基于瓦斯涌出特征的錢家營礦掘進工作面突出預警系統(tǒng)應用

張嘉勇,艾子博，呂華新,龐鳳嶺

(1.華北理工大學 礦業(yè)工程學院，河北 唐山 063009； 2.開灤(集團)有限責任公司錢家營礦業(yè)分公司，河北 唐山 063000)

煤與瓦斯突出(簡稱“突出”)是礦井煤巖動力災害的主要表現(xiàn)形式，嚴重影響礦井的安全生產(chǎn)[1-3]。預測預報是防治突出的基礎(chǔ)和前提[4-7]，常規(guī)的突出預警方法屬于抽檢式，難以反映瞬時擾動和突出危險性的動態(tài)演化過程[8]。在突出預警方面國內(nèi)外專家開展了一系列研究，非接觸式連續(xù)突出預測在目前防突預警中得到了推廣應用[9-11]。其中通過分析礦井瓦斯監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)，選取合理的瓦斯特征指標進行突出預警，取得了良好的預警效果[12-15]。筆者通過提取礦井現(xiàn)有安全監(jiān)控系統(tǒng)的監(jiān)測數(shù)據(jù)，對瓦斯涌出量進行實時采集，分析驗證瓦斯涌出特征，確定掘進工作面突出預警指標及臨界值，構(gòu)建錢家營礦掘進工作面突出預警系統(tǒng)，用以實現(xiàn)煤與瓦斯突出的實時、連續(xù)預警，為礦井防突工作提供技術(shù)指導。

1 礦井煤巖動力現(xiàn)象分析

錢家營礦-850 m水平主石門位于礦井三水平，巷道斷面設(shè)計凈面積為16.3 m2，巷道端頭風量為5.43 m3/s。2010年12月24日夜班01：30左右，巷道端頭突然發(fā)生頂板冒落情況，采樣點處瓦斯?jié)舛?CH4體積分數(shù)，下同)達到1.2%。根據(jù)-850 m水平主石門T1甲烷傳感器監(jiān)測數(shù)據(jù)，統(tǒng)計了事故發(fā)生前的瓦斯涌出量變化情況，如圖1所示。

圖1 錢家營礦“12.24”動力現(xiàn)象發(fā)生前瓦斯涌出量變化

通過案例和相關(guān)文獻分析得出，在突出發(fā)生之前的一段時間內(nèi)，掘進工作面瓦斯涌出量有明顯的變化特征，大致分為升高、波動和先降后升3種情況，基于此變化特征將瓦斯涌出量作為掘進工作面突出預警指標的基礎(chǔ)參數(shù)。

2 掘進工作面突出預警方法

2.1 預警指標確定

掘進工作面突出預警的關(guān)鍵是科學確定預警指標及其臨界值。依據(jù)《防治煤與瓦斯突出細則》和錢家營礦動力現(xiàn)象發(fā)生期間瓦斯涌出量變化情況，基于對數(shù)據(jù)離散特征和回歸速率的分析，選取瓦斯涌出量的方差(瓦斯涌出量離散程度)、波峰差(瓦斯涌出量異常差值)、波動斜率(瓦斯涌出量異常速率)為掘進工作面突出預警指標，并基于錢家營礦-850 m水平主石門區(qū)域煤巖動力現(xiàn)象瓦斯數(shù)據(jù)計算預警指標臨界值。預警流程如圖2所示。

圖2 掘進工作面突出預警方法流程

2.2 瓦斯涌出量監(jiān)測

為實現(xiàn)對掘進工作面突出的實時、準確和超前預警，通過甲烷傳感器實時監(jiān)測讀取掘進工作面的瓦斯數(shù)據(jù)。錢家營礦掘進工作面甲烷傳感器布置如圖3所示，在距掘進工作面端頭5 m和25 m處分別懸掛1臺高低濃度甲烷傳感器和1臺風速風向傳感器，傳感器位置隨掘進工作面推進而不斷循環(huán)前移。

圖3 錢家營礦掘進工作面?zhèn)鞲衅鞑贾檬疽鈭D

瓦斯涌出量計算公式如下：

Q1=Qφ(CH4)/100

(1)

式中：Q1為絕對瓦斯涌出量，m3/min；Q為風量，m3/min；φ(CH4)為風流中的平均瓦斯?jié)舛龋?。

2.3 預警指標計算

掘進工作面預警指標確定為瓦斯涌出量特征值：方差、波峰差、波動斜率。設(shè)瓦斯涌出量監(jiān)測序列為{xt，t=1，2，…，i}，根據(jù)實時監(jiān)測數(shù)據(jù)計算各預警指標值。

方差S2表示監(jiān)測序列的離散程度，反映數(shù)據(jù)在一定條件下的離散情況，方差越大表示瓦斯涌出量的離散程度越大，說明存在突出的趨勢。采用無偏估計下的方差，其計算公式如下：

(2)

波峰差F是統(tǒng)計監(jiān)測序列波動大小的度量，當F相較于正常序列的值越大時則表示此監(jiān)測序列的波動越大，說明存在突出的趨勢。其計算公式如下：

