基于時序預(yù)測法的瓦斯抽采鉆孔管理系統(tǒng)研究

黃靜靜

（長平煤業(yè)公司，山西 晉城 048006）

長平煤業(yè)公司位于沁水煤田高平勘探區(qū)，目前主采3號近水平煤層，平均厚度5.58 m。主采區(qū)為四盤區(qū)，瓦斯含量4.5～15.09 m3/t，定為高瓦斯礦井。3號煤透氣性系數(shù)λ=0.011 6～0.052 0 m2/（MPa2·d），瓦斯衰減系數(shù)α=0.110 1～0.113 7 d-1，屬于較難抽采煤層。2012年瓦斯抽采濃度約17%，礦井瓦斯抽采量20 m3/min左右。通過一系列改進工作（提高封孔質(zhì)量（二次封孔）、加大封孔長度(10～12 m)、主管加裝防漏氣裝置、支管接頭使用防水自粘膠帶包裹、關(guān)閉低濃度鉆孔等），目前濃度保持在25%左右，礦井瓦斯抽采量25 m3/min。2013年4月改造工程中，關(guān)閉部分低濃度鉆孔，使目前的抽進尺下降、影響了些抽采效果，延緩了部分頭面采掘進度。

目前，鉆孔施工參數(shù)及抽采參數(shù)等信息，主要是臺賬形式管理，其缺點是：浪費勞動力，不易維護，不利于數(shù)據(jù)統(tǒng)計和分析。因此設(shè)計了瓦斯抽采鉆孔信息管理系統(tǒng)，使鉆孔信息實現(xiàn)系統(tǒng)化、精細(xì)化管理，并建立周期內(nèi)鉆孔瓦斯可抽采量預(yù)測模型，結(jié)合孔口調(diào)控閥三級管理機制，實現(xiàn)了可抽采瓦斯量與抽采能力相匹配，既保障了單孔濃度，又延長了預(yù)抽時間。

1 瓦斯抽采鉆孔信息管理的系統(tǒng)設(shè)計

瓦斯抽采鉆孔智能化信息系統(tǒng)流程圖，見圖1。①智能化板塊成孔分析：經(jīng)分析鉆孔的傾角、方位角、開孔高度、煤段長度、鉆機型號及其對用的成孔率，總結(jié)出適合該區(qū)域的鉆孔參數(shù)及鉆機型號，用以指導(dǎo)鉆孔施工。②另一智能化模塊，通過建立鉆孔瓦斯可抽采量預(yù)測模型，計算出下一時間段鉆孔瓦斯流量，并經(jīng)孔口調(diào)控閥調(diào)控機制進行判斷，計算出合適的開啟角度，實現(xiàn)鉆孔可抽采瓦斯量與抽采能力及單孔瓦斯抽采參數(shù)相匹配；并用鉆孔普查結(jié)果對預(yù)測參數(shù)進行優(yōu)化，改進下一周期的預(yù)測準(zhǔn)確性。③統(tǒng)計子板塊包括：總進尺、在抽進尺、煤段進尺、平均百米流量等參數(shù)的統(tǒng)計。④圖2為軟件主界面，圖3為鉆孔參數(shù)信息錄入界面。

圖1 瓦斯抽采鉆孔智能化信息管理系統(tǒng)流程圖

圖2 瓦斯抽采鉆孔信息管理系統(tǒng)主界面

圖3 鉆孔參數(shù)信息錄入界面

2 抽采鉆孔瓦斯流量的預(yù)測方法

抽采鉆孔瓦斯流量是綜合指標(biāo)，反映煤層破壞程度、瓦斯壓力和含量、媒體應(yīng)力及透氣性等[1]；直接關(guān)系著鉆孔抽采煤層瓦斯涌出量及其涌出初速度的判定，是礦井抽采設(shè)計和抽采效果的重要依據(jù)[2]。通過抽采鉆孔瓦斯流量預(yù)測，可以選擇合適抽采參數(shù)、達到最佳抽采效果。

1）抽采鉆孔瓦斯流量預(yù)測的方法選擇。目前的預(yù)測方法有：神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、多變量灰色模型[3]、灰色馬爾科夫模型[4]等。①神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法的應(yīng)用較廣，但因其“黑箱”式學(xué)習(xí)模式，不易被解釋、不易對預(yù)測數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計檢驗，而且訓(xùn)練中需要大量原始數(shù)據(jù)（數(shù)據(jù)不足時預(yù)測結(jié)果不準(zhǔn)確），且其學(xué)習(xí)算法理論也有缺陷。②灰色模型法認(rèn)為：鉆場中各鉆孔瓦斯流量與其周圍煤巖的滲透性、強度、瓦斯壓力、地應(yīng)力等因素之間是灰色的非線性關(guān)系[5]，預(yù)測精度相對較高，但因其前期需要大量基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，現(xiàn)場操作存在困難（相鄰兩孔的基礎(chǔ)參數(shù)可能千差萬別，若對每個鉆孔進行參數(shù)測定，耗費人力物力很大）；再者由于不同指標(biāo)的重要性對預(yù)測結(jié)果的影響不同，要對各種指標(biāo)進行賦權(quán)，又會因各個鉆孔的不同特性而使賦權(quán)方法很難統(tǒng)一確定。③本系統(tǒng)采用經(jīng)典時序預(yù)測法[6]，通過積累前期數(shù)據(jù)，然后進行數(shù)學(xué)分析，得出相對穩(wěn)定的發(fā)展趨勢。采用此法的原因有：新鉆孔前期的濃度、流量均有一定保障。經(jīng)現(xiàn)場數(shù)據(jù)分析前兩周的濃度和流量基本可保持在平均水平之上，這一階段的流量變化會因鉆孔不同而不同，說明各鉆孔的瓦斯流量衰減系數(shù)不同，可將此時數(shù)據(jù)整理分析，計算出各鉆孔的瓦斯流量衰減系數(shù)。再者，鉆孔抽采瓦斯過程中，抽采流量基本符合指數(shù)衰減規(guī)律[7-8]，可用時序預(yù)測法實現(xiàn)瓦斯流量的模擬及預(yù)測。

