基于煤與瓦斯突出聲電實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)的應(yīng)用研究

陳 凱 戴英健 張麗娟 李小龍

（1.四川煤礦安全監(jiān)察局安全技術(shù)中心，四川 成都610045；2.川南煤業(yè)古敘煤電有限公司，四川 瀘州646500）

0 引言

四川省煤與瓦斯突出災(zāi)害嚴(yán)重，制約著煤礦的綠色高質(zhì)量發(fā)展。由于煤與瓦斯突出監(jiān)測(cè)預(yù)警是進(jìn)行突出治理工作的前提，因此，有效可靠的煤與瓦斯突出監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)成為國(guó)內(nèi)外學(xué)者最為關(guān)心的問(wèn)題之一[1-3]。研究表明，傳統(tǒng)的接觸式煤與瓦斯突出監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)不僅施工工藝煩瑣，而且預(yù)測(cè)方法本身具有靜態(tài)性和抽檢性特征，具有極大的局限性[4-7]。近年來(lái)，隨著聲發(fā)射、電磁輻射等地球物理學(xué)方法的發(fā)展，基于聲電實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)預(yù)警技術(shù)逐漸成為煤與瓦斯突出監(jiān)測(cè)研究的趨勢(shì)和方向[8-10]。為此，本文依托石屏一礦，開(kāi)展了基于煤與瓦斯突出聲電實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)的應(yīng)用研究，為類(lèi)似礦井瓦斯突出監(jiān)測(cè)預(yù)警提供了可借鑒經(jīng)驗(yàn)。

1 工程概況

石屏一礦位于四川省瀘州市古藺縣城東，屬于煤與瓦斯突出礦井。根據(jù)石屏一礦當(dāng)前采掘部署情況和防治煤與瓦斯突出需求，選取13019上機(jī)巷掘進(jìn)工作面開(kāi)展煤與瓦斯突出聲電實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)的應(yīng)用研究。石屏一礦C19上煤層瓦斯基礎(chǔ)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 石屏一礦C19上煤層瓦斯基礎(chǔ)參數(shù)

2 聲電實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)構(gòu)成及現(xiàn)場(chǎng)施工方案

2.1 聲電實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)構(gòu)成

煤與瓦斯突出聲電實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)硬件組成包括：一臺(tái)聲電瓦斯專(zhuān)用本安型監(jiān)測(cè)分站；一臺(tái)煤巖動(dòng)力災(zāi)害聲電數(shù)據(jù)采集監(jiān)測(cè)儀、一臺(tái)聲發(fā)射傳感器、一臺(tái)電磁輻射傳感器、一個(gè)甲烷傳感器、一臺(tái)工控計(jì)算機(jī)、一臺(tái)礦用隔爆兼本安不間斷電源、若干礦用通訊阻燃電纜、專(zhuān)用轉(zhuǎn)換接頭等。

煤與瓦斯突出聲電實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)軟件組成包括：硬件通信軟件、服務(wù)器端軟件、客戶(hù)端軟件。系統(tǒng)軟件采用C#語(yǔ)言編程，后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)使用Microsoft公司的SQLServer2008編寫(xiě)，適用于Windows2000/XP/2003/Vista/Windows7/Windows7/Server2008/Server2012等操作系統(tǒng)。

2.2 現(xiàn)場(chǎng)施工方案

根據(jù)石屏一礦現(xiàn)場(chǎng)情況，工控計(jì)算機(jī)放置于監(jiān)控調(diào)度室，并接入環(huán)網(wǎng)，線纜鋪設(shè)時(shí)需遠(yuǎn)離動(dòng)力/高壓電纜100 cm以上。聲電數(shù)據(jù)采集監(jiān)測(cè)儀放置于13019上機(jī)巷回風(fēng)聯(lián)絡(luò)巷距離迎頭10 m左右位置，可懸掛于巷道頂板或幫部，進(jìn)而避開(kāi)滴水區(qū)域，且該監(jiān)測(cè)儀與聲電瓦斯專(zhuān)用本安型監(jiān)測(cè)分站通過(guò)四芯屏蔽專(zhuān)用電纜連接。

