高产高效矿井煤与瓦斯突出远近场协同预测技术

蒲 阳

（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400039）

在供给侧结构性改革的时代背景下，建设现代化高产高效矿井成为煤炭企业转型升级的必由之路，而煤与瓦斯突出矿井追求高产高效则加深了生产与防突之间的矛盾，这是因为：一方面，工作面的快速推进造成采掘应力、瓦斯涌出等因素的快速变化，使得突出危险性演化规律更加复杂多变，突出灾害严重程度、防治难度均大幅增加；另一方面，突出防治需要投入大量工程施工，占用生产时间，制约生产效率的提高。在现有的技术条件下，要缓解高产高效矿井生产与防突之间的矛盾，必须以提升突出预测技术为前提，因为只有预测做好了，突出防治才能做到有的放矢、事半功倍。现行的突出预测方法按照参数测定方法不同可分为接触式和非接触式2 类。其中，接触式预测方法主要指钻屑解吸指标法[1]，该方法是目前应用最成熟、最广泛的预测方法，但是在高产高效矿井，其效率低、不全面、不连续等不足也日益凸显；非接触式预测方法主要指以电磁辐射、声发射等为代表的声电预测方法[2-3]，以及基于瓦斯涌出的预测方法[4]，该类方法在连续性、便捷性方面具有明显优势，但也存在数据滤噪困难、预测指标较为单一等不足。为此，从突出演化的时空关系角度构建远近场协同预测技术体系，基于GIS 平台开发专业的预测软件系统，全方位、全过程把控矿井及工作面突出危险性，在此基础上实现精准、高效防突，使高产高效矿井防突与生产不再相互制约。

1 技术体系

针对目前煤与瓦斯突出危险性预测方法存在的超前性不足、不全面、不连续、效率低等诸多不适应于高产高效矿井的缺陷，将以阳煤集团几对主力矿井为例，从时空关系角度建立突出危险性远近场协同[5-6]预测技术，弥补上述技术缺陷，为高产高效矿井防突工作提供技术支撑。

1.1 远场预测

远场预测具有时间、空间双重属性，但侧重点在空间属性。在空间属性方面，该技术主要通过构建瓦斯场、应力场、地质构造场及防突措施场，从宏观层面把控影响突出的区域因素。远场预测的时间属性主要体现在对远场的超前感知、超前警示，并随着采掘条件的变化或防突措施的施行，实现4 个场作用范围的动态更新。

1）瓦斯场构建。瓦斯场构建主要通过对瓦斯含量（压力）与煤层埋深、煤层厚度等因素的相关关系分析，掌握瓦斯赋存整体规律，最终以瓦斯云图、等值线图、等级区划图等形式展现。阳煤集团新景矿、新元矿、五矿等矿井原始瓦斯含量均与煤层埋深呈正相关关系，随着煤层埋深的增大，煤层总体瓦斯赋存呈增大趋势，根据此关系并借助GIS 技术，将区域瓦斯赋存情况分区、分级，形成反映瓦斯分布强弱及影响范围的瓦斯场。

2）应力场构建。应力场构建主要是采用数值模拟、应力集中系数法、应力监测等方法，圈定采掘应力集中区、煤柱区及采掘应力叠加区等区域。在阳煤集团新景矿，处于3#煤层煤柱影响区内的8#煤层采掘工作面实测K1值超标次数明显多于其它区域。根据数值模拟，并参考矿井生产经验，确定新景矿采掘应力场的作用范围为：采煤工作面60～80 m，掘进工作面20～30 m；对于邻近层煤柱应力场作用范围，参照《防治煤与瓦斯突出细则》中卸压角大小及矿井生产经验确定。

3）地质构造场构建。地质构造场构建主要分为2 部分内容：第1 部分是圈定探明构造区、物探异常区及其影响范围；第2 部分是宏观把控煤厚分布、软分层分布等煤层赋存情况。对于已探明构造或是物探异常区，通过数字化创建地质构造场，当向地质构造场推进时，根据工作面所处位置地质构造场的强度，进行分类分级、动态警示。根据统计，新景矿发生过的200 余次瓦斯突（喷）出事故中，60%以上发生在地质构造影响区，经过考察，阳泉矿区突出危险性主控地质构造类型有断层、冲刷带及向斜，各构造类型的影响范围为：落差小于10 m 的断层，影响范围为15 m，落差大于10 m 的断层，影响范围为30 m；冲刷带影响范围为构造内部及轮廓线外延20 m区域；褶皱构造影响范围为轴部两侧各30 m 区域。煤层赋存异常也会造成突出危险性增大，其临界值为：煤层厚度变化超过25%，或是软分层厚度超过0.3 m。

4）防突措施场构建。防突措施场构建内容主要包括瓦斯抽采效果、保护层开采效果及防突措施施钻效果[7]。其中，瓦斯抽采效果评价主要通过抽采监测数据及区域瓦斯赋存情况，综合分析瓦斯抽采达标情况；保护层开采效果评价主要基于GIS 技术，动态辨识保护层开采超前距离及其影响范围；防突措施施钻效果评价主要通过获取钻孔轨迹数据，运用核密度法分析钻孔在三维空间中的密度分布，自动圈定措施钻孔控制范围、空白带等区域。

