新屯煤矿煤与瓦斯突出事故报警系统建设方案

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1、新屯煤矿煤与瓦斯突出事故报警系统建设方案 一、 立项背景新屯煤矿隶属于冀中能源峰峰集团有限公司。新屯井田位于河北省邯郸市峰峰矿区东北部，井田面积为8.4099km2，主井口坐标X：43598：Y：24155：Z：176.3m。新屯矿交通较为便利，西南距峰峰集团有限公司9km，西距S211省道3.5km（直线距离，以下同），南距S315省道4.5km，东距107国道18 km，东北距离邯郸市23.5km。矿井开拓方式为斜井-立井多水平开拓方式，矿井共有五个井筒，分别为主斜井、回风斜井、新副井、老副井和东风井。开拓水平有-50m水平、-190m水平，-300m水平和-600m水平。通风方式为混合式

2、通风，主要通风机工作方法为抽出式。矿井目前有四个斜井井筒和一个立井井筒，其中新副井（斜井）、老副井（斜井）、主井（斜井）为进风井，厂区风井（斜井）和东风井（立井）为专用回风井。新屯煤矿是突出危险性矿井。2011年矿井瓦斯等级鉴定经邢台金牛矿业安全评价检测技术有限公司，鉴定结果为高瓦斯矿井，矿井瓦斯绝对涌出量16.04m3/ min，矿井瓦斯相对涌出量11.22m3/t。新屯矿于2013年1月份鉴定为突出矿井，2#煤层为突出煤层煤与瓦斯突出是一种极其复杂的动力现象，破坏力强、危害性大，而且瞬间涌出的大量瓦斯可能导致次生瓦斯爆炸、瓦斯窒息等继发扩大性灾害事故。频频发生的突出事故给煤矿造成了巨大的经

3、济损失和不良社会影响。随着开采规模的不断扩大，矿井逐渐进入深部开采，煤与瓦斯突出灾害更加严重，成为制约矿井安全、高效生产的主要因素之一。突出事故监测报警是防止事故扩大的有效手段。迅速斩断瓦斯次生灾害的致灾链可将煤与瓦斯突出事故的灾害降到最低，而快速有效的应急处置措施是达到该目的的有力手段之一，制定合理的应急救援措施的关键在于及时、准确的掌握发生突出的时间、地点及波及范围，而事实上，不少突出事故发生后，由于缺乏有效的信息分析手段，很多地面管理人员无法在短时间内判断井下在什么地点发生了事故，已经有多大范围的波及，更难以预知可能引发的更大范围的继发性事故。因此，在应急决策时主要依靠经验或派人侦察后才

4、进行，对于有些经验不够丰富的管理人员而言，往往不能及时采取当机立断的应急措施，贻误最佳救援时机，甚至造成了事故的扩大。所以，研究煤与瓦斯突出事故监测技术，实现突出发生后快速、准确的判断事故发生的时间、地点，以及可能波及的范围，可为矿井迅速采取有效的应急处理措施提供决策依据，对最大程度的降低人员伤亡、防止事故扩大具有重要意义。符合国家政策导向。为大力实施“科技强安”战略，充分发挥科技先导作用，国家安监局“安监总煤装201328号”文件关于加强煤与瓦斯突出事故监测和报警工作的通知明确规定所有煤与瓦斯突出矿井应建立煤与瓦斯突出事故自动报警系统，积极推广应用先进适用的煤与瓦斯突出预测预报技术，建立和完

5、善煤与瓦斯突出监控预警系统。本项目研究内容完全符合矿井安全生产需求和国家政策导向。二、 研究目标（1）实现对突出事故发生时间、地点进行及时报警；（2）实现对突出的高浓度、高强度瓦斯流进行运动路线预测、分析和报警；（3）根据分析得出的实时信息，为撤人、断电等联动应急措施提供辅助性技术支撑。三、 研究内容根据项目研究目标，主要研究内容包括新屯煤矿数字化建设、传感器选型和安装位置确定、事故报警模型建立、报警软件系统建设。(一) 新屯煤矿数字化信息建设报警系统基于矿井通风系统图，对风流、传感器布置、报警结果、瓦斯流运行路线等信息进行直观展现。因此，需要对新屯煤矿进行数字化信息建设，以实现对上述信息的动

