煤矿三级瓦斯超限预警管理系统研究及应用

张 震

（郑州煤炭工业（集团）有限责任公司，河南 郑州 450042）

瓦斯事故一直是煤矿安全生产的主要威胁之一，针对瓦斯涌出问题，煤矿在规划生产前、生产中和生产后，均建立有相应的计算标准或预测方法来评估煤层中瓦斯涌出的大小[1]。“瓦斯超限就是事故”“防超限就是防事故”的理念，是在煤炭行业安全高压管控措施下最常见的安全生产理念之一[2]。瓦斯超限预警是一种预防瓦斯超限人工设防的一种控制措施[3-6]。针对瓦斯超限预警，目前可以分为三种：人工瓦斯超限预警、全自动瓦斯超限预警及人机一体的瓦斯超限预警。不同的预防方法各有利弊，针对不同的矿井实施不同的预警方法。

针对瓦斯超限预警技术，我国多个矿区、多位学者开展了相关领域研究。李小明[7]等提出了基于B/S、C/S 综合架构的煤与瓦斯突出实时预警系统，在设定指标体系并依据提出的预警指标及临界值的基础上，可实现提前10 h 发布预警信息，预警准确率达到83.3%的效果；尹智鹏[8]等建立了瓦斯管理三级预警机制，基本采用人工的方法来实现预警，建立的预警机制有效控制了瓦斯超限事故；陈生昱[9]等针对我国的瓦斯预警方法现状及预防方法的选择、瓦斯预警因素的关联性进行了分析，展望了瓦斯预警的未来发展趋势。而针对三级瓦斯超限预警的实际操作应用的相关研究相对较少。针对此问题，本文提出了建立三级瓦斯超限预警管理（&）系统，从多个方面对瓦斯超限进行超前预防，及时从复杂的多工序交叉作业现场分析和提取有效信息，准确发布预警结果，从而快速掌握矿井瓦斯变化情况，对瓦斯异常区域进行预测预报，有效地防止了瓦斯超限、断电现象的发生。

1 瓦斯超限预警模型研究

1.1 预警模型数据库

数据库建立是在预警模型建立的基础上，对相关数据进行组织、分类，并分析、整理数据之间关联关系，结合相应的DBMS（数据库管理系统）设计数据库逻辑数据结构，并转换成物理数据结构，最后使用相应DBMS 所支持的DDL（数据库定义语言）生成物理数据库。基于瓦斯灾害综合预警的需要，结合矿井生产过程中安全信息特点，严格按照“规划→需求分析→数据库设计→数据库实现”的流程，设计并建立长平矿动态安全信息数据库。瓦斯超限预警管理系统是由多个子系统有机组合、协调运作形成的综合系统。

基于各子系统数据流程分析，结合矿井各部门职责，将动态安全信息数据库划分为监控预警数据库（KJA）、地质测量数据库、瓦斯地质数据库、瓦斯防治动态数据库和瓦斯超限综合预警数据库5个子系统。设计动态安全信息数据库结构如图1。

图1 动态安全信息数据库结构设计

1）综合预警数据库

综合预警数据库为其他几个子系统的交集，存储的信息包括公共关系表、基础空间数据、各子系统信息表等。根据基础空间数据的物理类型、用途差异，将其分为地面、井下非煤层、煤层三类，并据此建立基础空间要素集（表1）。

表1 长平矿动态安全信息数据库基础空间要素集

2）瓦斯防治数据库和KJA 数据库

瓦斯防治数据库主要保存瓦斯防治措施设计信息、日常预测（效检）钻孔施工及指标测定信息、瓦斯防治措施施工信息、瓦斯防治施工图件信息等，并通过接口与综合预警数据库进行实时数据同步。瓦斯防治数据库关系图如图2。

图2 瓦斯防治数据库和KJA 数据量关系图

KJA 数据库用于保存从瓦斯监控数据库采样的传感器信息、瓦斯监控信息以及监控数据分析结果等，并通过接口与综合预警数据库保持实时同步。

1.2 预警结果等级

根据已有瓦斯灾害预警技术及成果，结合长平矿实际瓦斯灾害防治技术方法，从掘进工作面、采煤工作面方面，确定不同等级的瓦斯超限预警和突出预警结果，以反映工作面突出危险程度。超限预警是对采掘工作面当前时刻井下瓦斯超限危险程度评估和警报，其预警结果划分为“绿色”“黄色”和“红色”三个等级。不同的预警结果等级，工作面应采取不同的瓦斯防治措施和管理方法，见表2。KJA 数据库关系图如图2。

