煤矿数字化智慧矿山整体解决数字化矿山架构及建设模型

图3-36基于工作流的信息分级处理反馈管理模型图3-37分级管理责任人定制示意图

3.5矿井重大危险源评价指标体系和方法煤矿井下作业是不同于其它的生产系统。与地面作业系统相比，它具有许多不安全的自然因素：瓦斯、煤尘、煤自然、顶板与水害等重大危险源对生产系统及作业人员构成威胁，这就要求生产技术层与管理决策层在生产过程中能事先预测发生事故的可能性，确定生产系统的危险状态，摸清和掌握事故发生规律，预报可能发生的危险性，以便采取相关预防措施。煤矿重大危险源评价指标体系主要是面对重大危险源的单一评价以及危险源相互间制约的区域评价。危险源因素间相互牵连，相互制约造成矿井重大危险源发生。为此，煤矿重大危险源危险性评价指标体系的主要研究内容包括煤矿重大危险源的分级体系、评价指标体系建立原则、评价指标体系相关指标的定量化问题以及指标体系库的构建。3.5.1煤矿重大危险源分级体系矿井重大危险源分级体系研究是灾害识别、预警预报与决策分析的基础。当前，国内重大危险源隐患识别、预警预报与决策支持管理还没有形成一套管理标准体系。为此，煤矿重大危险源隐患分级体系研究将有助于煤矿重大危险源危险性评价与预警预报。矿井重大危险源分级是根据主要灾情指标，划分等级，以此反映灾害程度。重大危险源分级的目的是更加清晰地反映灾情。目前，国内外对矿井重大危险源分级还没有比较一致的意见和标准。但是，一般矿井重大危险源分级的基本原则如下：（1）分级种类和指标要反映灾害的基本属性特征和主要灾情特点。（2）划分的级次数量和不同级次的幅度适当，要恰如其分地反映灾情。（3）等级指标明确，划分方法简单，便于应用。（4）考虑国外矿井重大危险源分级和其他危险源的分级方法，便于对比。根据灾情调查、统计和评估的需要，可以从不同方面对地质灾害进行分级，如灾变分级、灾度分级和风险分级。目前，参照国土资源部和国家气象局对地质灾害发生可能性的分级是采用5级体系，我们也将矿井重大危险源的不同危险级别采用不同的表现及发布方式：5级，灾害发生的可能性极大。4级，灾害发生的可能性大。3级，灾害发生的可能性中等（较大）。2级，不易发生灾害（小）。1级，不发生（很小）。其中，3级在预报中为注意级，4级在预报中为预警级，5级在预报中为警报级；1-2级不发布任何警报，如表3-1。表3-1矿井重大危险源发生可能性等级等级说明备注5可能性极大警报级4可能性大预警级3可能性中等注意级2不易发生不发布1不发生不发布

3.5.2评价指标体系构建的原则煤矿重大危险源隐患评价是一项复杂的系统工程问题，指标体系的构建原则必须具有系统性、科学性、普遍性与特殊性、可量化性。系统整体性系统整体性原则主要包括构建指标体系的目的性、整体性、层次结构性、关联性与可适用性等。（1）目的性：煤矿重大危险源评价指标体系建立的目的就是实现矿井重大危险源隐患识别、预警预报以及决策分析，实现相关步骤的评价。为达到这一目的，必须建立反映矿井重大危险源的评价指标体系，并在不同阶段进行优化与控制。（2）整体性：矿井重大危险源评价指标的确定是来源于危险源因素的分析，灾害的发生可能是单一指标导致，也可能是相关指标整体作用产生。为此，矿井重大危险源评价不是单个指标的简单集合，评价指标及其功能，评价指标间的关系必须服从矿井重大危险源评价的整体目标和功能。只有在整体功能实现的前提下，参评指标的选择才是正确和完善的，评价结果才能反映整体性。（3）层次结构性：评价指标体系是由一定层次结构的评价指标组成，在层次结构中，各评价指标表述了不同层次评价指标的从属关系和相互作用关系，从而构成一个有序、系统的层次结构。（4）关联性：主要充分考虑评价指标体系内部的指标属性关联性。指标间的关联影响与关联驱动。（5）可适用性：任何指标的建立必须具有较强的可操作性与实用性。2.科学性矿井安全事故的发生是矿井安全隐患按照科学的自然规律产生，也是客观存在的。这就要求对其评价的指标具有科学性和客观性，评价指标就必须通过客观规律、理论知识分析获得，形成经验与知识的互补，还必须保证评价指标的概念明确。指标的特殊性与普遍性评价指标的确定要根据其共性（普遍性）与特殊性。例如，同样是瓦斯事故，但导致事故发生的因素可能不一致，有的是瓦斯积聚导致爆炸事故，有的是煤与瓦斯突出导致瓦斯事故。在指标建立过程中，采用通用性原则对矿井普遍存在的共性指标建立评价层，如瓦斯积聚的评价。而对于特殊性指标，根据其结构层次和关系作为特殊指标处理，既保证了评价的普遍性，又兼顾了特殊性。可量化性随着计算机技术、数据库技术以及决策模型与方法的研究与成熟，通过量化指标实现矿井重大危险源评价是一种趋势。特别在多指标评价体系中，定性是基础，定量是目标。依据量化指标参数评价可提高评价的准确性。

