基于瓦斯涌出特征的钱家营矿掘进工作面突出预警系统应用

张嘉勇,艾子博，吕华新,庞凤岭

(1.华北理工大学 矿业工程学院，河北 唐山 063009； 2.开滦(集团)有限责任公司钱家营矿业分公司，河北 唐山 063000)

煤与瓦斯突出(简称“突出”)是矿井煤岩动力灾害的主要表现形式，严重影响矿井的安全生产[1-3]。预测预报是防治突出的基础和前提[4-7]，常规的突出预警方法属于抽检式，难以反映瞬时扰动和突出危险性的动态演化过程[8]。在突出预警方面国内外专家开展了一系列研究，非接触式连续突出预测在目前防突预警中得到了推广应用[9-11]。其中通过分析矿井瓦斯监测系统数据，选取合理的瓦斯特征指标进行突出预警，取得了良好的预警效果[12-15]。笔者通过提取矿井现有安全监控系统的监测数据，对瓦斯涌出量进行实时采集，分析验证瓦斯涌出特征，确定掘进工作面突出预警指标及临界值，构建钱家营矿掘进工作面突出预警系统，用以实现煤与瓦斯突出的实时、连续预警，为矿井防突工作提供技术指导。

1 矿井煤岩动力现象分析

钱家营矿-850 m水平主石门位于矿井三水平，巷道断面设计净面积为16.3 m2，巷道端头风量为5.43 m3/s。2010年12月24日夜班01：30左右，巷道端头突然发生顶板冒落情况，采样点处瓦斯浓度(CH4体积分数，下同)达到1.2%。根据-850 m水平主石门T1甲烷传感器监测数据，统计了事故发生前的瓦斯涌出量变化情况，如图1所示。

图1 钱家营矿“12.24”动力现象发生前瓦斯涌出量变化

通过案例和相关文献分析得出，在突出发生之前的一段时间内，掘进工作面瓦斯涌出量有明显的变化特征，大致分为升高、波动和先降后升3种情况，基于此变化特征将瓦斯涌出量作为掘进工作面突出预警指标的基础参数。

2 掘进工作面突出预警方法

2.1 预警指标确定

掘进工作面突出预警的关键是科学确定预警指标及其临界值。依据《防治煤与瓦斯突出细则》和钱家营矿动力现象发生期间瓦斯涌出量变化情况，基于对数据离散特征和回归速率的分析，选取瓦斯涌出量的方差(瓦斯涌出量离散程度)、波峰差(瓦斯涌出量异常差值)、波动斜率(瓦斯涌出量异常速率)为掘进工作面突出预警指标，并基于钱家营矿-850 m水平主石门区域煤岩动力现象瓦斯数据计算预警指标临界值。预警流程如图2所示。

图2 掘进工作面突出预警方法流程

2.2 瓦斯涌出量监测

为实现对掘进工作面突出的实时、准确和超前预警，通过甲烷传感器实时监测读取掘进工作面的瓦斯数据。钱家营矿掘进工作面甲烷传感器布置如图3所示，在距掘进工作面端头5 m和25 m处分别悬挂1台高低浓度甲烷传感器和1台风速风向传感器，传感器位置随掘进工作面推进而不断循环前移。

图3 钱家营矿掘进工作面传感器布置示意图

瓦斯涌出量计算公式如下：

Q1=Qφ(CH4)/100

(1)

式中：Q1为绝对瓦斯涌出量，m3/min；Q为风量，m3/min；φ(CH4)为风流中的平均瓦斯浓度，%。

2.3 预警指标计算

掘进工作面预警指标确定为瓦斯涌出量特征值：方差、波峰差、波动斜率。设瓦斯涌出量监测序列为{xt，t=1，2，…，i}，根据实时监测数据计算各预警指标值。

方差S2表示监测序列的离散程度，反映数据在一定条件下的离散情况，方差越大表示瓦斯涌出量的离散程度越大，说明存在突出的趋势。采用无偏估计下的方差，其计算公式如下：

(2)

