CN103147799A - 一种基于瓦斯涌出特征的突出危险性预警方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及煤矿安全技术领域，具体涉及一种利用工作面瓦斯涌出特征预警工作面前方突出危险性的方法，包括如下步骤：获取巷道形状设计特征参数、巷道风量、巷道掘进速度；从煤矿瓦斯监控系统获取实时瓦斯监控数据，并计算瓦斯涌出监控数据分钟均值和30分钟移动最小值；获取瓦斯涌出量特征值；根据上述数据，实时预警工作面前方突出危险性，同时可根据上述数据评价工作面抽采效果；相比其他瓦斯涌出预警（测）技术，本发明通过大量的现场试验，其突出预警实时性、准确性、便捷性得到了显著的提高。

Description

一种基于瓦斯涌出特征的突出危险性预警方法

技术领域

本发明涉及煤矿安全技术领域，特别涉及一种基于瓦斯涌出特征的突出危险性预警方法。

背景技术

大多数突出预测技术的研究原理都是通过不同的手段研究测定或预测工作面前方煤体瓦斯含量、地应力、煤体结构三大突出影响因素的发展状态或发展趋势，并以此对工作面进行突出危险性预测或评价（钻屑解吸指标K1值是对煤体结构以及瓦斯含量的综合测定，钻屑量指标是对地应力以及煤体结构的综合测定）。目前，行业内相继出现“利用掘进面瓦斯涌出参数反演的煤体瓦斯含量测定方法”以及“掘进面瓦斯涌出动态特征突出连续预测方法”两个技术，但是这两个技术其缺点亦是十分明显的。

（1）实时性不足。上述两种方法都是以矿井作业班次时间为预警单位，煤矿一个班次一般是6个小时或者8个小时，每一个班次发布一次预警结果。

（2）自动化优势不明显。传统的技术由于需要录入过多的参数便不能体现技术的非接触式与自动化优势。

（3）不能满足高产、高效生产矿井预警准确性的需要。实验发现，工作面采掘速度过快，一般超过7m/d后，落煤瓦斯未得到充分解吸便已运离工作面，产生较大的误差，并且采掘速度越快，误差越大。

因此急需一种能自动实时预测掘进工作面前方煤体瓦斯含量的方法。

发明内容

有鉴于此，本发明所要解决的技术问题是提供一种能自动实时预测掘进工作面前方煤体瓦斯含量的方法。

本发明的目的是这样实现的：

本发明提供的一种基于瓦斯涌出特征的突出危险性预警方法，包括以下步骤：

S1：获取采煤时掘进工作面瓦斯监控数据中的瓦斯量；

S2：根据掘进工作面的瓦斯量计算掘进工作面前方残存可解吸瓦斯含量；

S3：对掘进工作面前方残存可解吸瓦斯含量进行无量纲处理获取煤层实时瓦斯含量无量纲值；

S4：判断煤层实时瓦斯含量无量纲值是否大于或等于无量纲临界值，如果否，则返回步骤S1；

S5：如果是，则采取防止突出事故发生的措施或者启动应急救援系统进行报警。

进一步，所述掘进工作面前方残存可解吸瓦斯含量通过以下步骤来实现：

S21：获取掘进工作面形状设计特征参数α和巷道风量Q；

其中，α=新鲜巷道壁面积s₂/（新鲜巷道煤壁面积s₂+掘进面迎头煤面面积s₁）；

S22：获取掘进工作面实际采掘速度V以及时空修正参数c与d；

S23：根据掘进工作面瓦斯监控数据来计算井下瓦斯涌出监控数据分钟均值X_i和第i分钟前t分钟内的移动最小值X_i,T；

S24：通过以下公式获取第i分钟时瓦斯涌出量特征值A_i，其中：

$A_i=\[\underset{i-n+1}{\overset{i}{\mathrm{\Σ}}}{Q}_i\·(x_i-\mathrm{\α}\·x_{i,t})+c\·\ln \left(V\right)+d\]/M/W_0;$