3.5.3评价指标体系结构评价指标体系的选择和确定是评价研究内容的基础与关键，直接影响到评价的精度和结果。指标体系应能够反映矿井重大危险源的主要特征和基本状况，以反映矿井重大危险源存在危险状态为目标。因此，指标体系的构成要素对评价过程至关重要，选择的因素太多，可能过分增加系统评价指标体系结构的复杂程度和评价的难度，而且掩盖了主要的关键因素；指标因素过少，评价过程简单易行，则不能全面系统客观地反映实际情况。引发矿井安全问题的因素是多种，几乎涵盖了生产技术的每一个环节。总体上讲，主要包括7类：（1）地质因素：主要是影响采掘工作的地质状况，如构造、水文、煤层稳定性、煤层倾角以及顶底板岩性等。（2）灾害因素：包括瓦斯、煤尘、火灾、水灾等煤矿典型灾害，其中前3类是煤矿通风灾害、第四类为地质灾害。（3）煤层开采工艺因素：主要包括采煤、掘进和运输等开采技术和工艺条件等。（4）生产装备因素：在整个矿井生产系统中，装备因素是内容最多、涵盖面最宽的因素，包括如采掘机械化程度、各种设备的完好情况以及安全技术措施的落实等。（5）生产人员素质因素：人的因素在人机环境中占有独特的地位，其中生产人员的素质状况对安全系统状态起着重要的影响。反映人员素质因素主要包括文化程度、年龄结构、工作年龄以及受教育和培训的程度等。（6）环境条件因素：主要是作业人员的生存环境，如环境的照明、温度等。（7）矿井危险源因素：这也是影响矿井安全性最为重要的因素之一，包括瓦斯超限、积聚、采掘作业质量、火源、电器失爆等。上述7类因素构成了矿井安全评价指标体系，其结构及其相互关系如图。构成矿井安全危险的因素主要由地质、灾害、管理、生产装备、生产人员素质、生产环境与危险源等，而其中矿井重大危险源隐患与地质、灾害以及危险源密切相关。矿井重大危险源隐患的识别、预警预报与决策支持工作在现有生产装备、人员水平以及生产环境的基础上，重点是提高重大危险源隐患因素的识别、进而提高灾害的预警预报能力、最终真正提高管理决策能力。地质因素、灾害因素与危险源因素是三类重点一级指标体系。图3-38是矿井安全评价指标体系的顶层结构，总体上分为7类。依据评价指标体系构建原则，七大类指标进一步细化，对所有定性指标和定量指标进行描述，并实现为矿井重大危险源隐患危险性评判模型服务。基于这一原则，并依据矿井重大危险源隐患重点三类指标体系建立第二层次与第三层次的指标体系，地质因素分解如图3-39，灾害因素分解如图3-40。水害评价主要依据采空积水区、小窑采空积水区、老巷、断层防水煤柱、底板重点警戒区、水文长观孔、地表水体、物探水文异常区等一系列导水、涌水通道的三层指标；瓦斯灾害评价的三层指标主要包括瓦斯探头、高瓦斯区、突出威胁区、突出危险区以及高瓦斯掘进面。图3-38矿井安全评价指标体系图3-39地质因素指标分解图图3-40矿井重大危险源因素指标分解图评价指标体系的构建过程中，各指标以指标定量化为基本原则和目标，对定性指标也进行定量化处理，在矿井重大危险源危险性评价过程没有任何定性指标参与评判。并通过特定的方法将定性指标定量化处理转化为定量指标，但不影响评价过程及其处理结果。在评价过程中，定性指标的定量化处理是分析、处理矿井重大危险源隐患识别的重要步骤，相关定量化方法的选择与应用十分关键。

3.5.4评价指标体系矿井重大危险源主要包括水、火、瓦斯、顶板等四类灾害，其中最为常见的是瓦斯灾害与水害，同时在指标定量化考核相对简单、容易。重点讨论水害、瓦斯灾害的三层指标体系及其量化是相关灾害评价的基础，本节将给出瓦斯灾害与水害的量化三层指标体系及相应的灾害报警级别和消警建议。矿井重大危险源评价指标体系库就是矿井重大危险源隐患发生具体评价指标参数的知识库，矿井瓦斯、水害等危险源的不同指标体系及其临界值，同时相关监测数据与测站的说明牌。测站说明牌是掌握设备参数的直接来源，以确保数据的准确性与可靠性；监测表指标是掌握危险源数据的一手资料，只有有了它才能评价地质灾害发生的可能性与准确性；评价指标是危险源不同级别报警的详细参数及其处理建议。水灾重大危险源评价指标体系水灾重大危险源评价指标体系分为地面水灾监测评价指标体系和井下水灾监测评价指标体系。1.地面水引起井下水灾的重大危险源评价指标体系以地面水水文监测系统的水位标高为危险源，采用梯度预警的方法进行预警，具体的指标体系见表3-2。水位标高梯度预警分为蓝色、黄色、橙色和红色四级：蓝色预警：作业地点水位标高变化绝对值大于或等于2并小于3。黄色预警：作业地点水位标高变化绝对值大于或等于3并小于4。橙色预警：作业地点水位标高变化绝对值大于或等于4并小于5。红色预警：业地点水位标高变化绝对值大于或等于5。2．井下水水灾重大危险源评价指标体系（1）图形评价预警指标体系库矿井井下水重大危险源图形评价包括采空区积水、老巷积水、断层防水煤柱等导水涌水通道的评价指标体系，矿井水灾重大危险源预警指标体系见表3-3。表3-2水位标高梯度预警指标体系库A：t个水位标高数据样本的均值。Di：水位标高取样数据。Dn：水位标高当前数据。V：水位标高变化绝对值。评价项目评价指标预警警级V(米)3>AI≥2蓝色预警V(米)4>AI≥3黄色预警V(米)5>AI≥4橙色预警V(米)AI≥5红色预警表3-3井下水图形评价预警重大危险源预警指标体系预警对象预警项目预警指标警度采取措施采空积水区距离60米橙色预警开始探水后消警30米红色预警掘进后降为橙色老巷距离60米橙色预警开始探水后消警30米红色预警掘进后降为橙色底板重点警戒区距离30米橙色预警采取措施后消警长期观测孔数据观测旬测橙色预警填报后消警深井距离120米橙色预警采取措施后消警断层防水煤柱进入断层保护煤柱边界30～60米橙色预警人工消警＜30米红色预警人工消警地表水体冲击层距离120米橙色预警采取措施后消警物探水文异常区距离60米橙色预警采取措施后消警30米红色预警采取措施后消警（2）流量梯度预警指标体系库以井下水水文监测系统的流量为危险源，采用梯度预警的方法进行预警，具体的指标体系见表3-4。