楊佳麗

（同煤集團云崗礦，山西 大同 037017）

煤礦井下傳統(tǒng)的判斷煤層煤與瓦斯突出危險性的方法主要有鉆屑指標(biāo)法、復(fù)合指標(biāo)法和R值指標(biāo)法等。這些方法的主要依據(jù)是用鉆屑瓦斯解吸特征來判斷煤層瓦斯含量的高低和煤結(jié)構(gòu)，用鉆屑量來判斷地應(yīng)力和煤的力學(xué)性質(zhì)。這些方法在以往的煤與瓦斯突出預(yù)警中發(fā)揮了積極的作用。但傳統(tǒng)的煤與瓦斯突出預(yù)警均為接觸式預(yù)測方法，存在著非連續(xù)性、非實時性、人工施工鉆孔及測量誤差大等缺點?；诋?dāng)前高產(chǎn)高效礦井建設(shè)的需要，必須采用時效性、準(zhǔn)確性更佳的預(yù)警系統(tǒng)。同煤集團云岡礦基于當(dāng)前開采的7#和8#煤層地質(zhì)實況，決定采用KJ306型煤與瓦斯突出實時診斷系統(tǒng)。該煤與瓦斯突出實時診斷預(yù)警系統(tǒng)是利用煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)對突出工作面風(fēng)流中的瓦斯?jié)舛冗M行實時監(jiān)測、分析，及時發(fā)現(xiàn)突出信息并發(fā)出不同級別的預(yù)警信號，是一種實時監(jiān)測風(fēng)流瓦斯?jié)舛茸兓瘜崿F(xiàn)瓦斯突出預(yù)警的專家系統(tǒng)。數(shù)據(jù)顯示，系統(tǒng)能在突出前1～2d發(fā)出預(yù)警信號，從而為采取綜合防突措施提供了充裕的時間。本節(jié)將介紹KJ306型煤與瓦斯突出實時診斷系統(tǒng)（鑒定結(jié)果：屬國際首創(chuàng)，獲國家發(fā)明專利，重慶梅安森科技股份有限公司研制）在煤礦生產(chǎn)過程中的應(yīng)用。

1 煤與瓦斯突出實時診斷預(yù)警系統(tǒng)的組成與原理

1.1 實時診斷預(yù)警系統(tǒng)的組成

KJ306煤與瓦斯突出實時診斷預(yù)警系統(tǒng)包括：（1）礦用瓦斯突出預(yù)警裝置主機ZWT5-18Z；（2）礦用斷電儀供電主機KDGl8Z或分站電源，作為裝置的供電設(shè)備；（3）低濃度甲烷傳感器KGJ28A，作為風(fēng)流瓦斯檢測傳感器；（4）風(fēng)速傳感器GFWl5，作為風(fēng)量檢測傳感器；（5）礦用設(shè)備開停傳感器KGT30或風(fēng)筒風(fēng)量開關(guān)傳感器GFT6，作為風(fēng)機工作狀態(tài)檢測傳感器；（6）礦用本安型報警器KXBl8，用于工作面有突出預(yù)警時發(fā)出聲光報警；（7）ZWT5煤與瓦斯突出實時診斷預(yù)警系統(tǒng)分析軟件。KJ306煤和瓦斯突出實時診斷預(yù)警系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 KJ306煤和瓦斯突出實時診斷預(yù)警系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖

ZWT5瓦斯突出預(yù)警裝置作為分站接入系統(tǒng)，可將瓦斯突出預(yù)測指標(biāo)傳輸給地面中心站。每臺ZWT5可用于一個工作面的突出預(yù)警。ZWT5瓦斯突出預(yù)警裝置連接瓦斯、風(fēng)速和開停傳感器，其中瓦斯傳感器用于檢測風(fēng)流中的瓦斯含量，風(fēng)速和開停信號用來檢測工作面風(fēng)量的變化情況。ZWT5的供電可以由KDG18Z主機完成，也可以由分站電源提供。若發(fā)現(xiàn)危險或威脅信號，系統(tǒng)能立即驅(qū)動聲光報警器發(fā)出不同等級的預(yù)警信號，提醒現(xiàn)場人員撤離，同時，地面監(jiān)控中心站軟件也會發(fā)出預(yù)警，通知采取相應(yīng)防治突出措施。

