高瓦斯矿井瓦斯灾害隐患排查及防控技术研究∗

王 磊

（1.中国矿业大学（北京），北京市海淀区，100083；2.国家安全生产监督管理总局，北京市东城区，100713）

高瓦斯矿井瓦斯灾害隐患排查及防控技术研究∗

王 磊1，2

（1.中国矿业大学（北京），北京市海淀区，100083；2.国家安全生产监督管理总局，北京市东城区，100713）

为实现高瓦斯矿井瓦斯灾害 “零隐患”，提出了瓦斯灾害隐患排查防控技术体系及思路方法。根据高瓦斯矿井实际情况，构建了具体瓦斯灾害隐患排查防控四级技术体系，建设了相应软、硬件结合的计算机系统，形成了高瓦斯矿井瓦斯灾害隐患排查防控技术方法。现场应用表明，瓦斯灾害隐患排查防控技术实现了瓦斯灾害隐患的动态监测、超前预判和智能防控，提升了瓦斯灾害系统性和智能化分析水平。

高瓦斯矿井 瓦斯灾害 隐患排查 瓦斯防控 动态监测 超前预测 智能防控

健全落实隐患排查、防控机制，完善隐患排查治理的自查、自报、自改系统，是消除煤矿事故隐患、遏制和预防重特大事故的有效途径。瓦斯事故是煤矿重、特大事故的罪魁祸首，相对突出矿井的瓦斯灾害治理、高瓦斯矿井的瓦斯灾害防控能力和重视程度较低。近些年，随着矿井开采深度的加深、生产规模的扩大和集约、综合机械化开采强度的增大，高瓦斯矿井的瓦斯涌出量急剧增加，瓦斯事故的发生几率也明显增加，亟需重视、提升高瓦斯矿井的瓦斯灾害防控能力。引发瓦斯事故的原因复杂多样，由多种不同因素导致，有些因素在生产过程中容易被发现，而有些因素比较隐蔽，且具有时变性和突发性，特别对于高瓦斯矿井的突发事故预测、预防机制不完善，如不通过有效技术和手段，就难以全面识别和发现。因此利用信息化、智能化技术查隐患、强防控，对高瓦斯矿井瓦斯灾害隐患进行动态监测、智能排查和超前管控显得尤为重要。

1　瓦斯灾害隐患排查及防控技术

1.1瓦斯灾害致因及现有防治技术缺陷

根据危险源理论及事故树分析，矿井存在高瓦斯区或突出危险区、地质构造影响区、瓦斯积聚区等致使瓦斯灾害发生的客观危险体或区域（第一类危险源）是灾害发生的前提条件；瓦斯灾害防治技术、措施、检查、管理上的缺陷或隐患（第二类危险源）是灾害发生的必要条件，这两类因素相互影响、共同作用，致使瓦斯灾害事故的发生。瓦斯灾害防治技术、措施、管理上的缺陷或隐患主要体现在现有的瓦斯灾害观测、检测、异常分析等多为静态、人工点式分析，不能适应井下采掘空间及客观危险环境的动态变化特征；安全监控系统仅能监测瓦斯、风速等环境以及设备状态，无法全面监测瓦斯隐患；瓦斯监控仅能简单超限报警，瓦斯涌出异常监测、预警能力不足；瓦斯巡检及隐患排查过程管控重要，但煤矿各职能部门相对独立、信息分散，无法做到及时、全面、准确掌握隐患排查过程的相关信息。

1.2隐患排查技术体系

瓦斯灾害隐患排查技术体系是有效预防瓦斯事故的关键和基础，必须科学、合理，同时与灾害防治工作紧密结合，以便维护和管理。结合我国瓦斯灾害防治技术及方法，上述瓦斯灾害致因及防治技术缺陷与矿井的瓦斯地质分析、通风网络管理、日常监测监控、瓦斯巡检及安全隐患管理等工作相关。因此，按照科学性、系统性和可行性原则，基于区域与局部、系统与细节、技术与管理、人工与监控的四结合角度，从安全信息集成、规范管理以及隐患的监测、辨识、管控等方面，建立瓦斯灾害隐患排查四级技术体系，如图1所示。

