zhì)安全化水平，促進(jìn)煤礦安全生產(chǎn)及安全可持續(xù)發(fā)展。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

預(yù)警系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析和結(jié)果發(fā)布3部分(圖1)，其中數(shù)據(jù)分析為預(yù)警系統(tǒng)的核心。

圖1 預(yù)警系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

數(shù)據(jù)采集為預(yù)警結(jié)果的分析計(jì)算提供數(shù)據(jù)來(lái)源，數(shù)據(jù)采集內(nèi)容主要有反映開(kāi)采環(huán)境的各類(lèi)傳感器模擬數(shù)據(jù)，如甲烷濃度傳感器、風(fēng)速傳感器等；反映空間位置的生產(chǎn)類(lèi)數(shù)據(jù)，如掘進(jìn)進(jìn)尺、煤層斷面尺寸等數(shù)據(jù)；反映煤層突出危險(xiǎn)性的防突預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)，如鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)等。數(shù)據(jù)采集方式分為訪(fǎng)問(wèn)目標(biāo)數(shù)據(jù)庫(kù)、讀取文本文件和手動(dòng)錄入3種，可根據(jù)煤礦的實(shí)際情況，選擇相應(yīng)數(shù)據(jù)采集方式。

數(shù)據(jù)分析是預(yù)警系統(tǒng)的核心，防突預(yù)警主要通過(guò)已建立的各類(lèi)預(yù)警模型，根據(jù)采集的數(shù)據(jù)對(duì)工作面的突出危險(xiǎn)性進(jìn)行實(shí)時(shí)連續(xù)的計(jì)算，當(dāng)預(yù)警指標(biāo)超過(guò)臨界值時(shí)判定為預(yù)警。預(yù)警模型主要是通過(guò)反映煤體的瓦斯含量、瓦斯波動(dòng)狀況及瓦斯變化趨勢(shì)等指標(biāo)，間接反映工作面的突出危險(xiǎn)性。

結(jié)果發(fā)布是將預(yù)警結(jié)果推送給管理人員，進(jìn)行預(yù)警響應(yīng)，讓管理人員及時(shí)掌握工作面突出危險(xiǎn)性狀態(tài)，組織人員排查異常原因，在解除威脅后繼續(xù)生產(chǎn)。結(jié)果發(fā)布的方式有短信推送、客戶(hù)端語(yǔ)音提示、Web客戶(hù)端信息推送。

2 預(yù)警指標(biāo)考察

預(yù)警指標(biāo)考察的目的是從多個(gè)預(yù)警指標(biāo)中挑選出對(duì)目標(biāo)煤礦預(yù)警敏感性較高的預(yù)警指標(biāo)，以此來(lái)提高預(yù)警的準(zhǔn)確率[12-14]。

預(yù)警指標(biāo)考察的方法是通過(guò)跟蹤一個(gè)采掘工作面，收集該工作面生產(chǎn)過(guò)程中實(shí)測(cè)的鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)數(shù)據(jù)，用該數(shù)據(jù)與各個(gè)預(yù)警指標(biāo)進(jìn)行對(duì)比分析。

2.1 考察數(shù)據(jù)的收集

東李煤礦預(yù)警系統(tǒng)考察的工作面為12171里段運(yùn)輸巷，該工作面煤層平均厚度4.5 m，有局部增厚或變薄現(xiàn)象，實(shí)測(cè)煤層原始瓦斯含量8.14 m3/t，瓦斯壓力為0.95 MPa，該工作面區(qū)域效檢采用鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)K1、鉆屑量指標(biāo)S，指標(biāo)臨界值分別按照K1=0.4 mL/(g·min1/2)、S=4.0 kg/m管理。為便于分析研究，統(tǒng)計(jì)了考察期間2020年8月10日—30日的區(qū)域效檢結(jié)果，并將其變化趨勢(shì)繪制成曲線(xiàn)圖，如圖 2所示。

圖2 12171里段運(yùn)輸巷預(yù)測(cè)指標(biāo)K1趨勢(shì)

2.2 預(yù)警指標(biāo)的優(yōu)選

防突預(yù)警系統(tǒng)圍繞煤與瓦斯突出的影響因素，建立了瓦斯量特征、解吸特征、波動(dòng)特征和趨勢(shì)特征4大類(lèi)預(yù)警模型[15-17]，共計(jì)17種預(yù)警指標(biāo)，各個(gè)預(yù)警指標(biāo)的釋義見(jiàn)表 1。

