崔俊飛

(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)

琿春礦業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“琿礦公司”)是吉林省第二大煤炭生產(chǎn)基地，礦區(qū)內(nèi)兩個(gè)煤礦年產(chǎn)量將達(dá)到500萬(wàn)t以上。近年來(lái)，琿礦公司高度重視礦井瓦斯治理，不斷提升瓦斯治理理念、加大瓦斯治理投入、完善瓦斯治理技術(shù)，瓦斯綜合治理能力得到顯著提高，瓦斯治理效果明顯。然而，隨著礦井不斷延深，瓦斯治理難度將不斷加大[1]，不但要解決瓦斯涌出量高的問(wèn)題，還要應(yīng)對(duì)日益增大的突出風(fēng)險(xiǎn)。因此，進(jìn)一步提升瓦斯災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)預(yù)判能力，提高瓦斯災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)防范化解水平，成為了琿礦公司下一階段的工作重點(diǎn)[2]。

琿礦公司與中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司合作，以其下屬的八連城煤礦為試點(diǎn)，開(kāi)展“煤礦瓦斯災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)信息管控平臺(tái)建設(shè)”項(xiàng)目，響應(yīng)新版《防治煤與瓦斯突出細(xì)則》的最新要求[3]，在對(duì)煤礦井下地質(zhì)、通風(fēng)、瓦斯、生產(chǎn)等數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、在線(xiàn)傳輸和集中存儲(chǔ)基礎(chǔ)上，深度挖掘各類(lèi)數(shù)據(jù)之間的潛在聯(lián)系，實(shí)現(xiàn)礦井安全大數(shù)據(jù)之間的深入融合[4]，進(jìn)行瓦斯地質(zhì)區(qū)域危險(xiǎn)性評(píng)估、瓦斯抽采達(dá)標(biāo)全方位評(píng)判、通風(fēng)系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)解算和展示、瓦斯日常管理數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)自動(dòng)上傳、瓦斯涌出的動(dòng)態(tài)分析和實(shí)時(shí)預(yù)警、礦井隱患及時(shí)交互和全過(guò)程追蹤，實(shí)現(xiàn)采掘工作面所處的瓦斯地質(zhì)環(huán)境、礦井通風(fēng)狀態(tài)、礦井瓦斯涌出異常情況、瓦斯抽采達(dá)標(biāo)情況、瓦斯參數(shù)總覽、安全隱患跟蹤狀態(tài)的一張圖集成顯示。

1 瓦斯災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)防控技術(shù)研究

瓦斯災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)防控技術(shù)的核心是針對(duì)八連城煤礦瓦斯防治客觀實(shí)際，結(jié)合國(guó)內(nèi)先進(jìn)瓦斯治理經(jīng)驗(yàn)，采用信息化手段，從瓦斯地質(zhì)、瓦斯危險(xiǎn)預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)、瓦斯監(jiān)控、瓦斯抽采達(dá)標(biāo)管理等方面入手，研究礦井瓦斯災(zāi)害特征規(guī)律。從宏觀區(qū)域的角度掌握整個(gè)礦井瓦斯賦存規(guī)律(瓦斯壓力、瓦斯含量、瓦斯涌出量的分布情況)，在此基礎(chǔ)上對(duì)抽采鉆孔施工情況、抽采計(jì)量統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，評(píng)價(jià)抽采措施是否到位、抽采量是否達(dá)標(biāo)。另外，在局部工作面范圍內(nèi)考察日常預(yù)測(cè)指標(biāo)(K1、S值等)與瓦斯涌出之間的關(guān)系，建立相關(guān)的預(yù)警指標(biāo)、預(yù)警規(guī)則庫(kù)。

1.1 瓦斯地質(zhì)區(qū)域危險(xiǎn)性評(píng)估

通過(guò)對(duì)礦井煤層區(qū)域地質(zhì)情況、頂?shù)装鍘r性、煤層厚度、埋層埋藏深度和瓦斯賦存關(guān)鍵參數(shù)(煤層瓦斯含量、壓力、涌出量測(cè)點(diǎn)、地勘數(shù)據(jù)、地質(zhì)資料等參數(shù))的分析，掌握煤層瓦斯賦存主控因素，歸納總結(jié)出礦井瓦斯地質(zhì)規(guī)律，構(gòu)建礦井多級(jí)瓦斯地質(zhì)管理模塊，實(shí)現(xiàn)煤層地質(zhì)單元的自動(dòng)劃分、瓦斯賦存異常區(qū)域的自動(dòng)圈定、多級(jí)瓦斯地質(zhì)圖的自動(dòng)更新、瓦斯地質(zhì)危險(xiǎn)性區(qū)域動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)[5-6]。

