煤与瓦斯突出灾害监控预警技术研究

张亮亮

（山西汾西矿业(集团)有限责任公司双柳煤矿，山西 柳林 033300）

山西汾西矿业双柳煤矿属于高瓦斯突出矿井，随着双柳煤矿主采区域的西进，煤与瓦斯突出危险性也大大增加，煤与瓦斯突出已成为制约双柳煤矿安全、高效、高产的主要因素之一。为了有效防治煤与瓦斯突出，保障矿井的安全、高效生产，煤矿利用预警技术结合现场条件建立了双柳煤矿煤与瓦斯突出灾害监控预警系统，并进行了成功应用。

1 煤与瓦斯突出灾害监控预警系统建设

双柳煤矿煤与瓦斯突出灾害监控预警系统是依托矿井局域网平台建立的，集信息管理、专业分析和灾害预警功能为一体的煤与瓦斯突出防治辅助决策系统。该系统的结构如图1所示。

双柳煤矿煤与瓦斯突出灾害监控预警系统在硬件上以预警服务器为中心，各客户端通过局域网与服务器相连，并实现与矿井监控系统的无缝连接；在软件上以综合预警数据库和预警服务为中心，各子系统以数据库同步或实时数据交换的方式与综合预警数据库进行信息共享，预警服务根据这些信息实时分析工作面的突出危险状态和发展趋势，对煤与瓦斯突出进行实时、动态、综合预警。同时，各子系统具有独立性，可实现特定的专业分析功能。

图1 双柳煤矿煤与瓦斯突出灾害监控预警系统结构

1.1 硬件系统

双柳煤矿通风瓦斯灾害预警系统的硬件部分主要包括服务器、客户端和局域网三部分。预警服务器是整个预警系统的核心，要求存储的数据量大、处理数据速度快且能够连续工作，因此预警服务器必须具有高可靠性、高处理能力和高扩展性。双柳煤矿预警服务器采用HPDL380G6491316-AAl型标准服务器，安装于信息中心。客户端要求相对较低，采用普通办公电脑，安装于双柳煤矿地测、通风等相关业务科室。煤与瓦斯突出灾害监控预警系统服务器与客户端之间直接借助于双柳煤矿办公网进行连接。

1.2 软件系统

双柳煤矿煤与瓦斯突出灾害监控预警系统包括5个专业子系统和3个预警模块。

5个专业子系统分别为：（1）地质测量管理系统安装于地测科和生产技术科，功能为对地勘钻孔、地质构造等信息进行集中管理，对定向钻孔进行管理，为系统提供基础空间数据。（2）瓦斯地质分析系统安装于通风区和地测科，功能为对瓦斯压力、瓦斯含量、煤层厚度等瓦斯地质参数的智能预测及等值线自动生成，对突出危险区域智能划分，为系统提供瓦斯地质基础信息。（3）动态防突管理系统安装于防突区，功能为对工作面日常预测、防突措施等信息的集中管理，对防突措施参数进行智能设计及自动成图，为系统提供日常预测及防突措施缺陷方面的基础信息。（4）瓦斯涌出分析系统安装于信息中心及通风区，功能为实时从监控系统采集工作面瓦斯涌出数据，对工作面瓦斯涌出特征进行分析，对瓦斯涌出预警指标实时、动态计算及瓦斯涌出异常预警。（5）采掘进度管理系统安装于调度中心，对矿井各工作面采掘进尺进行管理，提供工作面进尺方面的基础数据。

3个预警模块为：（1）预警服务，安装于预警服务器，主要功能为实时分析预警系统获取的煤与瓦斯突出相关数据，对工作面突出危险状态及发展趋势进行分析，进行工作面煤与瓦斯突出灾害监控预警。（2）预警信息管理平台，安装于防突区及调度中心，主要功能为防突信息的集中管理与分析，预警指标体系及预警规则管理，对预警过程进行控制，以文字、颜色或声音的方式进行预警结果发布及预警报表自动生成。（3）预警网站位于预警服务器，对工作面预警信息以网页的形式进行分布。

2 预警系统运行保障体制

实时、超前、可靠的煤与瓦斯突出灾害监控预警，是以瓦斯地质、防突措施、瓦斯涌出、日常预测等基础数据和信息的及时、准确获取为前提的。为了规范对煤与瓦斯突出灾害监控预警系统的操作、维护和管理，结合预警系统要求，双柳煤矿成立了预警系统管理领导小组和预警系统管理办公室，并制定了相应的预警系统操作、维护及预警响应管理制度，同时对相关人员进行了预警系统相关培训，形成了预警系统运行保障体制，保证了预警系统的正常、稳定运行。

3 实践应用效果分析

双柳煤矿煤与瓦斯突出灾害监控预警系统建成至今，在10多个煤巷掘进工作面进行了煤与瓦斯突出灾害监控预警应用，累计保障了2000余米煤层巷道的安全掘进。该系统的成功应用，实现了对工作面突出危险的实时分析和综合预警，同时提高了矿井煤与瓦斯突出防治技术水平和管理水平。

3.1 突出预警效果分析

该系统既可对工作面瓦斯地质、采掘影响、日常预测、瓦斯涌出和措施缺陷等方面存在的突出隐患和征兆进行专项预警，又可以对各方面信息进行综合分析，对工作面突出危险性进行综合预警。

