CN109948942A - 一种工作面底板承压水突水风险自动识别方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种工作面底板承压水突水风险自动识别方法，涉及采矿工程技术领域，本方法包括读取煤矿三维地质信息系统中的底板岩层参数和承压水参数，在工作面的支架上安装定位传感器并实时确定工作面位置，时钟控件设置固定的时间间隔自动判断工作位置的变化量，设定工作面风险判断推进步距，建立矿井三维信息风险识别模型，当工作面位置变化量大于或等于风险判断推进步距时调用风险识别模块，根据工作面实际位置处的底板隔水层厚度和承压水的水头值判断工作面当前的风险级别。该方法解决了工作面开采过程中识别工作面底板承压水突水风险时存在的计算结果不准确以及风险识别不及时等问题，还具有自动识别、预警及时、安全高效等优点。

Description

一种工作面底板承压水突水风险自动识别方法

技术领域

本发明涉及采矿工程技术领域，尤其是一种工作面回采过程中底板承压水存在突水风险时自动识别工作面开采风险的方法。

背景技术

煤矿安全生产管理中，正在全面推广风险管控、隐患排查、质量管理三位一体的管理体系，针对煤矿生产过程中存在的各种危险源进行风险管控，具体包括风险识别和分级管控，在工作面推进过程中危险源对工作面安全生产存在一定的风险，生产安全事故发生的可能性和严重性的组合称为风险，风险的识别是关系到煤矿安全生产的关键环节，煤矿安全生产中提出要求，在生产之前需要对风险进行识别和管控。目前在煤矿安全生产中底板承压水突水风险的识别是通过人工查询矿井信息并对风险进行评估，并且风险的识别是不连续的，并具有滞后性，不能实现对风险的实时管控，风险识别效率低、速度慢，容易出现疏漏。

底板承压水是影响煤矿安全生产的重要地质因素，当底板承压水水压增大将导致岩体强度降低，塑性区范围增大容易导致底板突水灾害，针对底板承压水这一危险源，由于工作面距离承压水的距离及隔水层厚度和承压水水头值的差异，导致其工作面底板突水风险级别随工作面回采不断变化，因此需要对底板突水风险进行有效判断。在工作面推进过程中，对底板承压水的突水风险进行识别存在，不同工作面位置处的隔水层厚度和承压水水头不一，传统的计算方法难以满足目前开采强度下的要求，风险识别不及时等问题。煤矿三维地质信息系统平台实现了对煤矿三维地质信息和开采信息的记录。目前对生产过程中工作面的自动风险识别仍未实现自动化，随着数据处理技术和定位信息传输等技术的进步，针对现有技术的不足，需要对现有的底板承压水突水风险识别方法作进一步的改进。

发明内容

为解决识别工作面底板承压水突水风险时计算结果不准确以及风险识别不及时的技术问题，本发明提供了一种工作面底板承压水突水风险自动识别方法，具体技术方案如下。

一种工作面底板承压水突水风险自动识别方法，步骤包括：

A.读取煤矿三维地质信息系统中的底板岩层参数和承压水参数；所述底板岩层参数包括隔水层的厚度；所述承压水参数包括底板承压水实际的水头值；

B.在工作面的支架上安装定位传感器实时确定工作面位置，所述工作面位置具体为工作面的位置坐标其中上端头支架坐标为(x₁，y₁)，下端头支架坐标(x₂，y₂)；

C.将工作面位置传输至地面，建立矿井三维信息风险识别模型；所述三维信息风险识别模型包括三维地质信息模块、工作面实时定位模块和风险计算模块；

D.井下工作面实时定位模块每隔5～15min的时间间隔自动判断工作的位置，并将工作面的位置信息上传至地面三维地质信息模块中保存，设定工作面风险判断推进步距为2～7m；

E.系统每间隔20～40min的时间时钟控件触发工作面实时定位模块判断工作面位置信息，并计算一次工作面推进距离ΔL；所述工作面推进距离具体为其中(x_i，y_i)为当前工作面位置坐标，(x_i-1，y_i-1)为上一次风险判断时工作面的位置坐标；当工作面的推进距离大于或等于设定的工作面风险判断推进步距时，调用风险计算模块；

F.风险计算模块判断工作面当前的风险级别，具体是计算风险指数k，

其中，M为工作面底板隔水层的厚度，P为底板承压水的水头值；所述风险指数k的数值越大工作面存在的风险越大。

优选的是，风险指数k≥0.2时，风险等级为一级风险；所述风险指数0.15≤k<0.2时，风险等级为二级风险；所述风险指数0.1≤k<0.15时，风险等级为三级风险；所述风险指数k＜0.1时无风险。

