瓦斯地质动态分析及瓦斯涌出实时预警系统.pdf

第 4 1 卷 第 3期 2 0 1 5年 3月 工矿 自 动化 I n d u s t r y a n d M i n e Au t o ma t i o n V0 L 4 1 NO ． 3 M a r ． 2 O l 5 文章 编号 1 6 7 1 2 5 1 X 2 0 1 5 0 3 0 0 0 5 0 5 D OI 1 0 ． 1 3 2 7 2 ／ j ． i s s n ． 1 6 7 1 - 2 5 1 X ． 2 0 1 5 ． 0 3 ． 0 0 2 崔俊 飞． 瓦斯 地质 动态 分析 及 瓦斯 涌 出实 时预警 系统 I- J ] ． 工矿 自动 化 ， 2 0 1 5 ， 4 1 3 5 - 9 ． 瓦斯地质动态分析及瓦斯涌出实时预警系统 崔 俊 飞 1 ． 瓦 斯灾 害监 控 与应 急技术 国家重 点实 验室 ，重庆4 0 0 0 3 7 ； 2 ． 中煤科 工 集 团重庆 研究 院有 限公 司 ， 重 庆4 0 0 0 3 7 摘要 为了防止煤与 瓦斯突出事故 ， 提高矿井的安全保 障能力， 结合新元公司实际情况， 建立了瓦斯地质 动 态分析 及 瓦斯 涌 出实时预 警 系统 。在 统 计和 分析 该公 司矿 井 瓦斯 地质 相 关 资料 的 基 础 上 ， 创 建 了 瓦斯 地 质空间数据库 ， 采用动态分析技 术筛选出了影响瓦斯赋存的主控 因素 ， 自动绘制了瓦斯参数等值线并划分 出 突 出危 险 区 。对 突 出危 险 区 内的工作 面进 行 重点 关 注 ， 考察 其 瓦斯 涌 出特 征及 预 警指标 ， 并与 瓦斯监 测 系统 无 缝连 接 ， 实现 了非接 触式连 续 预警 。 关键词 煤与 瓦斯 突 出；瓦斯地 质 ；瓦斯 涌 出 ；实时预 警 中 图分 类 号 TD7 1 3 ． 2 文 献标 志码 A 网络 出版 时 间 2 0 1 5 0 2 1 2 1 5 4 6 网络 出版 地址 h t t p ／ ／ www． c n k i ． n e t ／ k c ms ／ d e t a i l ／ 3 2 ． 1 6 2 7 ． TP ． 2 0 1 5 0 2 1 2 ． 1 5 4 6 ． 0 0 2 ． h t ml 收稿 日期 2 0 1 4 0 7 1 6 ； 修 回日期 2 0 1 4 1 2 1 8 ； 责任编辑 胡娴 。 基金项 目 “ 十二五” 国家科技支撑计划资助项 目 2 0 1 2 B AK0 4 B 0 1 ； 中国煤 炭科工集 团有 限公 司科技创 新基金资助项 目 2 0 1 3 Z D0 0 2 ； 中煤科 工集团重庆研究院有限公司 A立科研开发项 目 2 0 1 2 Z DXM1 0 。 作者简介 崔俊飞 1 9 8 3 一 ， 男 ， 重庆人 ， 助理研究员 ， 硕士 ， 主要从事瓦斯灾害防治软件技术研究工作 ， E ma i l c u ij u n f e i q q ． c o rn。 3 ． 5 基 于物联 网的持证 上 岗与专人 操作 管控 煤 矿井 下 电气 作 业 、 爆 破作 业 、 安 全 监 控 作 业 、 瓦斯检查作业 、 安全检查作 业、 提升机操 作作业 、 采 煤 机 掘进 机 操 作 作 业 、 瓦 斯 抽 采作 业 、 防 突 作业 、 探放水作业等特种作业人员 ， 需培训合格后持证上 岗 。为 防止无 证 上 岗 、 他人 代 培训 取证 ， 需采 用 物联 网技 术 ， 进行 特 种 作 业人 员 等 持 证 上 岗管 控 。考 试 取证时 ， 将证件编号与姓名、 人脸或虹膜等个人信息 绑定 。