山西省煤矿瓦斯气象预报预警信息系统设计研究

范永玲，朱俊峰，朱金花，薛黎明，郭彩萍，裴克莉，陈红萍，白志明

(1.山西省气象服务中心，山西 太原 030002； 2.山西省晋中市气象局，山西 晋中030600； 3.中国矿业大学(北京)，北京 100083)

煤矿井下瓦斯爆炸与井上天气变化的关系密切，在瓦斯浓度与气象因子变化研究方面，国内外专家学者做了许多工作：英国对五年发生的990次瓦斯爆炸事故分析，证实有51.6%是在地面大气压急剧下降的情况下发生的；日本也推出了同样的论断；1990年代以来，我国气象专家在前人研究的基础上，注意到煤矿井下瓦斯爆炸与井上天气变化的密切关系，张明初、汪法鉴、韩虹等发现瓦斯爆炸与降压、增温、风速变化相关，与大范围天气型变化、局地垂直速度变化及地面近期局地变化等气象因子具有一定的相关性[1-4]。本文对瓦斯浓度变化与气象影响因素之间的关系进行了研究，并以山西省为例，结合中短期天气预报，通过统计计算，建立逐日瓦斯浓度预报模型，应用此模型，建立了山西省煤矿瓦斯气象预报预警信息系统。

1 瓦斯浓度变化气象影响因子的确定

根据对山西省晋中市1995～2009年煤矿重特大瓦斯爆炸事故发生时的瓦斯浓度与气象影响因子数据进行分析，发现在瓦斯爆炸事故发生当天的天气特点有两种：一种为高空为低压或槽伴随地面冷锋过境占一半；高空有槽配合的四次，都产生了小雨天气(只占20%)；另一种为从地面到高空都为高压或高脊控制，也占一半。前一种锋前降压、增温，锋后增压降温，锋前后风向转换、风速较大。后一种则是风小、增温强烈、下沉运动强。因此，根据上述天气特点，选取煤矿瓦斯的气象影响因子为如下指标：R为煤矿瓦斯浓度气象因子诱因系数；Σff-1～-2为前1～2日风速变化；Δff-1为当日与前一日风向风速的变化，以-1天(前一天)的风为准。其它日段风向量订正到方向相邻差<90°时风速为准；ΣΔT-1～-2为前1～2日气温变化；ΔP-2为前2日气压变化值；ΔΔP-2为前2日气压变化值的变动。

利用晋中市1995～2009年煤矿重特大瓦斯爆炸事故年表与天气图表资料分析，对瓦斯事故发生当天天气进行分型并对事故发生地(单站)气象要素进行逐日统计分析，得到平均瓦斯浓度，瓦斯浓度与各影响因子值及最终影响因子的确定见表1。

表1 气象因子与瓦斯浓度的相关性分析结果

从表1可看出下列特点：①发生瓦斯爆炸前2天或前2～3天的降压过程，前1～前2天增温过程，以及前1天或前1～前2天和进、出风井风流方向相反的风速加大过程是造成瓦斯爆炸的气象诱因。此三要素，简称诱因三要素。②上述三要素的变化过程，是在前述天气型下，由影响我省的具体天气条件所决定的；低压(低槽)冷锋前部造成降压增温，冷锋过境前后的风向转换、风速加大，低压到高压的转换造成风向变化；而从地面到700hPa的深厚高压控制，少云、便于地面增温，和大范围的下沉运动，加强了增温趋势。③地面的降压过程，直接影响到井下降压，使风速极低区域瓦斯泄出量增加。地面的增温过程，产生负风压，使进风量减少；而和进出风井风流相反的风速加大，直接减少了出风井的排风量，因而造成井下瓦斯超限，是爆炸形成的诱因。

因此，前一日风向风速的变化、前2天降压过程，前1～2天增温过程是瓦斯浓度变化的主要影响因素。

2 瓦斯浓度变化预报模型建立

根据上述分析，我们将采用日瓦斯浓度变化值与前24～48h变温、前48h变压以及前24h风速风向的变化进行回归分析，对前24～48h变温、前48h变压以及前24h风向风速变化进行计算，得到变温、变压、风向风速变化的序列值。将瓦斯浓度逐日变化量作为预报量，气温、气压和风向风速的变化值作为预报因子，通过多元线性回归分析，经过对晋中市1995～2009年14个事故个例资料进行分析，建立煤矿井下自然通风情况下瓦斯浓度变化(煤矿瓦斯浓度气象因子诱因系数)与气象因子相关的实时监测与预报模型，见下式。

