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第 38卷第 2期煤 炭 科 学 技 术 Vol38 No2 2010年2月 Coal Science and Technology Feb. 2010 煤巷炮掘工作面煤与瓦斯突出预警系统的开发 徐 浩 1 ,李希建 1 , 2, 陈 伟1, 苏恒瑜 1 1 贵州大学 矿业学院, 贵州 贵阳550003;2中国矿业大学 安全工程学院, 江苏 徐州 221116 摘 要 根据煤与瓦斯突出理论、模糊数学知识和计算机技术,研究开发了煤巷炮掘工作面煤与瓦 斯突出预警系统, 实现了计算机对煤巷炮掘工作面的突出危险性预测管理。该系统实现了由静态预 测预报变为动态预测预报, 由间隔预测预报变为半连续预测预报, 可提高炮掘工作面煤与瓦斯突出 预测的可靠性,并对有突出危险工作面进行及时报警,从而防止发生煤与瓦斯突出。采用钻屑指标 法、瓦斯峰谷比值法、地质因素法和综合指标法作为突出预测方法,并将煤巷炮掘工作面的突出危 险性划分为突出危险、突出威胁和无突出危险 3类。 关键词 煤巷;炮掘; 模糊评价; 煤与瓦斯突出;预警系统 中图分类号TD67 文献标志码A 文章编号0253- 2336 2010 02- 0076- 05 Development ofCoal and GasOutburst Pre- warning System for Sea m Gateway Blasting Driving Face XU H ao 1, LIX ijian1, 2, CHENW ei1, SU Hengyu 1 1. School of M ining, Guizhou University, Guiyang550003, China; 2 . School of Safety Engineering, China University ofM ining and T echnology, Xuzhou221116, China Abstract A ccording to the coal and gas outburst theory ,the fuzzymathe matics knowledge and the co mputer technology ,a coal and gas outburst pre- warning syste m of the sea m gateway blasting driving facewas researched and developed and the computer could be applied to the outburst danger predictionmanagement of the sea m gateway blasting driving face . The system could i mple ment the static prediction and forecast changed to the dyna m ic prediction and forecast and the intervalprediction and forecastchanged to semi- continued prediction and forecast , which could i mprove the reliability of the coaland gas outburst prediction of the seam blasting driving face and could have an on ti me pre- warning for the facew ith the outburst danger in order to prevent the coaland gas outburst occurred . The drilling cutting in dex , gas peak- valley ratio , geological factors and comprehensive index could be applied to as the outburst prediction to classify the outburstdangers of the sea m gateway blasting driving face into three grades ,such as the outburst danger , outburst threats and no outburst danger . K ey words sea m gateway ; blasting driving ;fuzzy uation;coal and gas outburst ;pre- warning syste m 基金项目贵州省科 技厅工业 攻关资助项 目 黔科合 GY 字 3029 ; 贵州省科技厅科技基金资助项目黔科合 J字 2006 2109; 贵州大学校基金资助项目校科合基字 2004 404号 煤与瓦斯突出是煤矿中地应力、瓦斯、煤的物 理力学性质等因素综合作用的结果。