CN107605536A - 基于多源信息融合的煤与瓦斯突出实时预警装置与方法 - Google Patents
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- CN107605536A CN107605536A CN201711063211.XA CN201711063211A CN107605536A CN 107605536 A CN107605536 A CN 107605536A CN 201711063211 A CN201711063211 A CN 201711063211A CN 107605536 A CN107605536 A CN 107605536A
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Abstract
本发明公开了一种基于多源信息融合的煤与瓦斯突出实时预警方法，包括以下步骤：建立预先知识库；建立突出危险性单项指标的判断准则；采集各类突出危险性预测信息；将采集的各类信息进行多级融合；突出危险性的实时评估与等级预警；突出危险性防治。本发明针对不同矿井突出危险性表现出突出敏感性指标的差异性和预测方法的不同特点，基于来自不同信息源的突出预兆和设备监测监控与人工巡视检测信息进行诊断评估后，利用信息融合理论和时空耦合机制，进行多源信息融合的实时预测，以提供精准预警信息，增加突出发生前预兆信息采集的广度性和实时性，大大提高突出危险性预测的准确度。
Description
技术领域
本发明涉及矿井安全防治领域，特别涉及一种基于多源信息融合的煤与瓦斯突出实时预警装置与方法。
背景技术
煤与瓦斯突出灾害是煤矿瓦斯灾害的形式之一，其不仅严重损毁了煤矿井下巷道与设施，而且造成重大人员伤亡事故，我国《防治煤与瓦斯突出规定(2009)》明确要求突出矿井严格做好区域和局部“两个四位一体”工作，而“两个四位一体”的首要工作就是区域和工作面的突出危险性预测。尽管煤矿已经建立了完善的防突管理制度与监测监控系统，也有如“一种煤与瓦斯突出实时监测及预警系统”、“一种实时跟踪预警矿井煤与瓦斯突出危险性的装备”等预警装置在不断推广中，但煤与瓦斯突出灾害并未获得有效遏制，有些预警装置在实际应用中往往因为预测指标信息的量少而无法真实实时反应每个采掘作业点突出危险性程度等级，也就无法进行精准预测和预警。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供一种结构简单、能够获取准确的突出危险性信息的基于多源信息融合的煤与瓦斯突出实时预警装置与方法，并提供一种信息采集范围广、信息采集实时性强、预测准确度高的基于多源信息融合的煤与瓦斯突出实时预警装置与方法。
本发明解决上述问题的技术方案是：一种基于多源信息融合的煤与瓦斯突出实时预警装置，包括预先知识库单元、多源信息采集单元、多源信息融合单元、突出危险性评估单元和预警单元，所述多源信息采集单元的输出端与多源信息融合单元的输入端相连，多源信息融合单元的输出端与突出危险性评估单元相连，突出危险性评估单元与预警单元、知识库单元相连。
一种基于多源信息融合的煤与瓦斯突出实时预警方法，包括以下步骤：
步骤一：建立预先知识库；
步骤二：建立突出危险性单项指标的判断准则；
步骤三：采集各类突出危险性预兆、监测监控和人工巡视检测信息；
步骤四：将采集的各类信息进行多级融合；
步骤五：突出危险等级预警；
步骤六：突出危险性防治。
上述基于多源信息融合的煤与瓦斯突出实时预警方法，所述步骤一中，预先知识库中的内容包括：矿井的基本情况，包括井田位置及交通、井田范围、矿井储量、矿井开拓方式、生产现状；矿井开采技术条件，包括煤层赋存条件、矿井瓦斯、煤尘爆炸性和煤层自燃倾向性、地温、水文地质条件；矿井地层概况，包括地层概况、煤系地层概况、煤层情况、煤质特征；矿井地质构造情况，包括矿井地质构造演化特征、矿井地质构造分布特征；火成岩对煤层侵蚀情况；煤层瓦斯基础参数；突出危险性评估基础理论知识；可托基础知识；保护层开采和瓦斯抽采基础知识；矿井勘探报告与图纸。
上述基于多源信息融合的煤与瓦斯突出实时预警方法，所述步骤二具体步骤为：
2-1)根据煤与瓦斯突出的规律和预兆特征，将煤与瓦斯突出的预测信息来源划分为6类，分别为①煤层赋存特征信息、②煤层瓦斯储集信息、③地质构造特征信息、④采掘活动信息、⑤监测监控系统特征信息和⑥人工巡视检测信息；其中
①煤层赋存特征信息包括开采突出煤层的破坏类型、煤层厚度标准差及其变异系数、煤层倾角标准差及其变异系数、煤的坚固性系数、煤层开采深度、煤的挥发分特征、煤的渗透孔特征；
