范永玲，朱俊峰，朱金花，薛黎明，郭彩萍，裴克莉，陳紅萍，白志明

(1.山西省氣象服務(wù)中心，山西 太原 030002； 2.山西省晉中市氣象局，山西 晉中030600； 3.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)，北京 100083)

煤礦井下瓦斯爆炸與井上天氣變化的關(guān)系密切，在瓦斯?jié)舛扰c氣象因子變化研究方面，國(guó)內(nèi)外專(zhuān)家學(xué)者做了許多工作：英國(guó)對(duì)五年發(fā)生的990次瓦斯爆炸事故分析，證實(shí)有51.6%是在地面大氣壓急劇下降的情況下發(fā)生的；日本也推出了同樣的論斷；1990年代以來(lái)，我國(guó)氣象專(zhuān)家在前人研究的基礎(chǔ)上，注意到煤礦井下瓦斯爆炸與井上天氣變化的密切關(guān)系，張明初、汪法鑒、韓虹等發(fā)現(xiàn)瓦斯爆炸與降壓、增溫、風(fēng)速變化相關(guān)，與大范圍天氣型變化、局地垂直速度變化及地面近期局地變化等氣象因子具有一定的相關(guān)性[1-4]。本文對(duì)瓦斯?jié)舛茸兓c氣象影響因素之間的關(guān)系進(jìn)行了研究，并以山西省為例，結(jié)合中短期天氣預(yù)報(bào)，通過(guò)統(tǒng)計(jì)計(jì)算，建立逐日瓦斯?jié)舛阮A(yù)報(bào)模型，應(yīng)用此模型，建立了山西省煤礦瓦斯氣象預(yù)報(bào)預(yù)警信息系統(tǒng)。

1 瓦斯?jié)舛茸兓瘹庀笥绊懸蜃拥拇_定

根據(jù)對(duì)山西省晉中市1995～2009年煤礦重特大瓦斯爆炸事故發(fā)生時(shí)的瓦斯?jié)舛扰c氣象影響因子數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)在瓦斯爆炸事故發(fā)生當(dāng)天的天氣特點(diǎn)有兩種：一種為高空為低壓或槽伴隨地面冷鋒過(guò)境占一半；高空有槽配合的四次，都產(chǎn)生了小雨天氣(只占20%)；另一種為從地面到高空都為高壓或高脊控制，也占一半。前一種鋒前降壓、增溫，鋒后增壓降溫，鋒前后風(fēng)向轉(zhuǎn)換、風(fēng)速較大。后一種則是風(fēng)小、增溫強(qiáng)烈、下沉運(yùn)動(dòng)強(qiáng)。因此，根據(jù)上述天氣特點(diǎn)，選取煤礦瓦斯的氣象影響因子為如下指標(biāo)：R為煤礦瓦斯?jié)舛葰庀笠蜃诱T因系數(shù)；Σff-1～-2為前1～2日風(fēng)速變化；Δff-1為當(dāng)日與前一日風(fēng)向風(fēng)速的變化，以-1天(前一天)的風(fēng)為準(zhǔn)。其它日段風(fēng)向量訂正到方向相鄰差<90°時(shí)風(fēng)速為準(zhǔn)；ΣΔT-1～-2為前1～2日氣溫變化；ΔP-2為前2日氣壓變化值；ΔΔP-2為前2日氣壓變化值的變動(dòng)。

利用晉中市1995～2009年煤礦重特大瓦斯爆炸事故年表與天氣圖表資料分析，對(duì)瓦斯事故發(fā)生當(dāng)天天氣進(jìn)行分型并對(duì)事故發(fā)生地(單站)氣象要素進(jìn)行逐日統(tǒng)計(jì)分析，得到平均瓦斯?jié)舛龋咚節(jié)舛扰c各影響因子值及最終影響因子的確定見(jiàn)表1。

