基于時序預測法的瓦斯抽采鉆孔管理系統研究

黃靜靜

（長平煤業公司，山西 晉城 048006）

長平煤業公司位于沁水煤田高平勘探區，目前主采3號近水平煤層，平均厚度5.58 m。主采區為四盤區，瓦斯含量4.5～15.09 m3/t，定為高瓦斯礦井。3號煤透氣性系數λ=0.011 6～0.052 0 m2/（MPa2·d），瓦斯衰減系數α=0.110 1～0.113 7 d-1，屬于較難抽采煤層。2012年瓦斯抽采濃度約17%，礦井瓦斯抽采量20 m3/min左右。通過一系列改進工作（提高封孔質量（二次封孔）、加大封孔長度(10～12 m)、主管加裝防漏氣裝置、支管接頭使用防水自粘膠帶包裹、關閉低濃度鉆孔等），目前濃度保持在25%左右，礦井瓦斯抽采量25 m3/min。2013年4月改造工程中，關閉部分低濃度鉆孔，使目前的抽進尺下降、影響了些抽采效果，延緩了部分頭面采掘進度。

目前，鉆孔施工參數及抽采參數等信息，主要是臺賬形式管理，其缺點是：浪費勞動力，不易維護，不利于數據統計和分析。因此設計了瓦斯抽采鉆孔信息管理系統，使鉆孔信息實現系統化、精細化管理，并建立周期內鉆孔瓦斯可抽采量預測模型，結合孔口調控閥三級管理機制，實現了可抽采瓦斯量與抽采能力相匹配，既保障了單孔濃度，又延長了預抽時間。

1 瓦斯抽采鉆孔信息管理的系統設計

瓦斯抽采鉆孔智能化信息系統流程圖，見圖1。①智能化板塊成孔分析：經分析鉆孔的傾角、方位角、開孔高度、煤段長度、鉆機型號及其對用的成孔率，總結出適合該區域的鉆孔參數及鉆機型號，用以指導鉆孔施工。②另一智能化模塊，通過建立鉆孔瓦斯可抽采量預測模型，計算出下一時間段鉆孔瓦斯流量，并經孔口調控閥調控機制進行判斷，計算出合適的開啟角度，實現鉆孔可抽采瓦斯量與抽采能力及單孔瓦斯抽采參數相匹配；并用鉆孔普查結果對預測參數進行優化，改進下一周期的預測準確性。③統計子板塊包括：總進尺、在抽進尺、煤段進尺、平均百米流量等參數的統計。④圖2為軟件主界面，圖3為鉆孔參數信息錄入界面。

圖1 瓦斯抽采鉆孔智能化信息管理系統流程圖

圖2 瓦斯抽采鉆孔信息管理系統主界面

圖3 鉆孔參數信息錄入界面

2 抽采鉆孔瓦斯流量的預測方法

抽采鉆孔瓦斯流量是綜合指標，反映煤層破壞程度、瓦斯壓力和含量、媒體應力及透氣性等[1]；直接關系著鉆孔抽采煤層瓦斯涌出量及其涌出初速度的判定，是礦井抽采設計和抽采效果的重要依據[2]。通過抽采鉆孔瓦斯流量預測，可以選擇合適抽采參數、達到最佳抽采效果。

1）抽采鉆孔瓦斯流量預測的方法選擇。目前的預測方法有：神經網絡法、多變量灰色模型[3]、灰色馬爾科夫模型[4]等。①神經網絡法的應用較廣，但因其“黑箱”式學習模式，不易被解釋、不易對預測數據進行統計檢驗，而且訓練中需要大量原始數據（數據不足時預測結果不準確），且其學習算法理論也有缺陷。②灰色模型法認為：鉆場中各鉆孔瓦斯流量與其周圍煤巖的滲透性、強度、瓦斯壓力、地應力等因素之間是灰色的非線性關系[5]，預測精度相對較高，但因其前期需要大量基礎數據，現場操作存在困難（相鄰兩孔的基礎參數可能千差萬別，若對每個鉆孔進行參數測定，耗費人力物力很大）；再者由于不同指標的重要性對預測結果的影響不同，要對各種指標進行賦權，又會因各個鉆孔的不同特性而使賦權方法很難統一確定。③本系統采用經典時序預測法[6]，通過積累前期數據，然后進行數學分析，得出相對穩定的發展趨勢。采用此法的原因有：新鉆孔前期的濃度、流量均有一定保障。經現場數據分析前兩周的濃度和流量基本可保持在平均水平之上，這一階段的流量變化會因鉆孔不同而不同，說明各鉆孔的瓦斯流量衰減系數不同，可將此時數據整理分析，計算出各鉆孔的瓦斯流量衰減系數。再者，鉆孔抽采瓦斯過程中，抽采流量基本符合指數衰減規律[7-8]，可用時序預測法實現瓦斯流量的模擬及預測。