1.2 瓦斯抽采達(dá)標(biāo)全方位評(píng)判

利用先進(jìn)的監(jiān)測(cè)設(shè)備，實(shí)現(xiàn)抽采計(jì)量數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)及自動(dòng)采集、鉆孔軌跡在線(xiàn)監(jiān)測(cè)與自動(dòng)成圖，結(jié)合礦井瓦斯抽采相關(guān)數(shù)據(jù)(瓦斯賦存參數(shù)、鉆孔設(shè)計(jì)和施工情況、抽采計(jì)量數(shù)據(jù))的綜合分析[7-8]，掌握礦井瓦斯抽采規(guī)律，構(gòu)建瓦斯抽采達(dá)標(biāo)評(píng)價(jià)模塊，動(dòng)態(tài)分析瓦斯抽采半徑等參數(shù)，實(shí)現(xiàn)瓦斯抽采鉆孔智能設(shè)計(jì)、鉆孔布孔均勻程度的有效評(píng)價(jià)、抽采達(dá)標(biāo)的全過(guò)程跟蹤評(píng)判。

1.3 通風(fēng)系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)解算和展示

通過(guò)對(duì)礦井通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、風(fēng)網(wǎng)結(jié)構(gòu)、通風(fēng)監(jiān)測(cè)等信息綜合分析，以及對(duì)關(guān)鍵用風(fēng)點(diǎn)的通風(fēng)狀況實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與風(fēng)網(wǎng)的在線(xiàn)解算，構(gòu)建風(fēng)網(wǎng)在線(xiàn)監(jiān)控模塊，掌握礦井通風(fēng)阻力分布，實(shí)現(xiàn)風(fēng)網(wǎng)穩(wěn)定性評(píng)價(jià)、通風(fēng)隱患的智能分析、通風(fēng)系統(tǒng)實(shí)時(shí)三維展示，為礦井通風(fēng)系統(tǒng)調(diào)整、巷道貫通等工作決策提供指導(dǎo)[9-10]。

1.4 瓦斯日常管理數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)自動(dòng)上傳

利用瓦斯突出參數(shù)測(cè)定儀WTC-1采集工作面日常生產(chǎn)過(guò)程中測(cè)定的關(guān)鍵瓦斯參數(shù)，自動(dòng)生成參數(shù)報(bào)表(包括瓦斯含量、煤厚、K1值、Δh2、鉆屑量S、放散初速度ΔP等)，通過(guò)井下防爆智能手機(jī)和無(wú)線(xiàn)基站，借助工業(yè)環(huán)網(wǎng)將這些數(shù)據(jù)傳輸至地面，分析關(guān)鍵瓦斯參數(shù)變化規(guī)律及其關(guān)聯(lián)性，實(shí)現(xiàn)局部瓦斯風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警、瓦斯報(bào)表的在線(xiàn)生成和審批。同時(shí)，地面管理人員通過(guò)手機(jī)APP可以直接查詢(xún)這些數(shù)據(jù)，以便第一時(shí)間掌握井下情況，及時(shí)作出決策。

1.5 瓦斯涌出的動(dòng)態(tài)分析和實(shí)時(shí)預(yù)警

通過(guò)專(zhuān)業(yè)的數(shù)據(jù)接口實(shí)時(shí)采集瓦斯監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，從瓦斯涌出量、瓦斯解吸速度、瓦斯波動(dòng)特征、瓦斯發(fā)展趨勢(shì)4個(gè)方面找出礦井瓦斯涌出特點(diǎn)，建立瓦斯涌出異常分析模型，自動(dòng)濾除無(wú)效信息，構(gòu)建瓦斯涌出異常分析模塊，實(shí)現(xiàn)采掘工作面超前5～10 m的瓦斯含量預(yù)測(cè)和瓦斯異常預(yù)警[11-12]。

