寺河礦西井區瓦斯突出預警系統應用實踐*

左明明

(中煤科工集團沈陽研究院有限公司,遼寧 撫順 113006)

0 引言

礦井瓦斯災害防治工作是一項復雜的系統工程,涉及到多個部門,要實現綜合預警,需根據各部門的工作內容和標準,建立專業分析軟件,然后依據各專業分析軟件提供的基礎數據和判別標準進行綜合分析與判別。因此,綜合預警系統需以預警數據庫為中心,以預警處理規則為核心。

煤與瓦斯突出是一種井下生產的自然災害,會造成人員傷亡和財產損失[1-2]。王麒翔[3]從防突預警系統的結構、指標考察過程和典型案例3個方面對東李煤礦防突預警系統的建設應用情況進行分析考察,在考察期間,系統體現了良好的預警功能。王恩元等[4]從電磁輻射預測煤與瓦斯突出基本原理和方法、電磁輻射監測預警裝備及系統、電磁輻射預測突出現場應用3個方面對煤與瓦斯突出監測系統進行了系統分析,發現電磁輻射對工作面突出危險性、瓦斯地質及應力異常等響應較好;李鑫靈等[5]將SVM、PSO這2種算法結合構建了PSO-SVM突出預警模型,并在此基礎上融合Spark大數據平臺開發了掘進工作面突出預警系統,并將系統應用于該掘進工作面突出風險預警,運行結果表明突出預警模型測試集的預測精度為92%,系統能在工作面突出動力現象發生前22 min準確預警;李宇龍[6]對下峪口煤礦建立的突出預警系統的數據特征分析,結果顯示系統運行期間預警準確率達到了84%,實現了及時預警,提高了瓦斯防突出預警的準確率。康建寧等[7]基于采掘進度監測的突出預警方法,研制了GJJ100激光測距傳感器,開發了突出預警軟件,構建了基于采掘進度監測的突出預警系統,實現了工作面與突出易發區之間空間距離的在線監測分析和實時預警;李小明等[8]提出了新的瓦斯預警指標體系和臨界值的優選方法,通過對平舒煤礦的現場應用檢驗結果表明提前近10 h發布預警信息,預測總準確率可達83.3%,能夠快速準確且提前發布預警信息,預防事故的發生。高建成等[9]基于平煤十三煤礦己15-17煤層特征,從工作面與斷層下盤距離、工作面與應力集中區距離、軟分層厚度、煤厚變化率、日常預測、動力現象、瓦斯涌出、措施缺陷方面建立了8個突出預警指標;構建了深部礦井突出綜合預警系統,并建立了完善的保障機制;張嘉勇等[10]基于錢家營煤礦,提出了一種基于瓦斯涌出特征的預警方法,準確監測到井下瓦斯的異常現象,達到了及時預警的目的。楊宏偉等[11]針對成莊煤礦瓦斯災害特征與規律,制定瓦斯超限及突出預警指標及規則,開發預警系統,實現了瓦斯預警及管理的智能化。

在前人研究的基礎上,開發主要由工作面地質測量管理系統、工作面瓦斯地質及動態防突管理系統、瓦斯涌出量分析系統、瓦斯超限預警平臺、瓦斯突出預警平臺、集團公司瓦斯超限及預警共享平臺等部分構成的預警系統,編制相應的管理軟件,以實現礦井瓦斯地質信息的數字化管理,瓦斯涌出的實時監測,智能分析以及瓦斯突出、超限預警平臺的綜合管理。

1 瓦斯預警系統設計

瓦斯災害預警系統軟件的結構設計采用通用的C/S(Client/Server)結構和B/S(Browser/Server)結構。數據平臺采用微軟公司推出的數據管理平臺Microsoft SQL 2008R2,設計了工作面瓦斯涌出動態特征管理系統、工作面采掘進度管理系統、工作面地質測量管理系統、工作面動態防突管理系統、工作面預警管理平臺、井下數據錄入終端系統以及網站預警信息發布系統共7個系統,從而構建成瓦斯災害預警系統。預警系統總體設計如圖1所示。

圖1 預警系統總體設計Fig.1 Integrated design of early warning system

系統主要使用ARCGIS軟件和微軟公司的SQL Server 2008R2實現3層結構的GIS模式。系統總體設計框架結合C/S模式B/S模式、利用ARCGIS開發,設計出表現層、邏輯層、數據層的3層式結構,系統物理結構如圖2所示。

