張巨峰，施式亮，魯 義，游 波，吳芳華，張立志

(1.湖南科技大學(xué) 資源環(huán)境與安全工程學(xué)院，湖南 湘潭 411201；2.隴東學(xué)院 能源工程學(xué)院，甘肅 慶陽 745000)

隨著我國淺部煤炭資源的大規(guī)模開發(fā)，許多礦井逐漸向深部延伸，煤層瓦斯含量和梯度越來越大[1]，瓦斯涌出量和突出危險(xiǎn)性越來越大，經(jīng)常出現(xiàn)瓦斯異常涌出的情況，若處理不當(dāng)，可能引發(fā)瓦斯爆炸事故，給煤礦安全生產(chǎn)造成巨大威脅[2-4]。

近年來，一些學(xué)者對瓦斯異常涌出防治措施進(jìn)行了研究，取得了一定的成果。桑朋等[5]運(yùn)用微震監(jiān)測技術(shù)進(jìn)行了瓦斯異常涌出受采場高強(qiáng)度圍巖活動(dòng)的影響研究。孫小平等[6]統(tǒng)計(jì)分析了沖擊地壓工作面瓦斯異常涌出誘發(fā)因素，提出了防控措施。王濤等[7]運(yùn)用瓦斯?jié)B透試驗(yàn)和理論計(jì)算的手段分析了沖擊地壓作用下瓦斯異常涌出條件、原因和防治措施。隨著大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等技術(shù)的發(fā)展，煤礦瓦斯異常涌出防控技術(shù)也得到了變革和升級，瓦斯異常涌出智能防控之策成為提升煤礦安全生產(chǎn)水平和智能礦山建設(shè)發(fā)展的重要環(huán)節(jié)。為此，筆者從瓦斯地質(zhì)異常區(qū)探測技術(shù)、通風(fēng)稀釋異常瓦斯技術(shù)、瓦斯異常區(qū)抽采技術(shù)和瓦斯異常涌出應(yīng)急處置等4方面梳理了已取得的研究成果和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，并從動(dòng)態(tài)透明瓦斯地質(zhì)、多源信息瓦斯災(zāi)害智能探測技術(shù)、瓦斯異常涌出大數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)、瓦斯異常涌出智能防控技術(shù)、瓦斯異常涌出事故機(jī)器人應(yīng)急救援技術(shù)等5個(gè)方面進(jìn)行了展望，以期為煤礦瓦斯異常涌出災(zāi)害治理技術(shù)提供理論依據(jù)，提高礦井災(zāi)害防控能力，減少礦山安全事故的發(fā)生。

1 瓦斯異常涌出災(zāi)害防控技術(shù)現(xiàn)狀

1.1 瓦斯地質(zhì)異常區(qū)探測技術(shù)

瓦斯異常涌出經(jīng)常發(fā)生在瓦斯地質(zhì)異常區(qū)，比如斷層、褶皺、陷落柱等地質(zhì)構(gòu)造區(qū)域內(nèi)，因此，進(jìn)行井下采掘作業(yè)區(qū)地質(zhì)異常區(qū)探測是瓦斯異常涌出防控的基礎(chǔ)，探測采掘作業(yè)區(qū)域瓦斯地質(zhì)賦存狀況，并對瓦斯異常帶進(jìn)行預(yù)報(bào)和編錄，為有針對性地開展預(yù)防措施實(shí)施提供了基礎(chǔ)。

區(qū)域地質(zhì)異常區(qū)構(gòu)造的探測方法很多，無線電波透視CT是一種常用于大范圍探測的常見使用手段[8]，因其使用簡單、便利受到了普遍歡迎，但是，對走向斷層的異常判斷卻顯得力不從心，且僅僅使用無線電波透視CT法的分辨能力也較為有限，不能精準(zhǔn)探測地質(zhì)異常體。為了準(zhǔn)確探測瓦斯地質(zhì)異常區(qū)，綜合應(yīng)用直流電透視CT法和無線電波陰影法，先通過無線電波陰影法宏觀上對整個(gè)區(qū)域內(nèi)的異常構(gòu)造進(jìn)行普查，再通過直流電透視CT法對局部區(qū)域進(jìn)行重點(diǎn)探測，綜合這兩種技術(shù)方法的優(yōu)點(diǎn)對工作面瓦斯異常區(qū)域進(jìn)行探測[9]，可以避免單一探測法分辨率不高的弊端。焦先軍等[10]針對淮南礦區(qū)顧橋礦在兩個(gè)突出煤層間的巖層掘巷瓦斯異常涌出大的難題，采用瞬變電磁法探測巖層瓦斯富集區(qū)，然后利用同位素跟蹤氣源法分析瓦斯涌出與巷道掘進(jìn)的相關(guān)性，圈定瓦斯異常區(qū)域。為了分級分類圈定瓦斯異常區(qū)，基于區(qū)域內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造和瓦斯賦存特征等瓦斯地質(zhì)信息，構(gòu)建瓦斯地質(zhì)異常區(qū)數(shù)學(xué)預(yù)測模型，建立瓦斯異常涌出預(yù)測體系[11]，較為準(zhǔn)確地圈定了瓦斯異常區(qū)域，為瓦斯異常涌出精準(zhǔn)防控提供技術(shù)支持。

