CN103244187B - 煤与瓦斯突出孕育发展过程预警综合指标体系 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种煤与瓦斯突出孕育发展过程预警综合指标体系，包括实时指标、现场观感指标、实测和基础指标。本发明与已有类型煤与瓦斯突出预警指标体系相比，本发明的预警指标体系由实时指标、现场观感指标、实测和基础指标构成。实时指标反映了瓦斯涌出异常的本质和现象；现场观感指标主要反映瓦斯压力和地应力异常；实测指标和煤层基础信息主要反映煤层和瓦斯地质异常，三类指标体系相结合可全面反映煤与瓦斯突出机理、在早期孕育阶段的动态演化过程。针对各指标设定不同的预警等级，如关注、提醒、警告和响应。工作面预警等级直接由各指标预警等级综合确定，保证了预警信息的可靠性。

Description

煤与瓦斯突出孕育发展过程预警综合指标体系

技术领域

本发明涉及一种煤与瓦斯突出预警指标体系，具体涉及一种煤与瓦斯突出孕育发展过程预警综合指标体系。

背景技术

煤与瓦斯突出是煤矿下生产过程中发生的一种极其复杂的动力现象，它能在较短的时间内由煤体向巷道或采场突然喷出大量的煤炭及涌出大量瓦斯，并造成一定的，有时是十分巨大的动力效应，它是既瓦斯爆炸之后最严重的瓦斯灾害，是地应力和瓦斯压力共同作用的结果。煤与瓦斯突出是目前煤矿威胁重大的事故之一，一直以来，国内外煤界投入了大量人力、物力和财力用于防治煤与瓦斯突出研究。根据近两年统计，突出事故在起数和伤亡人数止均为事故之首，对其进行有效防治是亟待解决的技术难题。目前，针对突出的防控主要分为预测、预防、预警和预报4个方面的研究。从时间和内容确定性方面区分，预测和预防是在突出孕育发展过程之前，预防是防止突出事故发生；预测是确定突出的危险程度和空间分布，结果的确定性也较差；预报在时间上更临近事故，事故发生基本上是确定的，但其信息发布需要经过权威部门或单位发布；而预警则是在突出开始孕育发展的整个过程中分等级做出的信息披露，可靠性最高，高等级的预警可以认为是预报，从而突出预报、预警成为研究热点。指标体系是煤与瓦斯突出预警的主要基础和依据，从而煤与瓦斯突出预警的敏感指标与临界值确定方法一直是研究重点之一，但已有研究多将煤与瓦斯突出归结为自然灾害，未能从安全系统理论角度对煤与瓦斯突出的影响因素进行综合考虑，指标体系相对较为单一，且多为静态指标，无法实现对煤与瓦斯突出的实时动态辨识与预警。从而，急需一种更加科学、全面的预警指标体系，以为煤与瓦斯突出早期辨识与实时预警奠定基础。对指标进行量化、形成突出危险综合指数，研究建立科学、全面的预警指标体系，实现实时跟踪预警是防控突出事故发生造成人员伤亡的关键。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术存在的问题，提供一种煤与瓦斯突出孕育发展过程预警综合指标体系。

本发明的目的可以通过以下技术方案实现：

一种煤与瓦斯突出孕育发展过程预警综合指标体系，其特征在于包括实时指标、现场观感指标、实测和基础指标。

所述实时指标是指为基于现有瓦斯监测系统采集的实时瓦斯浓度数据，包括等效瓦斯浓度、波动率、频率、均值线和瓦斯浓度增幅。特点是可灵敏反映突出孕育阶段的异常涌出、地应力活动和煤岩体变化。

现场观感指标是反映煤与瓦斯突出早期阶段的宏观和微观的各种征兆，通过现场人员的观察获得。主要有：

1)打钻异常，是指工作面在打钻时存在夹、顶钻现象，以及打钻时有喷孔等动力现象；

2)应力异常，是指工作面支架表现出变形、承压增大、煤壁掉碴，煤炮声及其它异常等应力增大现象；

3)地质构造，指当前和前方10～20m范围是否存在地质构造，填写有、无，若有则填写与构造的距离，如″有，6m″(表示有构造，构造距工作面为6m)；

4)煤层变化，是指煤层出现由薄变厚、层理与纹理紊乱、硬度变软等方面的异常；

5)工艺，本班和上一班存在诱发突出的生产工艺，如放炮、打钻、割煤；炮掘工作面显示放炮、打眼；

6)应力集中，存在或有可能存在，如相向掘进、回采，穿过上下层的应力集中的带和应力集中的煤柱区；

7)煤壁温度下降。

所述实测与基础指标，工作面生产过程采用和测定的突出预测参数，基础指标是工作面的生产环境，包括开采深度、煤层厚度、与断层的相对位置关系。这是静态评价指标，可作为预警决策参考。

