CN107939449B - 一种近距离煤层开采老空水下泄智能预警系统和预警方法 - Google Patents
一种近距离煤层开采老空水下泄智能预警系统和预警方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种近距离煤层开采老空水下泄智能预警系统和预警方法，所示预警系统包括三维地质信息系统、采掘信息系统和老空水灾害判别预警系统；所述预警方法包括：1、钻孔数据录入、展示；2、三维成图；3、采掘实时信息录入；4、实时修正岩体三维图形；5、开采工作面前方覆岩及老空水信息预测；6、老空水灾害判别预警；然后随开采工作的进行，重复3‑6的步骤直至开采工作完成。本发明能够对开采工作面前方的上覆基岩地质信息和上覆老空水情况参数进行有效预测和实施监控，对老空水突水灾害进行预防和预警，避免开采过程中采动裂隙发育至上组煤采空区，造成上覆老空水下泄至下组煤回采工作面，引发矿井发生老空突水灾害。
Description
技术领域
本发明涉及煤矿开采安全技术领域，特别是涉及一种近距离煤层开采老空水下泄智能预警系统和预警方法。
背景技术
随着煤炭资源的大量开发，我国许多煤矿上组煤资源基本接近枯竭，已经进入到下组煤开采阶段。上组煤开采后，遗留下大量的采空区，造成上覆岩层中的砂岩裂隙水大量汇集，形成老空水。当下组煤开采时，一旦采动裂隙发育至上组煤采空区，必然造成上覆老空水下泄至下组煤回采工作面，引发矿井发生老空突水灾害。
发明内容
针对现有技术存在的不足之处，为了更加有效的预防该类灾害，本发明提供一种近距离煤层开采老空水下泄智能预警系统和预警方法。
本发明的目的通过下述技术方案实现：
一种近距离煤层开采老空水下泄智能预警系统，包括三维地质信息系统、采掘信息系统和老空水灾害判别预警系统；
所述三维地质信息系统包括：
上覆基岩钻孔数据库：用于编录开采工作面上方覆岩的钻孔数据和工作面上方岩层实时钻探数据；
岩体与钻孔信息模块：根据编录到数据库中的钻孔数据生成钻孔二维图形，将不同的岩性用不同的颜色进行标记和展现，并随开采工作面推进，将获得的实时钻孔数据信息生成钻孔三维数据并结合地表三维数据，展示钻孔情况、分层空间位置等信息；
三维图像模拟模块：在二维图中，通过圈定岩体确定某一剖面中岩体的大小和区域将相关的剖面岩体区域自动连接形成岩体分布三维图像或者根据录入的不同钻孔的三维数据，按照钻孔的分层信息和所属剖面信息，自动生成岩体三维图形；
工作面上方基岩钻孔实时采集分析装置：随开采工作面的掘进，对工作面上方岩层进行钻探，然后利用摄像头结合图像分析技术对钻孔进行探测、分析获取工作面上方基岩的钻孔数据；
所述工作面上方基岩钻孔实时采集分析装置包括摄像头、探杆和图像信息分析模块；
三维图形实时修正模块：对工作面上方基岩钻孔实时采集分析装置获取的数据进行自动分析，得出岩层分层位置信息生成钻孔柱状图并生成分层数据，根据分层数据修正上覆基岩钻孔数据库中的原有的信息，并再次生成岩体与钻孔信息和岩体三维图形；
所述采掘信息系统包括：
采掘工作实时数据库：用于实时编录回采工作面和掘进工作面编号、煤层编号、采高、工作面长度、日进尺、推进距离等参数；
上覆老空水实时监测模块：通过传感器实时反馈采掘工作面上覆老空水的水压、水量、温度等参数的变化情况；
上覆基岩力学数据库：编录采掘工作面上覆基岩的基本岩石力学参数，如抗压强度、抗拉强度、弹性模量、泊松比、摩擦角、内聚力等；
所述老空水灾害判别预警系统包括：
地质信息预测模块：将采掘信息系统和三维地质信息系统实时搭接，根据采掘推进情况，实时预测采掘工作面前方覆岩的岩层变化情况，特别是构造发育情况、与上组煤老空区之间的距离、岩层性质的变化等参数；
初步预警模块：根据地质信息预测模块得到的工作面前方覆岩性质以及两组煤间距的变化等参数，根据导水裂隙带高度判别标准，对工作面前方老空水灾害进行初步预警；
深度预警模块：根据工作面回采过程中上覆老空水的水位、水压、水温的变化情况进行判别预警。
