掘進工作面瓦斯異常區動態監測預警技術研究

郭海濱

（霍州煤電集團河津五星煤業有限責任公司，山西 霍州 031400）

1 前言

霍州煤電集團五星礦從2013年的低瓦斯礦井過渡為高瓦斯礦井。隨著五星礦進入深部開采區域，該區域地質構造逐漸變得復雜，礦井瓦斯涌出量明顯增大，且局部地區存在瓦斯異常分布，而瓦斯異常區域又往往還會伴隨著應力的異常集中，給礦井的瓦斯防治提出了更高的要求。對異常區域進行連續有效的監測預警是最直接有效的災害防范措施，目前的災害預警通常僅限于瓦斯等單一指標，且多為靜態預測，較難全面地反映異常區域的災害狀態以及災害的發展狀況。因此，須對瓦斯異常區域的多參數動態預警方法進行深入的探索與研究。

2 掘進工作面瓦斯地質概況

五星礦2#煤層總厚度在5.0～5.45m之間，煤層沉積較穩定，結構復雜，含有一層夾矸。掘進工作面地質構造較為復雜，主要表現為斷裂構造。根據探測結果，該區域內較大的斷層主要有6條，落差均在5m左右，預測工作面區域小斷層較發育，斷層及其附近區域的煤巖體節理發育、破碎，對工作面掘進影響較大。掘進工作面處于瓦斯地質單元V內，屬于高瓦斯涌出區，同時工作面內存在局部瓦斯異常區域，瓦斯壓力較大，在現有的瓦斯治理措施下，掘進面在推進過程中時常出現瓦斯超限，實際工作中需要加強工作面的動態監測，做好瓦斯災害的預警與防治。

3 掘進工作面災害動態監測預警系統的實踐應用

3.1 多參數指標的選取及其監測技術原理

要實現對礦井災害的有效預警，需要對礦井環境參數進行有效的監測，并通過監測信息進行災害特征的有效識別，進而提出防范措施。對于礦井環境參數的監測，主要有接觸式和非接觸式兩類。接觸式主要通過監測煤層的瓦斯參數以及物理力學性質參數等方式對煤層的瓦斯及應力特征進行直接測定。非接觸式主要是通過監測巷道瓦斯濃度、圍巖的變形波以及煤結構等，從而間接反映煤體的瓦斯涌出情況以及應力釋放狀態。經分析研究特選取瓦斯濃度、地壓指標、煤結構指標三種非接觸式方法作為五星礦2#煤層掘進工作面動態監測預警的指標參數。

3.2 多參數動態監測預警系統的布置

由于不同區域預警指標的變化規律有較大的差別，因此基于指標參數的預警技術首先需要對區域指標參數進行有效特征提取，也要通過一段時間的監測獲取該區域正常采掘工序下的參數特征，給出多參數預警指標，然后設定預警閾值進行實時監測，并結合預警結果給出預測防范措施。因此，對于五星礦2#煤層掘進工作面的動態監測預警主要由兩個過程組成：試驗監測階段和實時監測階段，而不同的監測階段所選用的監測系統也有所差別。

（1）試驗監測階段。試驗階段的監測設備為兩個獨立的監測探頭，探頭采用內置獨立電源以及數據存儲裝置。監測裝置位于皮帶巷掘進工作面，探頭通過支撐桿固定安裝于掘進機后20～25m處，兩探頭相距20m（圖1）。隨著向前進尺，監測探頭通過更換支撐桿而不斷向前移動。試驗階段監測持續5d，每天更換電源，并最終收集采集到的數據。

