高產高效礦井煤與瓦斯突出遠近場協同預測技術

蒲 陽

（1.瓦斯災害監控與應急技術國家重點實驗室，重慶400037；2.中煤科工集團重慶研究院有限公司，重慶400039）

在供給側結構性改革的時代背景下，建設現代化高產高效礦井成為煤炭企業轉型升級的必由之路，而煤與瓦斯突出礦井追求高產高效則加深了生產與防突之間的矛盾，這是因為：一方面，工作面的快速推進造成采掘應力、瓦斯涌出等因素的快速變化，使得突出危險性演化規律更加復雜多變，突出災害嚴重程度、防治難度均大幅增加；另一方面，突出防治需要投入大量工程施工，占用生產時間，制約生產效率的提高。在現有的技術條件下，要緩解高產高效礦井生產與防突之間的矛盾，必須以提升突出預測技術為前提，因為只有預測做好了，突出防治才能做到有的放矢、事半功倍?，F行的突出預測方法按照參數測定方法不同可分為接觸式和非接觸式2 類。其中，接觸式預測方法主要指鉆屑解吸指標法[1]，該方法是目前應用最成熟、最廣泛的預測方法，但是在高產高效礦井，其效率低、不全面、不連續等不足也日益凸顯；非接觸式預測方法主要指以電磁輻射、聲發射等為代表的聲電預測方法[2-3]，以及基于瓦斯涌出的預測方法[4]，該類方法在連續性、便捷性方面具有明顯優勢，但也存在數據濾噪困難、預測指標較為單一等不足。為此，從突出演化的時空關系角度構建遠近場協同預測技術體系，基于GIS 平臺開發專業的預測軟件系統，全方位、全過程把控礦井及工作面突出危險性，在此基礎上實現精準、高效防突，使高產高效礦井防突與生產不再相互制約。

1 技術體系

針對目前煤與瓦斯突出危險性預測方法存在的超前性不足、不全面、不連續、效率低等諸多不適應于高產高效礦井的缺陷，將以陽煤集團幾對主力礦井為例，從時空關系角度建立突出危險性遠近場協同[5-6]預測技術，彌補上述技術缺陷，為高產高效礦井防突工作提供技術支撐。

1.1 遠場預測

遠場預測具有時間、空間雙重屬性，但側重點在空間屬性。在空間屬性方面，該技術主要通過構建瓦斯場、應力場、地質構造場及防突措施場，從宏觀層面把控影響突出的區域因素。遠場預測的時間屬性主要體現在對遠場的超前感知、超前警示，并隨著采掘條件的變化或防突措施的施行，實現4 個場作用范圍的動態更新。

1）瓦斯場構建。瓦斯場構建主要通過對瓦斯含量（壓力）與煤層埋深、煤層厚度等因素的相關關系分析，掌握瓦斯賦存整體規律，最終以瓦斯云圖、等值線圖、等級區劃圖等形式展現。陽煤集團新景礦、新元礦、五礦等礦井原始瓦斯含量均與煤層埋深呈正相關關系，隨著煤層埋深的增大，煤層總體瓦斯賦存呈增大趨勢，根據此關系并借助GIS 技術，將區域瓦斯賦存情況分區、分級，形成反映瓦斯分布強弱及影響范圍的瓦斯場。

2）應力場構建。應力場構建主要是采用數值模擬、應力集中系數法、應力監測等方法，圈定采掘應力集中區、煤柱區及采掘應力疊加區等區域。在陽煤集團新景礦，處于3#煤層煤柱影響區內的8#煤層采掘工作面實測K1值超標次數明顯多于其它區域。根據數值模擬，并參考礦井生產經驗，確定新景礦采掘應力場的作用范圍為：采煤工作面60～80 m，掘進工作面20～30 m；對于鄰近層煤柱應力場作用范圍，參照《防治煤與瓦斯突出細則》中卸壓角大小及礦井生產經驗確定。

