煤与瓦斯突出预警技术及计算机系统在渝阳煤矿的应用.pdf

煤与瓦斯突出预警技术及计算机系统在 渝阳煤矿的应用 陈久福1， 周政林2 ， 刘 程3 1. 重庆松藻煤电有限责任公司 瓦斯研究院， 重庆 綦江 401445; 2. 重庆松藻煤电有限责任公司 渝阳煤矿， 重庆 綦江 401445; 3. 煤炭科学研究总院重庆研究院， 重庆 400037 摘要 渝阳煤矿为了防治煤与瓦斯突出事故， 提高矿井的安全保障能力， 建立了煤与瓦斯突出预 警技术体系与计算机系统。对瓦斯地质规律、 采掘作业对突出的影响、 瓦斯涌出预测突出规律、 日常预 测指标发展规律、 防突措施及有效性评价方法、 通风稳定性等多个方面进行研究， 形成适合该矿特点的 突出预警成套技术， 建立了突出预警计算机信息系统平台和预警保障机制。 关键词 煤与瓦斯突出; 预警; 瓦斯地质; 防突管理 中图分类号 TD712 . 5文献标志码 C文章编号 1008 －4495 2010 03 －0044 －03 收稿日期 2009 －06 －16; 2009 －12 －16 修订 基金项目 国家 “ 十一五” 科技支撑计划项目 2006BAK03B09 作者简介 陈久福陈久福 1968 ， 男， 大学， 高级采矿工程师， 现任松藻煤电有限责任公司瓦斯研究院院长， 长期从事煤矿 采掘技术、 瓦斯治理及利用技术与管理工作。 渝阳煤矿隶属于重庆松藻煤电有限责任公司， 于 1971 年正式投产， 经过后期改扩建， 2004 年核定 生产能力 0. 90 Mt/a。该矿属于煤与瓦斯突出矿井， 主采的 8煤层为严重突出危险煤层， 上保护层 7煤 层为弱突出煤层， 下保护层 11煤层为无突出危险煤 层， 6煤层为无突出危险煤层。随着矿井开采深度 增加， 地质构造愈显复杂， 瓦斯含量、 瓦斯压力逐渐 增大， 7， 8煤层突出危险性日益严重， 6， 11煤层也 出现突出危险趋向性。因此， 瓦斯治理特别是煤与 瓦斯突出灾害治理， 已成为该矿保障矿井安全、 提高 生产效率的重点和难点， 而传统的防突管理方法已 无法完全满足安全生产的要求。在国家 “十一五” 科 技支撑项目的支持下， 渝阳煤矿与煤炭科学研究总 院重庆研究院合作实施了煤与瓦斯突出预警技术与 计算机系统项目， 建立了突出预警技术体系、 预警计 算机系统、 预警保障机制， 实现了突出危险的综合智 能预警。预警系统建设包括中央数据库、 瓦斯地质 动态分析、 动态防突管理与分析、 瓦斯涌出分析、 地 质测量信息管理、 综合预警发布等六部分。 1系统构架 煤与瓦斯突出预警成套技术通过系统安全分析 技术和精细化、 规范化的管理方法， 实时、 综合分析 矿井存在的各种隐患和预兆信息， 对工作面的危险 状态及其发展趋势进行预警， 实现突出灾害在线监 测、 超前提醒、 实时预报和趋势把握， 预警等级以声 光、 局域网、 手机短信等方式发布。 煤与瓦斯突出预警技术与计算机系统的架构， 以系统研究矿井灾害特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。其成套技术 以各项参数采集和分析为基础， 以实现突出预警为 目标， 如图 1 所示; 其计算机系统以预警服务器为中 心， 以中央数据库及预警服务程序为核心， 无缝连接 综合监控系统 实现自动数据采集和联动控制 ， 各 子系统分布式、 并行运行， 实现突出灾害的智能、 即 时、 超前预警和发布， 如图 2 所示。 图 1预警技术及系统架构方法 44 2010 年 6 月 矿业安全与环保第 37 卷第 3 期 图 2预警计算机系统结构 2系统功能与应用 2. 1预警中央数据库 预警中央数据库为基于三维 GIS 地理信息系 统 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、 瓦斯赋存、 井巷空间及其属性、 通风设施设备、 瓦 斯及其他传感器、 地质构造、 预警等信息， 其总容量 达到 15 GB。 2. 2瓦斯地质动态分析技术与系统 通过研究 7， 8煤层瓦斯基本参数、 瓦斯赋存规 律、 地质构造对瓦斯赋存的影响、 煤层厚度变化对瓦 斯赋存的影响、 瓦斯抽放效果评价、 卸压开采保护效 果等， 实现了瓦斯地质信息动态管理， 智能区域预 测， 智能预测瓦斯压力、 含量、 涌出量 等值线 ， 智能 预测煤层厚度、 埋深 等值线 ， 编制矿井动态瓦斯地 质图等功能。使用该系统定期自动更新瓦斯地质 图， 并直接应用于煤与瓦斯突出防治工作中， 提高了 瓦斯预测、 突出危险性预测的准确性和及时性。瓦 斯压力等值线自动更新效果分析如图 3 所示。 图 3瓦斯压力等值线自动更新效果分析 2. 3动态防突管理及分析系统 通过研究 N2709 运输巷、 N2709 东回风巷掘进 工作面， N2804、 N2707 回采工作面的防突指标、 防突 技术、 防突管理方法等， 建立了基于全矿井 7， 8煤 层的动态防突管理及分析系统。该系统主要对防突 工作面采掘过程中揭露的煤层结构、 地质构造、 钻探 资料、 日常预测指标、 防突措施与施工效果、 瓦斯涌 出等信息进行集中管理， 实现了预测指标与影响因 素相关性分析、 防突措施效果分析、 突出危险性超前 预警、 超掘超采预警等。另外， 还实现了突出预测与 措施钻孔的三维参数智能设计。应用该系统， 更加 有效地指导了采掘工作面的局部防突工作。防突措 施钻孔施工效果综合分析结果见图 4。 图 4措施钻孔施工效果分析示意图 2. 4瓦斯涌出分析技术与系统 通过分析 7， 8煤层采掘工作面在放炮、 割煤、 打钻、 瓦斯异常喷涌等情况下的瓦斯涌出规律 传感 器监测数据 ， 研究了放炮特征曲线及预测突出方 法， 机掘机采特征曲线及预测突出方法， 瓦斯异常涌 出特征曲线及预测突出方法， 动态指标 V30、 Kv 、 波 峰比 预测突出方法等， 建立了动态、 连续分析与预 54 2010 年 6 月 矿业安全与环保第 37 卷第 3 期 测系统。该系统与综合监控系统实现无缝连接， 自 动读取监控系统的瓦斯浓度数据， 并在预警服务器 上自动进行数据的深度挖掘和分析， 对工作面前方 的突出危险性发展趋势进行超前预警， 起到了辅助 预测突出的作用。 2. 5地质测量信息管理系统 根据渝阳煤矿的地质测量工作方法、 地测管理要 求、 地测与防突工作的关系等， 建立了专门面向地质 测量部门的、 基于 GIS 的矿井地质测量信息化管理系 统。该系统一是用于矿井的数字化建设， 即以中央数 据库为中心， 在局域网内编辑和共享矿图; 二是为突 出预警分析井巷的空间位置及相关资料提供准确的 信息来源; 三是辅助相关部门输出各种专门矿图图 件; 四是辅助进行井巷和煤岩层的切剖、 空间位置关 系分析等。该系统的应用提高了地质测量部门的信 息化管理程度， 提高了防突预警的准确性和可靠性。 2. 6综合预警发布系统 该系统是集综合预警技术、 数据采集、 信息化管 理、 安全生产管理等于一体的数据挖掘、 自动生成预 警结果、 预警发布 局域网和广域网邮件、 手机短信、 声光报警 和预警管理终端平台， 是预警成套技术及 计算机系统的最终表现， 是为用户提供预警信息的 载体。根据渝阳煤矿的实际特点， 其突出预警结果 分为突出危险性状态预警和趋势预警。状态预警分 为 4 个等级 正常、 关注、 危险和灾变; 趋势预警分为 3 个等级 绿色、 橙色和红色警报。通过该系统， 可 以即时预报防突工作面的突出危险性状态和突出危 险性发展趋势， 为制订具体的防突措施提供辅助决 策。