秦汝祥　張國(guó)樞　楊應(yīng)迪

摘 要：對(duì)監(jiān)測(cè)到的瓦斯?jié)舛刃蛄羞M(jìn)行深入研究的基礎(chǔ)上，提出了利用瓦斯?jié)舛刃蛄蓄A(yù)報(bào)煤與瓦斯突出的新方法，設(shè)計(jì)了突出預(yù)報(bào)軟件，并以某礦實(shí)際突出前瓦斯?jié)舛刃蛄羞M(jìn)行了驗(yàn)證。結(jié)果表明：瓦斯?jié)舛刃蛄性谕怀霭l(fā)生2 h前表現(xiàn)了突出前兆信號(hào)，并且隨著突出的臨近，該信號(hào)越來(lái)越強(qiáng)。由此可見(jiàn)，該方法是可行的，且能彌補(bǔ)常規(guī)預(yù)報(bào)方法中的不足，使預(yù)報(bào)更為準(zhǔn)確、可靠。

關(guān)鍵詞：預(yù)報(bào)；煤與瓦斯突出；序列

中圖分類號(hào)：TD713文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1672-1098(2008)01-0025-05

收稿日期：2007-08-31

基金項(xiàng)目：安徽省科技創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)計(jì)劃資助項(xiàng)目（2006kj0005TD）；安徽理工大學(xué)青年基金資助項(xiàng)目（QN200604）；安徽理工大學(xué)引進(jìn)人才基金資助項(xiàng)目（2005yb06）

作者簡(jiǎn)介：秦汝祥(1975-)，男，江蘇高郵人，講師，在讀博士，主要從事安全工程與技術(shù)方面的研究

Method of Coal and Gas Outburst Forecast by Sequence of

Gas Concentration and Its Application

QIN Ru-xiang1，2，ZHANG Guo-shu1，2，YANG Ying-di1，2

（1. School of Energy and Safety,Anhui University of Science and Technology,Huainan Anhui 232001,China;2. Key Laboratory of Safe and Effective Coal Mining of Ministry of Education Jointly Funded by Anhui Province and Ministry of Education）

Abstract:Based on study of monitored gas concentration sequence, a new method for coal and gas outburst forecast was put forward. Software for coal and gas outburst forecast was composed and it was validated by gas concentration sequence before real outburst in a mine. The results show that precursor signals of outburst occurred 2 hours before outburst, and the signals got stronger with time approaching outburst occurrence. The method is feasible and makes the forecast result more accurate and reliable.

Key words:forecast; coal and gas outburst; sequence

煤與瓦斯突出(簡(jiǎn)稱突出)是煤礦中一種極其復(fù)雜的動(dòng)力現(xiàn)象，是威脅煤礦井下安全生產(chǎn)最嚴(yán)重的災(zāi)害之一。為了防治突出事故的發(fā)生，國(guó)內(nèi)外煤礦界，投入了大量的人力、物力和財(cái)力。根據(jù)突出發(fā)生前夕，煤巖體的中的溫度異常、電磁輻射、聲發(fā)射等變化［1-4］， 提出了多種突出預(yù)報(bào)方法， 由于這些方法需在煤礦井下有限的空間增設(shè)設(shè)備， 不僅妨礙了井下作業(yè)， 而且增加了設(shè)備投入， 現(xiàn)場(chǎng)使用尚不多見(jiàn)。 因此， 研究投入少， 利于現(xiàn)場(chǎng)操作使用的設(shè)備或突出預(yù)報(bào)方法， 仍是目前防治突出研究的主要任務(wù)。

實(shí)際上瓦斯監(jiān)測(cè)探頭不僅僅監(jiān)測(cè)到瓦斯?jié)舛戎?，而且能夠監(jiān)測(cè)到瓦斯?jié)舛茸兓畔ⅲ?］。如果在煤與瓦斯突出的孕育發(fā)展過(guò)程中，實(shí)時(shí)跟蹤煤礦井下瓦斯?jié)舛葦?shù)據(jù)的變化，提取其中的潛在信息，能夠?qū)崿F(xiàn)煤與瓦斯突出的實(shí)時(shí)預(yù)報(bào)。本文以監(jiān)測(cè)的瓦斯?jié)舛葦?shù)據(jù)為研究對(duì)象，建立了突出異常信息提取模型，編寫了煤與瓦斯突出信息分析軟件，實(shí)證分析了突出前夕的異常信息，為利用監(jiān)控系統(tǒng)預(yù)報(bào)煤與瓦斯突出提供了方法基礎(chǔ)和理論依據(jù)。