表1 預(yù)警指標(biāo)物理意義

有效的預(yù)警指標(biāo)應(yīng)該是能夠反映工作面的突出危險(xiǎn)性且變化趨勢(shì)并與實(shí)測(cè)鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)K1相匹配。

為定量評(píng)價(jià)預(yù)警指標(biāo)與鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)之間的相關(guān)性，避免因人為主觀因素造成預(yù)警指標(biāo)的選取失誤，通過(guò)定義一個(gè)波動(dòng)特征T，計(jì)算考察期間各預(yù)警指標(biāo)曲線(xiàn)與實(shí)測(cè)鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)K1曲線(xiàn)的波動(dòng)特征，定量篩選出對(duì)東李煤礦預(yù)警敏感性較高的預(yù)警指標(biāo)。

(1)

其中，Ti為波動(dòng)特征，i=1，2，3，…，n-1；Di為第i個(gè)數(shù)據(jù)，i=1，2，3，…，n。

分別計(jì)算考察期間K1值和預(yù)警指標(biāo)的波動(dòng)特征T，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表 2。

由表 2可知，K1指標(biāo)在考察期間的波動(dòng)特征值為0.45，與其較為接近的有3個(gè)預(yù)警指標(biāo)Qn、A2和A指標(biāo)，其波動(dòng)特征分別為0.57，0.58和0.69。將這3個(gè)預(yù)警指標(biāo)曲線(xiàn)提取出來(lái)與K1值曲線(xiàn)進(jìn)行比較，分析預(yù)警指標(biāo)的有效性，結(jié)果如圖 3所示。

表2 各指標(biāo)波動(dòng)特征結(jié)果

由圖 3可知，3個(gè)預(yù)警指標(biāo)的變化趨勢(shì)與K1值基本一致，都能夠反映工作面的突出危險(xiǎn)性。在這3個(gè)指標(biāo)當(dāng)中，預(yù)警指標(biāo)A的變化幅度相對(duì)更大一些，對(duì)K1值變化的表現(xiàn)更敏感。

圖3 預(yù)警指標(biāo)變化趨勢(shì)

2.3 反演瓦斯含量分析

由于預(yù)警指標(biāo)A的物理意義是反映工作面前方煤層的可解吸瓦斯含量，為驗(yàn)證其物理意義的準(zhǔn)確性，應(yīng)用反演瓦斯含量的方法，進(jìn)一步考察預(yù)警指標(biāo)A的有效性。

通過(guò)實(shí)測(cè)12171煤層的工業(yè)參數(shù)，利用K1—P關(guān)系和朗格繆爾關(guān)系式[18-20]反演瓦斯含量，然后與預(yù)警指標(biāo)A進(jìn)行比較。

實(shí)驗(yàn)室測(cè)定東李煤礦12171里段運(yùn)輸巷的鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)(K1)—壓力(P)關(guān)系模型表達(dá)式為K1=0.639 9P0.598 5，瓦斯含量(W)—壓力關(guān)系(P)簡(jiǎn)化表達(dá)式W=23.057 7P/(1+0.869 9P)。通過(guò)K1反演瓦斯含量計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 12171里段運(yùn)輸巷瓦斯含量反演結(jié)果

由表3可知，反演的瓦斯含量大小在4 m3/t左右，而這一結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況基本符合。

為對(duì)比瓦斯含量W與預(yù)警指標(biāo)A之間的關(guān)系，繪制二者的趨勢(shì)圖進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如圖 4所示。

由圖4可知，預(yù)警指標(biāo)A比工作面反演的瓦斯含量數(shù)值低約為2 m3/t，該值與考察區(qū)域煤的殘存瓦斯含量基本一致，說(shuō)明預(yù)警指標(biāo)A能夠反映工作面前方的可解吸瓦斯含量，具有良好的預(yù)警作用，將預(yù)警指標(biāo)A作為重點(diǎn)關(guān)注指標(biāo)。

