CN109978413B - 基于瓦斯涌出特征迁移衍生煤体应力状态的评估方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于瓦斯涌出特征迁移衍生煤体应力状态的评估方法，其特征在于：包括以下步骤，S1：建立煤矿井下工作面煤体应力状态指标的计算模型；S2：采集目标煤矿井下瓦斯参数带入所述计算模型，获得目标井下工作面煤体应力状态指标值；S3：将所述目标井下工作面煤体应力状态指标值与煤体应力状态临界值进行比较，若小于所述煤体应力状态临界值，煤体应力正常，可继续实施采掘；若不小于所述煤体应力状态临界值，煤体应力集中，采取预案措施。本发明可对工作面前方煤体应力集中程度周期性变化进行分析和预测，判识的结果真实可靠，煤矿工作人员可以通过对煤体应力周期性的变化情况，提前采取对应安全措施，杜绝安全隐患，降低了煤矿井下工作的危险性。
Description
技术领域
本发明涉及煤矿安全技术领域，尤其涉及基于瓦斯涌出特征迁移衍生煤体应力状态的评估方法。
背景技术
地压、瓦斯和煤体结构被认为是煤与瓦斯突出的三要素，煤体工作面地应力往往难以测定，而煤体工作面地应力状态是部分矿井突出危险性变化的主导因素，即煤体工作面地应力是煤矿井下危险性预测的重要手段。现有的煤体工作面地应力主要通过煤与瓦斯突出日常预测指标测定、井下瓦斯含量快速测定、冲击地压钻屑法测定和煤岩瓦斯动力灾害声发射实时在线监测装备等，但是应用这些方法对冲击地压和煤与瓦斯突出实施的监测是不连续的，存在空白带，容易导致信息遗漏；加之，施工人员技术水平参差不齐，容易受到误差及误操作等问题困扰，或者施钻时可能未必充分掌握软分层位置，施钻不到位等问题；而煤岩瓦斯动力灾害声发射实时在线监测装备需要在煤矿井下新建设一套独立的隔爆本质安全型设备系统，成本投入过大。
因此，亟需一种不新增加井下压力测定设备的情况下，通过煤矿现有井下必备的瓦斯监控系统，实时连续地计算工作面前方瓦斯量指标和瓦斯浓度变化指标，判断工作面前方煤体应力集中状态，从而预防以瓦斯为主导诱因的井下灾害。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种在不新增井下压力测定设备的情况下，通过煤矿现有井下必备的瓦斯监控系统，实时连续地计算工作面前方瓦斯量指标和瓦斯浓度变化指标，判断工作面前方煤体应力集中状态，从而预防以瓦斯为主导诱因的井下灾害的基于瓦斯涌出特征迁移衍生煤体应力状态的评估方法。
本发明提供一种基于瓦斯涌出特征迁移衍生煤体应力状态的评估方法，其特征在于：包括以下步骤，
S1：建立煤矿井下工作面煤体应力状态指标的计算模型；
所述煤矿井下工作面煤体应力状态指标的计算模型为，
其中，Zi表示在第i班次内的煤体应力状态指标，Qi,a,max表示第i个班次内以设定时间a为时间段的瓦斯涌出浓度平均值的最大值，Qb,min表示在设定时间b为时间段内瓦斯涌出浓度平均值的最小值，a表示一个时间段常数，b表示一个时间段常数，且a小于b，
其中，所述班次为井下工作班次，即井下工作排工时间段，如一天24小时内，那时长均分为三个班次，如早班、中班和晚班，或者第一班次、第二班次和第三班次；
S2：采集目标煤矿井下瓦斯参数带入所述计算模型，获得目标井下工作面煤体应力状态指标值；
S3：将所述目标井下工作面煤体应力状态指标值与煤体应力状态临界值进行比较，若小于所述煤体应力状态临界值，煤体应力正常，可继续实施采掘；若大于或等于所述煤体应力状态临界值，煤体应力集中，采取预案措施。
进一步，所述Qi,a,max采用如下方法计算，
Qi,a,max＝MAX(Qi,a,avg) (2)
其中，Qi,a,max表示第i个班次内以设定时间a为时间段的瓦斯涌出浓度平均值的最大值，Qi,a,avg表示第i个班次内以设定时间a为时间段的瓦斯涌出浓度平均值,a表示一个时间段常数，
