煤矿瓦斯治理过程控制方法研究

程远平 王海锋 侯少杰

(中国矿业大学煤矿瓦斯治理国家工程研究中心,江苏省徐州市,221008)

★专题论坛——瓦斯防治 ★

煤矿瓦斯治理过程控制方法研究

程远平 王海锋 侯少杰

(中国矿业大学煤矿瓦斯治理国家工程研究中心,江苏省徐州市,221008)

为确保区域防突措施效果,提出了瓦斯治理过程系统及过程系统控制的概念,给出了区域防突措施过程系统模型,分析了3种典型的区域防突措施过程系统及特征参数,并以穿层钻孔结合顺层钻孔预抽煤层瓦斯技术为例详细介绍了瓦斯治理过程跟踪控制和节点控制方法。

煤与瓦斯突出 区域性瓦斯治理 过程控制

AbstractThis paper states the technology p rincip le of the regional conflict p revention measures in detail.A lso,this paper gives the interrelated engineering app lication method and technology Para meter.To ensure the effectsof the regional conflict p revention measure,this paper p roposes the concep t of gas treatment p rocess system m and p rocess control system,and also gave out themodel of the regional conflict p revention p rocess system.It also analyzed three typical regional conflict p revention p rocess system s.This paper introduced the method of tracking control and node controlmethod,using the borehole that combined w ith the bedding drilling p re-drainage coal gasmethod as an examp le.

Key wordscoal and gas outburst,regional gas treatment,gas treatment p rocess,p rocess management

为了保证煤矿瓦斯治理效果,需要系统掌握矿井瓦斯治理过程,并对过程系统进行有效控制。煤矿瓦斯治理过程控制以瓦斯治理过程模型分析、瓦斯治理过程特征参数及其特点分析为基础,采用适当的方法和手段来实现瓦斯治理工程施工的跟踪控制、瓦斯抽采和排放过程的跟踪控制,实现区域突出危险性预测、瓦斯治理工程施工质量验收、区域瓦斯治理效果检验、采掘条件审核等节点控制,确保过程处于稳定的受控状态,进而达到预期的瓦斯治理效果。

1 过程系统特征参数分析

1.1 特征参数的内涵分类

为了反映瓦斯治理过程系统的运行状态,从系统特征参数的含义来看,包括基础参数、施工参数和瓦斯抽采参数3类。基础参数包括空间位置、煤层赋存、地质构造、瓦斯赋存和瓦斯参数情况的描述。施工参数包括煤 (岩)巷道的设计与掘进情况、采煤工作面的设计与回采情况、钻场和钻孔的设计与施工情况的描述。瓦斯抽采参数包括瓦斯抽采流量、浓度、温度、负压等抽采情况,工作面风速、浓度、产量、绝对瓦斯涌出量、相对瓦斯涌出量情况的描述。

1.2 特征参数的时空角度分类

瓦斯治理过程是一个连续作业的时空过程,其特征参数可分为初始化参数、动态参数和节点参数3类。初始化参数是指瓦斯治理过程或子过程开始时所赋予的参数,对应前述的基础参数部分。动态参数是指随着瓦斯治理过程或子过程的进行,不断发生并记录的参数,对应前述的施工参数和瓦斯抽采参数部分。在瓦斯治理过程中,子过程或过程环节的相互连接处存在若干分支节点,它标志着上一过程环节的结束和下一过程环节的开始。当遇到分支节点时,应分析上一过程环节是否达到了预期的要求,若达到了,则进入下一环节,否则,跳转到相应的环节并循环,直至能通过该分支节点。用于分支节点分析并给出过程继续或跳转结论的信息描述称为节点参数。例如,瓦斯治理过程中的区域突出危险性预测、施工质量验收、区域瓦斯治理效果检验等均为节点参数。

初始化参数和动态参数是直接测定和记录的原始参数,它不经任何计算。节点参数则不同,它通常可由上一瓦斯治理过程环节的初始化参数和动态参数计算获得,有时需要补充少量的原始参数。