图1　技术体系架构

1.3基本思路及技术流程

瓦斯灾害隐患排查及防控，以零隐患为目标，在充分获取矿井煤层、瓦斯、地质构造、通风网络、监测监控、瓦斯巡检、静态管理隐患等信息的基础上，结合矿井瓦斯灾害发生规律，依据上述瓦斯灾害隐患排查四级技术体系，进行静态信息动态化的深入、系统管理与分析，全面查清、掌握灾害隐患的时空状态、危险程度等情况，以有效防范瓦斯事故的发生。基本技术流程如图2所示。

图2　技术流程

由图2可以看出，以矿井瓦斯灾害特征和规律相关基础资料为基础和支撑，结合煤矿安全监控系统和局域网，通过多元化的安全信息收集渠道及时、全面获取矿井安全信息；根据矿井实际情况和灾害发生规律，进行信息及时计算和处理；然后根据瓦斯灾害隐患排查技术体系，进行瓦斯灾害多级辨识、排查，再集成所有隐患信息，通过局域网、电话、手机短信等发布信息。

2　瓦斯灾害隐患排查及防控系统平台建设

山西长平煤业有限责任公司为现代化高瓦斯矿井，生产能力500万t/a。矿井地质构造发育，且随着矿井开采规模和开采深度的逐渐加大，矿井生产逐步向西南部三盘区、五盘区的高瓦斯区转移，瓦斯灾害事故也愈发严重，近些年发生的瓦斯超限事故给企业安全生产造成巨大压力的同时，也成为制约矿井高产、高效可持续发展的瓶颈。针对该矿具体瓦斯灾害条件，从隐患排查技术体系和计算机系统两方面进行了瓦斯灾害隐患排查及防控系统平台建设。

2.1四级技术体系建立

2.1.1瓦斯地质角度的区域防控体系

长平公司已开拓开采区域的实测煤层最大瓦斯含量已达15.09 m3/t，且井田内断层、褶皱、陷落柱等构造发育。2010年4月-9月，根据现场考察，4305工作面（回采长度440 m）一直处于过SF162断层的过程中，其绝对瓦斯涌出量为13.6～37.2 m3/min、相对瓦斯涌出量为3.28～7.61 m3/t；2010年10月-2011年12月，工作面过断层后，其绝对瓦斯涌出量为4.88～16.22 m3/ min、相对瓦斯涌出量为0.78～2.91 m3/t。4305工作面瓦斯涌出量受断层影响情况如图3所示。

图3　4305工作面瓦斯涌出量受断层影响

2012年6月，43061巷（4306工作面机巷）过泮河南向斜，在向斜轴部两侧的40 m范围内日常预测钻屑瓦斯解吸指标K1值明显偏高，多次超过0.5 m L/g·min1/2的临界值；巷道过向斜后K1值逐渐降至安全范围内。43061巷日常预测指标受向斜影响情况如图4所示。可见，长平公司断层、褶曲等构造对瓦斯灾害危险有显著影响。

图4　43061巷日常预测指标受向斜影响

因此，结合我国矿井瓦斯灾害发生规律，瓦斯地质区域防控体系首先对煤层瓦斯含量、瓦斯压力、瓦斯涌出量、地质构造等瓦斯地质信息进行动态化、信息化集成管理，并根据已有瓦斯及生产数据进行瓦斯涌出量智能预测，以便掌控、预测矿井瓦斯涌出量；同时，重点对工作面前方的突出危险区、地质构造影响区、区域措施未达标区等隐患区域进行动态监控，实现瓦斯地质隐患区超前掌握和及时提醒。

2.1.2通风网络监控角度的系统防控体系

长平公司采用分区式通风系统，井下工作面回采巷道的断面大、长度长，且采用两相邻巷道平行掘进方式同时掘进，通风隐患的发生可能性相当大。通风网络防控体系从通风参数实时监测、通风隐患自动监控、地面远程管控三方面构建:利用关键位置安装的风速、风压监测传感器，实时监测风速、风压等风流参数，并解算整个矿井通风网络；对通风系统风流状态、工作面通风安全状况进行动态监控，出现异常及时预警提醒；根据异常预警信息，智能辅助分析调控方案，进行井下通风系统的地面远程调控。通风网络解算是通风系统防控体系的关键，根据非稳态条件下的回路风流方程，按泰勒级数展开得出式（1）所示的回路各分支风量变化值ΔQ的计算公式，将每支巷道拟定初始风量，利用计算机按式（1）迭代计算各分支风量变化值。

