寺河矿西井区瓦斯突出预警系统应用实践*

左明明

(中煤科工集团沈阳研究院有限公司,辽宁 抚顺 113006)

0 引言

矿井瓦斯灾害防治工作是一项复杂的系统工程,涉及到多个部门,要实现综合预警,需根据各部门的工作内容和标准,建立专业分析软件,然后依据各专业分析软件提供的基础数据和判别标准进行综合分析与判别。因此,综合预警系统需以预警数据库为中心,以预警处理规则为核心。

煤与瓦斯突出是一种井下生产的自然灾害,会造成人员伤亡和财产损失[1-2]。王麒翔[3]从防突预警系统的结构、指标考察过程和典型案例3个方面对东李煤矿防突预警系统的建设应用情况进行分析考察,在考察期间,系统体现了良好的预警功能。王恩元等[4]从电磁辐射预测煤与瓦斯突出基本原理和方法、电磁辐射监测预警装备及系统、电磁辐射预测突出现场应用3个方面对煤与瓦斯突出监测系统进行了系统分析,发现电磁辐射对工作面突出危险性、瓦斯地质及应力异常等响应较好;李鑫灵等[5]将SVM、PSO这2种算法结合构建了PSO-SVM突出预警模型,并在此基础上融合Spark大数据平台开发了掘进工作面突出预警系统,并将系统应用于该掘进工作面突出风险预警,运行结果表明突出预警模型测试集的预测精度为92%,系统能在工作面突出动力现象发生前22 min准确预警;李宇龙[6]对下峪口煤矿建立的突出预警系统的数据特征分析,结果显示系统运行期间预警准确率达到了84%,实现了及时预警,提高了瓦斯防突出预警的准确率。康建宁等[7]基于采掘进度监测的突出预警方法,研制了GJJ100激光测距传感器,开发了突出预警软件,构建了基于采掘进度监测的突出预警系统,实现了工作面与突出易发区之间空间距离的在线监测分析和实时预警;李小明等[8]提出了新的瓦斯预警指标体系和临界值的优选方法,通过对平舒煤矿的现场应用检验结果表明提前近10 h发布预警信息,预测总准确率可达83.3%,能够快速准确且提前发布预警信息,预防事故的发生。高建成等[9]基于平煤十三煤矿己15-17煤层特征,从工作面与断层下盘距离、工作面与应力集中区距离、软分层厚度、煤厚变化率、日常预测、动力现象、瓦斯涌出、措施缺陷方面建立了8个突出预警指标;构建了深部矿井突出综合预警系统,并建立了完善的保障机制;张嘉勇等[10]基于钱家营煤矿,提出了一种基于瓦斯涌出特征的预警方法,准确监测到井下瓦斯的异常现象,达到了及时预警的目的。杨宏伟等[11]针对成庄煤矿瓦斯灾害特征与规律,制定瓦斯超限及突出预警指标及规则,开发预警系统,实现了瓦斯预警及管理的智能化。

在前人研究的基础上,开发主要由工作面地质测量管理系统、工作面瓦斯地质及动态防突管理系统、瓦斯涌出量分析系统、瓦斯超限预警平台、瓦斯突出预警平台、集团公司瓦斯超限及预警共享平台等部分构成的预警系统,编制相应的管理软件,以实现矿井瓦斯地质信息的数字化管理,瓦斯涌出的实时监测,智能分析以及瓦斯突出、超限预警平台的综合管理。

1 瓦斯预警系统设计

瓦斯灾害预警系统软件的结构设计采用通用的C/S(Client/Server)结构和B/S(Browser/Server)结构。数据平台采用微软公司推出的数据管理平台Microsoft SQL 2008R2,设计了工作面瓦斯涌出动态特征管理系统、工作面采掘进度管理系统、工作面地质测量管理系统、工作面动态防突管理系统、工作面预警管理平台、井下数据录入终端系统以及网站预警信息发布系统共7个系统,从而构建成瓦斯灾害预警系统。预警系统总体设计如图1所示。

图1 预警系统总体设计Fig.1 Integrated design of early warning system

系统主要使用ARCGIS软件和微软公司的SQL Server 2008R2实现3层结构的GIS模式。系统总体设计框架结合C/S模式B/S模式、利用ARCGIS开发,设计出表现层、逻辑层、数据层的3层式结构,系统物理结构如图2所示。