1.2 通風(fēng)稀釋異常瓦斯技術(shù)

增大風(fēng)量稀釋瓦斯是瓦斯異常涌出治理的基礎(chǔ)技術(shù)措施[12]。構(gòu)造合理、有效的通風(fēng)設(shè)施，形成穩(wěn)定、可靠的通風(fēng)系統(tǒng)，減少漏風(fēng)，抑制采空區(qū)瓦斯大量涌出。強(qiáng)化礦井通風(fēng)和瓦斯管理，制定合理可靠的控風(fēng)方案，特別是掘進(jìn)工作面的局部通風(fēng)問題，通過設(shè)置四臺風(fēng)機(jī)、三個(gè)電源、兩趟風(fēng)筒、一個(gè)自動(dòng)切換的“4321”局部供風(fēng)模式，形成穩(wěn)定可靠的局部供風(fēng)系統(tǒng)，避免無計(jì)劃停電停風(fēng)，減少局部瓦斯聚積和瓦斯超限現(xiàn)象的發(fā)生。針對掘進(jìn)工作面瓦斯異常區(qū)，還可以通過施工大直徑瓦斯釋放孔排放瓦斯，再通過工作面供風(fēng)稀釋排放的瓦斯，減小巷道快速掘進(jìn)瓦斯異常涌出的概率。對于正在回采的采煤工作面，瓦斯異常涌出供風(fēng)問題涉及因素較多，工作面合理供風(fēng)至關(guān)重要，一方面，加大風(fēng)量可以稀釋異常涌出的瓦斯?jié)舛龋硪环矫?，大量供風(fēng)可能導(dǎo)致采空區(qū)漏風(fēng)加大，促進(jìn)采空區(qū)遺煤氧化，加大煤炭自燃的風(fēng)險(xiǎn)，造成采空區(qū)瓦斯與煤自燃耦合出現(xiàn)瓦斯爆炸、爆燃等災(zāi)害事故[13，14]，給礦井安全生產(chǎn)造成更大威脅。

近些年來，隨著現(xiàn)代傳感、移動(dòng)互聯(lián)、自動(dòng)控制、信息處理等技術(shù)的逐漸成熟和新工藝、新材料的廣泛應(yīng)用，礦井智能化通風(fēng)技術(shù)得到了極大發(fā)展。運(yùn)用先進(jìn)的信息集成技術(shù)，進(jìn)行礦井通風(fēng)參數(shù)精準(zhǔn)測定、通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)智能解算、在線式通風(fēng)隱患排查辨識、二三維一體化動(dòng)態(tài)數(shù)圖展示、異常預(yù)警及聯(lián)動(dòng)控制、智能設(shè)備管控等操作，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程自動(dòng)測風(fēng)無人化、區(qū)域風(fēng)量遠(yuǎn)程自動(dòng)調(diào)控、區(qū)域反風(fēng)遠(yuǎn)程控制等功能，形成智能通風(fēng)及成套裝備技術(shù)體系，最終達(dá)到智能供風(fēng)、精準(zhǔn)配風(fēng)、智能調(diào)節(jié)及災(zāi)變時(shí)智能預(yù)警、控災(zāi)、降災(zāi)等目的[15，16]。國內(nèi)許多礦井進(jìn)行了智能通風(fēng)技術(shù)的探索，內(nèi)蒙古雁南煤礦以數(shù)字礦山系統(tǒng)VRMine 5.0為平臺，建立煤礦三維礦山模型和三維通風(fēng)模型，進(jìn)行通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)分析和解算，實(shí)現(xiàn)了礦井智能通風(fēng)[17]；山西屯蘭礦將一通三防系統(tǒng)與實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)合，構(gòu)建了智能化通風(fēng)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)在線監(jiān)測、通風(fēng)數(shù)據(jù)智能決策、通風(fēng)設(shè)施遠(yuǎn)程控制等功能[18]；陜西韓家灣煤礦是我國典型的高產(chǎn)高效煤礦，一直以礦山數(shù)字化技術(shù)打造本質(zhì)安全型現(xiàn)代化綠色礦山為目標(biāo)，依托現(xiàn)有主要通風(fēng)機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)、束管監(jiān)測系統(tǒng)、光纖測溫系統(tǒng)等監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)，建成了通風(fēng)在線監(jiān)測及智能決策控制系統(tǒng)平臺，構(gòu)建了集通風(fēng)參數(shù)精準(zhǔn)感知、通風(fēng)參數(shù)精測、通風(fēng)系統(tǒng)在線監(jiān)測與分析、風(fēng)流按需分配模擬、有毒有害氣體云分布與分級評價(jià)、巷道玻璃體半透明展示、通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)能量耗散分布與分級評價(jià)、掘進(jìn)工作面高濃度瓦斯排放、通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)二三維展示為一體的智能通風(fēng)輔助決策平臺，實(shí)現(xiàn)了礦井通風(fēng)智能化目標(biāo)[19]。

