基于大數(shù)據(jù)的煤與瓦斯突出災(zāi)害預(yù)測方法與技術(shù)研究

劉 純

（湖南安全技術(shù)職業(yè)學(xué)院，湖南 長沙 410151）

0 引言

在當(dāng)前時期，煤與瓦斯突出災(zāi)害是我國煤礦井下作業(yè)面臨的嚴(yán)重威脅，會造成煤體粉碎，噴出大量瓦斯，影響著煤礦安全生產(chǎn)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。在大數(shù)據(jù)背景下，煤與瓦斯突出災(zāi)害預(yù)測工作迎來更多可能性，為煤與瓦斯突出災(zāi)害預(yù)測方法、預(yù)測技術(shù)實(shí)踐形式的創(chuàng)新提供契機(jī)。因此，本文對基于大數(shù)據(jù)的煤與瓦斯突出災(zāi)害預(yù)測方法與技術(shù)展開研究。

1 煤與瓦斯突出災(zāi)害原因分析

1.1 地質(zhì)構(gòu)造

煤與瓦斯突出災(zāi)害的產(chǎn)生與地質(zhì)構(gòu)造息息相關(guān)，結(jié)合當(dāng)前時期煤與瓦斯突出災(zāi)害數(shù)據(jù)，較多礦區(qū)內(nèi)部的突出現(xiàn)象主要集中在區(qū)域內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造帶，突出位置一般處于斷層、小型褶皺等區(qū)域。具體來說，斷層對突出災(zāi)害的影響機(jī)理較為特殊，地質(zhì)構(gòu)造類型不僅會破壞煤體原有結(jié)構(gòu)，同樣會損壞瓦斯賦存條件［1］。另外，地質(zhì)斷層使煤層存貯條件、連續(xù)性發(fā)生改變，并且斷層性質(zhì)不同，對瓦斯釋放、存儲的影響存在明顯的差異性。對于張性斷層，若斷層周邊巖層透氣性好，則能夠促進(jìn)瓦斯排放，便于瓦斯運(yùn)移，突出災(zāi)害可能性小。對于壓性斷層，由于該種地質(zhì)結(jié)構(gòu)是在擠壓作用下產(chǎn)生，透氣性較差、封閉性強(qiáng)，該斷層內(nèi)瓦斯壓力、含量會不斷增加，容易誘發(fā)煤與瓦斯突出災(zāi)害。

1.2 采動

采動作業(yè)包括放炮、采煤工藝的實(shí)踐，其中，放炮作業(yè)期間，煤與瓦斯突出災(zāi)害的發(fā)生率明顯增高。比如，對于完整性的煤體結(jié)構(gòu)，放炮作業(yè)會直接破壞煤體結(jié)構(gòu)，使得煤體出現(xiàn)較多裂隙，有助于煤體內(nèi)瓦斯的釋放，不會造成瓦斯聚集現(xiàn)象。在煤體結(jié)構(gòu)損壞嚴(yán)重時再進(jìn)行放炮作業(yè)，則會因內(nèi)部原有裂縫的閉合，導(dǎo)致煤體內(nèi)透氣性降低，影響瓦斯排放的順暢性，容易引起煤與瓦斯突出災(zāi)害［2］。

在采煤工藝中，其工藝參數(shù)中含有的落煤方式、采高等，決定著煤體外部承載力的大小，該承載力是誘發(fā)煤與瓦斯突出災(zāi)害的主要原因之一。不同采煤工藝對突出災(zāi)害的作用效果存在明顯的差異。近年來，我國大型煤礦企業(yè)在煤炭資源開采中已逐步實(shí)現(xiàn)綜合性的機(jī)械化采煤，在具體實(shí)踐中，煤與瓦斯突出次數(shù)明顯增加。另外，打鉆、手稿等基礎(chǔ)性作業(yè)同樣會導(dǎo)致煤與瓦斯突出災(zāi)害的發(fā)生。

2 基于大數(shù)據(jù)的煤與瓦斯突出災(zāi)害預(yù)測方法

在大數(shù)據(jù)背景下，煤與瓦斯突出災(zāi)害預(yù)測方法在于利用大數(shù)據(jù)、計(jì)算機(jī)信息等現(xiàn)代化技術(shù)，建立災(zāi)害預(yù)警系統(tǒng)，從而利用相關(guān)監(jiān)測裝置，將瓦斯參數(shù)、采煤作業(yè)進(jìn)度等突出災(zāi)害的預(yù)警指標(biāo)，自動采集上傳至預(yù)警系統(tǒng)中，促進(jìn)煤與瓦斯突出災(zāi)害預(yù)警信息整合的自動化、信息化發(fā)展。

