CN103410568B - 矿山动力灾害一体化预警方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明一种矿山动力灾害一体化预警方法及装置，属于煤矿开采动力灾害预测评价领域，本发明将煤岩应力、煤岩地音、煤岩电场、煤岩温度、煤体解吸瓦斯传感器集成为一体化探头与动力灾害分析器构成矿山动力灾害预警装置，该装置既能预测动力灾害类型、级别，同时也能评价防治措施的解危效果，达到有效预防矿山动力灾害的目的，时一体化预警装置低能耗、体积小、结构简单、抗干扰性强，对减少矿山动力灾害引起的安全事故、提高回采巷道的安全性具有重大意义。

Description

矿山动力灾害一体化预警方法及装置

技术领域

本发明属于煤矿开采动力灾害预测评价领域，具体涉及一种矿山动力灾害一体化预警方法及装置。

背景技术

煤与瓦斯突出、冲击地压是煤矿生产中遇到的最严重动力灾害。煤与瓦斯突出发生时，井下煤体向巷道或采场抛出大量煤炭、喷出大量瓦斯；冲击地压发生时，井下巷道或采掘工作面被迅猛破坏，破坏时间仅几秒到十几秒，破坏范围可达几百米，抛射出煤炭可达几万吨。截至2012年底我国已有煤与瓦斯突出矿井1141个，冲击地压矿井142个，随着我国能源需求量的增加和开采强度的不断加大，未来几年我国大部分矿井将进入深部开采阶段。深部煤与瓦斯突出矿井若发生冲击地压，可能诱发破坏性更大的煤与瓦斯突出，甚至引发瓦斯、煤尘爆炸等次生灾害，表现为两种灾害互相影响；在采取常规煤与瓦斯突出防治措施后，若单纯按煤与瓦斯突出煤层危险评价方法，已判定为安全的煤层，可能发生冲击地压-煤与瓦斯突出复合动力灾害（以下简称复合型动力灾害），造成大量设备损坏及人员伤亡，表现为两种动力灾害相互复合。所以，随着矿井进入深部开采后，两种动力灾害互为共存，互相影响，相互复合，使煤矿动力灾害更加复杂，预测防治更加困难。因而研究矿山动力灾害一体化预警方法及装置成为实现冲击地压和煤与瓦斯突出矿井深部煤炭安全高效开采的重大需求。

目前，我国在预测冲击地压煤岩动力灾害方面主要有钻屑法预测、微震预测、地音预测、电磁辐射预测，声发射预测等，在预测煤与瓦斯突出煤岩动力灾害方面主要有钻屑法预测、瓦斯压力预测、煤体温度法预测、声发射预测、电磁辐射预测等。由于冲击地压和煤与瓦斯突出的随机性、突发性和复合性，以及破坏形式的多样性、使得冲击地压和煤与瓦斯突出的预测工作变得极为困难复杂，单凭冲击地压和煤与瓦斯突出预测的独立预测研究或单一方法是不可靠的，应根据矿井具体情况，集中尽可能多的监测手段进行综合分析预测。

煤岩应力、煤岩破裂辐射地音振时和解吸瓦斯流动辐射地音振时、煤岩破裂辐射电场和解吸瓦斯流动辐射电场、煤岩破裂辐射温度和解吸瓦斯辐射温度和煤体解吸瓦斯含量五种监测信息相互验证，虽然都能反映动力灾害信息，但其监测的物理信息又有区别：煤岩应力反映的是煤岩受力状态，但对煤岩瓦斯状态不敏感；煤岩破裂辐射地音振时和解吸瓦斯流动辐射地音振时可反映煤岩受力破裂和瓦斯压力，但对煤岩弹性应力阶段的变化反映不敏感，敏感程度和特征也不同；煤岩电场反映的是煤岩破裂程度和瓦斯运移带来的电荷感应变化，但对煤岩弹性应力阶段的变化反映不敏感，敏感程度和特征也不同；煤岩温度反映的是煤岩破裂辐射温度和解吸瓦斯辐射的温度变化，但对煤岩应力的变化反映不敏感；煤体解吸瓦斯含量反映的是煤层瓦斯压力变化，但对煤体的应力状态反应不敏感。所以煤岩应力、煤岩破裂辐射地音振时和解吸瓦斯辐射地音振时、煤岩破裂辐射电场和解吸瓦斯流动辐射电场、煤岩破裂辐射温度和解吸瓦斯辐射温度、煤体解吸瓦斯含量五种物理信息相互补充相互验证，增加了评价煤与瓦斯突出、冲击地压以及复合型动力灾害可靠性和可信度。同理，煤岩应力、煤岩破裂辐射地音振时和解吸瓦斯流动辐射地音振时、煤岩破裂辐射电场和解吸瓦斯流动辐射电场、煤岩破裂辐射温度和解吸瓦斯辐射温度、解吸瓦斯含量五种信息监测不能被其它监测仪器代替。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提出一种矿山动力灾害一体化预警方法及装置，以达到自动评价动力灾害类型、级别，同时也能评价防治措施的解危效果、提高回采巷道的安全性、简化装置结构和体积同时提高抗干扰性的目的。

一种矿山动力灾害一体化预警方法，包括以下步骤：

步骤1、安装仪器，启动装置进行数据实时监测；

步骤2、采用煤岩应力传感器采集矿井内应力信号，采用煤岩地音传感器采集矿井内地音信号，采用煤岩电场传感器采集矿井内电场信号，采用煤岩温度传感器采集矿井内温度信号，采用煤岩瓦斯传感器采集矿井内瓦斯信号，并采用信号调理器对上述五个信号进行调理和放大处理，发送至微处理器；

步骤3、微处理器对采集的五个数据进行分析，实现对被测矿井所属灾害类型的判定，所述的灾害类型包括冲击地压、煤与瓦斯突出和复合型动力灾害；

步骤3-1、将初始标度分为九个等级，用户根据被测矿井的实际情况，分别划分应力信号、地音信号、电场信号、温度信号和瓦斯信号对应初始标度每个等级的取值范围；

步骤3-2、根据实际采集信号的数据值大小所属范围，选择五个信号的初始标度；

步骤3-3、根据五个信号的初始标度，确定上述五个信号两两之间的重要性，构造一个五行五列的判断矩阵；

步骤3-4、确定步骤3-3中判断矩阵的权重向量；

步骤3-5、对步骤3-3中判断矩阵进行一致性检验，判断该矩阵的一致性指标比率是否小于阈值，所述的阈值取值范围为0.1～0.5，若是，则执行步骤3-6，否则返回执行步骤3-2；

步骤3-6、确定应力信号对于冲击地压、煤与瓦斯突出和复合型动力灾害的重要性，确定地音信号对于冲击地压、煤与瓦斯突出和复合型动力灾害的重要性，确定电场信号对于冲击地压、煤与瓦斯突出和复合型动力灾害的重要性，确定温度信号对于冲击地压、煤与瓦斯突出和复合型动力灾害的重要性，确定瓦斯信号对于冲击地压、煤与瓦斯突出和复合型动力灾害的重要性，并分别构建五个信号对于灾害的判断矩阵，并计算获得每个判断矩阵的权重向量；

步骤3-7、对步骤3-6中的五个判断矩阵进行一致性检验，判断该矩阵的一致性指标比率是否小于阈值，所述的阈值取值范围为0.1～0.5，若是，则执行步骤3-8，否则返回执行步骤3-6；

步骤3-8、计算获得冲击地压、煤与瓦斯突出和复合型动力灾害的总排序数值，并对由总排序数值所构成的评价结果矩阵进行一致性测试，判断该矩阵的一致性指标比率是否小于阈值，所述的阈值取值范围为0.1～0.5，若是，则确定数值最大的灾害即为被测矿井所属灾害类型并执行步骤4，否则返回步骤3-2；

步骤4、根据被测矿井内安全系数判断灾害等级，其中，第Ⅰ级为安全，安全系数范围为0.6～0.9；第Ⅱ级为有威胁，安全系数范围为0.3～0.6；第Ⅲ级为有危险，安全系数范围为小于等于0.3；

