瓦斯涌出特征突出預(yù)警技術(shù)的實(shí)踐應(yīng)用

楊立海

（霍州煤電集團(tuán)李雅莊煤礦機(jī)電科，山西 霍州 031400）

隨著霍州煤電集團(tuán)李雅莊煤礦采深的增加，井下掘進(jìn)工作面突出危險(xiǎn)區(qū)域越來越多。但該礦以往防治突出的理念、管理經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)力量相對薄弱，“局部四位一體”的綜合防突措施由于比較依賴預(yù)測和效果檢驗(yàn)準(zhǔn)確性，安全防護(hù)措施難以滿足遠(yuǎn)距離操作等要求，技術(shù)和管理均不能適應(yīng)礦井生產(chǎn)條件和生產(chǎn)方式的變化。因此，立項(xiàng)開展井下掘進(jìn)工作面突出危險(xiǎn)區(qū)域的突出預(yù)警技術(shù)及系統(tǒng)研究，從技術(shù)和管理兩個(gè)方面實(shí)現(xiàn)突出事故的超前預(yù)警，可以及早發(fā)現(xiàn)突出事故前兆，實(shí)現(xiàn)有效超前預(yù)防，為提高管理決策水平提供手段和依據(jù)。

1 瓦斯涌出特征預(yù)警技術(shù)原理

1.1 應(yīng)用背景

李雅莊煤礦局部預(yù)測和措施效果檢驗(yàn)主要采用鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)K1及鉆屑量法，該預(yù)測技術(shù)方法具有相當(dāng)?shù)木窒扌裕绊懸蛩匾卜浅６啵０l(fā)生低指標(biāo)突出現(xiàn)象。因此該礦聯(lián)合中煤科工集團(tuán)重慶研究院，基于李雅莊煤礦掘進(jìn)工作面瓦斯突出危險(xiǎn)性狀態(tài)和趨勢，開發(fā)設(shè)計(jì)了瓦斯涌出特征突出預(yù)警系統(tǒng)，來對李雅莊煤礦南二采區(qū)南翼掘進(jìn)區(qū)域進(jìn)行了連續(xù)的突出預(yù)測實(shí)踐。

1.2 原理分析

進(jìn)行煤與瓦斯突出危險(xiǎn)區(qū)域預(yù)測的基礎(chǔ)是了解煤層瓦斯賦存規(guī)律。煤層瓦斯賦存規(guī)律受煤層賦存特征、煤質(zhì)、地質(zhì)構(gòu)造等因素影響。重慶研究院運(yùn)用沉積學(xué)、構(gòu)造學(xué)、層序地層學(xué)、煤田地質(zhì)學(xué)、煤層氣地質(zhì)學(xué)及儲(chǔ)層地質(zhì)學(xué)等理論從礦區(qū)或礦井區(qū)域、層域角度對煤層瓦斯賦存特征進(jìn)行了研究。得出煤層不同區(qū)域瓦斯賦存主控因素及不同層域上煤層瓦斯賦存主控因素。

以煤層瓦斯賦存主控因素為指導(dǎo)，進(jìn)行煤層瓦斯地質(zhì)單元?jiǎng)澐郑M(jìn)而得出煤層瓦斯賦存規(guī)律。利用瓦斯基本參數(shù)測點(diǎn)和煤與瓦斯突出點(diǎn)等為數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，運(yùn)用軟件算法將瓦斯因素與地質(zhì)因素進(jìn)行智能耦合，從而實(shí)現(xiàn)井下掘進(jìn)工作面突出危險(xiǎn)區(qū)域的預(yù)警。瓦斯突出的智能耦合技術(shù)為煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性區(qū)域預(yù)測的信息化、智能化奠定了基礎(chǔ)。基于以上原理設(shè)計(jì)的KJA系統(tǒng)瓦斯涌出特征與突出危險(xiǎn)關(guān)系見圖1所示。

圖1 瓦斯涌出特征與突出危險(xiǎn)關(guān)系

基于李雅莊煤礦掘進(jìn)工作面瓦斯突出危險(xiǎn)性狀態(tài)和趨勢，建立了瓦斯涌出量特征指標(biāo)A和瓦斯解吸特征指標(biāo)B。特征指標(biāo)A的數(shù)學(xué)模型如下：

式中：

Ai-第i班次區(qū)域瓦斯涌出量指標(biāo)；

Qf-掘進(jìn)面風(fēng)流，m3/min；

a-巷道特征參數(shù)；

Mn-工作面n/個(gè)班次內(nèi)落煤量，t；

c、d-巷道掘進(jìn)速度修正系數(shù)；

V-巷道掘進(jìn)速度，m/d；

WO-煤層原始瓦斯含量，m3/t；

Xj,avg-第j班次瓦斯涌出均值，%；

Xj,30min-第j班次瓦斯涌出30min移動(dòng)最小值，%；

T-班次時(shí)間，min。

特征指標(biāo)B的計(jì)算模型如下：

式中：

Bi-第i班次落煤瓦斯涌出峰值變化指標(biāo)；

Xi,max-第i班次瓦斯監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)最大值，%；

Xi,30min-第i班次瓦斯監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)30min移動(dòng)最小值，%。