F=xmax-xmin

(3)

式中：xmax為監(jiān)測序列中最大瓦斯涌出量，m3/min；xmin為監(jiān)測序列中最小瓦斯涌出量，m3/min。

波動斜率K表示監(jiān)測序列線性回歸增高或下降的方向及快慢。當K>0時，說明瓦斯涌出量監(jiān)測序列xt有增高趨勢且K值越大增高越快；當K<0時，說明監(jiān)測序列xt有下降趨勢且K值越小下降越快；當K趨近于0時，說明監(jiān)測序列xt走勢相對比較平穩(wěn)，增高或下降趨勢不明顯。對監(jiān)測序列xt進行線性擬合后計算K。實時監(jiān)測︱K︱相較于正常序列︱K︱越大，則說明存在突出的趨勢。其計算公式如下：

(4)

式中：y1為瓦斯涌出量監(jiān)測序列線性擬合后的始值，m3/min；y2為瓦斯涌出量監(jiān)測序列線性擬合后的末值，m3/min；x1為監(jiān)測序列步長的始值；x2為監(jiān)測序列步長的末值；Δy為瓦斯涌出量監(jiān)測序列線性擬合后的始末值之差，m3/min；Δx為瓦斯涌出量監(jiān)測序列線性擬合后序列步長值。

2.4 預警指標臨界值

基于錢家營礦-850 m主石門進風巷道、2077運道和2096風道3個區(qū)域某時段調(diào)度中心瓦斯涌出量實時監(jiān)測數(shù)據(jù)，以及-850 m水平主石門區(qū)域動力現(xiàn)象發(fā)生前不同時段巷道甲烷傳感器監(jiān)測數(shù)據(jù)，建立瓦斯涌出量監(jiān)測序列。由于調(diào)度中心瓦斯數(shù)據(jù)更新間隔為1 min，為確保突出預警指標值的實時性及數(shù)據(jù)的有效性，取監(jiān)測步長i=10，由公式(2)～(4)對其進行方差、波峰差、波動斜率的計算分析。突出預警指標計算值如表1所示。

表1 不同樣本預警指標值

通過對表1數(shù)據(jù)的分析，選取異常時期和正常時期瓦斯涌出量特征值，建立特征數(shù)據(jù)序列，進行指標臨界值計算。

正常時期指標值可基于對錢家營礦2018年 11月至12月正常生產(chǎn)期間的瓦斯涌出量采集數(shù)據(jù)進行計算得到，方差數(shù)值為[0，0.034]，波峰差數(shù)值為[0，0.5]，波動斜率數(shù)值為[0，0.001 8]。異常時期瓦斯數(shù)據(jù)根據(jù)表1中事故發(fā)生前各時間段的指標值得到。

中位數(shù)是確定全體單位標志值的代表值，不受分布數(shù)列的極大或極小值影響，在一定程度上提高了分布數(shù)列的代表性，因此計算數(shù)值序列中位數(shù)為掘進工作面突出預警指標危險臨界值。由于正常時期指標值較小，取全部數(shù)值進行中位數(shù)計算會使序列代表性受到影響，因此選取正常時期指標最大值，結(jié)合異常時期指標值，建立特征數(shù)值序列進行中位數(shù)計算得出指標危險臨界值。正常時期方差指標最大值為0.034，結(jié)合異常時期方差指標值[0.005 0，0.006 2，0.013 0，0.018 0，0.037 0，0.110 0]，組成特征序列[0.005 0，0.006 2，0.013 0，0.018 0，0.034 0，0.037 0，0.110 0]取中位數(shù)0.018 0為方差危險臨界值。同理求出波峰差危險臨界值為0.41，波動斜率危險臨界值為±0.027。

根據(jù)異常瓦斯指標值和錢家營礦井下實際，采取專家意見確定提醒臨界值和關(guān)注臨界值分別為危險臨界值的60%和80%左右。為了提高預警的準確性，礦井應根據(jù)不同區(qū)域、不同煤層的實際情況，重新評估確定方差、波峰差和波動斜率的臨界值，以降低漏報率和誤報率。

3 掘進工作面突出預警系統(tǒng)

基于Matlab數(shù)值計算和VB可視化界面設(shè)計結(jié)合Sql server數(shù)據(jù)庫平臺，構(gòu)建掘進工作面突出預警系統(tǒng)。該預警系統(tǒng)由兩部分組成：瓦斯數(shù)據(jù)實時采集系統(tǒng)和可視化預警系統(tǒng)。其工作原理是：瓦斯數(shù)據(jù)實時采集系統(tǒng)通過礦區(qū)局域網(wǎng)建立網(wǎng)絡(luò)協(xié)議進行數(shù)據(jù)傳輸拷貝，實時讀取調(diào)度中心瓦斯監(jiān)測數(shù)據(jù)，得到各工作面實時瓦斯涌出量并存入數(shù)據(jù)庫中；可視化預警系統(tǒng)連接數(shù)據(jù)庫讀取實時瓦斯涌出值并進行預警指標計算，實現(xiàn)非接觸式、實時預警，以及預警數(shù)據(jù)存儲、查詢、報表等功能。