图2 系统结构示意Fig.2 Structure of the system

2 瓦斯预警系统开发

2.1 工作面预警系统管理平台

瓦斯预警系统共包括7个子系统,以工作面预警系统管理平台为例,阐述工作面预警系统管理平台的开发过程。

工作面瓦斯超限和突出预警是预警系统的核心,预警系统数据库根据预警规则对录入数据和监控数据进行自动分析,并给出工作面是否需要突出或超限预警。为了防止人为影响,该步骤是自动运行,最终在工作面预警管理平台和各预警网站上显示。该平台是整个系统的一个综合管理平台,可以更改预警规则,查看其他系统运行、录入情况并对预警结果进行管理。该平台主要内容包括预警结果、预警规则设置、预警数据管理、采掘进度数据管理、传感器数据管理、系统设置和短信管理等,具体如图3所示。

2.2 管理平台主要功能

2.2.1 预警结果

该功能主要包括实时预警结果和历史预警结果查询。预警主要通过文字、语音以及短信模式进行预报预警,实时预警是对煤矿工作面的实时情况的分析结果。预警的解除可通过对“详细信息”中预警工作面措施的实施、评价和解除3步操作进行,具体如图4所示。历史预警结果查询可通过地点、时间等对采掘工作面预警结果及其详细信息进行查询,如图5所示。

图3 工作面管理系统菜单Fig.3 Management system menu of working face

图4 工作面管理系统菜单Fig.4 Management system menu of working face

2.2.2 预警规则设置

预警规则设置主要包括巷道预警规则设置和预警规则管理。预警规则是预警的核心内容,通过预警规则管理,用户可修改和新增预警指标并可对其进行定量和定性化管理,由于预警指标影响着整个预警结果,所以开发时已完成指标录入工作,一般在实际应用中使用较少。巷道预警规则设置是针对用户根据实际情况选用不同的巷道采取不同的预警规则,除非特殊情况,一般不建议采用。

图5 历史预警结果查询Fig.5 Search of historical early warning results

2.2.3 预警及采掘进度数据管理

预警数据管理功能可查询、统计、分析井下录入终端数据(包括瓦斯赋存、地质构造、瓦斯、通风、管理),并对录入人员和数据进行监督。采掘进度数据管理功能是为了查询和监督队组进尺录入情况。

2.2.4 传感器管理及系统设置

传感器管理功能查询和管理传感器新增和校验情况,可监督监测中心对传感器的管理。系统设置功能是对用户进行队别和班次设置,队别管理中可添加队组名称、队长、成员等,班次设置可根据用户实际情况选用“三八制”或“四六制”。

3 寺河煤矿西井应用效果考察

截止目前,瓦斯灾害预警系统已在寺河煤矿安装、调试、试运行4个多月,情况良好,现该系统主要监测的采面为W1308和W2301工作面,掘进面为W33015巷南掘、W33011巷南掘、西二盘区北回风一巷、西区北胶、西三集中胶带巷、西三回风二巷、W33011巷、W33015巷、W33081巷、W33085巷、西三盘区进风巷、西三盘区集中回风巷。由于工作面较多,故对产生预警的巷道或工作面,结合实际使用情况对该系统应用效果进行分析。

3.1 工作面概况

3.1.1 W23023/24巷东掘连采掘进工作面

W23023/24巷东掘连采掘进工作面地面标高+665～+830 m,工作面标高+245～+270 m。W23023/24巷单巷剩余掘进长度约为837 m(从东掘9#起至西掘2#横川),巷道掘进过程严格按设计及放送的中腰线进行施工。老顶为细粒砂岩,厚度6.5 m。直接顶为粉砂岩,厚度2.15 m。伪顶为碳质泥岩,厚度0.40 m。直接底为细粒砂岩,厚度2.66 m。根据同类型巷道瓦斯含量情况预计单巷掘进时的绝对瓦斯涌出量为2.5 m3/min。工作面二氧化碳主要为人员呼吸产生,不影响正常生产作业。工作面自西向东总体呈西低东高,煤层整体倾向北西,倾角变化1°～7°,平均坡度约4°。