表3-4流量梯度预警指标体系库A：t个流量数据样本的均值。Di：流量取样数据。Dn：流量当前数据。AI(n)：百分比梯度。评价项目评价指标预警警级AI(%)40>AI≥20蓝色预警AI(%)60>AI≥40黄色预警AI(%)80>AI≥60橙色预警AI(%)AI≥80红色预警流量梯度预警分为蓝色、黄色、橙色和红色四级：蓝色预警：作业地点流量百分比梯度值大于或等于20%并小于40%。黄色预警：作业地点流量百分比梯度值大于或等于40%并小于60%。橙色预警：作业地点流量百分比梯度值大于或等于60%并小于80%。红色预警：作业地点流量百分比梯度值大于或等于80%。（3）明渠-水泵趋势预警指标体系库以井下水水文监测系统的明渠流量为危险源，结合水泵最大排水量，采用趋势预警的方法进行预警，具体的指标体系见表3-5。明渠-水泵预警分为蓝色、黄色、橙色和红色四级：蓝色预警：水平明渠流量达到水泵最大排水量的时间点与当前时间点的时间差值大于或等于4小时并小于8小时。黄色预警：水平明渠流量达到水泵最大排水量的时间点与当前时间点的时间差值大于或等于2小时并小于4小时。橙色预警：水平明渠流量达到水泵最大排水量的时间点与当前时间点的时间差值大于或等于1小时并小于2小时。红色预警：水平明渠流量达到水泵最大排水量的时间点与当前时间点的时间差值大于或等于0小时并小于1小时。表3-5明渠-水泵趋势预警指标体系库T=Te-TsTs：当前时间点。Te：水平明渠流量达到水泵最大排水量的时间点。T：Ts与Te的时间差，单位h。-450水平水泵最大排水量：450*3=1350（m3/h）。-600水平水泵最大排水量：600*6=3600（m3/h）。-850水平水泵最大排水量：450*8=3600（m3/h）。评价项目评价指标预警警级T(h)8＞T≥4蓝色预警T(h)4＞T≥2黄色预警T(h)2＞T≥1橙色预警T(h)1＞T≥0红色预警火灾重大危险源评价指标体系XX煤矿井下各可采煤层均属不易自燃煤层，均具有煤尘爆炸性，属于低瓦斯矿井。束管监测系统未建设，二期建设好以后可以接入系统平台，建设完成后的评价指标体系如下：1.内因火灾重大危险源评价指标体系库煤矿井下作业空间内，由于采煤活动破坏、煤自身氧化、煤炭火灾等影响因素，生成的大量可燃易爆性气体与入风风流混合，形成了矿井可燃混合气体。矿井可燃混合气体主要由可爆炸气体组份（如甲烷、氢气、一氧化碳等）、助燃气（指氧气）、抑爆气（即惰气，包括氮气和二氧化碳）三部分组成。矿井可燃气体的组份比例不同，其爆炸危害性也不同，通过分析矿井可燃气体的组份构成及比例，可以界定其爆炸危险性区间，同时也可以对火灾的发生发展态势或熄灭程度做出初步的预测。对于指导矿井救灾工作及防治火灾而言，特别是对于控制瓦斯爆炸灾害的二次发生及火灾性气体的爆炸性识别，保障井下作业人员及救护队员的生命安全，具有十分重要的意义。矿井可燃气体爆炸性可以划分为爆炸危险、潜在爆炸危险和不爆炸三个典型区间。关于矿井可燃性混合气体爆炸危险性问题，国内外学者进行了大量的研究工作，目前公认的是美国学者Hhghes和Raybould提出的Coward爆炸三角形理论，利用动态Coward爆炸三角形原理，依据矿井火灾可燃气体的即时数据，实时计算可爆炸混合气体的爆炸上下限及临界点的二维笛卡尔坐标值，动态勾画爆炸三角形区域，由易爆性混合气体的坐标值的空间点所处的位置可即时判别矿井火灾气体的爆炸性。矿井可燃性气体主要由甲烷、一氧化碳、氢气和重碳氢化合物组成，一旦有火灾隐患，极易发生爆炸。其中，由于瓦斯的来源最丰富，既有煤层中自然涌出的瓦斯，再加上煤自然氧化及火灾过程中产生的瓦斯，所以发生瓦斯爆炸的危险性最大。矿井可燃性气体的爆炸条件：（1）瓦斯或其它可燃气体达到一定的浓度。（2）存在温度适宜的引爆火源。（3）有足够的氧气。如图3-41所示为矿井瓦斯混合气的Coward三角形。纵轴标是0～20.93%的氧气，即等价于0～100%的空气。横轴标是0～100%的瓦斯混合气，A点代表氧气，B点代表纯瓦斯气，线段AB则代表瓦斯混合气和氧气的混合体，P点代表瓦斯混合气在空气中的爆炸下限，Q点代表爆炸上限，线段APQB下方点代表各种浓度组份的瓦斯、空气及氮气的混合气体。含氧低于R值的混合气体不会爆炸，线段PR是爆炸下限线，线段QR是爆炸上限线，P通常称为爆炸临界限点，三角形PQR区域内称为爆炸三角形，凡混合气体中甲烷、氧浓度点在此三角形内时，该混合气体就有爆炸危险性。应用Coward爆炸三角形时，首先给出瓦斯混合气在空气中的爆炸上、下限点P和Q，然后通过瓦斯、空气和氮气混合气的临界上限的瓦斯和氧含量确定混合气的爆炸临界点R。三角形PQR区域内为爆炸危险区间，即混合气体具有爆炸性；四边形QBSR区域内为潜在爆炸危险区间，该区域内的气样含有大量瓦斯及超氮，暂不具有爆炸性，但是一旦与空气混合，则会形成爆炸性混合气体，即具有潜在爆炸危险；五边形APRSO区域内为非爆炸危险区间，该区域内的气体，瓦斯含量低，且氮气含量高，使其不能被点燃，即使与空气混合，也不会形成爆炸性混合气体。识别瓦斯混合气的爆炸危险性时，可按瓦斯混合气的坐标区域判定其所属爆炸区间，从而识别其爆炸危险性。采集实时数据和历史数据，根据可燃气体的爆炸界限，进行气体爆炸上、下限和失爆点的计算，对将要发生超限的混合气体进行预警。