国内外开采实 践表明, 煤与瓦斯突出的发生呈区域性分布,突出 区域只占整个开采区域的 8 20 , 并且多数发 生在煤巷掘进工作面, 因此,做好煤与瓦斯突出危 险性预测预报是一项重要工作。按预测预报范围划 分, 可分为区域预测预报与局部预测预报。煤巷炮 掘工作面煤与瓦斯突出预警系统属于局部预测预 报, 具有动态性和实时性的特点。采用 VB开发设 计了煤巷炮掘工作面煤与瓦斯突出预警系统,其不 仅能存储、表达和分析有关煤与瓦斯突出的各类属 性信息, 而且能处理其空间特征和时效特征,将空 间数据、时间数据和属性信息结合起来,形象、直 观、动态地提供数据查询、检索、分析等功能。 1 煤与瓦斯突出局部预测预报方法及其选 择依据 11 煤与瓦斯突出局部预测预报方法 目前国内外煤矿常用的煤与瓦斯突出局部预测 方法主要有钻孔瓦斯涌出初速度法、钻孔瓦斯涌出 初速度结合钻屑量综合指标法、煤体温度法、V30 特征值法、解析指数 Kt法、氡浓度法、电磁辐射 法、地质因素法等。 76 徐 浩等 煤巷炮掘工作面煤与瓦斯突出预警系统的开发2010年第 2期 12 预测预报方法的选择依据 煤巷炮掘工作面煤与瓦斯突出预测预报的方法 虽然有多种, 但这些方法都用于预警系统中,是难 以实现的,也是没有必要的,其原因有 方法太 多, 不符合简单快速的原则; 有些预测方法的理 论意义是一致的, 同时使用这些方法意义不大, 如 钻孔瓦斯涌出初速度法与钻屑瓦斯解吸量和解吸特 征指标法等; 有的预测方法比较复杂,目前还不 适合预警系统采用,如声发射监测法等。 按照简单实用的原则及区域预测与局部预测相 结合的思想, 选取钻屑指标法、瓦斯峰谷比值法和 地质因素法等 3种定量与定性预测方法作为煤巷炮 掘工作面突出预警系统的突出预测预报方法。 2 煤与瓦斯突出预警数学模型 21 钻屑指标法数学模型 实测得到的任一指标最大钻屑量 Smax、钻屑瓦 斯解析值 K1不小于临界值时,该工作面预测为突 出危险工作面。以隶属度变量 S 作为定量化工具, 突出危险性隶属度变量 S的取值见表 1 。 表 1 突出危险性隶属度变量 S取值 Sm ax/ kg∀ m- 1, K1/ mL∀ g- 1∀ m in- 1/2 S 突出 危险性 Sm ax 100 orK110 10有 60 ∃ Sm ax 100 or05∃K1 108有 25 ∃ Sm ax 6 0 or 0 3∃K1 05 6有 Smax 25 andK1 03 3无 22 瓦斯峰谷比值法数学模型 工作面瓦斯浓度的变化能反映炮后煤层瓦斯的 初期解析能力。比值 V Cmax/Cmin,其中,Cmax为 炮后瓦斯浓度最大值, ,Cm in为炮前瓦斯浓度最 小值, , 为防止甲烷传感器产生误差和损坏, 取 某一段时间的平均值, 一般为 1个月。实测得到的 比值不小于临界值时, 该工作面预测为突出危险工 作面。以隶属度变量 B 作为定量化工具,突出危 险性隶属度变量 B的取值见表 2 。 23 地质因素法数学模型 影响煤与瓦斯突出的地质因素较多,如煤层赋 存条件及其稳定性、煤的结构、地质构造、煤层瓦 斯储存特征、已发生的突出情况及突出预兆等, 生 产过程中发生突出是随机事件, 每种因素都可能导 致突出的发生。在诸多因素中, 哪些因素对形成突 出的影响大, 哪些影响小, 要解决这一问题需要运 用层次分析法对影响突出的因素进行分层, 在每层 中再继续进行分层考虑,使各种因素系统化、层次 化、全面化, 从而全面、系统地分析和解决问题。 表 2 突出危险性隶属度变量 B取值 VB突出危险性 V 1510有 10∃ V 158有 5∃ V 106有 V 53无 231 地质因素的定量化 采用隶属度变量 D 作为地质因素定量化的工 具, D 的取值为 1 10 ,其中D 1 3时,表示 该因素对煤与瓦斯突出的影响较小;D 4 6时, 表示该因素对煤与瓦斯突出的影响一般;D 7 9 时, 表示该因素对煤与瓦斯突出的影响较大;D 10时, 表示该因素对煤与瓦斯突出的影响很大。 隶属度变量 D 取值采用专家评分法确定, 以 煤层厚度的隶属度变量 D 为例。煤层赋存条件及 其稳定性的隶属度变量 D见表 3 ,其隶属度是邀请 有关专家对青龙矿井的地质因素进行分析给出。 表 3 煤层厚度的隶属度变量 D 取值 煤层厚度 /mD煤层厚度 /mD 3510 232 地质因素权重的确定 层次分析法 AHP 是针对因素多、复杂的 问题,通过建立层次分析结构模型,构造出相应的 判断矩阵,应用数学中解矩阵特征值的方法,得出 需要的数值。