瓦斯灾害预警技术及计算机系统建设综合解决方案.pdf

中国煤炭学会煤矿安全专委会 2009年 学 术研 讨 会论 文 集矿业安全与环保 第 36卷增刊 2009年 8月 瓦斯灾害预警技术及计算机系统建设 综合解决方案 刘 程, 赵旭生, 李明建, 崔俊飞, 刁 勇, 张庆华 煤炭科学研究总院重庆研究院 瓦斯防灭火研究分院预警研究所, 重庆 400037 摘 要 有效防治煤矿瓦斯灾害、 遏制重特大瓦斯事故的发生、 建设本质安全型矿井, 并提高矿井的 生产效率, 促进瓦斯灾害矿井的高效集约化和可持续发展, 是目前煤矿安全科研、 技术和设备研发的重 点。煤矿安全技术结合采矿工程技术、 计算机技术、 GIS技术、 安全工程理论、 科学计算方法等, 研究瓦 斯灾害的超前预警理论和技术体系, 研发预警系统, 并逐步建立预警系统, 是瓦斯治理的有效途径和必 然发展趋势, 是实现至上而下煤矿安全技术监管机制的发展趋势。详细介绍了煤矿建立瓦斯灾害预警 技术及计算机系统的综合解决方案。 关键词 预警; 瓦斯灾害; 煤与瓦斯突出 中图分类号 TD712 ; TD713 文献标志码 A 文章编号 1008- 4495 2009 S1- 0060- 04 收稿日期 2009- 07- 13 基金项目 国家十一五 科技支撑计划 2006BAK03B02 作者简介 刘 程 1979, 男, 重庆巴南人, 工程师, 2002年毕业于中国矿业大学采矿工程专业, 现任煤炭科学研 究总院重庆研究院瓦斯防灭火研究分院预警研究所副所长, 致力于瓦斯灾害预警技术及计算机系统的研发。 煤与瓦斯突出、 瓦斯爆炸是威胁煤矿安全的主 要灾害, 预警技术及计算机系统是预防瓦斯灾害发 生的有效途径之一, 也是瓦斯灾害预防系统的发展 方向。瓦斯灾害预警技术通过安全分析技术和精细 化、 规范化、 系统化的管理方法, 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 与发展趋势进行预警, 实现瓦斯灾害在线监测、 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。 预警计算机系统充分利用煤矿安全监控系统和 局域网络条件, 以开发的系列专业分析软件为载体, 在具体矿井灾害特征和规律的基础上, 考虑矿井安 全管理制度和操作习惯, 建立一套符合实际的预警 技术体系和系统。 1 瓦斯灾害预警技术研究 瓦斯灾害预警技术的核心是要研究瓦斯危险源 的分布与评价方法, 瓦斯灾害的发生规律和特征, 安 全及技术隐患的识别方法, 灾害的防治措施及效果 评价方法等, 结合矿井的防灾技术和管理模式, 建立 专门的预警模型, 选用合理的预警指标体系, 设定预 警规则和判据, 建立预警机制, 主要包括以下几个 方面。 1 . 1 煤层瓦斯地质规律研究 掌握高瓦斯和突出危险煤层的瓦斯地质规律是 防治瓦斯灾害的基础手段, 是识别瓦斯灾害危险源 及其分布规律的基础。其基本内容包括测定煤层瓦 斯基本参数, 研究煤层瓦斯赋存规律、 瓦斯赋存的主 控因素 地质构造、 煤层赋存参数、 顶底板岩性等 , 建立特定矿井的突出危险区域预测、 瓦斯涌出量预 测、 动态瓦斯地质图智能编制、 区域措施 保护层开 采、 抽放 对瓦斯赋存的影响等方面的综合技术体 系; 建立瓦斯地质对采掘影响的超前预警模型。 1 . 2 瓦斯涌出规律研究 采掘作业期间的瓦斯涌出规律可以预测工作面 的突出和爆炸危险性。对瓦斯涌出的分析是在无缝 连接综合监控系统的基础上, 对瓦斯监控数据及曲 线进行查询、 统计, 分析采掘活动期间瓦斯涌出特征 及预测突出危险、 瓦斯异常涌出特征及预测瓦斯积 聚, 以及对动态突出预测指标 V30、 Kv、 波峰比、 衰减 系数等 的连续分析等, 建立瓦斯涌出动态指标对瓦 斯灾害的超前预警模型。 1 . 3 突出防治的动态管理与技术分析 防突工作繁琐而谨慎, 为了提高防突部门工作 效率, 提高突出预测准确性和防突措施有效性, 需要 对防突工作进行规范化的管理和资料的深入分析。 ∀60∀ 中国煤炭学会煤矿安全专委会 2009年 学 术研 讨 会论 文 集矿业安全与环保 第 36卷增刊 2009年 8月 其管理和分析的内容主要包括对工作面瓦斯地质、 采掘信息、 钻孔资料、 指标分布、 信息共享等方面的 信息化管理; 建立突出预测与措施钻孔的计算机辅 助设计、 预测指标与影响因素的相关性分析、 防突措 施效果与缺陷分析、 防突措施隐患预警、 突出危险性 超前预警、 超掘超采预警等方面的预警模型。 1 . 4 工作面瓦斯危险源动态评价方法研究 采掘工作面是瓦斯灾害防治的核心位置, 在巷 道及工作面的设计、 掘进、 回采期间, 依据煤层瓦斯 地质资料、 邻近工作面或巷道采掘揭露的资料、 作业 过程揭露的资料, 以煤层与瓦斯赋存规律、 地质构 造、 防突预测指标、 瓦斯涌出规律、 预抽效果等为基 础, 建立分阶段对工作面条带或区域进行瓦斯灾害 危险性评价和区划的模型、 建立危险源分布对采掘 进度的影响及预警模型、 建立动态修正危险源分布 规律的预警模型, 以此直接指导采掘作业, 为工作面 采掘作业的瓦斯防治起到导航作用。 1 . 5 通风信息管理方法与动态网络解算技术 煤与瓦斯突出和瓦斯异常涌出的最终后果都可 能导致瓦斯在巷道空间的复杂运移 如风流逆转 , 甚至导致瓦斯爆炸事故。因此, 确保矿井通风安全 是防止瓦斯灾害进一步扩大的重要手段。在矿井通 风安全方面, 一是要通过测定和分析来准确掌握井 巷通风参数, 建立通风网络稳定性评价模型; 二是要 建立快速、 便捷、 动态的通风网络解算方法, 以便随 时掌握矿井通风系统的状态; 三是要建立通风系统 信息化管理手段, 建立通风隐患实时预警模型。 2 瓦斯灾害预警计算机系统建设 瓦斯灾害预警技术及相关判识模型是预警系统 建设的核心, 预警计算机系统是其手段和载体。