黄静静

（长平煤业公司，山西 晋城 048006）

长平煤业公司位于沁水煤田高平勘探区，目前主采3号近水平煤层，平均厚度5.58 m。主采区为四盘区，瓦斯含量4.5～15.09 m3/t，定为高瓦斯矿井。3号煤透气性系数λ=0.011 6～0.052 0 m2/（MPa2·d），瓦斯衰减系数α=0.110 1～0.113 7 d-1，属于较难抽采煤层。2012年瓦斯抽采浓度约17%，矿井瓦斯抽采量20 m3/min左右。通过一系列改进工作（提高封孔质量（二次封孔）、加大封孔长度(10～12 m)、主管加装防漏气装置、支管接头使用防水自粘胶带包裹、关闭低浓度钻孔等），目前浓度保持在25%左右，矿井瓦斯抽采量25 m3/min。2013年4月改造工程中，关闭部分低浓度钻孔，使目前的抽进尺下降、影响了些抽采效果，延缓了部分头面采掘进度。

目前，钻孔施工参数及抽采参数等信息，主要是台账形式管理，其缺点是：浪费劳动力，不易维护，不利于数据统计和分析。因此设计了瓦斯抽采钻孔信息管理系统，使钻孔信息实现系统化、精细化管理，并建立周期内钻孔瓦斯可抽采量预测模型，结合孔口调控阀三级管理机制，实现了可抽采瓦斯量与抽采能力相匹配，既保障了单孔浓度，又延长了预抽时间。

1 瓦斯抽采钻孔信息管理的系统设计

瓦斯抽采钻孔智能化信息系统流程图，见图1。①智能化板块成孔分析：经分析钻孔的倾角、方位角、开孔高度、煤段长度、钻机型号及其对用的成孔率，总结出适合该区域的钻孔参数及钻机型号，用以指导钻孔施工。②另一智能化模块，通过建立钻孔瓦斯可抽采量预测模型，计算出下一时间段钻孔瓦斯流量，并经孔口调控阀调控机制进行判断，计算出合适的开启角度，实现钻孔可抽采瓦斯量与抽采能力及单孔瓦斯抽采参数相匹配；并用钻孔普查结果对预测参数进行优化，改进下一周期的预测准确性。③统计子板块包括：总进尺、在抽进尺、煤段进尺、平均百米流量等参数的统计。④图2为软件主界面，图3为钻孔参数信息录入界面。

图1 瓦斯抽采钻孔智能化信息管理系统流程图

图2 瓦斯抽采钻孔信息管理系统主界面

图3 钻孔参数信息录入界面

2 抽采钻孔瓦斯流量的预测方法

抽采钻孔瓦斯流量是综合指标，反映煤层破坏程度、瓦斯压力和含量、媒体应力及透气性等[1]；直接关系着钻孔抽采煤层瓦斯涌出量及其涌出初速度的判定，是矿井抽采设计和抽采效果的重要依据[2]。通过抽采钻孔瓦斯流量预测，可以选择合适抽采参数、达到最佳抽采效果。

1）抽采钻孔瓦斯流量预测的方法选择。目前的预测方法有：神经网络法、多变量灰色模型[3]、灰色马尔科夫模型[4]等。①神经网络法的应用较广，但因其“黑箱”式学习模式，不易被解释、不易对预测数据进行统计检验，而且训练中需要大量原始数据（数据不足时预测结果不准确），且其学习算法理论也有缺陷。②灰色模型法认为：钻场中各钻孔瓦斯流量与其周围煤岩的渗透性、强度、瓦斯压力、地应力等因素之间是灰色的非线性关系[5]，预测精度相对较高，但因其前期需要大量基础数据，现场操作存在困难（相邻两孔的基础参数可能千差万别，若对每个钻孔进行参数测定，耗费人力物力很大）；再者由于不同指标的重要性对预测结果的影响不同，要对各种指标进行赋权，又会因各个钻孔的不同特性而使赋权方法很难统一确定。③本系统采用经典时序预测法[6]，通过积累前期数据，然后进行数学分析，得出相对稳定的发展趋势。采用此法的原因有：新钻孔前期的浓度、流量均有一定保障。经现场数据分析前两周的浓度和流量基本可保持在平均水平之上，这一阶段的流量变化会因钻孔不同而不同，说明各钻孔的瓦斯流量衰减系数不同，可将此时数据整理分析，计算出各钻孔的瓦斯流量衰减系数。再者，钻孔抽采瓦斯过程中，抽采流量基本符合指数衰减规律[7-8]，可用时序预测法实现瓦斯流量的模拟及预测。