2 煤矿瓦斯治理过程的跟踪控制

2.1 跟踪控制过程

瓦斯治理过程系统包括若干过程环节和若干节点,跟踪控制的过程可分为施工参数跟踪控制、瓦斯抽采和排放参数跟踪控制、采掘工作面跟踪控制3类。

穿层钻孔结合顺层钻孔预抽煤层瓦斯技术所需要的跟踪控制过程依次包括如下6个方面。

(1)穿层钻孔预抽煤巷条带瓦斯工程施工过程。需要跟踪控制底板岩巷、钻场和穿层钻孔的施工参数,与设计参数比较,确保施工状态稳定,发现异常及时预警。

(2)穿层钻孔抽采煤巷条带瓦斯过程。需要跟踪控制瓦斯抽采和排放参数,维持其稳定状态,发现异常波动时进行预警。

(3)煤巷掘进过程。需要跟踪瓦斯抽采和排放参数,以及煤巷掘进工作面突出危险性预测或效果检验指标参数,维持其稳定状态,发现异常波动时进行预警。

(4)顺层钻孔施工过程。需要跟踪顺层钻孔的施工参数,与设计参数比较,确保施工状态稳定,发现异常及时预警。

(5)顺层钻孔抽采回采区域瓦斯过程。同穿层钻孔抽采煤巷条带瓦斯过程。

(6)工作面回采过程。需要跟踪瓦斯抽采和排放参数,以及回采工作面突出危险性预测或效果检验指标参数,维持其稳定状态,发现异常波动时进行预警。

2.2 跟踪控制方法

控制图是过程控制的重要方法之一,用于检测过程是否处于稳定的受控状态,它是煤矿瓦斯治理过程控制方法研究的基础。休哈特控制图基于统计学分析方法,将检验参数的发生时间或样本编号作为横坐标,检验参数值作为纵坐标,建立平面直角坐标系,绘制检验参数序列值及其中心线 (CL: Central Line)、上控制界限 (UCL:Upper Control Limit)和下控制界限 (LCL:Low er Control Limit)完成的。若被控过程处于受控状态,检验参数点应落在UCL和LCL之间,当检验参数点落UCL和LCL之外时,即可认为是过程处于失控状态,如图1中第28号样本就是这种情况,称之为超界异常。除了超界异常外,控制图还可能会出现趋势、链状类型的异常,如图1中11～21号样本序列和21～27号样本就分别代表了趋势异常和链状异常。

图1 休哈特控制图原理示意图

由于瓦斯治理过程的特征参数为计量值数据,应以计量值控制图为基础并进行如下3个方面的改进:(1)在同一个瓦斯治理过程环节中,控制图的中心线CL、稳态控制界限LCL和UCL不能为常量;(2)相关行业标准或文献对瓦斯治理过程中的抽采浓度、风速、风排浓度等特征参数规定了明确的临界值,它们应在控制图中得到反映;(3)瓦斯治理过程控制图除了常规控制图的控制界限,还应增加相关标准规定的临界值,控制图预警也应因此而分级,反映不同的程度的过程失控状态。

综上所述,煤矿瓦斯治理过程控制图如下。

(1)控制图中心线为检验参数序列的均值,记为CL。

(2)控制界限分三个级别,3级表示过程状态失稳,2级表示发生指标超限,1级表示发生指标严重超限且有发生事故的可能,每一级分上限和下限。反映在控制图上,3级上限、3级下限、2级上限……依次记为UCL 3、LCL 3、UCL 2、LCL 2、UCL 1、LCL1。

(3)控制图的2级和1级界限对应相关行业标准规定的临界值,若上或下控制界限无临界值要求时,不进行设置。

(4)在过程失控时,按照3级、2级、1级的顺序,预警强度依次增加。

3 煤矿瓦斯治理过程系统的节点控制

3.1 过程系统节点

节点在过程系统中是一个时间点概念,同时也是一个里程碑事件,它连接着若干过程环节,一个较大的工程过程系统通常包含很多个节点,每一个节点控制都分析和评价上一过程环节是否达到了预期的目标,只有达到预期目标才能通过,否则必须补充一定的措施,直至通过。

结合瓦斯治理过程及瓦斯治理的目标,在瓦斯治理过程中包括以下6种类型节点:(1)区域突出危险性预测; (2)瓦斯治理工程设计方案审核; (3)瓦斯治理工程的施工质量验收;(4)区域瓦斯治理措施的效果检验;(5)采掘条件审核;(6)区域防突措施效果验证。

在瓦斯治理过程系统中,6种类型的节点按如上顺序依次进行,每一个节点控制都是对其前一个过程环节的阶段性评价。其中,瓦斯治理工程的施工质量验收节点由于施工时间跨度长,因此质量验收一般不是在所有工程施工完毕后再进行,例如,底板岩巷穿层钻孔的质量验收可以在每一个钻场的钻孔施工完毕后进行,同时不影响其它钻场和钻孔的施工作业;其余5类节点则在上一个过程环节结束后进行,其节点控制的结论直接决定是否能继续下一个过程环节。由于各种瓦斯治理过程的流程不同,上述6种节点可在瓦斯治理过程中循环重复出现。