步骤5：根据灾害所属类型及等级，采取解危措施；

当判定为第Ⅰ级安全时，则采矿工作面按照作业规程继续进行，同时装置继续实时监测；

当判定为冲击地压灾害时，且等级划分为第Ⅱ级时，则微处理器控制报警器进行报警，并采取一种或两种局部解危措施，同时装置继续实时监测，直至检测指标为安全状态时方可进行采矿作业；

当判定为冲击地压灾害时，且等级划分为第Ⅲ级时，则微处理器控制报警器进行报警，并采取两种或两种以上局部解危措施，同时装置继续实时监测，直至检测指标为安全状态时方可进行采矿作业；

所述的冲击地压灾害时的局部解危措施包括：保护层开采、钻孔卸压、卸压爆破、断底断顶和松动爆破；

当判定为煤与瓦斯突出灾害时：且等级划分为第Ⅱ级时，则微处理器控制报警器进行报警，并采取一种或两种局部解危措施，同时装置继续实时监测，直至检测指标为安全状态时方可进行采矿作业；

当判定为煤与瓦斯突出灾害时：且等级划分为第Ⅲ级时，则微处理器控制报警器进行报警，并采取两种或两种以上局部解危措施，同时装置继续实时监测，直至检测指标为安全状态时方可进行采矿作业；

所述的煤与瓦斯突出灾害时的局部解危措施包括：保护层开采、瓦斯抽采、煤层注水和采空区封堵；

当判定为复合型动力灾害时，且等级划分为第Ⅱ级时，则微处理器控制报警器进行报警，并采取一种或两种局部解危措施，同时装置继续实时监测，直至检测指标为安全状态时方可进行采矿作业；

当判定为复合型动力灾害时，且等级划分为第Ⅲ级时，则微处理器控制报警器进行报警，并采取两种或两种以上局部解危措施，同时装置继续实时监测，直至检测指标为安全状态时方可进行采矿作业；

所述的复合型动力灾害时的局部解危措施包括：选择性实施强化局部瓦斯抽采、改造瓦斯抽放系统、超前钻孔卸压、卸压爆破、底板钻孔与爆破卸压、采空区封堵和改善支护。

步骤3-3中所述的判断矩阵O_ij如下：

$O_{\mathrm{ij}}=\left(\begin{array}{ccccc}{A}_{C_1}/A_{C_1}& A_{C_1}/A_{C_2}& A_{C_1}/A_{C_3}& A_{C_1}/A_{C_4}& A_{C_1}/A_{C_5}\\ A_{C_2}/A_{C_1}& A_{C_2}/A_{C_2}& A_{C_2}/A_{C_3}& A_{C_2}/A_{C_4}& A_{C_2}/A_{C_5}\\ A_{C_3}/A_{C_1}& A_{C_3}/A_{C_2}& A_{C_3}/A_{C_3}& A_{C_3}/A_{C_4}& A_{C_3}/A_{C_5}\\ A_{C_4}/A_{C_1}& A_{C_4}/A_{C_2}& A_{C_4}/A_{C_3}& A_{C_4}/A_{C_4}& A_{C_4}/A_{C_5}\\ A_{C_5}/A_{C_1}& A_{C_5}/A_{C_2}& A_{C_5}/A_{C_3}& A_{C_5}/A_{C_4}& A_{C_5}/A_{C_5}\end{array}\right)---\left(1\right)$

其中：i表示矩阵的行数，取值范围为1～5；j表示矩阵的列数，取值范围为1～5；表示应力信号C₁的初始标度；表示地音信号C₂的初始标度；表示电场信号C₃的初始标度；表示温度信号C₄的初始标度；表示瓦斯信号C₅的初始标度；判断矩阵O_ij中o_ij表示C_i信号和C_j信号对评价结果的重要性之比；

判断矩阵中o_ij数值范围为1～9，其中：

1表示两个元素相比，具有相同的重要性；

3表示两个元素相比，前者比后者稍重要；

5表示两个元素相比，前者比后者明显重要；

7表示两个元素相比，前者比后者强烈重要；

9表示两个元素相比，前者比后者极端重要；

其他数值表示介于相邻重要等级之间的重要程度。

步骤3-4中所述的权重向量W公式如下：

W=[W₁,W₂,,W₃,W₄,W₅]^T   （2）

其中，W_i表示第i个信号对于评价结果的权重，i取值范围为1～5；j取值范围为1～5；o_ij表示C_i信号和C_j信号对评价结果的重要性之比。

步骤3-5中所述的一致性指标比率确认过程如下：

一致性指标公式：

$\mathrm{CI}=\frac{{\mathrm{\λ}}_{\max }-5}{5-1}---\left(3\right)$

其中，λ_max为判断矩阵的最大特征根，CI为一致性指标；

查询平均随机一致性指标，确定5阶矩阵平均随机一致性指标RI；

则进一步确定一致性指标比率CR：

$\mathrm{CR}=\frac{\mathrm{CI}}{\mathrm{RI}}---\left(4\right).$

步骤3-6中所述的五个信号对于灾害的判断矩阵，具体如下：

应力C₁判断矩阵

$P^{C_1}=\left(\begin{array}{ccc}{P}_{11}^{C_1}& P_{12}^{C_1}& P_{13}^{C_1}\\ 1/P_{12}^{C_1}& P_{22}^{C_1}& P_{23}^{C_1}\\ 1/P_{13}^{C_1}& 1/P_{23}^{C_1}& P_{33}^{C_1}\end{array}\right)---\left(5\right)$

其中，表示应力对于冲击地压的重要性与自身的比值，表示应力对于冲击地压的重要性与对于煤与瓦斯突出的重要性的比值，表示应力对于冲击地压的重要性与对于复合型动力灾害的重要性的比值，表示应力对于煤与瓦斯突出的重要性与自身的比值，表示应力对于煤与瓦斯突出的重要性与对于复合型动力灾害的重要性的比值，表示应力对于复合型动力灾害的重要性与自身的比值；该矩阵中 取值范围为1/9～9；

地音C₂判断矩阵

$P^{C_2}=\left(\begin{array}{ccc}{P}_{11}^{C_2}& P_{12}^{C_2}& P_{13}^{C_2}\\ 1/P_{12}^{C_2}& P_{22}^{C_2}& P_{23}^{C_2}\\ 1/P_{13}^{C_2}& 1/P_{23}^{C_2}& P_{33}^{C_2}\end{array}\right)---\left(6\right)$

其中，表示地音对于冲击地压的重要性与自身的比值，表示地音对于冲击地压的重要性与对于煤与瓦斯突出的重要性的比值，表示地音对于冲击地压的重要性与对于复合型动力灾害的重要性的比值，表示地音对于煤与瓦斯突出的重要性与自身的比值，表示地音对于煤与瓦斯突出的重要性与对于复合型动力灾害的重要性的比值，表示地音对于复合型动力灾害的重要性与自身的比值；该矩阵中 取值范围为1/9～9；

电场C₃判断矩阵

$P^{C_3}=\left(\begin{array}{ccc}{P}_{11}^{C_3}& P_{12}^{C_3}& P_{13}^{C_3}\\ 1/P_{12}^{C_3}& P_{22}^{C_3}& P_{23}^{C_3}\\ 1/P_{13}^{C_3}& 1/P_{23}^{C_3}& P_{33}^{C_3}\end{array}\right)---\left(7\right)$

其中，表示电场对于冲击地压的重要性与自身的比值，表示电场对于冲击地压的重要性与对于煤与瓦斯突出的重要性的比值，表示电场对于冲击地压的重要性与对于复合型动力灾害的重要性的比值，表示电场对于煤与瓦斯突出的重要性与自身的比值，表示电场对于煤与瓦斯突出的重要性与对于复合型动力灾害的重要性的比值，表示电场对于复合型动力灾害的重要性与自身的比值；该矩阵中 取值范围为1/9～9；

温度C₄判断矩阵

$P^{C_4}=\left(\begin{array}{ccc}{P}_{11}^{C_4}& P_{12}^{C_4}& P_{13}^{C_4}\\ 1/P_{12}^{C_4}& P_{22}^{C_4}& P_{23}^{C_4}\\ 1/P_{13}^{C_4}& 1/P_{23}^{C_4}& P_{33}^{C_4}\end{array}\right)---\left(8\right)$