其中，Qi,a,avg采用如下方法计算，
其中，Qi,a,avg表示第i个班次内设定时间a为时间段的瓦斯涌出浓度的平均值,Xj表示第j分钟瓦斯浓度，a表示一个时间段常数。
进一步，所述Qb,min采用如下方法计算，
Qb,min＝MIN(Qb,avg) (4)
其中，Qb,min表示以设定时间b为时间段的瓦斯涌出浓度平均值的最小值，Qb,avg表示以设定时间b为时间段的瓦斯涌出浓度平均值,
其中，Qb,avg采用如下方法计算，
其中，Qb,avg表示以设定时间b为时间段的瓦斯涌出浓度平均值,Xj表示第j分钟瓦斯浓度，b表示一个时间段常数。
进一步，所述Qi,a,max在每个班次内独立计算，且以设定时间a为区间时间段以一分钟为步长在单个班次内独立计算，所述Qb,min无班次节点限制，且以设定时间b为区间时间段以一分钟为步长在循环班次内连续计算。
本发明的有益效果：其一，本发明通过建立煤矿井下工作面煤体应力状态指标的计算模型，采集目标井下工作面瓦斯浓度或者采集利用瓦斯涌出特征迁移衍生工作面煤体应力状态预警指标Z，通过获取现有的煤矿瓦斯监控系统中的数据进行处理，直接提取工作面瓦斯涌出浓度，滤除了煤层厚度、风量、煤层原始瓦斯含量等因素的影响，也无需风量数据、巷道断面参数，无需测试煤体应力，工艺简单，成本低廉；其二，本发明首次利用瓦斯涌出特征参数对工作面前方煤体应力集中程度周期性变化进行指标计算，实现了对工作面前方煤体应力集中程度周期性变化的非接触式、连续分析与量化预测；其三，本发明利用已采掘区域内工作面的瓦斯涌出反映当前区域煤体的应力集中情况，并以此对工作面前方煤体应力集中程度周期性变化进行分析和预测，判识的结果真实可靠，煤矿工作人员可以通过对煤体应力周期性的变化情况，提前采取对应安全措施，杜绝安全隐患，降低了煤矿工作面的危险性。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述：
图1为本发明的流程图。
图2为本发明的瓦斯涌出组成示意图。
图3为本发明的应力状态指标的计算原理示意图。
图4为本发明的在河南平顶山某大型煤矿工作面煤体应力指标应用效果图。
具体实施方式
以下结合附图说明对本发明做出进一步的说明：
本发明提供的一种基于瓦斯涌出特征迁移衍生煤体应力状态的评估方法，其特征在于：包括以下步骤，
S1：建立煤矿井下工作面煤体应力状态指标的计算模型；
所述煤矿井下工作面煤体应力状态指标的计算模型为，
其中，Zi表示在第i班次内的煤体应力状态指标，Qi,a,max表示第i个班次内每a分钟瓦斯涌出浓度平均值的最大值，Qb,min表示每b分钟瓦斯涌出浓度平均值的最小值，a表示一个时间段常数，b表示一个时间段常数，且a小于b，
其中，所述班次为井下工作班次，即井下工作排工时间段，如一天24小时内，那时长均分为三个班次，如早班、中班和晚班，或者第一班次、第二班次和第三班次；
S2：采集目标煤矿井下瓦斯参数带入所述计算模型，获得目标井下工作面煤体应力状态指标值；
S3：将所述目标井下工作面煤体应力状态指标值与煤体应力状态临界值γ进行比较，若小于所述煤体应力状态临界值，煤体应力正常，可继续实施采掘；若大于或等于所述煤体应力状态临界值，煤体应力集中，采取预案措施。
其中，煤体应力临界值γ通过跟踪采掘过程，根据目标煤矿井下矿压监测、井下动力现象、喷孔等同预警指标Z进行对比考察，随后经多次对比，从而获得煤体应力临界值γ的值。
