高产高效矿井煤与瓦斯突出远近场协同预测技术_蒲阳.pdf

第 51 卷第 7 期 2020 年 7 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.7 Jul. 2020 DOI10.13347/ki.mkaq.2020.07.014 蒲阳.高产高效矿井煤与瓦斯突出远近场协同预测技术 ［J］ .煤矿安全， 2020， 51 （7） 70- 74， 80. PU Yang. Synergistic Prediction Technology of Coal and Gas Outburst of Far and Near Fields in High-effi－ ciency Mine ［J］ . Safety in Coal Mines, 2020, 51 （7） 70-74， 80. 技术 创新 高产高效矿井煤与瓦斯突出远近场协同 预测技术 蒲阳 1,2 （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） 摘要 为缓解高产高效矿井突出防治与生产之间的矛盾， 抓住突出防治的首要环节 （突出预 测） ， 围绕突出危险性的时空演化关系， 构建了煤与瓦斯突出远近场协同预测技术体系。技术思 路如下 首先， 从远场预测角度建立瓦斯场、 应力场、 地质构造场及防突措施场， 宏观把控矿井开 采范围内突出危险性大小； 然后， 从近场预测角度建立基于瓦斯及矿压监测特征的突出预测方 法， 动态分析工作面突出危险性大小； 最后， 通过远近场预测的有效融合， 实现对矿井突出危险 性的远近场协同预测。 关键词 煤与瓦斯突出； 远场预测； 近场预测； 数据融合； 协同预测 中图分类号 TD712文献标志码 A文章编号 1003-496X （2020 ） 07-0070-05 Synergistic Prediction Technology of Coal and Gas Outburst of Far and Near Fields in High-efficiency Mine PU Yang1,2 （1.State Key Laboratory for Gas Disaster Monitoring and Emergency Technology, Chongqing 400037, China; 2.China Coal Technology and Engineering Group Chongqing Research Institute, Chongqing 400039, China） Abstract In order to alleviate the contradiction between outburst control and production in high-yield and high-efficiency mines, this paper focuses on the primary link of outburst controloutburst prediction, and constructs the far field and near field collaborative prediction technology and prediction model of coal and gas outburst around the time-space evolution relationship of outburst risk. The technical ideas of this paper are as follows firstly, the gas field, stress field, geological structure field and outburst prevention measure field are established from the perspective of far-field prediction to realize the macro control of mine outburst risk; then the outburst prediction based on the characteristics of gas and mine pressure monitoring are established from the perspective of near-field prediction to realize the dynamic analysis of the outburst risk of the working face; and finally, through the effective fusion of far-field and near-field prediction, the far-field and near-field collaborative prediction of mine outburst risk is realized. Key words coal and gas outburst; far field prediction; near field prediction; data fusion; synergistic prediction 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 移动扫码阅读 基金项目 国家重点研发计划资助项目 （2018YFC0808305） 70 ChaoXing 第 51 卷第 7 期 2020 年 7 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.7 Jul. 2020 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 71 ChaoXing 第 51 卷第 7 期 2020 年 7 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.7 Jul. 2020 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。 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 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。 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 一级一级一级 一级二级一级 一级三级一级 二级一级一级 二级二级一级 二级三级二级 三级一级一级 三级二级二级 三级三级三级 远场预测近场预测远近场融合 表 1远近场预测融合规则 Table 1Fusion rules of far and near fields prediction 图 1A、 B 指标与 K1值的变化关系 Fig.1Relationship between indexs A, B and index K1 图 2矿压变化与瓦斯涌出关系 Fig.2Relationship between mine pressure change and gas emission 72 ChaoXing 第 51 卷第 7 期 2020 年 7 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.7 Jul. 2020 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 Win－ dows 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。 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 图 3突出预测数据立方体 Fig.3Data cube of gas outburst prediction 73 ChaoXing 第 51 卷第 7 期 2020 年 7 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.7 Jul. 2020 （下转第 80 页） 子报表， 实现瓦斯地质评级报表的自动生成。 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。 参考文献 ［1］ 孙肖琦， 郑欣.工作面煤与瓦斯突出预测方法综述 ［J］ . 煤炭技术， 2019， 38 （10） 111-114. ［2］ 王恩元， 李忠辉， 何学秋， 等.煤与瓦斯突出电磁辐射 预警技术及应用 ［J］ .煤炭科学技术， 2014， 42 （6） 53. ［3］ 王雨虹， 刘璐璐， 付华， 等.基于声发射多参数时间序 列的瓦斯突出预测 ［J］ .中国安全科学学报， 2018， 28 （5） 129-134. ［4］ 邓明， 张国枢， 陈清华.基于瓦斯涌出时间序列的煤与 瓦斯突出预报 ［J］ .煤炭学报， 2010， 35 （2） 260-263. ［5］ 于斌， 高瑞， 孟祥斌， 等.大空间远近场结构失稳矿压 图 4不同工作面预测结果统计 Fig.4Statistics of prediction results of different working faces （a） 远场预测 （b） 近场预测 （2015 年3月8日至3月28日） 率达 96.09） ， 而且还在预测的超前性、 连续性方面 有较大优势。 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 图 5远近场协同之近场预测 Fig.5Far and near fields collaborativeprediction 74 ChaoXing 第 51 卷第 7 期 2020 年 7 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.7 Jul. 2020 （上接第 74 页） 作用与控制技术 ［J］ .岩石力学与工程学报， 2018， 37 （5） 1134-1145. ［6］ 张庆华， 蒲阳.高产高效矿井煤与瓦斯突出动态预测 技术研究 ［J］ .煤炭科学技术， 2018， 46 （10） 65-72. ［7］ 赵旭生， 马国龙， 乔伟， 等.基于事故树分析的煤与瓦 斯突出预警指标体系 ［J］ .矿业安全与环保， 2019， 46 （3） 37-43. ［8］ 罗新荣， 夏宁宁， 贾真真.掘进煤巷应力仿真和延时煤 与瓦斯突出机理研究[J].中国矿业大学学报， 2006， 35 （5） 571-575. ［9］ 牟全斌.我国煤与瓦斯突出区域预测方法研究现状及 展望 ［J］ .煤炭科学技术， 2014， 42 （11） 59-63. ［10］ 关维娟， 张国枢， 赵志根， 等.煤与瓦斯突出多指标综 合辨识与实时预警研究 ［J］ .采矿与安全工程学报， 2013， 30 （6） 922-929. ［11］ 李绍泉， 李青松， 衡献伟， 等.煤与瓦斯突出预警技术 现状与展望 ［J］ .煤矿安全， 2013， 44 （5） 160-163. ［12］ 牛聚粉， 程五一.基于数量化理论的煤与瓦斯突出综 合预警模型 ［J］ .煤矿安全， 2011， 42 （11） 27-30. 作者简介 蒲阳 （1986） ， 陕西宝鸡人， 助理研究员， 硕士， 2012 年毕业于中国矿业大学，主要从事煤矿安全技 术研究工作。 （收稿日期 2020-01-10； 责任编辑 王福厚） 作者简介 毛金峰 （1984） ， 男， 山东潍坊人， 讲师， 硕 士， 2015 年毕业于中国矿业大学，从事采矿技术与灾害防 治方面的研究。 （收稿日期 2019-03-22； 责任编辑 朱蕾） 刚柔组合倾覆力矩平衡的支护原理及其应用 ［J］ .岩 石力学与工程学报， 2018， 37 （S2） 4125-4132. ［7］ 杨科， 池小楼， 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