硬 件上, 以预警服务器为中心, 与综合监控系统和其他 远程操控系统实现无缝连接。软件上, 以中央数据 库为中心, 各子系统共享中央数据库和全部预警信 息资源, 并可以联合网络办公系统和其他信息管理 系统; 各子系统可以独立运行实现特定分析功能, 也 可以多个子系统组合起来实现综合预警功能。 2 . 1 瓦斯地质动态分析系统 主要功能包括瓦斯地质资料及瓦斯基本参数的 信息化管理, 瓦斯含量、 压力、 涌出量与煤层 软分 层 厚度、 埋深、 结构等参数预测及等值线的智能绘 制, 突出危险区域和高瓦斯区域的辅助区划, 动态瓦 斯地质图的辅助编制和自动更新, 区域措施 保护层 开采、 抽放 效果的辅助分析和评价。煤层瓦斯地质 图见图 1, 瓦斯压力等值线自动更新效果图见图 2 。 2 . 2 瓦斯涌出分析系统 在与综合监控系统无缝连接的环境下, 自动采 集、 深度挖掘和分析瓦斯监控数据, 应用瓦斯涌出动 态预警指标进行突出危险性、 瓦斯积聚和瓦斯爆炸 危险性超前预警。另外, 为现场技术人员提供了一 套监控数据分析的专业软件工具, 以便深入分析采 掘期间的各种瓦斯涌出特征。瓦斯涌出预测突出危 险的实例见图 3 。 图 3 瓦斯涌出指标预测突出危险 芦岭煤矿 827机巷 - 4 掘进期间实例 2 . 3 动态防突管理与分析系统 主要功能为防突报表与资料信息化管理, 突出 预测与措施钻孔的计算机辅助设计, 防突预测参数 智能分析与评价, 防突措施 主要是钻孔 的效果与 缺陷辅助分析, 突出危险性超前预警, 超掘超采预 ∀61∀ 中国煤炭学会煤矿安全专委会 2009年 学 术研 讨 会论 文 集矿业安全与环保 第 36卷增刊 2009年 8月 警, 防突措施隐患预警, 基于局域网的措施审批等。 煤层巷道掘进综合防突指标动态分析成果见图 4 。 图 4 煤层巷道掘进综合防突指标动态分析 2 . 4 地质测量信息管理系统 地质测量信息管理系统是矿山井巷数字化的基 本工具, 也是用户编辑、 浏览、 查询矿图要素的基本 平台, 是预警系统建设的图形化工具。该系统为基 于三维 GIS的矿井数字化处理方法, 具有矿图编绘 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、 矿图要素查询与统计等功 能。另外, 还实现了矿图要素的专业符号化、 采掘工 作面自动延伸、 矿图与 CAD格式转换、 空间数据和 属性数据统一存储与交互查询、 智能识别与分析等 功能。矿图编辑主程序界面见图 5 , 用于巷道自动 延伸监测的本安型激光测距仪见图 6 。 2 . 5 瓦斯抽放综合管理与分析系统 主要功能包括瓦斯抽放系统图的专业绘制、 抽 放钻孔的计算机辅助设计、 抽放钻孔施工图绘制与 分析、 抽放效果辅助分析 包括曲线和指标分析 、 产 能预测与抽放设计辅助决策、 抽放信息化管理等。 抽放工程辅助设计界面见图 7 。 图 7 抽放工程辅助设计界面 2 . 6 通风信息管理与动态网络解算系统 主要功能为通风信息化管理, 通风系统数据库 建设, 动态通风网络解算, 辅助分析通风系统的拓扑 结构, 辅助 自动 绘制通风网络图, 通风系统优化辅 助决策, 通风隐患预警, 瓦斯爆炸预警等。通风网络 实时解算界面见图 8 。 图 8 通风网络实时解算界面 松藻渝阳煤矿实例 2 . 7 其他系统 除了上述各系统以外, 还有瓦斯灾变预警与辅 助决策系统、 矿井火灾预警系统、 安全隐患管理与分 析系统等。 3 数据采集 瓦斯灾害预警系统的运行要以规范的资料管 理、 信息共享为基础。数据采集采用 2种方式 一是 对综合监控系统的所有数据实行自动采集; 二是根 据上述相关信息化系统进行人工输入。在各部门的 信息化建设及人工输入数据方面, 既可以选择预警 ∀62∀ 中国煤炭学会煤矿安全专委会 2009年 学 术研 讨 会论 文 集矿业安全与环保 第 36卷增刊 2009年 8月 系统的信息化软件系统, 也可以采用其他信息化系 统 或者直接采用 Excel 、 Word 、 WPS软件等 , 只要 公开了关键数据的访问接口, 预警系统就可以进行 相关数据分析和挖掘。相关数据在预警系统中的数 据流程见图 9 。 图 9 预警系统中的数据流程 4 实现综合预警与发布 综合预警平台根据各子系统上传的信息, 自动 挖掘数据资源并进行深度分析, 根据既定预警规则 和判据, 对工作面瓦斯灾害危险状态和发展趋势进 行实时判断, 也可实现与综合自动化 监控 系统的 联合控制。预警判据极为复杂, 包括井巷工程的空 间距离判识、 工作面与高瓦斯赋存 突出危险 区域 的空间距离判识、 高应力集中区域及集中程度的解 算、 工作面多参量综合突出预警、 通风网络稳定性及 状态实时解算等, 必须依赖专用计算机服务器才能 完成这样大量的实时解算和监测预警。综合预警结 果展示程序界面见图 10。 不同的灾害类型、 等级、 危害程度都要进行超前 预警及预警信息的及时发布, 预警等级用不同的文 字和颜色表示, 相关监管机构、 技术管理人员、 涉险 图 10 综合预警结果展示程序界面 松藻渝阳煤矿实例 人员、 救护人员、 后勤保障人员等都要时刻高度关注 瓦斯灾害的现状。预警发布方法包括井上下声光报 警、 危险性 灾害 的发展趋势报告、 电话报告、 手机 短信报警、 媒体通报等方面。预警信息的提取、 传输 和发布的网络构架见图 11 。 图 11 预警计算机系统与网络构架 致谢 瓦斯灾害预警技术及计算机系统为煤炭 科学研究总院重庆研究院瓦斯防灭火研究分院及预 警研究所的共同研究成果, 长期得到国家科技部、 发 改委、 安监总局、 煤炭科学研究总院等的大力支持, 在此一并致谢。 责任编辑 吴自立 上接第 59页 需要调整钻头的方向, 实现定向钻进; 对环境污染 小, 不会造成水资源的消费。