（1）根据表3-6可燃气体爆炸上、下限计算混合气体爆炸界限。计算混合可燃气体的爆炸上限、下限。计算公式如下：PT/LT=P1/L1+P2/L2+……+Pn/Ln（3-5）PT——混合气体中可燃气体总浓度，%。L、L、L—各可燃气体组分的爆炸界限，%。P、P、P—各可燃气体组分的百分比，%。表3-6煤矿常见可燃气体的爆炸界限气体名称化学分子式爆炸下限%爆炸上限%甲烷CH45.0016.00乙烷C2H63.2212.45丙烷C3H82.409.50丁烷C4H101.908.50戊烷C5H121.407.80乙烯C2H42.7528.60一氧化碳CO12.5075.00氢气H24.0074.20硫化氢H2S4.3245.50LT—混合气体的爆炸界限。当求混合可燃气体的爆炸上限时P1、P2……Pn代入可燃气体各浓度值，L1、L2、L3代入混合可燃气体的爆炸上限，LT为爆炸上限。当求混合可燃气体的爆炸下限时P1、P2……Pn代入可燃气体各浓度值，L1、L2、L3代入混合可燃气体的爆炸下限，LT为爆炸上限。（2）混合爆炸气体的失爆点浓度和氧浓度计算方法。LTn：爆炸性混合气体失爆点浓度。LTO2：失爆点氧气浓度。根据公式（3-5）算出混合爆炸气体的失爆点浓度和氧浓度。(3-6)(3-7)式中,Ni+——使单位体积的某种可燃气体惰化所应加入的惰气量(i=1,⋯,n),可由相关表3-7查得。表3-7可燃气体H2、CH4、CO失爆所需的惰气量可燃气体加入惰气惰气/可燃气体（体积比率）失爆点出的气体浓度（体积%）可燃气体氧气H2N216.554.35.1CO210.205.38.4CH4N26.006.112.1CO23.207.314.6CON24.1213.96.0CO22.1618.68.6根据式（3-6）、（3-7）计算得出鼻点坐标。柯瓦德三角形的做法：横坐标为可燃气体浓度（%）0～100%，纵坐标为O2浓度（%）0～22%，沿横坐标的（100%，0）和纵坐标的（0，21%）两点做直线，在直线上作出可燃气体爆炸上、下限点，通过三点法做出束管爆炸柯瓦德三角形。输入的数据：各种可燃气体浓度值，N2、O2浓度值。2、外因火灾重大危险源评价指标体系库（1）温度趋势预警指标体系库以安全监控系统的温度为危险源，采用趋势预警的方法进行预警，具体的指标体系见表3-8。表3-8火灾温度趋势预警指标体系库T=Te-TsTs：当前时间点。Te：作业地点温度达到报警值的时间点。T：Ts与Te的时间差，单位小时。过滤值：当前温度≥20度。评价项目评价指标预警警级T(小时)2＞T≥1.5蓝色预警T(小时)1.5＞T≥1黄色预警T(小时)1＞T≥0.5橙色预警T(小时)0.5＞T≥0红色预警温度预警分为蓝色、黄色、橙色和红色四级：蓝色预警：作业地点温度达到报警值的时间点与当前时间点的时间差值大于或等于1.5小时并小于2小时。黄色预警：作业地点温度达到报警值的时间点与当前时间点的时间差值大于或等于1小时并小于1.5小时。橙色预警：作业地点温度达到报警值的时间点与当前时间点的时间差值大于或等于0.5小时并小于1小时。红色预警：作业地点温度达到报警值的时间点与当前时间点的时间差值大于或等于0小时并小于0.5小时。（2）CO趋势预警指标体系库以安全监控系统的CO为危险源，采用趋势预警的方法进行预警，具体的指标体系见表3-9。CO预警分为蓝色、黄色、橙色和红色四级：蓝色预警：作业地点CO浓度达到50ppm的时间点与当前时间点的时间差值大于或等于0.75小时并小于1小时。黄色预警：作业地点CO浓度达到50ppm的时间点与当前时间点的时间差值大于或等于0.5小时并小于0.75小时。橙色预警：作业地点CO浓度达到50ppm的时间点与当前时间点的时间差值大于或等于0.25小时并小于0.5小时。红色预警：作业地点CO浓度达到50ppm的时间点与当前时间点的时间差值大于或等于0小时并小于0.25小时。表3-9火灾CO趋势预警指标体系库T=Te-TsTs：当前时间点。Te：作业地点一氧化碳浓度达到50ppm的时间点。T：Ts与Te的时间差，单位小时。过滤值：当前CO浓度≥2ppm。评价项目评价指标预警警级T(小时)1＞T≥0.75蓝色预警T(小时)0.75＞T≥0.5黄色预警T(小时)0.5＞T≥0.25橙色预警T(小时)0.25＞T≥0红色预警瓦斯重大危险源评价指标体系1.瓦斯趋势预警指标体系库以安全监控系统的甲烷为危险源，采用趋势预警的方法进行预警，具体的指标体系见表3-10。瓦斯预警分为蓝色、黄色、橙色和红色四级：蓝色预警：作业地点瓦斯浓度达到报警值的时间点与当前时间点的时间差值大于或等于1.5小时并小于2小时。黄色预警：作业地点瓦斯浓度达到报警值的时间点与当前时间点的时间差值大于或等于1小时并小于1.5小时。橙色预警：作业地点瓦斯浓度达到报警值的时间点与当前时间点的时间差值大于或等于0.5小时并小于1小时。红色预警：作业地点瓦斯浓度达到报警值的时间点与当前时间点的时间差值大于或等于0小时并小于0.5小时。表3-10瓦斯趋势预警指标体系库T=Te-TsTs：当前时间点。Te：作业地点浓度达到报警值的时间点。T：Ts与Te的时间差，单位小时。过滤值：当前的瓦斯浓度≥0.15%。报警值：设置为实际报警值的2.5倍。评价项目评价指标预警警级T(小时)2＞T≥1.5蓝色预警T(小时)1.5＞T≥1黄色预警T(小时)1＞T≥0.5橙色预警T(小时)0.5＞T≥0红色预警2.