CN104881724A

CN104881724A - 一种基于gis的煤矿瓦斯涌出量动态预测方法

Info

Publication number: CN104881724A
Application number: CN201510343348.5A
Authority: CN
Inventors: 韩真理; 李晓华; 周炳秋; 马曙; 李青松; 朱林青; 马继承
Original assignee: GUIZHOU MINE SAFETY SCIENTIFIC RESEARCH INSTITUTE
Current assignee: GUIZHOU MINE SAFETY SCIENTIFIC RESEARCH INSTITUTE
Priority date: 2015-06-19
Filing date: 2015-06-19
Publication date: 2015-09-02

Abstract

本发明公开了一种基于GIS平台的煤矿瓦斯涌出量动态预测方法，是以GIS为平台，在煤矿瓦斯地质动态分析的基础上，综合工作面高负压和低负压瓦斯抽采数据，采用分源预测的方法动态预测煤矿采掘工作面前方煤体瓦斯涌出量。本发明充分考虑了瓦斯地质动态变化和高、低负压瓦斯抽采对瓦斯涌出预测的影响，并把瓦斯涌出分源预测方法和经GIS平台栅格化处理的瓦斯地质数据模型有机结合起来，实现了矿井瓦斯涌出量的动态预测并提高了预测精度，有利于矿井瓦斯灾害的防治。

Description

一种基于GIS的煤矿瓦斯涌出量动态预测方法

技术领域

本发明属于煤矿安全技术领域，具体地涉及一种基于GIS的煤矿瓦斯涌出量动态预测方法。

背景技术

我国是世界上最大的产煤国，煤炭资源在我国能源结构中的主体地位在相当长的一段时期内很难改变。同时，我国也是煤矿瓦斯灾害较为严重的国家之一，煤与瓦斯突出矿井、高瓦斯矿井众多，且分布较广；尤其是随着开采深度的增加，瓦斯治理难度也逐渐增大。近年来，由煤矿瓦斯涌出造成的瓦斯爆炸等事故有上升趋势，尤其是近距离煤层群开采时，且易造成瓦斯异常涌出和群死群伤的重大事故，因此有效预测煤矿瓦斯涌出量对煤矿瓦斯治理有着重要的指导意义。

目前，煤矿瓦斯涌出量预测通常采用分源预测法（AQ1018-2006）和矿山统计的方法，该方法一般是在新建矿井及生产矿井水平延深通风设计、工作面瓦斯治理时采用，其计算采用手工和参数平均数值运算，存在瓦斯涌出不能随着工作面“抽、掘、采”工序的进行而及时更新的静态性缺点；近年来，也有学者也在瓦斯涌出动态预测方面进行了探索，如采用神经网络、灰色模型等方法动态预测瓦斯涌出，但存在模型选取复杂、无法将瓦斯地质动态信息和工作面采掘信息及时反映等缺陷，目前该动态预测方法还处于探索阶段。因此，亟需一种煤矿瓦斯地质动态分析方法及时动态地反映工作面前方瓦斯涌出信息，可提前针对性地制定瓦斯治理措施，更有利于矿井瓦斯灾害的防治。

地理信息系统（GIS）是管理和分析空间数据的应用工程技术，其技术系统由计算机硬件、软件和相关的方法过程所组成，用以支持空间数据的采集、管理、处理、分析、建模和显示，以便解决复杂的空间分析、规划和管理问题；主要具有数据采集与输入、数据编辑与更新、数据存储与管理、空间查询与分析、空间决策支持、数据显示与输出等功能。因此，采用GIS的主要功能和优点及结合瓦斯涌出动态预测需求，可发明一种GIS的煤矿瓦斯涌出量动态预测方法。

发明内容

本发明的目的是在对煤矿瓦斯信息的动态更新和分析基础上，综合高、低负压瓦斯抽采对瓦斯涌出的动态预测影响，并把瓦斯涌出分源预测方法和瓦斯地质在GIS中的栅格处理型模中有机结合起来，实现了矿井瓦斯涌出量的动态预测并提高了预测精度，有利于矿井瓦斯灾害的防治。

本发明的目的及解决其主要技术问题是采用以下技术方案来实现的：一种GIS的煤矿瓦斯涌出量动态预测方法，具体包括以下步骤：

1）瓦斯含量及瓦斯地质影响因素数据的采集与动态更新，随着在生产过程中对开采条件和赋存条件认识的不断加深以及数据采集的不断增加，及时对瓦斯含量及瓦斯地质影响因素数据进行录入和更新，并生成栅格数据进行存储。