②煤层瓦斯储集信息包括煤层瓦斯压力和煤层瓦斯含量、煤层瓦斯放散初速度；
③地质构造特征信息包括小断层密度、煤层揉皱系数、火成岩侵蚀；
④采掘活动信息包括采掘工作面推进速度、瓦斯预抽卸压状况；
⑤监测监控系统特征信息包括随着工作面推进过程中的煤层瓦斯涌出特征和温度变化特征；
⑥人工巡视检测信息包括防突专业人员巡查信息，钻孔施工人员记载的卡钻、喷孔、断钻信息，突出危险性预测、防突效果检验和区域验证的人工检测结果信息；
2-2)将步骤2-1)划分的信息源类型分为稳态信息和动态信息，其中①-③为稳态信息，稳态信息从预先知识库中调用；④-⑥为动态信息，动态信息中的监测监控系统特征信息通过智能接口兼容传输，人工巡视检测信息则通过井下传输线路中嵌入的人机智能接口输入到综合预警装置中；
2-3)将步骤2-2)划分的稳态信息和动态信息中根据其指标特征分为定性指标信息和定量指标信息，定量指标信息按判定准则确定突出危险性，定性指标信息处理进行量化处理；即采用连续语言标尺法判定危险性：90≤xij＜100代表“强突出危险性”，80≤xij＜90代表“中等突出危险性”，70≤xij＜80代表“突出威胁”，60≤xij＜70代表“无突出危险性”，
式中，Yij—第i类第j个定性指标的确定值；y1,y2,y3,y4—某一定性指标所对应的定性描述特性所确定的量化指标值；xij—第i类第j个定性指标的原始状况描述text1,2,3,4；
2-4)分别建立定量指标信息和定性指标信息的危险性判定准则；
(1)煤层的破坏类型为Ⅰ-Ⅱ级为无突出危险性；Ⅲ-Ⅴ级时有突出危险性；
(2)煤的坚固性系数f：f≤0.5时有突出危险；0.5＜f≤1.2时有突出威胁；f＞1.2时无突出危险；
(3)煤层开采深度H为：根据矿井始突深度判定，假如第一次突出位于回风平巷标高处，则由其沿倾斜向上至100m范围视为突出危险区；100m处以上为无突出危险区；
(4)煤的挥发分Vdaf：Vdaf＜35％时煤层具有突出危险；Vdaf≥35％时煤层具无突出危险；
(5)煤的渗透孔VS：VS＜40％时，为非突出危险；40％≤VS≤60％时，为过渡型或威胁型；当VS＞60％时，有突出危险；
(6)煤层瓦斯压力P和煤层瓦斯含量W：P≥0.74MPa或W＞8m3/t时有突出危险；
(7)煤层瓦斯放散初速度△P≥10时，有突出危险；△P<10时，无突出危险；
(8)地质力学概率指标B；B≥10，有突出危险，B＜10，无突出危险，式中：f—煤的坚固性系数，P—煤层瓦斯压力；
(9)综合指标e预测值；e≥21时，有突出危险；e<21时，无突出危险，e＝1.8(△P-f)+0.7c，式中：ΔP—煤的放散初速度、f—煤的坚固性系数、c—煤的筛分指数；
(10)综合指标D，K预测值：当D≥0.25时有突出危险；当D<0.25时无突出危险；若为无烟煤，当K≥20时有突出危险，K<20时无突出危险，若为无烟煤外的其他煤种，当K≥15时有突出危险，K<15时无突出危险，D＝(0.0075H/f-3)(p-0.74)；K＝ΔP/f，式中：式中D、K—煤层的突出危险性综合指标，H—煤层开采深度，m，p—煤层瓦斯压力，取两个测压钻孔实测瓦斯压力的最大值，MPa，ΔP—煤的放散初速度，f—煤的坚固性系数；
(11)综合指标St预测值：当0.25＜St≤0.5时，有突出危险；St＞0.5时，有严重突出危险；St≤0.25时，无突出危险；St＝HW/40000f，式中：H—煤层开采深度；W—煤层瓦斯含量；f—煤的坚固性系数；
(12)钻孔钻屑量S指标预测值：当钻孔每米钻屑量大于或等于3倍正常钻屑量，即Smax≥3S0时有突出危险性，Smax<3S0时为无突出危险，式中：S0—钻孔正常钻屑量，kg/m或L/m；π—圆周率，取3.1416；ρ0—煤的密度，取1400kg/m3,1.3—钻头在钻孔中超切削系数，d—钻孔直径，mm；
(13)钻孔瓦斯解吸指标△h2或K1预测值：钻孔瓦斯解吸指标△h2是指煤样(10g)自煤体脱落暴露于大气之中第4分钟和第5分钟的瓦斯解吸所产生的压差,单位为Pa，K1是煤样从煤体脱落暴露后，第1min内每克煤的累积瓦斯解吸量。判定准则为干煤样：Δh2≥200，K1≥0.5时，有突出危险，否则，无突出危险性；湿煤样：Δh2≥160，K1≥0.4时，有突出危险，否则，无突出危险性；
(14)综合预测指标R预测值：R＝(Smax-1.8)(qmax-4)，式中：Smax—测量钻孔单位长度最大钻屑量，L/m；qmax—测量钻孔单位长度最大瓦斯涌出初速度，L/min；R的危险临界值为6，当R≥6时，工作面为突出危险工作面，当R<6时，工作面判定为无突出危险工作面，当R为负值时，使用正值项单项指标；