优选的是，煤矿三维地质信息系统是基于矿山工程测量和矿井地质勘探数据建立的，所述矿井地质勘探包括地球物理勘探和地质钻探；所述煤矿三维地质信息系统还包括全矿井的井巷工程信息。

优选的是，步骤D中时钟控件设置的时间间隔为30min，所述工作面实时定位模块每隔10min自动读取并判断工作面的位置，所述工作面风险判断推进步距的设定值为5m。

进一步优选的是，风险计算模块将计算结果实时传输至风险监控平台；当计算得到的风险指数大于或等于0.1时，风险监控平台通过文字信息推送风险级别。

进一步优选的是，工作面回采巷道内设置有多个定位基站，定位基站采用UWB无线通讯传输工作面位置信息。

还优选的是，煤矿三维地质信息系统是基于矿山工程测量和矿井地质勘探数据建立的，所述矿井地质勘探包括地球物理勘探和地质钻探；所述煤矿三维地质信息系统还包括全矿井的井巷工程信息。

本发明的有益效果包括：

(1)本方法能够实时监测工作面位置信息，通过在工作面端头安装位置传感器，输送至地面数据库，每隔一定的时间周期判断一次工作面位置，位置变化达到工作面风险判断推进步距时，系统自动调用风险计算模块，计算工作面底板承压水突水的风险指数，并判断工作面当前位置的底板突水危险等级。

(2)提出了工作面底板承压水突水的风险指数计算方法，利用工作面实际位置处的底板隔水层厚度和承压水的水头值等参数计算突水风险指数，并根据计算结果判断底板突水的风险等级，从而将风险信息及时传输至风险监控平台，实现对底板突水风险的实时精确识别。

(3)利用煤矿三维地质信息系统读取地质信息和开采信息，读取后仅需要根据后续的工作面位置监测信息即可实现工作面风险的远程实时评估，在回采巷道内布置定位基站并采用UWB无线通讯技术实现精准定位，保证风险识别的准确性。

另外本发明还具有识别周期短、预警及时、安全高效等优点

附图说明

图1是工作面底板承压水突水风险自动识别方法流程图；

图2是某矿工作面定位计算示意图；

图3是工作面和底板承压水层位置关系示意图；

图4是某矿承压水突水风险识别结果曲线图；

图中：1-定位传感器；2-定位基站；3-顶板；4-工作面；5-承压水层。

具体实施方式

结合图1至图4所示，本发明提供的一种工作面底板承压水突水风险自动识别方法，具体实施方式如下。

实施例1

一种工作面底板承压水突水风险自动识别方法，方法流程如图1所示，其中该方法的具体实施步骤包括：

A.读取煤矿三维地质信息系统中的底板岩层参数和承压水参数，底板岩层参数包括底板隔水层的厚度，承压水参数包括底板承压水实际的水头值，实际水头值根据矿井实时监测或者矿井地质钻探记录结果确定。煤矿三维地质信息系统是基于矿山工程测量和矿井地质勘探数据建立的，矿井地质勘探包括地球物理勘探和地质钻探，煤矿三维地质信息系统还包括全矿井的井巷工程信息，包括全矿井的巷道以及工作面的位置和其它参数信息。

B.在工作面的支架上安装定位传感器并实时确定工作面位置，工作面位置具体为工作面的位置坐标其中上端头支架坐标为(x₁，y₁)，下端头支架坐标为(x₂，y₂)。工作面回采巷道内设置有多个定位基站，定位基站采用UWB无线通讯传输工作面位置信息，实现工作面位置的实时精确定位。

C.将工作面位置传输至地面，建立矿井三维信息风险识别模型。三维信息风险识别模型包括三维地质信息模块、工作面实时定位模块和风险计算模块，三维地质信息模块用于记录存储矿井地质情况和巷道及工作面的布置情况，工作面实时定位模块用于确定工作面的实时位置，风险计算模块根据工作面当前位置的实际情况计算工作面风险等级。

D.工作面实时定位模块每隔5～15min的时间间隔自动判断工作的位置，并将工作面的位置信息上传至地面三维信息模块中保存，工作面风险判断推进步距的设定值为2～7m，当达到风险判断推进步距，自动调用风险计算模块。具体的可以是，工作面实时定位模块每隔10min自动读取并判断工作面的位置，工作面风险判断推进步距可以设定为5m，添加的时钟控件可以根据需要设置时间间隔，每隔一定的时间判断一次推进步距是否达到风险判断推进步距。