1 異常信息提取模型

根據(jù)巷道瓦斯涌出情況實(shí)現(xiàn)煤與瓦斯突出的動(dòng)態(tài)趨勢(shì)性預(yù)報(bào)，有關(guān)文獻(xiàn)還不多見(jiàn)，文獻(xiàn)［7］中雖然提出利用掘進(jìn)工作面放炮后30 min內(nèi)的瓦斯涌出量與落煤量比值的V30指標(biāo)和瓦斯涌出變動(dòng)系數(shù)K璙指標(biāo)，但這兩項(xiàng)指標(biāo)受不同的地質(zhì)開采條件的影響，具體指標(biāo)值又不一樣，在操作使用中有一定的局限性；況且兩項(xiàng)指標(biāo)的數(shù)據(jù)處理方法單一，不能很好地反映突出與瓦斯涌出關(guān)系的實(shí)際情況。本文作者運(yùn)用數(shù)理統(tǒng)計(jì)學(xué)科的知識(shí)，引入經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域較成功的股票和期貨分析方法以及氣象預(yù)報(bào)中使用的統(tǒng)計(jì)分析方法，在嘗試眾多的預(yù)報(bào)模型后，最終提出了系統(tǒng)化的適合計(jì)算機(jī)處理的煤與瓦斯突出預(yù)報(bào)模型，即趨勢(shì)模型和擺動(dòng)模型。

1.1 趨勢(shì)模型

趨勢(shì)類指標(biāo)是以均線系統(tǒng)為基礎(chǔ)，通過(guò)研判瓦斯?jié)舛仍谝欢〞r(shí)期內(nèi)的變化狀況（上升、水平走向、下降），來(lái)反映煤層中影響煤與瓦斯突出的各因素與突出的相互關(guān)系。趨勢(shì)類指標(biāo)普遍具有穩(wěn)定的特點(diǎn)，即趨勢(shì)一旦確立，就會(huì)延續(xù)一段時(shí)間，直到外力迫使其改變這一狀況，否則趨勢(shì)一直延續(xù)?？疾熠厔?shì)的模型或方法有很多種，這里主要采用指數(shù)平滑線和指數(shù)平滑異同平均線。

指數(shù)平滑是利用現(xiàn)有數(shù)據(jù)的加權(quán)平均數(shù)來(lái)構(gòu)造趨勢(shì)方程的統(tǒng)計(jì)方法。指數(shù)平滑值和平滑系數(shù)是該法的兩個(gè)主要參數(shù)。

指數(shù)平滑值是指如下公式推導(dǎo)的數(shù)值。

S璽=ay璽+(1-a)S﹖-1(1)

式中：珁璽為同期實(shí)際值；S﹖-1為上期平滑值；a為平滑系數(shù)。

1.2 擺動(dòng)模型

擺動(dòng)模型的指標(biāo)主要有：擺動(dòng)量、偏離率和變動(dòng)率。

擺動(dòng)量：為了描述突出前夕的瓦斯涌出變化的規(guī)律性，而提出的一個(gè)指標(biāo)，以用來(lái)考察瓦斯?jié)舛鹊淖兓潭扰c瓦斯突出的關(guān)系。

偏離率：對(duì)于不同的礦井，在使用滑動(dòng)平均線研判突出發(fā)生的過(guò)程中即使曲線趨勢(shì)是一致的，但礦井的煤層瓦斯含量、煤層滲透性系數(shù)等不一樣，監(jiān)控系統(tǒng)所測(cè)得的瓦斯?jié)舛纫矔?huì)存在著差別。偏離率可將滑動(dòng)平均線規(guī)范化。

y(n)璽=x璽-MA(n)璽MA(n)璽（2）

式中：MA(n)璽=1n∑ni=1x﹖-i+1（最近n時(shí)刻內(nèi)的瓦斯?jié)舛然瑒?dòng)平均）；t為當(dāng)前時(shí)刻；n為時(shí)間長(zhǎng)度；x璽為t時(shí)刻的瓦斯?jié)舛戎怠?/p>