定性指标的突出危险性判定准则为：
(1)是否火成岩侵蚀：无火成岩侵蚀，无突出危险；有火成岩侵蚀，有突出威胁；火成岩侵蚀严重时，有突出危险；
(2)小断层密度δ和煤层揉皱系数K10值越大，突出危险性越大；临界值按步骤2-3确定；δ—是指单位面积或长度内的小断层个数，式中:K10—煤层揉皱系数，h2，h3，h4—Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ类结构煤厚度，M—煤层总厚度，单位为米；
(3)煤层倾角准差α及其变异系数Kb的值越大，突出危险性越大；临界值按步骤2-3确定；式中：n—测量点数，xi—某一测点的倾角，—统计地区平均角度；Kb—变形系数，L’—某一剖面上煤层同一层位两点实际长度，L—某一剖面上煤层同一层位两点间的水平投影长度；
(4)煤层厚度标准差Hm及其变异系数Cr的值越大，突出危险性越大；临界值按步骤2-3确定；式中：Hm—煤层厚度标准差，Hmi—某一测量点的煤层厚度，—统计地区勘探钻孔煤层平均厚度，n—测量点数，Cr—煤层厚度变异系数；
(5)矿井监测监控系统中瓦斯浓度信息：采掘工作面瓦斯浓度变化有忽高忽低现象，有突出危险性，反之则无突出危险性；
(6)钻孔施工观测信息若有喷孔、卡钻和断钻现象，就有突出危险性，反之，则无突出危险性；
(7)人工巡视若发现有支架来压、煤壁开裂、掉碴、片帮、工作面煤墙外臌、巷道底臌现象，则有突出危险；否则，无突出危险；
(8)人工行走检查若发现工作面温度低于进风巷温度或煤壁手摸有发凉感觉及嗅觉有刺激性和臭蛋味气味时，则有突出危险性，若无此类现象，则没有突出危险性；
(9)若采掘工作面在作业前进行瓦斯区域预抽，且经区域效果检验和区域验证满足《防治煤与瓦斯突出规定》要求时，则无突出危险，否则，有突出危险；
(10)采掘工作面推进过程中的瓦斯涌出速度突然高于往常推进过程中的瓦斯涌出最高速度时，有突出危险性，否则，无突出危险性。
上述基于多源信息融合的煤与瓦斯突出实时预警方法，所述步骤四中，按照信息抽象的5个层次，融合分成5级，具体为：
第1级是检测级融合，是直接在众多分布检测系统中检测判决或信号层上进行的融合，具体内容为将稳态信息与动态信息全部直接送给中心处理器，然后完成最优目标检测任务；
第2级是位置级融合，包括时间与空间融合，具体内容为在分布式传感器、检测仪表和人工巡查检测跟踪系统中，各传感器、检测仪表和人工巡查检测首先各自完成突出危险性状态估计，也就是时间上的信息融合，紧接着把获得的采掘工作面推进轨迹信息送入融合节点，并在融合节点完成坐标变换、时间校准，然后进行关联处理后进行采掘空间融合；
第3级是属性融合，是对采掘工作面的各作业点观测实体是否具有突出危险性进行定位、诊断和识别，采用决策级融合，即每个传感器、检测仪表或人工巡查都完成变换以便获得独立的身份估计，然后再对来自传感器、检测仪表和人工检查信息的属性进行融合；
第4级是危险性态势评估，通过预测对象的煤层、瓦斯、围岩、钻孔施工作业和监测监控、人工巡视检测信息，结合工作面推进轨迹实时评估各作业区域的突出危险性；
第5级是突出危险性等级可托评估，通过预先知识库的可托基础理论进行突出危险等级的可托评估，以便实时确定各作业点的突出危险性大小，并实时提供预警信息和制定防突技术措施。
上述基于多源信息融合的煤与瓦斯突出实时预警装置与方法，所述步骤六具体步骤为：突出危险性诊断评估后，达到突出危险等级时，实时将评估结果利用预警装置告知井下各采掘作业点。
上述基于多源信息融合的煤与瓦斯突出实时预警装置与方法，所述步骤七具体步骤为：凡经预警装置警示有突出危险的地点，立即停止施工作业，待补充卸压钻孔或安全防护措施实施完成后，经再一次预警为无突出危险性时，方可继续施工作业。
本发明的有益效果在于：
1、本发明的预警装置与方法包括预先知识库单元、多源信息采集单元、多源信息融合单元、突出危险性实时综合评估单元，多源信息采集单元采集不同信息源的突出预兆和预测检测信息，信息经多源信息融合单元融合后送入突出危险性评估单元进行综合诊断和可托评估，从而实现实时的多源信息综合预测，具有结构简单、获取信息精确度高的优点。
2、本发明的预警装置与方法针对不同矿井突出危险性表现出突出敏感性指标的差异性和预测方法的不同特点，基于来自不同信息源的突出预兆和预测检测信息进行综合诊断和可托评估后，利用信息融合理论和时空耦合机理，进行实时的多源信息综合预测，以提供精准预警信息，增加了突出发生前的预兆信息采集的广度和实时性，大大提高了煤与瓦斯突出危险性预测的准确度，从根本上为突出煤层的安全高效开采提供强有力的技术支撑。