波峰差F是统计监测序列波动大小的度量，当F相较于正常序列的值越大时则表示此监测序列的波动越大，说明存在突出的趋势。其计算公式如下：

F=xmax-xmin

(3)

式中：xmax为监测序列中最大瓦斯涌出量，m3/min；xmin为监测序列中最小瓦斯涌出量，m3/min。

波动斜率K表示监测序列线性回归增高或下降的方向及快慢。当K>0时，说明瓦斯涌出量监测序列xt有增高趋势且K值越大增高越快；当K<0时，说明监测序列xt有下降趋势且K值越小下降越快；当K趋近于0时，说明监测序列xt走势相对比较平稳，增高或下降趋势不明显。对监测序列xt进行线性拟合后计算K。实时监测︱K︱相较于正常序列︱K︱越大，则说明存在突出的趋势。其计算公式如下：

(4)

式中：y1为瓦斯涌出量监测序列线性拟合后的始值，m3/min；y2为瓦斯涌出量监测序列线性拟合后的末值，m3/min；x1为监测序列步长的始值；x2为监测序列步长的末值；Δy为瓦斯涌出量监测序列线性拟合后的始末值之差，m3/min；Δx为瓦斯涌出量监测序列线性拟合后序列步长值。

2.4 预警指标临界值

基于钱家营矿-850 m主石门进风巷道、2077运道和2096风道3个区域某时段调度中心瓦斯涌出量实时监测数据，以及-850 m水平主石门区域动力现象发生前不同时段巷道甲烷传感器监测数据，建立瓦斯涌出量监测序列。由于调度中心瓦斯数据更新间隔为1 min，为确保突出预警指标值的实时性及数据的有效性，取监测步长i=10，由公式(2)～(4)对其进行方差、波峰差、波动斜率的计算分析。突出预警指标计算值如表1所示。

表1 不同样本预警指标值

通过对表1数据的分析，选取异常时期和正常时期瓦斯涌出量特征值，建立特征数据序列，进行指标临界值计算。

正常时期指标值可基于对钱家营矿2018年 11月至12月正常生产期间的瓦斯涌出量采集数据进行计算得到，方差数值为[0，0.034]，波峰差数值为[0，0.5]，波动斜率数值为[0，0.001 8]。异常时期瓦斯数据根据表1中事故发生前各时间段的指标值得到。

中位数是确定全体单位标志值的代表值，不受分布数列的极大或极小值影响，在一定程度上提高了分布数列的代表性，因此计算数值序列中位数为掘进工作面突出预警指标危险临界值。由于正常时期指标值较小，取全部数值进行中位数计算会使序列代表性受到影响，因此选取正常时期指标最大值，结合异常时期指标值，建立特征数值序列进行中位数计算得出指标危险临界值。正常时期方差指标最大值为0.034，结合异常时期方差指标值[0.005 0，0.006 2，0.013 0，0.018 0，0.037 0，0.110 0]，组成特征序列[0.005 0，0.006 2，0.013 0，0.018 0，0.034 0，0.037 0，0.110 0]取中位数0.018 0为方差危险临界值。同理求出波峰差危险临界值为0.41，波动斜率危险临界值为±0.027。

根据异常瓦斯指标值和钱家营矿井下实际，采取专家意见确定提醒临界值和关注临界值分别为危险临界值的60%和80%左右。为了提高预警的准确性，矿井应根据不同区域、不同煤层的实际情况，重新评估确定方差、波峰差和波动斜率的临界值，以降低漏报率和误报率。

3 掘进工作面突出预警系统

基于Matlab数值计算和VB可视化界面设计结合Sql server数据库平台，构建掘进工作面突出预警系统。该预警系统由两部分组成：瓦斯数据实时采集系统和可视化预警系统。其工作原理是：瓦斯数据实时采集系统通过矿区局域网建立网络协议进行数据传输拷贝，实时读取调度中心瓦斯监测数据，得到各工作面实时瓦斯涌出量并存入数据库中；可视化预警系统连接数据库读取实时瓦斯涌出值并进行预警指标计算，实现非接触式、实时预警，以及预警数据存储、查询、报表等功能。