E.每间隔20～40min的时间时钟控件控制系统读取三维信息模块内的工作面位置信息，并触发工作面实时定位模块计算一次工作面推进距离ΔL，其中(x_i，y_i)为当前工作面位置坐标，(x_i-1，y_i-1)为上一次风险判断时工作面的位置坐标，计算工作面的推进距离具体为当工作面的推进距离大于或等于设定的工作面风险判断推进步距时，调用风险计算模块。

F.风险计算模块判断工作面当前的风险级别，具体是计算风险指数k，

其中，M为工作面底板隔水层的厚度，P为底板承压水的水头值，风险指数k的数值越大工作面存在的风险越大。在计算工作面底板隔水层厚度和底板承压水的水头值时，取工作面当前位置坐标处的地质参数进行计算，保证计算结果的准确性。上述风险指数的计算公式，计算结果符合安全开采要求，并且与实际突水风险相吻合。

底板承压水突水的风险指数k的数值越大工作面存在的风险越大，具体是，风险指数k≥0.2时，风险等级为一级风险；风险指数0.15≤k<0.2时，风险等级为二级风险；风险指数0.1≤k<0.15时，风险等级为三级风险；风险指数k＜0.1时无风险。风险计算模块将计算结果实时传输至风险监控平台，当计算得到的风险指数大于或等于0.1时，风险监控平台推送风险级别，通过文字信息、图像信息或语音信息传递风险预警结果。

本方法的上述步骤可以通过计算机编程实现，结合现有的煤矿三维地质信息系统，实现工作面底板承压水突水的风险自动识别。将该系统应用于矿井安全生产管理的风险管控、隐患排查的环节，保证风险识别的实时性，避免人工计算评价过程中的主观性影响，提高了风险预警排查的效率，为煤矿安全生产提供重要的保障。

实施例2

为进一步的说明本发明提供的一种工作面底板承压水突水风险自动识别方法，本实施例以某矿的工作面推进过程为例，对本方法的计算过程和风险识别过程作详细的描述。

如图2所示，某矿21602工作面，基本形状为矩形，读取煤矿三维地质信息系统的记录数据，工作面的4个拐点坐标分别为：(90924.0，6431.8)，(90995.9，6310.2)，(91550.7，6867.2)，(91620.7，6749.8)；该工作面长度为140m，底板承压水水头压力值约为6MPa，开切眼处的底板隔水层厚度为66m。

步骤A.读取煤矿三维地质信息系统中的底板岩层参数和承压水参数，其中开切眼处的底板隔水层厚度为66m，开切眼处底板承压水水头值为6MPa，读取并记录上述基本信息。煤矿三维地质信息系统是基于矿山工程测量和矿井地质勘探数据建立的，矿井地质勘探包括地球物理勘探和地质钻探，煤矿三维地质信息系统还包括全矿井的井巷工程信息，直接从煤矿三维地质信息系统读取数据准确的数字化描述，从而保证了数据的准确性，并且可以分别对不同的工作面的进行风险识别。

步骤B.在工作面的支架上安装定位传感器实时确定工作面位置，并且在工作面回采巷道内设置有多个定位基站，定位基站采用UWB无线通讯传输工作面位置信息。接收工作面的位置信息，工作面支架一端位置传感器坐标(91053.2，6521.3)；工作面另一端支架的位置传感器坐标(91123.0，6399.7)。计算工作面的位置坐标x坐标(91053.2+91123.0)/2＝91088.1；y坐标(6521.3+6399.7)/2＝6460.5，具体坐标为(91088.1，6460.5)。

步骤C.将工作面位置坐标传输至地面，建立矿井三维信息风险识别模型。三维信息风险识别模型包括三维信息模块、工作面实时定位模块和风险计算模块，具体是在煤矿三维地质信息系统平台的基础上进行编程，添加各模块的算法。

步骤D.增加时钟控件设置的时间间隔为30min，每隔30分钟读取工作面的位置坐标。其中，时钟控件控制系统读取三维信息模块内的存储工作面位置信息，并根据最新的工作面位置信息判断一次推进步距是否达到风险判断推进步距。

步骤E.每间隔30min的时间时钟控件触发工作面实时定位模块计算一次工作面推进距离ΔL，其中上一次风险识别时工作面的位置坐标(x_i-1，y_i-1)具体为(91081.7，6463.0)，当前工作面坐标(x_i，y_i)，计算工作面推进距离具体为由于工作面的推进距离大于或等于设定的工作面风险判断推进步距5m，读取该坐标位置实际底板隔水层的厚度，并调用风险计算模块。