本发明的有益效果：

1、与已有类型煤与瓦斯突出预警指标体系相比，本发明的预警指标体系由实时指标、现场观感指标、实测和基础指标构成。实时指标反映了瓦斯涌出异常的本质和现象；现场观感指标主要反映瓦斯压力和地应力异常；实测指标(钻屑量和钻孔瓦斯涌出初速度等)和煤层基础信息主要反映煤层和瓦斯地质异常，三类指标体系相结合可全面反映煤与瓦斯突出机理、在早期孕育阶段的动态演化过程。

2、本发明的预警指标体系，针对各指标设定不同的预警等级，如关注、提醒、警告和响应。工作面预警等级直接由各指标预警等级综合确定，保证了预警信息的可靠性。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步详细描述。

一种煤与瓦斯突出孕育发展过程预警综合指标体系，包括：

1、实时指标

1)等效瓦斯浓度(等效浓度)

建立在以等效瓦斯浓度为基础的实时参数，以消除了风量变化对瓦斯浓度产生的影响。所谓等效瓦斯浓度即是采用风量校正后的瓦斯浓度，采用式(1)计算：

$C_I=C_i\·\frac{V_i}{V_0}---\left(1\right)$

式中C_I-等效瓦斯浓度，％；

C_i-瞬时瓦斯浓度，％；

V₀-基准风速，m/s；

V_i-瞬时风速，m/s。

以下指标中采用的瓦斯浓度均为等效瓦斯浓度：

2)等效瓦斯浓度波动率(简称波动率)及其变化趋势

等效浓度波动率为实时值，表示实时等效浓度与相对于均值的变化，反映瓦斯涌出的异常程度，是预警突出的最重要敏感指标之一。波动率按下式计算：

$B_i=100\·\frac{C_i-C_{\mathrm{mi}}}{C_{\mathrm{mi}}}---\left(2\right)$

式中：Bi-i时刻波动率，％；

Ci-实时等效瓦斯浓度，％；

Cmi-基准值，即不包括当前实时值的前长周期的均值，％。

波动率反映瓦斯涌出异常。波动率值超过某一值和/或相邻波动率发生正负变化都可作为预警指标。深层次反映煤岩体活动，应力变化导致裂隙张闭等情况。

此处采用周期内波动率超过指标(根据均值浓度确定)次数、周期内正负变化次数作为波动率指标异常判别标准。

3)等效瓦斯浓度变值频率(简称频率)增值

频率增值指标为基于变值变态的监测数据处理模式而定的指标，所谓变值即是当前浓度与前一浓度值相比，若发生变化则被记录，即ΔC_i＝C_i-C_i-1≠0，则N＝N+1。

频率值即是一个周期内等效瓦斯浓度变值次数，用N表示。频率增值即为当前周期与上一周期频率值之差，ΔN_i＝N_i-N_i-1。周期内等效瓦斯浓度变值次数(记录数)(n/min)，瓦斯涌出的变化若频率随时间逐渐增大，则预示瓦斯涌出异常。频率变化用增大率P进行量化。

P＝当前周期频率/前3个周期频率均值。若P值有增大趋势，表示突出危险性增大。

越临近突出，频率增加越显著。

4)均值线及其变化趋势

采用移动平均值算法。平均值是先求得序列中一组数据的总和，再除以该组数据的项数，所得到的数据称为“平均数”。所谓“移动”，是加入一个新数据的同时，剔除原数据序列中最后一个，得到新的数据序列，数据总项数不变，计算公式不变。

设计了短期均线、中期均线和长期均线三种均线形式。计算时先确定三种均线的时期周期，如10s、30s和60s或60s、120s和240s。一个周期内的平均值即是该周期中采集的数据之和除以数据个数。移动平均值即是，在计算下一个周期平均值时，在上个周期的数据基础上，加入一个新的监测数据，同时剔除上个周期中的最后一个(时间最远的)监测值，如此重复进行。每个周期的平均值的计算公式为：

$\mathrm{Cm}=\frac{1}{n}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{C}_i,(i=\mathrm{1,2},...,n)---\left(3\right)$

