崔俊飞

(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)

珲春矿业(集团)有限责任公司(以下简称“珲矿公司”)是吉林省第二大煤炭生产基地，矿区内两个煤矿年产量将达到500万t以上。近年来，珲矿公司高度重视矿井瓦斯治理，不断提升瓦斯治理理念、加大瓦斯治理投入、完善瓦斯治理技术，瓦斯综合治理能力得到显著提高，瓦斯治理效果明显。然而，随着矿井不断延深，瓦斯治理难度将不断加大[1]，不但要解决瓦斯涌出量高的问题，还要应对日益增大的突出风险。因此，进一步提升瓦斯灾害风险预判能力，提高瓦斯灾害风险防范化解水平，成为了珲矿公司下一阶段的工作重点[2]。

珲矿公司与中煤科工集团重庆研究院有限公司合作，以其下属的八连城煤矿为试点，开展“煤矿瓦斯灾害风险信息管控平台建设”项目，响应新版《防治煤与瓦斯突出细则》的最新要求[3]，在对煤矿井下地质、通风、瓦斯、生产等数据进行实时监测、在线传输和集中存储基础上，深度挖掘各类数据之间的潜在联系，实现矿井安全大数据之间的深入融合[4]，进行瓦斯地质区域危险性评估、瓦斯抽采达标全方位评判、通风系统实时监测解算和展示、瓦斯日常管理数据的实时自动上传、瓦斯涌出的动态分析和实时预警、矿井隐患及时交互和全过程追踪，实现采掘工作面所处的瓦斯地质环境、矿井通风状态、矿井瓦斯涌出异常情况、瓦斯抽采达标情况、瓦斯参数总览、安全隐患跟踪状态的一张图集成显示。

1 瓦斯灾害风险防控技术研究

瓦斯灾害风险防控技术的核心是针对八连城煤矿瓦斯防治客观实际，结合国内先进瓦斯治理经验，采用信息化手段，从瓦斯地质、瓦斯危险预测预报、瓦斯监控、瓦斯抽采达标管理等方面入手，研究矿井瓦斯灾害特征规律。从宏观区域的角度掌握整个矿井瓦斯赋存规律(瓦斯压力、瓦斯含量、瓦斯涌出量的分布情况)，在此基础上对抽采钻孔施工情况、抽采计量统计数据进行分析，评价抽采措施是否到位、抽采量是否达标。另外，在局部工作面范围内考察日常预测指标(K1、S值等)与瓦斯涌出之间的关系，建立相关的预警指标、预警规则库。

1.1 瓦斯地质区域危险性评估

通过对矿井煤层区域地质情况、顶底板岩性、煤层厚度、埋层埋藏深度和瓦斯赋存关键参数(煤层瓦斯含量、压力、涌出量测点、地勘数据、地质资料等参数)的分析，掌握煤层瓦斯赋存主控因素，归纳总结出矿井瓦斯地质规律，构建矿井多级瓦斯地质管理模块，实现煤层地质单元的自动划分、瓦斯赋存异常区域的自动圈定、多级瓦斯地质图的自动更新、瓦斯地质危险性区域动态预测[5-6]。

1.2 瓦斯抽采达标全方位评判

利用先进的监测设备，实现抽采计量数据实时监测及自动采集、钻孔轨迹在线监测与自动成图，结合矿井瓦斯抽采相关数据(瓦斯赋存参数、钻孔设计和施工情况、抽采计量数据)的综合分析[7-8]，掌握矿井瓦斯抽采规律，构建瓦斯抽采达标评价模块，动态分析瓦斯抽采半径等参数，实现瓦斯抽采钻孔智能设计、钻孔布孔均匀程度的有效评价、抽采达标的全过程跟踪评判。

1.3 通风系统实时监测解算和展示

通过对矿井通风网络基础数据、风网结构、通风监测等信息综合分析，以及对关键用风点的通风状况实时监测与风网的在线解算，构建风网在线监控模块，掌握矿井通风阻力分布，实现风网稳定性评价、通风隐患的智能分析、通风系统实时三维展示，为矿井通风系统调整、巷道贯通等工作决策提供指导[9-10]。