本发明利用瓦斯涌出特征迁移衍生工作面煤体应力状态预警指标Z，通过获取现有的煤矿瓦斯监控系统中的数据进行处理，直接提取工作面瓦斯涌出浓度，滤除了煤层厚度、风量、煤层原始瓦斯含量等因素的影响，也无需风量数据、巷道断面参数，无需测试煤体应力，工艺简单，成本低廉，而且本发明的算法非常简单，运算复杂度低、运算速度快，可根据煤矿瓦斯监控系统中的实时数据进行工作面的应力集中程度周期性变化的实时在线式监测，而且可实现煤矿应力集中程度的全局动态监测。利用已采掘区域内工作面的瓦斯涌出反映当前区域煤体的应力集中情况，并以此对工作面前方煤体应力集中程度周期性变化进行分析和预测，判识的结果真实可靠，煤矿工作人员可以通过对煤体应力周期性的变化情况，提前采取对应安全措施，杜绝安全隐患，降低了煤矿工作面的危险性。
其中，设定时间中a的取值由工作面作业过程中落煤瞬时瓦斯涌出至瓦斯快速衰退的时间确定，设定时间中b的取值由工作面非落煤作业时间确定。一般情况下，每一个班次的循环作业时间内采掘工作面都存在至少15-30分钟以上的非落煤作业时间，而该时间段的瓦斯涌出可以近似的认为是工作面非落煤期间的煤壁瓦斯涌出q煤壁，因此，在本实施例中，时间常数b的取值为非落煤作业时间段，本领域技术人员可根据实际工况确定时间常数b的取值，在本实施例中时间常数b的取值为15分钟；而当作业落煤瞬时，瓦斯涌出突然增大，瓦斯涌出可认为是新暴露煤壁瓦斯涌出q煤壁(包括临近层瓦斯涌出和本煤层瓦斯涌出)和落煤瓦斯涌出q落煤之和，一般持续5分钟以上，煤壁瓦斯和落煤瓦斯快速衰减，因此，在本实施例中，时间常数a的取值作业落煤瞬时至瓦斯快速衰减的时间段，本领域技术人员可根据实际工况确定时间常数a的取值，在本实施例中时间常数a的取值为5分钟。
如附图2所示，工作面瓦斯包括煤壁瓦斯q煤壁和落煤瓦斯q落煤。当遭遇工作面应力集中区时，停止作业期间抑制瓦斯涌出，Qb,min近似于q煤壁，工作面煤壁瓦斯不容易解吸，煤壁瓦斯涌出小，Qb,min变小，作业落煤瞬时，Qi,a,max近似于q煤壁和q落煤之和，落煤瓦斯q落煤和新暴露的煤壁瓦斯q煤壁大量解吸，Qi,a,max变大，煤矿井下工作面煤体应力状态指标Z变大；当工作面处于非应力集中区时，工作面煤壁瓦斯易解吸，煤壁瓦斯涌出正常，Qb,min高于应力集中时期水平，采掘活动时，落煤瓦斯和新暴露的煤壁瓦斯解吸，Qi,a,max低于应力集中时期水平，当然，Z指标计算结果低于应力集中区域水平。
其中，Qi,a,max在每个班次内独立计算，且以a分钟为区间时间段以一分钟为步长在单个班次内独立计算，Qi,a,max只在当前班次有效，可有效滤除矿井断电试验等情况下造成的干扰数据，所述Qb,min无班次节点限制，且以b分钟为区间时间段以1分钟为步长在循环班次内连续计算，Qb,min跳出班次节点限制，滤除了井下检修班、停工等情况和正常生产瓦斯涌出差异大的影响，使测量结果更加准确。
在本实施例中，所述Qi,a,max采用如下方法计算，
Qi,a,max＝MAX(Qi,a,avg) (2)
其中，Qi,a,max表示第i个班次内每a分钟瓦斯涌出浓度平均值的最大值，Qi,a,avg表示第i个班次内每a分钟瓦斯涌出浓度平均值,a表示一个时间段常数，
其中，Qi,a,avg采用如下方法计算，
其中，Qi,a,avg表示第i个班次内每a分钟瓦斯涌出浓度的平均值,Xj表示第j分钟瓦斯浓度，a表示一个时间段常数。
在本实施例中，所述Qb,min采用如下方法计算，
Qb,min＝MIN(Qb,avg) (4)
其中，Qb,min表示每b分钟瓦斯涌出浓度平均值的最小值，Qb,avg表示每b分钟瓦斯涌出浓度平均值,
其中，Qb,avg采用如下方法计算，
其中，Qb,avg表示每b分钟瓦斯涌出浓度平均值,Xj表示第j分钟瓦斯浓度，b表示一个时间段常数。
在实时计算得到Qb,min和Qi,a,max后，煤矿井下工作面煤体应力状态指标Z值越大，表示工作面前方煤体应力越强。在现场工艺考察过程中，根据实际情况确定Z指标的预警临界值γ，当Z指标大于γ值时，一般认为工作面处于应力集中区，工作面应采取相关预案措施，当Z指标小于γ值时，一般认为工作面处于非应力集中区，工作面可正常采掘。另外，在煤体应力集中区，采掘活动后，煤壁瓦斯和落煤瓦斯解吸量快速衰减，且恢复到较低的解吸量水平，对应Z指标相对较大，与现场实际工况一致。