3）地質構造場構建。地質構造場構建主要分為2 部分內容：第1 部分是圈定探明構造區、物探異常區及其影響范圍；第2 部分是宏觀把控煤厚分布、軟分層分布等煤層賦存情況。對于已探明構造或是物探異常區，通過數字化創建地質構造場，當向地質構造場推進時，根據工作面所處位置地質構造場的強度，進行分類分級、動態警示。根據統計，新景礦發生過的200 余次瓦斯突（噴）出事故中，60%以上發生在地質構造影響區，經過考察，陽泉礦區突出危險性主控地質構造類型有斷層、沖刷帶及向斜，各構造類型的影響范圍為：落差小于10 m 的斷層，影響范圍為15 m，落差大于10 m 的斷層，影響范圍為30 m；沖刷帶影響范圍為構造內部及輪廓線外延20 m區域；褶皺構造影響范圍為軸部兩側各30 m 區域。煤層賦存異常也會造成突出危險性增大，其臨界值為：煤層厚度變化超過25%，或是軟分層厚度超過0.3 m。

4）防突措施場構建。防突措施場構建內容主要包括瓦斯抽采效果、保護層開采效果及防突措施施鉆效果[7]。其中，瓦斯抽采效果評價主要通過抽采監測數據及區域瓦斯賦存情況，綜合分析瓦斯抽采達標情況；保護層開采效果評價主要基于GIS 技術，動態辨識保護層開采超前距離及其影響范圍；防突措施施鉆效果評價主要通過獲取鉆孔軌跡數據，運用核密度法分析鉆孔在三維空間中的密度分布，自動圈定措施鉆孔控制范圍、空白帶等區域。

1.2 近場預測

近場預測同樣具有時間、空間雙重屬性，但側重點在時間屬性。該技術以突出演化的時間關系為主線，通過動態獲取瓦斯、礦壓監測實時數據，提取能夠反映工作面突出危險性的特征指標，建立基于瓦斯涌出特征、礦壓監測特征的突出預測技術，實現對工作面突出危險性的連續預測。近場預測的空間范圍為工作面前方卸壓帶、集中應力帶[8]以內。

1）基于瓦斯涌出特征的突出預測技術。陽泉礦區突出預測敏感指標為瓦斯解吸指標K1，而瓦斯監測特征指標A、B 與K1值變化及現場觀測情況一致，如實反映了工作面實際突出危險性大小，據此確定A、B 指標為基于瓦斯涌出特征的突出預測指標。A 指標反映工作面前方5～10 m 范圍以內可解吸瓦斯含量，B 指標反映工作面前方煤體的物理性質，2 種指標組合使用，同時監測煤與瓦斯突出的2類致災因素，能夠有效提高預測準確性。A、B 指標與K1值的變化關系如圖1。

圖1 A、B 指標與K1 值的變化關系Fig.1 Relationship between indexs A, B and index K1

2）基于礦壓監測特征的突出預測技術。陽泉礦區3#煤瓦斯突（噴）出約有90%發生在回采工作面，通過分析新景礦采煤工作面礦壓監測數據發現，礦壓的異常增大會造成瓦斯涌出量的增大，且礦壓的異常增大超前瓦斯涌出量增大約1～2 d，礦壓變化與瓦斯涌出關系如圖2。因此，可以利用礦壓監測特征來預測采煤工作面突出危險性。技術根據加權平均、差值法等多種數學算法及現場經驗綜合濾噪，采用R/S 分析法建立礦壓監測特征預測指標，同時，綜合考慮工作面周期來壓、片幫、頂板下沉等礦壓顯現特征，構建礦壓監測特征預測模型。