附图说明
图1为本发明预警装置与方法的结构框图。
图2为本发明预警装置与方法的流程图。
图3为本发明预警装置与方法中检测级融合的分散式结构图。
图4为本发明预警装置与方法中位置级融合的分布式结构图。
图5是本发明预警装置与方法中属性融合的决策层融合方法结构图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。
如图1所示，一种基于多源信息融合的煤与瓦斯突出实时预警装置，包括多源信息采集单元、多源信息融合单元、突出危险性评估单元、预警单元和知识库单元，所述多源信息采集单元的输出端与多源信息融合单元的输入端相连，多源信息融合单元的输出端与突出危险性评估单元相连，突出危险性评估单元与预警单元、知识库单元相连。
如图2所示，一种基于多源信息融合的煤与瓦斯突出实时预警方法，包括以下步骤：
步骤一：建立预先知识库。将某矿井的相关资料与数据、瓦斯抽采的相关理论与技术方法、安全评价的相关理论与方法(如AHP法、可拓法、粗糙集法等)录入其中，以便稳态信息的随机调用、危险性评估诊断模型建立与防突措施的选用。
预先知识库中的内容包括：矿井的基本情况，包括井田位置及交通、井田范围、矿井储量、矿井开拓方式、生产现状；矿井开采技术条件，包括煤层赋存条件、矿井瓦斯、煤尘爆炸性和煤层自燃倾向性、地温、水文地质条件；矿井地层概况，包括地层概况、煤系地层概况、煤层情况、煤质特征；矿井地质构造情况，包括矿区地质构造演化及分布特征、矿井地质构造及分布特征；火成岩侵入情况；煤层瓦斯基础参数；突出危险性分析；评估基础理论知识；可托基础知识；保护层开采和瓦斯抽采基础知识；矿井勘探报告与图纸。
步骤二：建立突出危险性单项指标的判断准则。具体步骤为：
2-1)根据煤与瓦斯突出的规律和预兆信息，将煤与瓦斯突出的预测信息来源划分为6类，分别为①煤层赋存特征信息、②煤层瓦斯储集信息、③地质构造特征信息、④采掘活动信息、⑤监测监控系统特征信息和⑥人工巡视检测信息；其中
①煤层赋存特征信息包括开采突出煤层的破坏类型、煤厚标准差、变异系数、煤层倾角标准差及其变异系数、煤的坚固性系数、煤层埋藏深度、煤的挥发分特征、煤的渗透孔特征；
②煤层瓦斯储集信息包括煤层瓦斯压力和煤层瓦斯含量、煤层瓦斯放散初速度；
③地质构造特征信息包括煤层倾角标准差、煤层变形系数、小断层密度、煤厚标准差、煤厚变异系数、煤层揉皱系数、火成岩侵蚀；
④采掘活动信息包括采掘工作面推进速度、瓦斯预抽卸压状况；
⑤监测监控系统特征信息包括随着工作面推进过程中的煤层瓦斯涌出特征和温度变化特征；
⑥人工巡视检测信息包括防突专业人员巡查信息，钻孔施工人员记载卡钻、喷孔、断钻信息，突出危险性预测、防突效果检验和区域验证的人工检测结果信息；
2-2)将步骤2-1)划分的信息源类型分为稳态信息和动态信息，其中①-③为稳态信息，稳态信息从预先知识库中调用；④-⑥为动态信息，动态信息中的监测监控系统特征信息通过智能接口兼容传输，人工巡视检测信息则通过井下传输线路中嵌入的人机智能接口输入到实时预警装置中；
2-3)将步骤2-2)划分的稳态信息和动态信息中根据其指标特征分为定性指标信息和定量指标信息，定量指标信息按判定准则确定突出危险性，定性指标信息处理进行量化处理；即定量指标信息采用连续语言标尺法判定危险性：90≤xij＜100代表“强突出危险性”，80≤xij＜90代表“中等突出危险性”，70≤xij＜80代表“突出威胁”，60≤xij＜70代表“无突出危险性”，
式中，Yij—第i类第j个定性指标的确定值；y1,y2,y3,y4—某一定性指标所对应的定性描述特性所确定的量化指标值；xij—第i类第j个定性指标的原始状况描述text1,2,3,4；
2-4)分别建立定量指标信息和定性指标信息的危险性判定准则；
定量指标信息的危险性判定准则为：
(1)煤层的破坏类型为Ⅰ-Ⅱ级为无突出危险性；Ⅲ-Ⅴ级时有突出危险性；
(2)煤的坚固性系数f：f≤0.5时有突出危险；0.5＜f≤1.2时有突出威胁；f＞1.2时无突出危险；
(3)煤层开采深度H为：根据矿井始突深度判定，假如第一次突出位于回风平巷标高处，则由其沿倾斜向上至100m范围视为突出危险区；100m处以上为无突出危险区；
(4)煤的挥发分Vdaf：Vdaf＜35％时煤层具有突出危险；Vdaf≥35％时煤层具无突出危险；
(5)煤的渗透孔VS：VS＜40％时，为非突出危险；40％≤VS≤60％时，为过渡型或威胁型；当VS＞60％时，有突出危险；
