矿井煤与瓦斯突出预警技术及其应用.pdf

第 39 卷第 2 期 煤 炭 科 学 技 术 Vol. 39No. 2 2011 年2 月 Coal Science and TechnologyFeb．2011 机电与自动化热点技术专题 ［ 编者按］为促进学术交流和科研成果转化，提高煤矿机械化、自动化、信息化水平，打造安全高 效的数字化矿井，去年 8 月份编辑部开展了 “矿井安全预警监控与信息化” 、“煤矿采掘自动化” 、“采掘装 备关键技术及机电装备现代化创新与发展 ” 、“瓦斯灾害防治及利用与信息化融合新技术”等热点技术专题 征稿，受到了广大科技工作者的积极响应和支持，在此深表感谢。迄今本刊已收到大量投稿，经专家评审通 过的论文将从 2011 年第 2 期开始陆续在 “机电与自动化热点技术”专题栏目中刊出。本期刊登的 8 篇文章 主要以 “矿井安全预警监控与信息化热点技术”为主，下期将对 “煤矿采掘自动化热点技术”进行报道， 敬请关注。 矿井煤与瓦斯突出预警技术及其应用 文光才，宁小亮，赵旭生 中国煤炭科工集团 重庆研究院，重庆400037 摘要为进一步加强煤与瓦斯突出防治工作，提升矿井安全保障，利用先进的计算机技术建立突 出灾害预警系统显得十分必要。研究了煤与瓦斯突出预警指标体系框架及预警技术实现流程，并开 发了相应计算机系统，包括煤与瓦斯突出预警综合数据库、地质测量管理系统、瓦斯地质动态分析 系统、动态防突管理及分析系统、采掘生产进度管理系统、瓦斯涌出动态分析系统、突出预警管理 平台等子系统。针对芦岭煤矿突出灾害特征与规律，研究了适合该矿的突出预警指标体系，并建立 了突出预警信息平台，实现了工作面突出危险性的实时智能预警，在芦岭煤矿的应用效果验证了该 突出预警系统的有效性。 关键词煤与瓦斯突出;瓦斯地质;防突管理;预警 中图分类号TD713文献标志码A 文章编号0253 －2336 201102 －0055 －04 基金项目 “十一五”国家科技支撑计划资助项目 2006BAK03B12 Coal and Gas Outburst Early Warning Technology and Application in Coal Mine WEN Guang- cai，NING Xiao- liang，ZHAO Xu- sheng Chongqing Research Institute，China Coal Technology ＆ Engineering Group Corp． ，Chongqing400037，China AbstractIn order to further enhance the coal and gas outburst prevention and control and to improve the mine safety protection，it was necessary to establish the outburst disaster early warning system with the advanced computer technology． The paper had a study on the coal and gas outburst early warning index system frame and the early warning technology realization procedure． A relative computer system was developed，including the comprehensive data bank of the coal and gas outburst early warning，the geological survey management system， the gas geological dynamic analysis system，the dynamic outburst prevention management and analysis system，the excavation and mining production schedule management system，the