瓦斯涌出异常预报煤与瓦斯突出.doc

第31卷第5期 2006年10月煤 炭 学 报JOURNALOFCHINACOALSOCIETYVol.31 No.5 Oct. 2006 文章编号0253-9993200605-0599-04 瓦斯涌出异常预报煤与瓦斯突出 秦汝祥,张国枢,杨应迪 安徽理工大学资源开发与管理工程系,安徽淮南 232001 摘 要通过对掘进工作面突出前夕煤壁瓦斯浓度变化规律的研究,提出了利用瓦斯浓度变化预报煤与瓦斯突出的方法,并建立了突出预报数学模型.研究表明对瓦斯浓度序列的移动平均线、振幅、频次和方差等几个方面的综合评判,可预报掘进工作面突出的发生,并以潘一矿突出实例进行验证,表明在突出前215h瓦斯浓度变化出现异常,根据这一异常可实现突出预报. 关键词煤与瓦斯突出;异常;预报 中图分类号TD713 文献标识码A Predictingcoalandgasoutburstwmsistence QINRu2xiang,2YDepartmentofResourcesExplorationandofScienceandTechnology,Huainan 232001,China AbstractBygasfromcoalseambeforecoalandgasoutburst,aofpredictingcoalandwasproposedandmathematicsmodelswereestablished.Basedonjudgingthese2quenceofmovingaverageline,amplitude,frequencyandvarianceofgascontent,coalandgasoutburstcanbepredicted.AcaseofcoalandgasoutburstwasvalidatedinPanyiMine,andtheresultsshowthatthereisanomalybeforeoutburstintwoandahalfhours. Keywordscoalandgasoutburst;anomaly;forecast 1834-03-22法国鲁阿尔煤田依萨克煤矿发生世界上首次煤与瓦斯突出事故,从此各国学者在对煤与瓦斯突出的发生机理,预测、预报方法,以及防治措施等方面展开了深入地研究[1～3],取得了可喜的研究成果.由于煤与瓦斯突出发生的复杂性,对其机理的研究一直未能形成令人完全信服的理论.因而,寻找一种准确性高,操作简单,投入少,快速预报煤与瓦斯突出的方法,是防治煤与瓦斯突出事故研究的当务之急.本文经过大量的观测研究发现,在煤与瓦斯突出的孕育时期,掘进工作面瓦斯浓度往往发生一些规律性的变化.通过对这些规律的考察,提出利用掘进工作面瓦斯浓度的变化预报煤与瓦斯突出的方法.1 方法的提出 煤矿安全规程规定,高瓦斯矿井、煤岩与瓦斯突出矿井,都应装备矿井安全监控系统.但目前的安全监控系统对瓦斯方面的主要功能是监测,当被测地点瓦斯浓度超过规定浓度时,进行断电、报警,而缺乏对监测的瓦斯浓度数据作进一步分析.就已发生突出的事故来看,有些事故发生前,瓦斯浓度一直在规定的浓度范围内,如2000-05-26T1157淮南潘一矿掘进工作面发生的突出事故,突出发生前,瓦斯浓度一直未超限,最大浓度为017.事后对监测到的该工作面的瓦斯数据进行分析发现在突出215h前,瓦斯浓度数据出现了异常,瓦斯浓度的变化出现了明显的上升趋势,如图1a所示 . 