(6)煤层瓦斯压力P和煤层瓦斯含量W：P≥0.74MPa或W＞8m3/t时有突出危险；
(7)煤层瓦斯放散初速度△P≥10时，有突出危险；△P<10时，无突出危险；
(8)地质力学概率指标B；B≥10，有突出危险，B＜10，无突出危险，式中：f—煤的坚固性系数，P—煤层瓦斯压力；
(9)综合指标e预测值；e≥21时，有突出危险；e<21时，无突出危险，e＝1.8(△P-f)+0.7c，式中：ΔP—煤的放散初速度、f—煤的坚固性系数、c—煤的筛分指数；
(10)综合指标D，K预测值：当D≥0.25时有突出危险；当D<0.25时无突出危险；若为无烟煤，当K≥20时有突出危险，K<20时无突出危险，若为无烟煤外的其他煤种，当K≥15时有突出危险，K<15时无突出危险，D＝(0.0075H/f-3)(p-0.74)；K＝ΔP/f，式中：式中D、K—煤层的突出危险性综合指标，H—煤层开采深度，m，p—煤层瓦斯压力，取两个测压钻孔实测瓦斯压力的最大值，MPa，ΔP—煤的放散初速度，f—煤的坚固性系数；
(11)综合指标St预测值：当0.25＜St≤0.5时，有突出危险；St＞0.5时，有严重突出危险；St≤0.25时，无突出危险；St＝HW/40000f，式中：H—煤层开采深度；W—煤层瓦斯含量；f—煤的坚固性系数；
(12)钻孔钻屑量S指标预测值：当钻孔每米钻屑量大于或等于3倍正常钻屑量，即Smax≥3S0时有突出危险性，Smax<3S0时为无突出危险，式中：S0—钻孔正常钻屑量，kg/m或L/m；π—圆周率，取3.1416；ρ0—煤的密度，取1400kg/m3,1.3—钻头在钻孔中超切削系数，d—钻孔直径，mm；
(13)钻孔瓦斯解吸指标△h2或K1预测值：钻孔瓦斯解吸指标△h2是指煤样(10g)自煤体脱落暴露于大气之中第4分钟和第5分钟的瓦斯解吸所产生的压差,单位为Pa，K1是煤样从煤体脱落暴露后，第1min内每克煤的累积瓦斯解吸量。判定准则为干煤样：Δh2≥200，K1≥0.5时，有突出危险，否则，无突出危险性；湿煤样：Δh2≥160，K1≥0.4时，有突出危险，否则，无突出危险性；
(14)综合预测指标R预测值：R＝(Smax-1.8)(qmax-4)，式中：Smax—测量钻孔单位长度最大钻屑量，L/m；qmax—测量钻孔单位长度最大瓦斯涌出初速度，L/min。R的危险临界值为6，当R≥6时，工作面为突出危险工作面，当时，工作面判定为无突出危险工作面，当R为负值时，应使用正值项单项指标。
定性指标的突出危险性判定准则为：
(1)是否火成岩侵蚀：无火成岩侵蚀，无突出危险；有火成岩侵蚀，有突出威胁；火成岩侵蚀严重时，有突出危险；
(2)小断层密度δ和煤层揉皱系数K10值越大，突出危险性越大；临界值按步骤2-3由专家组成员打分的平均值确定；δ—是指单位面积或长度内的小断层个数，式中:K10—煤层揉皱系数，h2，h3，h4—Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ类结构煤厚度，M—煤层总厚度，单位为米；
(3)煤层倾角准差α及其变异系数Kb的值越大，突出危险性越大；临界值按步骤2-3由专家组成员打分平均值确定；式中：n—测量点数，xi—某一测点的倾角，—统计地区平均角度；Kb—变形系数，L’—某一剖面上煤层同一层位两点实际长度，L—某一剖面上煤层同一层位两点间的水平投影长度；
(4)煤层厚度标准差Hm及其变异系数Cr的值越大，突出危险性越大；临界值按步骤2-3由专家组成员打分平均值确定；式中：Hm—煤层厚度标准差，Hmi—某一测量点的煤层厚度，—统计地区勘探钻孔煤层平均厚度，n—测量点数，Cr—煤层厚度变异系数；
(5)矿井监测监控系统中瓦斯浓度信息：采掘工作面瓦斯浓度变化有忽高忽低现象，有突出危险性，反之则无突出危险性；
(6)钻孔施工观测信息若有喷孔、卡钻和断钻现象，就有突出危险性，反之，则无突出危险性；
(7)人工巡视若发现有支架来压、煤壁开裂、掉碴、片帮、工作面煤墙外臌、巷道底臌现象，则有突出危险；否则，无突出危险；
(8)人工行走检查若发现工作面温度低于进风巷温度或煤壁手摸有发凉感觉及嗅觉有刺激性和臭蛋味气味时，则有突出危险性，若无此类现象，则没有突出危险性；
(9)若采掘工作面在作业前进行瓦斯区域预抽，且经区域效果检验和区域验证满足《防治煤与瓦斯突出规定》要求时，则无突出危险，否则，有突出危险；
(10)采掘工作面推进过程中的瓦斯涌出速度突然高于往常推进的瓦斯涌出最高速度时，有突出危险性，否则，无突出危险性。
步骤三：采集各类突出危险性预兆、监测监控和人工巡视检测信息。
