煤与瓦斯突出实时诊断预警系统的实践应用

杨佳丽

（同煤集团云岗矿，山西 大同 037017）

煤矿井下传统的判断煤层煤与瓦斯突出危险性的方法主要有钻屑指标法、复合指标法和R值指标法等。这些方法的主要依据是用钻屑瓦斯解吸特征来判断煤层瓦斯含量的高低和煤结构，用钻屑量来判断地应力和煤的力学性质。这些方法在以往的煤与瓦斯突出预警中发挥了积极的作用。但传统的煤与瓦斯突出预警均为接触式预测方法，存在着非连续性、非实时性、人工施工钻孔及测量误差大等缺点。基于当前高产高效矿井建设的需要，必须采用时效性、准确性更佳的预警系统。同煤集团云冈矿基于当前开采的7#和8#煤层地质实况，决定采用KJ306型煤与瓦斯突出实时诊断系统。该煤与瓦斯突出实时诊断预警系统是利用煤矿安全监控系统对突出工作面风流中的瓦斯浓度进行实时监测、分析，及时发现突出信息并发出不同级别的预警信号，是一种实时监测风流瓦斯浓度变化实现瓦斯突出预警的专家系统。数据显示，系统能在突出前1～2d发出预警信号，从而为采取综合防突措施提供了充裕的时间。本节将介绍KJ306型煤与瓦斯突出实时诊断系统（鉴定结果：属国际首创，获国家发明专利，重庆梅安森科技股份有限公司研制）在煤矿生产过程中的应用。

1 煤与瓦斯突出实时诊断预警系统的组成与原理

1.1 实时诊断预警系统的组成

KJ306煤与瓦斯突出实时诊断预警系统包括：（1）矿用瓦斯突出预警装置主机ZWT5-18Z；（2）矿用断电仪供电主机KDGl8Z或分站电源，作为装置的供电设备；（3）低浓度甲烷传感器KGJ28A，作为风流瓦斯检测传感器；（4）风速传感器GFWl5，作为风量检测传感器；（5）矿用设备开停传感器KGT30或风筒风量开关传感器GFT6，作为风机工作状态检测传感器；（6）矿用本安型报警器KXBl8，用于工作面有突出预警时发出声光报警；（7）ZWT5煤与瓦斯突出实时诊断预警系统分析软件。KJ306煤和瓦斯突出实时诊断预警系统的结构如图1所示。

图1 KJ306煤和瓦斯突出实时诊断预警系统的结构图

ZWT5瓦斯突出预警装置作为分站接入系统，可将瓦斯突出预测指标传输给地面中心站。每台ZWT5可用于一个工作面的突出预警。ZWT5瓦斯突出预警装置连接瓦斯、风速和开停传感器，其中瓦斯传感器用于检测风流中的瓦斯含量，风速和开停信号用来检测工作面风量的变化情况。ZWT5的供电可以由KDG18Z主机完成，也可以由分站电源提供。若发现危险或威胁信号，系统能立即驱动声光报警器发出不同等级的预警信号，提醒现场人员撤离，同时，地面监控中心站软件也会发出预警，通知采取相应防治突出措施。

不同型号的安全监控系统的通信协议互不兼容，ZWT5瓦斯突出预警装置能将突出预警指标M、M1、M2和M3的值转换为200～1000Hz频率信号输出，因此，对于任何型号的监控系统都能通过系统自己的分站将突出预警指标传输到地面中心站，由软件设定预警阈值，也可以通过数据联网方式传送给ZWT5专用突出预警软件。ZWT5瓦斯突出预警装置接入其他监控系统的方法如图2所示。

图2 ZWT5瓦斯突出预警装置接入其他监控系统的方法

1.2 瓦斯突出预警指标

瓦斯突出预警指标分为分指标、综合指标两种。分指标分三组，即地压、瓦斯和煤的破坏结构。各分指标中都有各自的判据，在判据中都有各自的判断临界值，并据此进行量化后得出三种因素的分指标M1、M2、M3。将分指标乘以各因素在突出过程中影响程度给予不同的权重，相加成为综合指标。瓦斯突出诊断流程如图3所示。

图3 瓦斯突出诊断流程方框图

综合指标与三个分指标之间的关系是：

式中：

C1-地压权重；

C2-瓦斯权重；

C3-煤结构权重；

M1-地压分指标；

M2-瓦斯分指标；

M3-煤结构分指标。

综合指标最大值为1，其含义为突出危险因素所占的比例。当工作面的突出危险因素超过0.5时（即达到50%时）煤层就有突出危险，M值越大，表明突出危险程度越高。为了便于管理，将突出危险程度分为两级，即威胁级和危险级。当小于0.5时，工作面的突出危险综合因素较小，还达不到发生突出所需要的基本条件，为安全状态。其划分标准见表1。