圖2 系統結構示意Fig.2 Structure of the system

2 瓦斯預警系統開發

2.1 工作面預警系統管理平臺

瓦斯預警系統共包括7個子系統,以工作面預警系統管理平臺為例,闡述工作面預警系統管理平臺的開發過程。

工作面瓦斯超限和突出預警是預警系統的核心,預警系統數據庫根據預警規則對錄入數據和監控數據進行自動分析,并給出工作面是否需要突出或超限預警。為了防止人為影響,該步驟是自動運行,最終在工作面預警管理平臺和各預警網站上顯示。該平臺是整個系統的一個綜合管理平臺,可以更改預警規則,查看其他系統運行、錄入情況并對預警結果進行管理。該平臺主要內容包括預警結果、預警規則設置、預警數據管理、采掘進度數據管理、傳感器數據管理、系統設置和短信管理等,具體如圖3所示。

2.2 管理平臺主要功能

2.2.1 預警結果

該功能主要包括實時預警結果和歷史預警結果查詢。預警主要通過文字、語音以及短信模式進行預報預警,實時預警是對煤礦工作面的實時情況的分析結果。預警的解除可通過對“詳細信息”中預警工作面措施的實施、評價和解除3步操作進行,具體如圖4所示。歷史預警結果查詢可通過地點、時間等對采掘工作面預警結果及其詳細信息進行查詢,如圖5所示。

圖3 工作面管理系統菜單Fig.3 Management system menu of working face

圖4 工作面管理系統菜單Fig.4 Management system menu of working face

2.2.2 預警規則設置

預警規則設置主要包括巷道預警規則設置和預警規則管理。預警規則是預警的核心內容,通過預警規則管理,用戶可修改和新增預警指標并可對其進行定量和定性化管理,由于預警指標影響著整個預警結果,所以開發時已完成指標錄入工作,一般在實際應用中使用較少。巷道預警規則設置是針對用戶根據實際情況選用不同的巷道采取不同的預警規則,除非特殊情況,一般不建議采用。

圖5 歷史預警結果查詢Fig.5 Search of historical early warning results

2.2.3 預警及采掘進度數據管理

預警數據管理功能可查詢、統計、分析井下錄入終端數據(包括瓦斯賦存、地質構造、瓦斯、通風、管理),并對錄入人員和數據進行監督。采掘進度數據管理功能是為了查詢和監督隊組進尺錄入情況。

2.2.4 傳感器管理及系統設置

傳感器管理功能查詢和管理傳感器新增和校驗情況,可監督監測中心對傳感器的管理。系統設置功能是對用戶進行隊別和班次設置,隊別管理中可添加隊組名稱、隊長、成員等,班次設置可根據用戶實際情況選用“三八制”或“四六制”。

3 寺河煤礦西井應用效果考察

截止目前,瓦斯災害預警系統已在寺河煤礦安裝、調試、試運行4個多月,情況良好,現該系統主要監測的采面為W1308和W2301工作面,掘進面為W33015巷南掘、W33011巷南掘、西二盤區北回風一巷、西區北膠、西三集中膠帶巷、西三回風二巷、W33011巷、W33015巷、W33081巷、W33085巷、西三盤區進風巷、西三盤區集中回風巷。由于工作面較多,故對產生預警的巷道或工作面,結合實際使用情況對該系統應用效果進行分析。

3.1 工作面概況

3.1.1 W23023/24巷東掘連采掘進工作面

W23023/24巷東掘連采掘進工作面地面標高+665～+830 m,工作面標高+245～+270 m。W23023/24巷單巷剩余掘進長度約為837 m(從東掘9#起至西掘2#橫川),巷道掘進過程嚴格按設計及放送的中腰線進行施工。老頂為細粒砂巖,厚度6.5 m。直接頂為粉砂巖,厚度2.15 m。偽頂為碳質泥巖,厚度0.40 m。直接底為細粒砂巖,厚度2.66 m。根據同類型巷道瓦斯含量情況預計單巷掘進時的絕對瓦斯涌出量為2.5 m3/min。工作面二氧化碳主要為人員呼吸產生,不影響正常生產作業。工作面自西向東總體呈西低東高,煤層整體傾向北西,傾角變化1°～7°,平均坡度約4°。