表1 氣象因子與瓦斯?jié)舛鹊南嚓P(guān)性分析結(jié)果

從表1可看出下列特點(diǎn)：①發(fā)生瓦斯爆炸前2天或前2～3天的降壓過(guò)程，前1～前2天增溫過(guò)程，以及前1天或前1～前2天和進(jìn)、出風(fēng)井風(fēng)流方向相反的風(fēng)速加大過(guò)程是造成瓦斯爆炸的氣象誘因。此三要素，簡(jiǎn)稱(chēng)誘因三要素。②上述三要素的變化過(guò)程，是在前述天氣型下，由影響我省的具體天氣條件所決定的；低壓(低槽)冷鋒前部造成降壓增溫，冷鋒過(guò)境前后的風(fēng)向轉(zhuǎn)換、風(fēng)速加大，低壓到高壓的轉(zhuǎn)換造成風(fēng)向變化；而從地面到700hPa的深厚高壓控制，少云、便于地面增溫，和大范圍的下沉運(yùn)動(dòng)，加強(qiáng)了增溫趨勢(shì)。③地面的降壓過(guò)程，直接影響到井下降壓，使風(fēng)速極低區(qū)域瓦斯泄出量增加。地面的增溫過(guò)程，產(chǎn)生負(fù)風(fēng)壓，使進(jìn)風(fēng)量減少；而和進(jìn)出風(fēng)井風(fēng)流相反的風(fēng)速加大，直接減少了出風(fēng)井的排風(fēng)量，因而造成井下瓦斯超限，是爆炸形成的誘因。

因此，前一日風(fēng)向風(fēng)速的變化、前2天降壓過(guò)程，前1～2天增溫過(guò)程是瓦斯?jié)舛茸兓闹饕绊懸蛩亍?/p>

2 瓦斯?jié)舛茸兓A(yù)報(bào)模型建立

根據(jù)上述分析，我們將采用日瓦斯?jié)舛茸兓蹬c前24～48h變溫、前48h變壓以及前24h風(fēng)速風(fēng)向的變化進(jìn)行回歸分析，對(duì)前24～48h變溫、前48h變壓以及前24h風(fēng)向風(fēng)速變化進(jìn)行計(jì)算，得到變溫、變壓、風(fēng)向風(fēng)速變化的序列值。將瓦斯?jié)舛戎鹑兆兓孔鳛轭A(yù)報(bào)量，氣溫、氣壓和風(fēng)向風(fēng)速的變化值作為預(yù)報(bào)因子，通過(guò)多元線性回歸分析，經(jīng)過(guò)對(duì)晉中市1995～2009年14個(gè)事故個(gè)例資料進(jìn)行分析，建立煤礦井下自然通風(fēng)情況下瓦斯?jié)舛茸兓?煤礦瓦斯?jié)舛葰庀笠蜃诱T因系數(shù))與氣象因子相關(guān)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與預(yù)報(bào)模型，見(jiàn)下式。

R=0.155Δff-1+0.332ΔP-2+0.015∑ΔT-1～-2

模型中各參數(shù)含義與表1中各參數(shù)含義相同。根據(jù)當(dāng)日實(shí)時(shí)氣象監(jiān)測(cè)資料，運(yùn)用該模型，可以對(duì)煤礦瓦斯?jié)舛茸兓颠M(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，對(duì)未來(lái)24小時(shí)瓦斯?jié)舛茸兓M(jìn)行預(yù)測(cè)。

3 瓦斯分色預(yù)報(bào)預(yù)警等級(jí)劃分

參照中國(guó)氣象局2007年6月頒布的《氣象災(zāi)害預(yù)警信號(hào)發(fā)布與傳播辦法》，預(yù)警信號(hào)的級(jí)別依據(jù)氣象災(zāi)害可能造成的危害程度、緊急程度和發(fā)展態(tài)勢(shì)一般劃分為四級(jí)：Ⅳ級(jí)(一般)、Ⅲ級(jí)(較重)、Ⅱ級(jí)(嚴(yán)重)、Ⅰ級(jí)(特別嚴(yán)重)，依次用藍(lán)色、黃色、橙色和紅色表示。煤礦瓦斯?jié)舛葰庀笠蜃诱T因系數(shù)等級(jí)分為四級(jí)。根據(jù)煤礦瓦斯?jié)舛葰庀笠蜃诱T因系數(shù)公式，對(duì)煤礦事故資料進(jìn)行分析歸類(lèi)，建立了瓦斯分色預(yù)報(bào)預(yù)警等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)，見(jiàn)表2。