由于钻进方向可调的 高压气射流钻具属于新型的专利产品, 又具有以上 诸多明显优于传统钻具的优点, 因此可以广泛应用 于井下煤层气抽采钻孔的施工、 岩土钻掘工程, 以及 非开挖水平定向钻进铺管施工等矿山工程领域, 具 有广阔的应用前景。 参考文献 [ 1] 徐洪展, 姚宁平, 殷新胜, 等. 近水平长钻孔钻机的设计 及应用 [ J]. 煤炭科学技术, 2002 5 28- 30. [ 2] 马沈歧. 孔内煤与瓦斯突出机理与钻进工艺 [ C] //世纪 之交煤矿地质学 术论文集. 西安 西安地图出版 社, 1990. [ 3] 冯德强. 钻机设计 [M ]. 武汉 中国地质大学出版社, 1993. [ 4] 马沈歧, 王彦红. 非平衡钻进中的钻具问题 [ J]. 煤田地 质与勘探, 2000, 286 60- 62 . [ 5] 逄 锦伦. 钻进 方向 可调的 高压 气射流 钻具 中 国, 200720124200. 3[P]. 2008- 02- 20. 责任编辑 吕晋英 ∀63∀ Vol. 36 Supple ment2009M INING SAFETY the tunneling machine can provide high- pressure oil quantity and pressure required for nor mal operation of the hydraulic dust collector and the step- less speed regulation of the dust col lector ban be achieved by regulating the high- pressure oil quantity; and the matching dust removal system runs reliably ,its dust removal efficiency rea ches 90 . 1 and good dust remova l effect is obta ined . Study on Sensitive I ndex andCriticalValue forOutburst Prediction in Enhong CoalM ine 82 - Coal and gas outburst is one of the major disasters in En hong CoalM ine. The elemental parameters and relevant prediction values of gas in C9 coal seam of thism ine were obta ined through laboratory study ,on - the- spot measurement and site data statistics ,and on this base,study was carried out on the sensitive inds and critical values for coa l and gas outburst prediction of C9 coal seam of thism ine, and fina lly the appropriate sensitive inds and critical valueswere obta ined . Complex Gas ControlT echnique forFullyM echanized CoalFace with Serious OutburstHazard 85 - 827- 1 fully mechanized face is a face in the top slice ofNo. 8 seam that first adopted fully mechanized m ining techno logy in Luling CoalM ine since the founding of the m ine,and this fully mechanized face is facedw ith complicated geologic conditions and the threaten of double - outburst hazard . For solv ing the problem of large gas emission from the face during coal extraction and preventing the occurrence of coal and gas out burst accident ,stereoscopic gas control measures were adopted ,including advance gas pre- drainage, gas drainage while driving and synchronized gas drainage and extraction ,the use of these measures altered the gas occurrence state in the face section, reduced coal- body gas content , pressure and emis sion of the face , made the gas concentration in them ining roadway keeping in the range of 0 . 2 0 . 