式中，A_i——工作面第i分钟瓦斯量指标A；

Q_i——工作面第i分钟风筒出风口风量，m³/min；

X_i——工作面第i分钟瓦斯监控数据分钟均值；

M——工作面n分钟落煤量，t；

x_i,t——掘进面第i分钟前t分钟时间内的移动最小值，%；

W₀——矿井煤层区域抽采达标临界值，m³/t；

α——工作面巷道特征系数；

V——采掘速度，m/d；

n——计算步长，min，根据掘进速度确定；

c、d——速度修正系数。

进一步，所述掘进面迎头煤面面积s1在多煤层炮掘工作面且临近煤层距离被开采煤层小于10m时；通过以下公式来计算：

s₁=多煤层的总厚度乘以掘进工作面宽度。

进一步，所述时空修正参数c与d在采掘速度V小于7m/d，c、d皆为0。

进一步，所述班次时间取值为15-120分钟。

进一步，所述瓦斯涌出量特征值A_i每N分钟计算一次。

进一步，所述n根据实际情况而定，取值范围在720-4320min之间。

本发明的优点在于：本发明利用掘进工作面瓦斯涌出特征对掘进工作面前方瓦斯含量的反映，实时、在线预警、预报工作面前方突出危险性。当发生突出威胁或危险报警时，即时采取措施防止突出事故发生或者启动应急救援。本发明提供的方法是自动化、无人为干扰预警方法，即在无人为参与的情况下发出预警信息。该方法通过每分钟或者每N分钟的对瓦斯监控数据进行一次分析，可以实时分析、预警工作面突出危险性，并且其准确性与自动化水平高，极易于现场实用。本发明通过大量的现场试验，其突出预警实时性、准确性、便捷性得到了显著的提高。

本方法能满足高产、高效生产矿井预警准确性的需要，现有的突出预测、预警技术，都是通过人为井下测试、地面实验分析的方法完成预测、预警结果的处理，改技术可以使得矿井直接在地面获取预警结果，无需井下测试，大大减少了人为工作量和工作时间。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述，其中：

图1为基于瓦斯涌出特征的突出危险性预警方法流程图；

图2为基于瓦斯涌出特征的突出危险性预警方法框架图；

图3为方法一与DGC实测可解吸瓦斯含量对比效果；

图4为方法二与DGC实测可解吸瓦斯含量对比效果；

图5为本发明与DGC实测可解吸瓦斯含量对比效果。

具体实施方式

以下将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述；应当理解，优选实施例仅为了说明本发明，而不是为了限制本发明的保护范围。

图1为基于瓦斯涌出特征的突出危险性预警方法流程图，图2为基于瓦斯涌出特征的突出危险性预警方法框架图，图3为方法一与DGC实测可解吸瓦斯含量对比效果，图4为方法二与DGC实测可解吸瓦斯含量对比效果，图5为本发明与DGC实测可解吸瓦斯含量对比效果，如图所示：本发明提供的一种基于瓦斯涌出特征的突出危险性预警方法，包括以下步骤：

S1：获取采煤时掘进工作面瓦斯监控数据中的瓦斯量；

S2：根据掘进工作面的瓦斯量计算掘进工作面前方残存可解吸瓦斯含量；所述掘进工作面前方残存可解吸瓦斯含量通过以下步骤来实现：

S21：获取掘进工作面形状设计特征参数α和巷道风量Q；

其中，α=新鲜巷道壁面积s₂/（新鲜巷道煤壁面积s₂+掘进面迎头煤面面积s₁）；所述掘进面迎头煤面面积s₁在多煤层炮掘工作面且临近煤层距离被开采煤层小于10m时；通过以下公式来计算：