瓦斯梯度预警指标体系库以安全监控系统的甲烷为危险源，采用梯度预警的方法进行预警，具体的指标体系见表3-11。瓦斯梯度预警分为蓝色、黄色、橙色和红色四级：蓝色预警：作业地点瓦斯百分比梯度值大于或等于40%并小于60%。黄色预警：作业地点瓦斯百分比梯度值大于或等于60%并小于80%。橙色预警：作业地点瓦斯百分比梯度值大于或等于80%并小于100%。红色预警：作业地点瓦斯百分比梯度值大于或等于100%。3.瓦斯梯度预警指标体系库瓦斯图形评价预警指标主要包括瓦斯探头、高瓦斯区、突出威胁区、突出危险区以及高瓦斯掘进面等三层评价指标体系，具体评价指标参数、预警级别和消警建议详见表3-12。表3-11瓦斯梯度预警指标体系库A：t个危险源数据样本的均值。Di：危险源取样数据。Dn：危险源当前数据。AI(n)：百分比梯度。过滤值：当前的瓦斯浓度≥0.15%。评价项目评价指标预警警级AI(%)60>AI≥40蓝色预警AI(%)80>AI≥60黄色预警AI(%)100>AI≥80橙色预警AI(%)AI≥100红色预警表3-12火灾管理预警指标体系隐患类别评价项目评价指标预报预警采取措施揭煤岩巷掘进面距揭煤点长度（m）≤50超限红色预警采取措施，措施评价后消警数学模型预计揭煤长度Ly-已掘进长度Lx≤50高瓦斯、高应力区掘进工作面巷旁抽放孔超前迎头最短长度Lc(m)Lc-Lx＜6红色预警停止掘进后消警迎头卸压排放（抽放）孔超前迎头长度Lp(m)Lp-Lx＜15红色预警停止掘进后消警高瓦斯区距高瓦斯区距离Lg（m）≤50红色预警填入处理措施、评价意见消警突出威胁区距威胁区距离L威胁（m）≤50红色预警填入处理意见消警突出危险区距危险区距离L危险（m）≤50红色预警填入处理意见消警瓦斯检测点CH4（%）采区≥1红色预警指标降后消警一翼≥0.75红色预警指标降后消警矿井≥0.75红色预警指标降后消警CO2(%)≥0.5红色预警指标降后消警贯通综掘工作面（m）50红色预警采取措施后消警炮掘工作面（m）30红色预警采取措施后消警顶板重大危险源评价指标体系根据《煤矿安全规程》《采掘作业规程》和质量标准化标准，建立采掘工作面顶板重大危险源指标体系见表3-13、表3-14。表3-13顶板压力域值预警指标体系库P=F/C*100%F：工作面时间段内的整架压力大于等于下限值的合格数据个数。C：工作面时间段内所有有效数据的个数。P：整面合格率，单位%。N：工作面时间段内报警次数，取值1、2、3、4，单位：次。评价项目评价指标预警警级P(%)且N(次)50>P≥40且：N=1蓝色预警P(%)且N(次)40>P≥30且：N=2黄色预警P(%)且N(次)30>P≥20且：N=3橙色预警P(%)且N(次)20>P≥10且：N=4红色预警表3-14顶板离层域值预警指标体系库：锚杆的A测点离层值。：锚杆的B测点离层值。:锚杆的A测点离层值、锚杆的B测点离层值中的最大值；：锚杆伸长率。评价项目评价指标预警警级V(%)5%>V≥4%蓝色预警V(%)6%>V≥5%黄色预警V(%)7%>V≥6%橙色预警V(%)V≥7%红色预警1.顶板压力域值预警指标体系顶板压力域值预警信号分为蓝色、黄色、橙色和红色四级：（1）蓝色预警信号指工作面时间段内的整面合格率大于或等于40%并小于50%且工作面时间段内，且报警次数等于1。（2）黄色预警信号指工作面时间段内的整面合格率大于或等于30%并小于40%且工作面时间段内，且报警次数等于2。（3）橙色预警信号指工作面时间段内的整面合格率大于或等于20%并小于30%且工作面时间段内，且报警次数等于3。（4）红色预警信号指工作面时间段内的整面合格率大于或等于10%并小于20%且工作面时间段内，且报警次数等于4。2.顶板离层域值预警指标体系根据钱家营矿掘进作业规程制定报警值和预警值，此值应与延展率关联。锚杆巷道必须设十字布点观测，锚杆巷道30～50米设一个十字布点观测点，包括两帮相对位移，顶板下沉及底鼓，巷道掘进10天内，顶板累计下沉量小于50㎜，最大下沉速度小于6㎜/天，巷道掘进50天内，顶板累计下沉小于150㎜，最大下沉速度小于3㎜/天。监测期间如果位移值超过上述范围应立即汇报，以便分析原因，采取措施。结合规程的规定，锚杆长度多为2.4米。100%*0.15/2.4=6.25%结合以上结果设计顶板离层域值预警指标体系库如下：锚杆伸长率域值预警分为蓝色、黄色、橙色和红色四级。蓝色预警：锚杆伸长率大于或等于4%并小于5%。黄色预警：锚杆伸长率大于或等于5%并小于6%。橙色预警：锚杆伸长率大于或等于6%并小于7%。红色预警：锚杆伸长率大于或等于7%。3.5.5瓦斯、水害评价方法研究瓦斯、水害评价预警决策支持系统针对生产技术层来讲主要由专业GIS系统、实时监测数据采集系统、通风说明和监测数据系统、瓦斯说明和监测数据系统、水害说明和监测数据系统、瓦斯水害评价预警决策系统组成；对管理、决策层来讲主要是基于Web的辅助决策支持系统和远程查询系统组成。系统功能实现严格遵循数据采集、模型选择、决策分析与结果发布的业务流程，以及灾害隐患的报警与消警处理。1．专业GIS系统以采掘工程平面图为基准，通过新建添加各种通风设施、各种瓦斯区域地质参数、各种监控瓦斯装备及必备的监控内容，形成通风系统图、瓦斯地质图、水文地质图或充水性图等图件。