5 , and thus assured the safe extraction of the face. Study on G as Emission Regularity before Outburst inHeading Face 115 - The dynam ic monitoring of gas em ission is a pri mary develop ment orientation of non- contact continuous prediction of coal and gas outburst in the future . This paper deeply dissected the obv ious abnor mal behaviors in the early stage of coal and gas outburst occurrence by analyzing the gas monitoring data of several typical coa land gas outburst accidents occurred in recent years in our country, deeply analyzed the potential outburst danger according to the gas e m ission characteristics of the outburst accidents , and put for ward new meas ures for the prevention and control of coal and gas outburst . Complex Prevention and Control Techniques for Coal and Gas Outburst in Y angjia CoalM ine 139 - Coal and gas outburst isof tremendous destructi bility and has serious influence on safe production in coalm ines . So the pre vention and control of coal and gas outburst are very i mportant in coalmines and also a difficult point in safetymanagement of the mines ,the reliability of outburst- prevention measures should not only be taken into consideration , but also the economy and rationality of them. To counter the gas occurrence and geological conditions of coal seams in Yangjia Coal M ine ,this paper made divisions of different outburst regions and put for ward the complex pre vention and control technique for coaland gas outburst . In actualproduction , this complex prevention and control technique has gotten better results and thus provided reliable technical guarantee for efficient and safe production in coalmine . Probing into Desulfurization Techno logy forCirculating Sulfurized- bed Bo il er in PowerP lant ofYangchang CoalM ine 163 - This paper discussed the desulfurization principle of the sulfurized- bed bo ilerand themain factors in fluencing desulfurizing efficiency, which include the influences of the boiler bed ,the calcium- sulfur ratio and the particle size of li mestone ,the influ ence of desulfurizing agent on the ex istent boiler and aux iliary equipment after it was added ,the constitution and contro lway of desulfurization system,oth er influence factors aswell as the influence of circulating multiple. The paper also put for ward some key problemsneed for attention in desulfurization trans for mation of the sulfurizing- bed boiler and analyzed the influence of the des ulfurization system on the desulfurizing efficiency. Technical Progress of D irectM easurementM