變動(dòng)率：統(tǒng)計(jì)學(xué)中的方差最能描述瓦斯?jié)舛鹊淖儎?dòng)率。因?yàn)橐环矫?，它反映的是序列的離散程度，也即各值偏離均值的程度。方差越大，瓦斯?jié)舛茸兓仍酱螅环讲钤叫?，瓦斯?jié)舛茸兓仍叫?。另一方面，?dāng)監(jiān)控系統(tǒng)是采用變質(zhì)變態(tài)的讀數(shù)方式時(shí)，對(duì)于一定的時(shí)間間隔內(nèi)，瓦斯涌出變化頻繁，表現(xiàn)在序列中就是，這段時(shí)間內(nèi)讀數(shù)值的數(shù)量較多，而對(duì)同一時(shí)間間隔內(nèi)，瓦斯涌出穩(wěn)定，則讀值數(shù)量較少。以正常和異常兩種情況的同時(shí)期的均值相等為前提，不難理解異常時(shí)的方差要遠(yuǎn)大于正常時(shí)的方差。由此可見(jiàn)，一定時(shí)間步長(zhǎng)的瓦斯?jié)舛戎档姆讲畋砻髁送咚褂砍龅淖兓潭取?/p>

μ=1k∑kt=1X璽

s2=1k-1∑kt=1(X璽-μ)2(3)

式中：μ為序列的樣本均值；s2為序列的樣本方差；k為時(shí)間步長(zhǎng)。

2 預(yù)報(bào)分析軟件設(shè)計(jì)

2.1 軟件開發(fā)工具

預(yù)報(bào)分析軟件是實(shí)現(xiàn)突出預(yù)報(bào)的基礎(chǔ)，軟件的開發(fā)以Windows視窗操作系統(tǒng)為平臺(tái)，主要是因?yàn)楦渌僮飨到y(tǒng)如UNIX相比，Windows仍是目前最流行和最容易上手的操作系統(tǒng)，比較適合煤礦企業(yè)使用。

軟件采用Visual Basic編程，數(shù)據(jù)庫(kù)管理工具為Access2003。模塊化設(shè)計(jì)，各個(gè)模塊相互獨(dú)立，又有一定的聯(lián)系，具體包括：數(shù)據(jù)維護(hù)模塊、預(yù)報(bào)模塊和預(yù)報(bào)結(jié)果顯示模塊（見(jiàn)圖1）。

圖1 功能模塊構(gòu)成2.2 功能模塊構(gòu)成

(1) 數(shù)據(jù)維護(hù)模塊 該模塊主要是對(duì)預(yù)報(bào)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。包括選擇預(yù)報(bào)基本參數(shù)，例如所選擇的預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)的初始位置的確定及其運(yùn)算中的保存處理，預(yù)報(bào)時(shí)間間隔等；預(yù)報(bào)趨勢(shì)圖坐標(biāo)設(shè)定，該模塊的功能主要是對(duì)預(yù)報(bào)結(jié)果中趨勢(shì)圖的坐標(biāo)進(jìn)行設(shè)定，使用戶既能夠從全局上查看預(yù)報(bào)結(jié)果也能夠查看預(yù)報(bào)的細(xì)節(jié)內(nèi)容；此外，運(yùn)行結(jié)果保存可以將預(yù)報(bào)運(yùn)算的結(jié)果保存為趨勢(shì)圖的形式以便后期查詢，也可保存為預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)文本格式，以便導(dǎo)出，或作為歷史記錄保存。

(2) 預(yù)報(bào)模塊 該模塊是整個(gè)煤與瓦斯突出系統(tǒng)的核心部分，可選擇在線預(yù)報(bào)（預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)序列逐時(shí)從監(jiān)控系統(tǒng)獲得）或離線預(yù)報(bào)（預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)一次性從監(jiān)控系統(tǒng)獲得），分別適用于歷史數(shù)據(jù)的分析和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)分析兩種情況。預(yù)報(bào)模型選擇子模塊（可選擇多種預(yù)報(bào)方法）主要是對(duì)所選擇的數(shù)據(jù)從不同的模型方法上進(jìn)行突出的研判，其主要目的是從多方面驗(yàn)證預(yù)報(bào)結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。

