煤礦三級瓦斯超限預警管理系統研究及應用

張 震

（鄭州煤炭工業（集團）有限責任公司，河南 鄭州 450042）

瓦斯事故一直是煤礦安全生產的主要威脅之一，針對瓦斯涌出問題，煤礦在規劃生產前、生產中和生產后，均建立有相應的計算標準或預測方法來評估煤層中瓦斯涌出的大小[1]。“瓦斯超限就是事故”“防超限就是防事故”的理念，是在煤炭行業安全高壓管控措施下最常見的安全生產理念之一[2]。瓦斯超限預警是一種預防瓦斯超限人工設防的一種控制措施[3-6]。針對瓦斯超限預警，目前可以分為三種：人工瓦斯超限預警、全自動瓦斯超限預警及人機一體的瓦斯超限預警。不同的預防方法各有利弊，針對不同的礦井實施不同的預警方法。

針對瓦斯超限預警技術，我國多個礦區、多位學者開展了相關領域研究。李小明[7]等提出了基于B/S、C/S 綜合架構的煤與瓦斯突出實時預警系統，在設定指標體系并依據提出的預警指標及臨界值的基礎上，可實現提前10 h 發布預警信息，預警準確率達到83.3%的效果；尹智鵬[8]等建立了瓦斯管理三級預警機制，基本采用人工的方法來實現預警，建立的預警機制有效控制了瓦斯超限事故；陳生昱[9]等針對我國的瓦斯預警方法現狀及預防方法的選擇、瓦斯預警因素的關聯性進行了分析，展望了瓦斯預警的未來發展趨勢。而針對三級瓦斯超限預警的實際操作應用的相關研究相對較少。針對此問題，本文提出了建立三級瓦斯超限預警管理（&）系統，從多個方面對瓦斯超限進行超前預防，及時從復雜的多工序交叉作業現場分析和提取有效信息，準確發布預警結果，從而快速掌握礦井瓦斯變化情況，對瓦斯異常區域進行預測預報，有效地防止了瓦斯超限、斷電現象的發生。

1 瓦斯超限預警模型研究

1.1 預警模型數據庫

數據庫建立是在預警模型建立的基礎上，對相關數據進行組織、分類，并分析、整理數據之間關聯關系，結合相應的DBMS（數據庫管理系統）設計數據庫邏輯數據結構，并轉換成物理數據結構，最后使用相應DBMS 所支持的DDL（數據庫定義語言）生成物理數據庫。基于瓦斯災害綜合預警的需要，結合礦井生產過程中安全信息特點，嚴格按照“規劃→需求分析→數據庫設計→數據庫實現”的流程，設計并建立長平礦動態安全信息數據庫。瓦斯超限預警管理系統是由多個子系統有機組合、協調運作形成的綜合系統。

基于各子系統數據流程分析，結合礦井各部門職責，將動態安全信息數據庫劃分為監控預警數據庫（KJA）、地質測量數據庫、瓦斯地質數據庫、瓦斯防治動態數據庫和瓦斯超限綜合預警數據庫5個子系統。設計動態安全信息數據庫結構如圖1。

圖1 動態安全信息數據庫結構設計

1）綜合預警數據庫

綜合預警數據庫為其他幾個子系統的交集，存儲的信息包括公共關系表、基礎空間數據、各子系統信息表等。根據基礎空間數據的物理類型、用途差異，將其分為地面、井下非煤層、煤層三類，并據此建立基礎空間要素集（表1）。

表1 長平礦動態安全信息數據庫基礎空間要素集

2）瓦斯防治數據庫和KJA 數據庫

瓦斯防治數據庫主要保存瓦斯防治措施設計信息、日常預測（效檢）鉆孔施工及指標測定信息、瓦斯防治措施施工信息、瓦斯防治施工圖件信息等，并通過接口與綜合預警數據庫進行實時數據同步。瓦斯防治數據庫關系圖如圖2。

圖2 瓦斯防治數據庫和KJA 數據量關系圖

KJA 數據庫用于保存從瓦斯監控數據庫采樣的傳感器信息、瓦斯監控信息以及監控數據分析結果等，并通過接口與綜合預警數據庫保持實時同步。

1.2 預警結果等級

根據已有瓦斯災害預警技術及成果，結合長平礦實際瓦斯災害防治技術方法，從掘進工作面、采煤工作面方面，確定不同等級的瓦斯超限預警和突出預警結果，以反映工作面突出危險程度。超限預警是對采掘工作面當前時刻井下瓦斯超限危險程度評估和警報，其預警結果劃分為“綠色”“黃色”和“紅色”三個等級。不同的預警結果等級，工作面應采取不同的瓦斯防治措施和管理方法，見表2。KJA 數據庫關系圖如圖2。