一种近距离煤层开采老空水下泄智能预警系统的预警方法，包括以下步骤：
Step1、钻孔数据录入、展示
采用数据录入、数据导入等方式，将钻孔相关数据编录到三维地质信息系统的上覆基岩钻孔数据库，岩体与钻孔信息模块根据编录到数据库中的数据生成钻孔二维图，然后按照分层或取样信息将不同的岩性用不同的颜色进行标记和展现；
Step2、三维成图
结合岩体与钻孔信息模块中生成的钻孔信息二维图，通过圈定岩体确定某一剖面中岩体的大小和区域将相关的剖面岩体区域自动连接形成岩体分布三维图像或者根据Step1中录入的井下钻孔三维数据，按照钻孔的分层信息和所属剖面信息，自动生成岩体三维图形；
Step3、采掘实时信息录入
实时编录回采工作面和掘进工作面的状态参数、记录工作面上方覆岩的基本力学参数并通过传感器实时反馈采掘工作面上覆老空水的参数变化，录入到采掘信息系统中；
Step4、实时修正岩体三维图形
随着开采工作面的掘进和工作面上方覆岩情况钻探，利用工作面上方基岩钻孔实时采集分析装置的摄像头结合图像信息分析模块，对钻孔内岩层进行探测和分析将探测的数据导入三维图形实时修正模块，由三维图形实时修正模块自动分析岩层分层位置，生成钻孔柱状图和分层数据，将分层数据录入到上覆基岩钻孔数据库中对原有的信息进行修正，并结合地表三维数据，展示钻孔情况、分层空间位置等信息，再次生成钻孔信息和岩体三维图形；Step5、开采工作面前方覆岩及老空水信息预测
结合Step3中采掘信息系统编录的采掘工作实时数据所反映的采掘推进情况和Step4中三维地质信息系统实时修正的岩体三维图形，对开采工作面前方覆岩的岩层变化情况进行预测，特别是构造发育、与上组煤老空区之间的距离、岩层性质的变化等参数，生成开采工作面前方岩体预测的模拟三维图像并向老空水灾害判别预警系统反映相应的岩体数据信息；
Step6、老空水灾害判别预警
根据Step5中预测的工作面前方覆岩的岩体数据信息和开采工作面前方岩体预测的模拟三维图像，分析两组煤层间距的变化，按照冒裂带最大高度经验公式来对工作面前方覆岩的导水裂隙带高度进行预测，然后对工作面前方老空水灾害进行判别和初步预警，具体的判别标准为：当模拟岩体三维图像反映的覆岩厚度、两组煤层间距不大于冒裂带最大高度时，给出老空水灾害初步预警，反之则继续开采、推进工作面前移；
随着开采工作的进行，重复实施Step3-Step6，直至开采工作完成。
进一步的，所述Step3采掘实时信息录入包括以下内容：
Part1、实时编录回采工作面和掘进工作面编号、煤层编号、采高、工作面长度、日进尺、推进距离等参数；
Part2、通过传感器装置，实时反馈采掘工作面上覆老空水的水压、水量、温度等参数的变化；
Part3、编录采掘工作面覆岩的基本岩石力学参数，包括抗压强度、抗拉强度、弹性模量、泊松比、摩擦角、内聚力等参数。
作为优选，所述Step6老空水灾害判别预警中，进一步根据Step3实时反馈的工作面回采过程中上覆老空水的参数变化情况进行灾害判别，当上覆老空水的水位、水压、水温等参数突然下降时，系统进行深度预警。
更进一步的，所述Step6中利用工作面上方基岩钻孔实时采集分析装置探测的方法是，将探测设备探进钻孔内，前端摄像头可以获取钻孔内壁图像，设备自带深度数据显示，到达一定位置时，对钻孔进行拍照存储。
本发明较现有技术相比，具有以下优点及有益效果：
本发明能够对开采工作面前方的上覆基岩地质信息和上覆老空水情况参数进行有效预测和实施监控，对老空水突水灾害进行预防和预警，避免开采过程中采动裂隙发育至上组煤采空区，造成上覆老空水下泄至下组煤回采工作面，引发矿井发生老空突水灾害。
附图说明
图1为本发明的近距离煤层开采老空水下泄智能预警方法流程示意图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。
实施例
一种近距离煤层开采老空水下泄智能预警系统，包括三维地质信息系统、采掘信息系统和老空水灾害判别预警系统；
