矿山通防灾害预警预控技术

引言

我国矿山安全生产形势严峻随着矿山开采深度增加，地压、瓦斯压力等参数呈非线性增长，本研究旨在突破传统技术的数据孤岛与响应延迟瓶颈，构建基于多物理场耦合的预警模型，开发具有自主决策能力的预控系统。

一、矿山通防灾害相关理论基础

1.1 通防灾害类型与成因

矿山通防灾害主要涵盖瓦斯灾害、煤尘灾害和火灾三大类。瓦斯灾害中，瓦斯爆炸多因井下瓦斯浓度在爆炸界限内，遇火源引发剧烈燃烧；瓦斯突出则与地质构造应力、煤体物理力学性质及瓦斯压力密切相关，当应力与瓦斯压力突破煤体强度极限，瓦斯裹挟煤体瞬间喷出，堵塞巷道、掩埋人员。煤尘爆炸需同时满足煤尘具有爆炸性、悬浮浓度达到爆炸下限、存在火源等条件，井下机械摩擦、电火花等均可能成为引爆源。矿山火灾方面，内因火灾源于煤炭自燃，当煤的氧化放热速率超过散热速率，火势蔓延迅速，易产生大量有毒有害气体。

1.2 灾害演化规律

通防灾害的演化具有明显阶段性特征。灾害发生前，通常伴随瓦斯浓度异常升高、煤体温度上升、巷道煤尘沉积量增加等征兆。瓦斯突出前可能出现煤壁片帮、支架声响、瓦斯忽大忽小等预兆。煤炭自燃初期，巷道内会出现煤油味、空气温度升高等现象。进入发展阶段，灾害迅速扩散，瓦斯爆炸产生的高温高压气浪与冲击波会破坏通风系统、损毁设备。煤尘爆炸形成的火焰传播速度可达 2340m/s ，造成大面积人员伤亡，火灾产生的浓烟与有毒气体沿通风网络蔓延，威胁井下人员生命安全。

1.3 安全风险管理理论

安全风险管理理论在矿山通防中强调对灾害风险的全流程管控。风险识别通过现场勘查、历史数据分析及专家评估，辨识潜在灾害风险点，如高瓦斯区域、采空区等；风险评估采用定量与定性相结合的方式，确定风险等级与危害程度，为决策提供依据。风险控制措施涵盖工程技术措施、管理措施和个体防护措施。通过建立动态风险管理机制，定期更新风险清单、调整防控策略，实现对矿山通防灾害的主动预防与科学治理，保障矿山安全生产。

二、矿山通防灾害预警技术

2.1 监测数据采集技术

大数据预警分析是灾变预警的前提，多类型、多途径的大数据的融合实现对矿山事故的全方位识别和感知，利用传感技术进行瓦斯传感器精度高的瓦斯传感器可以感知井下瓦斯体积分率的情况，保障数据的准确性，红外传感器可探测穿透烟雾感知煤壁的温度，对煤矿开采早期煤层自燃温度预警的出现进行预警，风速传感器用于感应通风的系统状态，当发现通风风速出现较大的波动时就及时预警，可能存在通风系统事故或者巷道存在堵塞的现象。

2.2 预警模型构建

机理—数据联合预警模型，融合机理分析和数据分析，实现灾害预警的智能化和自动性。数据驱动模型可采用机器学习模型来发现数据的历史规律，提高模型的准确度，如采用长短期记忆网络模型来学习时间序列数据的规律，预测瓦斯浓度变化趋势，提前判定瓦斯积聚风险；随机森林模型能够同时考虑地质因素、开采速度等多个因素，判断煤与瓦斯突出发生的可能性。机理分析模型，从灾害本身出发，如瓦斯传播动力学模型、煤体氧化动力学模型等，建立数学模型，并通过数学模型实现预警。