其中，表示温度对于冲击地压的重要性与自身的比值，表示温度对于冲击地压的重要性与对于煤与瓦斯突出的重要性的比值，表示温度对于冲击地压的重要性与对于复合型动力灾害的重要性的比值，表示温度对于煤与瓦斯突出的重要性与自身的比值，表示温度对于煤与瓦斯突出的重要性与对于复合型动力灾害的重要性的比值，表示温度对于复合型动力灾害的重要性与自身的比值；该矩阵中 取值范围为1/9～9；

瓦斯C₅判断矩阵

$P^{C_5}=\left(\begin{array}{ccc}{P}_{11}^{C_5}& P_{12}^{C_5}& P_{13}^{C_5}\\ 1/P_{12}^{C_5}& P_{22}^{C_5}& P_{23}^{C_5}\\ 1/P_{13}^{C_5}& 1/P_{23}^{C_5}& P_{33}^{C_5}\end{array}\right)---\left(9\right)$

其中，表示瓦斯对于冲击地压的重要性与自身的比值，表示瓦斯对于冲击地压的重要性与对于煤与瓦斯突出的重要性的比值，表示瓦斯对于冲击地压的重要性与对于复合型动力灾害的重要性的比值，表示瓦斯对于煤与瓦斯突出的重要性与自身的比值，表示瓦斯对于煤与瓦斯突出的重要性与对于复合型动力灾害的重要性的比值，表示瓦斯对于复合型动力灾害的重要性与自身的比值；该矩阵中 取值范围为1/9～9；

所述的权重向量W^C：

其中，表示应力信号对于冲击地压、煤与瓦斯突出和复合型动力灾害的权重向量，表示地音信号对于冲击地压、煤与瓦斯突出和复合型动力灾害的权重向量，表示电场信号对于冲击地压、煤与瓦斯突出和复合型动力灾害的权重向量，表示温度信号对于冲击地压、煤与瓦斯突出和复合型动力灾害的权重向量，表示瓦斯信号对于冲击地压、煤与瓦斯突出和复合型动力灾害的权重向量，

表示应力信号对于冲击地压、煤与瓦斯突出和复合型动力灾害的权重， $W_{i^{\′}}^{C_1}=\sqrt[3]{\underset{j^{\′}=1}{\overset{3}{\mathrm{\Π}}}{P}_{i^{\′}{j}^{\′}}^{C_1}}/\underset{j^{\′}=1}{\overset{3}{\mathrm{\Σ}}}\sqrt[3]{\underset{j^{\′}=1}{\overset{3}{\mathrm{\Π}}}{P}_{i^{\′}{j}^{\′}}^{C_1}};$

表示地音信号对于冲击地压、煤与瓦斯突出和复合型动力灾害的权重， $W_{i^{\′}}^{C_2}=\sqrt[3]{\underset{j^{\′}=1}{\overset{3}{\mathrm{\Π}}}{P}_{i^{\′}{j}^{\′}}^{C_2}}/\underset{j^{\′}=1}{\overset{3}{\mathrm{\Σ}}}\sqrt[3]{\underset{j^{\′}=1}{\overset{3}{\mathrm{\Π}}}{P}_{i^{\′}{j}^{\′}}^{C_2}};$

表示电场信号对于冲击地压、煤与瓦斯突出和复合型动力灾害的权重， $W_{i^{\′}}^{C_3}=\sqrt[3]{\underset{j^{\′}=1}{\overset{3}{\mathrm{\Π}}}{P}_{i^{\′}{j}^{\′}}^{C_3}}/\underset{j^{\′}=1}{\overset{3}{\mathrm{\Σ}}}\sqrt[3]{\underset{j^{\′}=1}{\overset{3}{\mathrm{\Π}}}{P}_{i^{\′}{j}^{\′}}^{C_3}};$

表示温度信号对于冲击地压、煤与瓦斯突出和复合型动力灾害的权重， $W_{i^{\′}}^{C_4}=\sqrt[3]{\underset{j^{\′}=1}{\overset{3}{\mathrm{\Π}}}{P}_{i^{\′}{j}^{\′}}^{C_4}}/\underset{j^{\′}=1}{\overset{3}{\mathrm{\Σ}}}\sqrt[3]{\underset{j^{\′}=1}{\overset{3}{\mathrm{\Π}}}{P}_{i^{\′}{j}^{\′}}^{C_4}};$

表示瓦斯信号对于冲击地压、煤与瓦斯突出和复合型动力灾害的权重， $W_{i^{\′}}^{C_5}=\sqrt[3]{\underset{j^{\′}=1}{\overset{3}{\mathrm{\Π}}}{P}_{i^{\′}{j}^{\′}}^{C_5}}/\underset{j^{\′}=1}{\overset{3}{\mathrm{\Σ}}}\sqrt[3]{\underset{j^{\′}=1}{\overset{3}{\mathrm{\Π}}}{P}_{i^{\′}{j}^{\′}}^{C_5}};$

i′=1，2，3，j′=1，2，3。

步骤3-8中所述的层次总排序数值计算公式如下：

层次总排序数值：

Q=[Q₁ Q₂ Q₃]   （11）

其中， $Q_{i^{\′}}=W_1{W}_{i^{\′}}^{C_1}+W_2{W}_{i^{\′}}^{C_2}+W_3{W}_{i^{\′}}^{C_3}+W_4{W}_{i^{\′}}^{C_4}+W_5{W}_{i^{\′}}^{C_5},i^{\′}=\mathrm{1,2,3};$

W₁表示应力信号对于评价结果的权重；W₂表示地音信号对于评价结果的权重；W₃表示电场信号对于评价结果的权重；W₄表示温度信号对于评价结果的权重；W₅表示瓦斯信号对于评价结果的权重；

表示应力信号对于冲击地压、煤与瓦斯突出和复合型动力灾害的权重， $W_{i^{\′}}^{C_1}=\sqrt[3]{\underset{j^{\′}=1}{\overset{3}{\mathrm{\Π}}}{P}_{i^{\′}{j}^{\′}}^{C_1}}/\underset{j^{\′}=1}{\overset{3}{\mathrm{\Σ}}}\sqrt[3]{\underset{j^{\′}=1}{\overset{3}{\mathrm{\Π}}}{P}_{i^{\′}{j}^{\′}}^{C_1}};$

表示地音信号对于冲击地压、煤与瓦斯突出和复合型动力灾害的权重， $W_{i^{\′}}^{C_2}=\sqrt[3]{\underset{j^{\′}=1}{\overset{3}{\mathrm{\Π}}}{P}_{i^{\′}{j}^{\′}}^{C_2}}/\underset{j^{\′}=1}{\overset{3}{\mathrm{\Σ}}}\sqrt[3]{\underset{j^{\′}=1}{\overset{3}{\mathrm{\Π}}}{P}_{i^{\′}{j}^{\′}}^{C_2}};$

表示电场信号对于冲击地压、煤与瓦斯突出和复合型动力灾害的权重， $W_{i^{\′}}^{C_3}=\sqrt[3]{\underset{j^{\′}=1}{\overset{3}{\mathrm{\Π}}}{P}_{i^{\′}{j}^{\′}}^{C_3}}/\underset{j^{\′}=1}{\overset{3}{\mathrm{\Σ}}}\sqrt[3]{\underset{j^{\′}=1}{\overset{3}{\mathrm{\Π}}}{P}_{i^{\′}{j}^{\′}}^{C_3}};$

表示温度信号对于冲击地压、煤与瓦斯突出和复合型动力灾害的权重， $W_{i^{\′}}^{C_4}=\sqrt[3]{\underset{j^{\′}=1}{\overset{3}{\mathrm{\Π}}}{P}_{i^{\′}{j}^{\′}}^{C_4}}/\underset{j^{\′}=1}{\overset{3}{\mathrm{\Σ}}}\sqrt[3]{\underset{j^{\′}=1}{\overset{3}{\mathrm{\Π}}}{P}_{i^{\′}{j}^{\′}}^{C_4}};$

