CN105765407B - 用于检测且减小在长壁附近的甲烷危害的方法以及系统 - Google Patents
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Abstract
一种检测且减小在长壁区域中的甲烷危害的方法，其特征在于，通过被动速度层析成像使用地震仪(8)以及低频地震检波器(9)在所述长壁盘区长度上周期性地确定应力(N)集中的区域的位置。将这些数据与确定在所述长壁盘区长度中伴随岩体的开裂的崩塌群的位置(M)的当前地震声学测量值、与工作区中的甲烷浓度以及空气流量的测量值进行比较。考虑到相对于所述工作区(B)的采煤机(13)位置，利用主动衰减阻尼层析成像来另外地确定在所述长壁前方的所述应力(N)集中的位置。随后，使这些变量在时间以及空间上相关，且在发现相关系数超出预先确定的临界值之后，启动使甲烷危害最小化的预防性程序。在测量系统中，地震记录系统(1)、甲烷度量系统(3)、执行系统(6)、以及警告模块(7)连接到微处理器分析系统(5)。具有所附接的至少四个地震仪(8)、至少四个低频地震检波器(9)以及至少两个应变传感器(10)的所述地震记录系统(1)连接到具有至少四个地震检波器(11)的地震声学记录系统(2)，且连接到具有采煤机位置传感器(12)的所述采煤机(13)的位置和操作控制系统(4)。
Description
技术领域
本发明涉及用于在甲烷以及岩层突裂危害的条件下检测且减小在煤矿中的长壁附近、或在煤矿开采的区域中的若干长壁附近的甲烷危害的方法以及系统。
背景技术
现有技术水平
已经提出用于测量在矿场内部的空气总的甲烷浓度的各种方法、装置以及电子系统，以及监视系统，包含用于警告甲烷浓度的增加超过安全水平以及用于自动关闭在危险区域中的电气设备以使甲烷爆炸以及着火的风险最小化的这些监视系统。在所有系统中，获取空气的样本，测量甲烷浓度，且将此测量的结果发送到矿场甲烷度量系统。所述结果可以经由执行在受控区域中的能量切断的功能的本地集线器进行发送，且由此防止可能引起甲烷爆炸的点火。
甲烷危害问题的类似解决方案由瓦西莱夫斯基·S.(Wasilewski S.)在“用于控制以及监视在波兰煤矿中的气体危害的系统(The systems for control and monitoringof gas hazards in Polish coal mines)”(在开采业中的工作安全以及环境保护，2012年第12期)中提出，且在许多专利文件中提出，例如，US5268683(A)、RU2268365(C1)、PL390972(A1)、CN101441803(A)、UA61611(A)、PL386488(A1)、PL151847(B1)。
加拿大专利申请案CA2263216(A1)揭示了用于在利用采煤机开采头对煤体进行开采期间连续测量以及检测在矿场大气中的甲烷的系统。在距开采头30英寸内位于开采头的臂的相反侧上的两个甲烷传感器是所述系统的基本测量元件。另外，测量系统配备有空气流量传感器、氧气传感器以及一氧化碳检测器，所述空气流量传感器、氧气传感器以及一氧化碳检测器通过导线连接到用于记录、检测、监视和/或分析关于矿场大气的信息的微处理器控制器。此信息随后通过采煤机操作人员显示在显示屏上或显示在矿场表面上的调度室中。如果空气中的甲烷浓度超出可接受值，那么切断采煤机的电源且打开具有新鲜空气的单独的通风设备以降低受影响区域中甲烷的浓度。当甲烷浓度降低到可接受水平之下时，再次将电功率供应到采煤机。本发明的一个优点是测量紧邻采煤机的开采头的甲烷。
凯比茨·J.(Kabiesz J.)(编辑)在“在煤矿工作区中的岩层突裂风险评估的方法(Methods of the rock bursts risk assessment in the coal mine workings)”(托维兹中央矿业学会，2010年第165到320页)中以及专利文件US2014034388(A1)、US2014123748(A1)、PL152339(B1)、PL202149(B1)揭示了用于测量以及评估地震危害的地球物理学方法和系统，所述地震危害包含在煤矿中的岩层突裂危害的状态。所提出的解决方案聚焦在测量反映岩体的应力以及变形状态的信号上，作为不利的地质学以及开采条件的结果，所述岩体的应力以及变形状态可能导致岩层突裂或增加在工作区或其周围环境中的爆炸风险。
