煤矿瓦斯治理过程控制理论及应用研究

【摘要】： 现阶段,煤矿瓦斯治理技术的理论与应用研究得到了快速的发展,但重特大瓦斯事故仍旧频繁发生,伤亡人数居高不下,这与瓦斯治理过程的控制、管理方面的不足有着密切的关系。针对这一问题,本文提出并深入研究了瓦斯治理过程控制理论,其研究成果对于实现瓦斯治理过程的规范化和程序化,保障煤与瓦斯突出矿井的安全生产和煤矿的可持续发展具有重要的意义。主要研究成果包括如下五个方面: 1)提出了煤矿瓦斯治理过程及其控制的概念,分析了它们的内涵和特点,并据此建立了瓦斯治理过程控制理论的体系结构,明确了瓦斯治理过程控制这一研究方向。该理论的体系结构包括瓦斯治理过程模型、过程特征参数、过程控制方法和支撑系统四个组成部分,它们自底向上逐渐深入和综合,是金字塔式的层次结构。 2)通过对常用瓦斯治理技术方法及其工程应用的分析,结合相关标准的规定,采用流程图的形式建立了瓦斯治理过程模型。在工程应用中,不同的地质构造、煤层赋存、瓦斯赋存等环境导致瓦斯治理过程系统实例也不同。为了满足过程实例多样性的需要,过程模型的建立分为总过程模型和子过程模型。其中,总过程模型是一个框架,一个子过程模型则对应一种瓦斯治理技术,它们的组合构成过程系统实例。 3)基于工程应用的现场调研,获得了瓦斯治理过程的特征参数。通过分析这些特征参数的含义、来源和产生频率,将它们划分为初始化参数、动态参数和节点参数。由于特征参数具有多元性,相互关联,本文采用特征参数之间映射关系分析的方法确定了主元参数;由于瓦斯治理过程在时空上的连续性,瓦斯抽采和排放过程的特征参数具有自相关性,本文采用时间序列分析的方法,建立其自相关回归模型,研究了通过残差来消除相关性的方法。 4)在瓦斯治理过程控制方法的研究中,设计了过程特征参数的采集方案,研究了瓦斯治理工程施工参数跟踪控制方法、瓦斯抽采和排放参数跟踪控制方法。前者通过单值控制图和极差控制图相结合实现,后者则通过单值控制图、残差单值控制图和残差移动极差控制图相结合实现。另外,还提出了行为集、目标集、结论集和判断函数相结合的节点控制原理,分析和设计了区域突出危险性预测、瓦斯治理工程设计方案审核、施工质量验收、区域瓦斯治理效果检验和安全采掘条件审核五种类型的节点控制方法。 5)综合瓦斯治理过程和控制方法的理论研究,研发了其支撑软件系统,设计和实现了支撑系统中关键技术问题的解决方案,并在淮北矿业集团祁南煤矿713工作面进行应用,建立了试验区的瓦斯治理过程系统实例,即“区域突出危险性预测→五种方案设计→设计方案审核→713底板岩巷穿层钻孔施工→施工质量验收→穿层钻孔抽采煤巷条带瓦斯→区域瓦斯治理效果检验(穿层钻孔抽采)→石门揭煤→安全掘进条件审核→713煤巷掘进→顺层钻孔施工→施工质量验收→顺层钻孔抽采回采区域瓦斯→区域瓦斯治理效果检验(顺层钻孔抽采)→安全开采条件审核→工作面回采”。结果表明,支撑系统使得瓦斯治理过程系统、特征参数和过程跟踪控制与节点控制方法的信息化管理和操作成为可能,初步实现了瓦斯治理过程的规范化和程序化。