式中：C_i-周期内i时刻浓度值；

n-周期内采集数据个数；

Cm-周期内的平均值。

也可采用下式计算：

$\mathrm{Cmi}=\mathrm{Cm}(i-1)+\frac{1}{n}(C_i-C_n)---\left(4\right)$

Cmi-i时刻均值；

Cm(i1)-上时刻均值；

Ci-i时刻浓度；

Cn-上一相邻均值周期内最后一个浓度值。

5)浓度增幅k

当前实时浓度比上巡检周期浓度增加幅度(增大率)，当增加(大)率值超过预设值时视为异常，其中预设值随C_i-1变化而变化。计算公式为：

$K_i=100\·\frac{C_i-C_{i-1}}{C_{i-1}}---\left(5\right)$

式中Ci-实时等效瓦斯浓度，％；

C_i-1-上一巡检周期瓦斯浓度值，％。

此值主要用判断瓦斯浓度超限趋势和可能。

2.现场观感指标

现场观感指标是反映煤与瓦斯突出早期阶段的宏观和微观的各种征兆，通过现场人员的观察获得。主要有：

1)打钻异常，是指工作面在打钻时存在夹、顶钻现象，以及打钻时有喷孔等动力现象；

2)应力异常，是指工作面支架表现出变形、承压增大、煤壁掉碴，煤炮声及其它异常等应力增大现象；

3)地质构造，指当前和前方10～20m范围是否存在地质构造，填写有、无，若有则填写与构造的距离，如″有，6m″(表示有构造，构造距工作面为6m)；

4)煤层变化，是指煤层出现由薄变厚、层理与纹理紊乱、硬度变软等方面的异常；

5)工艺，本班和上一班存在诱发突出的生产工艺，如放炮、打钻、割煤；炮掘工作面显示放炮、打眼；

6)应力集中，存在或有可能存在，如相向掘进、回采，穿过上下层的应力集中的带和应力集中的煤柱区；

7)煤壁温度下降。

3.实测和基础信息指标

实测指标是按《防治煤与瓦斯突出规定》要求，工作面生产过程采用和测定的突出预测参数。基础信息是工作面的生产环境，如开采深度、煤层厚度、与断层的相对位置关系等。此为静态评价指标，可作为预警决策参考。

1)实测指标

实测指标即是在生产过程中对煤层进行防突预测工作中采用的指标。此指标因矿井和煤层不同而异。主要包括：

(1)钻屑量S：每钻1m钻孔的全部钻屑，单位为kg/m或L/m。该指标反映了煤层应力集中程度和煤的结构特征。S值与突出危险性之有较强的相关性，地应力越大、煤层越松软，S值越大；

(2)q值：钻孔瓦斯涌出初速度q；

(3)辅助指标：瓦斯压力、瓦斯含量、钻屑瓦斯解吸指标Δh₂(Pa)、钻屑瓦斯解吸指标K₁(mL·(g·min^1/2)^-1)、综合指标D、综合指标K、R值指标。

2)基础信息

基础信息是指对突出产生影响的信息，具体包括：

(1)煤层突出历史；(2)工作面标高/埋深及矿井各煤层的始突深度(标高)；(3)相邻煤层的开采情况，上下煤层采空区中是否留有煤柱等环境因素；(4)地质构造发育；(5)煤层结构；(6)生产工艺；(7)区域防突措施；(8)局部防突措施；(9)效果检验结果。

本发明所述的预警指标体系中各指标预警等级按如下标准划分：

1.实时预警指标预警等级划分及数学模型

1)波动率预警等级划分标准及数学模型

波动率预警等级划分标准为B_B，当浓度为C_Li＜C_mi≤C_Ui时，波动率指标等级标准的计算式为：|B_Bi|≥A_iA_i∈100～30

式中：i-时刻；C_mi-i时刻所在长周期的瓦斯浓度均值；C_Li、C_Ui-i时刻划分标准采用的瓦斯浓度下线和上线；B_Bi-波动率预警等级标准；A-等级标准的临界值。

在一个长周期中瞬时波动率当|B_B|≥-A_i的次数达N1、N2、N3、N4时，分别为关注、提醒、警告和响应。

波动率的预警等级划分标准如表1所示。

表1波动率指标与预警等级

注：等级代码：1-响应；2-报警；3-提醒；4-关注。

2)频率指标划分预警等级数学模型

当瞬时频率P_i满足P_i≥M_jP_Bi(j＝1，2，3，4)时，即为频率指标达预警等级，M_j＞M₁为关注等级，M_j＞M₂为提醒等级，M_j＞M₃为警告等级，M_j＞M₄为响应等级。频率的预警等级划分标准具体如表2所示。

表2频率指标预警等级判断表

注：频率计算不采用滑动平均方法，采用独立的周期，即两个周期之间数据不交叉，周期默认为60S，即1分钟1个值。基数为前3个周期的平均值。

3)浓度增幅指标划分预警等级数学模型

采用一个周期中实时浓度增幅|Ki|大于划分标准K_Bi的次数L_i划分等级。

瞬时浓度Ci在C_Li＜C_i≤C_Ui范围时，浓度增幅指标预警等级划分标准的计算式为：

|K_i|≥L_jK_Bi(j＝1，2，3，4)