进一步，所述步骤1）具体包括如下步骤：

11）基于GIS平台对采集的煤层埋深、厚度、围岩封闭性、变质程度、底板标高、地表高程数据进行离散数据网格化处理，生成其对应的栅格数据，并存储于GIS平台；

12）在更新影响因素数据时，GIS平台自动将更新数据与已存在的同类数据进行离散数据网格化处理，重新生成其对应的栅格数据存储于GIS平台，从而实现瓦斯地质影响因素的动态更新。

2）运用统计方法建立已有瓦斯含量与其对应瓦斯地质影响因素的瓦斯地质数学模型，在新增瓦斯含量时，GIS平台自动查找其对应的影响因素数值，并基于已有瓦斯含量及影响因素值，重新生成瓦斯地质数学模型，从而实现瓦斯地质数学模型的动态更新。

3）根据瓦斯地质影响因素栅格数据与瓦斯地质数学模型计算和生成瓦斯含量、压力和煤与瓦斯突出危险区域。

进一步，所述步骤3)具体包括如下步骤：

31）瓦斯地质影响因素栅格数据结合瓦斯地质数学模型，计算生成矿区瓦斯含量栅格数据，并存储于GIS平台；

32）在瓦斯含量栅格的基础上对地质构造与保护层开采影响区域的像元进行重新赋值，并在地质构造与保护层参数变化更新时，此步骤将重新处理以保证数据的动态性。

进一步，所述步骤32)具体包括如下步骤：

321）在地质构造（断层、褶皱）两侧创建多级缓冲区，依照缓冲区距地质构造轴线的距离对缓冲区的内瓦斯含量栅格像元的影响进行重新赋值；

322）在对被保护层瓦斯含量分布分析时，依据被保护层与被保护层的间距及其对应的瓦斯排放率对被保护层瓦斯含量栅格进行重新赋值；

33）在瓦斯地质影响因素栅格数据更新变化时，瓦斯含量栅格即可动态生成和变化；同时，当瓦斯地质数学模型更新变化时，瓦斯含量栅格也随之动态生成；

4）瓦斯含量栅格综合工作面设计（施工）参数、采掘进尺速度对煤矿回采和掘进工作面进行瓦斯涌出量动态预测，其预测对像可以是设计的或正在实施的采掘工作面。

进一步，所述步骤4）具体包括如下步骤：

41）考虑高负压抽采对预测工作面煤体瓦斯的影响，对划定的抽采单元以平均吨煤累计抽采量进行计量，吨煤累计抽采量随着抽采单元抽采数据的更新而变化，且对抽采单元内的瓦斯含量栅格数据进行修正，瓦斯涌出量预测采用修正的瓦斯含量栅格数据；

42）采用修正后的瓦斯含量栅格数据结合煤层间距栅格、预测工作面的参数、各煤层的煤层厚度栅格及各煤层的瓦斯含量栅格，利用分源预测方法进行栅格计算，获得瓦斯涌出量栅格。

43）在瓦斯涌出量栅格的基础上结合工作面的属性参数、低负压抽采及进尺动态数据计算工作面对应空间位置的瓦斯涌出量。其中，低负压抽采是对预测回采工作面邻近层卸压瓦斯的抽采，其数值是当前预测回采工作面低负压抽采值，并随着当前值的变化而改变；若当前工作面无低负压抽采，则其值为0，不参与涌出量预测的计算；回采工作面的瓦斯涌出量预测值为采用瓦斯涌出分源预测法计算值减去低负压抽采值。

本发明与现有技术相比具有明显的优点和有益效果。由以上技术方案可知，本发明实现矿井瓦斯涌出量的动态预测并提高了预测精度，改变了现有的传统静态的瓦斯涌出预测方法，有利于煤矿管理层及时掌握工作面瓦斯涌出信息，为瓦斯灾害防治提供决策支持，提高了矿井的瓦斯防治能力。

附图说明

图1是本发明的步骤示意框图；

图2是本发明的瓦斯地质采样点数据集对像框图；

图3是本发明的煤层瓦斯地质影响因素栅格数据集对像框图；

图4是本发明的地质构造影响瓦斯含量栅格数据处理示意图；

图5是本发明的保护层开采影响瓦斯含量栅格数据处理示意图；

图6是本发明的回采工作面高负压抽采栅格模型处理示意图；

图7是本发明的掘进工作面高负压抽采栅格模型处理示意图。

图中标记：矿井各部门采样数据收集9，瓦斯地质采样点数据集10，原始瓦斯含量采样点数据11，埋深采样点数据12，煤层厚度采样点数据13，封闭性采样点数据14，煤层变质程度采样点数据15，地表高程数据16，煤层底板标高采样数据17，拟合回归数据20，煤层间距栅格22，高负压抽采数据23、低负压抽采数据24、采掘进尺数据25，瓦斯地质数学模型30，影响煤层瓦斯地质因素栅格数据集40，煤层埋深栅格41，煤层厚度栅格42，围岩封闭性栅格43，煤层变质程度栅格44，地质构造栅格45，地质构造影响模型51，保护层开采影响模型52，原始瓦斯含量栅格60，瓦斯含量栅格61，工作面瓦斯涌出量62。