2 礦井掘進(jìn)工作面瓦斯涌出預(yù)警效果

2.1 礦井基本情況

霍州煤電集團(tuán)李雅莊煤礦為單一煤層開采的高瓦斯礦井，當(dāng)前的治理方法主要是抽采瓦斯。根據(jù)李雅莊煤礦瓦斯賦存狀況，結(jié)合地質(zhì)條件，確定了該礦瓦斯的治理方案：瓦斯抽放為主、采空區(qū)抽放為輔、預(yù)抽與邊采邊抽、邊掘邊抽結(jié)合的三方面綜合治理措施。

2.2 礦井掘進(jìn)工作面瓦斯涌出預(yù)警效果

根據(jù)礦井瓦斯涌出動(dòng)態(tài)特征突出預(yù)警系統(tǒng)的原理和預(yù)警效果分析，針對該礦的實(shí)際情況事先設(shè)定特征指標(biāo)A威脅值為0.7，危險(xiǎn)值為0.9；特征指標(biāo)B威脅值為0.25，危險(xiǎn)值為0.4。李雅莊煤礦瓦斯涌出指標(biāo)預(yù)警臨界值見表1所示。

表1 該礦瓦斯涌出指標(biāo)預(yù)警臨界值

隨著該礦開采速度加快，殘存瓦斯量將增大，檢測結(jié)果表明該礦二采區(qū)南翼開采層平均瓦斯含量和殘存瓦斯量高達(dá)9.70m3/t和2.5m3/t。S2206進(jìn)風(fēng)順槽和S2206膠帶順槽處在突出危險(xiǎn)性較大的采掘工作面區(qū)域內(nèi)。但是針對S2206進(jìn)風(fēng)順槽的位置在非突出危險(xiǎn)區(qū)域和突出危險(xiǎn)區(qū)域之間進(jìn)行交錯(cuò)。從2015年9月1日至2016年3月18日期間應(yīng)用該系統(tǒng)對該突出危險(xiǎn)區(qū)域進(jìn)行了實(shí)踐應(yīng)用的預(yù)警措施。在半年的時(shí)間內(nèi)，該工作面掘進(jìn)進(jìn)尺達(dá)243.2m，期間突出預(yù)測結(jié)果共有54次，數(shù)值超過0.4的次數(shù)為10次，數(shù)值超過0.5的次數(shù)為3次。

在瓦斯涌出動(dòng)態(tài)特征突出預(yù)警系統(tǒng)應(yīng)用期間，同時(shí)實(shí)測井下的K1值，將兩者數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析得到工作面瓦斯涌出預(yù)警效果圖（圖2）和K1值實(shí)測預(yù)警預(yù)測效果圖（圖3）。

圖2 S2206進(jìn)風(fēng)順槽掘進(jìn)工作面瓦斯涌出預(yù)警效果圖

圖3 掘進(jìn)工作面K1值實(shí)測預(yù)警預(yù)測效果圖

從2015年9月1日至2016年3月18日期間對S2206膠帶順槽掘進(jìn)工作面進(jìn)行了預(yù)警系統(tǒng)的應(yīng)用，該期間內(nèi)工作面掘進(jìn)進(jìn)尺累計(jì)達(dá)137.5m，期間井下實(shí)測K1值2次超過0.4。 在瓦斯涌出動(dòng)態(tài)特征突出預(yù)警系統(tǒng)應(yīng)用期間，同時(shí)實(shí)測井下的K1值，將兩者數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析得到工作面瓦斯涌出預(yù)警效果圖（圖4）和K1值實(shí)測預(yù)警預(yù)測效果圖（圖5）。

圖4 S2206膠帶順槽掘進(jìn)工作面瓦斯涌出預(yù)警效果圖

圖5 掘進(jìn)工作面K1值實(shí)測預(yù)警預(yù)測效果圖

通過圖2與圖3，圖4與圖5對S2206進(jìn)風(fēng)順槽、S2206膠帶順槽兩條掘進(jìn)工作面，累計(jì)41個(gè)循環(huán)，380.7m進(jìn)尺分析表明，瓦斯涌出特征指標(biāo)A和B在該礦井下掘進(jìn)工作面的瓦斯突出危險(xiǎn)區(qū)域的預(yù)警效果與井下實(shí)測K1值預(yù)測結(jié)果基本吻合，該系統(tǒng)的檢測結(jié)果能夠做為掘進(jìn)工作面瓦斯突出預(yù)警指標(biāo)進(jìn)行使用。

3 結(jié)語

根據(jù)KJA系統(tǒng)的技術(shù)原理，在李雅莊煤礦S2206進(jìn)風(fēng)順槽、S2206膠帶順槽兩條掘進(jìn)工作面進(jìn)行了實(shí)踐應(yīng)用。系統(tǒng)檢測結(jié)果特征指標(biāo)A、B在該礦井下掘進(jìn)工作面的瓦斯突出危險(xiǎn)區(qū)域的預(yù)警效果與井下實(shí)測K1值預(yù)測結(jié)果對比具有較好的一致性，該系統(tǒng)的檢測結(jié)果能夠做為掘進(jìn)工作面瓦斯突出預(yù)警指標(biāo)進(jìn)行使用。