1.4 瓦斯日常管理数据的实时自动上传

利用瓦斯突出参数测定仪WTC-1采集工作面日常生产过程中测定的关键瓦斯参数，自动生成参数报表(包括瓦斯含量、煤厚、K1值、Δh2、钻屑量S、放散初速度ΔP等)，通过井下防爆智能手机和无线基站，借助工业环网将这些数据传输至地面，分析关键瓦斯参数变化规律及其关联性，实现局部瓦斯风险预警、瓦斯报表的在线生成和审批。同时，地面管理人员通过手机APP可以直接查询这些数据，以便第一时间掌握井下情况，及时作出决策。

1.5 瓦斯涌出的动态分析和实时预警

通过专业的数据接口实时采集瓦斯监控数据，从瓦斯涌出量、瓦斯解吸速度、瓦斯波动特征、瓦斯发展趋势4个方面找出矿井瓦斯涌出特点，建立瓦斯涌出异常分析模型，自动滤除无效信息，构建瓦斯涌出异常分析模块，实现采掘工作面超前5～10 m的瓦斯含量预测和瓦斯异常预警[11-12]。

1.6 矿井隐患及时交互和全过程追踪

通过建立隐患闭环管理模块，对隐患通过部门、作业地点、隐患性质、级别进行分类统计；利用瓦检仪器、防爆手机对井下隐患以文字、声音、图像、视频的形式进行记录；通过无线基站借助井下安全环网，实现井下隐患信息与地面的交互、追踪与处理，实现隐患信息的全过程追踪，弥补现有仪器仪表测量数据缺失导致的重大隐患，实现基于大数据方法实现隐患信息的态势分析，实现横向对比各部门工作效率以及重要隐患信息闭环追踪。

2 瓦斯灾害风险信息管控平台系统建设

以现有主流的软件开发技术采用C/S和B/S相结合的方式，开发软件系统作为瓦斯灾害风险防控技术实现的载体，并配套专用的硬件设备作为数据支撑。具有复杂分析功能和图形编辑功能的系统采用C/S模式，信息查询、发布类的系统采用B/S模式。对应各项技术共建设了7个专业子系统及一个大数据集成平台[13]，如图1所示。数据库设计采用中心数据库加子系统独立数据库的模式，子系统特有的数据，如通风阻力、隐患信息、抽采参数等存于各子系统本地数据库，共享数据及需要发布的数据比如：瓦斯参数测定数据、日常预测指标、瓦斯监控数据、突出预警结果等存于中心集成数据库进行数据交换和信息发布。

图1 瓦斯灾害风险信息管控平台结构Fig.1 Structure of gas disaster risk information management and control platform

2.1 配套硬件设备及网络环境搭建

定制了一套与矿井钻机钻具相匹配的钻孔轨迹测量装置，利用该装置测量高位钻孔的施工轨迹；在31803回风巷、12606运输巷等掘进工作面安装瓦斯涌出异常预警仪，对重点巷道的瓦斯涌出异常进行跟踪预警；在中央变电所、北翼运输巷口、西部卡轨车等地点，安装了6台无线基站，通过井下安全环网连接地面设备，构建瓦斯参数自动上传的井下无线网络环境；配套新版瓦斯突出参数测定仪WTC-1以及安装安全隐患闭环管理APP等应用的本安防爆手机连接无线基站，直接从井下实时上传测定数据；在地面安装了服务器、客户端计算机、网络交换机等设备，并依托矿井办公网，与安全监控系统、抽采监测系统连接，搭建了瓦斯灾害风险信息采集传输的地面网络环境，如图2所示。

图2 网络环境结构Fig.2 Network environment structure

2.2 多级瓦斯地质动态分析系统

该系统基于超图GIS平台进行开发，能实现多种CAD格式图形文件的导入、导出。具体功能包括自动分析瓦斯含量、瓦斯压力与埋深、煤厚等要素之间的关系，并进行公式拟合；按照国家标准，自动绘制矿区、煤层、采区、工作面多种级别的瓦斯地质图：随着生产活动的进行，动态分析工作面煤层瓦斯赋存变化，对瓦斯地质图进行自动更新；自动生成瓦斯压力、瓦斯含量、煤层埋深、煤层厚度等多种专题云图，比等值线图更加直观；在平面上沿任意方向绘制剖切线，自动生成沿剖切线的瓦斯压力、瓦斯含量、煤层埋深等要素的变化曲线图。