6、态更改及查询。(二) 新屯煤矿传感器选型和安装位置研究（1）传感器选型现有的煤矿安全监控系统中，传感器类型纵多，包括甲烷传感器、风速传感器、风压传感器、温度传感器、一氧化碳传感器、压力传感器等。而传感器的选型对于报警系统是否能够正确获取第一手有用的信息至关重要。（2）传感器安装位置的研究除了传感器的选型之外，传感器的安装位置对于能否正确、及时的判识煤与瓦斯突出事故的发生、发展状态起着至关重要的作用。只有在合适的位置安装了相应的传感器，才有可能在第一时间将其捕捉到事故发生和发展状态，进而才能正确的开展后续工作。基于这个功能要求，系统需要具备事故的准确判识、事故波及范围的准确判定等功能。为此，需要

7、针对生产矿井有突出危险性的采掘工作面，在矿井通风系统网络上的相关位置进行相应类型传感器的安装，通过传感器的监测数据的采集、分析和处理，对突出事故的时间、地点、波及范围等进行实时的监测，对瓦斯涌出量和波及范围自动预测，及时发出断电指令、通知相关人员，以便采取相应的联动应急措施。同时，煤矿需结合国家局28号文件，在相关位置进行相应类型传感器的增设。（3）数据采集设计由于报警系统需要从煤矿安全监控系统等系统读取数据来判断事故状况和进行范围预测等。而煤矿安全监控系统很可能因为生产厂家不同而导致数据格式各异、所属网络不同等众多互斥因素。为此，需要进行新屯煤矿报警系统对煤矿安全监控系统数据读取模式和程序的

8、开发设计。(三) 新屯煤矿事故报警模型研究（1）监测数据甄别对煤与瓦斯突出事故进行准备报警前提是获取可靠的监测数据并对其进行分析，因此需要对通过传感器所采集到的数据进行甄别，达到去伪存真的目的，避免误判。主要通过现场数据采集和测试，以及资料收集分析的方式进行研究，建立干扰数据识别规则。（2）传感器分组及属性关联研究煤与瓦斯突出事故识别是建立在对若干个传感器监测数据分析基础上的，因此需要对井下安设的传感器进行分组，并将其与相关采掘工作面进行关联设置，建立相应映射关系。（3）突出事故判识根据对传感器分组和属性设置，以及新屯煤矿实际情况，建立合理的突出事故发生状态判识模型，以此对突出事故的时间、地点

9、进行准确、及时的判识。（4）瓦斯涌出量和波及范围预测结合传感器分组和属性设置，可在发生并及时捕捉到煤与瓦斯突出事故以后，对突出事故的波及范围、瓦斯涌出量进行预测。结合波及范围和瓦斯涌出量预测结果，对发生的突出事故等级进行判定和综合分析。同时，可为煤矿及时发出断电指令、通知相关人员撤离提供技术支撑和依据。(四) 新屯煤矿报警系统建设调研新屯煤矿安全监控系统，开发相应接口程序，并根据矿方所需报警系统建设功能要求，对重庆煤科院提供的报警软件系统进行适应性调整，主要包括灾时事故报警模块，以实现相关系统数据快速读取、计算分析、报警结果及控制指令发布。四、 项目实施路线(一) 数字化建设收集新屯煤矿通风系

