CN108563746B - 一种矿井瓦斯地质动态成图系统及其构建方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种矿井瓦斯地质动态成图系统的构建方法，包括S1：收集整理瓦斯赋存影响因素考察资料，运用多元数据融合分析技术，考察影响矿井瓦斯赋存影响的主要因素，得到矿井瓦斯赋存规律考察研究结果；S2：筛选确定影响瓦斯含量预测的主控因素，建立瓦斯地质动态编图数学模型；S3：开发地理信息图形服务平台；S4：构建用于实现矿井瓦斯地质资料信息存储、查询、调用与分析功能的瓦斯地质资料信息数据库；S5：在前面研究成果的基础上，实现矿井瓦斯地质图、瓦斯地质资料信息的动态更新；S6：构建形成矿井瓦斯地质动态编图系统管理，瓦斯地质资料。还包括一种矿井瓦斯地质动态成图系统。

Description

一种矿井瓦斯地质动态成图系统及其构建方法

技术领域

本发明属于矿井瓦斯地质图像领域，具体涉及一种矿井瓦斯地质动态成图系统及其构建方法。

背景技术

近年来，伴随着国民经济持续向好态势发展，一次性能源消耗持续增大，面对着我国“富煤、贫油、少气”的能源结构现状，煤炭作为我国主要的化石能量来源，其重要性及战略地位显得尤为重要。煤炭的生产总量及消耗总量仍然保持连年递增的趋势，煤炭消费比重占我国能源消耗结构的比重仍然保持58％以上。因此，煤炭生产作为我国基础发展的支柱产业，其健康、安全、稳定、可持续发展。对提升我国能源综合利用效率，改善能源消耗结构意义重大。

作为世界主要的煤炭生产及消耗国家，2015年我国原煤生产产量为36.2亿吨，预计2020年标准煤生产产量可高达40亿吨，占全世界煤炭生产总量的47.6％。由于我国煤炭资源赋存结构特点，随着煤炭资源开采逐步向深部延伸，煤体瓦斯含量及瓦斯压力呈明显增高趋势，极易造成煤与瓦斯突出、瓦斯窒息等瓦斯安全事故。仅以河南兴峪煤业有限公司“1·4”煤与瓦斯突出事故为例，就造成了12人死亡的重大安全事故惨剧。因此，加强煤与瓦斯资料管理、探明矿井瓦斯赋存情况、制定瓦斯安全事故应急预案对防治矿井瓦斯安全事故发生显得尤为重要。

矿井瓦斯地质图作为煤矿企业瓦斯治理研究成果的综合体现，是研究矿井瓦斯赋存规律、掌握矿井瓦斯分布情况、制定瓦斯抽采方案、两个“四位一体”防突专项措施设计以及瓦斯安全应急方案制定的主要依据之一。近几年来，在矿井瓦斯地质管理领域，尽管煤矿企业对瓦斯安全重视程度的不断提高，在瓦斯安全防治工作中也取得了一定的阶段成果。但并没有从根本上杜绝瓦斯安全事故发生。矿井瓦斯地质图编图、瓦斯基础数据资料管理等仍停留在以纸质媒介为主的传统瓦斯资料汇总阶段，没有充分发挥矿井瓦斯地质图在矿井瓦斯安全防控管理工作中的作用。

发明内容

基于以上因素，为了解决传统瓦斯地质图使用范围窄、更新速度慢、难以有效指导矿井安全生产等技术难题，在矿井瓦斯地质图编图及瓦斯地质资料管理方面，本发明通过利用地理学、图形学、数据库管理及计算机编程技术，提供了一种矿井瓦斯地质动态成图系统及其构建方法。

为达到上述目的，本发明的一方面，提供了如下技术方案：一种矿井瓦斯地质动态成图系统的构建方法，包括以下步骤：

S1：收集整理瓦斯赋存影响因素考察资料，运用多元数据融合分析技术，考察研究影响矿井瓦斯赋存影响的主要因素，得到矿井瓦斯赋存规律考察研究结果；

S2：以矿井采掘工程平面图作为底图，在瓦斯赋存规律考察研究的基础上，筛选确定影响瓦斯含量预测的主控因素，运用数理统计学中的线性回归或插值计算方法，建立瓦斯地质动态编图数学模型；