综合预警结果展示见图 5。 图 5综合预警结果展示 3预警保障机制 有效、 可靠的突出危险性预警是以安全生产基 础数据为依据的， 因此， 该技术及系统的应用要求数 据采集、 分析和汇报要及时、 准确， 这必须要有严格 的预警运行保障机制， 即相关制度建设的配套。基 础数据的采集与分析涉及地质测量、 采掘生产、 通 风、 防突、 调度、 监测等多个部门， 根据实际情况， 建 立了以总工程师为负责人、 各个部门第 1 负责人为 成员的预警运行组织机构， 并为各个部门和关键岗 位制订了突出预警数据采集与分析制度 、 预警 计算机系统运行要求 、 突出预警上报与发布流 程 等各项规章制度。 4应用效果 1系统地研究和掌握了矿井的瓦斯和突出灾害 规律。从瓦斯地质、 煤层赋存、 瓦斯涌出、 地质构造控 制影响、 瓦斯抽排等方面系统地研究了渝阳煤矿的瓦 斯和突出灾害规律， 并实现了计算机的信息化管理与 分析， 为下一步的安全生产提供了技术支撑。 2实现了突出超前预警。真正实现了智能化、 实时性、 多参量综合性的突出灾害超前预警。该系 统应用以来， 共发布突出危险发展趋势橙色以上预 警 20 余次， 其中采掘工作面受地质构造控制影响 10 次， 瓦斯涌出异常特征 8 次， 防突措施缺陷预警 1 次， 软分层厚度变化影响 1 次; 突出状态威胁以上 预警 11 次， 其中突出指标超限 9 次， 瓦斯涌出动态 指标超限 1 次， 煤柱集中应力影响 1 次， 都基本印证 了突出超前预警的准确性。 3建立了信息化平台， 提高了工作效率。通过 预警计算机系统的建设， 提高了地质测量、 通风及防 突部门的信息化管理程度， 提高了工作效率， 基本实 现了主要报表及图件的无纸化办公。 责任编辑 吕晋英 64 2010 年 6 月 矿业安全与环保第 37 卷第 3 期 Vol．37 No．3 2010MINING SAFETY on the bais of the test data, the programmed temperature- rise oxidation process was divided into Taroom temperatureTCO low-temperaturestageandTCOTbstage,andthetemperatureoxygen- consumption rate of coal samples at different oxidation stages was calculated. The tests indicated that in the TaTCOlow-temperature stage, the oxygen-consumption rate was respectively 45seam, A5seam and A3seam in the order from large to small; but in the TCOTbstage, the oxygen-consumption rate was respectively A5 seam, A3seam and 45seam in the order from large to small. The oxidation activity of 45seam in the TaTCOlow-temperature stage was higher, but when the temperature reached a certain value in the TCOTbstage, the oxidation activity of A5seam was higher and that of 45seam was the lowest. Preliminary analysis was made on the influence of coal nature on the oxidation characteristcs. Contrast Experiments of Coal Mining Subsidence under Influence of Compressive Tectonic Stress and Weight Stress 14 The ground -surface subsidence process caused by coal mining was simulated with two models having the same geological and mining conditions respectively under the action of the compressive tectonic stress and weight stress. The test results showed that under the combined action of the compressive tectonic stress and weight stress, the collapse of the coal roof occurred later, the ground-surface movement and deation were smaller and its damage degree was relatively weaker; when the model was only under the action of the weight stress, the results were contrary to those mentioned above. The conclusion was that the tectonic stress in a coal mining area was a non-negligable influence factor in the prediction of coal-mining subsidence, so it has an important control functionforthethesurfaceenvironmentdamageduring underground coal mining. Study on Deation and Fracturing Characteristics of Seam Floor under Mining Influence 17In this paper, the authors made an emphatical study on the variation law of the stress and deation of the seam floor with the working face advance by using the similar material simulation , and came to the conclusions that the stress and deation of the seam floor had the differential effect under the mining influence and such differential effect was caused by both tension and shearing force which was produced by the fracturing fissures in the floor stratum. By