L_j＞L1为关注，L_i＞L2为提醒，L_j＞L3时为警告，L_j＞L4时为响应。

实时浓度较上一相邻巡检周期的浓度增量指标的预警等级参见表3确定。

浓度增量指标等级标准划分采用动态浓度的方法，即不同的浓度采用不同的划分标准。

表3浓度增量预警等级划分标准表

瓦斯浓度增幅指标主要应用于瓦斯浓度超限预警，判断的可能性，等级越高瓦斯浓度超限可能性越大。

4)均线指标划分预警等级数学模型

三条均线瓦斯浓度C随时间变化的的函数式为：

$C_i=a_{0i}+a_{\mathrm{li}}{t}_i+a_{2i}{t}_i^2$

式中：C_i-在均线周期内t_i时间瓦斯浓度；

a_0i、a_1i、a_2i-方程系数。

当短期均线且持续时间TD_i满足TD_i≥TD_Bi(i＝1，2，3，4))时即到达相应的预警等级(TD_Bi为短均线预警等级判断标准)；中期均线和长期均线由此类推。三种均线预警等级的判断标准如表4所示。

表4D、Z和C均线的预警等级划分标准表

注：当均线增减趋势指标主要应用于判断瓦斯浓度异常，用持续时间判断其异常程度和突出危险性，增加和降低持续时间长表示异常越严重，等级越高。

2、现场观感指标预警等级划分

动态(征兆)指标预警等级等级划分标准与辨识方法见表5所示。

表5动态(征兆)指标预警等级划分标准表

2.实测与基础指标预警等级划分表

实测与基础指标预警等级划分标准与辨识方法见表6所示。

表6实测指标警等级划分标准表

注：此处《规定》指《防治煤与瓦斯突出规定》。

工作面预警等级依据本发明所述各指标预警等级综合判定，具体如下：

每个预警指标的权重分4个等级；按预警指标对突出危险性的敏感性，将指标分为A、B、C3个敏感度，不同敏感度的等级权重是不同的。各指标的敏感度和等级权重如表7所示。

表7预警指标权重表

综合指数M计算方法：M＝∑I

据综合指数预警等级辨识：

	关注	提醒	警告	响应
					综合指数临界值MC	＞140	＞280	＞560	＞1120

Claims (1)

1.一种煤与瓦斯突出孕育发展过程预警方法，其特征在于，包括一套综合指标体系，所述综合指标体系包括实时指标、现场观感指标、实测和基础指标；

所述实时指标是指为基于现有瓦斯监测系统采集的实时瓦斯浓度数据，包括等效瓦斯浓度、等效浓度波动率、频率、均值线和瓦斯浓度增幅；

所述现场观感指标是反映煤与瓦斯突出早期阶段的宏观和微观的指标，包括打钻异常、应力异常、地质构造、煤层变化、生产工艺和煤壁温度下降；

所述实测指标是工作面生产过程采用和测定的突出预测参数，所述基础指标是工作面的生产环境，包括开采深度、煤层厚度、与断层的相对位置关系；

所述等效瓦斯浓度即是采用风量校正后的瓦斯浓度，采用式(1)计算：

$C_I=C_i\·\frac{V_i}{V_0}---\left(1\right)$

式中C_I－等效瓦斯浓度，％；

C_i－瞬时瓦斯浓度，％；

V₀－基准风速，m/s；

V_i－瞬时风速，m/s；

所述等效浓度波动率按下式计算：

$B_i=100\·\frac{C_i-C_{mi}}{C_{mi}}---\left(2\right)$

式中：Bi－i时刻波动率，％；

Ci－实时等效瓦斯浓度，％；

Cmi－基准值，即不包括当前实时值的前面长周期的均值，％；

所述频率即是一个周期内等效瓦斯浓度变值次数，用N表示；频率增值即为当前周期与上一周期频率值之差，ΔN_i＝N_i－N_i-1；所述等效瓦斯浓度变值即是当前浓度与前一浓度值相比，若发生变化则被记录，即ΔC_i＝C_i－C_i-1≠0，则N＝N+1；

所述均线值采用移动平均值算法计算得到，所述移动平均值算法中采用实时等效瓦斯浓度进行计算；

所述浓度增幅K_i计算公式为：

$K_i=100\·\frac{C_i-C_{i-1}}{C_{i-1}}---\left(3\right)$

式中Ci－实时等效瓦斯浓度，％；

C_i－1－上一巡检周期实时等效瓦斯浓度值，％。