S3：在GIS软件服务平台的基础上开发形成矿井瓦斯地质动态成图系统的地理信息图形服务平台；

S4：根据矿井瓦斯地质资料特征，结合矿井管理人员使用权限，构建用于实现矿井瓦斯地质资料信息存储、查询、调用与分析功能的瓦斯地质资料信息数据库；

S5：设计开发瓦斯监控计量数据接口，实现井下瓦斯浓度、压力、涌出量等在线监测数据的实时获取，实现矿井瓦斯地质图、瓦斯地质资料信息的动态更新；

S6：构建形成矿井瓦斯地质动态编图系统对瓦斯地质资料进行输入、查询及导出。

进一步，在步骤S1中，通过直接测定方式，得到瓦斯含量与煤层埋深之间的瓦斯资料数据，再剔除无效数据点，利用数学统计分析方法，得到瓦斯含量与煤层埋深关系的二维离散点，添加趋势线，得到瓦斯含量与煤层埋深之间的拟合关系式：

Q＝aD+k (1)

其中Q为瓦斯含量，a为权重值，D为煤层埋深，k为预设常数值。

进一步，在步骤S1中，还利用数学统计分析方法分别考察研究瓦斯含量与煤层厚度、煤层标高、顶底板岩性、异常构造区域及煤质之间的函数关系，得到各影响因素对瓦斯含量赋存影响的权重值，确定影响瓦斯赋存分布的主要因素。

进一步，在步骤S2中，根据影响瓦斯赋存规律不同瓦斯地质因素权重值的大小，选取一个或多个影响因素作为影响瓦斯含量预测的主控因素，运用数理统计学中的多元线性回归分析方法，确定矿井瓦斯地质原始赋存情况。

进一步，在步骤S2中，受采动影响后预测区域瓦斯含量Q(x)满足二阶平稳随机函数，且定义数学期望值为s，协方差函数为c(t)，则存在：

E[Q(x)]＝s (2)

c(t)＝E[Q(x)·Q(x+t)]-s² (3)

设待预测点瓦斯含量Q(x₀)周围m个瓦斯含量值分别为Q(x₁)、Q(x₂)、……、Q(x_m)，则x₀处瓦斯含量值表示为：

式中λ_k为瓦斯含量测点x_k处所占的权重值，在λ_k求解过程中需满足以下两个条件：

①保证Q(x₀)估计量无偏，即：

②函数估计方差满足最小值，即：

应用协方差函数c(t)表示为：

为了确保估计方差取得最小值，应用拉格朗日乘数原理，求导整理可得：

求解上式线性方程组，得到λ_k与拉格朗日常数μ的值，带入公式(4)、(5)求解得到待预测区域瓦斯含量值与估计方差，进而实现利用采掘过程中瓦斯含量测定动态预测临近区域瓦斯含量的赋存情况。

本发明的另一方面，提供了一种矿井瓦斯地质动态成图系统，包括由上述矿井瓦斯地质动态成图系统的构建方法构建而成的系统。

本发明的有益效果在于：1.利用矿井瓦斯分布特征及瓦斯赋存考察结果，结合矿井日常瓦斯监测结果，实现矿井瓦斯地质图自动生成；2.实现断层、陷落柱等瓦斯异常构造区域影响范围自动生成，有利于指导矿井采掘工作部署及防突专项措施设计；3.结合瓦斯赋存研究成果，预测未采掘区域瓦斯赋存情况，指导矿井瓦斯抽采设计；4.利用数据库管理技术，实现矿井瓦斯地质海量数据存储与查询功能，提高瓦斯地质资料应用效率；5.利用地图、地理学技术，实现瓦斯地质信息查询定位功能，有助于技术及管理人员对矿井瓦斯安全事故致灾因素进行超前预判，指导救灾。