3.1.2 W33081/85巷掘进工作面

地面标高+620～+660 m,工作面标高+400～+450 m。W33081/85巷设计长度约为1 147.2 m,现已掘进170 m,剩余977.2 m。老顶岩性为粉砂岩,平均厚度为3.4 m。直接顶岩性为砂质泥岩,平均厚度为4.16 m。伪顶岩性为泥岩,平均厚度为0.2 m。直接底岩性为砂质泥岩,平均厚度为5.41 m。根据同类型巷道瓦斯含量情况预计单巷掘进时的瓦斯绝对涌出量为3 m3/min。工作面地质条件简单,自西向东总体呈西高东低,煤层整体倾向北偏西,倾角变化1°～7°。

3.2 应用效果分析

瓦斯灾害预警系统主要通过数据的收集、录入和监测对煤矿瓦斯、地质构造、煤层赋存、通风和管理这5个方面进行分析,并根据相应预警规则对煤矿灾害进行预警。

3.2.1 瓦斯预警分析

瓦斯预警主要是通过检测井下瓦斯探头数据、打钻情况、断电情况以及实测的瓦斯相关数据(含量、压力、K1值、S值)等进行煤矿瓦斯预警提醒[12]。西三盘区掘进工作面在掘进过程中进行了工作面突出危险性检测,检测结果K1值为0.45,根据预警规则“干煤K1≥0.45”,系统判断为突出黄色预警,经过防突小组的讨论及领导同意,决定执行施工排放钻孔排放瓦斯的措施。措施执行后,根据现场参数测定,突出危险性已经消除,解危措施有效,而后在系统中将此预警结果予以解除。

W2301工作面在9月13日启动黄色预警,原因是工作面瓦斯含量达到了7.575 3 m3/t,满足预警规则“瓦斯含量[min](7.5)≤W≤[max](8)m3/t”。之后通过打排放钻孔平稳度过,经检验,突出危险已消除,措施有效,予以解除此项预警结果。

图6和图7是地勘数据压力和含量值,由于“相对瓦斯压力>0.74 MPa”和“瓦斯含量>8 m3/t”,故根据规则产生突出红色预警。

3.2.2 地质构造预警分析

地质构造预警主要是对井下采掘面在生产过程中可能遇到的地质构造、围岩变化以及采取的措施等进行检测预警,避免盲目开采,并提示矿井相关人员对地质构造进行预警控制。西三盘区进风巷北掘工作面在10月4日掘进时系统提示黄色预警,预警原因为掘进面位置距地面钻井48.80m,符合预警规则“地面钻井或钻孔(50)范围内”,故系统判定为地质构造黄色预警。接到预警后,寺河煤矿相关工作组立即讨论制定了预防措施,在过钻井期间采用喷浆加固、加强支护的方法进行安全防护。在安全推过钻井后,解除预警。

图6 西一盘区瓦斯压力预警结果Fig.6 Early warning results of gas pressure in West 1 pan area

图7 西二盘区瓦斯含量预警结果Fig.7 Early warning results of gas pressure in West 2 pan area

W2302西段切眼在9月24日掘进到166 m时距DF9断层距离为6.86 m,根据预警规则“距地质构造距离≤(20)m”,系统启动突出黄色预警。接到预警后,矿上采取了加强探测和支护的措施,由于断层还未揭露,预警信息将一直存在,直到安全推过断层至20 m后,方可解除预警。

3.2.3 其他预警分析

煤层赋存预警是对井下采掘工作面软分层厚度、煤层结构变化、煤层赋存异常等突出征兆进行定性和定量判断并预警提示,以加强管理。通风预警主要是监测矿井巷道风速、风量是否满足《煤矿安全规程》以及是否有微风、停风、风流反向等。管理预警是对井下施工、措施执行不到位等一切人为因素造成的一种超限和突出预警反应。

4 结论

(1)根据系统需求分析及开发技术,结合所选平台的特点,对瓦斯预警系统进行总体设计与开发,并以瓦斯预警系统7个子系统中的工作面预警系统管理平台为例,阐述了具体开发过程。

(2)分别从煤矿瓦斯、地质构造、煤层赋存、通风和管理5个方面对生产过程中产生的瓦斯预警结果进行详细分析,探究瓦斯预警产生的原因,并采取相应的解除预警措施。

(3)通过对寺河煤矿西井的瓦斯灾害预警系统进行现场应用,实践效果表明瓦斯预警结果及时、准确、可靠,能有效指导煤矿的安全生产。