表示瓦斯信号对于冲击地压、煤与瓦斯突出和复合型动力灾害的权重， $W_{i^{\′}}^{C_5}=\sqrt[3]{\underset{j^{\′}=1}{\overset{3}{\mathrm{\Π}}}{P}_{i^{\′}{j}^{\′}}^{C_5}}/\underset{j^{\′}=1}{\overset{3}{\mathrm{\Σ}}}\sqrt[3]{\underset{j^{\′}=1}{\overset{3}{\mathrm{\Π}}}{P}_{i^{\′}{j}^{\′}}^{C_5}};$

所述的层次总排序一致性比率：

$\mathrm{CR}=\frac{\underset{i=1}{\overset{5}{\mathrm{\Σ}}}{W}_i{\mathrm{CI}}_i}{\underset{i=1}{\overset{5}{\mathrm{\Σ}}}{W}_i{\mathrm{RI}}_i}---\left(12\right)$

其中，W_i表示第i个信号对于评价结果的权重，CI₁为应力判断矩阵的一致性指标，CI₂为地音判断矩阵的一致性指标，CI₃为电场判断矩阵的一致性指标，CI₄为温度判断矩阵的一致性指标，CI₅为瓦斯判断矩阵的一致性指标，RI_i取五阶平均随机一致性指标1.12。

步骤4中所述的安全系数计算公式如下：

安全系数λ：

$\mathrm{\λ}=\underset{i=1}{\overset{5}{\mathrm{\Σ}}}{W}_i{A}_{C_i}---\left(13\right)$

其中，表示第C_i个信号的初始标度；i取值范围为1～5；W_i表示第i个信号对于评价结果的权重。

实现矿山动力灾害一体化预警方法的装置，包括煤岩应力传感器、煤岩地音传感器、煤岩电场传感器、煤岩温度传感器、煤岩瓦斯传感器、信号调理器、微处理器、键盘、显示器和报警器；所述的煤岩应力传感器的输出端、煤岩地音传感器的输出端、煤岩电场传感器的输出端、煤岩温度传感器的输出端、煤岩瓦斯传感器输出端分别通过信号调理器连接微处理器的五路输入端，微处理器的另一路输入端连接键盘的输出端，微处理器的一路输出端连接显示器的输入端，微处理器的另一路输出端连接报警器的输入端。

本发明优点：

1、本发明将煤岩应力、煤岩地音、煤岩电场、煤岩温度、煤体解吸瓦斯传感器集成为一体化探头与动力灾害分析器构成矿山动力灾害预警装置，该装置既能预测动力灾害类型、级别，同时也能评价防治措施的解危效果，达到有效预防矿山动力灾害的目的，对减少矿山动力灾害引起的安全事故、提高回采巷道的安全性具有重大意义。

2、根据煤岩应力不同、煤岩破裂辐射地音振时和解吸瓦斯流动辐射地音振时不同、煤岩破裂辐射电场和解吸瓦斯流动辐射电场不同、煤岩破裂辐射温度和解吸瓦斯辐射温度变化不同和煤体解吸瓦斯含量不同，给出评价参量和评价指标。

3、采取层次多元自动分析，判断动力灾害类型和危险级别，方法实用易行，不需人工干预具有自动分析的能力。

4、动力灾害分析器是能够实现对五种参数数据采集、特征参数提取、数据融合及综合评价的仪器，通过提取冲击地压、煤与瓦斯突出以及复合型动力灾害的特征信息，应用层次分析法，对多个传感器的数据信息进行融合处理，实现对冲击地压、煤与瓦斯突出以及复合型动力灾害的分类、分级综合评定功能，同时一体化预警装置低能耗、体积小、结构简单、抗干扰性强。

附图说明

图1为本发明一种实施例的整体结构框图；

图2为本发明一种实施例的信号调理器电路图；

图3为本发明一种实施例的微处理器电路图；

图4为本发明一种实施例的预警方法流程图；

图5为本发明一种实施例的回采工作面探头布置示意图；

图6为本发明一种实施例的矿山动力灾害预警方法层次图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明一种实施例做进一步说明。

如图1所示，实现矿山动力灾害一体化预警方法的装置，包括煤岩应力传感器、煤岩地音传感器、煤岩电场传感器、煤岩温度传感器、煤岩瓦斯传感器、信号调理器、微处理器、键盘、显示器和报警器；所述的煤岩应力传感器的输出端、煤岩地音传感器的输出端、煤岩电场传感器的输出端、煤岩温度传感器的输出端、煤岩瓦斯传感器输出端分别通过信号调理器连接微处理器的五路输入端，微处理器的另一路输入端连接键盘的输出端，微处理器的一路输出端连接显示器的输入端，微处理器的另一路输出端连接报警器的输入端。

本发明实施例中，煤岩应力传感器采用应变片，煤岩地音传感器采用CZ9300防爆一体化振动变送器，煤岩电场传感器采用申请号为200810013033.4专利中的岩体电荷辐射测试仪，煤岩温度传感器采用OS36SM系列传感器，煤岩瓦斯传感器采用SJH-5型号的红外甲烷传感器；如图2所示，上述五个传感器的输出端分别连接五个信号调理器的五个输入端SIN-IN，五个信号调理器的五个输出端SIN_OUT依次连接微处理器的P6.1/A1（96）、P6.2/A2（97）、P6.3/A3（1）、P6.4/A4（2）、P6.5/A5（3）；如图3所示，所述的微处理器采用的型号为MSP430F449IZP；微处理器的输入端P1.0～P1.7（80～87）依次连接键盘的输出端；微处理器的输出端P2.0（79）连接蜂鸣器的输入端；微处理器的输出端12～26、52～55连接显示器的输入端，所述的显示器采用LCD048型显示器；本发明实施例中，还设置有AT45DB041B-SI型号存储器，连接微处理器的46～49端口；微处理器还设置有外围电路，包括电源、时钟和数据传输接口。

一种矿山动力灾害一体化预警方法，方法流程图如图4所示，包括以下步骤：

步骤1、安装仪器，启动装置进行数据实时监测；

本发明实施例中，如图5所示，当回采巷道形成后，向运输顺槽和回风顺槽内帮煤体打钻，孔径130mm，孔深10m，孔间隔20m；在孔底安装复合型一体化监测探头（传感器），探头通过信号调理器连接微处理器，安装完毕后打开电源，进行数据实时监测。

步骤2、采用煤岩应力传感器采集矿井内应力信号，采用煤岩地音传感器采集矿井内地音信号，采用煤岩电场传感器采集矿井内电场信号，采用煤岩温度传感器采集矿井内温度信号，采用煤岩瓦斯传感器采集矿井内瓦斯信号，并采用信号调理器对上述五个信号进行调理和放大处理，发送至微处理器；

步骤3、微处理器对采集的五个数据进行分析，实现对被测矿井所属灾害类型的判定，所述的灾害类型包括冲击地压、煤与瓦斯突出和复合型动力灾害；

如图6所示，建立递阶层次结构：目标层O为最终评价结果；准则层C包括应力信号C₁、地音信号C2、电场信号C3、温度信号C4、瓦斯信号C5；方案层P包括冲击地压P1、冲击地压与煤与瓦斯突出复合P2、煤与瓦斯突出P3。

步骤3-1、将初始标度分为九个等级，用户根据被测矿井的实际情况，分别划分应力信号、地音信号、电场信号、温度信号和瓦斯信号对应初始标度每个等级的取值范围；

本发明实施例中，五个信号的初始标度等级如表1所示：

表1

步骤3-2、根据实际采集信号的数据值大小所属范围，确定五个信号的初始标度；

本发明实施例中，采集数据为应力6.5MPa、地音振时1.53s、电场变动率0.37、钻孔温差0.36℃*s-1、瓦斯解析210Pa，对应初始标度为 和 $A_{C_5}=0.6;$