3.1 瓦斯數(shù)據(jù)實時采集

瓦斯數(shù)據(jù)實時采集系統(tǒng)由系統(tǒng)配置和系統(tǒng)運行兩大部分組成，其中系統(tǒng)配置部分主要完成對系統(tǒng)運行環(huán)境的配置與對接，系統(tǒng)運行部分主要完成對數(shù)據(jù)采集的實時控制。實時數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主界面顯示錢家營礦某時段各工作面采樣點瓦斯涌出量，如圖4所示。

圖4 實時數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主界面

系統(tǒng)配置部分包括配置系統(tǒng)模塊和數(shù)據(jù)庫配置模塊。配置系統(tǒng)模塊主要完成對系統(tǒng)環(huán)境的設(shè)置，其中數(shù)據(jù)庫地址、數(shù)據(jù)庫名稱、數(shù)據(jù)庫用戶名和數(shù)據(jù)庫密碼為保存實時采集數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫訪問信息；實時采集數(shù)據(jù)位置(網(wǎng)絡(luò))和實時設(shè)備信息位置(網(wǎng)絡(luò))為調(diào)度中心數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)向本系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)的存儲位置(根據(jù)錢家營礦網(wǎng)絡(luò)文件訪問方式采用ftp方式實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸)；實時采集數(shù)據(jù)位置(本地)和實時設(shè)備信息位置(本地)為實時拷貝礦山采集數(shù)據(jù)文件的本地硬盤存儲位置；上次數(shù)據(jù)采集時間為本采集系統(tǒng)所記錄的最后一次錄入數(shù)據(jù)時間；生成實時數(shù)據(jù)間隔為其他數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)向本系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)的時間間隔；數(shù)據(jù)文件位置(本地)為礦山采集數(shù)據(jù)文件的本地存儲目錄；文件拷貝時間間隔為本地硬盤同步拷貝礦山實時采集數(shù)據(jù)文件的時間間隔。系統(tǒng)配置界面如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)配置界面

數(shù)據(jù)庫配置模塊主要完成對系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫信息的增加、修改和刪除，其中包括采區(qū)設(shè)置、工作面設(shè)置和瓦斯采樣點設(shè)置幾部分。數(shù)據(jù)庫配置界面如圖6所示。

圖6 數(shù)據(jù)庫配置界面

系統(tǒng)運行部分主要完成對數(shù)據(jù)采集的實時控制，包括開始采集數(shù)據(jù)和停止采集數(shù)據(jù)。

3.2 可視化預警應用

突出預警系統(tǒng)在錢家營礦調(diào)試應用，基于掘進工作面突出預警方法對系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)進行預警分析，在此期間各工作面生產(chǎn)正常，無突出危險事故發(fā)生。

錢家營礦2172回風巷道設(shè)計長度1 150 m，服務(wù)于2172回采工作面。2018年12月23日早班期間對2172回風巷道某時段瓦斯涌出量進行預警指標分析，如圖7所示。可以看出，各項預警指標均處于正常狀態(tài)，井下現(xiàn)場驗證與預警分析結(jié)果相符。

圖7 正常瓦斯涌出預警指標分析

12月23日11:30在對2172回風巷道瓦斯數(shù)據(jù)進行預警分析時，預警指標出現(xiàn)異常，其中方差和波峰差均超過指標提醒臨界值，波動斜率正常，可視化預警界面如圖8所示。

圖8 可視化預警界面

發(fā)現(xiàn)突出預警指標出現(xiàn)異常后，立即通知井下工作人員進行現(xiàn)場作業(yè)排查，經(jīng)確認在此期間有臨時鉆孔施工，導致預警指標值超限。因此在進行指標計算分析后，一旦出現(xiàn)指標異常情況，就應立即通知井下工作人員進行現(xiàn)場驗證，排除其他因素造成的指標異常，避免出現(xiàn)預警誤差。

4 結(jié)論

1)通過對瓦斯事故案例的綜合分析，確定將瓦斯涌出量作為錢家營礦掘進工作面突出預警監(jiān)測數(shù)據(jù)。

2)確定掘進工作面突出預警指標為瓦斯涌出量特征值：方差、波峰差、波動斜率。基于錢家營礦-850 m水平主石門區(qū)域瓦斯動力現(xiàn)象，以及正常時期與異常時期瓦斯涌出量特征值，確定出預警指標方差危險臨界值為0.018，波峰差危險臨界值為0.41，波動斜率危險臨界值為±0.027。提醒臨界值和關(guān)注臨界值分別為危險臨界值的60%和80%左右。

3)基于Matlab計算分析和VB可視化設(shè)計，連接Sql server數(shù)據(jù)庫平臺，構(gòu)建了錢家營礦掘進工作面突出預警系統(tǒng)。該系統(tǒng)在錢家營礦調(diào)試期間，能夠?qū)崟r采集現(xiàn)場監(jiān)控系統(tǒng)瓦斯數(shù)據(jù)進行預警分析，其結(jié)果符合礦井實際情況。