2.3 工作面瓦斯涌出异常分析系统

瓦斯超限、突出等事故发生前，大多存在瓦斯涌出异常预兆。通过对国内上百座矿井瓦斯涌出规律进行考察研究，总结出近20种瓦斯涌出特征指标。通过对八连城矿瓦斯涌出数据进行考察、分析、总结，优选了瓦斯量指标A和瓦斯解吸指标B，作为工作面瓦斯风险预警的主要指标，如图3所示。瓦斯涌出异常分析系统能够实时采集矿井安全监控系统数据，借助涌出特征指标，能够在线分析工作面瓦斯涌出特征，自动判识瓦斯涌出异常预兆，对瓦斯灾害风险进行超前预警。

图3 瓦斯涌出特征指标Fig.3 Characteristic index of gas emission

2.4 防突信息系统

《防治煤与瓦斯突出细则》在第四十四条明确提出，鼓励突出矿井建立防突信息系统，实施信息化管理。防突信息系统配备了WTC-1突出参数测定仪，能够实现突出参数测定结果从井下现场自动上传到地面，减少了人员填报环节，保证了数据的真实性和及时性；可以自动生成瓦斯参数电子表单，并对电子表单进行数字签名网络审批，能够取代传统纸质表单，填报、审批、查询、管理更便捷，并能永久保存；能够对突出参数进行多角度统计分析，自动生成统计图表，自动识别“超标、突变、高位波动” 等异常，对煤与瓦斯突出影响因素(地质构造、瓦斯异常、软分层等)进行超前辨识。

2.5 风网在线监控分析预警系统

风网在线监控分析预警系统是以矿井通风参数精测为基础，以通风网络解算为核心，以仿真技术为基础，实现矿井通风系统图、三维通风系统图、通风网络图、通风立体图等四图一体，实现通风系统辅助设计，通风系统的网络化管理，通风网络静态、动态解算，通风网络解算与调节，通风系统改造仿真，通风系统的分析与评价，通风异常及时发现和预警，作为生产矿井通风管理的辅助决策支持工具。

2.6 瓦斯抽采管理分析系统

该系统是一个瓦斯抽采专业管理平台，实现瓦斯抽采从设计到施工再到验收的全过程管理，以及抽采达标自动在线评判。主要功能为：钻孔智能设计，包括定向钻孔、穿层钻孔、顺层钻孔和高位钻孔等在内的多种类型瓦斯抽采钻孔智能设计，自动计算钻孔设计参数，自动绘制钻孔设计施工图，能够根据钻孔设计参数和竣工参数，进行钻孔三维立体展示，并自动生成钻孔设计图和竣工图；连接瓦斯抽采监测系统，自动读取瓦斯抽采监测数据，或通过Excel文件导入瓦斯抽采人工检测数据，并在抽采系统图上对监测、检测结果进行在线、动态显示，实时、准确掌握抽采系统的运行情况；对瓦斯抽采量进行在线、动态、自动、分类统计，自动生成相应的统计图表，实时、自动计算工作面瓦斯抽采率，在线评判矿井各工作面瓦斯抽采是否达标。

2.7 瓦斯灾害风险信息管控集成平台

该平台主要用于矿井瓦斯灾害防治关键信息的汇总、分析、集中展示，能够“一目了然”地掌握矿井瓦斯防治总体情况，实时发布预警结果[14-15]，指导矿井瓦斯防治决策。主要功能包括：对各子系统的所有信息进行采集，并集中存储；对关键数据进行提取、分析，自动生成相应的图表，并进行展示；以语音、短信等多形式进行预警信息发布；平台采用云服务架构，并开发有APP软件，能够通过手机等移动终端，对平台信息进行随时、随地查询。

3 结语

面向珲春矿业集团瓦斯灾害防治客观需求，基于国内瓦斯治理先进经验，采用先进信息化技术手段，经过技术研究、系统开发、硬件安装、网络搭建、系统集成等工作，最终成功构建了八连城矿瓦斯灾害风险信息管控平台，实现了包括瓦斯地质、瓦斯涌出、突出预测、瓦斯抽采、安全监控、安全隐患排查、风网动态解算等环节在内的矿井瓦斯防治全方位、全过程管控，达到了矿井瓦斯灾害提前预警、超前防控的目的，为矿井的安全、高效开采提供保障。

下一步，还将在矿井防尘、防火、矿压等方面进行深入研究，丰富煤矿灾害风险管控平台内容，打造一个全方位、综合型的矿井安全管控平台，进一步提升矿井安全管理的自动化、信息化、智能化水平，强化矿井安全管理能力，为矿井安全生产保驾护航。