步骤3-3、根据五个信号的初始标度，确定上述五个信号两两之间的重要性，构造一个五行五列的判断矩阵；

判断矩阵O_ij如下：

$O_{\mathrm{ij}}=\left(\begin{array}{ccccc}{A}_{C_1}/A_{C_1}& A_{C_1}/A_{C_2}& A_{C_1}/A_{C_3}& A_{C_1}/A_{C_4}& A_{C_1}/A_{C_5}\\ A_{C_2}/A_{C_1}& A_{C_2}/A_{C_2}& A_{C_2}/A_{C_3}& A_{C_2}/A_{C_4}& A_{C_2}/A_{C_5}\\ A_{C_3}/A_{C_1}& A_{C_3}/A_{C_2}& A_{C_3}/A_{C_3}& A_{C_3}/A_{C_4}& A_{C_3}/A_{C_5}\\ A_{C_4}/A_{C_1}& A_{C_4}/A_{C_2}& A_{C_4}/A_{C_3}& A_{C_4}/A_{C_4}& A_{C_4}/A_{C_5}\\ A_{C_5}/A_{C_1}& A_{C_5}/A_{C_2}& A_{C_5}/A_{C_3}& A_{C_5}/A_{C_4}& A_{C_5}/A_{C_5}\end{array}\right)---\left(1\right)$

其中：i表示矩阵的行数，取值范围为1～5；j表示矩阵的列数，取值范围为1～5；表示应力信号的初始标度；表示地音信号的初始标度；表示电场信号的初始标度；表示温度信号的初始标度；表示瓦斯信号的初始标度；判断矩阵O_ij中表示C_i信号和C_j信号对评价结果的重要性之比；

本发明实施例中，公式中取值如下：

$O_{\mathrm{ij}}=\left(\begin{array}{ccccc}1& 1/2& 1/3& 1/5& 1/6\\ 2& 1& 2/3& 2/5& 1/3\\ 3& 3/2& 1& 3/5& 1/2\\ 5& 5/2& 5/3& 1& 5/6\\ 6& 3& 2& 6/5& 1\end{array}\right)$

判断矩阵中o_ij数值范围为1～9，其中：

1表示两个元素相比，具有相同的重要性；

3表示两个元素相比，前者比后者稍重要；

5表示两个元素相比，前者比后者明显重要；

7表示两个元素相比，前者比后者强烈重要；

9表示两个元素相比，前者比后者极端重要；

其他数值表示介于相邻重要等级之间的重要程度。

步骤3-4、确定步骤3-3中判断矩阵的权重向量；

权重向量W公式如下：

W=[W₁,W₂,,W₃,W₄,W₅]^T   （2）

其中，

计算得W=[0.059 0.118 0.176 0.294 0.353]^T

步骤3-5、对步骤3-3中判断矩阵进行一致性检验，判断该矩阵的一致性指标比率是否小于阈值，所述的阈值取值范围为0.1～0.5，若是，则执行步骤3-6，否则返回执行步骤3-2；一致性指标公式：

$\frac{{\mathrm{\λ}}_{\max }-5}{5-1}---\left(3\right)$

其中，λ_max为判断矩阵的最大特征根，CI为一致性指标；

如表2所示，查询平均随机一致性指标，确定5阶矩阵平均随机一致性指标RI；

则进一步确定一致性指标比率：

$\mathrm{CR}=\frac{\mathrm{CI}}{\mathrm{RI}}---\left(4\right).$

本发明实施例中，此处计算得λ_max=5，CI=0，CR=0。当CR<0.10时，则认为整个层次的比较判断矩阵通过一致性检验，则执行步骤3-6，当CR≥0.10时，重新判断下一组数据，即返回步骤3-2。

表2

矩阵阶数	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
											RI	0	0	0.58	0.90	1.12	1.24	1.32	1.41	1.45	1.49

步骤3-6、确定应力信号对于冲击地压、煤与瓦斯突出和复合型动力灾害的重要性，确定地音信号对于冲击地压、煤与瓦斯突出和复合型动力灾害的重要性，确定电场信号对于冲击地压、煤与瓦斯突出和复合型动力灾害的重要性，确定温度信号对于冲击地压、煤与瓦斯突出和复合型动力灾害的重要性，确定瓦斯信号对于冲击地压、煤与瓦斯突出和复合型动力灾害的重要性，并分别构建五个信号对于灾害的判断矩阵，并计算获得每个判断矩阵的权重向量；

应力C₁判断矩阵

$P^{C_1}=\left(\begin{array}{ccc}{P}_{11}^{C_1}& P_{12}^{C_1}& P_{13}^{C_1}\\ 1/P_{12}^{C_1}& P_{22}^{C_1}& P_{23}^{C_1}\\ 1/P_{13}^{C_1}& 1/P_{23}^{C_1}& P_{33}^{C_1}\end{array}\right)---\left(5\right)$

其中，表示应力对于冲击地压的重要性与自身的比值，表示应力对于冲击地压的重要性与对于煤与瓦斯突出的重要性的比值，表示应力对于冲击地压的重要性与对于复合型动力灾害的重要性的比值，表示应力对于煤与瓦斯突出的重要性与自身的比值，表示应力对于煤与瓦斯突出的重要性与对于复合型动力灾害的重要性的比值，表示应力对于复合型动力灾害的重要性与自身的比值；该矩阵中 取值范围为1/9～9；

本发明实施例中， $P^{C_1}=\left(\begin{array}{ccc}1& 5& 9\\ 1/5& 1& 3\\ 1/9& 1/3& 1\end{array}\right),$

地音C₂判断矩阵

$P^{C_2}=\left(\begin{array}{ccc}{P}_{11}^{C_2}& P_{12}^{C_2}& P_{13}^{C_2}\\ 1/P_{12}^{C_2}& P_{22}^{C_2}& P_{23}^{C_2}\\ 1/P_{13}^{C_2}& 1/P_{23}^{C_2}& P_{33}^{C_2}\end{array}\right)---\left(6\right)$

其中，表示地音对于冲击地压的重要性与自身的比值，表示地音对于冲击地压的重要性与对于煤与瓦斯突出的重要性的比值，表示地音对于冲击地压的重要性与对于复合型动力灾害的重要性的比值，表示地音对于煤与瓦斯突出的重要性与自身的比值，表示地音对于煤与瓦斯突出的重要性与对于复合型动力灾害的重要性的比值，表示地音对于复合型动力灾害的重要性与自身的比值；该矩阵中 取值范围为1/9～9；

本发明实施例中个， $P^{C_2}=\left(\begin{array}{ccc}1& 3& 5\\ 1/3& 1& 2\\ 1/5& 1/2& 1\end{array}\right)$

电场C₃判断矩阵

$P^{C_3}=\left(\begin{array}{ccc}{P}_{11}^{C_3}& P_{12}^{C_3}& P_{13}^{C_3}\\ 1/P_{12}^{C_3}& P_{22}^{C_3}& P_{23}^{C_3}\\ 1/P_{13}^{C_3}& 1/P_{23}^{C_3}& P_{33}^{C_3}\end{array}\right)---\left(7\right)$

其中，表示电场对于冲击地压的重要性与自身的比值，表示电场对于冲击地压的重要性与对于煤与瓦斯突出的重要性的比值，表示电场对于冲击地压的重要性与对于复合型动力灾害的重要性的比值，表示电场对于煤与瓦斯突出的重要性与自身的比值，表示电场对于煤与瓦斯突出的重要性与对于复合型动力灾害的重要性的比值，表示电场对于复合型动力灾害的重要性与自身的比值；该矩阵中 取值范围为1/9～9；

本发明实施例中个， $P^{C_3}=\left(\begin{array}{ccc}1& 1/5& 1\\ 5& 1& 5\\ 1& 1/5& 1\end{array}\right),$

温度C₄判断矩阵

$P^{C_4}=\left(\begin{array}{ccc}{P}_{11}^{C_4}& P_{12}^{C_4}& P_{13}^{C_4}\\ 1/P_{12}^{C_4}& P_{22}^{C_4}& P_{23}^{C_4}\\ 1/P_{13}^{C_4}& 1/P_{23}^{C_4}& P_{33}^{C_4}\end{array}\right)---\left(8\right)$

其中，表示温度对于冲击地压的重要性与自身的比值，表示温度对于冲击地压的重要性与对于煤与瓦斯突出的重要性的比值，表示温度对于冲击地压的重要性与对于复合型动力灾害的重要性的比值，表示温度对于煤与瓦斯突出的重要性与自身的比值，表示温度对于煤与瓦斯突出的重要性与对于复合型动力灾害的重要性的比值，表示温度对于复合型动力灾害的重要性与自身的比值；该矩阵中 取值范围为1/9～9；