运用层次分析法确定出影响突出的各 个地质因素的重要性排序数值, 为定量分析突出危 险性提供科学依据。地质因素权重的确定基本方法 与步骤如下。 1 建立煤与瓦斯突出的层次递阶结构。首先 对影响煤与瓦斯突出的地质因素, 如煤层赋存条件 及其稳定性、煤的结构、地质构造、煤层瓦斯储存 特征、已发生的突出情况及突出预兆等进行分析, 77 2010年第 2期煤 炭 科 学 技 术第 38卷 煤与瓦斯突出层次结构如图 1所示。 图 1 煤与瓦斯突出层次结构 2 确定比较判断矩阵。构造判断矩阵的依据 是 确定两两因素相比的判断矩阵 E; 因素集 U {U1,U2,,Un},在 U 中任取一对元素 Ui和 Uj。对 Ui和 Uj的重要程度进行比较,设 f Ui 表 示因素 Ui对因素 Uj的重要程度判断值;f Uj 表 示因素 Uj对因素 Ui的重要程度判断值。判断值 f Ui和 f Uj 的确定方法见表 4 。 表 4 评价因素的判断值 因素 Ui和 Uj相 比较的重要程度等级 f Uif Uj Ui比 Ujx2为煤层倾角;x3为可采煤层 层数;x4为可采煤层层间距;x5为煤层分叉与合 并;x6为煤层厚度变异系数;x7为煤层倾角变异系 数;x8为煤层赋存深度;x9为煤层围岩性质。 2 求其权重度。在对煤层赋存条件及其稳定 性分析的基础上, 总结出影响煤层赋存条件及其稳 定性的因素为煤层厚度等 9个方面,采用专家评议 法, 通过对以上各个因素的分析,对其两两比较, 得出其判断值,见表 5 ,表 5也是判断矩阵 E1。 表 5 煤层赋存条件及其稳定性各因素的判断值 eijx1x2x3x4x5x6x7x8x9 x1 159711323 x2 1/51651/51/51 /21 /41 /2 x31/91/611/31/91/91 /41 /51 /4 x4 1/71/5311/71/71 /31 /41 /3 x5 159711323 x6 159711323 x71/32431/31/311 /21 x8 1/24541/21/2212 x9 1/32431/31/311 /21 注eij为判断矩阵 E1的第 i行、第 j列元素。 78 徐 浩等 煤巷炮掘工作面煤与瓦斯突出预警系统的开发2010年第 2期 采用方根法求出矩阵的特征向量 i,可求得 [ 1,2,3,,i] T。对上述矩阵进行计 算, 可得煤层赋存条件及其稳定性影响因素的特征 向量值为2613,0627 ,0214,0332 ,2613 , 2613 ,0914 ,1507和 0914 。对特征向量进行 归一化处理, 得出各煤层赋存条件及其稳定性影响 因素 权重 度向 量 [ 0212,0051 ,0017 , 0027 ,0212 ,0212 ,0074,0122 ,0074] T。 计算判断矩阵的最大特征值 max。根据以上计 算的结果,矩阵 E1与权重度向量 的乘积,得 出新的矩阵值 E1; 然后计算 n 与权重度向量 的乘积, 得出新的矩阵 n。两矩阵对应项相除再 求和,从而求出判断矩阵 E1的最大特征值 max 9358 。对判断矩阵 E1的一致性检验,判断矩阵 的一致性指标 CI 0045。查表得,判断矩阵的平 均随机一致性指标 RI 1460 ,则判断矩阵的随机 一次性比例 CR 0031 0100 。一致性检验通过, E1判 断矩阵所 得的权重度 向量 [ 0212 , 0051 ,0017,0027 ,0212 ,0212,0074 , 0122 ,0074] T 是可以被接受的。因此,煤层赋 存条件及其稳定性的 9个影响因素权重值分别为 0212 ,0051,0017 ,0027 ,0212,0212 , 0074 ,0122 ,0074 。采用同样的方法,可得二 级评判集,影响煤与瓦斯突出的 5个地质因素为煤 层赋存条件及其稳定性、煤的结构、地质构造、煤 层瓦斯储存特征、突出情况及突出预兆,其权重值 分别为 0094 ,0107 ,0290 ,0176 ,0333 。 24 综合指标法数学模型 综合指标法是将区域预测与局部预测结合起 来, 并反映煤与瓦斯突出的 3个必要条件, 即地质 因素、瓦斯峰谷比值和钻屑指标。综合指标法采用 三级模糊综合评价法建立数学模型,三级模糊综合 评价的单因素评价矩阵为二级模糊综合评价矩阵。 根据权重集 A 与模糊评价矩阵 R合成, 进行模糊综 合评价求取评价模糊集 C, 采用M ∀, 模型。 一级模糊综合评价集为 R C1 C2 Cm A1∀ R1 A2∀ R2 An∀ Rn [ rik]nm 其中rik cik,i 1 ,2 ,,n;k 1 ,2 , , m;rik为矩阵 R的第 i行、第 k列元素;cik是 模糊子集 Ck的第 k列元素。 二级模糊综合评价集为 C A ∀ R A ∀ A1∀ R1 A2∀ R2 An∀Rn c1, c2, , cm 其中, ck ∗ n i 1 ai∀ rik, ck即二级模糊综合评价 指标,它表示评价对象按所有各类因素评价时, 对 评价集中第 k 个元素的隶属度;i为权重集 A 的 第 i个权重值。