CN103321681A

CN103321681A - 一种煤矿巷道冒顶灾害的监测预警方法和系统

Info

Publication number: CN103321681A
Application number: CN2012105941801A
Authority: CN
Inventors: 闫相宏; 贾瑞生; 李建中; 李莉; 高丽丽; 孙君; 李娟�; 沈文众; 江霞; 郭斌; 张勇; 吴亮
Original assignee: UROICA MINING SAFETY ENGINEERING Co Ltd
Current assignee: UROICA MINING SAFETY ENGINEERING Co Ltd
Priority date: 2012-12-31
Filing date: 2012-12-31
Publication date: 2013-09-25
Anticipated expiration: 2032-12-31
Also published as: CN103321681B

Abstract

本发明实施例提出一种煤矿巷道冒顶灾害的监测预警方法和系统，用以提供一种准确及时的冒顶灾害监测预警技术。本发明实施例提供的上述煤矿巷道冒顶灾害的监测预警方法和系统，通过获取连续的顶板离层实时监测数据，计算离层速度及加速度并将二者综合来进行煤矿巷道冒顶灾害的监测预警。该监测预警技术将离层速度及加速度结合起来，更能直观反映顶板离层趋势，该技术具有数据采集密度大、离层趋势分析准确、预警及时等优点，算法处理简捷，复杂度较小，能够满足巷道冒顶预警的实时性要求。

Description

一种煤矿巷道冒顶灾害的监测预警方法和系统

技术领域

本发明涉及安全科学与工程技术领域，特别涉及一种煤矿巷道冒顶灾害的监测预警方法和系统。

背景技术

巷道顶板冒顶灾害是煤矿安全生产面临的重大威胁之一，国内外很多学者围绕巷道冒顶灾害的监测预警技术开展了大量研究工作。由于煤矿顶板一般为典型层状结构，因此顶板离层量被作为评判巷道冒顶灾变的重要指标数据之一。

现有技术通常根据离层量大小判断、或根据离层速度判断、或根据离层加速度进行灾害识别及预警，判断方法存在片面性，并且由于组成顶板岩层构造的复杂性，使得预警阈值难以确定，给冒顶灾害的识别及预警带来困难。

发明内容

本发明实施例提出一种煤矿巷道冒顶灾害的监测预警方法和系统，用以提供一种准确及时的冒顶灾害监测预警方法。

本发明实施例提出一种煤矿巷道冒顶灾害的监测预警方法，包括以下步骤：

按照预设时间间隔采集一巷道的顶板岩层上监测点的离层量信息；

获取在一滑动时间窗口内采集到的所述监测点的一组离层量信息，所述滑动时间窗口为连续N个预设时间间隔，所述N为等于或大于2的正整数；

利用所述一组离层量信息计算所述监测点的离层速度和离层加速度；

根据所述离层速度和离层加速度进行巷道冒顶灾变预警处理。

其中，优选地，所述按照预设时间间隔采集一巷道的顶板岩层上监测点的离层量信息，具体为：

利用顶板离层仪监测所述监测点，获得顶板离层仪信号；其中，所述监测点位置处开设有一孔，所述顶板离层仪设置于所述孔内，所述顶板离层仪的两个监测点分别设置于所述孔所处岩层的深基点和浅基点；

按照所述预设时间间隔从所述顶板离层仪获取所述顶板离层仪信号；

根据在所述预设时间间隔获取到的顶板离层仪信号，确定出在该预设时间间隔内所述监测点的离层量。

其中，优选地，所述监测点为沿着所述巷道走向排列的多个监测点中的任意一个，所述多个监测点中相邻监测点之间的间距为15~25米；

所述巷道为多条巷道中的任意一条。

其中，优选地，所述利用所述一组离层量信息计算所述监测点的离层速度和离层加速度，具体为：

按照以下公式计算所述监测点的离层速度：

V_{n} (t_{m}) = \frac{L_{n} (t_{m}) - L_{n} (t_{m - 1})}{t_{m} - t_{m - 1}}

其中，所述t_m为最新的离层量信息的采集时间，所述t_m-1为次新的离层量信息的采集时间，t_m与t_m-1之差等于所述预设时间间隔；所述L_n(t_m)为所述监测点在所述t_m时刻的离层量，所述L_n(t_m-1)为所述监测点在所述t_m-1时刻的离层量；所述V_n(t_m)为所述监测点在所述t_m时刻的离层速度；所述n为所述监测点的编号；