本发明实施例中， $P^{C_4}=\left(\begin{array}{ccc}1& 1/3& 1/7\\ 3& 1& 1/5\\ 7& 5& 1\end{array}\right),$

瓦斯C₅判断矩阵

$P^{C_5}=\left(\begin{array}{ccc}{P}_{11}^{C_5}& P_{12}^{C_5}& P_{13}^{C_5}\\ 1/P_{12}^{C_5}& P_{22}^{C_5}& P_{23}^{C_5}\\ 1/P_{13}^{C_5}& 1/P_{23}^{C_5}& P_{33}^{C_5}\end{array}\right)---\left(9\right)$

其中，表示瓦斯对于冲击地压的重要性与自身的比值，表示瓦斯对于冲击地压的重要性与对于煤与瓦斯突出的重要性的比值，表示瓦斯对于冲击地压的重要性与对于复合型动力灾害的重要性的比值，表示瓦斯对于煤与瓦斯突出的重要性与自身的比值，表示瓦斯对于煤与瓦斯突出的重要性与对于复合型动力灾害的重要性的比值，表示瓦斯对于复合型动力灾害的重要性与自身的比值；该矩阵中 取值范围为1/9～9；

本发明实施例中， $P^{C_5}=\left(\begin{array}{ccc}1& 1/4& 1/9\\ 4& 1& 1/5\\ 9& 5& 1\end{array}\right),$ 所述的权重向量W^C：

其中， $W^{C_1}=\left[W_1^{C_1}{W}_2^{C_1}{W}_3^{C_1}\right],$ $W^{C_2}=\left[W_1^{C_2}{W}_2^{C_2}{W}_3^{C_2}\right],$

$W^{C_3}=\left[W_1^{C_3}{W}_2^{C_3}{W}_3^{C_3}\right],$ $W^{C_4}=\left[W_1^{C_4}{W}_2^{C_4}{W}_3^{C_4}\right],$

$W^{C_5}=\left[W_1^{C_5}{W}_2^{C_5}{W}_3^{C_5}\right];$

$W_{i^{\&prime;}}^{C_1}=\sqrt[3]{\underset{j^{\&prime;}=1}{\overset{3}{\mathrm{\&Pi;}}}{P}_{i^{\&prime;}{j}^{\&prime;}}^{C_1}}/\underset{j^{\&prime;}=1}{\overset{3}{\mathrm{\&Sigma;}}}\sqrt[3]{\underset{j^{\&prime;}=1}{\overset{3}{\mathrm{\&Pi;}}}{P}_{i^{\&prime;}{j}^{\&prime;}}^{C_1}},$ $W_{i^{\&prime;}}^{C_2}=\sqrt[3]{\underset{j^{\&prime;}=1}{\overset{3}{\mathrm{\&Pi;}}}{P}_{i^{\&prime;}{j}^{\&prime;}}^{C_2}}/\underset{j^{\&prime;}=1}{\overset{3}{\mathrm{\&Sigma;}}}\sqrt[3]{\underset{j^{\&prime;}=1}{\overset{3}{\mathrm{\&Pi;}}}{P}_{i^{\&prime;}{j}^{\&prime;}}^{C_2}},$

$W_{i^{\&prime;}}^{C_3}=\sqrt[3]{\underset{j^{\&prime;}=1}{\overset{3}{\mathrm{\&Pi;}}}{P}_{i^{\&prime;}{j}^{\&prime;}}^{C_3}}/\underset{j^{\&prime;}=1}{\overset{3}{\mathrm{\&Sigma;}}}\sqrt[3]{\underset{j^{\&prime;}=1}{\overset{3}{\mathrm{\&Pi;}}}{P}_{i^{\&prime;}{j}^{\&prime;}}^{C_3}},$ $W_{i^{\&prime;}}^{C_4}=\sqrt[3]{\underset{j^{\&prime;}=1}{\overset{3}{\mathrm{\&Pi;}}}{P}_{i^{\&prime;}{j}^{\&prime;}}^{C_4}}/\underset{j^{\&prime;}=1}{\overset{3}{\mathrm{\&Sigma;}}}\sqrt[3]{\underset{j^{\&prime;}=1}{\overset{3}{\mathrm{\&Pi;}}}{P}_{i^{\&prime;}{j}^{\&prime;}}^{C_4}}$

$W_{i^{\&prime;}}^{C_5}=\sqrt[3]{\underset{j^{\&prime;}=1}{\overset{3}{\mathrm{\&Pi;}}}{P}_{i^{\&prime;}{j}^{\&prime;}}^{C_5}}/\underset{j^{\&prime;}=1}{\overset{3}{\mathrm{\&Sigma;}}}\sqrt[3]{\underset{j^{\&prime;}=1}{\overset{3}{\mathrm{\&Pi;}}}{P}_{i^{\&prime;}{j}^{\&prime;}}^{C_5}},i^{\&prime;}=\mathrm{1,2,3}.$

本发明实施例中，

$W^{C_1}=\left[W_1^{C_1}{W}_2^{C_1}{W}_3^{C_1}\right]=\left[\begin{array}{ccc}0.75& 0.18& 0.07\end{array}\right]$

$W^{C_2}=\left[W_1^{C_2}{W}_2^{C_2}{W}_3^{C_2}\right]=\left[\begin{array}{ccc}0.65& 0.23& 0.12\end{array}\right]$

$W^{C_3}=\left[W_1^{C_3}{W}_2^{C_3}{W}_3^{C_3}\right]=\left[\begin{array}{ccc}0.14& 0.71& 0.14\end{array}\right]$

$W^{C_4}=\left[W_1^{C_4}{W}_2^{C_4}{W}_3^{C_4}\right]=\left[\begin{array}{ccc}0.08& 0.19& 0.73\end{array}\right]$

$W^{C_5}=\left[W_1^{C_5}{W}_2^{C_5}{W}_3^{C_5}\right]=\left[\begin{array}{ccc}0.06& 0.19& 0.74\end{array}\right]$

步骤3-7、对步骤3-6中的五个判断矩阵进行一致性检验，判断该矩阵的一致性指标比率是否小于阈值，所述的阈值取值范围为0.1～0.5，若是，则执行步骤3-8，否则返回执行步骤3-6；

此处，一致性检验与判断矩阵O相同，矩阵的CR=0.03<0.1，矩阵的CR=0<0.1，矩阵的CR=0<0.1，矩阵的CR=0.06<0.1，矩阵的CR=0.06<0.1，均通过一致性检验。

步骤3-8、计算获得冲击地压、煤与瓦斯突出和复合型动力灾害的总排序数值，并对由总排序数值所构成的评价结果矩阵进行一致性测试，判断该矩阵的一致性指标比率是否小于阈值，所述的阈值取值范围为0.1～0.5，若是，则确定数值最大的灾害即为被测矿井所属灾害类型并执行步骤4，否则返回步骤3-2；

层次总排序数值：

Q=[Q₁ Q₂ Q₃]   （11）

其中， $Q_{i^{\&prime;}}=W_1{W}_{i^{\&prime;}}^{C_1}+W_2{W}_{i^{\&prime;}}^{C_2}+W_3{W}_{i^{\&prime;}}^{C_3}+W_4{W}_{i^{\&prime;}}^{C_4}+W_5{W}_{i^{\&prime;}}^{C_5},i^{\&prime;}=\mathrm{1,2,3};$

当Q₁最大时，判定为冲击地压；

当Q₂最大时，判定为煤与瓦斯突出；

当Q₃最大时，判定为复合型动力灾害；

所述的层次总排序一致性比率：

$\mathrm{CR}=\frac{\underset{i=1}{\overset{5}{\mathrm{\&Sigma;}}}{W}_i{\mathrm{CI}}_i}{\underset{i=1}{\overset{5}{\mathrm{\&Sigma;}}}{W}_i{\mathrm{RI}}_i}---\left(12\right)$