10、统图、采掘工程平面图、监控系统图、各监控系统型号及数据存储格式、各监控系统所属网络分配情况等基础资料，并根据系统建设要求进行数字化，主要数字化内容包括通风系统底图、传感器布置信息、传感器分组和关联等。(二) 确定传感器选型和安装位置结合煤与瓦斯突出事故的特点，以及系统建设需要，选择以甲烷传感器、风速风向传感器为主的2大类传感器进行突出事故监测，其主要作用为：（1）甲烷传感器：用来对事故发生的时间和地点、事故波及范围的瓦斯浓度进行监测，通过甲烷传感器的监测数据来初步判定事故的发生状态、运动路线和波及范围（建议在采掘工作面安装高浓度的光学甲烷传感器），并对瓦斯涌出量进行预测计算；（2）风速风向传感

11、器：用来对发生煤与瓦斯突出事故的发生状态、瓦斯逆流波及范围的风速和风向进行监测。基于国家局28号文件精神和新屯煤矿实际条件，经峰峰矿务局和新屯煤矿共同研究决定，选取2个掘进工作面（14271掘进工作面2个）、1个回采工作面（14260回采工作面）进行报警系统建设。预计共计增加高低浓度甲烷传感器22台，风速风向传感器17台，共计39台左右（含20%富余系数）。注：（1）新屯煤矿原回采工作面的T1或T2高低浓度甲烷传感器，掘进工作面的T1、T2高低浓度甲烷传感器，以及采区、一翼、总回风处的高低浓度甲烷传感器继续留用。（2）本报警系统所关联的所有采掘工作面临近区域的高低浓度甲烷传感器，具备2种功能：

12、一是可以通过关联煤矿本身安全监控系统，按照原煤矿或局要求、或规程要求，设置甲烷超限断电功能；二是与煤与瓦斯突出事故报警系统关联，具备对突出事故信息进行捕捉和判识的功能。（3）本报警系统所关联的所有进风区域的高低浓度甲烷传感器不设置甲烷断电报警功能，仅作为煤与瓦斯突出事故报警系统对突出波及范围进行分析预测的信息来源。（4）新屯煤矿在传感器安装过程中，需严格按照国家局2013年28号文件要求进行传感器的安装、维护，以确保信息来源的可靠性。（5）由于新屯煤矿此次对14271这2个掘进工作面的具体采掘接替关系未做明确指定，故无法进行准确的方案设计；以后新屯煤矿进行此两个掘进工作面报警系统建设时，需严格

13、按照国家局文件要求进行传感器设置。（6）新屯煤矿相关部门和领导认可此方案后，需对该方案的纸质文件进行盖章确认。表1 传感器增设一览表序号类型实际需求数量富余数量（按20%计算，取整数）共计1高低浓度甲烷传感器184222风速风向传感器14317合计32739(三) 数据采集设计为了实现“煤与瓦斯突出事故报警系统”的功能，需要从新屯煤矿的监控系统读取相应的传感器监测信息。经过分析，认为目前有2种读取这2套系统数据的可行方案：（1）峰峰矿务局或新屯煤矿提供监控系统数据库存储格式和读取数据库的用户名密码，然后报警系统建设方通过编写读取程序实现数据的读取（此方法只采集必要数据，对原监控系统数据库数据不

14、会更改，不影响原监控系统正常运行）；（2）峰峰矿务局或新屯煤矿联系KJ2000N和KJ156厂家，让对方编写程序将实时监测数据存储在第3方的共享位置，然后报警系统建设方通过编写读取程序实现数据的读取（推荐此类方法）。(四) 建立事故报警模型对甲烷传感器、风速传感器及风向传感器在自身故障、自身调校、传感器断电、风机断电等情形下数据变化规律及影响因素进行分析，建立数据甄别规则。建立大淑村煤矿回采工作面进风巷甲烷传感器、回采工作面进风巷风速风向传感器、回采工作面回风巷甲烷传感器关联关系；建立大淑村煤矿掘进工作面甲烷传感器、掘进工作面风速风向传感器关联关系。通过传感器的关联设置，结合传感器数据分析规则