考虑到用于评估甲烷危害的较高数目的物理现象的识别以及相关性，还已经描述了更加复杂的方法以及测量装置。波兰专利申请案PL388788(A1)揭示了用于自动检测岩层突裂以及甲烷流出的方法以及设备，其中已经使更多的物理现象相关：同时识别在甲烷浓度上的增加、在气压上的增加、以及声学现象。在这三个参数上的变化的相关性是用于估计甲烷以及岩层喷出的根据。将此信息发送到在表面上的矿场控制室。所提出的装置由测量室、微处理器测量系统、电源以及连接到传输控制系统的显示器构成，所述传输控制系统经由电话线连接到表面上的控制室。测量室配备有甲烷浓度传感器、气压传感器以及麦克风。
在开采业中已知在矿场工作区中的地球物理学现象以及甲烷喷出的因果相关性。然而，这些过程尚未得到完全认识，因此不能在技术上用于减小甲烷危害。特兰茨克·S.(Trenczek S.)和沃塔斯·P.(Wojtas P.)(矿业科技大学学会的科技论文，第117期，学习研究第32/2006期，第337页)聚焦于与紧挨在强烈的岩层突裂之后所检测到的甲烷流出相关联的风险的识别。这些解决方案提出连接在长壁区域中使用的地震声学以及地震系统与甲烷度量系统。关于靠近长壁的强烈的地震碰撞的信息应立刻(即，具有不超出10秒的时延)提供给甲烷度量系统，所述甲烷度量系统切断在此长壁的区域中的电气装置。
现有技术的论述
用于检测且减小甲烷风险的使物理现象相关的已知方法和系统，且具体来说识别在经开采长壁区域中地震现象以及甲烷爆发的相关性的方法和系统，并不提供令人满意的性能，尤其是在危险区域的精确定位方面。这是使这些风险最小化的迅速且有效的预防措施所必需的。现有技术中的揭示内容考虑仅在由甲烷浓度的当前测量值产生的地震事件之后的甲烷喷出，与仅在通过矿场地震系统基于地震仪以及低频地震检波器以及通过地震声学系统使用高频地震检波器已经记录的动态地震或地震声学现象之后的空气流量的因果关联。
用于直接测量在矿场大气中的甲烷浓度的其它已知方法和系统，例如，波兰专利申请案PL388788(A1)中描述的方法，将较高数目的相关物理现象(例如甲烷浓度与气压以及声学信号的测量值)用于甲烷风险评估，但这些已知方法并未提供令人满意的性能。这是因为它们用于在包含岩层突裂的强烈的震动之后的电力断开。迄今已知的解决方案不允许在岩层突裂之前(例如由于在临界事件之前在岩体中增加的应力)对甲烷流出的预测。
发明内容
本发明的目标
本发明的目标是提供以下方法以及系统：通过考虑所有对甲烷危害具有影响的相关联地震事件，增加检测效率且使甲烷爆炸条件在具有甲烷以及岩层突裂危险条件的矿场中的长壁区域中最小化。这些地震事件是在动态以及静态时期两者中识别出的与在岩体中应力的累积相关联的现象，所述应力的累积将允许采取适当的预先动作来预测在所监视的区域中此现象的出现。
本发明的概述
根据检测且减小在长壁区域中的甲烷危害的发明方法，通过被动速度层析成像使用地震仪以及低频地震检波器在长壁盘区长度上周期性地确定应力集中的区域。将这些数据与确定在长壁盘区长度中伴随岩体的开裂的崩塌群的位置的当前地震声学测量值、与工作区中的甲烷浓度以及空气流量的测量值进行比较。考虑到相对于工作区的采煤机位置，利用主动衰减阻尼层析成像另外地确定在长壁前方的应力集中的位置。随后，使这些变量在时间以及空间上相关，且在发现相关系数超出预先确定的临界值之后，启动使甲烷危害最小化的预防性程序。
利用衰减阻尼层析成像通过对通过具有部署在前面的巷道中的低频地震检波器的地震记录系统检测的信号的分析来确定应力集中的位置。这些信号通过由采煤机的开采头在一个开采周期中产生的振动的能量的实时测量来直接与在长壁处的采煤机位置相关，且利用在长壁工作区中的低频地震检波器来确定。在每个采挖周期之后，将这些结果与在前一周期中记录的值进行比较，且识别出增加的应力集中的位置。将来自传感器的信号发送到地震记录系统以使得能够按比例调整应力变化等值线。
连同对刚好在长壁采煤机的当前位置处的空气流量的移动测量一起，同时在长壁工作区的面端(入口)处以及面端(出口)处测量空气流量。在使所记录的变量的相对变化(具体来说，与甲烷浓度、应力、空气流量或地震声学活动的测量值相关联的参数的增量)相关的过程中，分析在相关系数的振幅上的变化以及这些变化的速率。