1.6 礦井隱患及時(shí)交互和全過(guò)程追蹤

通過(guò)建立隱患閉環(huán)管理模塊，對(duì)隱患通過(guò)部門(mén)、作業(yè)地點(diǎn)、隱患性質(zhì)、級(jí)別進(jìn)行分類(lèi)統(tǒng)計(jì)；利用瓦檢儀器、防爆手機(jī)對(duì)井下隱患以文字、聲音、圖像、視頻的形式進(jìn)行記錄；通過(guò)無(wú)線(xiàn)基站借助井下安全環(huán)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)井下隱患信息與地面的交互、追蹤與處理，實(shí)現(xiàn)隱患信息的全過(guò)程追蹤，彌補(bǔ)現(xiàn)有儀器儀表測(cè)量數(shù)據(jù)缺失導(dǎo)致的重大隱患，實(shí)現(xiàn)基于大數(shù)據(jù)方法實(shí)現(xiàn)隱患信息的態(tài)勢(shì)分析，實(shí)現(xiàn)橫向?qū)Ρ雀鞑块T(mén)工作效率以及重要隱患信息閉環(huán)追蹤。

2 瓦斯災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)信息管控平臺(tái)系統(tǒng)建設(shè)

以現(xiàn)有主流的軟件開(kāi)發(fā)技術(shù)采用C/S和B/S相結(jié)合的方式，開(kāi)發(fā)軟件系統(tǒng)作為瓦斯災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)防控技術(shù)實(shí)現(xiàn)的載體，并配套專(zhuān)用的硬件設(shè)備作為數(shù)據(jù)支撐。具有復(fù)雜分析功能和圖形編輯功能的系統(tǒng)采用C/S模式，信息查詢(xún)、發(fā)布類(lèi)的系統(tǒng)采用B/S模式。對(duì)應(yīng)各項(xiàng)技術(shù)共建設(shè)了7個(gè)專(zhuān)業(yè)子系統(tǒng)及一個(gè)大數(shù)據(jù)集成平臺(tái)[13]，如圖1所示。數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)采用中心數(shù)據(jù)庫(kù)加子系統(tǒng)獨(dú)立數(shù)據(jù)庫(kù)的模式，子系統(tǒng)特有的數(shù)據(jù)，如通風(fēng)阻力、隱患信息、抽采參數(shù)等存于各子系統(tǒng)本地?cái)?shù)據(jù)庫(kù)，共享數(shù)據(jù)及需要發(fā)布的數(shù)據(jù)比如：瓦斯參數(shù)測(cè)定數(shù)據(jù)、日常預(yù)測(cè)指標(biāo)、瓦斯監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)、突出預(yù)警結(jié)果等存于中心集成數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換和信息發(fā)布。

圖1 瓦斯災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)信息管控平臺(tái)結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of gas disaster risk information management and control platform

2.1 配套硬件設(shè)備及網(wǎng)絡(luò)環(huán)境搭建

定制了一套與礦井鉆機(jī)鉆具相匹配的鉆孔軌跡測(cè)量裝置，利用該裝置測(cè)量高位鉆孔的施工軌跡；在31803回風(fēng)巷、12606運(yùn)輸巷等掘進(jìn)工作面安裝瓦斯涌出異常預(yù)警儀，對(duì)重點(diǎn)巷道的瓦斯涌出異常進(jìn)行跟蹤預(yù)警；在中央變電所、北翼運(yùn)輸巷口、西部卡軌車(chē)等地點(diǎn)，安裝了6臺(tái)無(wú)線(xiàn)基站，通過(guò)井下安全環(huán)網(wǎng)連接地面設(shè)備，構(gòu)建瓦斯參數(shù)自動(dòng)上傳的井下無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境；配套新版瓦斯突出參數(shù)測(cè)定儀WTC-1以及安裝安全隱患閉環(huán)管理APP等應(yīng)用的本安防爆手機(jī)連接無(wú)線(xiàn)基站，直接從井下實(shí)時(shí)上傳測(cè)定數(shù)據(jù)；在地面安裝了服務(wù)器、客戶(hù)端計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)等設(shè)備，并依托礦井辦公網(wǎng)，與安全監(jiān)控系統(tǒng)、抽采監(jiān)測(cè)系統(tǒng)連接，搭建了瓦斯災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)信息采集傳輸?shù)牡孛婢W(wǎng)絡(luò)環(huán)境，如圖2所示。

圖2 網(wǎng)絡(luò)環(huán)境結(jié)構(gòu)Fig.2 Network environment structure

2.2 多級(jí)瓦斯地質(zhì)動(dòng)態(tài)分析系統(tǒng)

