矿井瓦斯异常涌出防控现状及展望

2023-03-24张巨峰施式亮吴芳华张立志

煤炭工程 2023年2期

张巨峰，施式亮，鲁义，游波，吴芳华，张立志

(1.湖南科技大学资源环境与安全工程学院，湖南湘潭 411201；2.陇东学院能源工程学院，甘肃庆阳 745000)

随着我国浅部煤炭资源的大规模开发，许多矿井逐渐向深部延伸，煤层瓦斯含量和梯度越来越大[1]，瓦斯涌出量和突出危险性越来越大，经常出现瓦斯异常涌出的情况，若处理不当，可能引发瓦斯爆炸事故，给煤矿安全生产造成巨大威胁[2-4]。

近年来，一些学者对瓦斯异常涌出防治措施进行了研究，取得了一定的成果。桑朋等[5]运用微震监测技术进行了瓦斯异常涌出受采场高强度围岩活动的影响研究。孙小平等[6]统计分析了冲击地压工作面瓦斯异常涌出诱发因素，提出了防控措施。王涛等[7]运用瓦斯渗透试验和理论计算的手段分析了冲击地压作用下瓦斯异常涌出条件、原因和防治措施。随着大数据、云计算、物联网、人工智能等技术的发展，煤矿瓦斯异常涌出防控技术也得到了变革和升级，瓦斯异常涌出智能防控之策成为提升煤矿安全生产水平和智能矿山建设发展的重要环节。为此，笔者从瓦斯地质异常区探测技术、通风稀释异常瓦斯技术、瓦斯异常区抽采技术和瓦斯异常涌出应急处置等4方面梳理了已取得的研究成果和实践经验，并从动态透明瓦斯地质、多源信息瓦斯灾害智能探测技术、瓦斯异常涌出大数据挖掘技术、瓦斯异常涌出智能防控技术、瓦斯异常涌出事故机器人应急救援技术等5个方面进行了展望，以期为煤矿瓦斯异常涌出灾害治理技术提供理论依据，提高矿井灾害防控能力，减少矿山安全事故的发生。

1 瓦斯异常涌出灾害防控技术现状

1.1 瓦斯地质异常区探测技术

瓦斯异常涌出经常发生在瓦斯地质异常区，比如断层、褶皱、陷落柱等地质构造区域内，因此，进行井下采掘作业区地质异常区探测是瓦斯异常涌出防控的基础，探测采掘作业区域瓦斯地质赋存状况，并对瓦斯异常带进行预报和编录，为有针对性地开展预防措施实施提供了基础。

区域地质异常区构造的探测方法很多，无线电波透视CT是一种常用于大范围探测的常见使用手段[8]，因其使用简单、便利受到了普遍欢迎，但是，对走向断层的异常判断却显得力不从心，且仅仅使用无线电波透视CT法的分辨能力也较为有限，不能精准探测地质异常体。为了准确探测瓦斯地质异常区，综合应用直流电透视CT法和无线电波阴影法，先通过无线电波阴影法宏观上对整个区域内的异常构造进行普查，再通过直流电透视CT法对局部区域进行重点探测，综合这两种技术方法的优点对工作面瓦斯异常区域进行探测[9]，可以避免单一探测法分辨率不高的弊端。焦先军等[10]针对淮南矿区顾桥矿在两个突出煤层间的岩层掘巷瓦斯异常涌出大的难题，采用瞬变电磁法探测岩层瓦斯富集区，然后利用同位素跟踪气源法分析瓦斯涌出与巷道掘进的相关性，圈定瓦斯异常区域。为了分级分类圈定瓦斯异常区，基于区域内地质构造和瓦斯赋存特征等瓦斯地质信息，构建瓦斯地质异常区数学预测模型，建立瓦斯异常涌出预测体系[11]，较为准确地圈定了瓦斯异常区域，为瓦斯异常涌出精准防控提供技术支持。

1.2 通风稀释异常瓦斯技术

增大风量稀释瓦斯是瓦斯异常涌出治理的基础技术措施[12]。构造合理、有效的通风设施，形成稳定、可靠的通风系统，减少漏风，抑制采空区瓦斯大量涌出。强化矿井通风和瓦斯管理，制定合理可靠的控风方案，特别是掘进工作面的局部通风问题，通过设置四台风机、三个电源、两趟风筒、一个自动切换的“4321”局部供风模式，形成稳定可靠的局部供风系统，避免无计划停电停风，减少局部瓦斯聚积和瓦斯超限现象的发生。针对掘进工作面瓦斯异常区，还可以通过施工大直径瓦斯释放孔排放瓦斯，再通过工作面供风稀释排放的瓦斯，减小巷道快速掘进瓦斯异常涌出的概率。对于正在回采的采煤工作面，瓦斯异常涌出供风问题涉及因素较多，工作面合理供风至关重要，一方面，加大风量可以稀释异常涌出的瓦斯浓度，另一方面，大量供风可能导致采空区漏风加大，促进采空区遗煤氧化，加大煤炭自燃的风险，造成采空区瓦斯与煤自燃耦合出现瓦斯爆炸、爆燃等灾害事故[13，14]，给矿井安全生产造成更大威胁。