gas emission dynamic analysis system，the outburst early warning management plat and other subsystem． According to the outburst disaster features and law of Luling Mine，the paper had a study on the outburst early warning index system suitable for the mine． An outburst early warning ination plat was established and thus a real － time intelligent early warning of the outburst danger occurred from the heading face could be realized． The applied effect in Luling Mine verified the effective- ness of the outburst early warning system． Key wordscoal and gas outburst;gas geology;management of outburst prevention;early warning 55 2011 年第 2 期煤 炭 科 学 技 术 第 39 卷 随着我国煤矿开采深度的增加，瓦斯含量和 压力逐渐增大，突出灾害日益严重，因此煤与瓦 斯突出灾害的治理已成为矿井安全生产工作的重 点，而传统的防突管理办法已难以完全满足安全 生产的要求［1 －3］。在 “十一五”国家科技支撑项 目的支持下，芦岭煤矿与中国煤炭科工集团重庆 研究院合作实施了 “重大灾害预警及综合监控系 统示范工程建设”项目，研究了突出预警指标体 系框架及预警技术实现流程，并开发了相应计算 机系统。结合芦岭煤矿具体突出灾害特征，建立 了适合于该矿的煤与瓦斯突出预警信息平台，实 现了工作面突出危险的实时智能预警。 1煤与瓦斯突出预警技术原理 煤与瓦斯突出预警技术是指在事故理论、预 警理论、煤与瓦斯突出防治理论的指导下，对煤 矿各职能部门监测和随时掌握的安全信息进行有 效辨识和监测，在此基础上进行综合分析和计 算，对每个工作面突出危险状态和发展趋势进行 整体评价，并根据评价结果发出预警信号和响应 对策的技术［4 －5］。通过突出危险状态和发展趋势 这 2 个方面的预警分析，不仅能了解到工作面目 前所处的突出危险性的状态，而且还能得知其未 来发展趋势，并将预警结果实现集中显示，起到 超前提醒和实时预警的作用，从而为矿井进行瓦 斯突出灾害的防治提供决策依据。 1. 1突出预警指标体系框架建立 通过对煤与瓦斯突出事故致因因素的分析可 知，引起煤与瓦斯突出的基本事件包括 3 类反 映工作面具有客观突出危险性的基本事件，反映 防突措施存在重大缺陷的基本事件和属于管理隐 患的基本事件。这些事件是导致煤与瓦斯突出发 生的危险源，也是煤与瓦斯突出预警过程中应该 重点监控的警源和警兆。因此，煤与瓦斯突出预 警指标体系框架也应全面反映工作面客观突出危 险性、防突措施重大缺陷和管理重大隐患 3 方面 因素。按照目的性、科学性、系统性、超前性和 可行性原则，从多方面入手，进行多因素、多指 标预警，建 立 煤 与 瓦 斯 突 出 预 警 指 标 体 系 框 架［6］，如图 1 所示。 1. 2预警技术实现流程 煤与瓦斯突出预警技术是以矿井突出灾害特 图 1煤与瓦斯突出预警综合指标体系框架 征和规律为基础支撑、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、以系列 预警管理制度为保障的成套技术体系［7］，其技术 实现流程如图 2 所示。 图 2预警技术实现流程 2突出预警计算机系统 计算机软件是预警技术的载体和表现手段， 是实现智能化预警的必备条件。突出预警系统是 基于 GIS 以及 C/S 和 B/S 相结合的大型计算机程 序，主要包括瓦斯灾害预警信息综合数据库、地 质测量管理系统、瓦斯地质动态分析系统、动态 防突管理及分析系统、采掘生产及进度管理系 统、瓦斯涌出动态分析系统和瓦斯灾害预警信息 平台等 7 个部分。 