式中:ΔQ——分支风量修正值，m3/s；

Ri——巷道i的摩擦风阻，Ns2/m8；

Qi——巷道i的风量，m3/s；

Q0i——初始时刻巷道i的风量，m3/s；

Ki——巷道断面系数；

ρi——巷道i内空气密度，kg/m3；

g——重力加速度，m/s2；

Zi——巷道i两端高程差，m；

Δt——巷道风量计算时间差，s；

hfi——巷道i上安装的通风机压力，Pa。

2.1.3瓦斯涌出异常实时分析角度的局部动态防控体系

瓦斯涌出动态防控的关键是根据矿井工作面采掘过程中的每个瓦斯涌出指标与实际突出危险之间的相关性和差异性，选择合适的指标进行突出危险性预测。根据瓦斯涌出特征优选方法，通过长平公司的大量考察和分析，发现瓦斯量指标Gn和解吸特征指标Dn与工作面实际突出危险性具有较优关联性，43062巷（4306工作面风巷）K1值与Gn、Dn指标变化关系如图5所示，因此确定瓦斯量指标Gn和解吸特征指标Dn为长平公司瓦斯涌出动态防控指标。

图5　43062巷K1值与Gn、Dn指标变化关系

瓦斯量指标Gn反映工作面煤体中残余瓦斯含量变化情况，瓦斯解吸指标Dn反映工作面煤体结构的变化情况，其计算式:

式中:Gn——瓦斯量指标；

Dn——瓦斯解吸指标；

Xt——第t分钟瓦斯浓度均值，%；

k——巷修期间瓦斯浓度，%；

W0——煤体瓦斯含量，m3/t；

γ——煤层密度，t/m3；

L——巷道班次掘进长度，m；

S——巷道面积，m2；

V——巷道掘进速度，m/s；

β——巷道风量系数；

a、b——瓦斯浓度、巷道掘进速度修正系数。

Gn、Dn指标利用计算机系统每1 min计算一次，当计算的Gn≥1.2或Dn≤1.1，则预测工作面有瓦斯灾害危险性。

2.1.4瓦斯巡检及隐患排查角度的隐患闭环管理体系

隐患闭环管理体系从瓦斯巡检闭环管理和安全隐患闭环管理两方面建立。瓦斯巡检为以定路线、定人员、定次数、定周期为原则的走动管理模式，对瓦检员沿着各自巡检路线的检查次数、检查结果、结果上报情况进行监控管理，保证瓦斯巡检的全覆盖、无空检、无漏检；隐患闭环管理包括瓦斯灾害相关的 “三违”、“一通三防”、机电设备、重点防控工程等隐患，进行登记、评级、处理、审核、销账的全过程闭环管理，保证所有安全生产隐患的彻底排查。

2.2计算机系统建设

计算机系统的建设包括隐患信息监测与采集、隐患管控与排查分析、隐患信息集成与发布等关键环节的搭建实现。为了充分利用现有自动化监测技术及装备，有效收集井下和掌握于各职能部门的安全隐患信息，实现瓦斯灾害隐患及时、全面管控与排查，根据长平公司KJ90监控系统和办公网的实际情况，计算机系统结构如图6所示。

构建图包括信息自动监测采集装备、煤矿监控系统、矿井办公网、中心服务器、专业管理与分析系统、隐患信息集成发布平台等。

其中，专业管理与分析系统是瓦斯灾害隐患排查及管控的关键和核心，采用组件式开发结构，以先进的三维地理信息技术为基础，根据矿井防突、通风、监控、安监等部门的工作需要和习惯，进行设计、开发，具体包括瓦斯地质动态分析系统、矿井通风网络动态监测系统、工作面瓦斯涌出异常分析系统和瓦斯巡检及安全隐患闭环管理系统，分别实现四方面的隐患排查与防控，并提供相关的瓦斯地质信息集中管理、瓦斯参数等值线自动绘制与辅助预测、瓦斯地质图自动生成与动态更新、通风数据管理与分析、通风系统二三维一体展示、巡检及隐患信息集中管理等管理与分析功能。