分两步走，一是在预先知识库中将矿井或某开采区域的煤层及其围岩的基础参数调用过来，二是将监测监控系统实时监测、人工巡查与检测的信息并入信息采集中心，监测监控信息通过数据接口导入，人工巡查检测信息通过便携式移动装置由人工临时输入后再通过人机接口进行转入信息采集中心。
步骤四：将采集的各类信息进行多级融合。
由于突出危险性预测信息表现形式的多样性(传感器的、监测监控系统实时监测的、检测仪表的和人工巡查的)、信息关系的复杂性(煤层的、瓦斯的、围岩的、采掘抽活动的、观测的、检测的)和要求处理信息的实时性，已经大大超出人脑的信息综合处理能力，因此采用多源信息融合技术进行信息处理，按照信息抽象的5个层次，融合分成5级，具体为：
第1级是检测级融合，是直接在众多分布检测系统中检测判决或信号层上进行的融合，具体内容为将稳态信息与动态信息全部直接送给中心处理器，然后完成最优目标检测任务；
针对图2的实现方式是：N个局部节点S1、S2、S3、┄、SN的采集装置在收到来自(传感器、监测监控、人工巡查、检测仪表)信息Y1、Y2、Y3、┄、YN之后，每个局部信息采用单个局部决策，即决策ui(i＝1，2，3，┄，N)又都是最终决策。
第2级是位置级融合，包括时间与空间融合，是跟踪级融合，在众多传感器、检测仪表与人工巡查的跟踪系统中采用分布式结构形式；
针对图3的实现方式是：在分布式传感器、检测仪表和人工巡查检测跟踪系统中，各传感器、检测仪表和人工巡查检测首先各自完成突出危险性状态估计，也就是时间上的信息融合，紧接着把获得的采掘工作面推进轨迹信息送入融合节点，并在融合节点完成坐标变换、时间校准，然后进行关联处理后进行采掘空间融合；
第3级是属性融合，是对采掘工作面的各作业点观测煤体是否具有突出危险性进行定位、诊断和识别，采用决策级融合，即每个传感器、检测仪表或人工巡查都完成变换以便获得独立的身份估计，然后再对来自传感器、检测仪表和人工检查信息的属性进行融合；
针对图4中的实现方式是：每个传感器监测监控、检测仪表、人工巡查为了获得一个独立的属性判决要完成一个变换，然后顺序融合起来来自每个传感器监测监控、检测仪表、人工巡查的属性判断。其中I/Di是来自第i个传感器(监测监控、检测仪表、人工巡查)的属性判决结果。
第4级是危险性态势评估，通过预测对象的煤层、瓦斯、围岩、钻孔施工作业和监测监控、人工巡视检测信息，结合工作面推进轨迹实时评估各作业区域的突出危险性；
第5级是突出危险性等级可托评估，通过预先知识库的可托基础理论进行突出危险等级的可托评估，以便实时确定各作业点的突出危险性大小，并实时提供精准的预警信息和制定科学合理的防突技术措施，针对其突出危险性强弱选用针对性的防治措施，以求最低的防突成本，获取最好的防突效果。
步骤五：突出危险等级预警；突出危险性诊断评估后，达到突出危险等级时，实时将评估结果利用预警装置告知井下各采掘作业点。
步骤六：突出危险性防治；凡经预警装置警示有突出危险的地点，立即停止施工作业，待补充卸压钻孔或安全防护措施实施完成后，经再一次预警为无突出危险性时，方可继续施工作业。
Claims (7)
1.一种基于多源信息融合的煤与瓦斯突出实时预警装置，其特征在于：包括预先知识库单元、多源信息采集单元、多源信息融合单元、突出危险性评估单元和预警单元，所述多源信息采集单元的输出端与多源信息融合单元的输入端相连，多源信息融合单元的输出端与突出危险性评估单元相连，突出危险性评估单元与预警单元、知识库单元相连。
2.一种基于权利要求1所述的预警装置的基于多源信息融合的煤与瓦斯突出实时预警方法，包括以下步骤：
步骤一：建立预先知识库；
步骤二：建立突出危险性预测单项指标及其判断准则；
步骤三：采集各类突出危险性预兆、监测监控和人工巡视检测信息；
步骤四：将采集的各类信息进行多级融合；
步骤五：突出危险等级预警；
步骤六：突出危险性防治。
3.根据权利要求2所述的基于多源信息融合的煤与瓦斯突出实时预警方法，其特征在于，所述步骤一中，预先知识库中的内容包括：矿井的基本情况，包括井田位置及交通、井田范围、矿井储量、矿井开拓方式、生产现状；矿井开采技术条件，包括煤层赋存条件、矿井瓦斯、煤尘爆炸性和煤层自燃倾向性、地温、水文地质条件；矿井地层概况，包括地层概况、煤系地层概况、煤层情况、煤质特征；矿井地质构造情况，包括矿井地质构造演化特征、矿井地质构造分布特征；火成岩对煤层侵蚀情况；煤层瓦斯基础参数；突出危险性评估基础理论知识；可托基础知识；保护层开采和瓦斯抽采基础知识；矿井勘探报告与图纸。
4.根据权利要求2所述的基于多源信息融合的煤与瓦斯突出实时预警方法，其特征在于，所述步骤二具体步骤为：