下井 时 ， 通过 人脸 或虹 膜识 别 系统 ， 自动 核查 下 井人 员是 否持 本人 识别 卡 下井 ， 是 否持证 上 岗 ， 还 可 通过 操作 设备 上 的人 脸 或 虹 膜识 别 系统 ， 识别 操 作 人员 是 否有权 操 作 ， 若 操作 人 员无 权操作 ， 自动禁 止 操作 并 报警 ] 。 4 结语 1 O年来 ， 随着 煤 矿 机 械 化 、 自动 化 和 信 息 化 程 度的不断提高， 煤矿事故起数和死亡人数均大 幅下 降 ， 煤矿 安全 生 产 形 势逐 年 好 转 。为避 免 或 减 少 煤 矿 重特 大事 故发 生 ， 进 一 步 减 少 煤 矿事 故 起 数 和 死 亡人 数 ， 需研 究煤 矿 大数据 和物 联 网技术 ， 实 现煤矿 重 大灾 害预 警 、 重大关 键设 备故 障诊 断 、 矿用 安全标 志准用产品管控 、 煤矿重大关键设备管控与远程维 修 、 煤 矿设 备材 料 管 控 、 持证 上 岗 与专 人 操 作 管控 、 防碰撞 等 。煤 矿 大 数 据 和 物联 网 技 术 的研 究 与 应 用 ， 既 是煤 矿安 全 高效生 产 的需要 ， 也 是煤矿 信 息化 的重 点研 究方 向 。 参考文献 E l i 孙继平 ． 煤 矿监 控新 技 术 与新装 备 E J 3 ． 工 矿 自动化 ， 2O1 5， 41 1 1 - 5． E 2 3 国家煤 矿安全监察局． 全国煤矿 事故分 析报告 [ R ] ． 北 京 国家煤矿安全监察局 ， 2 0 0 4 --2 0 1 3 ． [ 3 ] 孙 继 平． 煤 与 瓦斯 突 出报 警 方 法 [ J ] ． 工 矿 自动 化 ， 2 0 l 4， 4 0 1 1 卜5 ． E 4 3 孙 继平． 煤矿事故 特点 与煤 矿通信 、 人员定位及 监视新 技术[ J ] ． 工矿 自动化 ， 2 0 1 5 ， 4 1 2 1 - 6 ． [ 5 3 孙继平． 煤矿 物联 网特点与关 键技 术研 究[ J ] ． 煤 炭学 报 ， 2 0 1 1 ， 3 6 1 1 6 7 1 7 1 ． 6 工矿 自动化 2 0 1 5年 第 4 1卷 Ga s g e o l o g i c a l d y n a mi c a n a l ys i s a nd g a s e mi s s i o n r e a l t i me p r e wa r n i ng s y s t e m CUI J u n f e i ， 。 1． St a t e Ke y La b or a t o r y of Ga s Di s a s t e r De t e c t i n g， Pr e ve nt i ng a n d Eme r ge nc y Co nt r o l l i ng， Cho ng q i ng 4 0 0 03 7，Ch i na；2． CCTEG Ch on gq i n g Re s e a r c h I ns t i t u t e，Cho ng q i ng 40 0 03 7，Chi na Abs t r a c t I n or d e r t o pr e ve nt c o a l a n d g a s o ut bu r s t a c c i d e n t s a nd i mpr o v e mi ne s e c u r i t y c a pa c i t y，g a s g e o l o gi c a l d y na mi c a n a l y s i s a nd ga s e mi s s i on r e a l t i m e p r e wa r ni n g s ys t e m wa s bu i l t i n Xi