掘进工作面瓦斯异常区动态监测预警技术研究

郭海滨

（霍州煤电集团河津五星煤业有限责任公司，山西 霍州 031400）

1 前言

霍州煤电集团五星矿从2013年的低瓦斯矿井过渡为高瓦斯矿井。随着五星矿进入深部开采区域，该区域地质构造逐渐变得复杂，矿井瓦斯涌出量明显增大，且局部地区存在瓦斯异常分布，而瓦斯异常区域又往往还会伴随着应力的异常集中，给矿井的瓦斯防治提出了更高的要求。对异常区域进行连续有效的监测预警是最直接有效的灾害防范措施，目前的灾害预警通常仅限于瓦斯等单一指标，且多为静态预测，较难全面地反映异常区域的灾害状态以及灾害的发展状况。因此，须对瓦斯异常区域的多参数动态预警方法进行深入的探索与研究。

2 掘进工作面瓦斯地质概况

五星矿2#煤层总厚度在5.0～5.45m之间，煤层沉积较稳定，结构复杂，含有一层夹矸。掘进工作面地质构造较为复杂，主要表现为断裂构造。根据探测结果，该区域内较大的断层主要有6条，落差均在5m左右，预测工作面区域小断层较发育，断层及其附近区域的煤岩体节理发育、破碎，对工作面掘进影响较大。掘进工作面处于瓦斯地质单元V内，属于高瓦斯涌出区，同时工作面内存在局部瓦斯异常区域，瓦斯压力较大，在现有的瓦斯治理措施下，掘进面在推进过程中时常出现瓦斯超限，实际工作中需要加强工作面的动态监测，做好瓦斯灾害的预警与防治。

3 掘进工作面灾害动态监测预警系统的实践应用

3.1 多参数指标的选取及其监测技术原理

要实现对矿井灾害的有效预警，需要对矿井环境参数进行有效的监测，并通过监测信息进行灾害特征的有效识别，进而提出防范措施。对于矿井环境参数的监测，主要有接触式和非接触式两类。接触式主要通过监测煤层的瓦斯参数以及物理力学性质参数等方式对煤层的瓦斯及应力特征进行直接测定。非接触式主要是通过监测巷道瓦斯浓度、围岩的变形波以及煤结构等，从而间接反映煤体的瓦斯涌出情况以及应力释放状态。经分析研究特选取瓦斯浓度、地压指标、煤结构指标三种非接触式方法作为五星矿2#煤层掘进工作面动态监测预警的指标参数。

3.2 多参数动态监测预警系统的布置

由于不同区域预警指标的变化规律有较大的差别，因此基于指标参数的预警技术首先需要对区域指标参数进行有效特征提取，也要通过一段时间的监测获取该区域正常采掘工序下的参数特征，给出多参数预警指标，然后设定预警阈值进行实时监测，并结合预警结果给出预测防范措施。因此，对于五星矿2#煤层掘进工作面的动态监测预警主要由两个过程组成：试验监测阶段和实时监测阶段，而不同的监测阶段所选用的监测系统也有所差别。

（1）试验监测阶段。试验阶段的监测设备为两个独立的监测探头，探头采用内置独立电源以及数据存储装置。监测装置位于皮带巷掘进工作面，探头通过支撑杆固定安装于掘进机后20～25m处，两探头相距20m（图1）。随着向前进尺，监测探头通过更换支撑杆而不断向前移动。试验阶段监测持续5d，每天更换电源，并最终收集采集到的数据。

图1 2#煤层皮带巷掘进工作面试验监测探头布置

（2）实时监测阶段。实时监测阶段的监测系统由监测探头、探头供电电源箱、光电转换器、光电转换供电电源箱、数据终端计算机以及数据分析软件等组成。其中，监测探头将掘进工作面的甲烷浓度、地压、煤结构等掘进物理信号转换成电信号，并通过普通电缆将该电信号传输至光电转换器。光电转换器负责将传输来的电信号转换成光信号，然后将输出的光信号接入井下以太网环网，再通过五星矿的矿井监控系统（或其他系统）将该监测信号传输至地面。安装有数据分析软件的终端计算机负责接收采集上来的皮带巷掘进信号，并通过分析软件实时显示数据信号的变化情况。

系统中，监测探头与光电转化器分别采用不同电源箱进行供电，两供电电源箱型号相同，其输入电压均可以为127V、220V、380V、660V中的一种，输出电压均为18V。探头供电电源箱与光电转化供电电源箱分别负责对监测探头和光电转化器供电，供电线缆均为6芯线。探头与探头之间通过网线连接进行数据汇总，探头与光电转换器之间通过2芯线连接以实现监测数据的传输。

实时监测系统中，监测探头布置于掘进工作面后方20～25m处，并随着掘进进尺而不断向前移动。探头供电电源箱布置于井下分站l处，光电转换供电电源箱以及光电转换器布置于分站2处，数据终端服务器布置于地面监控室（图2）。其中分站与关联的声光报警器配接，可实现声光报警的功能。

图2 动态监测预警系统组成

3.3 掘进工作面灾害动态监测预警系统的结果分析

该系统在五星矿2#煤层2150工作面进行了6个月的动态监测预警。从2014年4月1日至2014年10月1日，该系统动态监测预警指标与该矿实际监测数据的适应性良好，能够起到对2#煤层2150工作面瓦斯突出的实时预警的作用。图3为4月8日至4月11日期间该系统的预警指标表现。效果分析结果表明该系统预警指标确定的可靠性和系统的稳定性。

图3 2150工作面4月8日至4月11日预警指标表现图

3.4 多参数动态监测预警技术可靠性评析

灾害预警技术的优劣，一方面体现在预测结果的准确性上，一方面体现在防治措施的可靠性上。预测的准确性不仅取决于监测原理的适用性，同时也受监测设备的可靠性影响。五星矿2#煤层掘进工作面的动态监测预警系统采用了基于瓦斯浓度与地压、煤结构等多参数同步监测方法。几个指标之间存在一定关联，因此在预警中可以相互补充，减少误判或漏判。而每一个单项指标参数在矿井监测中均有较为广泛的应用，其可靠性已经在诸多矿井中得到了验证。尽管所选用的监测设备均为按照规范要求中规定的要求进行配置，同时在入井之前需经过反复测试，合格后方可入井，但影响设备可靠性的因素有很多，在井下实际工作环境中还需要结合实际预测状态进一步验证。

该掘进工作面瓦斯异常区动态监测预警系统在五星矿进行了实践应用，系统通过识别异常特征，划分危险区域，建立瓦斯异常涌出数据库，设置灾害控制装置，并给出优化的钻孔抽采设计，进而实现从多角度控制灾害的发生，防范灾害的扩展，对保障五星矿2#煤层的安全开采起到了重要作用。

4 结论

2#煤层掘进工作面处于瓦斯地质单元V内，属于高瓦斯涌出区，同时工作面内存在局部瓦斯异常区域，在现有的瓦斯治理措施下，掘进面在推进过程中时常出现瓦斯超限，实际中需要加强工作面的动态监测预警。

基于矿井灾害监测方法原理，选取了瓦斯浓度、煤结构、地压等非接触式多参数指标作为掘进工作面的动态连续监测预警方法。同时结合工作面胶带巷掘进工作面的实际状况，分析了多参数动态监测预警系统的设备布置情况及各部分的功能。结合预警的定义给出了掘进工作面多参数动态监测预警技术的研究内容及技术路线，实践应用效果表明该动态监测和预警系统的效果非常理想。