2-1)根据煤与瓦斯突出的规律和预兆特征，将煤与瓦斯突出的预测信息来源划分为6类，分别为①煤层赋存特征信息、②煤层瓦斯储集信息、③地质构造特征信息、④采掘活动信息、⑤监测监控系统特征信息和⑥人工巡视检测信息；其中
①煤层赋存特征信息包括开采突出煤层的破坏类型、煤层厚度标准差及其变异系数、煤层倾角标准差及其变异系数、煤的坚固性系数、煤层开采深度、煤的挥发分特征、煤的渗透孔特征；
②煤层瓦斯储集信息包括煤层瓦斯压力和煤层瓦斯含量、煤层瓦斯放散初速度；
③地质构造特征信息包括小断层密度、煤层揉皱系数、火成岩侵蚀；
④采掘活动信息包括采掘工作面推进速度、瓦斯预抽卸压状况；
⑤监测监控系统特征信息包括随着工作面推进过程中的煤层瓦斯涌出特征和温度变化特征；
⑥人工巡视检测信息包括防突专业人员巡查信息，钻孔施工人员记载的卡钻、喷孔、断钻信息，突出危险性预测、防突效果检验和区域验证的人工检测结果信息；
2-2)将步骤2-1)划分的信息源类型分为稳态信息和动态信息，其中①-③为稳态信息，稳态信息从预先知识库中调用；④-⑥为动态信息，动态信息中的监测监控系统特征信息通过智能接口兼容传输，人工巡视检测信息则通过井下传输线路中嵌入的人机智能接口输入到实时预警装置中；
2-3)将步骤2-2)划分的稳态信息和动态信息中根据其指标特征分为定性指标信息和定量指标信息，定量指标信息按判定准则确定其突出危险性，定性指标信息则按量化处理原则处理，即采用连续语言标尺法判定危险性：90≤xij＜100代表“强突出危险性”，80≤xij＜90代表“中等突出危险性”，70≤xij＜80代表“突出威胁”，60≤xij＜70代表“无突出危险性”，
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式中，Yij—第i类第j个定性指标的确定值；y1,y2,y3,y4—某一定性指标所对应的定性描述特性所确定的量化指标值；xij—第i类第j个定性指标的原始状况描述text1,2,3,4；
2-4)分别建立定量指标信息和定性指标信息的危险性判定准则；
定量指标信息的危险性判定准则为：
(1)煤层的破坏类型为Ⅰ-Ⅱ级为无突出危险性；Ⅲ-Ⅴ级时有突出危险性；
(2)煤的坚固性系数f：f≤0.5时有突出危险；0.5＜f≤1.2时有突出威胁；f＞1.2时无突出危险；
(3)煤层开采深度H为：根据矿井始突深度判定，假如第一次突出位于回风平巷标高处，则由其沿倾斜向上至100m范围视为突出危险区；100m处以上为无突出危险区；
(4)煤的挥发分Vdaf：Vdaf＜35％时煤层具有突出危险；Vdaf≥35％时煤层具无突出危险；
(5)煤的渗透孔VS：VS＜40％时，为非突出危险；40％≤VS≤60％时，为过渡型或威胁型；当VS＞60％时，有突出危险；
(6)煤层瓦斯压力P和煤层瓦斯含量W：P≥0.74MPa或W＞8m3/t时有突出危险；
(7)煤层瓦斯放散初速度△P≥10时，有突出危险；△P<10时，无突出危险；
(8)地质力学概率指标B；B≥10，有突出危险，B＜10，无突出危险，式中：f—煤的坚固性系数，P—煤层瓦斯压力；
(9)综合指标e预测值；e≥21时，有突出危险；e<21时，无突出危险，e＝1.8(△P-f)+0.7c，式中：ΔP—煤的放散初速度、f—煤的坚固性系数、c—煤的筛分指数；
(10)综合指标D，K预测值：当D≥0.25时有突出危险；当D<0.25时无突出危险；若为无烟煤，当K≥20时有突出危险，K<20时无突出危险，若为无烟煤外的其他煤种，当K≥15时有突出危险，K<15时无突出危险，D＝(0.0075H/f-3)(p-0.74)；K＝ΔP/f，式中：式中D、K—煤层的突出危险性综合指标，H—煤层开采深度，m，p—煤层瓦斯压力，取两个测压钻孔实测瓦斯压力的最大值，MPa，ΔP—煤的放散初速度，f—煤的坚固性系数；
(11)综合指标St预测值：当0.25＜St≤0.5时，有突出危险；St＞0.5时，有严重突出危险；St≤0.25时，无突出危险；St＝HW/40000f，式中：H—煤层开采深度；W—煤层瓦斯含量；f—煤的坚固性系数；
(12)钻孔钻屑量S指标预测值：当钻孔每米钻屑量大于或等于3倍正常钻屑量，即Smax≥3S0时有突出危险性，Smax<3S0时为无突出危险，式中：S0—钻孔正常钻屑量，kg/m或L/m；π—圆周率，取3.1416；ρ0—煤的密度，取1400kg/m3,1.3—钻头在钻孔中超切削系数，d—钻孔直径，mm；