收稿日期2005-11-23 作者简介秦汝祥1975-,男,江苏高邮人,博士研究生.Tel0554-6668753,E-mailrxqinaust1edu1cn 60 0煤 炭 学 报2006年第31 卷 对河南平顶山煤业集团图 1b和湖南涟邵矿业集团的 部分矿井中的突出前监测到的瓦 斯数据进行分析,也发现了类似 的规律.从图1b中可明显看 出正常掘进时期23日530以 前,瓦斯浓度变化平稳,变化幅 度非常小,最大浓度为013.但 在24日542以后,瓦斯浓度的 变化出现了异常.瓦斯浓度值明 显增大,瓦斯浓度序列呈现上升图1 潘一矿和平顶山某矿掘进工作面突出发生前瓦斯浓度变化Fig11 Gascontentofadrivingfacebeforecoal、煤岩的透气性以及工作面前方应力场等因素有关;、煤体的力学性质和地应力的综合表现.实际观测和研究发现,系.“灰色系统”,工作面瓦斯则是这一,瓦斯浓度信号构成了时间序列,,而是有着较强的顺序依赖性和前后继承性.因为工作面瓦斯的涌出受煤壁内部煤体中应力、瓦斯压力以及煤体力学性质等因素的控制,而这些因素对瓦斯的控制是连续的.这样,序列的先前状态的信号特征中必然包含后续状态的特征信息[5].也就是说,看似毫不相关的瓦斯浓度序列,其实蕴涵了煤体内部各因素的变化以及其相互关系的信息. 2 预报数学模型 为全面反映突出前夕瓦斯涌出的变化异常情况,本文利用瓦斯浓度序列的移动平均线、振幅、频次和方差来分析瓦斯浓度变化的趋势、变化幅度和一定时间内瓦斯浓度变化次数. 211 移动平均线 t-1C tCi,t-1∑i1 式中,C t为t个瓦斯浓度数据平均值;t为某时间段内序列记录数;Ci为序列中第i个记录的瓦斯浓度. [6]移动平均线能反映序列的趋势,表明事物发展的动态和瓦斯浓度在一定时期内的变化状态上升、 水平走向、下降.趋势具有稳定的特点,即趋势一旦确立,就会延续一段时间,直到外力迫使其改变这一状况,否则趋势一直延续. 212 变动率 变动率的描述包含两方面一是序列的振动幅度,可通过振幅变化率ROSC来表示,即在一定的时间间隔内,初始时刻瓦斯涌出量与末端时刻瓦斯涌出量之间的相对变化率;另一方面是序列的变化次数,可通过频次变化率ROFC来表示,即在一定的时间间隔内瓦斯浓度变化的次数.这两方面的综合,描述了瓦斯浓度变化的实际情况.振幅变化率可通过ROSCn[CTmax-CTmin/CTmax]100计算,其中ROSCn为n时间段内的振幅变化率;CTmax,CTmin分别为时间间隔内瓦斯浓度的最大值和最小值.频次变化率ROFCfCt-n-t,其中Ct-n-t为从t-n时刻起到t时刻的瓦斯浓度;f表示取变化次数.213 方差 第5期秦汝祥等瓦斯涌出异常预报煤与瓦斯突出60 1 μ2tiC,t∑i1S2t-tC1∑i1i-μ,2其中μ为序列的样本均值;S为序列的样本方差.方差反映的是序列的离散程度,即各值偏离均值的程 [7]度.方差越大,瓦斯浓度变化幅度越大;反之越小.当监控系统采用变值变态的读数方式时,对于在一定的时间间隔内,瓦斯涌出变化频繁,表现在序列中就是读数值的数量较多;而对同一时间间隔内,瓦斯涌出稳定,则读值数量较少.以正常和异常两种情况同时期的均值相等为前提,不难理解,异常时的方差要远大于正常时的方差.由此可见,一定时间步长的瓦斯浓度值的方差表明了瓦斯涌出的变化程度.3 应用实例 潘一矿是一座设计年产300万t的大型矿井,目前主采煤层为8煤、13-1煤、11-2煤.3个煤层均 3为突出煤层,瓦斯含量分别为5～6,12～22,410～715m/t,且均发生过煤与瓦斯突出,其中13-1煤 15次,11-2煤1次,8煤1次.现以2000-05-26突出的监测系统中瓦斯浓度数据分析为例.311 移动平均线分析 图2a为潘一矿突出前 夕瓦斯浓度移动平均线.