1.3 遠近場預測的有效融合

圖2 礦壓變化與瓦斯涌出關系Fig.2 Relationship between mine pressure change and gas emission

遠場預測構建了瓦斯場、應力場、地質構造場與防突措施場，實現了對突出影響因素的宏觀把控，側重空間維度；近場預測基于瓦斯、礦壓監測數據，動態辨識工作面實時突出危險性大小，側重于時間維度。只有將遠近場多元數據進行有效融合，才能夠從時空關系角度獲得對工作面突出危險性大小的最佳一致估計。技術通過2 種途徑實現遠近場預測的有效融合：①借助GIS 技術，將瓦斯場、應力場、地質構造場與防突措施場數字化，預先定義各個場的類型、作用范圍、強弱等屬性，同時，動態跟蹤掘進、采煤工作面進度，當工作面推進至某個場的作用范圍時，遠近場聯動判識；②通過結果分級實現，遠近場預測各有一套預測指標及規則，各自生成預測結果，遠近場預測結果均按照危險程度由大到小分為一級、二級、三級，可通過預測結果實現遠近場預測的有效融合，遠近場預測融合規則見表1。

表1 遠近場預測融合規則Table 1 Fusion rules of far and near fields prediction

2 軟件系統開發

軟件系統是預測模型的載體，是遠近場預測得以實現的關鍵，軟件系統開發主要涉及基礎數據采集及存儲、專業應用軟件開發2 大方面內容。

2.1 數據采集及存儲

技術建立的遠近場協同預測方法為多角度、多因素的綜合預測方法[9-12]，所需數據來源廣泛、屬性眾多，因此必須構建科學合理的數據采集及存儲方法，以保障系統穩定、高效運行。

1）數據采集。遠場數據采集主要包括數據初始化與數據更新。遠場數據初始化是指在系統建設期間，將礦井瓦斯賦存、應力集中區、地質構造、物探異常區、煤層賦存、防突措施影響區等宏觀因素通過數字化、以“場”的形式在瓦斯地質圖上進行標注；遠場數據更新是指在系統日常運行過程中，根據實測數據，修正“場”的作用范圍或強度屬性，操作方法與初始化相同。近場數據采集通過開發專用的數據采集器，自動獲取或接收礦井安全監控系統中的瓦斯及礦壓監測數據。數據采集器采用Windows 服務方式，后臺運行，不需要人工干預。

2）數據存儲。遠近場預測涉及突出演化的時空關系，基礎數據類型主要有屬性數據、圖形圖像數據及空間關系數據，這些數據具有種類繁多、結構復雜等特征，隨著信息技術的發展，礦井采集信息的廣度、深度還將不斷拓展，因此，必須建立科學合理的數據存儲結構，以滿足對多元信息分析的需求。建立了立方體數據結構，突出預測數據立方體如圖3，立方體的3 個維度分別為時間、空間、突出危險演化特征，在數據立方體中，不同維度的組合及其對應的度量值構成相應的查詢和分析，解決了突出危險性預測多元數據分析的基本問題。對于數據庫的選擇，在綜合考慮遠近場數據融合、數據規模、安全性等因素的基礎上，采用關系型數據庫，選用Microsoft SQL Server 數據庫管理平臺。

圖3 突出預測數據立方體Fig.3 Data cube of gas outburst prediction

2.2 專業應用軟件開發

根據遠近場預測功能需求，綜合考慮煤礦相關部門專業人才配置情況，共開發5 個專業子系統，以最大程度的融入礦井管理模式，提高系統運行效率。

1）多場融合綜合分析系統。該系統主要為瓦斯場、應力場及地質構造場的構建提供支撐，其核心功能包括：瓦斯賦存規律等值線圖（或云圖）自動繪制及動態更新；工作面空間位置分析及應力集中區動態區劃；瓦斯抽采達標評價；地質構造、物探異常區屬性管理及影響范圍圈定。

2）防突措施綜合分析系統。該系統主要為防突措施場的構建提供數據支撐，其核心功能包括：鉆孔軌跡數據的自動獲??；鉆孔控制范圍的自動分析；鉆孔三維分布圖繪制；鉆孔施工合理性評價。