2）抽采钻孔瓦斯流量预测模型建立：经典时序预测法需要建立指数平滑模型。通过前期累计数据算出钻孔瓦斯衰减系数，利用计算结果预测下一周期瓦斯涌出量，具体过程基于径向流理论[9]，使用负指数公式，描述钻孔瓦斯抽采的衰减规律：

式中:qt为经过时间t的100 m钻孔瓦斯流量，m3/（min·hm）；q0为100m钻孔初始瓦斯流量，m3/（min·hm）；qα为目标钻孔瓦斯流量，m3/min；e为自然对数底，取2.718 28；α为100 m钻孔瓦斯流量衰减系数，L/d；t为瓦斯排放时间，d；L为目标钻孔孔长，m。

由式（1）进行推导可得出衰减系数α：

得到衰减系数后，再经式（1）预测出下一周期的钻孔瓦斯流量。

3 孔口调控阀的管理机制

当瓦斯抽采钻孔中单位时间内的可抽出瓦斯量远远小于钻孔抽采能力时，就会导致钻孔瓦斯浓度大幅度下降。据此特点，结合单孔封孔严密性及长平煤矿实践经验，设计了孔口调控阀三级调控机制，其参数如表1所示；当钻孔浓度或预测流量小于临界值时，调控阀开启到表1对应角度。图4为43062巷钻孔流量预测结果的部分数据。

表1 调控阀开启角度、参数临界值对应表

4 结论

一般工程实践中，钻孔抽采瓦斯基本符合指数衰减规律，但因地质条件复杂，会使钻孔瓦斯衰减系数差异很大；通过科研项目测得的瓦斯衰减系数也是一个范围值，难对单孔瓦斯流量进行准确预测。因此系统通过单孔抽采瓦斯数据库，根据各钻孔的特性，利用计算机算出各钻孔的瓦斯衰减系数，建立瓦斯流量预测指数平滑模型，再经孔口调控阀调节，使可抽采瓦斯量与抽采能力相匹配，达到单孔瓦斯抽采参数优化的目的，实现了瓦斯抽采系统的精细化管理。

[1]刘泽功,袁亮,戴广龙，等.开采煤层顶板环形裂隙圈内走向长钻孔法抽采瓦斯研究[J].中国工程学,2004,6（5）:36-37.

[2]张春华，刘泽功.基于MATLAB的灰色预测系统及其对抽采瓦斯钻孔流量的数值模拟[J].中国安全科学学报,2007,17（4）:52-55.

[3]张春华，刘泽功.多变量灰色模型及其在钻孔瓦斯流量预测中的应用[J].中国安全科学学报,2006,16（6）:50-54.

[4]陈钊，徐阿猛.基于灰色马尔科夫模型的钻孔瓦斯流量预测[J].中国安全科学学报,2012,22（3）:79-85.

[5]吕贵春,马云东.矿井瓦斯涌出量预测的灰色建模法[J].中国安全科学学报,2004,14（10）:22-24.

[6]周毓萍,徐光.时序法预测股市的新途径[J].郑州航空工业管理学院学报（管理科学版）[J].2004,2（4）:21.

[7]张铁岗.矿井瓦斯综合治理技术[M].北京:煤炭工业出版社,2001（3）:293-294,314.

[8]柏发松.煤层钻孔瓦斯流量的数值模拟[J].安徽理工大学学报（自然科学版）,2004,24（2）:11-12.

[9]周世宁，林柏泉.煤层瓦斯赋存与流动理论[M].北京:煤炭工业出版社，1999.