2）抽采鉆孔瓦斯流量預測模型建立：經典時序預測法需要建立指數平滑模型。通過前期累計數據算出鉆孔瓦斯衰減系數，利用計算結果預測下一周期瓦斯涌出量，具體過程基于徑向流理論[9]，使用負指數公式，描述鉆孔瓦斯抽采的衰減規律：

式中:qt為經過時間t的100 m鉆孔瓦斯流量，m3/（min·hm）；q0為100m鉆孔初始瓦斯流量，m3/（min·hm）；qα為目標鉆孔瓦斯流量，m3/min；e為自然對數底，取2.718 28；α為100 m鉆孔瓦斯流量衰減系數，L/d；t為瓦斯排放時間，d；L為目標鉆孔孔長，m。

由式（1）進行推導可得出衰減系數α：

得到衰減系數后，再經式（1）預測出下一周期的鉆孔瓦斯流量。

3 孔口調控閥的管理機制

當瓦斯抽采鉆孔中單位時間內的可抽出瓦斯量遠遠小于鉆孔抽采能力時，就會導致鉆孔瓦斯濃度大幅度下降。據此特點，結合單孔封孔嚴密性及長平煤礦實踐經驗，設計了孔口調控閥三級調控機制，其參數如表1所示；當鉆孔濃度或預測流量小于臨界值時，調控閥開啟到表1對應角度。圖4為43062巷鉆孔流量預測結果的部分數據。

表1 調控閥開啟角度、參數臨界值對應表

4 結論

一般工程實踐中，鉆孔抽采瓦斯基本符合指數衰減規律，但因地質條件復雜，會使鉆孔瓦斯衰減系數差異很大；通過科研項目測得的瓦斯衰減系數也是一個范圍值，難對單孔瓦斯流量進行準確預測。因此系統通過單孔抽采瓦斯數據庫，根據各鉆孔的特性，利用計算機算出各鉆孔的瓦斯衰減系數，建立瓦斯流量預測指數平滑模型，再經孔口調控閥調節，使可抽采瓦斯量與抽采能力相匹配，達到單孔瓦斯抽采參數優化的目的，實現了瓦斯抽采系統的精細化管理。

[1]劉澤功,袁亮,戴廣龍，等.開采煤層頂板環形裂隙圈內走向長鉆孔法抽采瓦斯研究[J].中國工程學,2004,6（5）:36-37.

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[3]張春華，劉澤功.多變量灰色模型及其在鉆孔瓦斯流量預測中的應用[J].中國安全科學學報,2006,16（6）:50-54.

[4]陳釗，徐阿猛.基于灰色馬爾科夫模型的鉆孔瓦斯流量預測[J].中國安全科學學報,2012,22（3）:79-85.

[5]呂貴春,馬云東.礦井瓦斯涌出量預測的灰色建模法[J].中國安全科學學報,2004,14（10）:22-24.

[6]周毓萍,徐光.時序法預測股市的新途徑[J].鄭州航空工業管理學院學報（管理科學版）[J].2004,2（4）:21.

[7]張鐵崗.礦井瓦斯綜合治理技術[M].北京:煤炭工業出版社,2001（3）:293-294,314.

[8]柏發松.煤層鉆孔瓦斯流量的數值模擬[J].安徽理工大學學報（自然科學版）,2004,24（2）:11-12.

[9]周世寧，林柏泉.煤層瓦斯賦存與流動理論[M].北京:煤炭工業出版社，1999.