煤與瓦斯突出災害監控預警技術研究

張亮亮

（山西汾西礦業(集團)有限責任公司雙柳煤礦，山西 柳林 033300）

山西汾西礦業雙柳煤礦屬于高瓦斯突出礦井，隨著雙柳煤礦主采區域的西進，煤與瓦斯突出危險性也大大增加，煤與瓦斯突出已成為制約雙柳煤礦安全、高效、高產的主要因素之一。為了有效防治煤與瓦斯突出，保障礦井的安全、高效生產，煤礦利用預警技術結合現場條件建立了雙柳煤礦煤與瓦斯突出災害監控預警系統，并進行了成功應用。

1 煤與瓦斯突出災害監控預警系統建設

雙柳煤礦煤與瓦斯突出災害監控預警系統是依托礦井局域網平臺建立的，集信息管理、專業分析和災害預警功能為一體的煤與瓦斯突出防治輔助決策系統。該系統的結構如圖1所示。

雙柳煤礦煤與瓦斯突出災害監控預警系統在硬件上以預警服務器為中心，各客戶端通過局域網與服務器相連，并實現與礦井監控系統的無縫連接；在軟件上以綜合預警數據庫和預警服務為中心，各子系統以數據庫同步或實時數據交換的方式與綜合預警數據庫進行信息共享，預警服務根據這些信息實時分析工作面的突出危險狀態和發展趨勢，對煤與瓦斯突出進行實時、動態、綜合預警。同時，各子系統具有獨立性，可實現特定的專業分析功能。

圖1 雙柳煤礦煤與瓦斯突出災害監控預警系統結構

1.1 硬件系統

雙柳煤礦通風瓦斯災害預警系統的硬件部分主要包括服務器、客戶端和局域網三部分。預警服務器是整個預警系統的核心，要求存儲的數據量大、處理數據速度快且能夠連續工作，因此預警服務器必須具有高可靠性、高處理能力和高擴展性。雙柳煤礦預警服務器采用HPDL380G6491316-AAl型標準服務器，安裝于信息中心。客戶端要求相對較低，采用普通辦公電腦，安裝于雙柳煤礦地測、通風等相關業務科室。煤與瓦斯突出災害監控預警系統服務器與客戶端之間直接借助于雙柳煤礦辦公網進行連接。

1.2 軟件系統

雙柳煤礦煤與瓦斯突出災害監控預警系統包括5個專業子系統和3個預警模塊。

5個專業子系統分別為：（1）地質測量管理系統安裝于地測科和生產技術科，功能為對地勘鉆孔、地質構造等信息進行集中管理，對定向鉆孔進行管理，為系統提供基礎空間數據。（2）瓦斯地質分析系統安裝于通風區和地測科，功能為對瓦斯壓力、瓦斯含量、煤層厚度等瓦斯地質參數的智能預測及等值線自動生成，對突出危險區域智能劃分，為系統提供瓦斯地質基礎信息。（3）動態防突管理系統安裝于防突區，功能為對工作面日常預測、防突措施等信息的集中管理，對防突措施參數進行智能設計及自動成圖，為系統提供日常預測及防突措施缺陷方面的基礎信息。（4）瓦斯涌出分析系統安裝于信息中心及通風區，功能為實時從監控系統采集工作面瓦斯涌出數據，對工作面瓦斯涌出特征進行分析，對瓦斯涌出預警指標實時、動態計算及瓦斯涌出異常預警。（5）采掘進度管理系統安裝于調度中心，對礦井各工作面采掘進尺進行管理，提供工作面進尺方面的基礎數據。

3個預警模塊為：（1）預警服務，安裝于預警服務器，主要功能為實時分析預警系統獲取的煤與瓦斯突出相關數據，對工作面突出危險狀態及發展趨勢進行分析，進行工作面煤與瓦斯突出災害監控預警。（2）預警信息管理平臺，安裝于防突區及調度中心，主要功能為防突信息的集中管理與分析，預警指標體系及預警規則管理，對預警過程進行控制，以文字、顏色或聲音的方式進行預警結果發布及預警報表自動生成。（3）預警網站位于預警服務器，對工作面預警信息以網頁的形式進行分布。

2 預警系統運行保障體制

實時、超前、可靠的煤與瓦斯突出災害監控預警，是以瓦斯地質、防突措施、瓦斯涌出、日常預測等基礎數據和信息的及時、準確獲取為前提的。為了規范對煤與瓦斯突出災害監控預警系統的操作、維護和管理，結合預警系統要求，雙柳煤礦成立了預警系統管理領導小組和預警系統管理辦公室，并制定了相應的預警系統操作、維護及預警響應管理制度，同時對相關人員進行了預警系統相關培訓，形成了預警系統運行保障體制，保證了預警系統的正常、穩定運行。

3 實踐應用效果分析

雙柳煤礦煤與瓦斯突出災害監控預警系統建成至今，在10多個煤巷掘進工作面進行了煤與瓦斯突出災害監控預警應用，累計保障了2000余米煤層巷道的安全掘進。該系統的成功應用，實現了對工作面突出危險的實時分析和綜合預警，同時提高了礦井煤與瓦斯突出防治技術水平和管理水平。

3.1 突出預警效果分析

該系統既可對工作面瓦斯地質、采掘影響、日常預測、瓦斯涌出和措施缺陷等方面存在的突出隱患和征兆進行專項預警，又可以對各方面信息進行綜合分析，對工作面突出危險性進行綜合預警。