ny u a n Compa n y． Ga s ge o l og y s p a t i a l d a t a ba s e wa s bu i l t b a s e d o n s t a t i s t i c s a n d a n a l ys i s o f mi ne g a s g e o l o gi c a l da t a． The ma i n c on t r o l f a c t or s a f f e c t i n g g as oc c u r r e n c e we r e s u m ma r i z e d us i ng d yn a mi c a na l y s i s t e c h ni q ue ，a nd g a s p a r a me t e r i s ol i n e s we r e d r a wn a u t o m a t i c a l l y． Ou t bu r s t d a ng e r ou s a r e a s we r e c o mpa r t m e n t a l i z e d， a n d o ut b ur s t d a n ge r o us wo r ki ng f a c e s we r e s p e c i a l l y c o nc e r ne d． Ga s e m i s s i on f e a t u r e s a nd p r e wa r ni n g i n d i c a t o r s we r e r e s e a r c he d．Co nn e c t e d wi t h ga s mon i t o r i n g s ys t e m s e a ml e s s l y，no n c o nt a c t c o nt i nu ou s p r e wa r ni ng wa s a c hi e ve d． Ke y wo r d s c o a l a nd g a s o ut bu r s t ；ga s ge ol o gy；ga s e m i s s i o n；r e a l t i me p r e wa r ni n g 0 引言 山西 新元 煤炭 有 限责任公 司 简称新 元 公 司 矿 井一 期 生产能 力 达 到 3 ． 0 Mt ／ a 。2 0 1 0年该 矿 井 被 鉴定为瓦 斯突 出矿 井， 3号 煤层 最大 瓦斯 压力 达 2 ． 4 4 MP a ， 地质构 造 复 杂 ， 具 有 煤 与 瓦 斯 突 出危 险 性 ， 瓦斯 灾害 已成 为 制 约 新 元公 司高 产 、 高 效 、 可 持 续 发展 的瓶 颈 。为 防止 煤 与 瓦 斯 突 出灾 害 ， 避免 人 员 伤亡 ， 需要搞 清 瓦斯 地质 赋存规 律 ] ， 研 究一 种非 接 触式 连续 预测 瓦斯 突 出的方法 。 本 文 针对 新 元 公 司 的实 际 情 况 ， 设 计 了瓦 斯地 质 动态 分析 及瓦 斯涌 出实 时预 警系 统 。该 系 统 以瓦 斯 地质 基 础 理 论 为 指 导 ， 将 矿 井 煤 层 赋 存 、 瓦斯 赋 存 、 地质构造等相关的海量数据数字化入库 ， 结合最 新瓦斯 地 质实测 参 数 综 合 、 动 态 地 分析 矿 井 瓦 斯 赋 存规律 ， 预测工作面前方的瓦斯参数 压力、 含量 、 涌 出量 、 煤层情况及地质构造影响情况【 引。在事故理 论 、 预警 理论 、 瓦斯 灾 害 防 治 理论 指 导 下 ， 自动 采 集 工作 面 瓦斯监 控 数据并 获取 掘进 过程 中蕴 含 的瓦斯 涌 出及突出预兆信息 ， 分析瓦斯涌出量 、 瓦斯含量、 煤体结构等因素与突出的潜在关系 ， 对工作面突出 危 险性 进行 实 时预 警 。