所述三维地质信息系统包括：
上覆基岩钻孔数据库：用于编录开采工作面上方覆岩的钻孔数据和工作面上方岩层实时钻探数据；
岩体与钻孔信息模块：根据编录到数据库中的钻孔数据生成钻孔二维图形，将不同的岩性用不同的颜色进行标记和展现，并随开采工作面推进，将获得的实时钻孔数据信息生成钻孔三维数据并结合地表三维数据，展示钻孔情况、分层空间位置等信息；
三维图像模拟模块：在二维图中，通过圈定岩体确定某一剖面中岩体的大小和区域将相关的剖面岩体区域自动连接形成岩体分布三维图像或者根据录入的不同钻孔的三维数据，按照钻孔的分层信息和所属剖面信息，自动生成岩体三维图形；
工作面上方基岩钻孔实时采集分析装置：随开采工作面的掘进，对工作面上方岩层进行钻探，然后利用摄像头结合图像分析技术对钻孔进行探测、分析获取工作面上方基岩的钻孔数据；
所述工作面上方基岩钻孔实时采集分析装置包括摄像头、探杆和图像信息分析模块；
三维图形实时修正模块：对工作面上方基岩钻孔实时采集分析装置获取的数据进行自动分析，得出岩层分层位置信息生成钻孔柱状图并生成分层数据，根据分层数据修正上覆基岩钻孔数据库中的原有的信息，并再次生成岩体与钻孔信息和岩体三维图形；
所述采掘信息系统包括：
采掘工作实时数据库：用于实时编录回采工作面和掘进工作面编号、煤层编号、采高、工作面长度、日进尺、推进距离等参数；
上覆老空水实时监测模块：通过传感器实时反馈采掘工作面上覆老空水的水压、水量、温度等参数的变化情况；
上覆基岩力学数据库：编录采掘工作面上覆基岩的基本岩石力学参数，如抗压强度、抗拉强度、弹性模量、泊松比、摩擦角、内聚力等；
所述老空水灾害判别预警系统包括：
地质信息预测模块：将采掘信息系统和三维地质信息系统实时搭接，根据采掘推进情况，实时预测采掘工作面前方覆岩的岩层变化情况，特别是构造发育情况、与上组煤老空区之间的距离、岩层性质的变化等参数；
初步预警模块：根据地质信息预测模块得到的工作面前方覆岩性质以及两组煤间距的变化等参数，根据导水裂隙带高度判别标准，对工作面前方老空水灾害进行初步预警；
深度预警模块：根据工作面回采过程中上覆老空水的水位、水压、水温的变化情况进行判别预警。
如图1所示，一种基于上述预警系统的预警方法，包括以下实施步骤：
Step1、钻孔数据录入、展示
采用数据录入、数据导入等方式，将钻孔相关数据编录到三维地质信息系统的上覆基岩钻孔数据库，岩体与钻孔信息模块根据编录到数据库中的数据生成钻孔二维图，然后按照分层或取样信息将不同的岩性用不同的颜色进行标记和展现；
Step2、三维成图
结合岩体与钻孔信息模块中生成的钻孔信息二维图，通过圈定岩体确定某一剖面中岩体的大小和区域将相关的剖面岩体区域自动连接形成岩体分布三维图像或者根据Step1中录入的井下钻孔三维数据，按照钻孔的分层信息和所属剖面信息，自动生成岩体三维图形；
Step3、采掘实时信息录入
实时编录回采工作面和掘进工作面的状态参数、记录工作面上方覆岩的基本力学参数并通过传感器实时反馈采掘工作面上覆老空水的参数变化，录入到采掘信息系统中；
Step4、实时修正岩体三维图形
随着开采工作面的掘进和工作面上方覆岩情况钻探，利用工作面上方基岩钻孔实时采集分析装置的摄像头结合图像信息分析模块，对钻孔内岩层进行探测和分析将探测的数据导入三维图形实时修正模块，由三维图形实时修正模块自动分析岩层分层位置，生成钻孔柱状图和分层数据，将分层数据录入到上覆基岩钻孔数据库中对原有的信息进行修正，并结合地表三维数据，展示钻孔情况、分层空间位置等信息，再次生成钻孔信息和岩体三维图形；Step5、开采工作面前方覆岩及老空水信息预测
结合Step3中采掘信息系统编录的采掘工作实时数据所反映的采掘推进情况和Step4中三维地质信息系统实时修正的岩体三维图形，对开采工作面前方覆岩的岩层变化情况进行预测，特别是构造发育、与上组煤老空区之间的距离、岩层性质的变化等参数，生成开采工作面前方岩体预测的模拟三维图像并向老空水灾害判别预警系统反映相应的岩体数据信息；