(13)钻孔瓦斯解吸指标△h2或K1预测值：钻孔瓦斯解吸指标△h2是指煤样自煤体脱落暴露于大气之中第4分钟和第5分钟的瓦斯解吸所产生的压差,单位为Pa，K1是煤样从煤体脱落暴露后，第1min内每克煤的累积瓦斯解吸量；判定准则为干煤样：Δh2≥200，K1≥0.5时，有突出危险，否则，无突出危险性；湿煤样：Δh2≥160，K1≥0.4时，有突出危险，否则，无突出危险性；
(14)综合预测指标R预测值：R＝(Smax-1.8)(qmax-4)，式中：Smax—测量钻孔单位长度最大钻屑量，L/m；qmax—测量钻孔单位长度最大瓦斯涌出初速度，L/min；R的危险临界值为6，当R≥6时，工作面为突出危险工作面，当R<6时，工作面判定为无突出危险工作面，当R为负值时，使用正值项单项指标；
定性指标的突出危险性判定准则为：
(1)是否火成岩侵蚀：无火成岩侵蚀，无突出危险；有火成岩侵蚀，有突出威胁；火成岩侵蚀严重时，有突出危险；
(2)小断层密度δ和煤层揉皱系数K10值越大，突出危险性越大；临界值按步骤2-3确定；δ—是指单位面积或长度内的小断层个数，式中:K10—煤层揉皱系数，h2，h3，h4—Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ类结构煤厚度，M—煤层总厚度，单位为米；
(3)煤层倾角准差α及其变异系数Kb的值越大，突出危险性越大；临界值按步骤2-3确定；式中：n—测量点数，xi—某一测点的倾角，—统计地区平均角度；Kb—变形系数，L’—某一剖面上煤层同一层位两点实际长度，L—某一剖面上煤层同一层位两点的水平投影长度；
(4)煤层厚度标准差Hm及其变异系数Cr的值越大，突出危险性越大；临界值按步骤2-3确定；式中：Hm—煤层厚度标准差，Hmi—某一测量点的煤层厚度，—统计地区勘探钻孔煤层平均厚度，n—测量点数，Cr—煤层厚度变异系数；
(5)矿井监测监控系统中瓦斯浓度信息：采掘工作面瓦斯浓度变化有忽高忽低现象，有突出危险性，反之则无突出危险性；
(6)钻孔施工观测信息若有喷孔、卡钻和断钻现象，就有突出危险性，反之，则无突出危险性；
(7)人工巡视若发现有支架来压、煤壁开裂、掉碴、片帮、工作面煤墙外臌、巷道底臌现象，则有突出危险；否则，无突出危险；
(8)人工行走检查若发现工作面温度低于进风巷温度或煤壁手摸有发凉感觉及嗅觉有刺激性和臭蛋味气味时，则有突出危险性，若无此类现象，则没有突出危险性；
(9)若采掘工作面在作业前进行瓦斯区域预抽，且经区域效果检验和区域验证满足《防治煤与瓦斯突出规定》要求时，则无突出危险，否则，有突出危险；
(10)采掘工作面推进过程中的瓦斯涌出速度突然高于往常推进过程中的瓦斯涌出最高速度时，有突出危险性，否则，无突出危险性。
5.根据权利要求2所述的基于多源信息融合的煤与瓦斯突出实时预警装置与方法，其特征在于，所述步骤四中，按照信息抽象的5个层次，融合分成5级，具体为：
第1级是检测级融合，是直接在众多分布检测系统中检测判决或信号层上进行的融合，具体内容为将稳态信息与动态信息全部直接送给中心处理器，然后完成最优目标检测任务；
第2级是位置级融合，包括时间与空间融合，具体内容为在分布式传感器、检测仪表和人工巡查检测跟踪系统中，各传感器、检测仪表和人工巡查检测首先各自完成突出危险性状态估计，也就是时间上的信息融合，紧接着把获得的采掘工作面推进轨迹信息送入融合节点，并在融合节点完成坐标变换、时间校准，然后进行关联处理后进行采掘空间融合；
第3级是属性融合，是对采掘工作面的各作业点观测实体是否具有突出危险性进行定位、诊断和识别，采用决策级融合，即每个传感器、检测仪表或人工巡查都完成变换以便获得独立的身份估计，然后再对来自传感器、检测仪表和人工检查信息的属性进行融合；
第4级是危险性态势评估，通过预测对象的煤层、瓦斯、围岩、钻孔施工作业和监测监控、人工巡视检测信息，结合工作面推进轨迹实时评估各作业区域的突出危险性；
第5级是突出危险性等级可托评估，通过预先知识库的可托基础理论进行突出危险等级的可托评估，以便实时确定各作业点的突出危险性程度大小，并实时提供预警信息和制定防突技术措施。
6.根据权利要求2所述的基于多源信息融合的煤与瓦斯突出实时预警装置与方法，其特征在于，所述步骤五具体步骤为：突出危险性诊断评估后，达到突出危险等级时，实时将评估结果利用预警装置告知井下各采掘作业点。
7.根据权利要求2所述的基于多源信息融合的煤与瓦斯突出实时预警装置与方法，其特征在于，所述步骤六具体步骤为：凡经预警装置警示有突出危险的地点，立即停止施工作业，待补充卸压钻孔或安全防护措施完成后，经再一次预警为无突出危险性时，方可继续施工作业。
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