复杂矿区煤与瓦斯突出灾害多参量预警系统建设与应用

谈国文

(1.瓦斯灾害监控与应急技术国家重点实验室，重庆 400037；2.中煤科工集团重庆研究院有限公司，重庆 400037)

我国矿井煤与瓦斯突出灾害极其严重，西南地区是我国瓦斯灾害重灾区，贵州省更是我国瓦斯最严重省区之一[1-3]。其中，贵州水城矿区具有高瓦斯含量/压力、复杂地质构造和煤层群开采的特点，是中国煤矿瓦斯突出灾害难治理的典型代表。利用计算机和信息技术研究瓦斯灾害预警技术是防治瓦斯灾害的有效方法和发展趋势，近些年，我国一些学者和单位在瓦斯灾害预警技术方面取得了丰硕的研究成果[4-8]。然而，这些成果主要是在简单条件下进行研究，偏向于单因素预警和综合预警，不能应用于类似于水城矿区等复杂矿井的瓦斯灾害防治。因此，有必要研究适用于水城矿区的瓦斯突出灾害多参量预警系统。

1 水城矿区概况

贵州水城矿区地处贵州省六盘水市，矿区内含可采煤层9～10层，85%以上矿井为煤与瓦斯突出矿井。测得的最大瓦斯含量和压力分别为19.63m3/t和3.24MPa，先后经历过印支、燕山、喜山等多次构造运动，使得矿区内瓦斯、煤层和地质构造赋存极其复杂，煤层群开采的采掘空间关系繁杂，矿井瓦斯突出灾害非常复杂。近些年，矿区通过努力，从技术、装备、管理、人才等方面形成了一套适用于矿区特征的瓦斯突出治理技术体系，使矿井安全生产条件明显改善。但由于矿区内均为19世纪60、70年代老矿，且随着开采深度、强度的延伸和加大，面临的突出灾害也越来越严重、复杂，导致矿区瓦斯事故偶有发生。

2 瓦斯突出灾害多参量预警技术

瓦斯突出灾害多参量预警技术(简称“突出预警”)是以事故理论及煤与瓦斯突出防治理论为指导的。是尽可能全面的获取煤矿各职能部门监测和掌握的安全信息，在多参量系统分析、计算的基础上，进行突出危险有效辨识和监测，从而整体、动态评估相关工作面的突出危险状态和发展趋势，并根据评估结果发出预警信号和响应对策的技术[8，9]，通过突出危险状态和发展趋势的预警分析，可以充分了解工作面当前和未来的突出危险，起到实时警示提醒的作用，从而为瓦斯突出灾害防治的科学决策提供依据。

3 复杂矿井突出预警指标体系和方法

3.1 多参量预警指标体系

根据对水城矿区的代表矿井考察，大湾煤矿在断层影响或煤层松软区域发生的突出事故次数占总突出事故次数的比例高达88.2%，汪家寨煤矿断层区域突出危险变化特征如图1所示，可以看出，汪家寨煤矿断层附近的工作面突出危险预测指标明显偏高，表明断层和软煤等是影响矿区瓦斯突出灾害的主要因素之一，软煤与构造之间也存在明显关联关系。另外，巷道对掘、煤柱等应力集中区也是水城矿区突出主要影响因素之一，大湾煤矿就有53%的突出发生于应力集中区。所以，对于地质构造复杂、煤层群开采的复杂矿井突出预警，必须考虑地质构造、采掘应力集中等客观危险因素。另外，中国瓦斯突出事故的发生，还与预防措施落实不到位、管理不严格、技术基础薄弱、信息获取手段落后等管理因素有重要关系[2]。因此，必须考虑相关的防突监督和管理因素。

图1 汪家寨煤矿断层区域突出危险变化特征

鉴于以上分析，结合两个“四位一体”综合防突措施和安全监测系统，从系统的角度出发，遵循多因素、多参量、全面预警的原则，从防突措施缺陷和客观危险性两方面建立了包含20多项指标的水城矿区多参量预警指标体系，如图2所示。从空间和时间的联合、连续性上，对工作面进入突出危险区或抽采效果不佳区、地质构造影响区、进入采掘应力集中区和存在日常预测指标超标及变化趋势异常、防突措施不到位、工作面超允许进尺施工、瓦斯涌出特征异常等情况，将给出状态和趋势预警结果。

图2 多参量预警指标体系

3.2 预警模型及实现流程

预警的实施包括安全信息获取、预警分析及结果确定、预警信息发布等内容。水城矿区的矿井安全信息分布在防突、地测、生产、技术、抽放、监测监控等诸多部门，因此首先建立安全信息数据库进行数据集中存储和管理，并通过基础信息初始化、监测自动采集、相关部门输入等方式获取、存储信息。预警结果等级是工作面突出危险程度的表现形式，将状态预警分为“灾难、重险、中险、无险”四个文字等级，将趋势预警分为“红、橙、绿”三个颜色等级；预警规则是突出危险评判标准，依据矿井突出事故发生特征和突出危险变化规律，确定各预警指标与预警结果等级的关联关系，从区域效检、采掘影响、瓦斯地质、瓦斯涌出、日常预测、防突措施管理等方面制定符合矿井实际特征的多参量预警规则。预警信息通过手机短信、矿井办公网、语音警报等方式联合发布。在此基础上，以预警计算机系统为载体、以综合监控系统和局域网络为环境，按图3所示的流程进行多参量准确、及时预警。