不同型號的安全監(jiān)控系統(tǒng)的通信協(xié)議互不兼容，ZWT5瓦斯突出預(yù)警裝置能將突出預(yù)警指標(biāo)M、M1、M2和M3的值轉(zhuǎn)換為200～1000Hz頻率信號輸出，因此，對于任何型號的監(jiān)控系統(tǒng)都能通過系統(tǒng)自己的分站將突出預(yù)警指標(biāo)傳輸?shù)降孛嬷行恼?，由軟件設(shè)定預(yù)警閾值，也可以通過數(shù)據(jù)聯(lián)網(wǎng)方式傳送給ZWT5專用突出預(yù)警軟件。ZWT5瓦斯突出預(yù)警裝置接入其他監(jiān)控系統(tǒng)的方法如圖2所示。

圖2 ZWT5瓦斯突出預(yù)警裝置接入其他監(jiān)控系統(tǒng)的方法

1.2 瓦斯突出預(yù)警指標(biāo)

瓦斯突出預(yù)警指標(biāo)分為分指標(biāo)、綜合指標(biāo)兩種。分指標(biāo)分三組，即地壓、瓦斯和煤的破壞結(jié)構(gòu)。各分指標(biāo)中都有各自的判據(jù)，在判據(jù)中都有各自的判斷臨界值，并據(jù)此進行量化后得出三種因素的分指標(biāo)M1、M2、M3。將分指標(biāo)乘以各因素在突出過程中影響程度給予不同的權(quán)重，相加成為綜合指標(biāo)。瓦斯突出診斷流程如圖3所示。

圖3 瓦斯突出診斷流程方框圖

綜合指標(biāo)與三個分指標(biāo)之間的關(guān)系是：

式中：

C1-地壓權(quán)重；

C2-瓦斯權(quán)重；

C3-煤結(jié)構(gòu)權(quán)重；

M1-地壓分指標(biāo)；

M2-瓦斯分指標(biāo)；

M3-煤結(jié)構(gòu)分指標(biāo)。

綜合指標(biāo)最大值為1，其含義為突出危險因素所占的比例。當(dāng)工作面的突出危險因素超過0.5時（即達到50%時）煤層就有突出危險，M值越大，表明突出危險程度越高。為了便于管理，將突出危險程度分為兩級，即威脅級和危險級。當(dāng)小于0.5時，工作面的突出危險綜合因素較小，還達不到發(fā)生突出所需要的基本條件，為安全狀態(tài)。其劃分標(biāo)準(zhǔn)見表1。

表1 綜合指標(biāo)（M）預(yù)警危險等級劃分表

2 煤與瓦斯突出實時診斷預(yù)警系統(tǒng)的功能分析

煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)實時采集的瓦斯數(shù)據(jù)進行過濾處理并施行實時診斷分析（當(dāng)出現(xiàn)異常，10min后就可診斷出結(jié)果）后，診斷結(jié)果若出現(xiàn)危險或威脅，及時發(fā)出不同等級的預(yù)警信號，提醒工作人員采取相應(yīng)防治突出措施。同時也可對工作面歷史數(shù)據(jù)進行查詢，診斷歷史的突出危險情況。系統(tǒng)主要有以下幾個功能。

（1）檔案功能；（2）實時預(yù)測顯示功能；（3）工作面預(yù)測參數(shù)設(shè)置功能；（4）系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置功能；（5）ESS數(shù)據(jù)過濾功能；（6）預(yù)測工作面煤的地壓活動走勢；（7）預(yù)測工作面煤的破壞指標(biāo)走勢；（8）預(yù)測工作面煤的瓦斯倍率走勢；（9）預(yù)測工作面各個狀態(tài)指標(biāo)走勢。

3 煤與瓦斯實時預(yù)警系統(tǒng)的實踐應(yīng)用

3.1 工程概況

同煤集團云岡礦目前有兩個主采煤層—7#煤層和8#煤層，均為突出危險煤層，其中7#煤層為弱突出煤層，8#煤層為強突出煤層。在采掘部署上將7#煤層作為8#煤層的保護層開采，因此，煤層瓦斯賦存特征預(yù)測及突出危險性區(qū)域預(yù)測的現(xiàn)場試驗主要針對7#煤層17313機巷進行。

