瓦斯涌出特征突出预警技术的实践应用

杨立海

（霍州煤电集团李雅庄煤矿机电科，山西 霍州 031400）

随着霍州煤电集团李雅庄煤矿采深的增加，井下掘进工作面突出危险区域越来越多。但该矿以往防治突出的理念、管理经验和技术力量相对薄弱，“局部四位一体”的综合防突措施由于比较依赖预测和效果检验准确性，安全防护措施难以满足远距离操作等要求，技术和管理均不能适应矿井生产条件和生产方式的变化。因此，立项开展井下掘进工作面突出危险区域的突出预警技术及系统研究，从技术和管理两个方面实现突出事故的超前预警，可以及早发现突出事故前兆，实现有效超前预防，为提高管理决策水平提供手段和依据。

1 瓦斯涌出特征预警技术原理

1.1 应用背景

李雅庄煤矿局部预测和措施效果检验主要采用钻屑瓦斯解吸指标K1及钻屑量法，该预测技术方法具有相当的局限性，影响因素也非常多，常发生低指标突出现象。因此该矿联合中煤科工集团重庆研究院，基于李雅庄煤矿掘进工作面瓦斯突出危险性状态和趋势，开发设计了瓦斯涌出特征突出预警系统，来对李雅庄煤矿南二采区南翼掘进区域进行了连续的突出预测实践。

1.2 原理分析

进行煤与瓦斯突出危险区域预测的基础是了解煤层瓦斯赋存规律。煤层瓦斯赋存规律受煤层赋存特征、煤质、地质构造等因素影响。重庆研究院运用沉积学、构造学、层序地层学、煤田地质学、煤层气地质学及储层地质学等理论从矿区或矿井区域、层域角度对煤层瓦斯赋存特征进行了研究。得出煤层不同区域瓦斯赋存主控因素及不同层域上煤层瓦斯赋存主控因素。

以煤层瓦斯赋存主控因素为指导，进行煤层瓦斯地质单元划分，进而得出煤层瓦斯赋存规律。利用瓦斯基本参数测点和煤与瓦斯突出点等为数据基础，运用软件算法将瓦斯因素与地质因素进行智能耦合，从而实现井下掘进工作面突出危险区域的预警。瓦斯突出的智能耦合技术为煤与瓦斯突出危险性区域预测的信息化、智能化奠定了基础。基于以上原理设计的KJA系统瓦斯涌出特征与突出危险关系见图1所示。

图1 瓦斯涌出特征与突出危险关系

基于李雅庄煤矿掘进工作面瓦斯突出危险性状态和趋势，建立了瓦斯涌出量特征指标A和瓦斯解吸特征指标B。特征指标A的数学模型如下：

式中：

Ai-第i班次区域瓦斯涌出量指标；

Qf-掘进面风流，m3/min；

a-巷道特征参数；

Mn-工作面n/个班次内落煤量，t；

c、d-巷道掘进速度修正系数；

V-巷道掘进速度，m/d；

WO-煤层原始瓦斯含量，m3/t；

Xj,avg-第j班次瓦斯涌出均值，%；

Xj,30min-第j班次瓦斯涌出30min移动最小值，%；

T-班次时间，min。

特征指标B的计算模型如下：

式中：

Bi-第i班次落煤瓦斯涌出峰值变化指标；

Xi,max-第i班次瓦斯监控数据最大值，%；

Xi,30min-第i班次瓦斯监控数据30min移动最小值，%。

2 矿井掘进工作面瓦斯涌出预警效果

2.1 矿井基本情况

霍州煤电集团李雅庄煤矿为单一煤层开采的高瓦斯矿井，当前的治理方法主要是抽采瓦斯。根据李雅庄煤矿瓦斯赋存状况，结合地质条件，确定了该矿瓦斯的治理方案：瓦斯抽放为主、采空区抽放为辅、预抽与边采边抽、边掘边抽结合的三方面综合治理措施。

2.2 矿井掘进工作面瓦斯涌出预警效果

根据矿井瓦斯涌出动态特征突出预警系统的原理和预警效果分析，针对该矿的实际情况事先设定特征指标A威胁值为0.7，危险值为0.9；特征指标B威胁值为0.25，危险值为0.4。李雅庄煤矿瓦斯涌出指标预警临界值见表1所示。

表1 该矿瓦斯涌出指标预警临界值

随着该矿开采速度加快，残存瓦斯量将增大，检测结果表明该矿二采区南翼开采层平均瓦斯含量和残存瓦斯量高达9.70m3/t和2.5m3/t。S2206进风顺槽和S2206胶带顺槽处在突出危险性较大的采掘工作面区域内。但是针对S2206进风顺槽的位置在非突出危险区域和突出危险区域之间进行交错。从2015年9月1日至2016年3月18日期间应用该系统对该突出危险区域进行了实践应用的预警措施。在半年的时间内，该工作面掘进进尺达243.2m，期间突出预测结果共有54次，数值超过0.4的次数为10次，数值超过0.5的次数为3次。

在瓦斯涌出动态特征突出预警系统应用期间，同时实测井下的K1值，将两者数据进行对比分析得到工作面瓦斯涌出预警效果图（图2）和K1值实测预警预测效果图（图3）。

图2 S2206进风顺槽掘进工作面瓦斯涌出预警效果图

图3 掘进工作面K1值实测预警预测效果图

从2015年9月1日至2016年3月18日期间对S2206胶带顺槽掘进工作面进行了预警系统的应用，该期间内工作面掘进进尺累计达137.5m，期间井下实测K1值2次超过0.4。 在瓦斯涌出动态特征突出预警系统应用期间，同时实测井下的K1值，将两者数据进行对比分析得到工作面瓦斯涌出预警效果图（图4）和K1值实测预警预测效果图（图5）。

图4 S2206胶带顺槽掘进工作面瓦斯涌出预警效果图

图5 掘进工作面K1值实测预警预测效果图

通过图2与图3，图4与图5对S2206进风顺槽、S2206胶带顺槽两条掘进工作面，累计41个循环，380.7m进尺分析表明，瓦斯涌出特征指标A和B在该矿井下掘进工作面的瓦斯突出危险区域的预警效果与井下实测K1值预测结果基本吻合，该系统的检测结果能够做为掘进工作面瓦斯突出预警指标进行使用。

3 结语

根据KJA系统的技术原理，在李雅庄煤矿S2206进风顺槽、S2206胶带顺槽两条掘进工作面进行了实践应用。系统检测结果特征指标A、B在该矿井下掘进工作面的瓦斯突出危险区域的预警效果与井下实测K1值预测结果对比具有较好的一致性，该系统的检测结果能够做为掘进工作面瓦斯突出预警指标进行使用。