基于矿压监测的煤与瓦斯突出实时预警技术研究及应用

基金项目：“十二五”国家科技支撑计划资助项目（2012BAK04B01）；中国煤炭科工集团有限公司科技创新基金资助项目（2013ZD002）；中煤科工集团重庆研究院有限公司自立科研开发项目（2012ZDXM10）基于矿压监测的煤与瓦斯突出实时预警技术研究及应用崔俊飞1,2(1.瓦斯灾害监控与应急技术国家重点实验室，重庆400037)(2.中煤科工集团重庆研究院有限公司，重庆400037）摘要：矿山压力是影响煤与瓦斯突出的一项重要因素。本文通过研究新景公司矿压显现与突出危险性演变规律之间的关系，提出了一种新的突出实时预警技术。分析和总结了矿压变化的特征与规律，确定了适用于新景公司的突出预警指标体系。采用数据采集服务、预警分析服务、客户端的软件构架思路，在矿井现有的矿压监测系统、井下环网、办公网的基础上构建了基于矿压监测的煤与瓦斯突出实时预警系统，实现了兼容多种矿压监测系统的数据采集、矿压在线分析与实时预警，预警准确率高，应用效果良好，为保障矿井的安全生产提供了先进的手段。关键词：矿压监测；煤与瓦斯突出；预警Thestudyandapplicationofcoalandgasoutburstreal-timepre-warningtechnologybasedonminepressuremonitoringCUIJun-fei1,2(1.StateKeyLaboratoryofTheGasDisasterDetecting,PreventingandEmergencyControlling,Chongqing400037,China)(2.ChinaCoalTechnologyEngineeringGroupChongqingResearchInstitute,Chongqing400037,China)Abstract:Itisanimportantfactorofrockpressureinminetoaffectcoalandgasoutburst.ThroughthestudyofgroundpressureappearanceandcoalandgasoutburstriskevolutionsofXinjingcompany,thethesisproposesanewoutburstreal-timepre-warningtechnology.Onthebasisofanalyzingandsummarizingthechangecharacteristicsandregularityofgroundpressure,itisidentifiedtheoutburstpre-warningindexsystemwhichappliestotheXinjingcompany.Withdatacollectingservice,pre-warninganalysisservice,andclientsoftwarearchitectureideas,onthebaseofmanualminepressuremonitoringsystem,theringnetworkunderground,andtheofficenetwork,itisbuiltminepressuremonitoringoutburstreal-timepre-warningsystem,andachievedthedataacquisitionwhicharevarietiesofcompatibleminepressuremonitoringsystems,minepressureonlineanalysisandreal-timepre-warning.Theaccuraterateofpre-warningishigh,andithasgoodapplicationeffecttoprovideadvancedmeansofguaranteeingminesafety.Keywords:minepressuremonitoring;coalandgasoutburst;pre-warning0引言矿井煤与瓦斯突出灾害是矿山灾害中最为严重的灾害之一。影响煤与瓦斯突出的因素较多,矿山压力对煤与瓦斯突出的影响是其中一项重要的因素,也是现今矿山压力研究的一项新内容[1,2]。目前国内诸多矿井在采掘生产过程中已经明显发现矿压的变化与瓦斯突出有着严密的关系[3]。山西新景矿煤业有限责任公司（以下简称“新景公司”）位于山西省阳泉市西北部的赛鱼西路，矿井地质储量93848.1万吨，可采储量60811.7万吨，服务年限59年，2004年鉴定基金项目：“十二五”国家科技支撑计划资助项目（2012BAK04B01）；中国煤炭科工集团有限公司科技创新基金资助项目（2013ZD002）；中煤科工集团重庆研究院有限公司自立科研开发项目（2012ZDXM10）为突出矿井[4]。随着采掘深度的增加，新景公司在实施防突措施的过程中发现矿压变化对瓦斯突出危险性有着重大影响。进而安装了山东科大中天电子有限公司的煤矿矿压观测数据处理分析系统、北京天地玛珂的SAC型液压支架电液控制系统以及山西巨安电子技术有限公司的KJ232矿井顶板状态连续监测与分析系统3种矿压监测系统对井下的矿压变化进行实时观测。虽然设置了简单的临界值对工作面矿压的变化情况进行提醒，但却缺乏对矿压监测数据的有效利用和分析，不能进行连续有效的预警，不能实时向管理者提供工作面的突出危险或异常信息的有效参考，严重影响了矿井突出防治工作的高效开展[5]。基于矿压监测的突出实时预警技术考察了矿压显现与瓦斯突出危险性的关系，可以实时在线分析工作面矿压变化和分布情况进而预测各个防突工作面的突出危险性，为有效的指导矿井防突工作的开展提供参考，从而显著提高矿井生产效率。因此，建立基于矿压监测的突出实时预警系统对矿井与矿压有着敏感联系的防突工作面进行连续的突出危险分析是非常必要的。