Step6、老空水灾害判别预警
根据Step5中预测的工作面前方覆岩的岩体数据信息和开采工作面前方岩体预测的模拟三维图像，分析两组煤层间距的变化，按照冒裂带最大高度经验公式来对工作面前方覆岩的导水裂隙带高度进行预测，然后对工作面前方老空水灾害进行判别和初步预警；
其中，冒裂带最大高度经验公式在依据岩性将煤层覆岩划分为坚硬、中硬、软弱、极软弱岩层或其互层后，各岩性覆岩的导水裂缝带最大高度计算公式如下表所示(单位：m)：
注：M为煤层厚度，∑M为累计采厚，h为工作面小阶段垂高；
公式应用范围：单层采厚1～3m，累计采厚不超过15m；计算公式中±号项为中误差。
具体的判别标准为：当模拟岩体三维图像反映的覆岩厚度、两组煤层间距不大于冒裂带最大高度时，给出老空水灾害初步预警，反之则继续开采、推进工作面前移；
进一步的，根据Step3实时反馈的工作面回采过程中上覆老空水的参数变化情况进行灾害判别，当上覆老空水的水位、水压、水温等参数突然下降时，系统进行深度预警；
随着开采工作的进行，重复实施Step3-Step6，直至开采工作完成。
更进一步的，Step4中对岩体三维图像实时修正过程为：
Step4.1、在距离当前开采工作面1米的顶板上钻孔勘探；
Step4.2、利用摄像头结合图像分析技术，对钻孔内岩层进行探测和分析：将探测设备探进钻孔内，前端摄像头可以获取钻孔内壁图像，设备自带深度数据显示，到达一定位置时，可以进行拍照存储，然后图像信息分析模块对照片进行分析生成钻孔数据；
Step4.3、将钻孔数据导入三维图形实时修正模块，由三维图形实时修正模块自动分析岩层分层位置，生成钻孔柱状图和分层数据，将分层数据录入到上覆基岩钻孔数据库中对原有的信息进行修正；
Step4.4、结合地表三维数据，展示钻孔情况、分层空间位置等信息，再次生成钻孔信息和修正后的岩体三维图形。
综上所述，通过本实施例的描述，可以使本技术领域人员更好的实施本方案。
Claims (5)
1.一种近距离煤层开采老空水下泄智能预警系统，其特征在于：包括三维地质信息系统、采掘信息系统和老空水灾害判别预警系统；
所述三维地质信息系统包括：
上覆基岩钻孔数据库：用于编录开采工作面上方覆岩的钻孔数据和工作面上方岩层实时钻探数据；
岩体与钻孔信息模块：根据编录到数据库中的钻孔数据生成钻孔二维图形，将不同的岩性用不同的颜色进行标记和展现，并随开采工作面推进，将获得的实时钻孔数据信息生成钻孔三维数据并结合地表三维数据，展示钻孔情况、分层空间位置信息；
三维图像模拟模块：在二维图中，通过圈定岩体确定某一剖面中岩体的大小和区域将相关的剖面岩体区域自动连接形成岩体分布三维图像或者根据录入的不同钻孔的三维数据，按照钻孔的分层信息和所属剖面信息，自动生成岩体三维图形；
工作面上方基岩钻孔实时采集分析装置：随开采工作面的掘进，对工作面上方岩层进行钻探，然后利用摄像头结合图像分析技术对钻孔进行探测、分析获取工作面上方基岩的钻孔数据；
所述工作面上方基岩钻孔实时采集分析装置包括摄像头、探杆和图像信息分析模块；
三维图形实时修正模块：对工作面上方基岩钻孔实时采集分析装置获取的数据进行自动分析，得出岩层分层位置信息生成钻孔柱状图并生成分层数据，根据分层数据修正上覆基岩钻孔数据库中的原有的信息，并再次生成岩体与钻孔信息和岩体三维图形；
所述采掘信息系统包括：
采掘工作实时数据库：用于实时编录回采工作面和掘进工作面编号、煤层编号、采高、工作面长度、日进尺、推进距离参数；
上覆老空水实时监测模块：通过传感器实时反馈采掘工作面上覆老空水的水压、水量、温度参数的变化情况；
上覆基岩力学数据库：编录采掘工作面上覆基岩的基本岩石力学参数，抗压强度、抗拉强度、弹性模量、泊松比、摩擦角、内聚力；
所述老空水灾害判别预警系统包括：
地质信息预测模块：将采掘信息系统和三维地质信息系统实时搭接，根据采掘推进情况，实时预测采掘工作面前方覆岩的岩层变化情况，构造发育情况、与上组煤老空区之间的距离、岩层性质的变化参数；