聲發(fā)射傳感器放置于13019上機(jī)巷回風(fēng)聯(lián)絡(luò)距離迎頭10~20 m范圍內(nèi)，可以直接固定在巷道幫部錨桿處；電磁輻射傳感器采用鉆孔安裝于巷幫，且電磁輻射傳感器與聲發(fā)射傳感器相距1~3 m，即在巷道幫部打一個(gè)直徑72 mm，深度0.5 m的鉆孔，將電磁輻射傳感器放入鉆孔，同時(shí)對(duì)鉆孔進(jìn)行護(hù)孔處理，從而防止鉆孔塌孔堵孔等損壞電磁輻射傳感器。甲烷傳感器安裝監(jiān)測(cè)使用礦井13019上機(jī)巷回風(fēng)聯(lián)絡(luò)迎頭處的甲烷傳感器，在工控機(jī)上安裝瓦斯數(shù)據(jù)傳輸軟件，將13019上機(jī)巷回風(fēng)聯(lián)絡(luò)迎頭處的甲烷傳感器監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸過(guò)來(lái)。圖1為石屏一礦煤與瓦斯突出聲電實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)傳感器布置示意圖。

圖1 石屏一礦煤與瓦斯突出聲電實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)傳感器布置示意圖

3 典型案例分析煤與瓦斯突出聲電實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)預(yù)警系

統(tǒng)主要監(jiān)測(cè)指標(biāo)是聲發(fā)射強(qiáng)度、電磁輻射強(qiáng)度和瓦斯?jié)舛取Ｓ捎诼暟l(fā)射傳感器和電磁輻射傳感器均是高靈敏度傳感器，且采樣頻率高，分站上傳數(shù)據(jù)間隔時(shí)間短，加上井下作業(yè)工序的影響，聲電強(qiáng)度在短時(shí)間內(nèi)可能會(huì)出現(xiàn)較大變化。為此，提出采用5點(diǎn)平均濾噪算法，對(duì)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)聲電強(qiáng)度數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)實(shí)時(shí)處理，大幅減弱聲電強(qiáng)度局部波動(dòng)程度，從而實(shí)現(xiàn)煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性聲電監(jiān)測(cè)參數(shù)前兆規(guī)律的顯現(xiàn)。

根據(jù)13019上機(jī)巷回風(fēng)聯(lián)巷掘進(jìn)過(guò)程聲電監(jiān)測(cè)強(qiáng)度和瓦斯?jié)舛鹊让舾兄笜?biāo)，選取典型預(yù)警案例分析如下：2020年6月9日20時(shí)45分左右，地面監(jiān)控中心顯示13019上機(jī)巷聯(lián)巷回風(fēng)甲烷發(fā)出報(bào)警，報(bào)警時(shí)間為20：45：32~20：53：12，報(bào)警時(shí)長(zhǎng)約7分40秒，確定為三級(jí)瓦斯超限報(bào)警事故。事故原因?yàn)?3019上機(jī)巷回風(fēng)聯(lián)巷在轉(zhuǎn)矸的過(guò)程中，迎頭左幫側(cè)片幫，造成回風(fēng)甲烷傳感器超限報(bào)警。

由圖2可知，聲發(fā)射強(qiáng)度從6月9日7：00已開(kāi)始呈逐漸增大趨勢(shì)，到6月9日11：15左右增大至177.7 mV左右，超過(guò)設(shè)定臨界值（150 mV）。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況確定當(dāng)時(shí)并沒(méi)有干擾作業(yè)，因此，可以視為根據(jù)聲發(fā)射強(qiáng)度提前8個(gè)小時(shí)進(jìn)行了瓦斯超限預(yù)警。電磁輻射強(qiáng)度從6月9日20：00開(kāi)始呈逐漸上升趨勢(shì)，一直到20：50左右達(dá)到最大值72.88 mV，雖然沒(méi)有超過(guò)臨界值，但根據(jù)動(dòng)態(tài)趨勢(shì)預(yù)警算法對(duì)該次瓦斯超限事件進(jìn)行了提前預(yù)警。

圖2 6月9日瓦斯超限前后各指標(biāo)變化

4 結(jié)語(yǔ)

（1）研究表明，煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性較高或突出發(fā)生前聲發(fā)射、電磁輻射或瓦斯參數(shù)等有異常反應(yīng)，符合一定的前兆規(guī)律特征。

（2）通過(guò)在石屏一礦13019上機(jī)巷掘進(jìn)工作面實(shí)施煤與瓦斯突出聲電實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)預(yù)警技術(shù)，表明聲電瓦斯監(jiān)測(cè)指標(biāo)（聲波強(qiáng)度、電磁強(qiáng)度、瓦斯?jié)舛群屯咚购浚┠軌驅(qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)預(yù)警。