R=0.155Δff-1+0.332ΔP-2+0.015∑ΔT-1～-2

模型中各参数含义与表1中各参数含义相同。根据当日实时气象监测资料，运用该模型，可以对煤矿瓦斯浓度变化值进行实时监测，对未来24小时瓦斯浓度变化进行预测。

3 瓦斯分色预报预警等级划分

参照中国气象局2007年6月颁布的《气象灾害预警信号发布与传播办法》，预警信号的级别依据气象灾害可能造成的危害程度、紧急程度和发展态势一般划分为四级：Ⅳ级(一般)、Ⅲ级(较重)、Ⅱ级(严重)、Ⅰ级(特别严重)，依次用蓝色、黄色、橙色和红色表示。煤矿瓦斯浓度气象因子诱因系数等级分为四级。根据煤矿瓦斯浓度气象因子诱因系数公式，对煤矿事故资料进行分析归类，建立了瓦斯分色预报预警等级划分标准，见表2。

表2 煤矿瓦斯分色预报预警

4 煤矿瓦斯气象预报预警系统框架建立

煤矿瓦斯气象预报预警系统主要包括六个模块，见图1。

图1 煤矿瓦斯预报预警系统模块划分

1)瓦斯灾害监测。根据瓦斯灾害指标库系统，结合相关数据，实现对各种灾害的实时检测，在地图上以图示的方法显示受灾地区及灾情相关信息，用户分别可以 查看省、市、县、煤矿四级受灾分布和相关受灾详情。

2)瓦斯灾害预测。根据各种灾害指标库系统结合相关数据(煤矿实时数据、煤矿分布数据、气象预报数据、气象实况数据)实现对煤矿瓦斯等级灾害的实时预测，在地图上以图示的方法显示预计受灾地区、及可能出现的灾情的相关信息，用户分别可以查看省、市、县、煤矿四级灾情分布和受灾详情。

3)在线煤矿。该部分主要是体现当前系统中，处于在线监测状态的煤矿数据量及具体分布，该部分可以为省、市、县、煤矿四级用户提供煤矿的精确地理定位和煤矿详细信息，还可以为结合电子交通图和卫星图为用户和决策者提供地理空间、时间上的与煤矿相关的空间地理信息，为决策服务提供实质性的有用性的GIS服务、为用户提供方便。

4)历史灾情查询。该部分的功能主要针对灾害的历史数据进行分析和查询，用户能够以表格的形式查询选定日期的相关灾害信息，可以方便的进行查询、分析、利用灾情数据。

5)重要气象信息发布。该部分主要是方便政府部门、各级煤管局、煤矿用户能够从该系统中实时方便地获取关于气象方面的重要信息、如暴雨(雪)、寒潮、大风(沙尘暴)、雷电、道路结冰、地质灾害气象预警信息等，该部分由气象局管理员在后台添加、发布。

6)灾害信息维护。该部分主要包括煤矿灾情维护和灾害等级设置。在煤矿灾情信息维护系统中，省级气象管理员、煤矿管理员可以进行访问和编辑。煤矿管理员可以对自己煤矿的信息加以编辑、反馈和调整；省级气象局管理员对可以对省、市、县、煤矿四级发生的灾害进行查询，如果发现数据有误可以调整相关灾害信息，系统会把修改后的数据保存在服务器上，确认无误后对灾害信息通过各种渠道(LED、WEB等)进行灾害发布。灾害等级设置系统主要是对煤矿瓦斯灾害预警等级的维护包括查询、增加等级指标、修改等级指标、删除等级指标。用户可以按照实际情况，对指标的等级、诱因系数、危险程序、发生可能、预警颜色、是否参与运算、预报提示语句进行设置、添加。可以按照实际情况，对指标的等级、诱因系数、危险程序、发生可能、预警颜色、是否参与运算、预报提示语句进行设置、修改。

5 结语

本文收集山西省历年主要矿区重大典型事故案例资料、地面气象要素资料、高空气象要素资料，对收集的资料，应用数理统计的方法，找出引起瓦斯积聚的关键气象因子，结果表明瓦斯浓度与前48小时变压值成负相关、与前24小时～前48小时变温值和前24小时风向风速的变化成正相关。

经过分析研究建立了瓦斯浓度与气象条件之间的相关关系模型，在该模型的基础上建立了山西省煤矿瓦斯气象预报预警系统，不仅为煤矿瓦斯聚集提供实时监测资料，还能够提供未来24小时瓦斯浓度预测，为减少煤矿安全生产事故的发生提供了科学的依据；系统设置的用户权限，使省、市、县、矿区4级煤矿管理部门可以根据信息系统的相关信息，提前预知瓦斯浓度的变化趋势，及时采取多种措施，加大矿井通风力度,减少瓦斯爆炸事故发生，创建了煤矿气象减灾的新手段、新方式，对地方能源安全发展具有重要意义。

[1] 汪法鉴，安龙.“4.15”瓦斯爆炸与天气条件分析[J].贵州气象，2005.29(6):39.

[2] 李春生.大同煤田北部瓦斯赋存规律[J].中国煤田地质,2001，13(12):23-24.

[3] 张明初.煤矿瓦斯爆炸与气象要素关系的分析[J].江西气象科技，1994(4):21，23.

[4] 韩虹，康中华，李胜，等.煤矿瓦斯浓度与气象因子相关分析及预报模型[J].气象科技，2006，34(12):796-797.