1.2 近场预测

近场预测同样具有时间、空间双重属性，但侧重点在时间属性。该技术以突出演化的时间关系为主线，通过动态获取瓦斯、矿压监测实时数据，提取能够反映工作面突出危险性的特征指标，建立基于瓦斯涌出特征、矿压监测特征的突出预测技术，实现对工作面突出危险性的连续预测。近场预测的空间范围为工作面前方卸压带、集中应力带[8]以内。

1）基于瓦斯涌出特征的突出预测技术。阳泉矿区突出预测敏感指标为瓦斯解吸指标K1，而瓦斯监测特征指标A、B 与K1值变化及现场观测情况一致，如实反映了工作面实际突出危险性大小，据此确定A、B 指标为基于瓦斯涌出特征的突出预测指标。A 指标反映工作面前方5～10 m 范围以内可解吸瓦斯含量，B 指标反映工作面前方煤体的物理性质，2 种指标组合使用，同时监测煤与瓦斯突出的2类致灾因素，能够有效提高预测准确性。A、B 指标与K1值的变化关系如图1。

图1 A、B 指标与K1 值的变化关系Fig.1 Relationship between indexs A, B and index K1

2）基于矿压监测特征的突出预测技术。阳泉矿区3#煤瓦斯突（喷）出约有90%发生在回采工作面，通过分析新景矿采煤工作面矿压监测数据发现，矿压的异常增大会造成瓦斯涌出量的增大，且矿压的异常增大超前瓦斯涌出量增大约1～2 d，矿压变化与瓦斯涌出关系如图2。因此，可以利用矿压监测特征来预测采煤工作面突出危险性。技术根据加权平均、差值法等多种数学算法及现场经验综合滤噪，采用R/S 分析法建立矿压监测特征预测指标，同时，综合考虑工作面周期来压、片帮、顶板下沉等矿压显现特征，构建矿压监测特征预测模型。

1.3 远近场预测的有效融合

图2 矿压变化与瓦斯涌出关系Fig.2 Relationship between mine pressure change and gas emission

远场预测构建了瓦斯场、应力场、地质构造场与防突措施场，实现了对突出影响因素的宏观把控，侧重空间维度；近场预测基于瓦斯、矿压监测数据，动态辨识工作面实时突出危险性大小，侧重于时间维度。只有将远近场多元数据进行有效融合，才能够从时空关系角度获得对工作面突出危险性大小的最佳一致估计。技术通过2 种途径实现远近场预测的有效融合：①借助GIS 技术，将瓦斯场、应力场、地质构造场与防突措施场数字化，预先定义各个场的类型、作用范围、强弱等属性，同时，动态跟踪掘进、采煤工作面进度，当工作面推进至某个场的作用范围时，远近场联动判识；②通过结果分级实现，远近场预测各有一套预测指标及规则，各自生成预测结果，远近场预测结果均按照危险程度由大到小分为一级、二级、三级，可通过预测结果实现远近场预测的有效融合，远近场预测融合规则见表1。

表1 远近场预测融合规则Table 1 Fusion rules of far and near fields prediction

2 软件系统开发

软件系统是预测模型的载体，是远近场预测得以实现的关键，软件系统开发主要涉及基础数据采集及存储、专业应用软件开发2 大方面内容。

2.1 数据采集及存储

技术建立的远近场协同预测方法为多角度、多因素的综合预测方法[9-12]，所需数据来源广泛、属性众多，因此必须构建科学合理的数据采集及存储方法，以保障系统稳定、高效运行。

1）数据采集。远场数据采集主要包括数据初始化与数据更新。远场数据初始化是指在系统建设期间，将矿井瓦斯赋存、应力集中区、地质构造、物探异常区、煤层赋存、防突措施影响区等宏观因素通过数字化、以“场”的形式在瓦斯地质图上进行标注；远场数据更新是指在系统日常运行过程中，根据实测数据，修正“场”的作用范围或强度属性，操作方法与初始化相同。近场数据采集通过开发专用的数据采集器，自动获取或接收矿井安全监控系统中的瓦斯及矿压监测数据。数据采集器采用Windows 服务方式，后台运行，不需要人工干预。

2）数据存储。远近场预测涉及突出演化的时空关系，基础数据类型主要有属性数据、图形图像数据及空间关系数据，这些数据具有种类繁多、结构复杂等特征，随着信息技术的发展，矿井采集信息的广度、深度还将不断拓展，因此，必须建立科学合理的数据存储结构，以满足对多元信息分析的需求。建立了立方体数据结构，突出预测数据立方体如图3，立方体的3 个维度分别为时间、空间、突出危险演化特征，在数据立方体中，不同维度的组合及其对应的度量值构成相应的查询和分析，解决了突出危险性预测多元数据分析的基本问题。对于数据库的选择，在综合考虑远近场数据融合、数据规模、安全性等因素的基础上，采用关系型数据库，选用Microsoft SQL Server 数据库管理平台。