2．实时监测数据采集系统实时监控数据采集系统主要是井下实时监控系统，包括瓦斯监测、水位监测以及顶板压力监测等，主要有瓦斯、温度、风压等各类安全事故监测数据。3．通风说明和监测数据系统主要实现主要扇风机、局部扇风机、风门(窗、桥)、测风站（点）、密闭、漏风点等说明牌数据录入、修改、删除和添加等操作；实现扇风机监测表、局部扇风机监测表、风门监测表、风窗监测表、风桥监测表、测风站（点）监测表、密闭监测表、漏风点监测表等监测表数据的录入、修改、删除和添加等操作；并实现相关数据的审核、查询与分析等。4．瓦斯说明和监测数据系统主要实现监测分站、瓦斯抽放泵站、岩巷掘进揭煤面、高瓦斯高应力掘进面、测压点、高瓦斯区、瓦斯含量等值线、瓦斯异常涌出（突出）点、突出威胁区、突出危险区、瓦检点、贯通等说明牌数据的录入、修改、删除和添加等操作；实现瓦斯探头标校监测表、瓦斯抽放系统监测表、岩巷揭煤监测表、高瓦斯和高应力区掘进面监测表、高瓦斯区监测表、掘进工作面瓦斯涌出曲线生成表、回采面瓦斯预测曲线生成表、突出威胁区监测表、突出危险区监测表、其它瓦斯检查点监测表、贯通监测表等监测表数据的录入、修改、删除和添加等操作；并实现相关数据的审核、查询与分析等。5．水害说明和监测数据系统主要实现水仓、泵房、测水站、某矿采空积水区、小窑采空积水区、老巷、底板水重点警戒区、出水点、地质钻孔、水文长观孔、深井、断层防水煤柱、地表水体和物探水文异常区等说明牌数据的录入、修改、删除和添加等操作；实现泵房监测表、测水站监测表、出水点监测表、水文长观孔监测表、深井监测表等监测表数据的录入、修改、删除和添加等操作；并实现相关数据的审核、查询与分析等。6．瓦斯、水害评价预警决策支持系统主要是在建立瓦斯、水害评价指标体系库和专业应用模型库的基础上，依据煤矿重大危险源隐患识别决策支持系统体系结构通过利用基于GIS煤矿重大危险源隐患评价预警模型，实现在通风系统图、瓦斯地质图、水文地质图或充水性图上对瓦斯灾害、水害的预警预报。7．基于Web的辅助决策支持系统和远程查询系统基于Web的辅助决策支持系统和远程查询系统是建立在专业GIS系统、实时监测数据采集系统、通风说明和监测数据系统、瓦斯说明和监测数据系统、水害说明和监测数据系统、瓦斯水害评价预警决策系统的基础上，即以瓦斯、水害评价预警系统的数据为背景，以ActiveX、Java和.NET等技术为支持，基于Web技术实现矿井瓦斯、水害隐患的实时监测与远程管理，从而真正实现矿井瓦斯、水害防治的逐级流程处理与在线网上联机分析处理。具体功能如下：（1）实现集团公司有关领导（如董事长，总经理，总工程师，安监局长以及分管安全生产其他领导，通风处和其他有关处室）通过浏览器对煤矿开采系统和安全监测系统运行情况等进行实时查看与监督管理；实现对煤矿生产开采环境重大隐患的网上报警，例如瓦斯超限、风速超限、风量不足、温度超限与主扇风机运行故障等；结合历史数据和相应的图表做出准确的分析判断并给出相应的反馈信息以利于决策分析。（2）地测处、通风处实现说明牌、监测表以及评价结果等信息的远程管理，实现报表的自动传输、自动统计汇总；获取瓦斯、水害的预测预报信息及时做出准确分析与判断，并发现问题快速做出响应决策实现消警。（3）矿上领导可以通过浏览器获取瓦斯、水害的预测预报信息及时做出准确分析与判断，并发现问题快速做出响应决策实现消警。

3.6煤矿重大危险源预警模型矿井重大危险源分类与相关灾害评价指标体系研究只是煤矿重大危险源隐患识别决策支持系统的基础，如何实现隐患识别，即发现危险源其关键在于煤矿重大危险源评判预警模型的研究及其应用。随着地理信息系统（GIS）的广泛应用，特别是其空间分析能力的特殊性，GIS逐步应用于煤矿安全管理是一种必然。煤矿数字成图就是一种典型的GIS应用，当前，数字化矿图是指导矿井安全生产的重要技术手段，充分应用GIS空间分析方法面向矿井重大危险源的预警预报将有助于提高煤矿安全生产管理。煤矿重大危险源评判预警模型主要有三种：（1）单体评判预警模型；（2）区域评判预警模型；（3）区域—单体联合评判预警模型。所谓单体模型就是依靠单一指标评判预警煤矿重大危险源，而区域模型是采用多指标评判预警，比如地质灾害预警预报中的地质－气象联合预警、水文－气象联合预警与地质－水文－气象的联合预警预报等。煤矿地理空间数据的存储是实现煤矿地理空间分析的基础，对于解决煤矿地理空间数据一体化管理十分重要。为更好地实现矿井重大危险源的预警预报与决策分析，笔者结合煤矿地理空间数据、矿井重大危险源发生状况与煤矿安全生产管理情况，首先提出煤矿地理空间数据一体化管理的思路，进而针对矿井重大危险源决策分析提出了基于GIS技术的煤矿重大危险源单体评判预警模型与区域评判预警模型。3.6.1基于GIS的煤矿重大危险源隐患识别预警模型研究煤矿地理空间数据的存储与管理是矿井重大危险源隐患识别、决策分析的基础，但是要真正解决这一问题还需要一定的空间分析模型与方法，即基于GIS的煤矿重大危险源隐患识别预警模型。前面谈到，针对重大危险源识别、预警预报主要有三类GIS模型，主要是基于GIS的单体评判预警模型、基于GIS的区域评判预警模型以及基于GIS的区域—单体联合评判预警模型。笔者在此，重点结合煤矿重大危险源发生规律、危险数据源以及实现流程研究三类评判预警模型的应用与实现流程。