1.3 瓦斯異常區(qū)抽采技術(shù)

基于礦井煤田地質(zhì)條件，結(jié)合礦井地質(zhì)構(gòu)造、煤層瓦斯含量、瓦斯涌出量情況，圈定瓦斯異常區(qū)域，根據(jù)瓦斯異常區(qū)的煤層瓦斯含量和瓦斯壓力進(jìn)行梯級瓦斯抽采技術(shù)的實(shí)施，有針對性地解決瓦斯異常涌出情況。

在圈定的瓦斯異常區(qū)域內(nèi)，以煤層瓦斯含量6m3/t和10m3/t、煤層瓦斯壓力0.74MPa為臨界值進(jìn)行瓦斯梯級異常區(qū)域圈定。煤層瓦斯含量V<6m3/t、瓦斯壓力P<0.74MPa的區(qū)域?yàn)樘菁壱煌咚巩惓^(qū)域；煤層瓦斯含量6m3/t≤V<10m3/t、瓦斯壓力P≥0.74MPa的區(qū)域?yàn)樘菁壎咚巩惓^(qū)域；煤層瓦斯含量V≥10m3/t、瓦斯壓力P≥0.74MPa的區(qū)域?yàn)樘菁壢咚巩惓^(qū)域。依據(jù)圈定的不同梯級的瓦斯異常區(qū)域進(jìn)行煤層順層瓦斯抽采、采空區(qū)半封閉式瓦斯抽采、中位鉆孔瓦斯抽采、巖石走向大直徑高位鉆孔瓦斯抽采、地面鉆井瓦斯抽采[20]，具體不同梯級瓦斯異常區(qū)域抽采措施對照見表1。

表1 不同梯級瓦斯異常區(qū)域抽采措施對照

1.4 瓦斯異常涌出應(yīng)急處置

煤炭企業(yè)牢固樹立“瓦斯超限就是事故”的思想理念，當(dāng)煤炭生產(chǎn)現(xiàn)場出現(xiàn)瓦斯異常涌出，發(fā)生瓦斯超限事故時(shí)，遵循“先停電、后撤人、再匯報(bào)”的原則，思想上高度重視，行動(dòng)上絕對統(tǒng)一，及時(shí)采取措施處理，減少瓦斯異常涌出導(dǎo)致的瓦斯超限波及范圍擴(kuò)大，確保礦井安全生產(chǎn)。當(dāng)采煤工作面T1瓦斯傳感器達(dá)到1.5%，回風(fēng)巷T2瓦斯傳感器達(dá)到1%時(shí)切斷工作面及其回風(fēng)巷所有非本質(zhì)安全性電氣設(shè)備，所有工作人員撤至安全地點(diǎn)；當(dāng)采煤工作面采煤機(jī)處瓦斯?jié)舛冗_(dá)到1.5%時(shí)，切斷采煤機(jī)電源；當(dāng)掘進(jìn)工作面綜掘機(jī)處瓦斯?jié)舛冗_(dá)到1.5%時(shí)，切斷綜掘機(jī)電源；當(dāng)采煤工作面后刮板輸送機(jī)機(jī)頭T7、機(jī)尾T6瓦斯?jié)舛冗_(dá)到1.0%時(shí)，發(fā)出聲光警報(bào)，達(dá)到1.5%時(shí)，切斷采煤機(jī)、轉(zhuǎn)載機(jī)、前后刮板輸送機(jī)、工作面照明及其回風(fēng)巷所有非本質(zhì)安全型電氣設(shè)備電源，工作人員撤到安全地點(diǎn)，瓦斯檢測員和安檢員向煤炭企業(yè)調(diào)度室和相關(guān)部門進(jìn)行匯報(bào)，具體瓦斯異常涌出預(yù)警級別、風(fēng)險(xiǎn)嚴(yán)重程度見表2。