ethod for Coal- seam G as Con tent in OurCoalM ines 180 - V arious kinds of directmeasurementmeth ods presently used for coa l- seam gas content are subjected to the influence of coring technology and calculation model of loss amount and have some shortcom ings such as poor accuracy and low success rate. Through a series of technical attack,the new directmeasurement technique for coal- seam gas content broken through two technical barriers of coring and calculation of loss amount ,the sampling devices suitable for different sampling conditions were developed and five kinds of calculation models for loss amount were estab lished .It was verified by the experi ments that the average error is not larger than 7 when rapid direct measurement technique for coal- seam gas con tent is used and it can meet the engineering demands . Safety Strategy andKey T echnique forAccidentPrevention ofM echanical and Electrica lEquipment and Ho isting andHaulage Syste m in CoalM ine 200 - This paper analyzed and summarized the ma jor reasons and preventive counter measures for the accidents ofmechanical and electrical equip ment as well as hoisting and haulage systems according to the statistics and investiga tion on safety accidents in coalmines . The paper also discussed the key safety techniques for ensuring safety ofmechanical and electrical equipment aswell as ho isting and haulage systems and their development trend, which are of great significance for enhancing the level of safety management and the capa bility of preventing accidents in coal industry and for mulating and i mplemen ting the strategic program of the nationa l 12th five- yearplan of science and technology in m ine safety. Safety uation ofRoof- bolt Coal Roadway Based on FaultT ree Analysis 220 - Fault tree analysis is an effective safety uation ,it has the advantages of si mple,clear thinking and strong log icality for describing the accident∃ s causality. The use of this can not only analyze the di rect cause of accidents , but also deeply reveal the potential cause leading the occurrence of accidents . This was used for roof safety uation of roof- bo lt coal roadway,through analysis ,we obtained the basic causes leading the occurrence of various accidents and their i mportance degree and defined the main hidden danger causing roof fa ll of roof- bolt coal roadway , so it has i mportant theoretical and practical significance for opti m ising the de sign of roof- bo lt coal roadway.