在 区域 上 重 点 把控 危 险 区 ， 在 局部 对具 有 突出危 险性 的工作 面 当前所 处 的状态 进行超 前 提醒 和实 时预警 ] 。 1双 系统 并行 架构 瓦斯 地质 动态 分析及 瓦斯 涌 出实 时预警 系统 包 含 瓦斯地 质分 析子 系 统及 瓦斯 涌 出预 警 子 系统 简 称 K J A ， 2 个子系统基于中央数据库相互 配合 、 共 同作用 ， 如图 1所示。采用 GI S 地理信息系统 技 术 建立 瓦斯 地质 空 问数 据 库 ， 对 瓦斯 地 质 相关 的信 息进行数字化处理和存储 ， 能够进行复杂的空间、 几 何 、 拓 扑运算 。属性数 据库 存储 预警 规则 、 预警 指标 以及经 过滤 、 采 样 的 瓦斯 监 控 数 据 。瓦 斯 地 质分 析 子系 统管理 海 量瓦 斯 地质 数 据 ， 执 行 矿 井 瓦 斯 地质 规律 分析 ， 从宏 观上划 出突 出危 险 区 ， 确 定重 点关 注 区域 。瓦斯 涌 出预警 子 系统无 缝连 接煤 矿综 合监控 系统 系统 自动 、 实 时采 集监控 数据 ， 结合 瓦斯 地 质 分析子系统对重点关注区域内的工作面进行非接触 式 连续 突 出预 警 。 区域宏观控制 局部超前提醒 2 0 1 5年 第 3期 崔俊飞 瓦斯地质动 态分析及 瓦斯涌出实时预警 系统 7 预警客户端和短信 的形式发布预警结果 。 息。预警结果表结构见表 2 。 瓦 瓦斯地质 瓦斯地质空间 短信发布终端 分析子系统 数据库服务器 图 2 系统网络结构 2数据 库建 设及 子 系统 功能 2 ．1 核 心 数 据 源 1 瓦斯地质空间数据库。利用 GI S空间数据 库 引擎结 合 关 系数 据 库 建 立 瓦斯 地 质 空 间数 据 库 。 在 GI S基础 理 论 的指 导 下 ， 根 据瓦 斯 地 质数 据 的几 何 特性将 其 分 为点 、 线 、 面 图层 进行 存 储 ， 并结 合 瓦 斯 地质 理论 对 不 同 的 图层 添 加 相 应 的 属性 字 段 ， 以 记 录 图 元 实 体 对 象 的 特 征 信 息[ 5 ] 。 图 层 分 类 见 表 1 。 表 1 图层分类 2 瓦 斯 地 质 数 据 数 字 化 。 以采 掘 工 程 平 面 图、 地质说明书 、 瓦斯预测 统计报表等为数据基础 ， 将 Au t o C AD图进行 校正并变换到实 际坐标； 根据 分类 直 接导 人 图层 中 ， 结 合 图元 要 素 的 性 质对 不 同 的图层 对象 添 加相应 的属性 数据 。 3 KJ A系统数据库 。采用 S QL S e r v e r 2 0 1 2 创 建属 性数 据 库 ， 主要用 于存 储 K J A 系统 采 集 的瓦 斯监控 实时及历史数 据 、 预警指标 、 预警结果等信 表 2预警结果表结构 2 ． 2 瓦斯 地 质 分 析 子 系统 在现 有 瓦 斯 地 质研 究 理论 和成 果 基础 上 ， 利 用 Ar c GI S二 次 开发技 术 开发 瓦斯 地质分 析 子系 统 j ， 实现如下功能 实测煤层瓦斯基本参数、 异常现象点 的管 理及 标 注 ； 瓦 斯 参 数 如 压力 、 含 量 、 涌 出量 预 测 及 等值线 智 能绘 制 ； 煤 厚 、 埋 深 预测及 等值 线智 能绘 制 ； 突 出危 险性 区域智 能划 分 ； 区域 划分 措施对 瓦 斯 等 值线 及 突出危 险 区的影 响效 果分 析 。 瓦斯 地 质 分 析 子 系统 的先 进 性 体 现 在 以下 方 面 ① 瓦 斯地 质 图 自动 更新 。