瓦斯抽采效果动态分元评价系统及应用

李 可，窦桂东，和 递，孔祥国，徐传玉，董春发，张 文

(1.陕西彬长小庄矿业有限公司，陕西省咸阳市，713500；2.西安科技大学安全科学与工程学院，陕西省西安市，710054)

0 引言

我国是煤炭生产和消费大国，煤炭资源的开发利用在相当长时期内仍将占据主导地位[1]。随着井下开采难度和工业需求量的增加，含瓦斯煤动力学灾害风险也在持续增加，瓦斯事故造成的煤矿事故伤亡最为严重[2-3]。瓦斯抽采是瓦斯治理的根本之道，根据应急管理部最新公布的关于修改《煤矿安全规程》文件要求，煤矿企业要进一步强化用科技手段推进高质量发展的理念[4-5]。

研究瓦斯抽采智能系统技术，可以在有效减少煤矿瓦斯事故的基础上，减少劳动力需求，大力提高工作效率，目前国内外研究学者对于矿井瓦斯抽采智能化建设进行了较多研究，王春光[6]提出了智能抽采的概念和智能抽采系统的组成，指出了智能抽采的技术难题，并对智能抽采技术进行展望；王小朋等[7]以余吾煤矿为研究对象，将该矿现有地面固定瓦斯抽采系统进行优化，建立高、低负压瓦斯抽采系统，实现矿井瓦斯分源抽采、分区治理；李红英[8]在分析玉田煤矿瓦斯抽采管网监控系统装备现状及问题的基础上，提出具有精度高、稳定性好、抽采连续性强等特点的井下瓦斯抽采管网在线监测系统；刘九员等[9]提出了井下瓦斯抽采管网在线监测系统的组成及其功能，并根据人工检测方法在晋煤集团成庄煤矿实际应用中验证了其准确性；王振锋[10]提出瓦斯抽采管路浓度自动调控预警系统的构想，建立了瓦斯抽采浓度自动调控预警系统；刘迎春[11]通过构造多层次评价指标体系，建立模糊综合评判模型，对李雅庄煤矿瓦斯抽采系统进行综合评价；徐雪战等[12]结合瓦斯抽采达标工艺流程，利用计算机编程及数据分析处理技术，重构瓦斯抽采达标数学模型，设计了一套矿井瓦斯抽采达标在线评判系统；邹立双等[13]基于瓦斯抽采基础条件，开发系统监测评价程序，构建了能够对各参数实时监测采集、分析报警的煤矿瓦斯抽采管网监控与分元评价系统。

由于煤矿井下环境恶劣，气体成分复杂，造成井下监控传感器效果不理想，使得现有研究中的瓦斯抽采评价系统在线监测评价的准确性和稳定性变差。为有效防范瓦斯事故，要重点做好精准计量、分单元自动计量、抽采效果达标评判等工作[14-16]。笔者在前人研究的基础上，提出一种瓦斯抽采效果动态分元评价系统，采用先进管道传感器精确计量，实现系统全方位实时监测，并在小庄煤矿40205工作面进行实践应用，为客观评价瓦斯抽采效果、指导煤矿安全生产以及远程监察监管提供重要依据。

1 瓦斯抽采效果分元评价系统总体架构

瓦斯抽采效果动态分元评价系统由井下瓦斯抽采精确计量系统、传输网络系统、地面服务器系统等组成。井下瓦斯抽采监控系统采用先进的循环自激式流量、温度、压力三合一传感器、管道激光甲烷传感器以及适用于低流速监测的钻孔汇流管瓦斯综合参数测定仪，实现对瓦斯钻场、评价单元、支管道、干管道、主管道等测点瓦斯浓度、流量、温度、压力等参数的准确监测，为瓦斯抽采效果评价提供依据。传输网络系统利用新建或现有传输网络，实现井下抽采系统测点数据上传，光纤环网通过环网交换机把井下网络和地面网络连通。地面监控服务器系统建立地面监控平台，部署抽采效果动态分元评价系统软件，由核心交换机把终端数据上传至监控主机和指挥平台，实现井下钻场、评价单元、工作面、采区等重要监测地点的瓦斯抽采精确计量和抽采效果动态分元评价。瓦斯抽采效果分元评价系统如图1所示。