具體來說，煤與瓦斯突出災(zāi)害預(yù)警系統(tǒng)主要由預(yù)測信息、設(shè)備、管理制度、人員、預(yù)警軟件等內(nèi)容構(gòu)成，其功能在于災(zāi)害隱患識別、預(yù)警響應(yīng)、災(zāi)害風(fēng)險程度分析等。在大數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，該預(yù)測方法的實(shí)現(xiàn)途徑是根據(jù)煤與瓦斯突出災(zāi)害防治、預(yù)測警示理論、事故等信息數(shù)據(jù)，使用煤礦井下辦公局域網(wǎng)、監(jiān)控環(huán)網(wǎng)，以及相關(guān)監(jiān)測儀器與設(shè)備［3］?？茖W(xué)分析可能造成煤與瓦斯突出災(zāi)害的隱患、信息，利用預(yù)警系統(tǒng)建立災(zāi)害模型，評估其危險狀態(tài)。同時，結(jié)合預(yù)測結(jié)果，通過短信、網(wǎng)絡(luò)等手段，發(fā)布突出災(zāi)害信息，便于相關(guān)人員盡快擬定防范方案，實(shí)現(xiàn)煤與瓦斯突出災(zāi)害實(shí)時監(jiān)測、預(yù)報、智能分析等防控目標(biāo)。

3 基于大數(shù)據(jù)的煤與瓦斯突出災(zāi)害預(yù)測技術(shù)

3.1 聲發(fā)射技術(shù)

聲發(fā)射技術(shù)屬于動態(tài)無損的預(yù)測技術(shù)，被廣泛應(yīng)用在煤與瓦斯突出災(zāi)害預(yù)測中。在大數(shù)據(jù)技術(shù)的支持下，聲發(fā)射技術(shù)在實(shí)踐中可實(shí)現(xiàn)災(zāi)害預(yù)警信息的實(shí)時監(jiān)測，有利于減少人工現(xiàn)場檢測成本，提高災(zāi)害預(yù)報準(zhǔn)確性。在煤與瓦斯突出災(zāi)害預(yù)測工作中，聲發(fā)射技術(shù)的原理是在動態(tài)監(jiān)測中利用煤體內(nèi)巖石變形、破裂所造成的應(yīng)力波現(xiàn)象，獲取煤體變形數(shù)據(jù)、預(yù)測出災(zāi)害發(fā)生的可能性。同時，結(jié)合煤體強(qiáng)度、地應(yīng)力大小以及聲發(fā)射特點(diǎn)，準(zhǔn)確反映礦區(qū)內(nèi)煤與瓦斯的應(yīng)力活動。在應(yīng)力活動較為活躍時，該技術(shù)可通過增加聲發(fā)射信號，為相關(guān)人員提供煤與瓦斯突出災(zāi)害信息。另外，瓦斯壓力的增強(qiáng)，會在某種程度上緩解煤體損壞程度，使得聲發(fā)射參數(shù)指標(biāo)值產(chǎn)生變化。因此，在煤與瓦斯突出災(zāi)害預(yù)測技術(shù)中，聲發(fā)射技術(shù)可借助自身聲發(fā)射特征，反應(yīng)地應(yīng)力、瓦斯壓力、煤體強(qiáng)度等核心要素的變化指數(shù)，為預(yù)測人員判斷突出災(zāi)害危險性、可能性提供依據(jù)［4］。

3.2 異構(gòu)數(shù)據(jù)集成技術(shù)

大數(shù)據(jù)背景下，相關(guān)人員在防治煤與瓦斯突出災(zāi)害時，需借助監(jiān)控預(yù)警系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)，強(qiáng)化煤與瓦斯突出災(zāi)害預(yù)測價值。在該系統(tǒng)建立中需解決操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)存儲、時間頻率的異構(gòu)問題，因此，在煤與瓦斯突出災(zāi)害預(yù)測技術(shù)中，異構(gòu)數(shù)據(jù)集成技術(shù)，同樣是開展煤與瓦斯突出災(zāi)害預(yù)測工作的關(guān)鍵技術(shù)之一。

3.2.1 技術(shù)預(yù)測原理

為減少、消除各數(shù)據(jù)源異構(gòu)性對煤與瓦斯突出災(zāi)害預(yù)測信息的影響，異構(gòu)數(shù)據(jù)集成技術(shù)可將來源、格式不同的預(yù)測數(shù)據(jù)集中管理，并且在不阻礙礦井原有預(yù)測機(jī)制的基礎(chǔ)上，提高相關(guān)人員實(shí)時查詢?yōu)暮π畔⒌谋憬菪?。在大?shù)據(jù)背景下，該技術(shù)在煤與瓦斯突出災(zāi)害預(yù)測中的應(yīng)用模式包括：對點(diǎn)數(shù)據(jù)復(fù)制、數(shù)據(jù)集中復(fù)制、Web服務(wù)數(shù)據(jù)集成等類型［5］。