近些年来，随着现代传感、移动互联、自动控制、信息处理等技术的逐渐成熟和新工艺、新材料的广泛应用，矿井智能化通风技术得到了极大发展。运用先进的信息集成技术，进行矿井通风参数精准测定、通风网络动态智能解算、在线式通风隐患排查辨识、二三维一体化动态数图展示、异常预警及联动控制、智能设备管控等操作，实现远程自动测风无人化、区域风量远程自动调控、区域反风远程控制等功能，形成智能通风及成套装备技术体系，最终达到智能供风、精准配风、智能调节及灾变时智能预警、控灾、降灾等目的[15，16]。国内许多矿井进行了智能通风技术的探索，内蒙古雁南煤矿以数字矿山系统VRMine 5.0为平台，建立煤矿三维矿山模型和三维通风模型，进行通风网络动态分析和解算，实现了矿井智能通风[17]；山西屯兰矿将一通三防系统与实时监控系统结合，构建了智能化通风系统，实现通风网络实时在线监测、通风数据智能决策、通风设施远程控制等功能[18]；陕西韩家湾煤矿是我国典型的高产高效煤矿，一直以矿山数字化技术打造本质安全型现代化绿色矿山为目标，依托现有主要通风机监控系统、束管监测系统、光纤测温系统等监测监控系统，建成了通风在线监测及智能决策控制系统平台，构建了集通风参数精准感知、通风参数精测、通风系统在线监测与分析、风流按需分配模拟、有毒有害气体云分布与分级评价、巷道玻璃体半透明展示、通风网络能量耗散分布与分级评价、掘进工作面高浓度瓦斯排放、通风网络二三维展示为一体的智能通风辅助决策平台，实现了矿井通风智能化目标[19]。

1.3 瓦斯异常区抽采技术

基于矿井煤田地质条件，结合矿井地质构造、煤层瓦斯含量、瓦斯涌出量情况，圈定瓦斯异常区域，根据瓦斯异常区的煤层瓦斯含量和瓦斯压力进行梯级瓦斯抽采技术的实施，有针对性地解决瓦斯异常涌出情况。

在圈定的瓦斯异常区域内，以煤层瓦斯含量6m3/t和10m3/t、煤层瓦斯压力0.74MPa为临界值进行瓦斯梯级异常区域圈定。煤层瓦斯含量V<6m3/t、瓦斯压力P<0.74MPa的区域为梯级一瓦斯异常区域；煤层瓦斯含量6m3/t≤V<10m3/t、瓦斯压力P≥0.74MPa的区域为梯级二瓦斯异常区域；煤层瓦斯含量V≥10m3/t、瓦斯压力P≥0.74MPa的区域为梯级三瓦斯异常区域。依据圈定的不同梯级的瓦斯异常区域进行煤层顺层瓦斯抽采、采空区半封闭式瓦斯抽采、中位钻孔瓦斯抽采、岩石走向大直径高位钻孔瓦斯抽采、地面钻井瓦斯抽采[20]，具体不同梯级瓦斯异常区域抽采措施对照见表1。

表1 不同梯级瓦斯异常区域抽采措施对照

1.4 瓦斯异常涌出应急处置

煤炭企业牢固树立“瓦斯超限就是事故”的思想理念，当煤炭生产现场出现瓦斯异常涌出，发生瓦斯超限事故时，遵循“先停电、后撤人、再汇报”的原则，思想上高度重视，行动上绝对统一，及时采取措施处理，减少瓦斯异常涌出导致的瓦斯超限波及范围扩大，确保矿井安全生产。当采煤工作面T1瓦斯传感器达到1.5%，回风巷T2瓦斯传感器达到1%时切断工作面及其回风巷所有非本质安全性电气设备，所有工作人员撤至安全地点；当采煤工作面采煤机处瓦斯浓度达到1.5%时，切断采煤机电源；当掘进工作面综掘机处瓦斯浓度达到1.5%时，切断综掘机电源；当采煤工作面后刮板输送机机头T7、机尾T6瓦斯浓度达到1.0%时，发出声光警报，达到1.5%时，切断采煤机、转载机、前后刮板输送机、工作面照明及其回风巷所有非本质安全型电气设备电源，工作人员撤到安全地点，瓦斯检测员和安检员向煤炭企业调度室和相关部门进行汇报，具体瓦斯异常涌出预警级别、风险严重程度见表2。