圖1 2#煤層皮帶巷掘進工作面試驗監測探頭布置

（2）實時監測階段。實時監測階段的監測系統由監測探頭、探頭供電電源箱、光電轉換器、光電轉換供電電源箱、數據終端計算機以及數據分析軟件等組成。其中，監測探頭將掘進工作面的甲烷濃度、地壓、煤結構等掘進物理信號轉換成電信號，并通過普通電纜將該電信號傳輸至光電轉換器。光電轉換器負責將傳輸來的電信號轉換成光信號，然后將輸出的光信號接入井下以太網環網，再通過五星礦的礦井監控系統（或其他系統）將該監測信號傳輸至地面。安裝有數據分析軟件的終端計算機負責接收采集上來的皮帶巷掘進信號，并通過分析軟件實時顯示數據信號的變化情況。

系統中，監測探頭與光電轉化器分別采用不同電源箱進行供電，兩供電電源箱型號相同，其輸入電壓均可以為127V、220V、380V、660V中的一種，輸出電壓均為18V。探頭供電電源箱與光電轉化供電電源箱分別負責對監測探頭和光電轉化器供電，供電線纜均為6芯線。探頭與探頭之間通過網線連接進行數據匯總，探頭與光電轉換器之間通過2芯線連接以實現監測數據的傳輸。

實時監測系統中，監測探頭布置于掘進工作面后方20～25m處，并隨著掘進進尺而不斷向前移動。探頭供電電源箱布置于井下分站l處，光電轉換供電電源箱以及光電轉換器布置于分站2處，數據終端服務器布置于地面監控室（圖2）。其中分站與關聯的聲光報警器配接，可實現聲光報警的功能。

圖2 動態監測預警系統組成

3.3 掘進工作面災害動態監測預警系統的結果分析

該系統在五星礦2#煤層2150工作面進行了6個月的動態監測預警。從2014年4月1日至2014年10月1日，該系統動態監測預警指標與該礦實際監測數據的適應性良好，能夠起到對2#煤層2150工作面瓦斯突出的實時預警的作用。圖3為4月8日至4月11日期間該系統的預警指標表現。效果分析結果表明該系統預警指標確定的可靠性和系統的穩定性。

圖3 2150工作面4月8日至4月11日預警指標表現圖

3.4 多參數動態監測預警技術可靠性評析

災害預警技術的優劣，一方面體現在預測結果的準確性上，一方面體現在防治措施的可靠性上。預測的準確性不僅取決于監測原理的適用性，同時也受監測設備的可靠性影響。五星礦2#煤層掘進工作面的動態監測預警系統采用了基于瓦斯濃度與地壓、煤結構等多參數同步監測方法。幾個指標之間存在一定關聯，因此在預警中可以相互補充，減少誤判或漏判。而每一個單項指標參數在礦井監測中均有較為廣泛的應用，其可靠性已經在諸多礦井中得到了驗證。盡管所選用的監測設備均為按照規范要求中規定的要求進行配置，同時在入井之前需經過反復測試，合格后方可入井，但影響設備可靠性的因素有很多，在井下實際工作環境中還需要結合實際預測狀態進一步驗證。

該掘進工作面瓦斯異常區動態監測預警系統在五星礦進行了實踐應用，系統通過識別異常特征，劃分危險區域，建立瓦斯異常涌出數據庫，設置災害控制裝置，并給出優化的鉆孔抽采設計，進而實現從多角度控制災害的發生，防范災害的擴展，對保障五星礦2#煤層的安全開采起到了重要作用。

4 結論

2#煤層掘進工作面處于瓦斯地質單元V內，屬于高瓦斯涌出區，同時工作面內存在局部瓦斯異常區域，在現有的瓦斯治理措施下，掘進面在推進過程中時常出現瓦斯超限，實際中需要加強工作面的動態監測預警。

基于礦井災害監測方法原理，選取了瓦斯濃度、煤結構、地壓等非接觸式多參數指標作為掘進工作面的動態連續監測預警方法。同時結合工作面膠帶巷掘進工作面的實際狀況，分析了多參數動態監測預警系統的設備布置情況及各部分的功能。結合預警的定義給出了掘進工作面多參數動態監測預警技術的研究內容及技術路線，實踐應用效果表明該動態監測和預警系統的效果非常理想。