煤礦在線智能應急預警系統的研究與應用

劉旭東

(國家能源集團新疆能源公司 烏東煤礦，新疆 烏魯木齊 830000)

瓦斯突出事故是影響煤礦生產最嚴重的災害，經常造成嚴重的破壞或次發災害[1]。此外，隨著開采深度和強度的增加，氣體含量和氣體壓力不斷增加，加劇了爆炸的風險。瓦斯突出防治的第1步是根據突出的前體信息來判斷爆發的概率和強度。預報和預警系統的準確性對突發事故的防治起著重要作用。瓦斯突出與地質結構、吸附特性等因素密切相關[2]。通過長期和不懈的努力，來自多個國家的研究人員在了解爆發機制的基礎上，提出了各種爆發預測方法[3]。但大多采用單一指標的預測方法。然而，某一預測指標只能間接和部分地反映風險的某個方面，而不能從多個方向反映風險。因此，本文對某煤礦進行了研究，結合礦山生產過程、地質資料和200多種歷史氣體動態現象，對多源信息進行綜合分析，建立綜合預警指標系統和煤礦模型。上述多源信息包括瓦斯地質、采礦影響、每日預測、瓦斯排放、礦井壓力和抗爆破措施。此外，利用該模型建立了在線綜合系統和數據庫，進行了煤氣爆炸的預測，實現了工作面爆發危險的實時監測和智能識別。

1 瓦斯突出的影響因素

1.1 地質結構

研究表明，超過90%的顯著瓦斯爆發集中在地質構造軸線的強變形區域[4]。根據天然氣地質劃分理論對突出區域的預測表明，地質結構是控制突出的主要地質因素[5]。軟煤的厚度和煤層的瓦斯含量是預測突出區的主要地質指標。地質構造通過控制氣體的發生、煤結構的類型和結構應力狀態來控制爆發[6]。隨著煤層埋深的增加，甲烷的比例增加，氣體含量增加。以本研究所在煤礦為例，煤礦第一次爆發地點深度為390 m，80%以上的瓦斯爆炸發生在430 m以上的礦面，隨著深度的增加，瓦斯爆發強度增加，平均和最大氣體排放顯著增加，如圖1所示。

圖1 氣體排放量與爆發深度的統計關系

根據煤礦發生瓦斯突出事故統計，發現60%的噴發與地質構造(包括斷層、侵蝕帶、向斜構造)有關，如圖2所示。這意味著在一定的范圍內與地質構造的距離不同，突出的風險增加。

圖2 突出性地質構造之間的統計關系

1.2 采礦活動

采礦活動破壞原巖體的應力平衡，導致巖體內應力重新分布，從而形成應力增高區[7]。當煤層工作面處于采礦引起的應力增高區時，存在較大的突出危險，必須迅速采取措施，以消除危險。為確定采礦效應預警指標與突出危險等級的關系，需要分析相鄰層、煤層、交叉工作面的采礦影響范圍，確定預警工作面與其應力增高區的距離[8]。

1.3 礦井壓力

礦井壓力可以破壞煤體，并改變煤層孔隙斷裂結構、解吸特性和滲透性等物理特性，從而使煤體內吸附的氣體大量分解，導致氣體壓力急劇上升，為加速突出發展提供了能源。典型礦井壓力和鉆屑解吸指標K1值的變化曲線如圖3所示。由圖3可以看出，兩者的變化具有一致性。采用相關分析方法對壓力警告閾值分別為43 MPa和55 MPa的情形進行定量分析。根據最大安全原則，應該以43 MPa作為臨界礦井壓力警告值，且其精度受K1值與礦井壓力的相關性顯著影響。因此，增加每天觀察礦井壓力特性作為礦井壓力閾值警告的輔助指示器，可以提高預警系統的準確性。因為巷道底鼓、頂板下沉等是礦井壓力的結果[9]，這很大程度上反映了工作面礦井壓力。

圖3 礦井壓力與K1值之間的關系

2 煤礦在線智能應急預警系統設計

2.1 瓦斯突出預測指標

瓦斯突出預測指標的研究是預測實施的前提和基礎。根據近年來突發事故分析，存在引起瓦斯突出的2個基本來源：①工作面客觀存在的突出危險，如煤層力學性質、氣的發生、地質構造和采礦應力集中[10]；②與抗爆措施重大缺陷相關的事件，如鉆井施工中無預測實施(有效性檢查)和非標準化預測(有效檢查)。這些事件是導致瓦斯爆發的危險來源，是構成預警的主要依據。因此，根據礦山生產過程和歷史瓦斯災害特點，構建了基于瓦斯地質、采礦效應、日常預測、瓦斯排放、地面應力、預防措施6個信息方面的綜合性預警系統指標系統，如圖4所示。