3）瓦斯涌出動態分析系統。該系統主要為近場預測提供瓦斯涌出數據支持，其核心功能包括：瓦斯監控數據的動態獲取及自動濾噪；瓦斯涌出預測指標的自動計算；基于瓦斯涌出特征的工作面突出危險性自動辨識與動態預測。

4）礦壓特征動態分析系統。該系統主要為近場預測提供礦壓顯現數據支持，其核心功能包括：礦壓監測數據的動態獲取及自動濾噪；礦壓預測指標的自動計算；基于礦壓顯現特征的工作面突出危險性自動辨識與動態預測。

5）瓦斯突出遠近場融合預測平臺。平臺主要實現遠近場預測的有效融合，其核心功能包括：遠近場預測融合規則定義；各子系統數據獲取與分析；以軟件平臺、短信、語音、網頁等多種形式同時發布預測結果。

3 現場應用

技術在陽煤集團新景礦、新元礦、平舒礦等多個礦井進行了推廣應用，從3 個方面考察了現場應用情況。

1）整體應用效果。選擇新景礦3 個典型掘進面3#煤南八副巷、7212 切巷及8#煤北六副巷為考察工作面，跟蹤考察4 個月，并統計了預測結果等級分布情況，不同工作面預測結果統計如圖4?？梢钥闯觯侯A測突出危險性最大的是7212 切巷，其次是南八正巷，最小的是北六副巷。而現場實際情況是：7212 切巷受沖刷帶控制，K1值頻繁超標，煤體偏軟，多次出現施鉆動力現象；南八正巷在考察期間穿過1 條斷層，過斷層期間突出危險性較大，K1值超標嚴重；北六副巷處于上部3#煤層開采的卸壓保護區內，考察期內未出現明顯異?，F象。通過對比發現，預測結果真實反映了工作面突出危險大?。ㄆ骄A測準確率達96.09%），而且還在預測的超前性、連續性方面有較大優勢。

圖4 不同工作面預測結果統計Fig.4 Statistics of prediction results of different working faces

2）典型應用案例。遠近場協同預測如圖5。新景礦3#層北九正巷在3 月20 日遠場預測結果為一級（瓦斯場為二級，地質構造場為一級），近場預測結果為一級（瓦斯指標A 超標），遠近場協同預測結果為一級。而根據現場實測，K1值達0.86 mL/（g·min1/2），且有0.5 m 厚軟分層?？梢?，本技術準確預測了工作面突出危險性，超前K1值預測2 d，且實現了動態預測。

3）與礦井防突管理結合情況。瓦斯地質評級是陽煤集團重要的防突管理手段，在整體架構設計上綜合考慮了現場應用需求，遠近場預測模型完全涵蓋瓦斯地質評級技術體系，并拓展了瓦斯地質評級技術體系的廣度、深度；還為陽煤集團定制開發了電子報表，實現瓦斯地質評級報表的自動生成。

圖5 遠近場協同之近場預測Fig.5 Far and near fields collaborative prediction

4 結 論

1）構建了遠近場協同預測技術體系?；谕怀鑫ｋU性演化的時空關系，從遠場預測方面，實現了對瓦斯場、應力場、地質構造場、防突措施場等突出影響因素的超前、動態、宏觀把控；從近場預測方面，構建了基于瓦斯、礦壓監測特征的實時、精準預測；最終通過遠近場數據的有效融合，實現了突出危險性的遠近場協同預測。

2）建立了數據驅動的遠近場協同預測模型。根據遠近場數據特征，建立了數據驅動的遠近場時空協同預測模型，開發了突出危險性遠近場預測平臺，實現了突出危險性的超前、動態預測，解決了現有預測技術不能完全適用于高產高效礦井的難題。

3）取得了較好的現場應用效果。該技術在陽泉礦區高產高效礦井進行了全面應用，實際考察預測準確率達96.09%，大幅提高了預測的超前性、實時性、全面性，升級了瓦斯地質量化評級技術體系，完全融入了陽煤集團的防突管理工作。