3.1 瓦斯数据实时采集

瓦斯数据实时采集系统由系统配置和系统运行两大部分组成，其中系统配置部分主要完成对系统运行环境的配置与对接，系统运行部分主要完成对数据采集的实时控制。实时数据采集系统主界面显示钱家营矿某时段各工作面采样点瓦斯涌出量，如图4所示。

图4 实时数据采集系统主界面

系统配置部分包括配置系统模块和数据库配置模块。配置系统模块主要完成对系统环境的设置，其中数据库地址、数据库名称、数据库用户名和数据库密码为保存实时采集数据的数据库访问信息；实时采集数据位置(网络)和实时设备信息位置(网络)为调度中心数据采集系统向本系统提供数据的存储位置(根据钱家营矿网络文件访问方式采用ftp方式实现数据传输)；实时采集数据位置(本地)和实时设备信息位置(本地)为实时拷贝矿山采集数据文件的本地硬盘存储位置；上次数据采集时间为本采集系统所记录的最后一次录入数据时间；生成实时数据间隔为其他数据采集系统向本系统提供数据的时间间隔；数据文件位置(本地)为矿山采集数据文件的本地存储目录；文件拷贝时间间隔为本地硬盘同步拷贝矿山实时采集数据文件的时间间隔。系统配置界面如图5所示。

图5 系统配置界面

数据库配置模块主要完成对系统数据库信息的增加、修改和删除，其中包括采区设置、工作面设置和瓦斯采样点设置几部分。数据库配置界面如图6所示。

图6 数据库配置界面

系统运行部分主要完成对数据采集的实时控制，包括开始采集数据和停止采集数据。

3.2 可视化预警应用

突出预警系统在钱家营矿调试应用，基于掘进工作面突出预警方法对系统采集数据进行预警分析，在此期间各工作面生产正常，无突出危险事故发生。

钱家营矿2172回风巷道设计长度1 150 m，服务于2172回采工作面。2018年12月23日早班期间对2172回风巷道某时段瓦斯涌出量进行预警指标分析，如图7所示。可以看出，各项预警指标均处于正常状态，井下现场验证与预警分析结果相符。

图7 正常瓦斯涌出预警指标分析

12月23日11:30在对2172回风巷道瓦斯数据进行预警分析时，预警指标出现异常，其中方差和波峰差均超过指标提醒临界值，波动斜率正常，可视化预警界面如图8所示。

图8 可视化预警界面

发现突出预警指标出现异常后，立即通知井下工作人员进行现场作业排查，经确认在此期间有临时钻孔施工，导致预警指标值超限。因此在进行指标计算分析后，一旦出现指标异常情况，就应立即通知井下工作人员进行现场验证，排除其他因素造成的指标异常，避免出现预警误差。

4 结论

1)通过对瓦斯事故案例的综合分析，确定将瓦斯涌出量作为钱家营矿掘进工作面突出预警监测数据。

2)确定掘进工作面突出预警指标为瓦斯涌出量特征值：方差、波峰差、波动斜率。基于钱家营矿-850 m水平主石门区域瓦斯动力现象，以及正常时期与异常时期瓦斯涌出量特征值，确定出预警指标方差危险临界值为0.018，波峰差危险临界值为0.41，波动斜率危险临界值为±0.027。提醒临界值和关注临界值分别为危险临界值的60%和80%左右。

3)基于Matlab计算分析和VB可视化设计，连接Sql server数据库平台，构建了钱家营矿掘进工作面突出预警系统。该系统在钱家营矿调试期间，能够实时采集现场监控系统瓦斯数据进行预警分析，其结果符合矿井实际情况。