表1 综合指标（M）预警危险等级划分表

2 煤与瓦斯突出实时诊断预警系统的功能分析

煤矿安全监控系统实时采集的瓦斯数据进行过滤处理并施行实时诊断分析（当出现异常，10min后就可诊断出结果）后，诊断结果若出现危险或威胁，及时发出不同等级的预警信号，提醒工作人员采取相应防治突出措施。同时也可对工作面历史数据进行查询，诊断历史的突出危险情况。系统主要有以下几个功能。

（1）档案功能；（2）实时预测显示功能；（3）工作面预测参数设置功能；（4）系统参数设置功能；（5）ESS数据过滤功能；（6）预测工作面煤的地压活动走势；（7）预测工作面煤的破坏指标走势；（8）预测工作面煤的瓦斯倍率走势；（9）预测工作面各个状态指标走势。

3 煤与瓦斯实时预警系统的实践应用

3.1 工程概况

同煤集团云冈矿目前有两个主采煤层—7#煤层和8#煤层，均为突出危险煤层，其中7#煤层为弱突出煤层，8#煤层为强突出煤层。在采掘部署上将7#煤层作为8#煤层的保护层开采，因此，煤层瓦斯赋存特征预测及突出危险性区域预测的现场试验主要针对7#煤层17313机巷进行。

7#煤层17313工作面煤层厚度0.9～1.73m，平均1.3m，属薄煤层，结构一般单一，但在+350m以上南区西部，煤层中部夹一层厚0.1～0.6m的泥岩夹矸。该煤层厚度较稳定，除个别钻孔不可采外，其余基本全区可采。煤层灰分为22.64%，属中到高灰煤。煤层的平均瓦斯含量为18.59m3/t，煤尘爆炸指数11.92，具煤尘爆炸危险，并经鉴定为不易自燃煤层。截至2018年，7#煤层共发生突出250次，最大突出煤量为59 t，平均突出煤量为7.5 t，为弱突出危险煤层。矿井于2017年在8#轨道巷对7#煤层实测了煤层瓦斯压力，测得的瓦斯压力值为0.72MPa。

3.2 工作面突出危险性预警功能的现场试验

工作面突出危险性预警功能现场试验的目的是考察预警功能的响应特征、预警结果与矿井实际预测结果的相符性。根据云冈矿的生产现状，将试验地点选择在7#煤层17313机巷进行。

从2017年12月20日至2018年1月31日对该工作面进行了40余天的突出危险性预警现场试验。试验期间，系统共进行了14次预警报告，其中预警结果为安全状态的为12次，预警结果为威胁危险状态的为2次，无危险状态预警报告。其预警结果与传统的钻屑瓦斯解吸指标法预测结果完全相符，工作期间该工作面无突出现象发生。

从17313机巷突出参数可知煤层强度、地压变化和瓦斯含量变化的走势，为评估防治突出措施效果与合理的选用防治突出措施提供参考。从该巷道参数综合数据可推测该巷道煤层出现过薄化现象造成地压增加，煤层出现松软、突出危险增高现象，最高瓦斯浓度与日均浓度变化同步。该巷道的煤与瓦斯的治理措施效果不佳，没有达到预期的效果。

对预警结果威胁状态的2次预警情况进行钻屑瓦斯解吸指标法的对比预测，结果如下：

2018年1月29日，该工作面煤厚为1.1m，工作面打钻过程中没有出现喷孔、卡钻等动力现象。预测指标信息：（1）钻屑瓦斯解吸指标K1值：共有数据34个，最大值为0.53，临界值为0.6；（2）钻屑量S值：共有数据34个，最大值为14.5，临界值为20；（3）波峰比指标：该指标由系统根据爆破后瓦斯浓度监测数值自动计算得出，其中波峰比指标值为0.52，波宽比指标值为0.12，其临界值为≥2或≤0.5；（4）软分层厚度指标：工作面当前位置软分层厚度为42cm，其临界值为15cm。从预测结果发现，其与KJ306型煤与瓦斯突出实时诊断系统结果完全相符。

4 结语

本文对KJ306煤和瓦斯突出实时诊断预警系统的组成结构、工作原理、功能进行了分析阐述，在云冈矿7#煤层17313机巷进行了工业现场试验。现场试验考察表明，整个预警系统运行稳定可靠，基本实现了安全信息管理及瓦斯灾害的预警功能，预警结果与矿井实际预测情况相符。