圖4 12171里段運(yùn)輸巷瓦斯含量反演數(shù)據(jù)對(duì)比

3 典型案例

2020年8月10日22點(diǎn)4分，預(yù)警系統(tǒng)計(jì)算12173里段運(yùn)輸巷預(yù)警A指標(biāo)超過(guò)臨界值，發(fā)出預(yù)警提示，向東李煤礦通風(fēng)部發(fā)送了預(yù)警短信。2020年8月11日早班掘進(jìn)作業(yè)時(shí)瓦斯?jié)舛壤^續(xù)攀升，預(yù)警A指標(biāo)達(dá)11.42(圖5)。東李煤礦對(duì)此高度重視，立即安排專(zhuān)人到現(xiàn)場(chǎng)查看，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)確認(rèn)12173里段運(yùn)輸巷煤層厚度由4.5 m增大到了6.0 m，使得瓦斯涌出異常升高，在采取相應(yīng)措施后安全穿過(guò)煤層厚度異常增大區(qū)域。

圖5 12173里段運(yùn)輸巷工作面超前預(yù)警案例

該案例中預(yù)警系統(tǒng)展現(xiàn)了良好的預(yù)測(cè)預(yù)警功能，對(duì)瓦斯異常涌出的預(yù)警效果顯著，預(yù)警指標(biāo)超標(biāo)后能及時(shí)為東李煤礦相關(guān)管理人員發(fā)送預(yù)警信息，為工作面的安全掘進(jìn)起到了良好的提醒作用。

4 應(yīng)用情況

4.1 預(yù)警統(tǒng)計(jì)

預(yù)警效果是對(duì)預(yù)警臨界值可靠性的檢驗(yàn)，東李煤礦預(yù)警系統(tǒng)自2020年8月10日安裝調(diào)試完成，截至2021年1月10日，已穩(wěn)定運(yùn)行5個(gè)月，累計(jì)跟蹤考察巷道超過(guò)1 000 m，發(fā)布預(yù)警信息1 904次，其中，威脅預(yù)警11次，占總預(yù)警次數(shù)0.58%，危險(xiǎn)預(yù)警2次，占總預(yù)警次數(shù)0.10%，詳見(jiàn)表4。

表4 東李煤礦預(yù)警信息概況

4.2 系統(tǒng)運(yùn)行保障制度

為使東李煤礦防突預(yù)警系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，充分發(fā)揮系統(tǒng)對(duì)工作面煤與瓦斯突出的預(yù)警作用，東李煤礦成立了專(zhuān)門(mén)的運(yùn)行組織機(jī)構(gòu)，礦長(zhǎng)、總工程師為主要負(fù)責(zé)人，通防部門(mén)和機(jī)電部門(mén)負(fù)責(zé)系統(tǒng)維護(hù)。同時(shí)制定了《防突預(yù)警系統(tǒng)操作規(guī)程》《防突預(yù)警響應(yīng)制度》等文件。此外，還安排專(zhuān)人每天負(fù)責(zé)打印預(yù)警報(bào)表，并經(jīng)礦長(zhǎng)、總工程師簽字審批后存檔。通過(guò)防突預(yù)警系統(tǒng)的建設(shè)，有效提高了東李煤礦的防突管理水平，強(qiáng)化了人員安全意識(shí)和預(yù)警響應(yīng)能力。

5 結(jié)論

(1)通過(guò)對(duì)12171里段運(yùn)輸巷等工作面的跟蹤考察，并計(jì)算預(yù)警指標(biāo)的波動(dòng)特征，從17種指標(biāo)中優(yōu)選出了適用于東李煤礦的預(yù)警指標(biāo)：瓦斯量指標(biāo)A、瓦斯解吸指標(biāo)A2、瓦斯涌出量指標(biāo)Qn。

(2)通過(guò)預(yù)警指標(biāo)A計(jì)算得出的煤層瓦斯含量與礦井實(shí)測(cè)的防突預(yù)測(cè)指標(biāo)K1反算的瓦斯含量結(jié)果相符，驗(yàn)證了預(yù)警指標(biāo)A的有效性。

(3)預(yù)警系統(tǒng)在東李煤礦自2020年8月10日安裝調(diào)試完成運(yùn)行以來(lái)，能夠穩(wěn)定、可靠地對(duì)工作面的危險(xiǎn)狀態(tài)及發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行評(píng)估與預(yù)警，跟蹤考察掘進(jìn)巷道逾1 000 m，超前捕捉瓦斯異?，F(xiàn)象多起，取得了良好的應(yīng)用效果。