2. 1系统结构 煤与瓦斯突出综合预警系统，是利用现有局 域网，将综合预警数据服务器、预警数据管理系 统和现有的煤矿安全监控系统连接，通过突出预 警模块，分析综合预警数据服务器中的煤与瓦斯 突出 预 警 数 据，根 据 分 析 结 果，发 出 预 警 信 息［8］。 预警系统既需要使用煤层瓦斯赋存、井巷工 程、地质构造空间数据，也需要使用采掘进度、 防突措施施工与日常突出预测、瓦斯监控数据等 65 文光才等矿井煤与瓦斯突出预警技术及其应用2011 年第 2 期 关系数据，为满足上述要求，在准确分析关系数 据与空间数据特征基础上，设计能同时适应关系 数据表同步和空间数据集同步的数据同步组件， 在此基础上设计各业务管理分析系统数据库和服 务器综合预警数据库，形成基于分布式数据库的 突出预警系统软件体系结构，整个预警系统结构 如图 3 所示。 图 3煤与瓦斯突出综合预警系统结构 该系统可将原散落在煤矿各职能部门的地质 构造、煤层赋存、瓦斯赋存、采掘生产、日常预 测指标、突出预兆、瓦斯涌出等安全信息在地理 信息系统 GIS 平台上进行集中管理和综合分析， 整合现有资源，提高预警的准确率、实时性和前 瞻性，有效预防煤矿煤与瓦斯突出灾害的发生。 2. 2预警子系统 1突出预警综合数据库。预警综合信息数 据库为基于三维 GIS 技术的海量空间数据库 MSRP SDE，具有超大存储能力 100 GB 以上 和空间数据智能分析、长事务处理、数据完整性 检查、高容错性和高稳定性等功能，是矿井数字 化建设、安全信息管理和预警综合分析的基础。 数据库中存储的数据内容包括煤岩层赋存信息、 瓦斯赋存信息、井巷空间位置及其属性信息、通 风设施设备信息、瓦斯及其他传感器信息、地质 构造信息、预警信息等。 2地质测量管理系统。该系统采用中国煤 炭科工集团重庆研究院独立自主产权的 3DGIS 图 形引擎，建立专用地质空间数据库、导线测量空 间数据库，实现矿井 3DGIS 数字化、矿图编绘与 输出、地质钻孔管理、地质资料管理、测量资料 管理、工作面设计与管理以及查询与统计等，同 时完成为预警系统提供空间基础数据的功能。 3瓦斯地质动态分析系统。该系统通过对 瓦斯赋存、地质构造、保护层开采效果、煤柱影 响区、采掘影响、抽放效果等信息动态分析、评 价，实现瓦斯地质信息图及相关瓦斯参数的动态 绘制，动态区域预测等功能，区域预测结果直接 作为预警系统基础数据，完成工作面采掘环境危 险性评价。 4动态防突管理及分析系统。该系统是利 用计算机技术实现对突出危险工作面 “四位一 体”综合防突措施执行情况进行实时分析，及时 发现和处理防突工作中存在的问题，严格防突管 理，有效地控制或消除突出事故的发生，变事后 分析为事前处理。实行动态管理，有利于对工作 面突出危险性预测、防突措施和措施效果检验的 各种参数随时进行综合分析，有利于探索和掌握 工作面煤与瓦斯突出的规律，使防突措施的制定 更具有 针 对 性，使 突 出 危 险 的 消 除 更 加 及 时 有效。 5采掘生产进度管理系统。该系统用于管 理生产、技术部门的日常工作及事务，主要包括 回采、掘进生产报表管理，采掘衔接辅助决策等 相关报表的自动生成。该系统为预警系统提供日 常采掘进尺数据，根据进尺情况自动延伸巷道， 并实时分析巷道空间位置信息，完成相关指标危 险预警。 6瓦斯涌出动态分析系统。该系统与矿井 安全监控系统连接，实时读取监控系统的瓦斯浓 度监测数据，并对安全监控系统监测的瓦斯数据 进行深度挖掘和分析，得出矿井瓦斯涌出的变化 规律。根据具体矿井瓦斯涌出规律，自动分析计 算工作面 1 h 内瓦斯涌出数据偏方差、各个交接 班前一定时间内的瓦斯采集次数、炮后 30 min 吨 煤瓦斯涌出量等瓦斯涌出相关动态指标，利用这 些指标实时进行瓦斯突出危险性预警。计算结果 可作为防突技术人员预测突出危险性或制定防突 措施的辅助依据。 7突出预警管理平台。