s₁=多煤层的总厚度乘以掘进工作面宽度。

S22：获取掘进工作面实际采掘速度V以及时空修正参数c与d；所述时空修正参数c与d在采掘速度V小于7m/d时，c、d皆为0。

S23：根据掘进工作面瓦斯监控数据来计算井下瓦斯涌出监控数据分钟均值X_i和第i分钟前t分钟内的移动最小值X_i,t；所述班次时间取值为15-120分钟。

S24：通过以下公式获取第i分钟时瓦斯涌出量特征值A_i，所述瓦斯涌出量特征值A_i每N分钟计算一次，其中：

$A_i=\[\underset{i-n+1}{\overset{i}{\mathrm{\Σ}}}{Q}_i\·(x_i-\mathrm{\α}\·x_{i,t})+c\·\ln \left(V\right)+d\]/M/W_0;$

式中，A_i——工作面第i分钟瓦斯量指标A；

Q_i——工作面第i分钟风筒出风口风量，m³/min；

X_i——工作面第i分钟瓦斯监控数据分钟均值；

M——工作面n分钟落煤量，t；

x_i,t——掘进面第i分钟前t分钟内的移动最小值，%；

W₀——矿井煤层区域抽采达标临界值，m³/t；

α——工作面巷道特征系数；

V——采掘速度，m/d；

n——计算步长，min，根据掘进速度确定；所述n根据实际情况而定，取值范围在720-4320min之间；

c、d——速度修正系数。

S3：对掘进工作面前方残存可解吸瓦斯含量进行无量纲处理获取煤层实时瓦斯含量无量纲值；

S4：判断煤层实时瓦斯含量无量纲值是否大于或等于无量纲临界值，如果否，则返回步骤S1；

S5：如果是，存在突出危险性或抽采不达标，则采取防止突出事故发生的措施或者启动应急救援系统进行报警。启动短信、声音、红光三种方式进行报警，向工作人员传达报警信息并提示采取相应措施，主要包括施工防突钻孔抽采或者排放工作面前方扇形范围内5-15米范围内的瓦斯气体。

所述无量纲临界值通过以下方式计算

S6：间隔发布预警信息如下：

1）当W₀=1m³/t时，瓦斯涌出量特征值A_i加上本区域不可解吸瓦斯含量大于区域验证参考值时，视为区域验证存在突出威胁；该区域验证参考值为《防治煤与瓦斯突出规定》中的区域验证参考值，如当前《防治煤与瓦斯突出规定》中的区域验证参考值为8m³/t，被监测工作面不可解吸瓦斯含量为1.7m³/t，则A≥6.3时，工作面区域验证存在突出威胁（险）。并且可以根据不同情况确定多个预警等级。

2）当W₀为煤层原始瓦斯含量时，原始瓦斯含量因地而异，以矿井实测结果为准，则1-A_i为工作面瓦斯抽采率；

3）当W₀=10m³/t时，常用作突出危险性预警；由于突出预测技术的严肃性，使用者可以根据实际情况确定相应临界值，若无条件确定临界值时可以参考采用当A≥0.8时工作面存在突出威胁（险），并且可以根据不同情况确定多个预警等级。

本发明提供的基于瓦斯涌出特征的突出危险性预警方法是自动化、无人为干扰预警技术，即在无人为参与的情况下发出预警信息，克服了人为录入过多的参数；与“利用掘进面瓦斯涌出参数反演的煤体瓦斯含量测定方法（以下简称方法一）”以及“掘进面瓦斯涌出动态特征突出连续预测方法（以下简称方法二）”比较，结果如下：

“方法一”需要根据不同的局部防突钻孔设计，录入相关参数，并且当前突出矿井区域防突措施越发完善，局部防突措施较少，并且即便存在局部防突措施，其对计算结果的影响也是极小的，因此无需在不提高预警准确性的条件下，损害技术的自动化、无人为干扰的特点。表1、图3为DGC（行业瓦斯含量测定标准方法仪器）与方法一测定数据对比。