有 新 的瓦 斯参 数 录 入 系统后 ， 系统 自动对 瓦斯 地 质 图的相 关 内容 进 行 重 运 算 及更新 ， 如 图 3所示 。② 区域措 施 影 响 。在 有 保护层开采和抽放措施 的情况下， 系统可以智能分 析被保护层的被保护范 围和抽放 区域的残余瓦斯压 力或 含量 ， 抽 采评 价效 果如 图 4所示 。 更新斗 线 ， ④ ／ e ， 二二 鋈 雾 ／，， ＼ ＼ ＼ ＼ ＼ ～ ＼ 图 3等 值 线 自动 更 新 2 ． 3 瓦斯 涌 出预警 子 系统 多数煤 与 瓦斯 突 出发 生前 会产 生各 种各样 的预 兆 ， 瓦斯涌出会发生异常_ 7 ] ， 正常情况下和突出前 掘进 工作 面 回 风 瓦 斯 体 积 分 数 对 比 如 图 5所 示 。 K J A 系统 采集 并 分 析 煤 矿 安 全监 控 系 统 监 测 到 的 瓦斯 涌 出信 息 ， 自动 计算 各种 瓦斯 涌 出指标 ， 依据 这 些 指 标 的 变 化 对 工 作 面 的 突 出 危 险 性 进 行 实 时 预警 。 针对 新元 公 司 的煤 层 情 况 和 开采 工 艺 条 件 ， 考 察其瓦斯涌出特征及突出危 险性的敏感指标【 g ] ， 借 助． Ne t F r a me wo r k平 台及 C语 言进行 编程 ， 嵌 入 预警 指标 和模 型 ， 实 现 实 时 在 线 预警 。常用 预 警 指 标见 表 3 。预警 效果 如 图 6所 示 。 2 0 1 5年 第 3期 崔俊 飞 瓦斯 地质 动 态分析 及 瓦斯 涌 出实时预 警 系统 9 推算煤层范围内任意点的瓦斯含量值 。 5 与瓦斯 监控 系统 的接 口设 计 。 目前 国 内主 流安 全监 控 系统 上传 到矿 务局 的数 据都 有标 准 的格 式 ， 在 K J A 服务 器 中创建 F TP服务 ， 由安 全监 控 系 统提供的功能上传瓦斯传感器定义的文本及实时数 据 文本 。利用 Mi c r o s o f t V i s u a l C开 发 Wi n d o ws 系统服 务 ， 根据 指定 工作 面 匹配传 感器 编码 及地 址 ， 实时读 取 瓦斯传 感 器 数 据 ， 过 滤 掉 无 效 数 据后 转存 到 KJ A 数据 库 中 。 6 预警 指标计算 。利用 Mi c r o s o f t V i s u a l C 编写 预警 分 析 类 ， 为 表 3中 的 每 个 预 警 指 标 编 写 一 个 方法 ， 根 据工 作 面选取 的 预警指 标 ， 获取 相关 数 据并 逐个 进行 计算 ， 得 出预 警结 果及 等级 ， 最 后选 取 一 个 最 高等 级作 为最 终预警 结 果发 布 。 4应 用效 果 收 集 、 整 理 了新 元 公 司 井 田 3号 煤 层 原始 瓦 斯 含 量数 据 ， 包括 井下 实 测 和煤 层 地 勘 钻 孔原 始 瓦 斯 含量 ， 将其录入瓦斯地质分析子系统进行分析 ， 得出 影 响新 元井 田 3号 煤层 瓦斯 赋存 的主控 因素 为煤层 埋 藏 深 度 。 原 始 瓦 斯 含 量 预 测 模 型 为 W 一 0 ． 0 4 7 7 H～1 0 ． 3 0 2 H为埋 深 ， 3 0 0 ～ 7 7 0 m 。对 多 组 数 据 进 行 预 测 及 验 证 ， 得 出 平 均 相 对 误 差 为 1 O ． 5 7 ， 准确 率 均 高 于 8 0 。 系统 在 该 预 测 模 型 的基础上 自动 绘制 了 3号煤 层 的含量 等值 线 ， 如 图 7所示 。 图 7新 兀 公 司 3号 煤 层 瓦斯 含 量 等 值 线 对 地质 构 造复 杂 的突 出危险 区 内的工 作 面进行 了重 点关 注 ， 利 用 K J A 系统 对 其 进 行 实 时预 警口 。 