3.1.1 综合预警效果分析

（1）工作面突出危险性对比

工作面掘进过程中不同等级预警结果所占比例的不同，从整体上反映了各工作面突出危险性的大小。33（4）15运巷和33（4）16运巷掘进期间，不同等级预警结果所占比例是不相同的，33（4）15运巷和33（4）16运巷两者工作面基本情况相同，但是前者的突出危险性远高于后者。分析原因为：33（4）15运巷煤层残余瓦斯含量较大，受煤层变薄带影响，突出危险性较大；但是33（4）16运巷煤层赋存稳定，已经过长时间瓦斯抽采，瓦斯含量降低，已实现了消突。

（2）突出危险区段分析

分析33（4）15运巷不同级别预警结果的分布情况，巷道掘进过程中不同区段的突出预警结果和工作面实际突出危险如图2所示。从图2中可以看出，二者变化趋势一致，而且“威胁”和“危险”级预警结果基本位于36m以后区域，因此可以根据工作面预警结果判识33（4）15运巷的严重突出危险性区段为36m以后区域。

（3）突出危险主控因素分析

通过对导致预警结果异常的预警要素类型的分析，可以探寻控制工作面突出危险的主要因素和反映工作面突出危险的主要征兆，以便有针对性地观测突出征兆和采取防突措施。在33（4）15运巷掘进过程中，导致预警结果异常的各类预警要素所占的比例如图3所示。从图中可以看出，瓦斯地质是该工作面煤与瓦斯突出的主要影响因素，其次为日常预测。据此，33（4）15运巷掘进过程中加强了对地质构造和煤层赋存状态的探测，并将日常预测指标测定结果及其变化趋势作为重点关注对象。

图2 33（4）15运巷预警结果随巷道掘进长度变化图

图3 33（4）15运巷异常预警结果影响因素分析

3.1.2 专项预警效果分析

煤与瓦斯突出专项预警实现了对工作面瓦斯地质、采掘影响等方面突出隐患的控制和突出征兆的警示。

（1）瓦斯地质预警。双柳煤矿煤与瓦斯突出灾害监控预警系统可对地质构造影响带、煤层赋存异常、煤层结构异常、软分层异常等工作面瓦斯地质条件异常情况进行预警提醒。以33（4）16运巷为例，巷道掘进过程中，预警系统超前10m对工作面煤层冲刷带影响区进行了准确预警。

（2）采掘影响预警。通过实时分析工作面附近采掘巷道布置、煤柱保留等条件，对工作面对穿贯通、交叉贯通、平行掘进、煤柱影响等可能导致采掘应力叠加或应力集中的情况进行预警控制。以33（4）21抽采巷为例，在掘进过程中通过1#横贯进行反掘，预警系统超前60m对反掘工作面与已掘巷道贯通进行了预警控制。

（3）日常预测预警。预警系统根据局部预测（效检）指标测值大小、变化趋势，以及施钻动力现象等信息，对工作面突出危险性进行分析，对日常预测异常情况进行预警提醒。根据对各工作面日常预测专项预警结果的分析，预警结果为“安全”的准确率达90%以上，预警结果为“威胁”或“危险”的准确率为50%～60%。

（4）瓦斯涌出预警。以W23012巷为例，在考察期间共发生两次瓦斯涌出异常（如图4所示），预警系统均对其做出了准确预警。

图4 W23012巷瓦斯涌出专项预警

（5）措施缺陷预警。预警系统通过对局部防突措施参数的实时分析，对措施控制范围不足、措施存在空白带及超采超掘等措施缺陷进行预警控制。考察期间，各工作面共施工了25次局部防突措施，预警系统对其进行了准确的措施缺陷预警，预警结果为“正常”24次，准确率100%。预警结果为“危险”1次，准确率100%。

3.2 防突管理效果分析

双柳煤矿煤与瓦斯突出灾害监控预警系统的使用，在防突管理上的效果有以下几方面：（1）使各部门之间掌握的煤与瓦斯突出信息更加透明化。煤与瓦斯突出防治工作是一个系统工程，涉及防突、抽采、地质、生产等多部门。对各职能部门掌握的煤与瓦斯突出相关信息的及时汇总、分析和共享，是科学地、针对性地制定、实施防突措施，及时发现并消除防突措施安全隐患的前提。（2）促进了矿井防突工作的精细化、规范化管理。煤与瓦斯突出灾害监控预警系统的各子系统针对双柳煤矿定制开发，成为防突措施科学设计和准确实施的保障。（3）实现了防突工作的过程控制。

4 结语

双柳煤矿借助局域网平台，通过对硬件系统和软件系统的建设，构建了煤与瓦斯突出综合预警系统平台，并通过建立相应的管理机构、管理制度和对相关人员的培训，保障了预警系统的正常、稳定运行。双柳煤矿煤与瓦斯突出灾害监控预警系统的建立和使用，实现了矿井防突信息的集中共享和工作面煤与瓦斯突出的实时、动态、综合预警，促进了双柳煤矿防突工作的规范化管理，有效地提升了双柳煤矿煤与瓦斯突出防治技术水平和管理水平。