该系统对各部门上 传的基础数据以及监测监控数据进行相关分析及 指标运算，对照预警规则库，判断工作面采掘过 程中的突出危险性状态与危险性程度发展趋势， 按其危险程度将工作面突出危险性当前所处的状 态分为正常、威胁、危险及灾变 4 个等级;将工 75 2011 年第 2 期煤 炭 科 学 技 术 第 39 卷 作面未来突出危险性发展趋势分为绿色、橙色及 红色 3 个等级，最终通过局域网、手机等方式发 布预警信息。 3突出预警系统在芦岭煤矿的应用 1以突出预警指标体系框架为基础，通过 分析芦岭煤矿瓦斯地质情况、开采布置情况、防 突技术措施执行情况、工作面瓦斯涌出情况、突 出预兆情况、日常突出危险性预测指标的变化情 况等，建立了适合该矿具体突出灾害特征和规律 的预警指标体系 表 1 ，并依此制定了突出预警 规则。鉴于在目前条件下难以对重大管理隐患进 行指标衡量，故暂不将其列入预警指标。 表 1芦岭煤矿煤与瓦斯突出预警指标体系 所属类型突出影响因素芦岭煤矿预警指标 客观 危险性 日常预 测指标 Δh 2值变化情况及其发展趋势 S 值变化情况及其发展趋势 钻孔施工过程动力现象 瓦斯地 质因素 煤层赋存参数变化 突出危险区变化 工作面与地质构造距离 采掘影 响因素 工作面距巷道应力叠加区的距离 石门揭煤过程预警指标 瓦斯涌 出特征 瓦斯涌出变异系数 瓦斯涌出衰减系数指标 措施重 大缺陷 措施施 工缺陷 控制范围不足 存在空白带 超采超掘 注Δh2为钻屑瓦斯解析指标;S 为钻屑量。 2结合芦岭煤矿具体地质、采掘条件及管 理情况，定制开发了各预警子系统，建立了适合 该矿特点的突出预警信息平台，提高了地测科、 瓦斯办、防突区等各部门的信息化管理水平，提 高了工作效率。 3以芦岭煤矿突出预警规则为依据，以计 算机系统为载体，通过对各种动态安全信息 煤 层赋存、瓦斯地质、采掘影响、日常预测、事故 预兆、治理措施、通风、监测、安全管理等的 综合分析，实现了突出超前、智能预警。2009 年 该系统在芦岭煤矿正式运行以来，共预警 662 次，预警系统报警结果与实际突出危险性对比分 析结果表明，状态预警准确率为 85. 7 ，趋势预 警准确率为 98. 1 ，取得了良好效果。 4通过对预警结果实时统计分析，得到了 各工作面突出影响因素 瓦斯地质、日常预测、 采掘影响、瓦斯涌出、防突措施比例分配图， 为制定防突措施提供依据;划分出突出危险性较 大区域，对邻近工作面防突工作的开展具有参考 意义。 4结语 研究了突出预警指标体系框架及预警技术实 现流程，并开发了相应计算机系统。以预警指标 体系框架为基础，针对芦岭煤矿具体突出灾害特 征与规律，研究了适合该矿的煤与瓦斯预警指标 体系，建立了突出预警信息平台，实现了工作面 突出危险的实时智能预警，提高了各部门工作效 率，提升了矿井安全保障，应用效果良好，对全 国其他突出矿井具有借鉴意义。 参考文献 ［ 1］于不凡． 煤矿瓦斯灾害防治及利用技术手册 ［M］． 修订 版． 北京煤炭工业出版社，2005491 －497． ［ 2］胡千庭． 预防煤矿瓦斯灾害新技术的研究 ［J］． 矿业安全 与环保，2006，33 5 1 －7． ［ 3］李学来，刘见中． 瓦斯灾害治理新技术 ［J］．中国安全科 学学报，2004，14 7 101 －104． ［ 4］煤炭科学研究总院重庆研究院． 重大灾害预警及综合监控 系统示范工程建设 ［R］． 重庆煤炭科学研究总院重庆 研究院，200920 －41． ［ 5］刘程，赵旭生，李明建，等． 瓦斯灾害预警技术及计算 机系统建设综合解决方案 ［J］． 矿业安全与环保，2009， 36 S 60 －63． ［ 6］煤炭科学研究总院重庆研究院． 芦岭煤矿煤与瓦斯突出综 合预警规则 ［R］． 重庆煤炭科学研究总院重庆研究院， 20081 －2． ［ 7］陈久福，周政林，刘程． 煤与瓦斯突出预警技术及计算 机系统在渝阳煤矿的应用 ［J］． 矿业安全与环保，2010， 37 3 44 －46． ［ 8］赵旭生，康建宁，刘程，等． 煤与瓦斯突出综合预警系 统及预警方法中国，200910103819 ［P］． 2009 － 10 － 07． 作者简介文光才 1963 ，男，四川富顺人，研究员， 博士，研究方向为煤矿安全技术及装备。Tel023 － 65239339， E － mailwgc39 sohu. com 收稿日期2010 －11 －12;责任编辑赵瑞 85