由于 该工作面是2000年的掘进工 作面,监测系统中有关该工作 面的瓦斯数据已不存在,斯浓度变化趋势,取了该矿同一煤层的某一掘进 工作面数据进行分析,如图 2b所示.从图2可看出, 正常掘进工作面的瓦斯涌出的 趋势是一平稳水平线,而突出 前夕瓦斯涌出呈现上升趋势. 图3a中振幅的变化从 总体上可分为4个阶段,即平 稳-上升-下降-上升,呈 “W”形态势发展.最初的平 稳阶段振幅的最大值为0125, 而到了111220振幅上升到了015,随后又开始下降至谷底011,这一下降过程时间较短,仅10min左右,紧接着振幅冲向新的峰值,直至突出.另外由于振幅的处理过程没有剔除原始序列的趋势性信息,因而其曲线也包含了瓦斯浓度变化的趋势,表现为正常时期图3b振幅的变化是围绕着一近乎水平的直线波动,而突出前夕振幅的变化表现为围绕某一曲线摆动,且趋势增加. 312 变动率频次分析 图4为淮南潘一矿掘进工作面瓦斯涌出变动率频次分析曲线.由图4可看出无论是正常时期还是突出前夕,频次随时间间隔的增大而增大.因为KJ66系统采用变值变态的数据记录方法,时间间隔越长,时间间隔内的记数样本元素就会越多,频次也就表现为增大,但突出前夕与正常时期的增大幅度和变化形式存在着明显的区别,突出前夕的表现是一逐渐增加的曲线,而正常时期,频次的变化是平稳的,变动幅度不是很大;突出前夕的频次平均至少比正常时期大3次/min图4a,b,甚至大6次/min图4c,d.这就说明在突出的发生前夕,瓦斯浓度的变化是频繁的,而且越靠近突出发生时刻, 60 2煤 炭 学 报2006年第31卷变化越频繁.根据这一规律,可以认为,当5min内瓦斯浓 度变动频次超过20次时,则有 可能突出. 313 变动率方差分析 图5为淮南潘一矿掘进工 作面瓦斯涌出方差分析.从中 可看出方差在突出前夕的表 现极为明显.正常时期方差表 现较为平稳,不会超过0125, 而突出前夕方差的变化比较强 烈,达到1,甚至达到1125; 同时突出前夕的方差明显有增 长的趋势,图5a中3个峰 值依时间顺序逐渐增高,而图 5b中显示的方差几乎为 零,也就是说,正常时期瓦斯 浓度变化偏离浓度均值的程度 很小;而图5a偏离浓度均值的程度很大. 4 结 论 掘进工作面煤与瓦斯突出 发生的孕育过程中,一般有瓦 斯浓度变化异常,根据异常表 现的特征能够发现并找到突出 预报的方法.突出在均值线上 反映为较强的上升趋势,同时在突出发生之前,瓦斯浓度的变化具有几个明显的阶段平稳阶段、上升阶段和突出阶段.频次和方差在突出的前夕表现显著,频次在突出前夕主要表现为变化次数随突出的来临巨增,根据已有资料分析,当5min的瓦斯浓度变动频次达到20次时,可能有突出即将发生;方差在突出前夕一方面是变化量陡增,另一方面其变化还具有增长趋势.可认为当方差超过015时,有突出的倾向.参考文献 [1] 曾庆阳.矿井通风监测技术预报煤与瓦斯突出初探[J].煤炭工程师,1994428～30. [2] 苏文叔.利用瓦斯涌出动态指标预测煤与瓦斯突出[J].煤炭工程师,199651～7. [3] 王 凯,俞启香,郭立稳.钻孔瓦斯动态涌出特征及其与突出危险的关系[J].中国矿业大学学报,1998,27 3257～260. [4] 张国枢.通风安全学[M].徐州中国矿业大学出版社,2000. [5] 杨叔子,吴 雅.时间序列分析的工程应用[M].武汉华中科技大学出版社,2003. [6] 魏凤英.现代气候统计诊断与预测技术[M].北京气象出版社,1999. [7] 申玉兰,徐之温.经济预测[M].兰州甘肃教育出版社,1990.