(3) 結(jié)果顯示模塊 該模塊目的是將系統(tǒng)結(jié)果展示給用戶。為了顯示的直觀和使用的方便，可以將結(jié)果以趨勢(shì)圖的形式顯現(xiàn)在用戶的面前，同時(shí)，還可以顯示預(yù)報(bào)結(jié)果數(shù)據(jù)。

2.3 數(shù)據(jù)流程

預(yù)報(bào)分析軟件主要是為了完善礦井監(jiān)控系統(tǒng)的功能，挖掘瓦斯?jié)舛茸兓械臐撛谛畔?，?shí)現(xiàn)煤與瓦斯突出預(yù)報(bào)而設(shè)計(jì)的。預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)的獲得，是利用現(xiàn)有瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)，直接實(shí)現(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)與預(yù)報(bào)分析軟件的數(shù)據(jù)傳輸，進(jìn)行實(shí)時(shí)預(yù)報(bào)（見(jiàn)圖2）。

圖2 突出預(yù)報(bào)系統(tǒng)頂層數(shù)據(jù)流預(yù)報(bào)軟件接收監(jiān)控系統(tǒng)傳輸過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)，經(jīng)分析運(yùn)算后，其結(jié)果主要以趨勢(shì)圖的形式向用戶反饋是否存在突出危險(xiǎn)的信息，同時(shí)以文件形式保存運(yùn)算分析結(jié)果，以便用戶查看。當(dāng)結(jié)果數(shù)據(jù)包含突出危險(xiǎn)信息時(shí)，預(yù)報(bào)分析軟件將向監(jiān)控系統(tǒng)（如KJ66）返回報(bào)警信息，由監(jiān)控系統(tǒng)向指定的執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)送命令，指示報(bào)警設(shè)備動(dòng)作，與此同時(shí)預(yù)報(bào)分析軟件記錄報(bào)警信息，以備檢索（見(jiàn)圖3）。

圖3 預(yù)報(bào)信息流程圖3 實(shí)例分析

淮南潘一礦是一座設(shè)計(jì)年產(chǎn)300萬(wàn)噸的大型礦井，目前主采煤層為8煤、13-1煤和11-2煤，三個(gè)煤層均為高瓦斯突出煤層，其中8煤噸煤瓦斯含量為5～6 m3/t，13-1煤噸煤瓦斯含量為12～22 m3/t，11-2煤噸煤瓦斯含量為4～7.5 m3/t。該礦13-1煤、8煤和11-2煤均發(fā)生過(guò)煤與瓦斯突出動(dòng)力現(xiàn)象，其中13-1煤15次，11-2煤1次，8煤1次。

利用突出分析軟件對(duì)2003年5月26日突出的監(jiān)控系統(tǒng)中瓦斯?jié)舛葦?shù)據(jù)進(jìn)行分析（見(jiàn)圖4～圖5）。無(wú)論是瓦斯?jié)舛茸兓厔?shì)，還是瓦斯?jié)舛茸兓姆群妥兓l次在突出前夕都有明顯的表現(xiàn)（見(jiàn)圖4～圖5中圓圈標(biāo)出部分）。a 指數(shù)平滑平均分析b 指數(shù)平滑異同移動(dòng)平均分析

圖4 突出前夕瓦斯?jié)舛茸兓厔?shì)分析結(jié)果a 偏離率分析b 變動(dòng)率分析

圖5 突出前夕瓦斯?jié)舛茸兓瘮[動(dòng)分析結(jié)果

由圖4a可見(jiàn)，10：00前瓦斯?jié)舛融厔?shì)平穩(wěn)，說(shuō)明煤壁前方應(yīng)力場(chǎng)、瓦斯壓力等變化平穩(wěn)；而10：00后，瓦斯?jié)舛茸兓厔?shì)第一次出現(xiàn)了波動(dòng)頻繁且幅度較大的情況，這實(shí)際是煤壁前方應(yīng)力的波動(dòng)和瓦斯壓力變化的綜合作用，使得瓦斯呈現(xiàn)不穩(wěn)定釋放的反映，表明前方煤體平衡狀態(tài)開始出現(xiàn)較大的擾動(dòng)，這一波動(dòng)持續(xù)了約20 min。10：40后，瓦斯?jié)舛仍僖淮纬霈F(xiàn)大幅度波動(dòng)，與此同時(shí)，瓦斯?jié)舛茸兓厔?shì)發(fā)生了轉(zhuǎn)變（見(jiàn)圖4b），趨勢(shì)的改變表明系統(tǒng)平衡狀態(tài)已發(fā)生了變化，表明突出已進(jìn)入準(zhǔn)備階段。