本发明针对传统矿井瓦斯地质图编图及瓦斯地质资料管理工作中存在的不足，从问题源头着手。在瓦斯赋存规律研究的基础上，结合数理统计理论及数据库管理技术，利用地图、地理学技术，建立了瓦斯地质动态编图数学模型，实现矿井瓦斯地图动态成图与矿井瓦斯地质预测预报，同时还能够指导矿井防突专项设计、瓦斯抽采方案设计及瓦斯安全事故防控等工作。解决了传统瓦斯地质图使用范围窄、更新速度慢、难以有效指导矿井安全生产等技术难题。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：

图1是本发明实施例所述一种矿井瓦斯地质动态成图系统的整体结构框图；

图2是本发明实施例所述的瓦斯赋存规律考察研究框图；

图3是本发明实施例所述的瓦斯含量与煤层埋深之间的拟合线性关系研究结果示意图；

图4是本发明实施例所述的瓦斯含量与多个瓦斯赋存影响因素之间的空间离散点分布情况图；

图5本发明实施例所述的是巷道迎头瓦斯抽采前后矿井瓦斯地质图动态更新情况示意图；

图6是本发明实施例所述的新增瓦斯含量测定信息之后矿井瓦斯地质图动态更新情况示意图。

具体实施方式

下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。

参见附图1所示：利用本发明的矿井瓦斯地质动态成图系统的构建方法进行矿井瓦斯地质图编制及瓦斯资料管理过程中主要包含以下几个步骤：

1)收集整理瓦斯赋存影响因素考察资料，运用多元数据融合分析技术，考察研究影响矿井瓦斯赋存影响的主要因素，得到矿井瓦斯赋存规律考察研究结果；

2)结合行业标准及瓦斯地质图制图规范，以矿井采掘工程平面图作为底图，在瓦斯赋存规律考察研究的基础上，筛选确定影响瓦斯含量预测的主控因素，运用数理统计学中的线性回归或插值计算方法，建立瓦斯地质动态编图数学模型；

3)在GIS软件服务平台的基础上，结合矿井瓦斯地质管理人员的使用特点，运用计算机编程语言，二次开发形成矿井瓦斯地质动态成图系统的地理信息图形服务平台；

4)根据矿井瓦斯地质资料特征，结合矿井管理人员使用权限，利用SQL Server数据库技术，构建形成瓦斯地质资料信息数据库，实现矿井瓦斯地质资料信息的存储、查询、调用与分析功能；

5)设计开发瓦斯监控计量数据接口，实现井下瓦斯浓度、压力、涌出量等在线监测数据的实时获取，在前面研究成果的基础上，实现矿井瓦斯地质图、瓦斯地质资料信息的动态更新；

6)构建形成矿井瓦斯地质动态编图系统，矿井瓦斯地质管理部门可通过客户端进行瓦斯地质资料的输入、查询及导出功能。同时，可利用外接的绘图仪等硬件设备进行矿井瓦斯地质图的打印与输出管理。

在矿井瓦斯日常管理工作中，本发明不仅能够实现矿井瓦斯地图动态成图与矿井瓦斯地质预测预报，同时还能够指导矿井防突专项设计、瓦斯抽采方案设计及瓦斯安全事故防控等工作。

参见附图2所示：上述步骤1)中瓦斯赋存规律考察研究，通过数理统计分析方法，确定瓦斯含量与煤层埋深、煤层厚度、煤层标高、顶底板岩性、异常构造区域与煤质之间的拟合关系，进而得到瓦斯赋存规律考察研究结果。

以瓦斯含量与煤层埋深之间的关系研究为例：通过直接测定方式，得到瓦斯含量与煤层埋深之间的瓦斯资料数据。紧接着，剔除无效数据点，利用数学统计分析工具，得到如图3所示的瓦斯含量与煤层埋深关系的二维离散点，添加趋势线，得到瓦斯含量与煤层埋深之间的拟合关系式：

Q＝aD+k (1)

式中：Q-瓦斯含量，m³/t；a-权重值；D-煤层埋深，m；k-常数。

同理，分别考察研究瓦斯含量与煤层厚度、煤层标高、顶底板岩性、异常构造区域及煤质之间的函数关系，得到各影响因素对瓦斯含量赋存影响的权重值，确定影响瓦斯赋存分布的主要因素。