步骤F.风险计算模块判断工作面当前的风险级别，具体是计算风险指数k，

其中，M为当前工作面底板隔水层的厚度为66m，P为底板承压水的水头值当前工作面位置处取6MPa。重复步骤B和步骤F，持续根据工作面所处位置底板的隔水层厚度实时计算判断工作面当前风险级别，并将判断结果通过短信、微信等通讯工具传送至相关负责人。读取该坐标点位置的底板隔水层厚度和底板承压水的水头值，当前工作面位置计算得到风险指数k取值为0.09，因此风险等级为无风险。

随着工作面的推进，其中一次接收工作面的位置信息，工作面支架一端位置传感器坐标(91208.7，6628.8)；工作面另一端支架的位置传感器坐标(91348.3，6558.2)，计算工作面的位置坐标为(91278.5，6593.5)。上一次风险识别时，工作面的中心位置坐标为(91275.8，6588.2)，计算工作面推进距离具体为ΔL大于设定的工作面风险判断推进步距，读取此处的底板隔水层厚度为56m，底板承压水的水头值为6.16MPa，带入计算风险指数k。

由于风险指数k的数值越大工作面存在的风险越大，具体是，由于风险指数0.1≤k<0.15，所以风险等级为三级风险，风险计算模块将计算结果实时传输至风险监控平台，风险监控平台通过文字信息推送风险级别。工作面推进过程中记录的部分风险等级曲线如图3所示。

当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种工作面底板承压水突水风险自动识别方法，其特征在于，步骤包括：

A.读取煤矿三维地质信息系统中的底板岩层参数和承压水参数；所述底板岩层参数包括底板隔水层的厚度；所述承压水参数包括底板承压水实际的水头值；

B.在工作面的支架上安装定位传感器实时确定工作面位置，所述工作面位置具体为工作面的位置坐标其中上端头支架坐标为(x₁，y₁)，下端头支架坐标(x₂，y₂)；

C.将工作面位置传输至地面，建立矿井三维信息风险识别模型；所述三维信息风险识别模型包括三维地质信息模块、工作面实时定位模块和风险计算模块；

D.井下工作面实时定位模块每隔5～15min的时间间隔自动判断工作的位置，并将工作面的位置信息上传至地面三维地质信息模块中保存，设定工作面风险判断推进步距为2～7m；

E.系统每间隔20～40min的时间时钟控件触发工作面实时定位模块判断工作面位置信息，并计算一次工作面推进距离ΔL；所述工作面推进距离具体为其中(x_i，y_i)为当前工作面位置坐标，(x_i-1，y_i-1)为上一次风险判断时工作面的位置坐标；当工作面的推进距离大于或等于设定的工作面风险判断推进步距时，调用风险计算模块；

F.风险计算模块判断工作面当前的风险级别，具体是计算风险指数k，

其中，M为工作面底板隔水层的厚度，P为底板承压水的水头值；所述风险指数k的数值越大工作面存在的风险越大。

2.根据权利要求1所述的一种工作面底板承压水突水风险自动识别方法，其特征在于，所述风险指数k≥0.2时，风险等级为一级风险；所述风险指数0.15≤k<0.2时，风险等级为二级风险；所述风险指数0.1≤k<0.15时，风险等级为三级风险；所述风险指数k＜0.1时无风险。

3.根据权利要求1所述的一种工作面底板承压水突水风险自动识别方法，其特征在于，所述煤矿三维地质信息系统是基于矿山工程测量和矿井地质勘探数据建立的，所述矿井地质勘探包括地球物理勘探和地质钻探；所述煤矿三维地质信息系统还包括全矿井的井巷工程信息。

4.根据权利要求1所述的一种工作面底板承压水突水风险自动识别方法，其特征在于，所述步骤D中时钟控件设置的时间间隔为30min，所述工作面实时定位模块每隔10min自动读取并判断工作面的位置，所述工作面风险判断推进步距的设定值为5m。

5.根据权利要求1或2所述的一种工作面底板承压水突水风险自动识别方法，其特征在于，所述风险计算模块将计算结果实时传输至风险监控平台；当计算得到的风险指数大于或等于0.1时，风险监控平台通过文字信息推送风险级别。

6.根据权利要求1至3任一项所述的一种工作面底板承压水突水风险自动识别方法，其特征在于，工作面回采巷道内设置有多个定位基站，定位基站采用UWB无线通讯传输工作面位置信息。