表2 瓦斯异常涌出预警级别

2 瓦斯异常涌出灾害防控技术展望

纵观煤矿瓦斯异常涌出灾害防治现状，从灾害风险智能化识别、预警和防控的角度出发，未来时期内，应从以下几方面持续开展研究。

2.1 动态透明瓦斯地质

煤矿瓦斯异常区探测与圈定主要是针对影响瓦斯不均衡赋存的断层、褶皱、陷落柱等地质构造参数进行探测。透明瓦斯地质是透明地球的一个重要组成部分，核心技术在于瓦斯地质的数据挖掘和可视化空间分析。煤层瓦斯地质、瓦斯赋存规律、煤层地质等瓦斯地质透明化是瓦斯异常涌出精准防控的重要基础和环节。但是，目前煤矿瓦斯地质透明探测技术仍存在许多技术难题，地质建模软件的集成处理能力和精度不够。因此，构建瓦斯地质信息系统，采集多源、异构瓦斯地质时空海量数据，建立瓦斯地质大数据库，并对采集的大数据进行数据清洗、去噪处理和融合分析，基于可视化技术建立三维全息多尺度透明地质模型[21]，直观透视地质结构，观察瓦斯孕育演化过程，感知深部煤层瓦斯地质体，在线监测瓦斯涌出过程，实现矿井瓦斯异常涌出的在线透明全程观测和监控对于瓦斯异常涌出防控至关重要。

瓦斯地质透明化主要基于先进的煤层瓦斯参数测定和地质探测技术，融合多源信息和人工智能元素，实现瓦斯地质信息集成分析、智能解读，以及瓦斯参数测定的精准性和时效性，精准、动态、直观地展示瓦斯地质条件及其演化过程[22，23]，其透明地质条件实现的整体架构如图1所示。

图1 透明地质条件实现架构

2.2 融合多源信息的瓦斯灾害智能探测技术

近些年来，智能感知技术的迅猛发展推动着传统瓦斯地质灾害探测模式发生变革和创新，三维地震、瞬时电磁、高密度电法等多功能机器人探测、智能瓦斯灾害监测预警专家系统有待于进一步完善和推广应用。在煤矿瓦斯灾害智能探测、监测领域，基于多通道分布式传感技术构建全网式数据采集平台，通过地磁、地电、电磁等自动探测机器人获取煤矿瓦斯灾害海量监测数据[24]。

2.3 瓦斯异常涌出大数据挖掘技术

随着现代传感和监测监控技术的快速发展，煤矿瓦斯监测的相关数据呈几何级数增长，如何在复杂异构的海量瓦斯灾害相关大数据中快速挖掘、提取有效数据、清洗无效数据，是今后有待解决的关键问题。矿井瓦斯灾害治理的“人-机-环-管”四元融合映射出庞大体量的瓦斯防控的相关动态时空数据[25]，为透明瓦斯地质体提供了时空数据基础，不仅有利于煤矿瓦斯灾害大数据的批处理和流处理，还有利于高精度瓦斯异常涌出灾害预警模型的构建。

2.4 瓦斯异常涌出智能防控技术

近年来，大数据、云计算、物联网、5G技术及人工智能席卷全球，煤炭产业发展变革正在孕育，为矿井灾害智能防控提供了新的发展机遇和挑战。煤矿瓦斯异常涌出灾害防控涉及矿井通风、瓦斯高效抽采、灾害动态监测预警等特点，传统的防控手段太过依赖于经验，难以克服苛刻的前提条件和没有充分考虑时空耦合的难点。随着物联网、计算机技术和人工智能技术的高度发展，智能感知、人工免疫、生物遗传等算法技术逐渐应用到灾害风险识别和防控领域[26，27]，借鉴生物免疫的自学习、自优化、自适应等强大功能，借助北斗高精度RTK连续监测、地面雷达固定周期监测、5G移动监测、光纤发射监测等技术，实现大地万物互联的信息监测功能，基于免疫机理不仅可以构建煤矿瓦斯异常涌出动态风险识别及预警模型，实现煤矿瓦斯异常涌出的智能感知和监测，搭建基于免疫机理的瓦斯异常涌出智能防控体系架构，通过矿井井下瓦斯灾害动态监测预警、智能调风和控风、瓦斯抽采智能调控等手段，实现矿井瓦斯异常涌出自适应、自调整的智能防控功能。瓦斯异常涌出的智能防控体系如图2所示。

图2 瓦斯异常涌出智能防控体系

2.5 瓦斯异常涌出事故机器人应急救援技术

灾后应急救援对于控制灾害范围扩大、减小事故损失至关重要。煤矿瓦斯异常涌出发生后，灾害一旦失控，若遇火源，可能引发瓦斯爆炸，甚至引起煤尘二次爆炸等次生灾害事故，造成矿毁人亡的惨重事故[27]。为此，融合煤矿井下5G移动通讯网络、WiFi无线网络、多维雷达生命探测及搜寻复杂条件下人员精准定位，研发可越障、自感知、准定位的智能救援机器人，对于开展煤矿井下瓦斯事故应急救援，实现救援全程可视化全息交互具有重要意义。