按照以下公式计算所述监测点的离层加速度：

A_{n} = \frac{V_{n} (t_{m}) - V_{n} (t_{m - (N - 1)})}{t_{m} - t_{m - (N - 1)}}

其中，t_m与t_m-(N-1)之差等于所述预设时间间隔的(N-1)倍；所述A_n为监测点的离层加速度。

其中，优选地，所述根据所述离层速度和离层加速度进行巷道冒顶灾变预警处理，具体为：

当所述离层加速度A_n≤0且离层速度V_n(t_m)≤0时，发出巷道目前为安全的提示信息；

当A_n≤0且V_n(t_m)>0时，发出未来一段时间内可能产生冒顶的提示信息；

当α＞A_n>0时，发出较短时间内可能产生冒顶的提示信息；所述α为离层加速度预警阈值；

当A_n≥α时，发出极短时间内可能产生冒顶的提示信息。

本发明实施例还提供了一种煤矿巷道冒顶灾害的监测预警系统，包括：

监测分站，用于按照预设时间间隔采集一巷道的顶板岩层上监测点的离层量信息，所述监测分站设置于所述巷道内；

井上监控计算机，用于获取在一滑动时间窗口内采集到的所述监测点的一组离层量信息，所述滑动时间窗口为连续N个预设时间间隔，所述N为等于或大于2的正整数；利用所述一组离层量信息计算所述监测点的离层速度和离层加速度；根据所述离层速度和离层加速度进行巷道冒顶灾变预警处理；所述监测分站通过井下网络系统与所述井上监控计算机连接。

其中，优选地，所述的监测预警系统，还包括：

顶板离层仪，用于监测所述监测点，获得顶板离层仪信号；所述顶板离层仪设置于在所述监测点位置处开设的孔内，所述顶板离层仪的两个监测点分别设置于所述孔所处岩层的深基点和浅基点；

所述监测分站包括：

信号获取模块，用于按照所述预设时间间隔从所述顶板离层仪获取所述顶板离层仪信号，通过CAN总线与所述顶板离层仪连接；

离层量确定模块，用于根据在所述预设时间间隔获取到的顶板离层仪信号，确定出在该预设时间间隔内所述监测点的离层量。

其中，优选地，所述井上监控计算机包括：

信息获取模块，用于获取在一滑动时间窗口内采集到的所述监测点的一组离层量信息，所述滑动时间窗口为连续N个预设时间间隔，所述N为等于或大于2的正整数。

其中，优选地，所述井上监控计算机还包括：

第一计算模块，用于按照以下公式计算所述监测点的离层速度：

V_{n} (t_{m}) = \frac{L_{n} (t_{m}) - L_{n} (t_{m - 1})}{t_{m} - t_{m - 1}}

第二计算模块，用于按照以下公式计算所述监测点的离层加速度：

A_{n} = \frac{V_{n} (t_{m}) - V_{n} (t_{m - (N - 1)})}{t_{m} - t_{m - (N - 1)}}

其中，优选地，所述监控计算机还包括：

警示模块，用于当所述离层加速度A_n≤0且离层速度V_n(t_m)≤0时，发出巷道目前为安全的提示信息；当A_n≤0且V_n(t_m)>0时，发出未来一段时间内可能产生冒顶的提示信息；当α＞A_n>0时，发出较短时间内可能产生冒顶的提示信息；当A_n≥α时，发出极短时间内可能产生冒顶的提示信息；所述α为离层加速度预警阈值。