图3 突出预测数据立方体Fig.3 Data cube of gas outburst prediction

2.2 专业应用软件开发

根据远近场预测功能需求，综合考虑煤矿相关部门专业人才配置情况，共开发5 个专业子系统，以最大程度的融入矿井管理模式，提高系统运行效率。

1）多场融合综合分析系统。该系统主要为瓦斯场、应力场及地质构造场的构建提供支撑，其核心功能包括：瓦斯赋存规律等值线图（或云图）自动绘制及动态更新；工作面空间位置分析及应力集中区动态区划；瓦斯抽采达标评价；地质构造、物探异常区属性管理及影响范围圈定。

2）防突措施综合分析系统。该系统主要为防突措施场的构建提供数据支撑，其核心功能包括：钻孔轨迹数据的自动获取；钻孔控制范围的自动分析；钻孔三维分布图绘制；钻孔施工合理性评价。

3）瓦斯涌出动态分析系统。该系统主要为近场预测提供瓦斯涌出数据支持，其核心功能包括：瓦斯监控数据的动态获取及自动滤噪；瓦斯涌出预测指标的自动计算；基于瓦斯涌出特征的工作面突出危险性自动辨识与动态预测。

4）矿压特征动态分析系统。该系统主要为近场预测提供矿压显现数据支持，其核心功能包括：矿压监测数据的动态获取及自动滤噪；矿压预测指标的自动计算；基于矿压显现特征的工作面突出危险性自动辨识与动态预测。

5）瓦斯突出远近场融合预测平台。平台主要实现远近场预测的有效融合，其核心功能包括：远近场预测融合规则定义；各子系统数据获取与分析；以软件平台、短信、语音、网页等多种形式同时发布预测结果。

3 现场应用

技术在阳煤集团新景矿、新元矿、平舒矿等多个矿井进行了推广应用，从3 个方面考察了现场应用情况。

1）整体应用效果。选择新景矿3 个典型掘进面3#煤南八副巷、7212 切巷及8#煤北六副巷为考察工作面，跟踪考察4 个月，并统计了预测结果等级分布情况，不同工作面预测结果统计如图4。可以看出：预测突出危险性最大的是7212 切巷，其次是南八正巷，最小的是北六副巷。而现场实际情况是：7212 切巷受冲刷带控制，K1值频繁超标，煤体偏软，多次出现施钻动力现象；南八正巷在考察期间穿过1 条断层，过断层期间突出危险性较大，K1值超标严重；北六副巷处于上部3#煤层开采的卸压保护区内，考察期内未出现明显异常现象。通过对比发现，预测结果真实反映了工作面突出危险大小（平均预测准确率达96.09%），而且还在预测的超前性、连续性方面有较大优势。

图4 不同工作面预测结果统计Fig.4 Statistics of prediction results of different working faces

2）典型应用案例。远近场协同预测如图5。新景矿3#层北九正巷在3 月20 日远场预测结果为一级（瓦斯场为二级，地质构造场为一级），近场预测结果为一级（瓦斯指标A 超标），远近场协同预测结果为一级。而根据现场实测，K1值达0.86 mL/（g·min1/2），且有0.5 m 厚软分层。可见，本技术准确预测了工作面突出危险性，超前K1值预测2 d，且实现了动态预测。

3）与矿井防突管理结合情况。瓦斯地质评级是阳煤集团重要的防突管理手段，在整体架构设计上综合考虑了现场应用需求，远近场预测模型完全涵盖瓦斯地质评级技术体系，并拓展了瓦斯地质评级技术体系的广度、深度；还为阳煤集团定制开发了电子报表，实现瓦斯地质评级报表的自动生成。

图5 远近场协同之近场预测Fig.5 Far and near fields collaborative prediction

4 结 论

1）构建了远近场协同预测技术体系。基于突出危险性演化的时空关系，从远场预测方面，实现了对瓦斯场、应力场、地质构造场、防突措施场等突出影响因素的超前、动态、宏观把控；从近场预测方面，构建了基于瓦斯、矿压监测特征的实时、精准预测；最终通过远近场数据的有效融合，实现了突出危险性的远近场协同预测。

2）建立了数据驱动的远近场协同预测模型。根据远近场数据特征，建立了数据驱动的远近场时空协同预测模型，开发了突出危险性远近场预测平台，实现了突出危险性的超前、动态预测，解决了现有预测技术不能完全适用于高产高效矿井的难题。

3）取得了较好的现场应用效果。该技术在阳泉矿区高产高效矿井进行了全面应用，实际考察预测准确率达96.09%，大幅提高了预测的超前性、实时性、全面性，升级了瓦斯地质量化评级技术体系，完全融入了阳煤集团的防突管理工作。