using the theoretical analysis , the authors also analyzed the fracturing degree of the seam floor under the mining influence, obtained the relationship of fracturing depth of the seam floor with the inner friction angle φ, the unidirectional compression strength σcof rock stratum, the maximum stress concentration coefficient n and the mining depth H, and put forward the measures for reducing the fracturing of floor stratum on this basis. This study result can provide a sicietific basis for the safe mining of coal and the prevention and control of mine water. Study of Using Mine Transient Electromagnetic to Detect Water -bearing Properties of Roof Strata 31The water hazard in the seam roof constitutes a serious threat to the safe production in a coal mine, so it is necessary to detect the water-bearing properties of the roof strata before coal mining in order to guarantee the normal extraction of the working face. This paper gave a description of the basic principle, working and technical features of the mine transient electromagnetic used for detection in the coal mine, gave an apparent resistivity expression in the later period of the magnetic dipole source and the depth expression corresponding todifferent transient electromagnetic time delays under the whole -space condition, and made a probe into the data interpretation and effect according to the detection practice of the water-bearing properties of the roof strata. The study indicated that the mine transient electromagnetic can effectively determine the location and range of water-bearing roof strata above the working face, so it can provide a realible basis for the prevention and control of coal mine water hazard. Application of Coal and Gas Outburst Pre-warning Technique and Computer System in Yuyang Coal Mine 44A coal and gas outburst pre-warning system was established in Yuyang Coal Mine in order to prevent and control the occurrence of coal and gas outburst and raise the safety guarantee ability of the mine. This paper made studies on the law of coal-bed gas geology, the influence of mining operation on outburst, the law of outburst prediction according to gas emission, the development law of routine prediction indicators, outburst-prevention measures and effective assessment s as well as ventilation stability, determined a complete set of outburst pre-warning technologies suitable for this mine and set up a computer ination plat for outburst pre- waning and the pre-warning guarantee mechanism. Safety Assessment Model for Gas Explosion Hazard Source based on RS-SVM 53An assessment index system for gas explosion was set up according to the theory of hazard source and the selection principle of the assessment index. A RS-SVM-based assessment model for gas explosion hazard source was also established according to the theory of Rough SetRS, the principle of Support Vector Machine SVM and the characteristics of gas explosion. The safety assessment on the specific sample data was carried out with this model and the grade of safety assessment was thus obtained. RS-SVM can realize dynamic safety assessment, so it is helpful for the improvement of the safety assessment technology.