初步预警模块：根据地质信息预测模块得到的工作面前方覆岩性质以及两组煤间距的变化参数，根据导水裂隙带高度判别标准，对工作面前方老空水灾害进行初步预警；
深度预警模块：根据工作面回采过程中上覆老空水的水位、水压、水温的变化情况进行判别预警。
2.一种近距离煤层开采老空水下泄智能预警系统的预警方法，其特征在于，所述预警方法包括以下步骤：
Step1、钻孔数据录入、展示
采用数据录入、数据导入方式，将钻孔相关数据编录到三维地质信息系统的上覆基岩钻孔数据库，岩体与钻孔信息模块根据编录到数据库中的数据生成钻孔二维图，然后按照分层或取样信息将不同的岩性用不同的颜色进行标记和展现；
Step2、三维成图
结合岩体与钻孔信息模块中生成的钻孔信息二维图，通过圈定岩体确定某一剖面中岩体的大小和区域将相关的剖面岩体区域自动连接形成岩体分布三维图像或者根据Step1中录入的井下钻孔三维数据，按照钻孔的分层信息和所属剖面信息，自动生成岩体三维图形；
Step3、采掘实时信息录入
实时编录回采工作面和掘进工作面的状态参数、记录工作面上方覆岩的基本力学参数并通过传感器实时反馈采掘工作面上覆老空水的参数变化，录入到采掘信息系统中；
Step4、实时修正岩体三维图形
随着开采工作面的掘进和工作面上方覆岩情况钻探，利用工作面上方基岩钻孔实时采集分析装置的摄像头结合图像信息分析模块，对钻孔内岩层进行探测和分析将探测的数据导入三维图形实时修正模块，由三维图形实时修正模块自动分析岩层分层位置，生成钻孔柱状图和分层数据，将分层数据录入到上覆基岩钻孔数据库中对原有的信息进行修正，并结合地表三维数据，展示钻孔情况、分层空间位置信息，再次生成钻孔信息和岩体三维图形；
Step5、开采工作面前方覆岩及老空水信息预测
结合Step3中采掘信息系统编录的采掘工作实时数据所反映的采掘推进情况和Step4中三维地质信息系统实时修正的岩体三维图形，对开采工作面前方覆岩的岩层变化情况进行预测，构造发育、与上组煤老空区之间的距离、岩层性质的变化参数，生成开采工作面前方岩体预测的模拟三维图像并向老空水灾害判别预警系统反映相应的岩体数据信息；
Step6、老空水灾害判别预警
根据Step5中预测的工作面前方覆岩的岩体数据信息和开采工作面前方岩体预测的模拟三维图像，分析两组煤层间距的变化，按照冒裂带最大高度经验公式来对工作面前方覆岩的导水裂隙带高度进行预测，然后对工作面前方老空水灾害进行判别和初步预警，具体的判别标准为：当模拟岩体三维图像反映的覆岩厚度、两组煤层间距不大于冒裂带最大高度时，给出老空水灾害初步预警，反之则继续开采、推进工作面前移；
随着开采工作的进行，重复实施Step3-Step6，直至开采工作完成。
3.根据权利要求2所述的一种近距离煤层开采老空水下泄智能预警系统的预警方法，其特征在于，所述Step3采掘实时信息录入包括以下内容：
Part1、实时编录回采工作面和掘进工作面编号、煤层编号、采高、工作面长度、日进尺、推进距离参数；
Part2、通过传感器装置，实时反馈采掘工作面上覆老空水的水压、水量、温度参数的变化；
Part3、编录采掘工作面覆岩的基本岩石力学参数，包括抗压强度、抗拉强度、弹性模量、泊松比、摩擦角、内聚力参数。
4.根据权利要求2所述的一种近距离煤层开采老空水下泄智能预警系统的预警方法，其特征在于，所述Step6老空水灾害判别预警中，进一步根据Step3实时反馈的工作面回采过程中上覆老空水的参数变化情况进行灾害判别，当上覆老空水的水位、水压、水温参数突然下降时，系统进行深度预警。
5.根据权利要求2所述的一种近距离煤层开采老空水下泄智能预警系统的预警方法，其特征在于：所述Step6中利用工作面上方基岩钻孔实时采集分析装置探测的方法是，将探测设备探进钻孔内，前端摄像头可以获取钻孔内壁图像，设备自带深度数据显示，到达一定位置时，对钻孔进行拍照存储。
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