本发明实施例提供的上述煤矿巷道冒顶灾害的监测预警方法和系统，通过获取连续的顶板离层实时监测数据，计算离层速度及加速度并将二者综合来进行煤矿巷道冒顶灾害的监测预警。该监测预警技术将离层速度及加速度结合起来，能更直观反映顶板离层趋势，该监测预警技术具有数据采集密度大、离层趋势分析准确、预警及时等优点，算法处理简捷，复杂度较小，能够满足巷道冒顶预警的实时性要求。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例中一种煤矿巷道冒顶灾害的监测预警方法的流程图；

图2A为本发明实施例中一种煤矿巷道冒顶灾害的监测预警系统的结构示意图；

图2B为本发明实施例中另一种煤矿巷道冒顶灾害的监测预警系统的结构示意图；

图3为本发明实施例一中巷道中监测点的布置示意图，其中的单向箭头表示工作面推进方向；

图4为本发明实施例一中顶板离层仪安装示意图。

标号说明：

31 巷道

32 工作面

33 监测点一

34 监测点二

35 监测点三

41 巷道

42 顶板

43 离层区

44 深基点

45 浅基点

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本发明实施例提供了一种煤矿巷道冒顶灾害的监测预警方法，包括以下步骤：

S11、按照预设时间间隔采集一巷道的顶板岩层上监测点的离层量信息。

其中，离层量是指两个岩层之间的缝隙大小。当巷道施工完成后，巷道上方有多个岩层组成，由于应力作用，最下层岩层由于受力最大会下沉，从而与上方相邻岩层之间产生离层。离层量是位移测量。

其中，步骤S11可具体实施为：

利用顶板离层仪对监测点进行监测，获得顶板离层仪信号；其中，监测点位置处开设有一孔，顶板离层仪设置于孔内，顶板离层仪的两个监测点分别设置于孔所处岩层的深基点和浅基点；

按照预设时间间隔从顶板离层仪获取顶板离层仪信号；

根据在预设时间间隔获取到的顶板离层仪信号，确定出在该预设时间间隔内监测点的离层量。

另外，监测点为沿着巷道走向排列的多个监测点中的任意一个，多个监测点中相邻监测点之间的间距为15~25米；巷道为多条巷道中的任意一条。

S12、获取在一滑动时间窗口内采集到的监测点的一组离层量信息，滑动时间窗口为连续N个预设时间间隔，N为等于或大于2的正整数。

可见，在一滑动时间窗口内能采集到监测点的N个离层量信息。

S13、利用步骤S12获取的一组离层量信息计算监测点的离层速度和离层加速度。

其中，步骤S13可具体实施为：

按照以下公式(1)计算监测点的离层速度：

V_{n} (t_{m}) = \frac{L_{n} (t_{m}) - L_{n} (t_{m - 1})}{t_{m} - t_{m - 1}} - - - (1)

其中，t_m为最新的离层量信息的采集时间，t_m-1为次新的离层量信息的采集时间，t_m与t_m-1之差等于一个预设时间间隔；L_n(t_m)为监测点在t_m时刻的离层量，L_n(t_m-1)为监测点在t_m-1时刻的离层量；V_n(t_m)为监测点在t_m时刻的离层速度；n为该监测点的编号；

按照以下公式(2)计算监测点的离层加速度：

A_{n} = \frac{V_{n} (t_{m}) - V_{n} (t_{m - (N - 1)})}{t_{m} - t_{m - (N - 1)}} - - - (2)

其中，V_n(t_m-(N-1))为监测点在t_m-(N-1）时刻的离层速度；t_m与t_m-(N-1)之差等于预设时间间隔的(N-1)倍；A_n为监测点的离层加速度。

S14、根据离层速度和离层加速度进行巷道冒顶灾变预警处理。

其中，步骤S14可具体实施为：

当离层加速度A_n≤0且离层速度V_n(t_m)≤0时，发出巷道目前为安全的提示信息；

当α＞A_n>0时，发出较短时间内可能产生冒顶的提示信息；其中，α为离层加速度预警阈值，α可具体为0.5或其它根据矿井实际情况设定的值；

当A_n≥α时，发出极短时间内可能产生冒顶的提示信息。

本发明实施例提供的上述煤矿巷道冒顶灾害的监测预警方法，通过获取连续的顶板离层实时监测数据，计算离层速度及加速度并将二者综合来进行煤矿巷道冒顶灾害的监测预警。该监测预警方法将离层速度及加速度结合起来，能更直观反映顶板离层趋势，该监测预警方法具有数据采集密度大、离层趋势分析准确、预警及时等优点，算法处理简捷，复杂度较小，能够满足巷道冒顶预警的实时性要求。