表2 瓦斯異常涌出預(yù)警級別

2 瓦斯異常涌出災(zāi)害防控技術(shù)展望

縱觀煤礦瓦斯異常涌出災(zāi)害防治現(xiàn)狀，從災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)智能化識別、預(yù)警和防控的角度出發(fā)，未來時(shí)期內(nèi)，應(yīng)從以下幾方面持續(xù)開展研究。

2.1 動(dòng)態(tài)透明瓦斯地質(zhì)

煤礦瓦斯異常區(qū)探測與圈定主要是針對影響瓦斯不均衡賦存的斷層、褶皺、陷落柱等地質(zhì)構(gòu)造參數(shù)進(jìn)行探測。透明瓦斯地質(zhì)是透明地球的一個(gè)重要組成部分，核心技術(shù)在于瓦斯地質(zhì)的數(shù)據(jù)挖掘和可視化空間分析。煤層瓦斯地質(zhì)、瓦斯賦存規(guī)律、煤層地質(zhì)等瓦斯地質(zhì)透明化是瓦斯異常涌出精準(zhǔn)防控的重要基礎(chǔ)和環(huán)節(jié)。但是，目前煤礦瓦斯地質(zhì)透明探測技術(shù)仍存在許多技術(shù)難題，地質(zhì)建模軟件的集成處理能力和精度不夠。因此，構(gòu)建瓦斯地質(zhì)信息系統(tǒng)，采集多源、異構(gòu)瓦斯地質(zhì)時(shí)空海量數(shù)據(jù)，建立瓦斯地質(zhì)大數(shù)據(jù)庫，并對采集的大數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)清洗、去噪處理和融合分析，基于可視化技術(shù)建立三維全息多尺度透明地質(zhì)模型[21]，直觀透視地質(zhì)結(jié)構(gòu)，觀察瓦斯孕育演化過程，感知深部煤層瓦斯地質(zhì)體，在線監(jiān)測瓦斯涌出過程，實(shí)現(xiàn)礦井瓦斯異常涌出的在線透明全程觀測和監(jiān)控對于瓦斯異常涌出防控至關(guān)重要。

瓦斯地質(zhì)透明化主要基于先進(jìn)的煤層瓦斯參數(shù)測定和地質(zhì)探測技術(shù)，融合多源信息和人工智能元素，實(shí)現(xiàn)瓦斯地質(zhì)信息集成分析、智能解讀，以及瓦斯參數(shù)測定的精準(zhǔn)性和時(shí)效性，精準(zhǔn)、動(dòng)態(tài)、直觀地展示瓦斯地質(zhì)條件及其演化過程[22，23]，其透明地質(zhì)條件實(shí)現(xiàn)的整體架構(gòu)如圖1所示。

圖1 透明地質(zhì)條件實(shí)現(xiàn)架構(gòu)

2.2 融合多源信息的瓦斯災(zāi)害智能探測技術(shù)

近些年來，智能感知技術(shù)的迅猛發(fā)展推動(dòng)著傳統(tǒng)瓦斯地質(zhì)災(zāi)害探測模式發(fā)生變革和創(chuàng)新，三維地震、瞬時(shí)電磁、高密度電法等多功能機(jī)器人探測、智能瓦斯災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警專家系統(tǒng)有待于進(jìn)一步完善和推廣應(yīng)用。在煤礦瓦斯災(zāi)害智能探測、監(jiān)測領(lǐng)域，基于多通道分布式傳感技術(shù)構(gòu)建全網(wǎng)式數(shù)據(jù)采集平臺，通過地磁、地電、電磁等自動(dòng)探測機(jī)器人獲取煤礦瓦斯災(zāi)害海量監(jiān)測數(shù)據(jù)[24]。

2.3 瓦斯異常涌出大數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)

隨著現(xiàn)代傳感和監(jiān)測監(jiān)控技術(shù)的快速發(fā)展，煤礦瓦斯監(jiān)測的相關(guān)數(shù)據(jù)呈幾何級數(shù)增長，如何在復(fù)雜異構(gòu)的海量瓦斯災(zāi)害相關(guān)大數(shù)據(jù)中快速挖掘、提取有效數(shù)據(jù)、清洗無效數(shù)據(jù)，是今后有待解決的關(guān)鍵問題。礦井瓦斯災(zāi)害治理的“人-機(jī)-環(huán)-管”四元融合映射出龐大體量的瓦斯防控的相關(guān)動(dòng)態(tài)時(shí)空數(shù)據(jù)[25]，為透明瓦斯地質(zhì)體提供了時(shí)空數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，不僅有利于煤礦瓦斯災(zāi)害大數(shù)據(jù)的批處理和流處理，還有利于高精度瓦斯異常涌出災(zāi)害預(yù)警模型的構(gòu)建。