1矿压动态特征指标考察通过对新景公司大量资料的搜集和分析证明矿压变化与瓦斯突出防治的各项指标都有着明显的关系，最终确定具有显著典型性的7209工作面作为研究和考察的对象[6-8]。（1）考察工作面及矿压监测基本情况新景公司7209综采工作面倾向长200m，走向长1415m，煤厚2.5m左右，进风侧与7207工作面（已采空）相邻，回风侧与7211工作面（未采）相邻。新景公司对回采工作面矿压监测仪布置有如下规定：从机头第2架（编号为2#）开始，每隔10架安设一组矿压监测仪，最后一组不足10架选适当架安设。7209工作面共有133架液压支架，因此共布置14组矿压监测仪。（2）矿压监测指标与瓦斯涌出关系通过对7209工作面尾巷瓦斯监控数据的跟踪分析，发现矿压与瓦斯涌出量的变化具有如下关系（图1～图3所示）：①矿压的异常增大会引起瓦斯涌出量的增大；②瓦斯涌出量的增大滞后于矿压的增大，滞后时间约为1～2天；③造成瓦斯涌出量异常增大的矿压值一般都比较大，在进风侧一般在50MPa以上，在回风侧一般在40MPa以上。图1基金项目：“十二五”国家科技支撑计划资助项目（2012BAK04B01）；中国煤炭科工集团有限公司科技创新基金资助项目（2013ZD002）；中煤科工集团重庆研究院有限公司自立科研开发项目（2012ZDXM10）图2图3（3）工作面周期来压周期来压期间往往会相伴出现顶板下沉量变大、下沉速度急增、支架载荷普遍增加、引起煤壁片帮、支架折损、顶板发生台阶下沉、推倒支架、冒顶等矿压显现特征，而且矿压显现也为工作面煤与瓦斯突出等煤岩动力灾害提供动力因素，因此，必须采取措施确保周期来压期间的安全生产，而在日常矿压观测中，除了液压支架工作阻力之外，周期来压步距也是判断周期来压的重要信息。（4）矿压与日常预测指标的变化规律分析7209工作面2012-4-18至2012-6-18期间共有149次K1值预测，其中有20次预测值超标，这20次超标现象中，有19次出现在2#～62#支架，占总超标次数的95%，仅1次出现在62#～122#支架，点总超标次数的5%，说明了K1值与矿压变化具很强的相关性，表明了用K1值来分析矿压变化规律的可行性。图4为典型的矿压与K1值的变化规律曲线，可以看出两者表现出较好的一致性，为了更准确反映两者的变化关系，采用相关性分析的方法分别对两组数据的变化关系进行了定量分析，得到两组数据的相关性系数分别为0.8和0.79，在此基础之上，通过两者的线性拟合关系求出了两个矿压预警临界值，如表1所示。图432#支架处矿压与K1值变化规律表1矿压与K1值的线性回归分析支架编号回归方程判定系数R2预测矿压临界值/MPa32#P=96.692K1-5.39840.64194352#P=191.2K1-40.7850.631155根据新景公司矿压观测的实际情况，本文选用观测连续性较好、准确度较高的片帮深度作为矿压预警的辅助指标。通过对7209工作面片帮情况的统计，发现考察期间有6次K1基金项目：“十二五”国家科技支撑计划资助项目（2012BAK04B01）；中国煤炭科工集团有限公司科技创新基金资助项目（2013ZD002）；中煤科工集团重庆研究院有限公司自立科研开发项目（2012ZDXM10）超标值测定位置附近同时有片帮现象出现，统计结果如表2所示，可以看出，有片帮现象发生时，煤的坚固性系数f较小，钻屑量S偏大，而这些都是突出危险性增大的标志，更进一步说明了使用片帮深度作为辅助指标的可靠性。根据统计结果，片帮深度的临界值取140mm。表2片帮情况统计日期K1值f值S值片帮深度（mm）05-080.560.484.016005-180.620.474.615005-240.700.485.014006-010.640.486.016006-030.510.495.016006-190.660.465.2210（5）矿压监测预警指标确定从以上分析可以看出，矿山压力与瓦斯涌出量、钻屑瓦斯解吸指标等都有一定的相关关系，且矿山压力的增大较瓦斯涌出量和瓦斯解吸指标的增大具有一定的超前性，说明矿山压力对突出危险性有较强的敏感性，并结合新景公司矿压管理方式，确定以支架工作阻力（矿压监控系统自动采集）、周期来压和片帮深度作为矿山压力类突出预警指标。2矿压监测实时预警系统建设新景公司矿压监测突出实时预警系统在硬件上以现有的矿压监测系统、井下安全环网、井上办公网为基础，配置专用数据库服务器、客户端PC及短信发送设备进行构建[9,10]。系统结构图如图5所示。井下监控环网矿井办公网矿压监测服务器一矿压监测服务器二矿压监测服务器三防火墙矿压实时预警服务器客户端客户端短信发布设备客户端图5预警系统结构图预警服务器通过防火墙与监控网中的所有矿压监测服务器连接，既保证了监测数据的正常访问又保证了井下监控环网的完全性。客户端则通过矿井办公网与预警服务器连接，能够高效的获取最新预警结果。短信发布设备直接与预警服务器连接保证一定级别的预警结果以短信的方式即时通知相关领导。预警系统在软件设计方面分为数据采集服务、预警分析服务、短信发布服务、客户端4个部分。软件架构如图6所示。基金项目：“十二五”国家科技支撑计划资助项目（2012BAK04B01）；中国煤炭科工集团有限公司科技创新基金资助项目（2013ZD002）；中煤科工集团重庆研究院有限公司自立科研开发项目（2012ZDXM10）数数数数数数数数数数数数数数数数数数数数数数数数数数数数数数数数数数数数数数数数数数数数数数数数数数数数数图6预警系统软件架构数据采集服务从各个矿压监测数据库中采集实时的矿压监测数据进行过滤、采样后转存入预警数据库中。预警分析服务从预警数据库中读取数据进行分析、指标计算、生成实时预警结果存入预警数据库。客户端则从预警数据库中查询相关数据以及实时或历史预警结果，并可以设置相关参数。短信发布服务实时监控预警结果，根据要求将预警结果以短信的方式发送到指定用户的手机上。3应用效果通过对2114工作面为期一个月的跟踪考察，发现矿