具体实施方式

以下结合附图和较佳实施例，对依据本发明提出的一种基于GIS的煤矿瓦斯涌出量动态预测方法具体实施方式、特征及其功效，详细说明如后。

图1为基于GIS煤矿瓦斯涌出量动态预测方法的步骤示意框图，一种基于GIS的煤矿瓦斯涌出量动态预测方法，是以GIS为平台，在煤矿瓦斯地质动态分析的基础上，综合工作面高负压和低负压瓦斯抽采数据，采用分源预测的方法动态预测煤矿采掘工作面前方煤体瓦斯涌出量，具体步骤如下：

1）矿井各部门采样数据收集9，获取瓦斯地质动态分析所需的瓦斯地质采样点数据集10，包括：原始瓦斯含量采样点数据11，埋深采样点数据12，煤层厚度采样点数据13，封闭性采样点数据14，煤层变质程度采样点数据15，地表高程数据16，煤层底板标高采样数据17，详见图2瓦斯地质采样点数据对像框图。瓦斯地质采样点数据集10通过筛选评价程序筛选出拟合回归数据20，建立瓦斯地质数学模型30，且瓦斯地质数学模型随着瓦斯地质采样点的新增而动态更新。

2）矿区瓦斯地质采样点数据集10通过离散数据网格化处理，获得影响煤层瓦斯地质因素栅格数据集40，其中包括：煤层埋深栅格41，煤层厚度栅格42，围岩封闭性栅格43，煤层变质程度栅格44，地质构造栅格45，影响煤层瓦斯地质因素栅格数据集对像框图详见图3。

3）将影响煤层瓦斯地质因素栅格数据集40中各栅格数据代入瓦斯地质数学模型30中，通过栅格计算获得煤层原始瓦斯含量栅格60。

4）获取矿区地质构造数据、保护层开采数据，通过对数据的分析与矿区的实际考察分别建立地质构造影响模型51及保护层开采影响模型52。煤层原始瓦斯含量栅格60经过地质构造影响模型51及保护层开采影响模型52的处理，获得瓦斯含量栅格61，其中具体实施过程如下步骤：

41）地质构造影响模型51，在此模型中设定构造影响瓦斯含量变化值△W ₁ =f(d)，其中瓦斯含量变化值△W ₁是距地质构造轴线距离d的函数，距轴线距离d越大对瓦斯影响越小。根据d大小对地质构造进行缓冲区处理，将其周边区域划分为N级缓冲区，见图4地质构造影响瓦斯含量栅格数据处理示意图，再根据缓冲区对煤层原始瓦斯含量栅格60的栅格像元进行重新赋值；

42）保护层开采影响模型52，由瓦斯排放率确定保护层开采影响瓦斯含量变化值△W ₂，在此模型中由保护层采空区边界、煤层倾角、煤层间距、卸压角来计算被保护范围，见图5保护层开采影响瓦斯含量栅格数据处理示意图，排放率由被保护层与保护层的间距确定，根据△W ₂对煤层原始瓦斯含量栅格60的栅格像元进行重新赋值；

5）当在瓦斯地质采样点数据集10、地质构造影响模型51、保护层开采影响模型52发生变化时，GIS内嵌更新机制将对瓦斯地质数学模型30和瓦斯含量栅格61进行重新计算。

6）根据瓦斯含量栅格61结合工作面高负压抽采数据23、低负压抽采数据24、采掘进尺数据25以及煤层间距栅格22通过分源预测法对进行栅格计算获得采掘工作面瓦斯涌出量62，其中具体实施过程如下步骤：

61）在瓦斯含量栅格61的基础上，根据高负压抽采数据23对受抽采区域进行栅格重新赋值处理，即由抽采单元的瓦斯抽采总量确定抽采区域瓦斯含量变化值△W ₃，由抽采钻孔形成抽采单元的瓦斯处理栅格如图6回采工作面高负压抽采栅格模型处理示意图和图7掘进工作面高负压抽采栅格模型处理示意图所示；

62）根据分源预测法邻近层瓦斯排放率和煤层间距的关系，由煤层间距栅格数据22确定邻近层瓦斯排放率系数η，并结合预测工作面的参数、采掘进尺数据25、各煤层的煤层厚度栅格42及各煤层的瓦斯含量栅格61进行动态预测工作面瓦斯涌出量62；