表2 煤礦瓦斯分色預(yù)報(bào)預(yù)警

4 煤礦瓦斯氣象預(yù)報(bào)預(yù)警系統(tǒng)框架建立

煤礦瓦斯氣象預(yù)報(bào)預(yù)警系統(tǒng)主要包括六個(gè)模塊，見(jiàn)圖1。

圖1 煤礦瓦斯預(yù)報(bào)預(yù)警系統(tǒng)模塊劃分

1)瓦斯災(zāi)害監(jiān)測(cè)。根據(jù)瓦斯災(zāi)害指標(biāo)庫(kù)系統(tǒng)，結(jié)合相關(guān)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)各種災(zāi)害的實(shí)時(shí)檢測(cè)，在地圖上以圖示的方法顯示受災(zāi)地區(qū)及災(zāi)情相關(guān)信息，用戶分別可以 查看省、市、縣、煤礦四級(jí)受災(zāi)分布和相關(guān)受災(zāi)詳情。

2)瓦斯災(zāi)害預(yù)測(cè)。根據(jù)各種災(zāi)害指標(biāo)庫(kù)系統(tǒng)結(jié)合相關(guān)數(shù)據(jù)(煤礦實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、煤礦分布數(shù)據(jù)、氣象預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)、氣象實(shí)況數(shù)據(jù))實(shí)現(xiàn)對(duì)煤礦瓦斯等級(jí)災(zāi)害的實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)，在地圖上以圖示的方法顯示預(yù)計(jì)受災(zāi)地區(qū)、及可能出現(xiàn)的災(zāi)情的相關(guān)信息，用戶分別可以查看省、市、縣、煤礦四級(jí)災(zāi)情分布和受災(zāi)詳情。

3)在線煤礦。該部分主要是體現(xiàn)當(dāng)前系統(tǒng)中，處于在線監(jiān)測(cè)狀態(tài)的煤礦數(shù)據(jù)量及具體分布，該部分可以為省、市、縣、煤礦四級(jí)用戶提供煤礦的精確地理定位和煤礦詳細(xì)信息，還可以為結(jié)合電子交通圖和衛(wèi)星圖為用戶和決策者提供地理空間、時(shí)間上的與煤礦相關(guān)的空間地理信息，為決策服務(wù)提供實(shí)質(zhì)性的有用性的GIS服務(wù)、為用戶提供方便。

4)歷史災(zāi)情查詢。該部分的功能主要針對(duì)災(zāi)害的歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和查詢，用戶能夠以表格的形式查詢選定日期的相關(guān)災(zāi)害信息，可以方便的進(jìn)行查詢、分析、利用災(zāi)情數(shù)據(jù)。

5)重要?dú)庀笮畔l(fā)布。該部分主要是方便政府部門(mén)、各級(jí)煤管局、煤礦用戶能夠從該系統(tǒng)中實(shí)時(shí)方便地獲取關(guān)于氣象方面的重要信息、如暴雨(雪)、寒潮、大風(fēng)(沙塵暴)、雷電、道路結(jié)冰、地質(zhì)災(zāi)害氣象預(yù)警信息等，該部分由氣象局管理員在后臺(tái)添加、發(fā)布。