图1 瓦斯抽采效果分元评价系统示意

整个系统开始运行工作时，首先根据矿井信息判别矿井类型，对现场工作面基础参数和抽采设备工艺参数调整优化。现场施工包括钻孔瓦斯含量信息导入、测试钻孔布置效果、明确工作面瓦斯含量测点分布及预测结果，根据工作面抽采信息采用单元划分节点完成抽采单元划分，各抽采单元依据钻孔施工信息进行均匀度评价、更新钻孔信息，由抽采单元信息评价单元划分结果。工作面抽采效果图按照单元显示，通过瓦斯日抽采量曲线图、瓦斯抽采总量、残余量饼图评估达标情况。

瓦斯抽采效果动态分元评价系统实现的主要业务目标：瓦斯抽采管网监控、准确计量、分元达标评价、涌出超前预警、抽采系统安全保护、控压抽采资源优化。

2 系统功能优势

2.1 可视化综合展示

可视化综合展示是瓦斯抽采效果分元评价系统最亮眼的特色功能，综合监控主要包括基于系统图、瓦斯抽采效果评价图等可视化实时监控，全景化展示了煤矿井下采区、工作面、评价单元、钻孔(钻场)等不同区域的瓦斯抽采效果，为实时掌握煤矿瓦斯抽采效果提供了全新的技术手段。

2.1.1 系统图可视化展示

通过系统图可视化展示方式全景呈现了煤矿井巷布置、各区域抽采系统部署和独立评价区域、工作面等瓦斯抽采效果评价情况，以不同颜色表示各类管径的抽采管路；通过关联工作面基础信息、评价信息等基础数据，实现工作面瓦斯抽采效果评价的整体直观展示。基础信息包括走向长度、煤炭储量、原始瓦斯含量、钻孔进尺长度、预抽开始时间，评价信息包括瓦斯储量、抽采比率、抽采达标量、累计抽采量、计算残余瓦斯含量。通过系统图全景化的直观展示，为煤矿全面掌握矿井各评价区域的瓦斯抽采效果及整体达标情况提供了创新型的监管监察方式，系统矿区全景如图2所示。

图2 系统矿区全景

2.1.2 工作面抽采效果可视化展示

工作面抽采效果可视化监控如图3所示。由图3可以看出，系统提供了基于三维可视化、图形、报表等不同形式的业务评价分析。根据测点业务关联、区域关联分析，对最基本的抽采单元进行计量，实现从评价单元、工作面的分元计量与动态分元评价。

图3 工作面抽采效果可视化监控

一方面，系统展示工作面抽采效果参数、工作面基础信息和瓦斯抽采效果分析曲线。工作面抽采效果参数有总储量、达标量、累计量、计算残余瓦斯含量及可解吸瓦斯含量，工作面基础信息有面积、走向长度、煤炭储量、钻孔进尺长度等，便于及时掌握工作面情况，工作面分析曲线直观展示近六周和近半年的抽采累积量的趋势情况，为及时掌握抽采规律提供参考依据。另一方面，系统也直观展示了工作面瓦斯总储量，以及当前抽采达标量、累计抽采量、抽采比率等情况，基于抽采达标评价分析模型和抽采达标预测模型，实现了工作面达标评价结果的预判。同时还对各评价单元的测点安装位置以及监测的关键参数进行可视化展示，并全景化展示各个评价单元的达标情况，通过页面下方的柱状图展示了不同工作面的瓦斯总储量、抽采达标量和累计抽采量，可有效评估当前工作面的抽采效果，便于掌握矿井整体抽采达标情况。工作面瓦斯抽采效果评价如图3右下方展示图。通过抽采效果评价图形，并根据工作面残余瓦斯含量、可解吸瓦斯含量指标将工作面瓦斯抽采达标情况划分成4个评价区间，并将工作面达标关键指标展示在对应区间，以便对工作面抽采达标效果进行直观掌握。

2.1.3 拓扑图可视化展示

拓扑图可视化直观地展示了系统设备部署的结构以及各类设备间的层级关系，如果设备出现运行异常状况，可及时定位设备故障地点，方便工作人员及时处理故障，增加的右键功能方便查看该测点异常故障/报警、报表打印、曲线分析等。

2.2 多元化智能分析

2.2.1 系统设备异常分析

瓦斯抽采效果动态分元评价系统建立有多种智能业务分析模型，包括传感器自诊断、管段异常、瓦斯涌出异常等模型。系统根据分析模型，对抽采不同类型的测点数据进行关联分析、交叉分析，及时发现设备异常、抽采系统异常，优化抽采效果。设备异常分析模型如图4所示。