基于GIS的单体评判预警模型基于GIS的单体评判预警模型是采用地理信息系统技术与原理，依据矿井重大危险源的某一评价指标及其超标临界值评判相关灾害在未来相关条件下可能发生的情况，为提前采取必要的预防措施提供科学依据。模型数据要求单体评判预警模型的实现需要依托大量的基础数据与实时监测数据。基础数据：（1）矿井重大危险源历史数据（重大危险源的历史记录，如灾害发生时间、地点、规模等）。（2）矿井重大危险源隐患点分布图（主要包括：揭煤岩巷掘进面、高瓦斯、高应力区掘进工作面、高瓦斯区、突出威胁区、突出危险区、采空积水区、小窑采空积水区、老巷、断层防水煤柱、地表水体、物探水文异常区、水文长观孔、底板重点警戒区等隐患点）。（3）矿井水文地质图与矿井充水性图。（4）矿井瓦斯地质图、瓦斯等值线图、瓦斯区域分布图。（5）矿井巷道布置图。（6）矿井地表水体分布。实时监测数据：（1）矿井瓦斯历史数据与实时监测数据。（2）降雨量历史数据与雨量监测数据。（3）灾害点历史水文数据与实时水文监测数据。（4）矿井顶板压力监测实时数据。2.模型实现流程矿井重大危险源单体评判预警模型主要是针对重大危险源引发主导因素实现单一指标评判预警，主要实现流程如图3-42。（1）评判预警指标的选取基于GIS的单体隐患识别预警的指标选取，主要结合矿井重大危险源识别、预报、预警指标选取合理的单一评判指标，并最终为评判预警模型服务。（2）评判预警数据的获取历史数据主要来源于相关矿井空间数据库中心，主要包括各类图形数据、属性数据与图像数据等；实时监测数据通过监控硬件设备与系统获取实时传输到监控数据中心，并发送到矿井空间数据库中心供评判预警服务与应用。不同单体的评判预警对数据具有不同的要求，对于不同的单体、单体的不同位置以及单体所处的不同阶段，监测不同精度的数据。因此，对于瓦斯监测数据、水文监测数据以及顶板压力监测数据以及其它基础地质数据，必须符合标准与规范。（3）数据的预处理针对监测数据，必须将历史监测数据和实时监测数据合并，并且为了增强监测时序资料的有效信息，削弱干扰信息和系统噪声，需要采用插值、滤波(均匀滤波和非均匀滤波)、累加生成、归一化、关联度分析等数学方法对量化信息进行处理，分析实时的监测信息。图3-42基于GIS的单体评判预警模型（4）隐患识别预警判据的确定隐患识别预警判据主要是根据矿井重大危险源评价指标体系的知识库，如水害、瓦斯灾害评价指标体系库相关评价指标作为判据。（5）预警预报模型选择根据瓦斯、水害等不同矿井重大危险源类型建立不同专业模型库，如瓦斯灾害预测首先依据矿井地质条件和煤层赋存情况建立瓦斯地质分区图（含瓦斯突出危险区、瓦斯突出威胁区、高瓦斯区等），其次依据采掘工程平面图的动态采掘信息与相关瓦斯分区建立联系并进行比较分析确定可采区或未来的可采区是否属于瓦斯警备区。相关的专业模型都统一存储于煤矿空间数据库，依据相关方法调用即可。（6）确定预警结果并发布通过模型方法的计算，最终得出矿井重大危险源的评判与预警预报结果。然后利用不断积累更新的更详细的资料，不断修正相关模型及参数，提高预警模型方法的精度和准确性，并最终通过相关负责单位把预警结果发布出去，供相关安全生产部门应用。基于GIS的区域评判预警模型煤矿重大危险源受多种条件综合影响，主要包括地质背景条件（瓦斯地质、水文地质与构造地质）、煤层条件（煤尘与煤自燃）、各种动力作用（如降水量、底板突水或涌水）以及人类工程活动（开采掘进、放炮）等不同复杂因素所致。综合研究相关因素在矿井区域灾害中所发生的作用，分析其与矿井重大危险源的关系，进而建立预警预报体系十分重要。多元信息综合应用煤矿重大危险源主要是地质、水文、瓦斯、气象等因素导致，建立“地质-水文-瓦斯-气象”多元信息耦合的联合隐患识别预警预报模型可提高煤矿重大危险源隐患识别的能力与效率，“地质-水文-瓦斯-气象”联合评判预警模型综合了四个层次（即矿井地质区划图、矿井充水性图、瓦斯区域分布图、气象数据及水文数据）的不同类型数据。矿井地质区划图主要包括断层分布、陷落柱分布与水文地质等因素数据；矿井充水性图主要包括采空积水区、小窑采空积水区、断层防水煤柱、地表水体、物探水文异常区与水文长观孔等因素数据；瓦斯资料数据包括揭煤岩巷掘进面高瓦斯区、高应力区掘进工作面高瓦斯区、瓦斯突出威胁区、瓦斯突出危险区以及实时监测瓦斯报警数据等；气象资料数据主要从历史雨量和预测雨量数据两个方面来考虑，通过对雨量历史记录数据与已发生矿井重大危险源之间关系的研究得出地表水体对矿井重大危险源的影响，进而利用预测雨量来预警。通过综合应用多元数据及其相关预警评判指标体系，并利用相关评判专业模型库、方法库实现矿井重大危险源评判预警。模型评判预警流程在矿井重大危险源“水文-火-瓦斯-顶板”联合评判预警模型的实现流程中，主要利用GIS强大的空间数据处理能力，可以方便快速的进行数据处理、评价指标体系构建、因子分析、空间数据量化及单灾害因子成图；基于GIS构建专业模型库与方法库，利用模型将不同的灾害因子叠加分析形成危险性区划图；并利用GIS叠加气象、人类活动等诱发因素进行实时评判预警分析，最终基于采掘工程平面图的巷道布置实现矿井重大危险源隐患识别预警指导煤矿安全生产，同时可实现基于WebGIS发布评判预警分析结果。模型具体实现流程如图3-43。