2）抽采鉆孔瓦斯流量預(yù)測模型建立：經(jīng)典時序預(yù)測法需要建立指數(shù)平滑模型。通過前期累計數(shù)據(jù)算出鉆孔瓦斯衰減系數(shù)，利用計算結(jié)果預(yù)測下一周期瓦斯涌出量，具體過程基于徑向流理論[9]，使用負(fù)指數(shù)公式，描述鉆孔瓦斯抽采的衰減規(guī)律：

式中:qt為經(jīng)過時間t的100 m鉆孔瓦斯流量，m3/（min·hm）；q0為100m鉆孔初始瓦斯流量，m3/（min·hm）；qα為目標(biāo)鉆孔瓦斯流量，m3/min；e為自然對數(shù)底，取2.718 28；α為100 m鉆孔瓦斯流量衰減系數(shù)，L/d；t為瓦斯排放時間，d；L為目標(biāo)鉆孔孔長，m。

由式（1）進行推導(dǎo)可得出衰減系數(shù)α：

得到衰減系數(shù)后，再經(jīng)式（1）預(yù)測出下一周期的鉆孔瓦斯流量。

3 孔口調(diào)控閥的管理機制

當(dāng)瓦斯抽采鉆孔中單位時間內(nèi)的可抽出瓦斯量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于鉆孔抽采能力時，就會導(dǎo)致鉆孔瓦斯?jié)舛却蠓认陆?。?jù)此特點，結(jié)合單孔封孔嚴(yán)密性及長平煤礦實踐經(jīng)驗，設(shè)計了孔口調(diào)控閥三級調(diào)控機制，其參數(shù)如表1所示；當(dāng)鉆孔濃度或預(yù)測流量小于臨界值時，調(diào)控閥開啟到表1對應(yīng)角度。圖4為43062巷鉆孔流量預(yù)測結(jié)果的部分?jǐn)?shù)據(jù)。

表1 調(diào)控閥開啟角度、參數(shù)臨界值對應(yīng)表

4 結(jié)論

一般工程實踐中，鉆孔抽采瓦斯基本符合指數(shù)衰減規(guī)律，但因地質(zhì)條件復(fù)雜，會使鉆孔瓦斯衰減系數(shù)差異很大；通過科研項目測得的瓦斯衰減系數(shù)也是一個范圍值，難對單孔瓦斯流量進行準(zhǔn)確預(yù)測。因此系統(tǒng)通過單孔抽采瓦斯數(shù)據(jù)庫，根據(jù)各鉆孔的特性，利用計算機算出各鉆孔的瓦斯衰減系數(shù)，建立瓦斯流量預(yù)測指數(shù)平滑模型，再經(jīng)孔口調(diào)控閥調(diào)節(jié)，使可抽采瓦斯量與抽采能力相匹配，達到單孔瓦斯抽采參數(shù)優(yōu)化的目的，實現(xiàn)了瓦斯抽采系統(tǒng)的精細(xì)化管理。

[1]劉澤功,袁亮,戴廣龍，等.開采煤層頂板環(huán)形裂隙圈內(nèi)走向長鉆孔法抽采瓦斯研究[J].中國工程學(xué),2004,6（5）:36-37.

[2]張春華，劉澤功.基于MATLAB的灰色預(yù)測系統(tǒng)及其對抽采瓦斯鉆孔流量的數(shù)值模擬[J].中國安全科學(xué)學(xué)報,2007,17（4）:52-55.

[3]張春華，劉澤功.多變量灰色模型及其在鉆孔瓦斯流量預(yù)測中的應(yīng)用[J].中國安全科學(xué)學(xué)報,2006,16（6）:50-54.

[4]陳釗，徐阿猛.基于灰色馬爾科夫模型的鉆孔瓦斯流量預(yù)測[J].中國安全科學(xué)學(xué)報,2012,22（3）:79-85.

[5]呂貴春,馬云東.礦井瓦斯涌出量預(yù)測的灰色建模法[J].中國安全科學(xué)學(xué)報,2004,14（10）:22-24.

[6]周毓萍,徐光.時序法預(yù)測股市的新途徑[J].鄭州航空工業(yè)管理學(xué)院學(xué)報（管理科學(xué)版）[J].2004,2（4）:21.

[7]張鐵崗.礦井瓦斯綜合治理技術(shù)[M].北京:煤炭工業(yè)出版社,2001（3）:293-294,314.

[8]柏發(fā)松.煤層鉆孔瓦斯流量的數(shù)值模擬[J].安徽理工大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版）,2004,24（2）:11-12.

[9]周世寧，林柏泉.煤層瓦斯賦存與流動理論[M].北京:煤炭工業(yè)出版社，1999.