上述步骤2具体为：按照《矿井瓦斯地质图编图方法》(AQ/T 1086-2011)、《煤层气(煤矿瓦斯)术语》(GB/T 31537-2013)及地方瓦斯地质图制图规范等相关要求，以矿井采掘工程平面图作为本发明生成矿井瓦斯地质图的底图，运用数理学统计分析方法，建立瓦斯地质动态编图数学模型。具体研究过程中又可进一步细分为：

(1)矿井原始瓦斯地质图编图数学模型研究

在步骤1)瓦斯赋存规律考察研究结果的基础上，根据影响瓦斯赋存规律不同瓦斯地质因素权重值的大小，选取一个或多个影响因素作为影响瓦斯含量预测的主控因素，运用数理统计学中的多元线性回归分析方法，确定矿井瓦斯地质原始赋存情况。

例如：以阳煤集团某矿为例，通过资料收集、整理及分析考察得到，影响矿井瓦斯含量赋存的主控因素有煤层埋深与煤层厚度，则瓦斯含量与影响瓦斯含量赋存主控因素之间可建立多元线性回归数学模型：

Q＝aD+bT+k (2)

上式中：Q-瓦斯含量，m³/t；D-煤层埋深，m；T-煤层厚度，m；a、b–煤层埋深及煤层厚度对瓦斯赋存影响因素的权重值；k-常数。

如果在瓦斯赋存规律考察中存在N组瓦斯测定样本，则上述多元线性回归数学模型可表述为：

紧接着，剔除无效数据点，利用数学统计分析工具，得到如图4所示的瓦斯含量与煤层埋深、煤层厚度关系的空间离散点。利用数理统计学求解方法，求解多元线性回归数学模型，分别得到煤层埋深、煤层厚度对瓦斯含量赋存影响的权重值a、b与常数k分别为：a＝0.018、b＝0.848、k＝-6.997，进而求得矿井原始瓦斯地质赋存情况与影响瓦斯含量赋存主控因素之间的函数关系。

(2)矿井瓦斯地质图动态编图数学模型研究

在矿井瓦斯地质日常管理工作中，随着矿井日常生产推进，煤层瓦斯受采动因素影响，瓦斯含量不断的发生变化，在矿井瓦斯地质图中及时的更新受采动影响后的瓦斯赋存变化情况，对指导矿井采掘工艺部署及瓦斯防突专项设计具有极其重要的指导意义。

在矿井原始瓦斯地质图编图数学模型研究成果的基础上，假设受采动影响后预测区域瓦斯含量Q(x)满足二阶平稳随机函数，且定义数学期望值为s，协方差函数为c(t)，则存在：

E[Q(x)]＝s (4)

c(t)＝E[Q(x)·Q(x+t)]-s² (5)

设待预测点瓦斯含量Q(x₀)周围m个瓦斯含量值分别为Q(x₁)、Q(x₂)、……、Q(x_m)，则x₀处瓦斯含量值可表示为：

式中λ_k为瓦斯含量测点x_k处所占的权重值，在λ_k求解过程中需满足以下两个条件：

①保证Q(x₀)估计量无偏，即：

②函数估计方差满足最小值，即：

应用协方差函数c(t)表示为：

为了确保估计方差取得最小值，应用拉格朗日乘数原理，求导整理可得：

求解上式线性方程组，得到λ_k与拉格朗日常数μ的值，带入公式(6)、(7)求解得到待预测区域瓦斯含量值与估计方差，进而实现利用采掘过程中瓦斯含量测定动态预测临近区域瓦斯含量的赋存情况。

结合瓦斯赋存规律考察研究成果，在瓦斯地质动态编图数学模型及开发形成地理信息图形服务平台成果的基础上，根据井下新增瓦斯含量测点信息及瓦斯监控计量数据接口实时获取的瓦斯抽采计量数据。形成如图5所示的巷道迎头瓦斯抽采前后矿井瓦斯地质图动态更新情况和如图6所示的新增瓦斯含量测点信息之后的矿井瓦斯地质图动态更新情况。