随后，基于从被动速度层析成像、地震声学观测、以及利用主动衰减阻尼层析成像所确定的应力集中的位置获得的结果，且考虑与这些参数相关的在甲烷浓度上的局部变化，在长壁中确定用于使甲烷危害最小化的程序的准确定位。优选地，这些程序包括用于甲烷去除的预防性钻井。当发现经分析参数在时间上的相关性时，具体来说如果应力以及甲烷浓度的相对增加超出临界阈值，那么减小用于警告和/或用于自动切断受控长壁的区域中的电气设备的阈值。
在用于测量沿着长壁的甲烷浓度的系统中，地震记录系统、甲烷度量系统、执行系统以及警告模块连接到微处理器分析系统。具有至少四个地震检波器的地震声学记录系统以及具有采煤机位置检测器的采煤机位置和操作控制系统连接到具有至少四个地震仪、至少四个低频地震检波器以及至少两个应力传感器的地震记录系统。壁甲烷测定器、采煤机移动甲烷测定器、位于长壁工作区的面端(入口)处以及面端(出口)处的两个固定空气速度传感器、以及采煤机移动空气速度传感器连接到甲烷度量系统。在分析系统、地震记录系统、甲烷度量系统、执行系统、警告模块之间，以及在地震记录系统、地震声学记录系统以及采煤机位置和操作控制系统之间的连接利用以太网电缆来实现。
附图说明
本发明的示例性实施例在图式中示出，其中图1-示出了测量系统的框图，图2-示出了在最后一个开采周期期间在长壁的前方的区域中的应力的图式，图3-示出了在开采周期期间在长壁工作区中的甲烷浓度的测量值的图式，图4-示出了在时间上分析的相关函数参数的图式。
具体实施方式
实施例I(方法)
在检测且减小在长壁附近的甲烷危害的方法中，通过被动速度层析成像使用四个地震仪8以及四个低频地震检波器9在长壁盘区长度中周期性地确定应力N集中的区域的位置。将所接收的数据与确定在长壁盘区长度工作区B处伴随岩体的开裂的崩塌群M的位置的当前地震声学测量值、与工作区中的甲烷浓度以及空气流量的测量值进行比较。考虑到在长壁盘区长度工作区B中的采煤机13的位置，通过主动衰减阻尼层析成像另外地确定在长壁的前方的应力N集中的位置。在下一步骤中，比较上述参数的值。在发现在时间以及空间上的因果相关性之后且如果超出假设的相关系数的临界值，则通过在长壁的经识别区域中的甲烷去除钻井和/或通过执行另外的通风来执行预防性程序以使甲烷危害最小化。
分析系统5使从地震记录系统1、地震声学记录系统2以及甲烷度量系统3获得的信息相关，且检测在警告模块7上用信号通知的可能的危险状态。警告信号在以下情况下产生：在应力集中、甲烷浓度、以及呈伴随岩体的开裂的地震以及地震声学活动的局部化集中形式的活动现象上的增加时空一致。在发现超出应力以及甲烷浓度的相对增量的阈值之后，降低警告和/或自动切断在受控长壁的区域中的电气设备的阈值。连续监视与甲烷浓度、应力N、空气流以及地震声学活动的测量值相关联的所记录的参数的增量的相对变化。考虑到相关系数的变化ΔK的振幅以及这些变化的速率ΔK/Δt，在时空相关性上分析这些变化。
在经分析参数的相关系数的临时增加以及其增加的速率超过所假设的临界值的情况下，将信息从分析系统5发送到甲烷度量系统3，以便根据执行系统6中的预配置控制切断矩阵立即自动切断在所监视的长壁附近的电气设备。通过主动衰减阻尼层析成像通过分析由地震记录系统1从低频地震检波器9记录的信号来确定应力N集中的位置。这是基于使这些信号与在长壁中的采煤机13位置相关以及通过对由采煤机13的开采头在每个采挖周期X中产生的振动的能量的实时测量来进行，且通过巷道A中的低频地震检波器9来界定。
在每个采挖周期Xi之后，将这些结果与在前一采挖周期Xi-1中记录的数据进行比较，且识别出增加的应力集中的位置。为了使得能够按比例调整在长壁巷道A中的应力变化的基线，安装应变传感器10且将其信号发送到地震记录系统1。甲烷度量系统3配备有沿着长壁布置的长壁甲烷测定器14、采煤机移动甲烷测定器15、固定空气速度传感器16以及采煤机移动空气速度传感器17，所述采煤机移动空气速度传感器沿着长壁在工作区中的采煤机13的当前位置处测量空气速度。
配备有地震仪8的地震记录系统1、低频地震检波器9、以及配备有地震检波器11的地震声学记录系统2在整个矿场上且精确地在受控长壁的前方确定地震现象的位置。基于被动速度层析成像、地震声学数据、以及使用主动衰减阻尼层析成像所确定的应力N集中的定位，且考虑到在与这些参数相关的甲烷浓度上的局部变化，精确确定在所监视的煤体C中的定位，其中优选地通过去除甲烷的预防性钻井来执行使甲烷危害最小化的程序。
实例II(系统)