7#煤層17313工作面煤層厚度0.9～1.73m，平均1.3m，屬薄煤層，結(jié)構(gòu)一般單一，但在+350m以上南區(qū)西部，煤層中部夾一層厚0.1～0.6m的泥巖夾矸。該煤層厚度較穩(wěn)定，除個別鉆孔不可采外，其余基本全區(qū)可采。煤層灰分為22.64%，屬中到高灰煤。煤層的平均瓦斯含量為18.59m3/t，煤塵爆炸指數(shù)11.92，具煤塵爆炸危險，并經(jīng)鑒定為不易自燃煤層。截至2018年，7#煤層共發(fā)生突出250次，最大突出煤量為59 t，平均突出煤量為7.5 t，為弱突出危險煤層。礦井于2017年在8#軌道巷對7#煤層實測了煤層瓦斯壓力，測得的瓦斯壓力值為0.72MPa。

3.2 工作面突出危險性預(yù)警功能的現(xiàn)場試驗

工作面突出危險性預(yù)警功能現(xiàn)場試驗的目的是考察預(yù)警功能的響應(yīng)特征、預(yù)警結(jié)果與礦井實際預(yù)測結(jié)果的相符性。根據(jù)云岡礦的生產(chǎn)現(xiàn)狀，將試驗地點選擇在7#煤層17313機巷進行。

從2017年12月20日至2018年1月31日對該工作面進行了40余天的突出危險性預(yù)警現(xiàn)場試驗。試驗期間，系統(tǒng)共進行了14次預(yù)警報告，其中預(yù)警結(jié)果為安全狀態(tài)的為12次，預(yù)警結(jié)果為威脅危險狀態(tài)的為2次，無危險狀態(tài)預(yù)警報告。其預(yù)警結(jié)果與傳統(tǒng)的鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)法預(yù)測結(jié)果完全相符，工作期間該工作面無突出現(xiàn)象發(fā)生。

從17313機巷突出參數(shù)可知煤層強度、地壓變化和瓦斯含量變化的走勢，為評估防治突出措施效果與合理的選用防治突出措施提供參考。從該巷道參數(shù)綜合數(shù)據(jù)可推測該巷道煤層出現(xiàn)過薄化現(xiàn)象造成地壓增加，煤層出現(xiàn)松軟、突出危險增高現(xiàn)象，最高瓦斯?jié)舛扰c日均濃度變化同步。該巷道的煤與瓦斯的治理措施效果不佳，沒有達到預(yù)期的效果。

對預(yù)警結(jié)果威脅狀態(tài)的2次預(yù)警情況進行鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)法的對比預(yù)測，結(jié)果如下：

2018年1月29日，該工作面煤厚為1.1m，工作面打鉆過程中沒有出現(xiàn)噴孔、卡鉆等動力現(xiàn)象。預(yù)測指標(biāo)信息：（1）鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)K1值：共有數(shù)據(jù)34個，最大值為0.53，臨界值為0.6；（2）鉆屑量S值：共有數(shù)據(jù)34個，最大值為14.5，臨界值為20；（3）波峰比指標(biāo)：該指標(biāo)由系統(tǒng)根據(jù)爆破后瓦斯?jié)舛缺O(jiān)測數(shù)值自動計算得出，其中波峰比指標(biāo)值為0.52，波寬比指標(biāo)值為0.12，其臨界值為≥2或≤0.5；（4）軟分層厚度指標(biāo)：工作面當(dāng)前位置軟分層厚度為42cm，其臨界值為15cm。從預(yù)測結(jié)果發(fā)現(xiàn)，其與KJ306型煤與瓦斯突出實時診斷系統(tǒng)結(jié)果完全相符。

4 結(jié)語

本文對KJ306煤和瓦斯突出實時診斷預(yù)警系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)、工作原理、功能進行了分析闡述，在云岡礦7#煤層17313機巷進行了工業(yè)現(xiàn)場試驗?，F(xiàn)場試驗考察表明，整個預(yù)警系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠，基本實現(xiàn)了安全信息管理及瓦斯災(zāi)害的預(yù)警功能，預(yù)警結(jié)果與礦井實際預(yù)測情況相符。