从 2 0 1 3年 6月至 1 2月 ， 共 发 布信 息 5 1 7 2次 ， 累计 进尺超过 2 5 0 0 m。其 中， 发布正常信 息 4 9 8 0次 ， 占 9 6 ． 2 9 ％ 。 有 2 8个 区 段 发 生 预 警 ， 共 计 预 警 1 9 2次 ， 其 中 威 胁 预 警 1 2 8次 ， 占 总 预 警 次 数 的 2 ． 4 7 ； 危险 预警 6 4次 ， 占 1 ． 2 4 。本 文采 取 系 统 发 出预警后到井下实际测定、 观察的验证方法 ， 将预 警结果与井下实测值及地质情况进行对比， 结果表 明 ， 瓦斯 地 质动态 分 析 及 瓦 斯 涌 出实 时 预 警 系 统 的 预警准 确率 达 7 9 ， 预 警效 果 良好 。 5 结语 在煤 与 瓦斯突 出 防治理 论 、 瓦斯地 质理论 、 预警 理论 及计 算机 软件 开 发 相 关 理论 的指 导 下 ， 结 合 新 元公 司 的实 际情况 ， 研 究 了适 用 于 新 元 公 司 的 瓦斯 地质动态分析及瓦斯涌出实时预警系统。利用瓦斯 地 质智 能分 析技 术 自动分 析 了矿井 的瓦斯 赋存 主控 因素及 瓦斯 地质 规 律 ， A动 绘 制 了 瓦斯 参 数 等 值线 及 突 出危险 区 ， 从 宏 观 上 确 定 了煤 层 的突 出危 险范 围。实际应用结果表明 ， 该系统预警准确率达到了 现场应用要求 ， 为煤与瓦斯突出防治工作提供了有 效 的辅 助工 具 。 参考文献 [1 ] 张子敏． 瓦斯 地质基 础 [ M] ． 北京 煤 炭工业 出版 社 ， 2 0 08． [2 ] 张 子 敏 ， 张 玉 贵． 瓦 斯 地 质 规 律 与 瓦 斯 预 测 [ M] ． 2版． 北京 煤炭工业 出版社 ， 2 0 0 7 ． [3 ]俞启香． 矿井 瓦斯 防治[ M] ． 徐州 中国矿业大学 出版 社 ， 1 9 9 2 ． [4] 林柏泉．矿井瓦斯 防治 理论 与技术 I- M] ． 2版． 徐州 中国矿业大学 出版社 ， 2 0 1 0 ． [5] 刘 晓 ， 张瑞林 ， 冀超 辉． 基于 GI S的瓦斯地质数据库的 建立研究 F J ] ． 煤 炭工程 ， 2 0 0 9 9 1 2 5 1 2 7 ． [ 6] 林海 飞 ， 陈勇 ， 李树 刚 ， 等． S u r f e r 和 Au t o C AD软件在 编制 矿井 瓦斯地 质图 中的应 用[ J ] ． 中国煤 炭 ， 2 0 1 0 ， 3 6 9 88 90 ． [ 7] 章立清 ， 秦 玉金 ， 姜文忠 ， 等． 我 国矿 井瓦 斯涌 出量预 测方法研究现 状及展 望F J ] ． 煤 矿安 全 ， 2 0 0 7 ， 3 8 8 5 8 6 O． [ 8] 姜文忠 ， 霍 中刚， 秦 玉 金． 矿 井 瓦斯 涌 出量 预测 技术 I- J ] ． 煤炭科学技术 ， 2 0 0 8 ， 3 6 6 1 4 ． [ 9] 文光才 ， 宁小亮 ， 赵旭生． 矿井煤 与瓦斯 突出预警技术 及其应用I- J ] ． 煤炭科学技术 ， 2 0 1 1 ， 3 9 2 5 5 5 8 ． [ 1 O ]史华荣 ， 张吉林 ， 弓美疆 ， 等． 矿井 瓦斯 涌出特 征预警 技术及应用[ J ] ． 煤炭科学技术 ， 2 0 1 3 ， 4 1 3 7 0 7 3 ． [ 1 1 ] 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J R] ． 重庆 煤 炭科 学研究 总 院重 庆 研 究 院 ， 2 0 0 9 ．