图4 设备异常分析模型

2.2.2 评价单元关联曲线分析

瓦斯抽采效果动态分元评价系统可提供关联测点之间的相同或者关联参数间的实时监控和业务变化关联分析。通过在线实时比较相互关联不同监测点的相同参数，可全面了解不同监测点相同参数之间的业务逻辑关系，便于发现管段异常。

2.2.3 预抽瓦斯效果指标动态分析

瓦斯抽采效果动态分元评价系统根据工作面及评价单元的煤层瓦斯基础参数和工作面日产量等数据，实时计量瓦斯抽采数据，动态核算煤层瓦斯残余含量、可解吸量、瓦斯抽采率等关键指标，基于建立的瓦斯抽采达标模型和抽采达标预测模型，实现工作面及评价单元的预抽效果达标评判，预测抽采达标时间，为煤矿基于两个“四位一体”的防突措施管理提供依据。系统建立有多种智能业务分析模型，包括传感器自诊断、管段异常、瓦斯涌出异常、过抽异常等模型，系统根据分析模型，对抽采不同类型的测点数据进行关联分析、交叉分析。

2.2.4 预抽时间差异性分析

瓦斯抽采效果动态分元评价系统根据工作面实际情况对评价单元进行划分，支持评价单元位置信息、评价单元内钻孔预抽时间信息管理。支持录入工作面各评价单元的位置信息，位置信息包括巷道名称、开始位置和结束位置，基于位置信息实现对评价区域的划分。支持针对各评价单元录入预抽时间最长和最短钻孔信息，具体信息包括：孔号、开始时间、截止时间和截止时间的更新方式，基于预抽时间最长和最短钻孔信息，系统自动计算预抽时间差异系数，从而实现各评价单元的预抽时间差异系数动态分析和达标评判。

2.2.5 评价单元智能抽采达标分析

瓦斯抽采效果动态分元评价系统基于评价单元定义采集的评价单元坐标自动识别评价单元范围，并在工作面三维模型中进行直观展示，利用红、橙、黄、绿4种颜色动态展示各评价单元的抽采达标情况。点击评价单元，系统自动弹出评价单元关键评价指标，包括瓦斯总储量、抽采达标量、累计抽采量、计算残余含量、抽采比率、抽采评价结果和预计达标时间。基于关键评价指标，技术人员可整体掌控评价单元瓦斯治理效果。

3 工作面瓦斯预抽效果分析

小庄煤矿在40205工作面开展瓦斯抽采参数测定，根据不同煤层瓦斯赋存特征的最优钻孔布置参数[17-18]，确定适合工作面煤层赋存特点的钻孔预抽参数，通过现场观测研究试验工作面整体瓦斯预抽效果。

3.1 工作面预抽钻孔布置

小庄煤矿40205工作面预测瓦斯涌出量60.04 m3/min，为确保40205工作面的安全生产，利用2号永久瓦斯抽采系统对40205工作面进行采前预抽，设计抽采流量100 m3/min，抽采浓度30%，抽采瓦斯量30 m3/min。系统设计由矿井配套设施决定，该瓦斯抽放系统管路由地面泵站→进风立井→南总回→中央1号回风大巷→40205运输巷和回风巷直到采前预抽钻孔。回风巷每间隔1.5 m布置1个倾向预抽孔，运输巷每间隔3.0 m布置1个倾向预抽孔，孔径均为113 mm，孔深为180 m，施工预抽钻孔总数1 800个，总进尺324 000 m，预抽钻孔具体参数见表1。

表1 倾向采前预抽瓦斯钻孔

3.2 工作面瓦斯预抽效果

2020年4月1日至2021年4月15日，对40205工作面回风巷进行了采前预抽，采前预抽效果如图5和图6所示。

图5 40205工作面回风巷采前预抽瓦斯浓度、混合流量

由图5可以看出，预抽期间瓦斯浓度整体呈下降趋势，局部出现突增突降现象。预抽1～74 d期间，瓦斯浓度先下降后整体突增，基本稳定在4.6%左右；75～185 d期间，抽采浓度先突降后突增稳定在4.0%左右，最终稳定在2.5%左右，此抽采时段内，瓦斯浓度基本维持在2.0%～6.5%。混合流量与瓦斯浓度相对应，预抽浓度增加时，混合流量下降；预抽浓度下降时，混合流量上升。

由图6可以看出，整体抽采纯量趋势为先降低再上升再降低，预抽0～61 d期间，预抽纯量整体下降，之后出现突增再到缓慢增加，直到预抽110 d 时达到4.0 m3/min，预抽111～ 119 d期间骤减到2.0 m3/min，随后预抽瓦斯纯量缓慢下降。当预抽时间达到215 d时预抽纯量逐渐升高，270 d时达到最大，为4.5 m3/min左右，随后逐渐减小直至预抽结束。