其中，CI₁为应力判断矩阵的一致性指标，CI₂为地音判断矩阵的一致性指标，CI₃为电场判断矩阵的一致性指标，CI₄为温度判断矩阵的一致性指标，CI₅为瓦斯判断矩阵的一致性指标，如表2中，RI_i取五阶平均随机一致性指标1.12。

本发明实施例中，计算Q=[0.190 0.286 0.519]，CR=0.065<0.1，通过一致性检验。由于Q₃>Q₂>Q₁，所以发生冲击地压概率为0.190，发生复合型灾害概率为0.286，发生煤与瓦斯突出概率为0.519，因此评价此时动力灾害为煤与瓦斯突出。

步骤4、根据被测矿井内安全系数判断灾害等级，其中，第Ⅰ级为安全，安全系数范围为0.6～0.9；第Ⅱ级为有威胁，安全系数范围为0.3～0.6；第Ⅲ级为有危险，安全系数范围为小于等于0.3；

安全系数λ：

$\mathrm{\&lambda;}=\underset{i=1}{\overset{5}{\mathrm{\&Sigma;}}}{W}_i{A}_{C_i}---\left(13\right)$

本发明实施例中，

λ=0.059×0.1+0.118×0.2+0.176×0.3+0.294×0.5+0.353×0.6=0.442

位于第Ⅱ级有威胁。

步骤5：根据灾害所属类型及等级，采取解危措施；

当判定为第Ⅰ级安全时，采矿工作面按照作业规程继续进行，同时系统继续实时监测、分析；

当判定为冲击地压灾害时，且等级划分为第Ⅱ级时，则微处理器控制报警器进行报警，采取一种或两种局部解危措施，同时作业中加强危险状态监测，直至检测指标为安全状态时方可进行采矿作业；

当判定为冲击地压灾害时，且等级划分为第Ⅲ级时，则微处理器控制报警器进行报警，采取两种或两种以上局部组合解危措施，加强巷道支护和危险状态监测，同时监测防治措施的时效性，直至检测指标为安全状态方时可进行采矿作业；

所述的冲击地压局部解危措施包括：保护层开采、钻孔卸压、卸压爆破、断底断顶和松动爆破；

当判定为煤与瓦斯突出灾害时：且等级划分为第Ⅱ级时，则微处理器控制报警器进行报警，采取一种或两种局部解危措施，同时作业中加强危险状态监测，直至检测指标为安全状态时方可进行采矿作业；

当判定为煤与瓦斯突出灾害时：且等级划分为第Ⅲ级时，则微处理器控制报警器进行报警，采取两种或两种以上局部组合解危措施，加强巷道支护和危险状态监测，同时监测防治措施的时效性，直至检测指标为安全状态时方可进行采矿作业；

所述的煤与瓦斯突出局部解危措施包括：保护层开采、瓦斯抽采、煤层注水、采空区封堵；

当判定为复合型动力灾害时，且等级划分为第Ⅱ级时，则微处理器控制报警器进行报警，选择性实施一种或两种综合解危措施，同时作业中加强危险状态监测，直至检测指标为安全状态时方可进行采矿作业；

当判定为复合型动力灾害时，且等级划分为第Ⅲ级时，则微处理器控制报警器进行报警，选择性实施两种或两种以上综合解危措施，加强巷道支护和危险状态监测，同时监测防治措施的时效性，直至检测指标为安全状态时方可进行采矿作业；

所述的复合型动力灾害局部解危措施包括选择性实施强化局部瓦斯抽采、改造瓦斯抽放系统、超前钻孔卸压、卸压爆破、底板钻孔与爆破卸压、采空区封堵、改善支护。避免采取煤与瓦斯突出解危措施后诱发冲击地压，或者采取冲击地压措施后诱发煤与瓦斯突出，防止灾害之间相互转化，相互影响。

Claims (3)

1.一种矿山动力灾害一体化预警方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1、安装仪器，启动装置进行数据实时监测；

步骤2、采用煤岩应力传感器采集矿井内应力信号，采用煤岩地音传感器采集矿井内地音信号，采用煤岩电场传感器采集矿井内电场信号，采用煤岩温度传感器采集矿井内温度信号，采用煤岩瓦斯传感器采集矿井内瓦斯信号，并采用信号调理器对上述五个信号进行调理和放大处理，发送至微处理器；

步骤3、微处理器对采集的五个数据进行分析，实现对被测矿井所属灾害类型的判定，所述的灾害类型包括冲击地压、煤与瓦斯突出和复合型动力灾害；

步骤3-1、将初始标度分为九个等级，用户根据被测矿井的实际情况，分别划分应力信号、地音信号、电场信号、温度信号和瓦斯信号对应初始标度每个等级的取值范围；

步骤3-2、根据实际采集信号的数据值大小所属范围，选择五个信号的初始标度；

步骤3-3、根据五个信号的初始标度，确定上述五个信号两两之间的重要性，构造一个五行五列的判断矩阵；

所述的判断矩阵O_ij如下：

其中：i表示矩阵的行数，取值范围为1～5；j表示矩阵的列数，取值范围为1～5； 表示应力信号C₁的初始标度；表示地音信号C₂的初始标度；表示电场信号C₃的初始标度；表示温度信号C₄的初始标度；表示瓦斯信号C₅的初始标度；判断矩阵O_ij中o_ij表示C_i信号和C_j信号对评价结果的重要性之比；

判断矩阵中o_ij数值范围为1～9，其中：

1表示两个元素相比，具有相同的重要性；

3表示两个元素相比，前者比后者稍重要；

5表示两个元素相比，前者比后者明显重要；

7表示两个元素相比，前者比后者强烈重要；

9表示两个元素相比，前者比后者极端重要；

其他数值表示介于相邻重要等级之间的重要程度；

步骤3-4、确定步骤3-3中判断矩阵的权重向量；

所述的权重向量W公式如下：

W＝[W₁，W_2，，W₃，W₄，W₅]^T  (2) 

其中，W_i表示第i个信号对于评价结果的权重，i取值范围为1～5；j取值范围为1～5；o_ij表示C_i信号和C_j信号对评价结果的重要性之比；

步骤3-5、对步骤3-3中判断矩阵进行一致性检验，判断该矩阵的一致性指标比率是否小于阂值，所述的阂值取值范围为0.1～0.5，若是，则执行步骤3-6，否则返回执行步骤3-2；

所述的一致性指标比率确认过程如下：

一致性指标公式：

其中，λ_max为判断矩阵的最大特征根，CI为一致性指标；

查询平均随机一致性指标，确定5阶矩阵平均随机一致性指标RI；

则进一步确定一致性指标比率CR：

步骤3-6、确定应力信号对于冲击地压、煤与瓦斯突出和复合型动力灾害的重要性，确定地音信号对于冲击地压、煤与瓦斯突出和复合型动力灾害的重要性，确定电场信号对于冲击地压、煤与瓦斯突出和复合型动力灾害的重要性，确定温度信号对于冲击地压、煤与瓦斯突出和复合型动力灾害的重要性，确定瓦斯信号对于冲击地压、煤与瓦斯突出和复合型动力灾害的重要性，并分别构建五个信号对于灾害的判断矩阵，并计算获得每个判断矩阵的权重向量；

所述的五个信号对于灾害的判断矩阵，具体如下：

应力信号C₁判断矩阵

其中，表示应力对于冲击地压的重要性与自身的比值，表示应力对于冲击地压的重要性与对于煤与瓦斯突出的重要性的比值，表示应力对于冲击地压的重要性与对于复合型动力灾害的重要性的比值，表示应力对于煤与瓦斯突出的重要性与自身的比值， 表示应力对于煤与瓦斯突出的重要性与对于复合型动力灾害的重要性的比值，表示应力对于复合型动力灾害的重要性与自身的比值；该矩阵中 取值范围为1/9～9；

地音信号C₂判断矩阵

其中，表示地音对于冲击地压的重要性与自身的比值，表示地音对于冲击地压的重要性与对于煤与瓦斯突出的重要性的比值，表示地音对于冲击地压的重要性与对于复合型动力灾害的重要性的比值，表示地音对于煤与瓦斯突出的重要性与自身的比值， 表示地音对于煤与瓦斯突出的重要性与对于复合型动力灾害的重要性的比值，表示地音对于复合型动力灾害的重要性与自身的比值；该矩阵中 取值范围为1/9～9；