圖4 綜合性預警系統指標系統

2.2 預警系統結構

預警系統服務器設置在網絡中心室，通過局域網接入氣體監測數據服務器，直接采集實時氣體監測數據。客戶端計算機分布在防爆破辦公室和大地測量部門等多個部門。該系統的物理結構如圖5所示。

圖5 預警系統物理結構

在充分考慮煤礦組織結構的基礎上，構建了地質調查管理、瓦斯地質動態分析、爆發動態管理分析、瓦斯排放動態分析(KJA)、采礦壓力監測和預警系統等子系統。除了各職能部門的日常管理工作外，各子系統還為綜合預警系統提供相應的基本數據。例如，地質勘察管理系統提供綜合預警分析的基本數據，如防預防工作面位置和基本開采參數、相鄰空間采礦部署、地質結構信息、地質鉆探信息。預警系統根據這些數據計算和檢查工作面的空間位置關系。綜合爆發預警平臺主要定制預警規則和指標參數，查詢、分析和發布預警信息。

2.3 動態安全信息數據庫

瓦斯突出預警系統是多個子系統有機組合協同運行形成的復雜系統。在預警系統運行過程中，子系統分布在不同的功能部門，分布在不同的空間位置。每個子系統的數據處理和輸出都是高度共享的；然而，每個子系統都有自己的重點。因此，動態安全信息數據庫是分布式的。數據庫(DB)存儲結構使其易于使用，并最小化數據冗余、數據丟失和混亂。動態安全信息數據庫需要存儲具有煤層氣空間特征和煤層氣發生、井工程、地質構造等雙重特征的空間對象數據，并利用開采進度、抗爆破措施、日常預測、瓦斯監測數據等非空間對象數據。因此，動態空間信息數據庫設計使用關系數據模型。根據各子系統的數據流分析，結合煤礦現場各部門的職責，設計了動態安全信息數據庫結構，將相應數據庫劃分為6個早期綜合子系統數據庫，包括預警、地質測量、氣體地質、動態防御數據庫、礦井壓力數據庫、氣體排放動態特征數據庫，存儲子系統所使用的必要數據，減少各子系統的數據訪問時間，提高運行響應速度。

動態安全信息數據庫結構如圖6所示。其中，綜合預警數據庫是其他幾個子系統數據庫的交集，存儲從其他子系統收集的基本管理信息和預警所需的相關專業信息，包括公共關系表、基本空間數據和各種子系統信息表。根據基本空間數據的物理類型和使用差異，分為地面、地下非煤層、煤層，以及相應建立的基本空間特征集。地質測量數據庫主要存儲地質測量管理子系統所需的大地測量數據，為綜合預警系統提供基本的空間坐標信息。它使用SQL Server 2008 Express作為數據庫管理系統，并通過數據同步與一個全面的警報數據庫交換數據。氣體地質數據庫主要存儲瓦斯地質分析子系統運行所需的煤層發生信息、地質勘探、放氣和基本氣體參數(壓力、含量、噴氣量等)，重點強調危險區域劃分，與綜合預警數據庫同步，提供天然氣地質信息。抗爆動態數據庫主要存儲抗爆措施設計信息、每日預測(有效檢查)鉆井施工和指標測量信息、抗爆破措施施工信息、防沖擊施工地圖信息，并通過接口和綜合預警數據庫同步實時數據傳輸。KJA數據庫用于存儲從氣體監測數據庫、氣體監測中采樣的傳感器信息，監控數據分析結果，并通過接口與綜合預警數據庫保持實時同步。礦井壓力數據庫用于存儲礦井壓力監測信息和礦井壓力觀測指數信息，以及工作面開采的時空信息，并通過接口與綜合預警數據庫保持實時同步。

圖6 動態安全信息數據庫

3 在線集成系統的應用

3.1 現場試驗地介紹

為驗證系統的準確性和有效性，選擇某大型煤礦的3號、8號煤層中的車道作為分析對象。2層煤層平均距離約為48 m，其中3號煤層厚2.34～3.05 m，平均厚2.56 m，結構簡單，煤層主要由低灰、低硫的優質無煙煤、鏡面煤、亮煤和內源性裂隙組成。其中，南八車道南側為單斜結構，呈東南走向，煤層傾角為3°～6°；中間區域為背斜結構，有1個西北軸線，傾角為2°～5°；北側為單斜結構，呈東南走向，煤層傾角為3°～10°。7212切割車道位于北側的中部，煤層主要由鏡面煤和亮煤組成，內源性裂隙發育。7212切割車道所在區域是具有東南傾向的單斜結構，煤層傾角為3°～11°。北面靠近沖洗帶，可能影響整個駕駛面的突出危險。8號煤層較為穩定，結構簡單，為無煙煤，中灰、中硫，磷含量中。煤層主要由半亮煤組成，形成了內源性裂縫。其中，北第六輔助車道南面是具有東北向軸的背斜結構，傾角為2°～7°；中間部分為斜向結構，傾角為2°～6°；北側為有西向傾向的單斜結構，傾角為3°～5°。為檢查工作面區域突出的危險性，區域測量效果試驗采用含氣量指標，指標臨界值為7 m3/t。采用工作面預測方法進行區域驗證。采用預采煤層氣區域抗爆破措施，根據主孔實際施工深度確定推進程度。超前儲量距離不小于20 m。