15、，实现对工作面是否发生煤与瓦斯突出事故进行分析判定。 煤与瓦斯突出事故波及范围与瓦斯涌出量分析基本原则：在事故性质明确判定以后，以监测数据异常传感器所在工作面为中心，向全矿井范围进行异常传感器搜寻，直到巡检处所有的监测异常传感器为止，再通过计算模型进行波及范围分析预测。（1）有突出危险的回采工作面通过图形结合传感器编号的方式，进行具体说明，回采工作面传感器布置方案如图所示。图中，将T2、T3、T4这3个甲烷传感器和F1、F2、F3这3个风速风向传感器关联成一组。回采工作面图事故报警传感器布置示意图注： T2、T3必须改成高低浓度或高浓度甲烷传感器，F1、F2风速传感器原煤矿可能有，如果没有则需

16、对F1、F2风速风向传感器进行增加。增设T4、F3传感器。通过对图中T2、T3、T4、F1、F2、F3共计6个传感器数据对实时采集，对联动分析，可实现对回采工作面瓦斯涌出异常、煤与瓦斯突出等灾变事故对信息捕捉和及时发布。（2）有突出危险的掘进工作面同样，通过图形结合传感器编号的方式，进行具体说明。掘进工作面突出事故报警传感器设置示意图注：T1、T2是煤矿原有的，T1、T2必须改成高低浓度或高浓度甲烷传感器，F1、F2是新增加的。通过对图中T1、T2、T3、F1、F2共计5个传感器数据对实时采集，对联动分析，可实现对掘进工作面瓦斯涌出异常、煤与瓦斯突出等灾变事故对信息捕捉和及时发布。(五) 波及

17、范围分析模型煤与瓦斯突出事故波及范围求解的基本原则是：在事故性质明确判定以后，以监测数据异常传感器所在工作面为中心，沿着顺风流方向或逆风流方向，以时间序列逐步进行迭代，直到巡检处所有的监测异常传感器为止。监测数据异常的传感器所在巷道之间的巷道均为污染巷道。同时，考虑到传感器的相对滞后原则，沿着逆风流方向对最前方的监测异常传感器及其前面一个正常传感器之间的巷道进行趋势预警。下面对甲烷传感器的信息获取过程进行详细分析说明。设矿井内所有甲烷传感器组成的集合为： 设甲烷传感器、相邻。令：从甲烷传感器异常到甲烷传感器异常之间的时间差为，表达为：。设对应于。（1）如果矿井的所有进风井均监测到有瓦斯、风流异

18、常现象，则全矿井已经被事故波及。（2）以异常采掘工作面为中心，沿着通风系统顺风流方向，直到对应的出风井，之间的所有正向风流巷道、二次供风巷道（乏风串联巷道）均标识为突出事故波及巷道。（3）以所关联的同一工作面为中心，沿着通风系统逆风流方向，以传感器异常时间差从小到大的顺序，逐步搜索下一个监测异常甲烷、风流传感器。同时，采取超前原则，对现有异常传感器和下一个可能异常传感器之间的巷道进行预警。、之间的巷道路径选择依据为： 对于回采工作面，则逆流到工作面进风巷开口处后，开口位置到出风井的正向路径为事故扩散影响巷道；若被标示为异常传感器，且没有在该路径上，则风流发生了更大的逆流；该路径上有给其它巷道供

19、风支路的，其支路直到出风井的所有巷道均标识为事故扩散影响巷道。被标识为事故扩散影响巷道上的所有甲烷、风流传感器标识为受影响传感器； 如果是掘进工作面，逆流瓦斯气流通过第一对风门所在巷道后，以该巷道与其它巷道的交接节点为基点，如果该基点与之间有正向风流路径，且无论该路径上是否设置有甲烷、风流传感器，则该路径（可能多条）上的所有巷道标识为事故扩散影响巷道； 到出风井回风路径上的所有巷道标识为事故扩散影响巷道，被标识为事故扩散影响巷道上的所有瓦斯传感器标识为受影响传感器；（4）对于突出瓦斯运动到其回风侧某一点处的再次逆流的特殊情形。由于突出瓦斯强度很大，冲破该回风侧某处风门而进入该区域进风位置时，就