3.2 瓦斯治理过程系统节点实例

以淮北祁南煤矿713工作面瓦斯治理为例,叙述穿层钻孔预抽煤巷条带瓦斯技术过程节点的控制方法及程序,其节点包括区域突出危险性预测、设计方案审核、施工质量验收、区域瓦斯治理效果检验、掘进条件审核5个节点。

3.2.1 区域突出危险性预测节点控制方法

根据现场考察获得标高-459 m处瓦斯含量为8.0 m3/t,结合对瓦斯压力的分析,确定标高-450 m为分界线,以上为无突出危险区,以下为突出危险区。713工作面标高范围为-503～-550 m,处于突出危险区。

3.2.2 设计方案审核节点控制方法

依据《防治煤与瓦斯突出规定》第四十九条和第五十条的规定,穿层钻孔预抽煤巷条带瓦斯方案所设计的钻孔必须控制整条煤巷及两侧一定范围内的煤层,且必须布孔均匀,间距符合当前煤层抽放半径的要求。

首先,对控制范围进行考察。由穿层钻孔预抽煤巷条带瓦斯方案的设计参数可知,底板岩巷布置在距离7#煤层底板25 m的岩层中,巷道断面为圆弧拱形,净宽3 m,壁高2 m,断面积8.26 m2。在底板岩巷每隔25 m布置一个钻场,长宽高均为3 m,在713工作面机巷至开切眼位置共布置钻场32个 (编号由机巷外段向里段直到开切眼依次为1#～32#)。每个钻孔施工穿层钻孔7组 (煤层倾向),每组5个 (煤层走向),钻孔直径ø100 mm,终孔间距5 m,控制范围为35 m×25 m的矩形范围煤体。由于7#煤层倾角为3～6°,《防治煤与瓦斯突出规定》规定倾角较小煤层控制巷道两侧轮廓线外至少各15 m,该方案设计的控制范围满足《防治煤与瓦斯突出规定》的要求。其次,对钻孔间距进行审核。经对7#煤层抽放半径考察,终孔间距5 m可以满足瓦斯预抽的要求。因此,穿层钻孔预抽煤巷条带瓦斯方案审核通过。

3.2.3 施工质量验收节点控制方法

以穿层钻孔为例,根据《防治煤与瓦斯突出规定》第四十九条的规定,穿层钻孔施工质量验收主要包括控制范围、钻孔间距和钻孔深度3个方面的内容,其中钻孔深度在施工参数的跟踪中已经实现控制,这里只需考虑控制范围和钻孔间距两个方面即可。

首先,对控制范围进行验收。由施工的动态参数可计算出,1#钻场施工穿层钻孔7组,沿煤层倾向控制范围为34.8～36.2 m,每组钻孔5个,沿煤层走向控制范围为24.3～27.2 m。由设计可知该钻场的设计控制范围为35 m×25 m的矩形范围煤体。穿层钻孔终孔位置如图2所示,图中钻孔终孔设计的位置用绿色标记,施工后的位置用蓝色标记,控制范围满足《防治煤与瓦斯突出规定》的要求。

图2 713底板岩巷1#号钻场穿层钻孔终孔位置图

其次,对钻孔间距进行验收。由图2可发现,编号为2#4、3#4、4#4、4#3、5#3、6#3、6#4、5#4、5#5、4#5、3#5、2#5的穿层钻孔围成了较大的空白区域,不能满足钻孔均匀的要求。

综上所述,1#钻场控制范围合理,但存在空白区域,施工质量验收节点控制不能通过,必须向空白区域补充穿层钻孔直到该节点控制通过。

3.2.4 区域瓦斯治理效果检验节点控制方法

依据《防治煤与瓦斯突出规定》,穿层钻孔预抽煤巷条带瓦斯效果检验可采用间接计算残余瓦斯压力或瓦斯含量的方法,同时,必须保证钻孔间距合理且均匀,抽采时间较长且均衡。钻孔间距的控制在施工质量验收节点已经完成,只需考察残余瓦斯参数和抽采时间均衡性即可。