表2 预警结果等级

1.3 预警指标体系

预警系统遵循目的性、科学性、系统性、超前性和可行性原则，建立起的瓦斯超限预警系统具备多因素、多指标、在线辨识与实时预警等特征。预警指标体系研究框架如图3 所示。

图3 长平矿预警指标体系框架

在该框架指导下，考察确定矿井具体的预警指标及规则。在公司及矿井两级预警管理规定的基础上，通过对长平矿瓦斯灾害影响因素的分析，形成了长平矿预警指标规则库。长平矿瓦斯预警规则分为6 类，共78 条，通过六大方面形成规则库模型，对工作面进入突出危险区（包括未预抽区和预抽无效区）、进入地质构造影响区、日常预测指标超标及变化趋势异常、瓦斯涌出特征异常、瓦斯防治措施不到位等情况，将给出相应的瓦斯灾害综合预警结果。

2 瓦斯预警系统预警管理

2.1 预警流程

煤矿瓦斯预警技术是利用现代计算机技术与煤矿监测监控技术相结合，将事故理论、预警原理和煤矿瓦斯防治原理综合运用于实际生产中，通过预警信息的收集和信息传递，利用计算机自动评判信息是否符合预警标准，然后根据数据库对应的模型做出相应的反馈，从而指导现场工作[10]。具体预警技术实现流程如图4。

图4 煤矿瓦斯预警技术示意图

2.2 瓦斯预警信息的收集与传递

瓦斯预警信息的来源主要包括两大部分：一是来自监控探头监测的数据；二是来自采掘工作面现场信息和各科室、区队收集的信息。采掘工作面现场信息的收集主要由现场作业人员、瓦检员、安检员、防突员、班组长、验收员及跟班干部等现场人员观察、检查等方式进行信息的收集和记录。预警信息现场收集人员应在采掘工作面割煤前后及割煤过程中、预测（效检）过程中、检修或措施执行过程中，观察工作面煤体结构、工作面探头数据变化、突出预兆等情况。瓦斯检查员、防突员将现场收集的信息及时汇报至通风部门；班组长、验收员、跟班干部将现场收集的信息及时汇报至区队、分管科室；安检员将现场收集的信息及时汇报至安检部门。

2.3 煤矿采掘工作面瓦斯预警指标体系

2.3.1 预警指标

采掘工作面的瓦斯预警系统包括以下五个方面内容：1）工作面瓦斯涌出动态特征管理；2）工作面采掘进度管理；3）工作面地质测量管理；4）工作面动态防突管理；5）工作面突出预警管理。具体内容见表3 和表4。

表3 回采工作面瓦斯预警技术指标体系

表4 掘进工作面瓦斯预警技术指标体系

2.3.2 工程应用效果

长平煤矿对瓦斯超限预警系统涉及到的部门和人员进行了责任划分，将瓦斯超限预警办公室设置在该矿通风部，由通风部门负责对预警管理系统进行维护和更新，综采队、综掘队及安全管理人员各司其责，对井下重点头面进行全程密切关注。现场人员遇异常情况及时将信息传递至瓦斯预警办公室，生产部门及时将采掘工作面的设计（或变更）、支护形式（或变更）、衔接安排等生产信息以书面形式报送瓦斯预警办公室，调度室将采掘进度、重点工程情况安排等信息传递至瓦斯预警办公室，地测部门将地质预测预报信息、现场钻探信息等地质信息传递至瓦斯预警办公室，通风部门将瓦斯、风量、抽放、防突、“一通三防”重点工程等信息传递至瓦斯预警办公室，安检部门要对已发布的预警信息的贯彻、落实、执行情况进行监督检查。

三级瓦斯超限预警管理系统实施前，矿井瓦斯抽采量达到5860 万m3，采掘面的瓦斯超限内控指标为26 次；实施后，长平矿经过近两年的人员专题培训和试运行后，2020 年起取得了成效，矿井瓦斯超限内控次数持续降低，截至2022 年底，瓦斯超限内控次数降低至5 次，与2019 年31 次高峰值同期相比，降低率达到83.8%。实践证明应用三级瓦斯超限预警管理（&）系统提高了瓦斯防超限能力，减少了瓦斯超限事件。矿井近5 年的瓦斯抽采及内控瓦斯超限次数变化情况如图5。

图5 瓦斯抽采和瓦斯超限内控次数动态变化图

3 结语

1）三级瓦斯超限预警管理（&）系统是预防瓦斯超限的一种预防性措施，将瓦斯超限预警分为“绿色”“黄色”“红色”三种状态，并对各种状态进行定义，明确在井下施工现场预警信息的收集和传递程序，达到有效贯彻执行的效果。

2）针对不同作业工序、作业特点和施工人员特点，制定相应施工地点的瓦斯超限预警指标体系，明确各种预警状态的转变关系、预警信息发布和解除层级，是保证瓦斯超限预警得到有效控制的保证。

3）三级瓦斯超限预警管理（&）系统的应用结果表明，在瓦斯抽采量逐年增大的背景下，通过系统的有效运行，瓦斯超限内控指标由2019 年的31次高峰值降低至2022 年的5 次，瓦斯超限内控次数降低率达到83.8%，有效预防了矿井瓦斯超限事故发生，有力保障了矿井的安全生产。