20、会涉及到逆流判识和顺风流判识2种现象同时存在的问题。这种问题的处理方式是：事先在该风门进风侧安装甲烷传感器，在报警系统中设立多个起始判识点，从多个点同时进行顺风流判识即可进行波及范围的有效全覆盖渲染。(六) 报警软件系统建设根据新屯煤矿数字化成果及研究建立的指标、模型，对重庆煤科院提供的报警软件系统进行适应性调整，主要包括突出事故报警模块。(七) 传感器及报警系统安装调试根据研究确定的传感器安装方案，对于新屯煤矿在井下相应位置安装相应传感器后的调试数据进行确认，确保系统能正常采集数据。(八) 运行考察、操作培训对新屯煤矿报警系统运行的稳定性、可靠性进行跟踪考察，并根据考察过程发现的问题对系统进

21、行及时调整、修改。对新屯煤矿相关人员进行报警系统操作培训。五、 系统功能介绍 “煤与瓦斯突出事故报警系统”是一套集模型搭建、数字化建设、工艺设计、算法设计、软件研发、硬件监测在内的成套技术体系。 报警系统架构图该系统能够实现的功能简单介绍如下：（1）系统编辑功能报警系统数字化管理界面基于该图形编辑平台，可以对当前矿井通风系统进行数字化编辑和更新，可以对传感器等进行关联、分组设置。编辑好该图形后，通过上传的方式，将该图形及其所涉及的数据进行上传，使得编辑系统可以对该图形系统及其属性进行识别，从而实现发生突出事故情形下的报警、波及范围分析预测、撤人断电指示等功能。为了便于煤矿自身进行实时维护，该数

22、字化建设和管理平台仿照Autocad平台的操作模式进行研发，使得矿上技术人员在进行报警系统数字化更新操作时，显得更为得心应手。（2）系统能够准确、及时、智能判识突出发生的时间与地点系统通过内部算法进行突出事故的智能判识，通过声音、图形加强渲染2种途径相结合的方式，进行突出事故时间、地点的自动报警。（3）系统拥有独特的突出后瓦斯逆流波及范围动态分析功能（4）系统可实现突出事故情形下信息采集、分析、报警、通知、撤人、断电的联动应急处置技术煤矿用户可根据系统所及时捕捉到是突出事故报警信息，分析预测瓦斯气流的动态波及范围，煤矿管理人员可根据报警信息，及时采取合理的撤人、断电等联动应急措施，将伤亡和损失

23、降到最低。 六、 项目进度计划（1）第1个月：现场调研，收集现场资料，考察矿方监控系统，根据矿方功能要求，编制项目具体实施技术方案，进行报警系统数字化建设。（2）第2个月：安装报警系统所需的传感器，事故报警模型建立，软件系统建设，安装报警系统。（3）第3个月：进行系统运行效果考察，系统调试完善，矿方相关技术人员培训，申请项目验收结题。七、 设备明细一事故报警系统地面设备1服务器(IBM X3650 M4) 台12PC客户端(联想扬天T4900V)台13网络交换机（华为S1700）台1二事故报警系统井下设备1高低浓度甲烷传感器（含20%备用量）台222双风速传感器（含风向功能）（含20%备用量）台173井下用分站（带电源）台4矿用监测电缆米八、 研究人员安排本项目的实施主要由中煤科工集团重庆研究院有限公司承担，由矿方指导完成，并指定专门的联系人员负责整个项目实施过程中部门间的协调，其人员配置及分工如下：新屯煤矿姓名职称职务分工中煤科工集团重庆研究院有限公司姓名职称职务分工赵旭生研究员副院长项目总协调张庆华副研究员所长系统规划韩文骥副研究员副所长进度控制段玉龙副研究员主任工艺模型研究张轶助理研究员项目经理人员协调康雪助理工程师技术员现场实施梁军工程师技术员软件开发 12