根据本发明的系统由协作的且在时间上相关的元件构成：地震记录系统1、地震声学记录系统2、甲烷度量系统3、以及在长壁中的采煤机的位置和操作控制系统4。在根据本发明的布置(图1)中，地震记录系统1、甲烷度量系统3、执行系统6、以及警告模块7连接到分析系统5上。上文所列的系统以及在矿场的表面D上的那些系统通过以太网电缆相连接。位于矿场的表面D上的具有所附接的四个地震仪8、四个低频地震检波器9以及两个应变传感器10的地震记录系统1连接到地震声学记录系统2，且连接到采煤机的位置和操作控制系统4。
四个地震检波器11连接到地震声学记录系统2。位于长壁采煤机13上的采煤机位置传感器12连接到位置和操作控制系统4。此外，甲烷度量系统3上连接有：优选地每15m沿着长壁工作区定位的长壁甲烷测定器14、构建在开采头附近的长壁采煤机13上的移动采煤机甲烷测定器15、位于长壁工作区B的面端(入口)处以及面端(出口)处的两个固定空气速度传感器16、以及安装在长壁采煤机13中的移动采煤机空气速度传感器17。切断在所监视的长壁的区域中安装在矿场的地下部分E的具有电驱动的特定装置的操作元件18连接到甲烷度量系统3中所包括的执行系统6。
Claims (6)
1.一种检测且减小在长壁附近的甲烷危害的方法，其包括对甲烷浓度以及界定在所述长壁区域中的岩层突裂的风险程度的参数的测量以及分析，其中如果所测量的值超出临界值，那么触发警报信号且自动切断危险区域中的电力供应，所述方法的特征在于，在所述长壁盘区长度上，通过被动速度层析成像使用地震仪(8)以及低频地震检波器(9)周期性地确定应力N集中的区域的位置，将这些数据与确定在所述长壁盘区长度处伴随岩体的开裂的崩塌M群的位置的当前地震声学测量值、与工作区中的甲烷浓度的测量值以及空气流量的测量值进行比较，而考虑到在长壁工作区B中的采煤机(13)位置，通过主动衰减阻尼层析成像来另外确定在所述长壁前方的所述应力N集中的位置，随后使这些参数在时间以及空间上相关，且在发现相关系数超出预先确定的临界值之后，执行使甲烷风险最小化的预防性程序。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，利用所述衰减阻尼层析成像通过对通过包括所述低频地震检波器(9)的地震记录系统(1)所检测的信号的分析来确定的所述应力N集中的位置，通过对由长壁采煤机(13)的开采头在一个开采周期X中产生的振动的能量的实时测量来直接与在所述长壁中的所述长壁采煤机的所述位置相关，且利用在长壁巷道A中的所述低频地震检波器(9)来确定，并且在每个开采周期Xi的结束之后，将这些结果与在前一开采周期Xi-1中记录的值进行比较，且识别出增加的应力N集中的位置，其中将来自应力传感器(10)的信号发送到所述地震记录系统(1)以使得能够按比例调整应力变化等值线。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，连同对刚好在此工作区中的所述长壁采煤机(13)的当前位置处的所述空气流量的移动测量一起，同时在所述长壁工作区B的面端入口以及面端出口处测量所述空气流量。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在使所记录的变量的相对变化相关的过程中，所述相关系数K的变化ΔK的振幅在时间以及空间上变化，且分析这些变化的速率ΔK/Δt；所述所记录的变量的相对变化具体来说是与甲烷浓度、应力、空气流量以及地震声学活动相关联的参数的增量。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，基于从所述被动速度层析成像、地震声学观测、以及所确定的利用所述主动衰减阻尼层析成像确定的应力N集中的位置获得的结果，且考虑在与这些参数相关的甲烷浓度中的局部变化，在所述长壁工作区B中确定用于使甲烷危害最小化的程序的定位，这些程序是用于甲烷去除的预防性钻井。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在发现经分析参数在时间上的相关性之后，具体来说，如果应力以及甲烷浓度的相对增加超出临界阈值，那么用于警告和/或用于自动切断在受控长壁的区域中的电气设备的阈值减小。
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