表2 預警結果等級

1.3 預警指標體系

預警系統遵循目的性、科學性、系統性、超前性和可行性原則，建立起的瓦斯超限預警系統具備多因素、多指標、在線辨識與實時預警等特征。預警指標體系研究框架如圖3 所示。

圖3 長平礦預警指標體系框架

在該框架指導下，考察確定礦井具體的預警指標及規則。在公司及礦井兩級預警管理規定的基礎上，通過對長平礦瓦斯災害影響因素的分析，形成了長平礦預警指標規則庫。長平礦瓦斯預警規則分為6 類，共78 條，通過六大方面形成規則庫模型，對工作面進入突出危險區（包括未預抽區和預抽無效區）、進入地質構造影響區、日常預測指標超標及變化趨勢異常、瓦斯涌出特征異常、瓦斯防治措施不到位等情況，將給出相應的瓦斯災害綜合預警結果。

2 瓦斯預警系統預警管理

2.1 預警流程

煤礦瓦斯預警技術是利用現代計算機技術與煤礦監測監控技術相結合，將事故理論、預警原理和煤礦瓦斯防治原理綜合運用于實際生產中，通過預警信息的收集和信息傳遞，利用計算機自動評判信息是否符合預警標準，然后根據數據庫對應的模型做出相應的反饋，從而指導現場工作[10]。具體預警技術實現流程如圖4。

圖4 煤礦瓦斯預警技術示意圖

2.2 瓦斯預警信息的收集與傳遞

瓦斯預警信息的來源主要包括兩大部分：一是來自監控探頭監測的數據；二是來自采掘工作面現場信息和各科室、區隊收集的信息。采掘工作面現場信息的收集主要由現場作業人員、瓦檢員、安檢員、防突員、班組長、驗收員及跟班干部等現場人員觀察、檢查等方式進行信息的收集和記錄。預警信息現場收集人員應在采掘工作面割煤前后及割煤過程中、預測（效檢）過程中、檢修或措施執行過程中，觀察工作面煤體結構、工作面探頭數據變化、突出預兆等情況。瓦斯檢查員、防突員將現場收集的信息及時匯報至通風部門；班組長、驗收員、跟班干部將現場收集的信息及時匯報至區隊、分管科室；安檢員將現場收集的信息及時匯報至安檢部門。

2.3 煤礦采掘工作面瓦斯預警指標體系

2.3.1 預警指標

采掘工作面的瓦斯預警系統包括以下五個方面內容：1）工作面瓦斯涌出動態特征管理；2）工作面采掘進度管理；3）工作面地質測量管理；4）工作面動態防突管理；5）工作面突出預警管理。具體內容見表3 和表4。

表3 回采工作面瓦斯預警技術指標體系

表4 掘進工作面瓦斯預警技術指標體系

2.3.2 工程應用效果

長平煤礦對瓦斯超限預警系統涉及到的部門和人員進行了責任劃分，將瓦斯超限預警辦公室設置在該礦通風部，由通風部門負責對預警管理系統進行維護和更新，綜采隊、綜掘隊及安全管理人員各司其責，對井下重點頭面進行全程密切關注。現場人員遇異常情況及時將信息傳遞至瓦斯預警辦公室，生產部門及時將采掘工作面的設計（或變更）、支護形式（或變更）、銜接安排等生產信息以書面形式報送瓦斯預警辦公室，調度室將采掘進度、重點工程情況安排等信息傳遞至瓦斯預警辦公室，地測部門將地質預測預報信息、現場鉆探信息等地質信息傳遞至瓦斯預警辦公室，通風部門將瓦斯、風量、抽放、防突、“一通三防”重點工程等信息傳遞至瓦斯預警辦公室，安檢部門要對已發布的預警信息的貫徹、落實、執行情況進行監督檢查。

三級瓦斯超限預警管理系統實施前，礦井瓦斯抽采量達到5860 萬m3，采掘面的瓦斯超限內控指標為26 次；實施后，長平礦經過近兩年的人員專題培訓和試運行后，2020 年起取得了成效，礦井瓦斯超限內控次數持續降低，截至2022 年底，瓦斯超限內控次數降低至5 次，與2019 年31 次高峰值同期相比，降低率達到83.8%。實踐證明應用三級瓦斯超限預警管理（&）系統提高了瓦斯防超限能力，減少了瓦斯超限事件。礦井近5 年的瓦斯抽采及內控瓦斯超限次數變化情況如圖5。

圖5 瓦斯抽采和瓦斯超限內控次數動態變化圖

3 結語

1）三級瓦斯超限預警管理（&）系統是預防瓦斯超限的一種預防性措施，將瓦斯超限預警分為“綠色”“黃色”“紅色”三種狀態，并對各種狀態進行定義，明確在井下施工現場預警信息的收集和傳遞程序，達到有效貫徹執行的效果。

2）針對不同作業工序、作業特點和施工人員特點，制定相應施工地點的瓦斯超限預警指標體系，明確各種預警狀態的轉變關系、預警信息發布和解除層級，是保證瓦斯超限預警得到有效控制的保證。

3）三級瓦斯超限預警管理（&）系統的應用結果表明，在瓦斯抽采量逐年增大的背景下，通過系統的有效運行，瓦斯超限內控指標由2019 年的31次高峰值降低至2022 年的5 次，瓦斯超限內控次數降低率達到83.8%，有效預防了礦井瓦斯超限事故發生，有力保障了礦井的安全生產。