該系統(tǒng)基于超圖GIS平臺(tái)進(jìn)行開(kāi)發(fā)，能實(shí)現(xiàn)多種CAD格式圖形文件的導(dǎo)入、導(dǎo)出。具體功能包括自動(dòng)分析瓦斯含量、瓦斯壓力與埋深、煤厚等要素之間的關(guān)系，并進(jìn)行公式擬合；按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，自動(dòng)繪制礦區(qū)、煤層、采區(qū)、工作面多種級(jí)別的瓦斯地質(zhì)圖：隨著生產(chǎn)活動(dòng)的進(jìn)行，動(dòng)態(tài)分析工作面煤層瓦斯賦存變化，對(duì)瓦斯地質(zhì)圖進(jìn)行自動(dòng)更新；自動(dòng)生成瓦斯壓力、瓦斯含量、煤層埋深、煤層厚度等多種專(zhuān)題云圖，比等值線(xiàn)圖更加直觀；在平面上沿任意方向繪制剖切線(xiàn)，自動(dòng)生成沿剖切線(xiàn)的瓦斯壓力、瓦斯含量、煤層埋深等要素的變化曲線(xiàn)圖。

2.3 工作面瓦斯涌出異常分析系統(tǒng)

瓦斯超限、突出等事故發(fā)生前，大多存在瓦斯涌出異常預(yù)兆。通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)上百座礦井瓦斯涌出規(guī)律進(jìn)行考察研究，總結(jié)出近20種瓦斯涌出特征指標(biāo)。通過(guò)對(duì)八連城礦瓦斯涌出數(shù)據(jù)進(jìn)行考察、分析、總結(jié)，優(yōu)選了瓦斯量指標(biāo)A和瓦斯解吸指標(biāo)B，作為工作面瓦斯風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警的主要指標(biāo)，如圖3所示。瓦斯涌出異常分析系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)采集礦井安全監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)，借助涌出特征指標(biāo)，能夠在線(xiàn)分析工作面瓦斯涌出特征，自動(dòng)判識(shí)瓦斯涌出異常預(yù)兆，對(duì)瓦斯災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行超前預(yù)警。

圖3 瓦斯涌出特征指標(biāo)Fig.3 Characteristic index of gas emission

2.4 防突信息系統(tǒng)

《防治煤與瓦斯突出細(xì)則》在第四十四條明確提出，鼓勵(lì)突出礦井建立防突信息系統(tǒng)，實(shí)施信息化管理。防突信息系統(tǒng)配備了WTC-1突出參數(shù)測(cè)定儀，能夠?qū)崿F(xiàn)突出參數(shù)測(cè)定結(jié)果從井下現(xiàn)場(chǎng)自動(dòng)上傳到地面，減少了人員填報(bào)環(huán)節(jié)，保證了數(shù)據(jù)的真實(shí)性和及時(shí)性；可以自動(dòng)生成瓦斯參數(shù)電子表單，并對(duì)電子表單進(jìn)行數(shù)字簽名網(wǎng)絡(luò)審批，能夠取代傳統(tǒng)紙質(zhì)表單，填報(bào)、審批、查詢(xún)、管理更便捷，并能永久保存；能夠?qū)ν怀鰠?shù)進(jìn)行多角度統(tǒng)計(jì)分析，自動(dòng)生成統(tǒng)計(jì)圖表，自動(dòng)識(shí)別“超標(biāo)、突變、高位波動(dòng)” 等異常，對(duì)煤與瓦斯突出影響因素(地質(zhì)構(gòu)造、瓦斯異常、軟分層等)進(jìn)行超前辨識(shí)。

2.5 風(fēng)網(wǎng)在線(xiàn)監(jiān)控分析預(yù)警系統(tǒng)

風(fēng)網(wǎng)在線(xiàn)監(jiān)控分析預(yù)警系統(tǒng)是以礦井通風(fēng)參數(shù)精測(cè)為基礎(chǔ)，以通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)解算為核心，以仿真技術(shù)為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)礦井通風(fēng)系統(tǒng)圖、三維通風(fēng)系統(tǒng)圖、通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)圖、通風(fēng)立體圖等四圖一體，實(shí)現(xiàn)通風(fēng)系統(tǒng)輔助設(shè)計(jì)，通風(fēng)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化管理，通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)靜態(tài)、動(dòng)態(tài)解算，通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)解算與調(diào)節(jié)，通風(fēng)系統(tǒng)改造仿真，通風(fēng)系統(tǒng)的分析與評(píng)價(jià)，通風(fēng)異常及時(shí)發(fā)現(xiàn)和預(yù)警，作為生產(chǎn)礦井通風(fēng)管理的輔助決策支持工具。