图6　计算机系统结构

3　试验与应用

山西长平煤业有限责任公司自此系统应用以来，总体运行稳定、反映迅速，从瓦斯地质区域防控、通风网络系统防控、瓦斯涌出动态防控、隐患闭环管理四方面实现了 “四结合”的矿井瓦斯灾害隐患动态监测、超前预判和智能防控，分析结果准确、超前性好。系统多次有效识别、捕捉了现场地质构造异常、瓦斯涌出异常等灾害隐患；实现了矿井风网全面监测、结算和巡检及隐患信息的过程跟踪和管控，杜绝了通风隐患、巡检空检、漏检和安全隐患的登记、处理不规范。同时，系统实现了矿井瓦斯地质、通风、隐患等矿井安全信息的集中管理和透明共享，提升了矿井瓦斯灾害防治的信息化、规范化和精细化。

4　结论

（1）高瓦斯矿井的瓦斯灾害防治任务及难度将日趋严重，利用先进信息化、智能化技术查隐患、强管理，实现瓦斯灾害隐患动态监测、超前预判和智能防控是有效发展方向。根据具体高瓦斯矿井的实际情况，结合瓦斯灾害影响因素及发生规律，构建了瓦斯灾害隐患排查预警四级技术体系，建立计算机系统平台，形成了软件、硬件、网络相结合的瓦斯灾害隐患排查技术方法。

（2）现场应用表明，瓦斯灾害隐患排查及防控技术从瓦斯地质区域防控、通风网络系统防控、瓦斯涌出动态防控、隐患闭环管理四方面实现了瓦斯灾害隐患有效排查与管理，提升了矿井瓦斯灾害保障能力和灾害防治工作的信息化、自动化技术水平，瓦斯灾害隐患排查及防控技术符合矿井实际瓦斯灾害特征。

［1］ 周心权，陈国新.煤矿重大瓦斯爆炸事故致因的概率分析及启示［J］.煤炭学报，2008（1）

［2］ 于不凡.煤矿瓦斯灾害防治及利用技术手册（修订版）［M］.北京:煤炭工业出版社，2005

［3］ 冯明，宫辉力，陈力.煤层瓦斯形成的构造地质条件及瓦斯灾害防治［J］.自然灾害学报，2006（2）

［4］ 申宝宏，郑行周，弯效杰.煤矿隐蔽致灾因素普查技术指南［M］.北京:煤炭工业出版社，2015

［5］ 胡千庭，赵旭生.中国煤与瓦斯突出事故现状及预防的对策建议［J］.矿业安全与环保，2012（5）

［6］ 赵旭生.煤与瓦斯突出综合预警方法研究 ［D］.青岛:山东科技大学，2012

［7］ 陈全.事故致因因素和危险源理论分析 ［J］.中国安全科学学报，2009（10）

［8］ 张子敏，张玉贵.大平煤矿特大型煤与瓦斯突出瓦斯地质分析［J］.煤炭学报，2005（2）

［9］ 张福旺.论矿井瓦斯突出防控体系的 “四道防线”［J］.中国煤炭，2010（8）

［10］ 王翰锋.高瓦斯矿井零超限瓦斯防治体系的研究与实践［J］.煤炭科学技术，2016（5）

［11］ 张庆华，文光才，邹云龙等.瓦斯涌出预警指标及其临界值优选方法［J］.矿业安全与环保，2014（1）

（责任编辑 张艳华）

Research on methane disaster elimination and control technology for high gassy mine

Wang Lei1，2
（1.China University of Mining and Technology，Beijing，Haidian，Beijing 100083，China；2.State Administration of Work Safety，Dongcheng，Beijing 100713，China）

To realize gas disaster"zero hazard potential"in high gassy mine，this paper proposed gas disaster potential elimination control technology system and its methodology.According to the fact of high gassy mine，"four-level"gas disaster potential elimination control technology system and the corresponding hardware and software computer system were established and gas disaster potential elimination control technology was formed.Field application showed that gas disaster potential elimination control technology realized dynamic monitoring，advanced anticipation and intelligent control for gas disaster potential，upgraded systematic and intelligent analysis for gas disaster to a higher level.

high gassy mine，gas disaster，potential elimination，gas prevention and control，dynamic monitoring，advanced anticipation，intelligential prevention

TD712.5

A

∗重庆市 “科技创新领军人才支持计划”（CSTCKJCXLJRC14），国家“十三五”重点研发计划（2016YFC0801404），中国煤炭科工集团有限公司科技创新基金（2013ZD002）

王磊（1976-），山东省枣庄市人，中国矿业大学（北京）在读博士研究生，现任国家安全生产监督管理总局培训教育处处长。