3.2 預警驗證

根據防爆及地質部門提供的相關資料，試驗期間南八車道產生了2大突出風險：①2013年2月2日，預測K1值達到1.28 mL/(g·min1/2)，軟層厚度為0.8 m；②2013年3月11日，顯示正常故障，軟層厚度下降0.8 m。1月30日午夜，趨勢預警階段為“橙色”，2月1日4：00，趨勢預警升級為“紅色”，2月2日8：00，狀態預警升級為“危險”，趨勢預警為“橙色”，K1預測超標時，該預警過程觸發因素為氣體排放，預警如圖7所示。預警結果準確，提前預測較好(比K1預測提前2 d)。另外，2月2日軟層厚度超過0.3 m預警閾值，預警系統從氣地質方面進入“預警”狀態，提醒有關部門加強保護。氣體排放的預測與預警曲線如圖7所示。

圖7 氣體排放的預測與預警曲線

同時，2013年3月7日8：00，趨勢預警為“橙色”，觸發因素為氣體地質，表示工作面距結構影響范圍在10 m以內；3月8日8：00趨勢預警升級為“紅色”，狀態警告為“警告”，表示工作面進入結構影響范圍；3月9日午夜，預警系統對氣體排放發出“橙色”警告；10日午夜，升級為“紅色”警告，表明氣體排放在地質構造的影響下出現異常。預警過程從氣體地質和氣體排放方面警告工作面前的突出危險。突出災害特征與理論研究和現場情況完全一致，進一步證明預警系統預測可靠。

3.3 預警結果等級分析

工作面的危險程度與天然氣地質條件、防爆破措施和工作面所在區域的采礦部署等各種因素有關。綜合預警結果從不同角度判斷工作面爆發危險，統計各種工作面。開挖過程中不同等級預警結果比例的差異可反映工作面的整體危險風險。同時，通過比較同一工作面上各類預警指標的分布，可以反映工作面的風險敏感指標。

以3號煤層南八車道、7212切割車道、8號煤層北六輔助車道為例，進行了預警效果比較分析。通過比較各工作面各級預警結果的比例，測試了預警結果的爆發危險性與實際工作面是否一致。不同工作面預警結果等級統計如圖8所示。①北六輔車道的預警結果水平明顯低于南八車道，這與實際情況完全一致，因為8號煤層的整體變質程度低于3號，且含氣量低于3號煤層。此外，3號煤礦開采對北第六車道上部分下煤層的卸壓作用大大降低了北第六輔助車道駕駛面的突出危險。②南八車道警告等級低于7212切割車道，與實際情況一致。7212切割道位于沖刷結構帶邊緣，工作面突出危險受沖刷帶影響較大。雖然7212切割車道工作面采取了更密集的防爆破措施，保持隧道速度小，但檢查期間仍有2個K1值超標，最大達到1.73 mL/(g·min1/2)。這表明，7212切割車道確實有嚴重的突出危險。可以看出，預警結果與工作面的實際危險風險一致，反映了不同工作面的總體風險。

圖8 不同工作面預警結果等級統計

4 結論

對多年來煤礦瓦斯突出的規律性、地質條件、采礦部署特點和突出預防技術進行了統計分析。根據地下實測資料，分析了瓦斯地質、采礦效應、日預測、瓦斯排放、采礦壓力以及防止新井礦工作面突出危險的方法。建立了各種因素與爆發危險的演化特征之間的關系。最后，建立了新疆煤礦煤瓦斯突出在線綜合分析預警指標系統和規則。基于指標系統和模型，結合礦山日常預防管理、地質調查管理系統、瓦斯地質動態分析系統、抗爆動態管理分析系統、氣氣排放動力學分析系統、采礦進度管理、礦井壓力監測和預警系統以及瓦斯突出綜合預警平臺，進行了自適應調整。同時，建立了綜合預警軟件系統，實現了綜合風險分析和預警功能。研究了該預測系統的應用效果。結果表明，該系統可以保證早期預警。系統連續穩定，預警結果及時準確。預警結果的準確性較高，與工作面的實際風險一致。