本发明还包括一种矿井瓦斯地质动态成图系统，包括由上述矿井瓦斯地质动态成图系统的构建方法构建而成的系统。

最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。

Claims (4)

1.一种矿井瓦斯地质动态成图系统的构建方法，其特征在于：包括以下步骤：

S1：收集整理瓦斯赋存影响因素考察资料，运用多元数据融合分析技术，考察研究影响矿井瓦斯赋存影响的主要因素，得到矿井瓦斯赋存规律考察研究结果；

在步骤S1中，通过直接测定方式，得到瓦斯含量与煤层埋深之间的瓦斯资料数据，再剔除无效数据点，利用数学统计分析方法，得到瓦斯含量与煤层埋深关系的二维离散点，添加趋势线，得到瓦斯含量与煤层埋深之间的拟合关系式：

Q＝aD+k (1)

其中Q为瓦斯含量，a为权重值，D为煤层埋深，k为预设常数值

S2：以矿井采掘工程平面图作为底图，在瓦斯赋存规律考察研究的基础上，筛选确定影响瓦斯含量预测的主控因素，运用数理统计学中的线性回归或插值计算方法，建立瓦斯地质动态编图数学模型；受采动影响后预测区域瓦斯含量Q(x)满足二阶平稳随机函数，且定义数学期望值为s，协方差函数为c(t)，则存在：

E[Q(x)]＝s (2)

c(t)＝E[Q(x)·Q(x+t)]-s² (3)

设待预测点瓦斯含量Q(x₀)周围m个瓦斯含量值分别为Q(x₁)、Q(x₂)、……、Q(x_m)，则x₀处瓦斯含量值表示为：

式中λ_k为瓦斯含量测点x_k处所占的权重值，在λ_k求解过程中需满足以下两个条件：

①保证Q(x₀)估计量无偏，即：

②函数估计方差满足最小值，即：

应用协方差函数c(t)表示为：

为了确保估计方差取得最小值，应用拉格朗日乘数原理，求导整理可得：

求解上式线性方程组，得到λ_k与拉格朗日常数μ的值，带入公式(4)、(5)求解得到待预测区域瓦斯含量值与估计方差，进而实现利用采掘过程中瓦斯含量测定动态预测临近区域瓦斯含量的赋存情况；

S3：在GIS软件服务平台的基础上开发形成矿井瓦斯地质动态成图系统的地理信息图形服务平台；

S4：根据矿井瓦斯地质资料特征，结合矿井管理人员使用权限，构建用于实现矿井瓦斯地质资料信息存储、查询、调用与分析功能的瓦斯地质资料信息数据库；

S5：设计开发瓦斯监控计量数据接口，实现井下瓦斯浓度、压力、涌出量等在线监测数据的实时获取，实现矿井瓦斯地质图、瓦斯地质资料信息的动态更新；

S6：构建形成矿井瓦斯地质动态编图系统对瓦斯地质资料进行输入、查询及导出。

2.根据权利要求1所述的矿井瓦斯地质动态成图系统的构建方法，其特征在于：在步骤S1中，还利用数学统计分析方法分别考察研究瓦斯含量与煤层厚度、煤层标高、顶底板岩性、异常构造区域及煤质之间的函数关系，得到各影响因素对瓦斯含量赋存影响的权重值，确定影响瓦斯赋存分布的主要因素。

3.根据权利要求2所述的矿井瓦斯地质动态成图系统的构建方法，其特征在于：在步骤S2中，根据影响瓦斯赋存规律不同瓦斯地质因素权重值的大小，选取一个或多个影响因素作为影响瓦斯含量预测的主控因素，运用数理统计学中的多元线性回归分析方法，确定矿井瓦斯地质原始赋存情况。

4.一种矿井瓦斯地质动态成图系统，其特征在于：包括由权利要求1-3任一所述的矿井瓦斯地质动态成图系统的构建方法构建而成的系统。

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