图6 40205工作面回风巷采前预抽瓦斯纯量

3.3 瓦斯预抽评价系统应用

(1)在工作面现场根据不同测点瓦斯含量嵌入瓦斯含量预测模型，预测瓦斯含量分布；没有嵌入模型时，通过等值线绘制；通过钻孔瓦斯含量分布划分抽采单元并编辑瓦斯抽采单元序号，求取单元平均瓦斯含量。

(2)采集系统内钻孔及管道瓦斯流量、浓度、负压、温度，阀门开度，计算钻孔/管道瓦斯纯流量、瓦斯日抽采量、累计抽采量，评价系统内呈现瓦斯抽采效果。

(3)结合钻孔均匀度评价与抽采单元计算预抽时间差异性系数，监测残余瓦斯含量、压力和可解吸瓦斯含量，对同一评价单元进行瓦斯预抽效果评价。

(4)当采掘工作面同时满足风速不超过4 m/s、回风流中瓦斯浓度低于1%时，即工作面瓦斯抽采效果达标； 矿井瓦斯抽采率满足规定时，判定矿井瓦斯抽采率达标。

(5)若抽采条件未达到要求指标，收集本工作面每日瓦斯抽采量以及煤的残余瓦斯含量、压力和未达标区域钻孔瓦斯浓度，在软件中嵌入时间序列预测模型进行数据实时(周期性)预测，得到不同周期下抽采达标时间。实时调控各管道阀门开度，观测各钻孔及管道数据，达到动态分元评价目标。

4 瓦斯抽采效果达标评价

根据《矿井瓦斯抽采达标评判细则》规定：评判测定点沿采煤工作面推进方向每间隔300～500 m布置2个。各测定点应布置在原始瓦斯含量较高、钻孔间距较大、预抽时间较短的位置，并尽可能远离预抽钻孔或与周围预抽钻孔保持等距离，且避开采掘巷道的排放范围和工作面的预抽超前距。在地质构造复杂区域适当增加测定点。故40205综放工作面由里向外共划分为5个评价单元，每个单元预抽时间差异系数均符合规定。

经计算分析和现场实测：40205工作面残存瓦斯含量最大值为1.27 m3/t，残存瓦斯压力最大值为0.13 MPa，可解析瓦斯量最大值为0.70 m3/t，各评价单元预抽效果数据见表2，预抽率均符合要求，整个工作面瓦斯预抽效果实现了达标。

表2 40205综放工作面预抽效果评价汇总

瓦斯抽采效果分元评价系统实时监测工作面抽采效果，40205工作面抽采单元评价界面如图7所示。

图7 40205工作面抽采单元评价界面

40205工作面瓦斯总储存量达3 163.40万m3,达标抽采量为1 376.95万m3，累计抽采量2 177.35万m3，瓦斯抽采单元累计抽采量均超过达标量，系统分析结论为工作面抽采已达标，和现场实测分析结果保持一致，该系统运行过程方便易用，各单元功能完善，应用效果显著，满足工程应用。

5 结论

(1)采用可视化综合展示和多元化智能分析替代传统采集数据报表和平面图形的监控方式，基于真实数据构建矿井和工作面的智能抽采达标分析模型和大数据分析体系，提出一种瓦斯抽采效果动态分元评价系统，分单元安装抽采自动计量装置，依据措施效果检验单元瓦斯抽采参数，实现系统全方位实时监测。

(2)瓦斯抽采效果动态分元评价系统依据系统设备异常分析、评价单元关联曲线分析、预抽瓦斯效果指标动态分析、预抽时间差异性分析、评价单元智能抽采达标5步分析软件平台实现瓦斯抽采管网监控、准确计量、分元达标评价、涌出超前预警、抽采系统安全保护、控压抽采资源优化。

(3)结合瓦斯预抽评价系统步骤，对小庄煤矿40205工作面瓦斯预抽情况进行分元评价，结果表明：工作面5个抽采评价单元的预抽时间差异系数均符合规定。各评价单元预抽率均符合要求，实现了整个工作面瓦斯预抽效果达标。各瓦斯抽采单元累计抽采量均超过达标量，系统分析和现场实测分析结果保持一致，该系统运行过程方便易用，各单元功能完善，应用效果显著，满足工程应用。