表1 DGC与方法一测定数据对比

方法一的准确性较好，与DGC实测误差较小，但是其需要长时间的录入参数，并且由于人为参数录入无法实时，因此方法一的使用受到较大的制约，仅适用于时候反演。

（3）不能满足高产、高效生产矿井预警准确性的需要。实验发现，工作面采掘速度过快，一般超过7m/d后，落煤瓦斯未得到充分解吸便已运离工作面，使得利用“方法二”中的计算方法产生较大的误差，并且采掘速度越快，误差越大。

表2、图4为DGC实测可解吸瓦斯含量与方法二对比效果

表2 DGC与方法二测定数据对比

方法二虽然无需录入钻孔参数，与DGC实测相比其误差较大，准确性受到影响。

表3为DGC与本发明对比在不同地点同时测定可解吸瓦斯含量数据，图5为本发明与DGC实测可解吸瓦斯含量对比效果。

表3 DGC与本发明测定数据对比

以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (7)

1.一种基于瓦斯涌出特征的突出危险性预警方法，其特征在于：包括以下步骤：

S1：获取工作面瓦斯监控数据、风量；

S2：根据步骤S1计算工作面前方煤体残存可解吸瓦斯含量；

S3：对步骤S2计算结果进行无量纲处理；

S4：判定步骤S3结果是否大于临界；

S5：如果是，存在突出危险性或抽采不达标，启动短信、声音、红光三种方式进行报警，向工作人员传达报警信息并提示采取相应措施。

2.根据权利要求1所述的基于瓦斯涌出特征的突出危险性预警方法，其特征在于：所述掘进工作面前方残存可解吸瓦斯含量通过以下步骤来实现：

S21：获取掘进工作面形状设计特征参数α和巷道风量Q；

其中，α=新鲜巷道壁面积s₂/（新鲜巷道煤壁面积s₂+掘进面迎头煤面面积s₁）；

S22：获取掘进工作面实际采掘速度V以及时空修正参数c与d；

S23：根据掘进工作面瓦斯监控数据来计算井下瓦斯涌出监控数据分钟均值X_i和第i分钟前一个班次时间内的移动最小值X_i,t；

S24：通过以下公式获取第i分钟时瓦斯涌出量特征值A_i，其中：

$A_i=\[\underset{i-n+1}{\overset{i}{\mathrm{\Σ}}}{Q}_i\·(x_i-\mathrm{\α}\·x_{i,t})+c\·\ln \left(V\right)+d\]/M/W_0;$

式中，A_i——工作面第i分钟瓦斯量指标A；

Q_i——工作面第i分钟风筒出风口风量，m³/min；

X_i——工作面第i分钟瓦斯监控数据分钟均值；

M——工作面n分钟落煤量，t；

x_i,t——掘进面第i分钟前t分钟时间内的移动最小值，t一般取15-120min，%；

W₀——矿井煤层区域抽采达标临界值，m³/t；

α——工作面巷道特征系数；

V——采掘速度，m/d；

n——计算步长，min，根据掘进速度确定；

c、d——速度修正系数。

3.根据权利要求2所述的基于瓦斯涌出特征的突出危险性预警方法，其特征在于：所述掘进面迎头煤面面积s₁在多煤层炮掘工作面且临近煤层距离被开采煤层小于10m时；通过以下公式来计算：

s₁=多煤层的总厚度乘以掘进工作面宽度。

4.根据权利要求2所述的基于瓦斯涌出特征的突出危险性预警方法，其特征在于：所述时空修正参数c与d在采掘速度V小于7m/d时，c、d皆为0。

5.根据权利要求2所述的基于瓦斯涌出特征的突出危险性预警方法，其特征在于：所述班次时间取值为15-120分钟。

6.根据权利要求2所述的基于瓦斯涌出特征的突出危险性预警方法，其特征在于：所述瓦斯涌出量特征值A_i每N分钟计算一次。

7.根据权利要求2所述的基于瓦斯涌出特征的突出危险性预警方法，其特征在于：所述n根据实际情况而定，取值范围在360-4320min之间。

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