2.4 瓦斯異常涌出智能防控技術(shù)

近年來，大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)、5G技術(shù)及人工智能席卷全球，煤炭產(chǎn)業(yè)發(fā)展變革正在孕育，為礦井災(zāi)害智能防控提供了新的發(fā)展機(jī)遇和挑戰(zhàn)。煤礦瓦斯異常涌出災(zāi)害防控涉及礦井通風(fēng)、瓦斯高效抽采、災(zāi)害動(dòng)態(tài)監(jiān)測預(yù)警等特點(diǎn)，傳統(tǒng)的防控手段太過依賴于經(jīng)驗(yàn)，難以克服苛刻的前提條件和沒有充分考慮時(shí)空耦合的難點(diǎn)。隨著物聯(lián)網(wǎng)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和人工智能技術(shù)的高度發(fā)展，智能感知、人工免疫、生物遺傳等算法技術(shù)逐漸應(yīng)用到災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)識別和防控領(lǐng)域[26，27]，借鑒生物免疫的自學(xué)習(xí)、自優(yōu)化、自適應(yīng)等強(qiáng)大功能，借助北斗高精度RTK連續(xù)監(jiān)測、地面雷達(dá)固定周期監(jiān)測、5G移動(dòng)監(jiān)測、光纖發(fā)射監(jiān)測等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)大地萬物互聯(lián)的信息監(jiān)測功能，基于免疫機(jī)理不僅可以構(gòu)建煤礦瓦斯異常涌出動(dòng)態(tài)風(fēng)險(xiǎn)識別及預(yù)警模型，實(shí)現(xiàn)煤礦瓦斯異常涌出的智能感知和監(jiān)測，搭建基于免疫機(jī)理的瓦斯異常涌出智能防控體系架構(gòu)，通過礦井井下瓦斯災(zāi)害動(dòng)態(tài)監(jiān)測預(yù)警、智能調(diào)風(fēng)和控風(fēng)、瓦斯抽采智能調(diào)控等手段，實(shí)現(xiàn)礦井瓦斯異常涌出自適應(yīng)、自調(diào)整的智能防控功能。瓦斯異常涌出的智能防控體系如圖2所示。

圖2 瓦斯異常涌出智能防控體系

2.5 瓦斯異常涌出事故機(jī)器人應(yīng)急救援技術(shù)

災(zāi)后應(yīng)急救援對于控制災(zāi)害范圍擴(kuò)大、減小事故損失至關(guān)重要。煤礦瓦斯異常涌出發(fā)生后，災(zāi)害一旦失控，若遇火源，可能引發(fā)瓦斯爆炸，甚至引起煤塵二次爆炸等次生災(zāi)害事故，造成礦毀人亡的慘重事故[27]。為此，融合煤礦井下5G移動(dòng)通訊網(wǎng)絡(luò)、WiFi無線網(wǎng)絡(luò)、多維雷達(dá)生命探測及搜尋復(fù)雜條件下人員精準(zhǔn)定位，研發(fā)可越障、自感知、準(zhǔn)定位的智能救援機(jī)器人，對于開展煤礦井下瓦斯事故應(yīng)急救援，實(shí)現(xiàn)救援全程可視化全息交互具有重要意義。

3 結(jié) 論

1)瓦斯異常涌出防控技術(shù)仍以傳統(tǒng)的通風(fēng)稀釋、瓦斯抽采和應(yīng)急處置為主，瓦斯災(zāi)害智能化防控技術(shù)仍處于初期探索發(fā)展階段。

2)高瓦斯礦井的瓦斯異常涌出防控是整個(gè)礦井安全高效生產(chǎn)的關(guān)鍵，瓦斯異常涌出智能防控將成為未來智慧礦井建設(shè)的重要環(huán)節(jié)。

3)瓦斯異常涌出時(shí)間和空間特點(diǎn)復(fù)雜，精準(zhǔn)防控裝備、體系和技術(shù)難以跟進(jìn)，有待于進(jìn)一步研究和發(fā)展。

4)瓦斯異常涌出機(jī)理仍有待于進(jìn)一步探索，繼續(xù)完善不同條件下瓦斯異常涌出智能探測和智能抽采裝備，形成標(biāo)準(zhǔn)體系，提升瓦斯異常涌出監(jiān)測監(jiān)控水平。