基于煤与瓦斯突出声电实时监测预警系统的应用研究

时间：2024-05-19

陈凯戴英健张丽娟李小龙

（1.四川煤矿安全监察局安全技术中心，四川成都610045；2.川南煤业古叙煤电有限公司，四川泸州646500）

0 引言

四川省煤与瓦斯突出灾害严重，制约着煤矿的绿色高质量发展。由于煤与瓦斯突出监测预警是进行突出治理工作的前提，因此，有效可靠的煤与瓦斯突出监测预警系统成为国内外学者最为关心的问题之一[1-3]。研究表明，传统的接触式煤与瓦斯突出监测预警系统不仅施工工艺烦琐，而且预测方法本身具有静态性和抽检性特征，具有极大的局限性[4-7]。近年来，随着声发射、电磁辐射等地球物理学方法的发展，基于声电实时监测预警技术逐渐成为煤与瓦斯突出监测研究的趋势和方向[8-10]。为此，本文依托石屏一矿，开展了基于煤与瓦斯突出声电实时监测预警系统的应用研究，为类似矿井瓦斯突出监测预警提供了可借鉴经验。

1 工程概况

石屏一矿位于四川省泸州市古蔺县城东，属于煤与瓦斯突出矿井。根据石屏一矿当前采掘部署情况和防治煤与瓦斯突出需求，选取13019上机巷掘进工作面开展煤与瓦斯突出声电实时监测预警系统的应用研究。石屏一矿C19上煤层瓦斯基础参数见表1。

表1 石屏一矿C19上煤层瓦斯基础参数

2 声电实时监测预警系统构成及现场施工方案

2.1 声电实时监测预警系统构成

煤与瓦斯突出声电实时监测预警系统硬件组成包括：一台声电瓦斯专用本安型监测分站；一台煤岩动力灾害声电数据采集监测仪、一台声发射传感器、一台电磁辐射传感器、一个甲烷传感器、一台工控计算机、一台矿用隔爆兼本安不间断电源、若干矿用通讯阻燃电缆、专用转换接头等。

煤与瓦斯突出声电实时监测预警系统软件组成包括：硬件通信软件、服务器端软件、客户端软件。系统软件采用C#语言编程，后台数据库使用Microsoft公司的SQLServer2008编写，适用于Windows2000/XP/2003/Vista/Windows7/Windows7/Server2008/Server2012等操作系统。

2.2 现场施工方案

根据石屏一矿现场情况，工控计算机放置于监控调度室，并接入环网，线缆铺设时需远离动力/高压电缆100 cm以上。声电数据采集监测仪放置于13019上机巷回风联络巷距离迎头10 m左右位置，可悬挂于巷道顶板或帮部，进而避开滴水区域，且该监测仪与声电瓦斯专用本安型监测分站通过四芯屏蔽专用电缆连接。

声发射传感器放置于13019上机巷回风联络距离迎头10~20 m范围内，可以直接固定在巷道帮部锚杆处；电磁辐射传感器采用钻孔安装于巷帮，且电磁辐射传感器与声发射传感器相距1~3 m，即在巷道帮部打一个直径72 mm，深度0.5 m的钻孔，将电磁辐射传感器放入钻孔，同时对钻孔进行护孔处理，从而防止钻孔塌孔堵孔等损坏电磁辐射传感器。甲烷传感器安装监测使用矿井13019上机巷回风联络迎头处的甲烷传感器，在工控机上安装瓦斯数据传输软件，将13019上机巷回风联络迎头处的甲烷传感器监测数据实时传输过来。图1为石屏一矿煤与瓦斯突出声电实时监测传感器布置示意图。

图1 石屏一矿煤与瓦斯突出声电实时监测传感器布置示意图

3 典型案例分析煤与瓦斯突出声电实时监测预警系

统主要监测指标是声发射强度、电磁辐射强度和瓦斯浓度。由于声发射传感器和电磁辐射传感器均是高灵敏度传感器，且采样频率高，分站上传数据间隔时间短，加上井下作业工序的影响，声电强度在短时间内可能会出现较大变化。为此，提出采用5点平均滤噪算法，对实时监测声电强度数据进行自动实时处理，大幅减弱声电强度局部波动程度，从而实现煤与瓦斯突出危险性声电监测参数前兆规律的显现。

根据13019上机巷回风联巷掘进过程声电监测强度和瓦斯浓度等敏感指标，选取典型预警案例分析如下：2020年6月9日20时45分左右，地面监控中心显示13019上机巷联巷回风甲烷发出报警，报警时间为20：45：32~20：53：12，报警时长约7分40秒，确定为三级瓦斯超限报警事故。事故原因为13019上机巷回风联巷在转矸的过程中，迎头左帮侧片帮，造成回风甲烷传感器超限报警。

由图2可知，声发射强度从6月9日7：00已开始呈逐渐增大趋势，到6月9日11：15左右增大至177.7 mV左右，超过设定临界值（150 mV）。根据现场情况确定当时并没有干扰作业，因此，可以视为根据声发射强度提前8个小时进行了瓦斯超限预警。电磁辐射强度从6月9日20：00开始呈逐渐上升趋势，一直到20：50左右达到最大值72.88 mV，虽然没有超过临界值，但根据动态趋势预警算法对该次瓦斯超限事件进行了提前预警。

图2 6月9日瓦斯超限前后各指标变化