3.2.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基于大數(shù)據(jù)技術(shù)，煤與瓦斯突出災(zāi)害預(yù)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)核心在于數(shù)據(jù)存儲版塊。對于煤礦安全檢測、預(yù)測機(jī)制中的數(shù)據(jù)異構(gòu)情況，可借助異構(gòu)數(shù)據(jù)集成技術(shù)，建立煤與瓦斯突出災(zāi)害預(yù)警系統(tǒng)。（1）該預(yù)警系統(tǒng)的數(shù)據(jù)存儲版塊，可使用分布式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，具體結(jié)構(gòu)包括：預(yù)測信息數(shù)據(jù)庫、監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)集成、數(shù)據(jù)存儲等內(nèi)容。（2）在異構(gòu)數(shù)據(jù)集成技術(shù)支持下，煤與瓦斯突出災(zāi)害預(yù)警系統(tǒng)，預(yù)測、預(yù)警軟件內(nèi)部構(gòu)架，需包含監(jiān)控預(yù)測平臺、預(yù)警數(shù)據(jù)庫等，如圖1所示。

圖1 煤與瓦斯突出災(zāi)害預(yù)警系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

首先，監(jiān)控預(yù)警數(shù)據(jù)庫。利用異構(gòu)數(shù)據(jù)集成技術(shù)，采集、存儲煤與瓦斯突出災(zāi)害預(yù)測時，系統(tǒng)對檢測儀器生成數(shù)據(jù)的采集，屬于該預(yù)警系統(tǒng)運(yùn)行所需的基礎(chǔ)信息?？稍跒?zāi)害監(jiān)控服務(wù)平臺提取后，及時保存至預(yù)測信息采集數(shù)據(jù)庫。該數(shù)據(jù)庫在設(shè)計(jì)時，需堅(jiān)持簡潔性、一致性、可追溯性等原則，即簡化數(shù)據(jù)集成工序，減少數(shù)據(jù)庫關(guān)聯(lián)關(guān)系，進(jìn)而在煤層、礦區(qū)、瓦斯、采掘作業(yè)等基礎(chǔ)信息采集后，便于各子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫，同步儲存、更新內(nèi)部預(yù)測信息［6］。數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)堅(jiān)持追溯性的目的是在災(zāi)害預(yù)測中為數(shù)據(jù)審計(jì)、協(xié)調(diào)時間頻率提供助力。

其次，監(jiān)控預(yù)警平臺。預(yù)警目標(biāo)具體包括：預(yù)測信息管理、信息發(fā)布等內(nèi)容，可實(shí)現(xiàn)災(zāi)害預(yù)測結(jié)果分析、災(zāi)害風(fēng)險定義等?？傮w流程包括：預(yù)測定義、準(zhǔn)備、災(zāi)害指標(biāo)提取、預(yù)警結(jié)果分析等，如圖2所示，其中，在預(yù)測服務(wù)平臺獲取煤與瓦斯突出災(zāi)害不信息后，相關(guān)人員可根據(jù)系統(tǒng)數(shù)據(jù)，分析災(zāi)害預(yù)測指標(biāo)、風(fēng)險等級。之后，相關(guān)技術(shù)人員、系統(tǒng)管理人員可利用預(yù)測信息管理板塊，預(yù)先定義災(zāi)害預(yù)測信息，采集預(yù)測信息。同時，梳理預(yù)測結(jié)果、災(zāi)害防控、預(yù)警信息發(fā)布等數(shù)據(jù)，并借助發(fā)布平臺、內(nèi)部局域網(wǎng)，查詢現(xiàn)有、歷史預(yù)測信息，總結(jié)煤與瓦斯突出災(zāi)害變化態(tài)勢，再通過網(wǎng)絡(luò)終端發(fā)送預(yù)測信息，向預(yù)測應(yīng)用程序推動實(shí)時災(zāi)害動態(tài)信息。

圖2 監(jiān)控預(yù)警平臺運(yùn)行流程

最后，案例分析。某礦業(yè)責(zé)任公司在開采工作中，面臨著煤與瓦斯突出災(zāi)害的威脅。該企業(yè)在前期已經(jīng)初步建立預(yù)警系統(tǒng)，但隨著大數(shù)據(jù)在各行業(yè)的滲透，為在煤與瓦斯突出災(zāi)害預(yù)測工作中，提高災(zāi)害預(yù)測信息采集的信息化水平，該企業(yè)借助異構(gòu)數(shù)據(jù)集成技術(shù)原理，升級突出災(zāi)害監(jiān)控預(yù)警系統(tǒng)，進(jìn)一步體現(xiàn)著異構(gòu)數(shù)據(jù)集成技術(shù)預(yù)測突出災(zāi)害的可行性［7］。

4 結(jié)語

綜上所述，隨著煤礦資源開采力度的增加，部分企業(yè)在實(shí)際開采作業(yè)中，發(fā)現(xiàn)較為突出的煤礦瓦斯問題。煤與瓦斯突出災(zāi)害作為采煤作業(yè)中，企業(yè)面臨的嚴(yán)重災(zāi)害類型。通過大數(shù)據(jù)在各行業(yè)的滲透，積極研究煤與瓦斯突出災(zāi)害預(yù)測技術(shù)，對我國突出災(zāi)害的防治意義重大，期可作為煤與瓦斯突出災(zāi)害預(yù)警系統(tǒng)的技術(shù)支撐，高效解決我國煤礦瓦斯問題。