2.6 瓦斯抽采管理分析系統(tǒng)

該系統(tǒng)是一個(gè)瓦斯抽采專(zhuān)業(yè)管理平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)瓦斯抽采從設(shè)計(jì)到施工再到驗(yàn)收的全過(guò)程管理，以及抽采達(dá)標(biāo)自動(dòng)在線(xiàn)評(píng)判。主要功能為：鉆孔智能設(shè)計(jì)，包括定向鉆孔、穿層鉆孔、順層鉆孔和高位鉆孔等在內(nèi)的多種類(lèi)型瓦斯抽采鉆孔智能設(shè)計(jì)，自動(dòng)計(jì)算鉆孔設(shè)計(jì)參數(shù)，自動(dòng)繪制鉆孔設(shè)計(jì)施工圖，能夠根據(jù)鉆孔設(shè)計(jì)參數(shù)和竣工參數(shù)，進(jìn)行鉆孔三維立體展示，并自動(dòng)生成鉆孔設(shè)計(jì)圖和竣工圖；連接瓦斯抽采監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，自動(dòng)讀取瓦斯抽采監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，或通過(guò)Excel文件導(dǎo)入瓦斯抽采人工檢測(cè)數(shù)據(jù)，并在抽采系統(tǒng)圖上對(duì)監(jiān)測(cè)、檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行在線(xiàn)、動(dòng)態(tài)顯示，實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確掌握抽采系統(tǒng)的運(yùn)行情況；對(duì)瓦斯抽采量進(jìn)行在線(xiàn)、動(dòng)態(tài)、自動(dòng)、分類(lèi)統(tǒng)計(jì)，自動(dòng)生成相應(yīng)的統(tǒng)計(jì)圖表，實(shí)時(shí)、自動(dòng)計(jì)算工作面瓦斯抽采率，在線(xiàn)評(píng)判礦井各工作面瓦斯抽采是否達(dá)標(biāo)。

2.7 瓦斯災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)信息管控集成平臺(tái)

該平臺(tái)主要用于礦井瓦斯災(zāi)害防治關(guān)鍵信息的匯總、分析、集中展示，能夠“一目了然”地掌握礦井瓦斯防治總體情況，實(shí)時(shí)發(fā)布預(yù)警結(jié)果[14-15]，指導(dǎo)礦井瓦斯防治決策。主要功能包括：對(duì)各子系統(tǒng)的所有信息進(jìn)行采集，并集中存儲(chǔ)；對(duì)關(guān)鍵數(shù)據(jù)進(jìn)行提取、分析，自動(dòng)生成相應(yīng)的圖表，并進(jìn)行展示；以語(yǔ)音、短信等多形式進(jìn)行預(yù)警信息發(fā)布；平臺(tái)采用云服務(wù)架構(gòu)，并開(kāi)發(fā)有APP軟件，能夠通過(guò)手機(jī)等移動(dòng)終端，對(duì)平臺(tái)信息進(jìn)行隨時(shí)、隨地查詢(xún)。

3 結(jié)語(yǔ)

面向琿春礦業(yè)集團(tuán)瓦斯災(zāi)害防治客觀需求，基于國(guó)內(nèi)瓦斯治理先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)，采用先進(jìn)信息化技術(shù)手段，經(jīng)過(guò)技術(shù)研究、系統(tǒng)開(kāi)發(fā)、硬件安裝、網(wǎng)絡(luò)搭建、系統(tǒng)集成等工作，最終成功構(gòu)建了八連城礦瓦斯災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)信息管控平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了包括瓦斯地質(zhì)、瓦斯涌出、突出預(yù)測(cè)、瓦斯抽采、安全監(jiān)控、安全隱患排查、風(fēng)網(wǎng)動(dòng)態(tài)解算等環(huán)節(jié)在內(nèi)的礦井瓦斯防治全方位、全過(guò)程管控，達(dá)到了礦井瓦斯災(zāi)害提前預(yù)警、超前防控的目的，為礦井的安全、高效開(kāi)采提供保障。

下一步，還將在礦井防塵、防火、礦壓等方面進(jìn)行深入研究，豐富煤礦災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)管控平臺(tái)內(nèi)容，打造一個(gè)全方位、綜合型的礦井安全管控平臺(tái)，進(jìn)一步提升礦井安全管理的自動(dòng)化、信息化、智能化水平，強(qiáng)化礦井安全管理能力，為礦井安全生產(chǎn)保駕護(hù)航。