图3-43基于GIS的区域评判预警模型模型实现数据要求基于GIS的区域评判预警模型建立和运行需要大量不同类型的数据资料，包括各类历史资料图件（如地形地质图、构造地质分布图、矿井充水性图、矿井水文地质图、瓦斯区域分布图、水文相关曲线图、降雨量资料、瓦斯历史数据、采掘工程平面图、可采煤层底板等高线图）、矿井重大危险源实时监测数据等。基于GIS的区域评判预警模型是一个基于数据驱动的动态模型，是灾害数据引发的应用模型。基础历史数据：（1）矿井重大危险源历史数据（重大危险源的历史记录，如灾害发生时间、地点、规模等）。（2）矿井重大危险源隐患点分布图（主要包括：揭煤岩巷掘进面、高瓦斯、高应力区掘进工作面、高瓦斯区、突出威胁区、突出危险区、采空积水区、小窑、采空积水区、老巷、断层防水煤柱、地表水体、物探水文异常区、水文长观孔、底板重点警戒区等隐患点）。（3）矿井地形地质图。（4）矿井构造地质分布图。（5）矿井水文地质图与矿井充水性图。（6）矿井水文相关曲线图。（7）矿井瓦斯地质图、瓦斯等值线图、瓦斯区域分布图。（8）矿井采掘工程平面图、巷道布置图。（9）矿井地表水体分布。（10）可采煤层底板等高线图。实时监测数据：（1）矿井瓦斯历史数据与实时监测数据。（2）降雨量历史数据与雨量监测数据。（3）灾害点历史水文数据与实时水文监测数据。（4）矿井顶板压力监测实时数据。4.模型实现工作流程基于GIS的区域隐患识别预警模型的具体实现流程主要包括原始数据处理，危险性预警区划与模型库构建，灾害临界判据的确定，动态数据获取与评判预警模型运算及预警产品的制作。原始数据处理：（1）矿井重大危险源隐患点数据处理，主要是在相关专业图件上展开矿井重大危险源隐患点成图，不同类型的灾害点按不同的符号表示出来，形成灾害隐患点分布图。（2）灾害背景因子数据处理，利用不同数据源获得的数据按照建立的指标体系分别将其纳入GIS格式的单因子图层，一些因子图层可在GIS中利用原始数据进行生成，比如依据断层数据实现缓冲区分析，将其作为基础因子（如图3-44）实现导水断层的水文地质灾害隐患识别预警分析等。图3-44基于GIS的断层构造缓冲区分析示意图（3）灾害因子分析，利用灾害隐患点与评价指标体系建立空间分析，实现各个灾害因子图层与灾害隐患点之间的评判关系，利用GIS中的空间分析功能实现灾害隐患点图层与各因子图层的叠加分析（如图3-45），并利用最短路径分析或缓冲区确定灾害隐患点存在灾害的可能性，实现评判预警。图3-45基于GIS的灾害隐患点与灾害因子的叠加分析示意图危险性区划与模型库建立：根据瓦斯、水害等不同矿井重大危险源类型建立相应的专业模型库，如瓦斯灾害预测首先依据矿井地质条件和煤层赋存情况建立瓦斯地质区划图（含瓦斯突出危险区、瓦斯突出威胁区、高瓦斯区等），其次依据动态采掘信息、实时监控数据与相关瓦斯分区建立联系并进行比较分析确定可采区或未来的可采区是否属于瓦斯警备区、瓦斯报警区等。评判预警判据的确定：评判预警判据主要是根据矿井重大危险源因子评价指标体系的知识库，如水害、瓦斯灾害评价指标体系库相关评价指标作为判据。评判数据获取：评判数据主要包括历史数据与实时动态数据。其中历史数据主要来源于相关矿井空间数据库中心，主要包括各类图形数据、属性数据与图像数据等；实时监测数据通过监控硬件设备与系统获取实时传输到监控数据中心，并发送到矿井空间数据库中心实时提供给评判预警服务与应用。评判预警模型运算与结果发布：主要依据动态监控实时数据与区划图叠加，并利用GIS模型库与空间分析方法参照灾害因子评价指标体系在矿井重大危险源隐患点区划图上实现灾害的评判预警，形成预警预报结果图，最终可以采用不同形式进行发布。区域—单体联合评判预警模型基于GIS的区域预警模型和单体预警模型是相互关联的，它们各有侧重，又相互补充，两者的联合预警预报具有很大优势。其中基于GIS的区域评判预警模型能在宏观上给出矿井重大危险源危险度在整个区域的空间分布，并可指导单体预警预报工作的开展，例如典型灾害体选择、监测点布设等；而基于GIS的单体评判预警模型能对特定的灾害监测对象给出相对准确的预警预报，并可对区域预警预报进行验证；两者的联合应用将会极大的提高预警预报的效率和准确性，具体实现流程如图3-46。区域评判预警方法能从宏观上把握矿井重大危险源发生的规律，这些规律用于单体评判预警的机理分析，而单体的机理分析又可为区域预警预报指标体系的建立提供参考依据。煤矿重大危险源隐患的预警预报主要偏重于少数重点灾害隐患点（如瓦斯、水害）评判预警，基于GIS的单体评判预警模型应用相对较多，而基于GIS的区域评判预警模型主要侧重矿井整体重大危险源隐患的预警预报。为此，在矿井重大危险源隐患识别中通常应用区域—单体联合隐患识别预警模型，但要依据具体情况采用。但不论何种矿井重大危险源的发生都是来源不同的异常数据出现，把握相关危险源数据规律、建立相关预警模型是实现矿井重大危险源隐患识别与预警预报的基础。图3-46基于GIS的区域－单体联合评判预警模型3.6.2其他数学模型的研究与应用在决策支持和预警系统中，还应该包括大量的专业数学模型库，以供分析与水、瓦斯、火、顶板等相关的时间序列数据的变化或内在规律时调用。下面列出几种先进的数学模型和方法。要素识别模型在地学研究工作中，一个最基本的问题是要确定地学环境与资源的主要要素，按各要素的重要程度和制约强度的差异确定可利用元素、可开发元素和制约元素，以便为系统分析与规划决策服务。这一方面的定量方法就