3.1.2 W33081/85巷掘進工作面

地面標高+620～+660 m,工作面標高+400～+450 m。W33081/85巷設計長度約為1 147.2 m,現已掘進170 m,剩余977.2 m。老頂巖性為粉砂巖,平均厚度為3.4 m。直接頂巖性為砂質泥巖,平均厚度為4.16 m。偽頂巖性為泥巖,平均厚度為0.2 m。直接底巖性為砂質泥巖,平均厚度為5.41 m。根據同類型巷道瓦斯含量情況預計單巷掘進時的瓦斯絕對涌出量為3 m3/min。工作面地質條件簡單,自西向東總體呈西高東低,煤層整體傾向北偏西,傾角變化1°～7°。

3.2 應用效果分析

瓦斯災害預警系統主要通過數據的收集、錄入和監測對煤礦瓦斯、地質構造、煤層賦存、通風和管理這5個方面進行分析,并根據相應預警規則對煤礦災害進行預警。

3.2.1 瓦斯預警分析

瓦斯預警主要是通過檢測井下瓦斯探頭數據、打鉆情況、斷電情況以及實測的瓦斯相關數據(含量、壓力、K1值、S值)等進行煤礦瓦斯預警提醒[12]。西三盤區掘進工作面在掘進過程中進行了工作面突出危險性檢測,檢測結果K1值為0.45,根據預警規則“干煤K1≥0.45”,系統判斷為突出黃色預警,經過防突小組的討論及領導同意,決定執行施工排放鉆孔排放瓦斯的措施。措施執行后,根據現場參數測定,突出危險性已經消除,解危措施有效,而后在系統中將此預警結果予以解除。

W2301工作面在9月13日啟動黃色預警,原因是工作面瓦斯含量達到了7.575 3 m3/t,滿足預警規則“瓦斯含量[min](7.5)≤W≤[max](8)m3/t”。之后通過打排放鉆孔平穩度過,經檢驗,突出危險已消除,措施有效,予以解除此項預警結果。

圖6和圖7是地勘數據壓力和含量值,由于“相對瓦斯壓力>0.74 MPa”和“瓦斯含量>8 m3/t”,故根據規則產生突出紅色預警。

3.2.2 地質構造預警分析

地質構造預警主要是對井下采掘面在生產過程中可能遇到的地質構造、圍巖變化以及采取的措施等進行檢測預警,避免盲目開采,并提示礦井相關人員對地質構造進行預警控制。西三盤區進風巷北掘工作面在10月4日掘進時系統提示黃色預警,預警原因為掘進面位置距地面鉆井48.80m,符合預警規則“地面鉆井或鉆孔(50)范圍內”,故系統判定為地質構造黃色預警。接到預警后,寺河煤礦相關工作組立即討論制定了預防措施,在過鉆井期間采用噴漿加固、加強支護的方法進行安全防護。在安全推過鉆井后,解除預警。

圖6 西一盤區瓦斯壓力預警結果Fig.6 Early warning results of gas pressure in West 1 pan area

圖7 西二盤區瓦斯含量預警結果Fig.7 Early warning results of gas pressure in West 2 pan area

W2302西段切眼在9月24日掘進到166 m時距DF9斷層距離為6.86 m,根據預警規則“距地質構造距離≤(20)m”,系統啟動突出黃色預警。接到預警后,礦上采取了加強探測和支護的措施,由于斷層還未揭露,預警信息將一直存在,直到安全推過斷層至20 m后,方可解除預警。

3.2.3 其他預警分析

煤層賦存預警是對井下采掘工作面軟分層厚度、煤層結構變化、煤層賦存異常等突出征兆進行定性和定量判斷并預警提示,以加強管理。通風預警主要是監測礦井巷道風速、風量是否滿足《煤礦安全規程》以及是否有微風、停風、風流反向等。管理預警是對井下施工、措施執行不到位等一切人為因素造成的一種超限和突出預警反應。

4 結論

(1)根據系統需求分析及開發技術,結合所選平臺的特點,對瓦斯預警系統進行總體設計與開發,并以瓦斯預警系統7個子系統中的工作面預警系統管理平臺為例,闡述了具體開發過程。

(2)分別從煤礦瓦斯、地質構造、煤層賦存、通風和管理5個方面對生產過程中產生的瓦斯預警結果進行詳細分析,探究瓦斯預警產生的原因,并采取相應的解除預警措施。

(3)通過對寺河煤礦西井的瓦斯災害預警系統進行現場應用,實踐效果表明瓦斯預警結果及時、準確、可靠,能有效指導煤礦的安全生產。