如图2A所示，本发明实施例还提供了一种煤矿巷道冒顶灾害的监测预警系统，包括：

监测分站，用于按照预设时间间隔采集一巷道的顶板岩层上监测点的离层量信息，监测分站设置于巷道内（比如回风巷或运输巷）；

井上监控计算机，用于获取在一滑动时间窗口内采集到的监测点的一组离层量信息，滑动时间窗口为连续N个预设时间间隔，N为等于或大于2的正整数；利用一组离层量信息计算监测点的离层速度和离层加速度；根据离层速度和离层加速度进行巷道冒顶灾变预警处理；监测分站通过井下网络系统与井上监控计算机连接。

其中，优选地，如图2B所示，上述监测预警系统还可以包括：

顶板离层仪，用于对监测点进行监测，获得顶板离层仪信号；顶板离层仪设置于在监测点位置处开设的孔内，顶板离层仪的两个监测点分别设置于孔所处岩层的深基点和浅基点；

监测分站包括：

信号获取模块，用于按照预设时间间隔从顶板离层仪获取顶板离层仪信号，信号获取模块通过CAN总线与顶板离层仪连接；

离层量确定模块，用于根据在预设时间间隔获取到的顶板离层仪信号，确定出在该预设时间间隔内监测点的离层量。

其中，优选地，井上监控计算机可包括：

信息获取模块，用于获取在一滑动时间窗口内采集到的监测点的一组离层量信息，滑动时间窗口为连续N个预设时间间隔，N为等于或大于2的正整数。

其中，优选地，井上监控计算机还可包括：

第一计算模块，用于按照以下公式计算监测点的离层速度：

V_{n} (t_{m}) = \frac{L_{n} (t_{m}) - L_{n} (t_{m - 1})}{t_{m} - t_{m - 1}}

其中，t_m为最新的离层量信息的采集时间，t_m-1为次新的离层量信息的采集时间，t_m与t_m-1之差等于预设时间间隔；L_n(t_m)为监测点在t_m时刻的离层量，L_n(t_m-1)为监测点在t_m-1时刻的离层量；V_n(t_m)为监测点在t_m时刻的离层速度；n为监测点的编号；

第二计算模块，用于按照以下公式计算监测点的离层加速度：

A_{n} = \frac{V_{n} (t_{m}) - V_{n} (t_{m - (N - 1)})}{t_{m} - t_{m - (N - 1)}}

其中，t_m与t_m-(N-1)之差等于预设时间间隔的(N-1)倍；A_n为监测点的离层加速度。

其中，优选地，井上监控计算机还可包括：

警示模块，用于当离层加速度A_n≤0且离层速度V_n(t_m)≤0时，发出巷道目前为安全的提示信息；当A_n≤0且V_n(t_m)>0时，发出未来一段时间内可能产生冒顶的提示信息；当α＞A_n>0时，发出较短时间内可能产生冒顶的提示信息；当A_n≥α时，发出极短时间内可能产生冒顶的提示信息；α为离层加速度预警阈值。

本发明实施例提供的上述煤矿巷道冒顶灾害的监测预警系统，通过获取连续的顶板离层实时监测数据，计算离层速度及加速度并将二者综合来进行煤矿巷道冒顶灾害的监测预警。该监测预警系统将离层速度及加速度结合起来，能更直观反映顶板离层趋势，该监测预警系统具有数据采集密度大、离层趋势分析准确、预警及时等优点，算法处理简捷，复杂度较小，能够满足巷道冒顶预警的实时性要求。