电场信号C₃判断矩阵

其中，表示电场对于冲击地压的重要性与自身的比值，表示电场对于冲击地压的重要性与对于煤与瓦斯突出的重要性的比值，表示电场对于冲击地压的重要性与对于复合型动力灾害的重要性的比值，表示电场对于煤与瓦斯突出的重要性与自身的比值，表示电场对于煤与瓦斯突出的重要性与对于复合型动力灾害的重要性的比值，表示电场对于复合型动力灾害的重要性与自身的比值；该矩阵中 取值范围为1/9～9；

温度信号C₄判断矩阵

其中，表示温度对于冲击地压的重要性与自身的比值，表示温度对于冲击地压的重要性与对于煤与瓦斯突出的重要性的比值，表示温度对于冲击地压的重要性与对于复合型动力灾害的重要性的比值，表示温度对于煤与瓦斯突出的重要性与自身的比值， 表示温度对于煤与瓦斯突出的重要性与对于复合型动力灾害的重要性的比值，表示温度对于复合型动力灾害的重要性与自身的比值；该矩阵中 取值范围为1/9～9；

瓦斯信号C₅判断矩阵

其中，表示瓦斯对于冲击地压的重要性与自身的比值，表示瓦斯对于冲击地压的重要性与对于煤与瓦斯突出的重要性的比值，表示瓦斯对于冲击地压的重要性与对于复合型动力灾害的重要性的比值，表示瓦斯对于煤与瓦斯突出的重要性与自身的比值， 表示瓦斯对于煤与瓦斯突出的重要性与对于复合型动力灾害的重要性的比值，表示瓦斯对于复合型动力灾害的重要性与自身的比值；该矩阵中 取值范围为1/9～9；

所述的权重向量W^C：

其中，表示应力信号对于冲击地压、煤与瓦斯突出和复合型动力灾害的权重向量，  表示地音信号对于冲击地压、煤与瓦斯突出和复合型动力灾害的权重向量， 表示电场信号对于冲击地压、煤与瓦斯突出和复合型动力灾害的权重向量， 表示温度信号对于冲击地压、煤与瓦斯突出和复合型动力灾害的权重向量， 表示瓦斯信号对于冲击地压、 煤与瓦斯突出和复合型动力灾害的权重向量，

表示应力信号对于冲击地压、煤与瓦斯突出和复合型动力灾害的权重，

表示地音信号对于冲击地压、煤与瓦斯突出和复合型动力灾害的权重，

表示电场信号对于冲击地压、煤与瓦斯突出和复合型动力灾害的权重，

表示温度信号对于冲击地压、煤与瓦斯突出和复合型动力灾害的权重，

表示瓦斯信号对于冲击地压、煤与瓦斯突出和复合型动力灾害的权重，

i′＝1，2，3，j′＝1，2，3；

步骤3-7、对步骤3-6中的五个判断矩阵进行一致性检验，判断该矩阵的一致性指标比率是否小于阂值，所述的阂值取值范围为0.1～0.5，若是，则执行步骤3-8，否则返回执行步骤3-6；

步骤3-8、计算获得冲击地压、煤与瓦斯突出和复合型动力灾害的总排序数值，并对由总排序数值所构成的评价结果矩阵进行一致性测试，判断该矩阵的一致性指标比率是否小于阂值，所述的阂值取值范围为0.1～0.5，若是，则确定数值最大的灾害即为被测矿井所属灾害类型并执行步骤4，否则返回步骤3-2；

所述的总排序数值计算公式如下：

总排序数值：

Q＝[Q₁ Q₂ Q₃]  (11) 

其中，

W₁表示应力信号对于评价结果的权重；W₂表示地音信号对于评价结果的权重；W₃表示电场信号对于评价结果的权重；W₄表示温度信号对于评价结果的权重；W₅表示瓦斯信号对于评价结果的权重；

表示应力信号对于冲击地压、煤与瓦斯突出和复合型动力灾害的权重，

表示地音信号对于冲击地压、煤与瓦斯突出和复合型动力灾害的权重，

表示电场信号对于冲击地压、煤与瓦斯突出和复合型动力灾害的权重，

表示温度信号对于冲击地压、煤与瓦斯突出和复合型动力灾害的权重，

表示瓦斯信号对于冲击地压、煤与瓦斯突出和复合型动力灾害的权重，

所述的总排序一致性指标比率：

其中，W_i表示第i个信号对于评价结果的权重，CI₁为应力判断矩阵的一致性指标，CI₂为地音判断矩阵的一致性指标，CI₃为电场判断矩阵的一致性指标，CI₄为温度判断矩阵的一致性指标，CI₅为瓦斯判断矩阵的一致性指标，RI_i取五阶平均随机一致性指标1.12；

步骤4、根据被测矿井内安全系数判断灾害等级，其中，第I级为安全，安全系数范围为0.6～0.9；第II级为有威胁，安全系数范围为0.3～0.6；第III级为有危险，安全系数范围为小于等于0.3；

步骤5：根据灾害所属类型及等级，采取解危措施；

当判定为第I级安全时，则采矿工作面按照作业规程继续进行，同时装置继续实时监测；

当判定为冲击地压灾害时，且等级划分为第II级时，则微处理器控制报警器进行报警，并采取一种或两种局部解危措施，同时装置继续实时监测，直至检测指标为安全状态时方可进行采矿作业；

当判定为冲击地压灾害时，且等级划分为第III级时，则微处理器控制报警器进行报警，并采取两种或两种以上局部解危措施，同时装置继续实时监测，直至检测指标为安全状态时方可进行采矿作业；

所述的冲击地压灾害时的局部解危措施包括：保护层开采、钻孔卸压、卸压爆破、断底断顶和松动爆破；

当判定为煤与瓦斯突出灾害时：且等级划分为第II级时，则微处理器控制报警器进行报警，并采取一种或两种局部解危措施，同时装置继续实时监测，直至检测指标为安全状态时方可进行采矿作业；

当判定为煤与瓦斯突出灾害时：且等级划分为第III级时，则微处理器控制报警器进行报警，并采取两种或两种以上局部解危措施，同时装置继续实时监测，直至检测指标为安全状态时方可进行采矿作业；

所述的煤与瓦斯突出灾害时的局部解危措施包括：保护层开采、瓦斯抽采、煤层注水和采空区封堵；

当判定为复合型动力灾害时，且等级划分为第II级时，则微处理器控制报警器进行报警，并采取一种或两种局部解危措施，同时装置继续实时监测，直至检测指标为安全状态时方可进行采矿作业；

当判定为复合型动力灾害时，且等级划分为第III级时，则微处理器控制报警器进行报警，并采取两种或两种以上局部解危措施，同时装置继续实时监测，直至检测指标为安全状态时方可进行采矿作业；

所述的复合型动力灾害时的局部解危措施包括：选择性实施强化局部瓦斯抽采、改造瓦斯抽放系统、超前钻孔卸压、卸压爆破、底板钻孔与爆破卸压、采空区封堵和改善支护。

2.根据权利要求1所述的矿山动力灾害一体化预警方法，其特征在于：步骤4中所述的安全系数计算公式如下：

安全系数λ：

其中，表示第C_i个信号的初始标度；i取值范围为1～5；W_i表示第i个信号对于评价结果的权重。

3.实现权利要求1所述的矿山动力灾害一体化预警方法的装置，其特征在于：包括煤岩应力传感器、煤岩地音传感器、煤岩电场传感器、煤岩温度传感器、煤岩瓦斯传感器、信号调理器、微处理器、键盘、显示器和报警器；所述的煤岩应力传感器的输出端、煤岩地音传感器的输出端、煤岩电场传感器的输出端、煤岩温度传感器的输出端、煤岩瓦斯传感器输出端分别通过信号调理器连接微处理器的五路输入端，微处理器的另一路输入端连接键盘的输出端，微处理器的一路输出端连接显示器的输入端，微处理器的另一路输出端连接报警器的输入端。