3.1.1 綜合預警效果分析

（1）工作面突出危險性對比

工作面掘進過程中不同等級預警結果所占比例的不同，從整體上反映了各工作面突出危險性的大小。33（4）15運巷和33（4）16運巷掘進期間，不同等級預警結果所占比例是不相同的，33（4）15運巷和33（4）16運巷兩者工作面基本情況相同，但是前者的突出危險性遠高于后者。分析原因為：33（4）15運巷煤層殘余瓦斯含量較大，受煤層變薄帶影響，突出危險性較大；但是33（4）16運巷煤層賦存穩定，已經過長時間瓦斯抽采，瓦斯含量降低，已實現了消突。

（2）突出危險區段分析

分析33（4）15運巷不同級別預警結果的分布情況，巷道掘進過程中不同區段的突出預警結果和工作面實際突出危險如圖2所示。從圖2中可以看出，二者變化趨勢一致，而且“威脅”和“危險”級預警結果基本位于36m以后區域，因此可以根據工作面預警結果判識33（4）15運巷的嚴重突出危險性區段為36m以后區域。

（3）突出危險主控因素分析

通過對導致預警結果異常的預警要素類型的分析，可以探尋控制工作面突出危險的主要因素和反映工作面突出危險的主要征兆，以便有針對性地觀測突出征兆和采取防突措施。在33（4）15運巷掘進過程中，導致預警結果異常的各類預警要素所占的比例如圖3所示。從圖中可以看出，瓦斯地質是該工作面煤與瓦斯突出的主要影響因素，其次為日常預測。據此，33（4）15運巷掘進過程中加強了對地質構造和煤層賦存狀態的探測，并將日常預測指標測定結果及其變化趨勢作為重點關注對象。

圖2 33（4）15運巷預警結果隨巷道掘進長度變化圖

圖3 33（4）15運巷異常預警結果影響因素分析

3.1.2 專項預警效果分析

煤與瓦斯突出專項預警實現了對工作面瓦斯地質、采掘影響等方面突出隱患的控制和突出征兆的警示。

（1）瓦斯地質預警。雙柳煤礦煤與瓦斯突出災害監控預警系統可對地質構造影響帶、煤層賦存異常、煤層結構異常、軟分層異常等工作面瓦斯地質條件異常情況進行預警提醒。以33（4）16運巷為例，巷道掘進過程中，預警系統超前10m對工作面煤層沖刷帶影響區進行了準確預警。

（2）采掘影響預警。通過實時分析工作面附近采掘巷道布置、煤柱保留等條件，對工作面對穿貫通、交叉貫通、平行掘進、煤柱影響等可能導致采掘應力疊加或應力集中的情況進行預警控制。以33（4）21抽采巷為例，在掘進過程中通過1#橫貫進行反掘，預警系統超前60m對反掘工作面與已掘巷道貫通進行了預警控制。

（3）日常預測預警。預警系統根據局部預測（效檢）指標測值大小、變化趨勢，以及施鉆動力現象等信息，對工作面突出危險性進行分析，對日常預測異常情況進行預警提醒。根據對各工作面日常預測專項預警結果的分析，預警結果為“安全”的準確率達90%以上，預警結果為“威脅”或“危險”的準確率為50%～60%。

（4）瓦斯涌出預警。以W23012巷為例，在考察期間共發生兩次瓦斯涌出異常（如圖4所示），預警系統均對其做出了準確預警。

圖4 W23012巷瓦斯涌出專項預警

（5）措施缺陷預警。預警系統通過對局部防突措施參數的實時分析，對措施控制范圍不足、措施存在空白帶及超采超掘等措施缺陷進行預警控制?？疾炱陂g，各工作面共施工了25次局部防突措施，預警系統對其進行了準確的措施缺陷預警，預警結果為“正?！?4次，準確率100%。預警結果為“危險”1次，準確率100%。

3.2 防突管理效果分析

雙柳煤礦煤與瓦斯突出災害監控預警系統的使用，在防突管理上的效果有以下幾方面：（1）使各部門之間掌握的煤與瓦斯突出信息更加透明化。煤與瓦斯突出防治工作是一個系統工程，涉及防突、抽采、地質、生產等多部門。對各職能部門掌握的煤與瓦斯突出相關信息的及時匯總、分析和共享，是科學地、針對性地制定、實施防突措施，及時發現并消除防突措施安全隱患的前提。（2）促進了礦井防突工作的精細化、規范化管理。煤與瓦斯突出災害監控預警系統的各子系統針對雙柳煤礦定制開發，成為防突措施科學設計和準確實施的保障。（3）實現了防突工作的過程控制。

4 結語

雙柳煤礦借助局域網平臺，通過對硬件系統和軟件系統的建設，構建了煤與瓦斯突出綜合預警系統平臺，并通過建立相應的管理機構、管理制度和對相關人員的培訓，保障了預警系統的正常、穩定運行。雙柳煤礦煤與瓦斯突出災害監控預警系統的建立和使用，實現了礦井防突信息的集中共享和工作面煤與瓦斯突出的實時、動態、綜合預警，促進了雙柳煤礦防突工作的規范化管理，有效地提升了雙柳煤礦煤與瓦斯突出防治技術水平和管理水平。