下面以一具体实施例来说明本发明实施例提供的技术方案。

实施例一

第一步：安装监测预警系统。

按图3所示沿巷道走向每隔15-25米向顶板内打一排孔（每个孔对应一个监测点），按图4所示在钻孔内安装顶板离层仪，且保证顶板离层仪的两个监测点分布在岩层的深基点与浅基点上，顶板离层仪与放置在回风巷或运输巷内的监测分站通过CAN总线相连，监测分站通过井下网络系统与井上监控计算机相连，形成一个监测预警系统。

一个监测分站可连接多个顶板离层仪，目前使用CAN总线在5km范围内可连接128个顶板离层仪，使用中继器扩展CAN总线后理论上可连接无数个顶板离层仪。考虑到施工方便，实际应用时每个巷道布设一条CAN总线，设一个监测分站，一个监测预警系统理论上可以有无数个监测分站，即有多少条巷道就设多少个监测分站，监测分站均通过井下网络系统将数据传输到井上监控计算机。

第二步：离层监测数据的采集与处理。

井上监控计算机按照预设时间间隔Δt（⊿t=1分钟）向监测分站发送采集指令，监测分站收到采集指令后采集各顶板离层仪信号进行处理并将其转换为离层量信息，再集中发送给井上监控计算机，由井上监控计算机存入数据库作为煤矿巷道冒顶灾害的监测预警基础数据。数据库中存储的每条数据包含以下属性：巷道编号、监测分站编号、顶板离层仪编号、离层量、监测时间。

第三步：计算离层速度及加速度。

为方便描述，记编号为n的监测点在t时刻的离层量为L_n(t)，采集数据的时间序列为：t₁,t₂,t₃，….,t_m，其中t_m为最新一组离层数据的采集时间，则井上监控计算机按公式（1）计算出监测点n在t_m时刻的离层速度V_n(t_m)为（单位：mm/min）：

V_{n} (t_{m}) = \frac{L_{n} (t_{m}) - L_{n} (t_{m - 1})}{t_{m} - t_{m - 1}} - - - (1)

同理，井上监控计算机亦可计算出该监测点8分钟前（即t_m-7时刻）的离层速度为（单位：mm/min）：

V_{n} (t_{m - 7}) = \frac{L_{n} (t_{m - 7}) - L_{n} (t_{m - 8})}{t_{m - 7} - t_{m - 8}} - - - (3)

则在8分钟内监测点n的离层加速度A_n为（单位：mm/min²）：

A_{n} = \frac{V_{n} (t_{m}) - V_{n} (t_{m - 7})}{t_{m} - t_{m - 7}} - - - (4)

称A_n为时间窗口⊿T（此处⊿T=8分钟，即N=8）内的平均加速度，井上监控计算机每完成一次数据采集，时间窗口就向后滑动平移一个预设时间间隔，

并按第三步给出的方法完成每个监测点的离层速度及加速度计算。

第四步：巷道冒顶灾变预警。

井上监控计算机定义巷道冒顶预警状态集合为：S={S1,S2,S3，S4}，分别表示巷道顶板安全、临界、危险、极度危险四种状态，并分别用绿、黄、橙、红四种色块表示。

(1)若A_n≤0且V_n(t_m)≤0，说明监测点n处顶板离层没有出现加速现象，下沉速度小于等于0，此时巷道顶板处于稳定状态。井上监控计算机确定出预警状态：S1；井上监控计算机利用显示器显示预警色块为绿色，或者井上监控计算机控制警示灯显示为绿色。

(2)若A_n≤0且V_n(t_m)>0，说明监测点n处顶板离层没有出现加速现象，但离层速度不为零，说明离层在不断变大，未来一段时间内可能产生冒顶。井上监控计算机确定出预警状态：S2；井上监控计算机利用显示器显示预警色块为黄色，或者井上监控计算机控制警示灯显示为黄色。

(3)若α>A_n>0，说明监测点n处顶板离层出现加速现象，在较短时间内可能发生冒顶事故。由于各地巷道顶板岩性及支护方式的不同，α取值会有较大差异，因此需要根据现场离层实验数据确定。井上监控计算机确定出预警状态：S3；