首先,对残余瓦斯含量进行计算。由施工跟踪采集参数可统计出,713底板岩巷共施工32个钻场,每个钻场控制范围总宽度 (含机巷或开切眼)为35 m(实际施工中,由于煤层产状的变化,部分钻场补充钻孔后,在倾向上的控制范围可达50 m),机巷或开切眼位于控制范围中心位置。工作面底板岩巷长度为890 m,煤层平均厚度为3.5 m,计算上穿层钻孔控制范围内的煤体体积为155750 m3。煤层原始瓦斯含量为12.3 m3/t,煤的容重为1.4 t/m3,计算出钻孔控制范围内原始瓦斯储量为268.2万 m3。由底板岩巷抽采时间段2006年10月10日～2008年6月30日内瓦斯抽采跟踪采集参数可统计出713底板岩巷的瓦斯抽采纯量为170.05万 m3。进而计算出残余瓦斯含量为4.5 m3/t,小于《防治煤与瓦斯突出规定》规定的8 m3/t。

其次,分析各个钻场瓦斯抽采时间,由施工跟踪采集参数可统计出每个钻场接入抽采管路的日期,截止2008年6月30日,抽采时间如图3所示。

图3 713底板岩巷1#～32#钻场的瓦斯抽采时间

可见,钻场抽采时间都在120 d以上,从1#～32#钻场抽采时间依次降低,考虑到煤层内巷道掘进的方向是从机巷外段向里段,最后是切眼,对应底板岩巷的钻场编号为1#到32#。机巷和开切眼掘进会为713底板岩巷里段的钻场留出更多的时间 (至少2个月以上)进行抽采,使得整体抽采时间均衡。

综上所述,穿层钻孔预抽煤巷条带瓦斯残余瓦斯参数和抽采时间均满足《防治煤与瓦斯突出规定》的要求,该节点通过。

3.2.5 掘进条件审核关键节点控制方法实例

掘进条件审核节点是工作面掘进之前的最后1个节点,用以检查是否具备安全生产条件,若不合格必须完善后才能继续,以保证采掘作业的安全。本文对该节点的研究只涉及相关瓦斯治理的内容,通常包括通风系统、瓦斯抽采系统、瓦斯监测监控系统、安全防护措施4个方面是否满足掘进工作面的需要。下面以通风系统的考核为例,来阐述该节点的控制方法。

掘进巷道的瓦斯涌出包括煤壁和采落煤两个来源,经计算,煤巷掘进时绝对瓦斯涌出量为2.02 m3/min,取工作面最高回风瓦斯浓度为0.8%,可得掘进工作面所需风量为495 m3/min。

713煤巷掘进工作面通风系统设计局扇采用双回路、双三专供电,可以实现风电、瓦斯电和主备局扇闭锁,经考察可以满足风量的需求,该节点可以通过。

3.2.6 区域措施效果验证

713机巷掘进采用钻屑指标法进行区域措施的效果验证,在工作面掘进之前,先进行了2次区域验证,区域验证的钻屑相关指标低于临界值,说明已消除了突出危险性,可以进行工作面的掘进。在巷道掘进过程中,每推进10～50 m进行不少于2次的区域验证。在整个掘进过程中,区域验证指标均低于临界指标,保证了713工作面的安全顺利掘进。

4 结束语

煤矿瓦斯治理必须坚持区域防突措施先行、局部防突措施补充的原则。为进一步提高煤矿瓦斯治理水平,加强煤矿瓦斯治理的过程管理,本文在区域防突措施的基础上,引入瓦斯治理过程控制理论,以煤矿瓦斯治理过程智能化支撑系统为手段,通过对瓦斯治理过程的跟踪控制与节点控制,确保瓦斯治理过程规范、质量合格、措施有效、管理到位,以消除煤层的突出危险性及安全生产隐患,最终实现瓦斯治理过程的规范化和程序化。及应用 [J].中国矿业大学学报,2003(5)

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(责任编辑 梁子荣)

Gas con trol technology and processmanagemen t

Cheng Yuanping,Wang Haifeng,Hou Shaojie
(National Engineering Research Center for Coal&Gas Control,China University of mining&Technology,Xuzhou,Jiangsu Province,221008,China)

A

程远平 (1962-),男,吉林集安人,博士,国家安全生产监督管理总局专家组专家,现任中国矿业大学煤矿瓦斯治理国家工程研究中心主任,安全技术及工程学科教授、博士生导师。1995年～1997年在德国Dort mund大学做访问学者,2003年在德国 Karlsruhe大学从事合作科研工作。主要研究方向为煤矿瓦斯灾害防治理论与技术、建筑火灾防护理论与技术。曾获国家科技进步二等奖2项、省部级科技进步1等奖3项、二等奖6项。