63）针对回采工作面瓦斯涌出量，在工作面瓦斯涌出量62的基础上结合低负压抽采数据24进行动态预测，即工作面瓦斯涌出量62减去低负压抽采数据24，如果工作面没有低负压抽采则数据为0。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，任何未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims

1.一种基于GIS的煤矿瓦斯涌出量动态预测方法，是以GIS为平台，在煤矿瓦斯地质动态分析的基础上，综合工作面高负压和低负压瓦斯抽采数据，采用分源预测的方法动态预测煤矿采掘工作面前方煤体瓦斯涌出量，其特征在于：具体步骤如下：

1）矿井各部门采样数据收集（9），获取瓦斯地质动态分析所需的瓦斯地质采样点数据集（10），包括：原始瓦斯含量采样点数据（11），埋深采样点数据（12），煤层厚度采样点数据（13），封闭性采样点数据（14），煤层变质程度采样点数据（15），地表高程数据（16），煤层底板标高采样数据（17）；瓦斯地质采样点数据集（10）通过筛选评价程序筛选出拟合回归数据（20），建立瓦斯地质数学模型（30），且瓦斯地质数学模型随着瓦斯地质采样点的新增而动态更新；

2）矿区瓦斯地质采样点数据集（10）通过离散数据网格化处理，获得影响煤层瓦斯地质因素栅格数据集（40），其中包括：煤层埋深栅格（41），煤层厚度栅格（42），围岩封闭性栅格（43），煤层变质程度栅格（44），地质构造栅格（45）；

3）将影响煤层瓦斯地质因素栅格数据集（40）中各栅格数据代入瓦斯地质数学模型（30）中，通过栅格计算获得煤层原始瓦斯含量栅格（60）；

4）获取矿区地质构造数据、保护层开采数据，通过对数据的分析与矿区的实际考察分别建立地质构造影响模型（51）及保护层开采影响模型（52）；煤层原始瓦斯含量栅格（60）经过地质构造影响模型（51）及保护层开采影响模型（52）的处理，获得瓦斯含量栅格（61）；

5）当在瓦斯地质采样点数据集（10）、地质构造影响模型（51）、保护层开采影响模型（52）发生变化时，GIS内嵌更新机制将对瓦斯地质数学模型（30）和瓦斯含量栅格（61）进行重新计算；

6）根据瓦斯含量栅格（61）结合工作面高负压抽采数据（23）、低负压抽采数据（24）、采掘进尺数据（25）以及煤层间距栅格（22），利用栅格数据通过分源预测法进行计算获得采掘工作面瓦斯涌出量（62）。

2.如权利要求1所述的一种基于GIS的煤矿瓦斯涌出量动态预测方法，其特征在于：所述步骤4）煤层原始瓦斯含量栅格（60）经过地质构造影响模型（51）及保护层开采影响模型（52）的处理，获得最新的瓦斯含量栅格（61），其中具体实施过程如下步骤：

41）地质构造影响模型（51），在此模型中设定构造影响瓦斯含量变化值△W ₁ =f(d)，其中瓦斯含量变化值△W ₁是距地质构造轴线距离d的函数，距轴线距离d越大对瓦斯影响越小；根据d大小对地质构造进行缓冲区处理，将其周边区域划分为N级缓冲区，再根据缓冲区对煤层原始瓦斯含量栅格（60）的栅格像元进行重新赋值；

42）保护层开采影响模型（52），由瓦斯排放率确定保护层开采影响瓦斯含量变化值△W ₂，在此模型中由保护层采空区边界、煤层倾角、煤层间距、卸压角来计算被保护范围，排放率由被保护层与保护层的间距确定，根据△W ₂对煤层原始瓦斯含量栅格（60）的栅格像元进行重新赋值。

3.如权利要求1所述的一种基于GIS的煤矿瓦斯涌出量动态预测方法，其特征在于：所述步骤6）获得采掘工作面瓦斯涌出量（62）的具体实施过程如下步骤：

61）在瓦斯含量栅格（61）的基础上，根据高负压抽采数据（23）对抽采区域的瓦斯含量栅格进行重新赋值处理，即由抽采单元的瓦斯抽采总量计算抽采区域瓦斯含量栅格变化值△W ₃，进而更新其对应的瓦斯含量栅格值；

62）根据分源预测法邻近层瓦斯排放率和煤层间距的关系，由煤层间距栅格数据（22）确定邻近层瓦斯排放率系数η，并结合预测工作面的参数、各煤层的煤层厚度栅格（42）及各煤层的瓦斯含量栅格（61）动态预测工作面瓦斯涌出量（62）；

63）针对回采工作面瓦斯涌出量，在工作面瓦斯涌出量（62）的基础上结合低负压抽采数据（24）进行动态预测，即工作面瓦斯涌出量（62）减去低负压抽采数据（24），如果工作面没有低负压抽采则数据为0。