6)災(zāi)害信息維護(hù)。該部分主要包括煤礦災(zāi)情維護(hù)和災(zāi)害等級(jí)設(shè)置。在煤礦災(zāi)情信息維護(hù)系統(tǒng)中，省級(jí)氣象管理員、煤礦管理員可以進(jìn)行訪問(wèn)和編輯。煤礦管理員可以對(duì)自己煤礦的信息加以編輯、反饋和調(diào)整；省級(jí)氣象局管理員對(duì)可以對(duì)省、市、縣、煤礦四級(jí)發(fā)生的災(zāi)害進(jìn)行查詢，如果發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)有誤可以調(diào)整相關(guān)災(zāi)害信息，系統(tǒng)會(huì)把修改后的數(shù)據(jù)保存在服務(wù)器上，確認(rèn)無(wú)誤后對(duì)災(zāi)害信息通過(guò)各種渠道(LED、WEB等)進(jìn)行災(zāi)害發(fā)布。災(zāi)害等級(jí)設(shè)置系統(tǒng)主要是對(duì)煤礦瓦斯災(zāi)害預(yù)警等級(jí)的維護(hù)包括查詢、增加等級(jí)指標(biāo)、修改等級(jí)指標(biāo)、刪除等級(jí)指標(biāo)。用戶可以按照實(shí)際情況，對(duì)指標(biāo)的等級(jí)、誘因系數(shù)、危險(xiǎn)程序、發(fā)生可能、預(yù)警顏色、是否參與運(yùn)算、預(yù)報(bào)提示語(yǔ)句進(jìn)行設(shè)置、添加?？梢园凑諏?shí)際情況，對(duì)指標(biāo)的等級(jí)、誘因系數(shù)、危險(xiǎn)程序、發(fā)生可能、預(yù)警顏色、是否參與運(yùn)算、預(yù)報(bào)提示語(yǔ)句進(jìn)行設(shè)置、修改。

5 結(jié)語(yǔ)

本文收集山西省歷年主要礦區(qū)重大典型事故案例資料、地面氣象要素資料、高空氣象要素資料，對(duì)收集的資料，應(yīng)用數(shù)理統(tǒng)計(jì)的方法，找出引起瓦斯積聚的關(guān)鍵氣象因子，結(jié)果表明瓦斯?jié)舛扰c前48小時(shí)變壓值成負(fù)相關(guān)、與前24小時(shí)～前48小時(shí)變溫值和前24小時(shí)風(fēng)向風(fēng)速的變化成正相關(guān)。

經(jīng)過(guò)分析研究建立了瓦斯?jié)舛扰c氣象條件之間的相關(guān)關(guān)系模型，在該模型的基礎(chǔ)上建立了山西省煤礦瓦斯氣象預(yù)報(bào)預(yù)警系統(tǒng)，不僅為煤礦瓦斯聚集提供實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)資料，還能夠提供未來(lái)24小時(shí)瓦斯?jié)舛阮A(yù)測(cè)，為減少煤礦安全生產(chǎn)事故的發(fā)生提供了科學(xué)的依據(jù)；系統(tǒng)設(shè)置的用戶權(quán)限，使省、市、縣、礦區(qū)4級(jí)煤礦管理部門(mén)可以根據(jù)信息系統(tǒng)的相關(guān)信息，提前預(yù)知瓦斯?jié)舛鹊淖兓厔?shì)，及時(shí)采取多種措施，加大礦井通風(fēng)力度,減少瓦斯爆炸事故發(fā)生，創(chuàng)建了煤礦氣象減災(zāi)的新手段、新方式，對(duì)地方能源安全發(fā)展具有重要意義。

[1] 汪法鑒，安龍.“4.15”瓦斯爆炸與天氣條件分析[J].貴州氣象，2005.29(6):39.

[2] 李春生.大同煤田北部瓦斯賦存規(guī)律[J].中國(guó)煤田地質(zhì),2001，13(12):23-24.

[3] 張明初.煤礦瓦斯爆炸與氣象要素關(guān)系的分析[J].江西氣象科技，1994(4):21，23.

[4] 韓虹，康中華，李勝，等.煤礦瓦斯?jié)舛扰c氣象因子相關(guān)分析及預(yù)報(bào)模型[J].氣象科技，2006，34(12):796-797.