井上监控计算机利用显示器显示预警色块为橙色，或者井上监控计算机控制警示灯显示为橙色。

(4)若A_n≥α，说明顶板离层速度在快速增加，极短时间内将会发生冒顶事故，应立即撤出相关人员。井上监控计算机确定出预警状态：S4；井上监控计算机利用显示器显示预警色块为红色，或者井上监控计算机控制警示灯显示为红色。

实施例二

按图3所示沿巷道走向每隔20米在巷道顶板中央位置打孔，钻孔直径为Φ27～29mm，按图4所示安装顶板离层仪，用安装杆将两个锚爪推到所需深度，保证顶板离层仪的两个监测点固定在深基点及浅基点上，并将其锚固。将监测分站通过CAN总线与顶板离层仪连接，再将监测分站通过井下网络系统与井上监控计算机连接，形成一个监测预警系统。

假设某项板离层仪采集的数据序列如下表所示(其中t_m时刻对应的离层量为最新测得的数据)：

时间	...	t_m-8	t_m-7	t_m-6	t_m-5	t_m-4	t_m-3	t_m-2	t_m-1	t_m
											离层量(mm)	...	1	2	3	4	6	8	11	14	17

定义滑动时间窗口大小ΔT＝8分钟，则井上监控计算机由上述公式(1)计算出窗口后边沿的离层速度值为：

V_n(t_m）=(17-14)/1＝3(mm/min)

井上监控计算机由上述公式(3)计算出窗口前边沿的离层速度值为：

V_n(t_m-7)＝(2-1)/1＝1(mm/min)

井上监控计算机由上述公式(4)计算出该滑动时间窗口内的加速度为：

A_n＝(3-1)/8＝0.25(mm/min²)

根据实施例一中第四步给出的预警规则，若设α＝0.5，则井上监控计算机发出预警状态为：S3，即表示在较短时间内可能发生顶板冒顶事故。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种煤矿巷道冒顶灾害的监测预警方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.如权利要求1所述的监测预警方法，其特征在于，所述按照预设时间间隔采集一巷道的顶板岩层上监测点的离层量信息，具体为：

3.如权利要求1或2所述的监测预警方法，其特征在于，

所述监测点为沿着所述巷道走向排列的多个监测点中的任意一个，所述多个监测点中相邻监测点之间的间距为15~25米；

所述巷道为多条巷道中的任意一条。

4.如权利要求3所述的监测预警方法，其特征在于，所述利用所述一组离层量信息计算所述监测点的离层速度和离层加速度，具体为：

按照以下公式计算所述监测点的离层速度：

V_{n} (t_{m}) = \frac{L_{n} (t_{m}) - L_{n} (t_{m - 1})}{t_{m} - t_{m - 1}}

按照以下公式计算所述监测点的离层加速度：

A_{n} = \frac{V_{n} (t_{m}) - V_{n} (t_{m - (N - 1)})}{t_{m} - t_{m - (N - 1)}}

5.如权利要求1或4所述的监测预警方法，其特征在于，所述根据所述离层速度和离层加速度进行巷道冒顶灾变预警处理，具体为：

当A_n≥α时，发出极短时间内可能产生冒顶的提示信息。

6.一种煤矿巷道冒顶灾害的监测预警系统，其特征在于，包括：

7.如权利要求6所述的监测预警系统，其特征在于，还包括：

所述监测分站包括：

8.如权利要求6或7所述的监测预警系统，其特征在于，所述井上监控计算机包括：

9.如权利要求8所述的监测预警系统，其特征在于，所述井上监控计算机还包括：

V_{n} (t_{m}) = \frac{L_{n} (t_{m}) - L_{n} (t_{m - 1})}{t_{m} - t_{m - 1}}

A_{n} = \frac{V_{n} (t_{m}) - V_{n} (t_{m - (N - 1)})}{t_{m} - t_{m - (N - 1)}}

10.如权利要求9所述的监测预警系统，其特征在于，所述监控计算机还包括：