2.3 预警信息发布与响应

及时响应是将预警变成防灾效益的最后一步。基于灾害轻重程度设置预警等级，将其分级划分为一般(Ⅳ级)、较重(Ⅲ级)、严重(Ⅱ级)、特别严重(Ⅰ级)四级，以不同色号(蓝、黄、橙、红)来标识不同等级预警的响应规程。多途径传播包括井下声光报警器、矿用手机终端、地面监控中心的大屏幕等在内的多途径发布确保信息不留死角，一旦发生Ⅱ级预警，马上启用井下重要地点的声光报警，同时将灾害地点、类型、严重等级发送给管理人员短信和 APP 通知。

三、矿山通防灾害预控措施

3.1 通风系统优化

通风系统是矿山安全的血脉，通风系统优化应做到优化和动态适应。设计期间应根据矿山的采掘布置和地质情况采用三维通风网络解软件进行计算，科学合理确定主扇式选型、矿山的通风方法、巷道断面，从而合理分配全矿井风量。高瓦斯矿井通过设计专用回风巷、井巷、优化调整工作面通风路线等措施保证工作面瓦斯不大于规定限度；对深部开采的矿井，多级机站通风在深部开采矿井中，深部的通风阻力比较大，要采用多机站通风的技术手段予以解决。运行中，通过采用智能通风控制系统实时测知各处风速、风压等，根据生产过程出现某一区域风量不足的情况，自动实现对其相应风道中局部通风机风量的提高或再开启其他风机，实现通风过程的稳定。对通风设施定期做好检查并按期维修，避免其出现漏风，提高通风系统工作的有效性和稳定性。

3.2 瓦斯与煤尘治理

瓦斯与煤尘治理需采取 “抽、排、防、隔” 综合措施。瓦斯治理方面，推广地面钻井预抽、井下顺层钻孔抽采等技术，降低煤层瓦斯含量。完善瓦斯抽采监测系统，实时监控抽采流量、浓度等参数，确保抽采效果。煤尘治理以降尘、防尘为核心，通过优化喷雾降尘系统，在采掘工作面、转载点等尘源处安装高压喷雾装置，采用湿式打眼、煤层注水等技术，从源头减少煤尘产生。在巷道内设置隔爆水袋棚、岩粉棚，阻断煤尘爆炸传播路径，防止灾害扩大。

3.3 火灾防控技术

火灾防控坚持预防为主、防治结合原则。针对内因火灾，采用黄泥灌浆、阻化剂喷洒等防灭火技术，在采空区、高冒区注入防灭火材料，抑制煤炭氧化自燃；利用红外热成像仪、束管监测系统，对煤体温度、气体成分进行 24 小时连续监测，提前发现自燃隐患。对于外因火灾，严格管控井下动火作业，采用防爆电气设备，杜绝电火花、摩擦火花等火源；在胶带运输巷等重点区域安装自动洒水灭火装置，一旦检测到高温或烟雾，立即启动喷水降温，将火灾扼杀在萌芽状态。

3.4 应急救援预案与演练

完善的应急救援预案与实战演练是降低灾害损失的关键。预案制定需结合矿山实际，明确灾害类型、应急组织机构、救援流程及人员疏散路线，细化不同灾害场景下的处置措施，如瓦斯爆炸后的通风系统恢复、火灾救援中的防烟避毒方案等。定期组织全员应急演练，模拟瓦斯突出、火灾等突发情况，检验预案可行性与人员应急能力。通过演练发现问题，及时修订预案，优化救援流程。加强应急救援队伍建设，配备专业救援装备，开展针对性技能培训，提升队伍快速响应与协同作战能力。

结语

通过多源数据融合与智能算法应用，实现灾害风险的精准识别与动态防控，为矿山安全生产提供有力支撑。未来将进一步深化人工智能与物联网技术融合，探索灾害预警预控技术在复杂开采环境下的适应性，推动矿山安全管理迈向更高水平。

参考文献

[1] 郑建国, 徐德宝, 李连坡. 矿山通防灾害预警预控技术[J]. 中国金属通报,2019,(04):214-215.

[2]张后林,杨印雷,李洪征.通防灾害预警预控技术实践与应用[J].中国高新科技,2023,(13):57-59.