依据上述方法就可建立 3级以至更 多级的综合评判矩阵。 241 各因素权重系数的确定 建立三级综合指标的因素集 E2{y1,y2, y3},其中y1为地质因素,y2为瓦斯峰谷比值,y3 为钻屑指标。采用专家评议法, 通过对以上各个因 素的分析,对其两两进行比较, 得出其判断值, 见 表 6, 表 6也是判断矩阵 E2。 表 6 综合指标各因素的判断值 e,ijy1y2y3 y113 /25/4 y2 2/313/4 y3 4/54 /31 注e,ij为 E2的第 i行、第 j列元素。 采用层次分析法, 可得地质因素、瓦斯峰谷比 值、钻屑指标二级评判因素必要条件的权重值, 分 别为 0405 ,0260和 0335 ,综合指标法数学模 型公式为Z 0405 D 026B 0335S, 其中,Z 为综合因素法隶属度变量。Z 8时,煤巷炮掘工 作面煤与瓦斯突出危险性为 −类,有突出危险; 4∃ Z 8时, 突出危险性为 .类,有突出威胁;Z 4时, 突出危险性为 /类,无突出危险。本文地 质因素、瓦斯峰谷比值、钻屑指标等评价指标为二 级模糊评价指标, 综合指标为三级模糊评价指标。 3 预警系统模式及应用实例 31 预警系统模式 系统按信息流的流动顺序, 其结构依次分为信 息输入、数据处理、模型计算、信息处理、信息输 出 5大部分。 79 2010年第 2期煤 炭 科 学 技 术第 38卷 32 系统预警输出实例 以贵州省黔西县青龙矿井一采区 M16的 11609 外运输巷炮掘工作面作为实例, 说明煤巷炮掘工作 面煤与瓦斯突出预警系统的现场应用情况。煤巷炮 掘工作面煤与瓦斯突出预警系统预警结果见表 7 。 表 7 煤巷炮掘工作面煤与瓦斯突出预警系统预警结果 预警地 点*/m 最大 K1值 / mL∀g- 1∀m in- 1 /2 最大钻屑量 / kg∀ m- 1 钻屑指 标结果 预警系 统结果 11605121−类危险−类危险 11609223−类危险−类危险 11603821/类无危险.类威胁 11911821−类危险−类危险 11904723/类无危险.类威胁 12103623/类无危险.类威胁 12504221/类无危险.类威胁 12901523/类无危险 /类无危险 13403523/类无危险.类威胁 14002623/类无危险.类威胁 14601523/类无危险 /类无危险 15005732−类危险−类危险 15004227/类无危险.类威胁 15000525/类无危险 /类无危险 15203428/类无危险.类威胁 15503923/类无危险.类威胁 注 * 表示目前掘进巷道的长度, 即掘进工作面所在地点距巷道 开掘点的距离。 瓦斯峰谷比较法Cm ax 2 ,Cm in 014 ,V Cmax/Cm in 14285 71 ,由表 2中隶属度变量 B 的取 值范围可知,B 8 。 地质因素法 煤层赋存条件及其稳定性 D1 6825 999 , 煤的结构 D2 5684 ,地质构造 D3 8941 , 煤层瓦斯储存特征 D4 8717 999 ,突出情 况及突出预兆 D5 9 ,计算得地质因素隶属度变量 D 8374 09 。 综合因素法 隶属度变量 Z 8151 506 。预 警结果是煤与瓦斯突出危险性为−类突出危险。 33 系统预警输出结果对比分析 1 预警系统的预警输出结果与钻屑指标法的 预测结果基本一致,说明在该矿预警系统所采用的 综合指标方法与钻屑指标法有较好的统一性,即在 地质构造带和煤层赋存急剧变化带等区域, 炮后煤 层瓦斯涌出量较大且变化较大, 同时突出指标 K1 值也较大。 2 对于有些预测地点,采用钻屑指标法预测 为无危险,而预警系统预警为威胁,主要是因为预 警系统除考虑最大钻屑量 Smax和钻屑瓦斯解析值 K1 外, 还要考虑地质因素和瓦斯涌出对突出危险性的 影响情况。即采用钻屑指标预测为无危险时,仍需 注意其突出危险性。 30防治煤与瓦斯突出规定1 将突出危险性 划为有突出危险性和无突出危险性 2类,因此采用 钻屑指标法预测只有 2种结果,即突出危险工作面 和无突出危险工作面, 不利于现场正确认识煤与瓦 斯突出, 也不利于现场技术管理。因此,将突出危 险性划分为突出危险、突出威胁和无突出危险 3类 更有利于防治煤与瓦斯突出。 4 由于预警系统采用区域预测与局部预测相 结合的思想, 并采用 3种预测方法相结合而形成的 一种综合预测方法,避免了由于测量仪器误差、不 正确操作仪器、取样不正确等原因而导致的钻屑指 标法等单一指标预测不可靠。 参考文献 [ 1] 李希建, 徐 浩, 蔡立勇 煤矿安全现状评价系统数据库 分析 [ J]. 煤矿安全,2008 ,39 492- 95. 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