图3 预警实现技术流程

对于预警指标的具体计算与分析，主要将指标分为直接比较类、计算比较类两种类型，并根据《煤矿安全规程》、《防治煤与瓦斯突出规定》以及矿井具体防突技术及管理要求等，确定指标的合理预警阈值，进行指标值与预警阈值的比较分析后，形成指标预警结果。

直接比较类包括区域效果检验指标，日常预测指标，瓦斯地质异常中的煤厚、软分层厚指标，瓦斯涌出异常的瓦斯浓度指标等，通过人工输入、仪器上传等方式直接获取指标；计算分析类指标包括工作面前方的瓦斯地质异常和采掘应力集中等特征区、防突措施缺陷情况和瓦斯涌出的变化特征指标等，利用GIS地理信息系统，依据相关参数，计算工作面空间位置、与前方特征区距离得出指标值，当达到预警位置或阈值，给出对应预警结果。

4 多参量预警平台的建设

4.1 组件式预警软件系统

预警软件系统是以GIS和Super map为开发平台，结合C/S和B/S两种开发模式的计算机程序。基于实用、方便、可维护等原则，综合考虑矿井相关业务部门划分方案和预警信息获取需要，将其划分为五个主要的专业子系统以及预警和信息发布平台，组件式预警系统组成结构如图4所示。各子系统以预警为核心，以业务部门日常工作为出发点，实现矿井瓦斯地质、防突、地测、监控等日常工作的专业管理和分析以及防突过程管控，同时，通过矿井局域网联动运行，为预警系统提供基础数据，实现预警分析和数据集中管理、共享[4，10-12]。每个子系统都安装在相关业务部门，实现瓦斯参数等值线及瓦斯地质图、规范化管理与集成分析日常预测信息、自动设计瓦斯预抽钻孔与辅助分析钻孔控制缺陷、数字化管理地质及采掘进度信息、连续监测瓦斯涌出异常等的自动绘制与更新。在此基础上，预警及信息发布平台从状态和趋势两方面准确评价工作面突出危险性，给出合理预警结果，并及时、多渠道发布结果信息，实现工作面突出危险性的在线监测、准确预警和防突过程控制。

图4 组件式预警系统组成结构

4.2 标准化运行保障机制

根据煤矿生产管理现状及预警系统的稳定运行要求，充分发挥预警系统作用，成立了由煤矿技术负责人、职能部门负责人和维护/操作人员组成的预警系统运行组织机构。并制定了《预警系统岗位责任制度》《预警系统运行规范》《预警结果响应措施》等制度、规范。其中，预警响应措施根据预警结果的紧急程度分为一般响应和紧急响应措施，一般响应措施针对异常情况，由技术负责人确定技术措施，再将消突效果反馈到预警发系统，消除危险预警；紧急响应措施是在灾难状态下，直接向矿井监控、井下广播系统等发布控制措施及建议，经调度人员确认后可执行断电、撤人等应急措施。

4.3 多元信息自动采集传感装备

自动采集和传输各类基本信息能提高预警结果的及时性。基于物联网思维，利用当前自动化采集、传输技术及装备，进行了自动上传版WTC瓦斯突出参数仪、激光测距传感器和钻孔轨迹测定仪的改进、应用，并组建多网融合(井下无线网、工业环网和局域网)传输网络，自动监测、检测和上传瓦斯突出参数、工作面进尺、措施钻孔施工参数等，提升基础信息感知、共享能力[13-15]。

5 现场应用及效果

预警系统在水城矿区的汪家寨和大湾煤矿进行了示范应用。根据两对煤矿实际情况，定制了配套预警系统，在两对煤矿的相关业务部门和领导办公室安装，并通过专用网络构建起突出灾害多参量预警平台，实现了防突、地测、瓦斯地质等日常业务的专业管理和分析，以及对突出异常和潜在征兆的全面监测、准确捕捉。系统安装运行以来，已在两对煤矿的多个防突工作面成功应用，近200次捕捉了工作面日常预测指标超标、打钻喷孔、揭露断层等异常、危险情况，提前发出了预警信息，避免了危险情况的进一步发生及发展。一工作面预警结果对比曲线如图5所示，标注段内是日常预测超标时的预警结果表现，可以看出预警结果与工作面的现实突出危险性完全一致，系统能够准确反映工作面突出危险性、及时捕捉异常情况。

图5 工作面预警结果对比曲线

6 结 语

通过对水城矿区的瓦斯突出灾害多参量预警系统的研究、建设，形成了一套复杂矿区适用的突出灾害多参量预警方法。从空间和时间的联合、连续性上，实现了复杂矿区煤与瓦斯突出危险的全面监测和及时、准确预警，增强了复杂矿区的瓦斯突出灾害防治的过程管控能力，提高了矿井防突技术及管理水平。水城矿区地处我国西南地区，是我国瓦斯灾害的重点地区，预警技术及系统在该矿区的成功研究和应用，能够提升瓦斯灾害预警技术水平、拓展应用层面和高度，示范意义明显。