瓦斯?jié)舛茸兓x率也表明，突出前具有明顯的異常信號(hào)。10：30后瓦斯?jié)舛茸兓x率出現(xiàn)了大幅度提高（見(jiàn)圖5a），這是瓦斯?jié)舛扔砍龊龃蠛鲂〉耐怀銮罢椎谋憩F(xiàn)，但從瓦斯?jié)舛仍紨?shù)據(jù)中很難直接看出這一規(guī)律（見(jiàn)圖6）。圖6 潘一礦掘進(jìn)工作面突出發(fā)生前夕瓦斯?jié)舛龋?2:08發(fā)生突出）

瓦斯?jié)舛茸兓l次最能反映突出前的瓦斯涌出異常信息（見(jiàn)圖5b）。當(dāng)煤體前方應(yīng)力平衡狀態(tài)發(fā)生較大擾動(dòng)時(shí)，瓦斯?jié)舛茸兓_始頻繁，隨著突出發(fā)生時(shí)間的接近，瓦斯?jié)舛茸兓絹?lái)越快。這說(shuō)明突出前煤體內(nèi)應(yīng)力在逐漸破壞煤體，煤體內(nèi)裂隙逐漸增多。但由于煤體本身的彈性，其破壞過(guò)程并不是平穩(wěn)變化的，而是呈現(xiàn)出波動(dòng)特性，主要原因是每一條裂隙的生成都帶來(lái)裂隙周邊煤體的振動(dòng)，從而使得煤體透氣性發(fā)生改變。其外在表現(xiàn)就是，瓦斯涌出的忽大忽小和瓦斯?jié)舛茸兓l率的改變。隨著破壞程度的加劇，這種表現(xiàn)逐漸劇烈，由于變化的頻繁，瓦斯涌出偏離其均值的程度反而變?。ㄒ?jiàn)圖5a），可以認(rèn)為，頻次的劇增和偏離率的增——減變化是突出即將發(fā)生的前兆信息。

通過(guò)以上分析可以發(fā)現(xiàn)，盡管瓦斯?jié)舛葦?shù)據(jù)本身沒(méi)有超出規(guī)定值［6］，但其中蘊(yùn)含的突出信息在突出發(fā)生前2 h左右卻有明顯的表現(xiàn)?？蓪⑵浞治鼋Y(jié)果信號(hào)傳遞給與之進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)谋O(jiān)控系統(tǒng)，利用監(jiān)控系統(tǒng)可向作業(yè)地點(diǎn)和監(jiān)控中心發(fā)出報(bào)警信號(hào)?？梢?jiàn)，對(duì)瓦斯?jié)舛葦?shù)據(jù)中潛在信息進(jìn)行挖掘，能夠?yàn)槊旱V安全管理提供決策支持信息，有效保護(hù)生命財(cái)產(chǎn)的安全。

4 結(jié)語(yǔ)

對(duì)已有數(shù)據(jù)的分析表明，突出發(fā)生前夕，瓦斯?jié)舛葦?shù)據(jù)中蘊(yùn)含著突出前兆信息，盡管瓦斯?jié)舛葦?shù)據(jù)本身沒(méi)有超出規(guī)定值，但其中蘊(yùn)含的突出信息在突出發(fā)生前2 h左右卻有明顯的表現(xiàn)。采用瓦斯?jié)舛茸兓厔?shì)分析、偏離率分析和變化頻次分析，能夠找出前兆信息。進(jìn)一步的分析發(fā)現(xiàn)，前兆信息隨著突出的臨近越來(lái)越強(qiáng)。利用VB6.0編寫突出分析軟件，結(jié)合煤礦現(xiàn)有的檢測(cè)系統(tǒng)，將分析結(jié)果信息反饋給檢測(cè)系統(tǒng)，利用檢測(cè)系統(tǒng)向煤礦井下作業(yè)地點(diǎn)和監(jiān)控調(diào)度中心發(fā)送突出報(bào)警信號(hào)實(shí)現(xiàn)突出預(yù)報(bào)是可行的。

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(責(zé)任編輯：何學(xué)華)