见附图4所示，将本发明利用工作面瓦斯涌出特征迁移衍生煤体应力状态Z指标的方法应用于河南平顶山某大型煤矿，发现该方法有效反映工作面周期来压的煤体应力变化，从2018年7月9日～2018年8月16日瓦斯监控系统显示瓦斯浓度指标波动不明显，而经计算Z指标指示周期来压峰值在2018年7月14日、2018年7月25日、2018年8月5日、2018年8月15日左右，与煤矿实际情况相符，能够有效预测预报周期来压情况，对采掘工作面煤体应力为主导诱因的灾害进行预警。
本发明的算法非常简单，运算复杂度低、运算速度快，可根据煤矿瓦斯监控系统中的实时数据进行工作面的应力集中程度周期性变化的实时在线式监测，而且可实现煤矿应力集中程度的全局动态监测。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (4)
1.一种基于瓦斯涌出特征迁移衍生煤体应力状态的评估方法，其特征在于：包括以下步骤，
S1：建立煤矿井下工作面煤体应力状态指标的计算模型；
所述煤矿井下工作面煤体应力状态指标的计算模型为，
其中，Zi表示在第i班次内的煤体应力状态指标，Qi,a,max表示第i个班次内以设定时间a为时间段的瓦斯涌出浓度平均值的最大值，Qb,min表示在设定时间b为时间段内瓦斯涌出浓度平均值的最小值，a表示一个时间段常数，b表示一个时间段常数，且a小于b，
其中，所述班次为井下工作班次，即井下工作排工时间段，一天24小时内，那时长均分为三个班次，早班、中班和晚班，或者第一班次、第二班次和第三班次；
S2：采集目标煤矿井下瓦斯参数带入所述计算模型，获得目标井下工作面煤体应力状态指标值；
S3：将所述目标井下工作面煤体应力状态指标值与煤体应力状态临界值进行比较，若小于所述煤体应力状态临界值，煤体应力正常，可继续实施采掘；若大于或等于所述煤体应力状态临界值，煤体应力集中，采取预案措施。
2.根据权利要求1所述的基于瓦斯涌出特征迁移衍生煤体应力状态的评估方法，其特征在于：所述Qi,a,max采用如下方法计算，
Qi,a,max＝MAX(Qi,a,avg) (2)
其中，Qi,a,max表示第i个班次内以设定时间a为时间段的瓦斯涌出浓度平均值的最大值，Qi,a,avg表示第i个班次内以设定时间a为时间段的瓦斯涌出浓度平均值,a表示一个时间段常数，
其中，Qi,a,avg采用如下方法计算，
其中，Qi,a,avg表示第i个班次内设定时间a为时间段的瓦斯涌出浓度的平均值,Xj表示第j分钟瓦斯浓度，a表示一个时间段常数。
3.根据权利要求1所述的基于瓦斯涌出特征迁移衍生煤体应力状态的评估方法，其特征在于：所述Qb,min采用如下方法计算，
Qb,min＝MIN(Qb,avg) (4)
其中，Qb,min表示以设定时间b为时间段的瓦斯涌出浓度平均值的最小值，Qb,avg表示以设定时间b为时间段的瓦斯涌出浓度平均值,
其中，Qb,avg采用如下方法计算，
其中，Qb,avg表示以设定时间b为时间段的瓦斯涌出浓度平均值,Xj表示第j分钟瓦斯浓度，b表示一个时间段常数。
4.根据权利要求1所述的基于瓦斯涌出特征迁移衍生煤体应力状态的评估方法，其特征在于：所述Qi,a,max在每个班次内独立计算，且以设定时间a为区间时间段以一分钟为步长在单个班次内独立计算，所述Qb,min无班次节点限制，且以设定时间b为区间时间段以一分钟为步长在循环班次内连续计算。
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