CN110320142A - 采动煤岩结构和瓦斯变化观测反演系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种采动煤岩结构和瓦斯变化观测反演系统及方法，包括多参量动态获取系统、信号传输线缆、线缆自动收集器、监控主机系统4大部分。多参量动态获取系统用于获取煤岩钻孔内的煤岩结构、煤岩岩性、裂隙图像、钻孔偏移量、瓦斯浓度和瓦斯成分，以及在钻孔内的行进，并通过信号传输线缆传输给监控主机，监控主机实现多参量数据信号的采集、处理、展示以及对多参量动态获取系统驱动模块的控制。线缆自动收集器用于对信号传输线缆的自动回收。该系统对应的方法可对系统获取的多参量信息进行“点‑线‑面‑体”综合分析反演。本发明可广泛应用于矿井瓦斯防治领域采动裂隙场和瓦斯场演化规律的观测和研究方面。

Description

采动煤岩结构和瓦斯变化观测反演系统及方法

技术领域

本发明属于矿井瓦斯防治领域，具体涉及一种采动煤岩结构和瓦斯变化观测反演系统及方法。

背景技术

掌握采动煤岩裂隙和瓦斯分布和演化规律，是矿井卸压瓦斯治理的关键问题。目前，针对采动煤岩裂隙分布的观测方法主要有：钻孔窥视法、钻孔排水法和微震监测法等，对于采动煤岩瓦斯分布的观测方法少有涉及。然而，钻孔窥视法虽能直观展现裂隙，但不能获知相应位置的瓦斯情况，观测结果与实际瓦斯分布存在一定偏差；钻孔排水法只能做到裂隙分布的定性分析，不能得到定量精确的观测结果；微震监测虽能对裂隙的空间分布进行直观展现，但其定位精度受煤岩地质条件影响较大，且仍缺乏对相关瓦斯参数的探测。

因此，探究集采动煤岩结构变化、裂隙变化、岩性变化、瓦斯分布变化和瓦斯成分变化观测为一体的系统尤为必要，且系统通过观测得到的各参数变化，能够自动反演出采动煤岩裂隙场和瓦斯场的空间分布和演化规律，以期为矿井卸压瓦斯治理提供可靠依据。

发明内容

本发明的目的在于弥补现有采动覆岩裂隙和瓦斯探测技术的不足，提供了一种采动煤岩结构和瓦斯变化观测反演系统及方法，通过采集钻孔内的煤岩结构变化信息、岩性变化信息、裂隙变化信息、钻孔轨迹变化信息、瓦斯浓度变化信息和瓦斯成分变化信息等，经过综合分析计算，反演出采动煤岩的裂隙场和瓦斯场分布和演化规律，并可对观测成果进行直观的曲线、二维和三维可视化展示。

为实现以上目的，本发明采用如下的技术方案：

采动煤岩结构和瓦斯变化观测反演系统，包括多参量动态获取系统和监控主机；其中，

多参量动态获取系统，用于获取煤岩钻孔内的煤岩结构、煤岩岩性、裂隙图像、钻孔偏移量、瓦斯浓度和瓦斯成分，以及在钻孔内的行进，并通过信号传输线缆传输给监控主机，监控主机实现多参量数据信号的采集、处理、展示以及对多参量动态获取系统驱动模块的控制。

本发明进一步的改进在于，多参量动态获取系统包括驱动模块以及安装在驱动模块上的多参量信号获取模块、信号转换模块和信号传输模块；其中，多参量信号获取模块包括高清窥视镜头、钻孔测斜装置、瓦斯浓度传感器和气相色谱分析装置，高清窥视镜头用于获取煤岩结构、岩性和裂隙图像，钻孔测斜装置用于获取钻孔偏移量，瓦斯浓度传感器用于获取瓦斯浓度，气相色谱分析装置用于获取瓦斯成分；

信号转换模块实现所获取多种信号由电信号的转换，信号传输模块负责电信号的汇总、集成和输出；电信号经由信号传输线缆进行远距离传输给监控主机。

本发明进一步的改进在于，驱动模块用于实现多参量动态获取系统的行进，包括驱动电机、传动机构、变向机构和行走轮，驱动电机负责提供行进驱动力，传动机构负责驱动力的传递，变向机构负责行进方向的调整，行走轮负责系统在孔内的顺利行进。

本发明进一步的改进在于，监控主机包括数据采集模块、数据处理模块、成果展示模块和行进控制模块，数据采集模块负责所获取电信号的收集、分类和转换成数字信号，数据处理模块实现多种信号的统计、分析和反演计算，成果展示模块实现数据处理结果的曲线、二维、三维可视化显示，行进控制模块负责多参量动态获取系统驱动模块的控制，实现系统在孔内的可控行进。

本发明进一步的改进在于，还包括线缆自动收集器，用于对信号传输线缆的自动回收。

本发明进一步的改进在于，线缆自动收集器包括屈曲弹簧和集线装置，集线装置用于收集信号传输线缆，屈曲弹簧具有良好的屈曲性能，其在放线时受力弯曲，在回线时可自动恢复，利用屈曲弹簧的屈曲性能实现信号传输线缆在集线装置上的自动回收。

采动煤岩结构和瓦斯变化观测反演方法，该方法基于上述采动煤岩结构和瓦斯变化观测反演系统，包括如下步骤：

步骤1：首先通过理论分析、物理模拟、数值模拟或现场观测手段，确定采动覆岩裂隙和瓦斯分布及演化规律，掌握瓦斯聚集区的大致分布区域；

步骤2：在上述预判瓦斯聚集区域布置若干钻孔，钻孔布置位置覆盖预判瓦斯聚集区，通过采动煤岩结构和瓦斯变化观测反演系统的多参量动态获取系统获取各钻孔不同位置覆岩结构、覆岩岩性、裂隙图像、钻孔偏移量、瓦斯浓度和瓦斯成分信息；

步骤3：通过采动煤岩结构和瓦斯变化观测反演系统的监控主机对现场观测所得各钻孔不同位置覆岩结构、覆岩岩性、裂隙图像、钻孔偏移量、瓦斯浓度和瓦斯成分信息进行“由点到线，由线到面，由面到体”的“点-线-面-体”综合统计分析和反演计算，得到采动覆岩裂隙场和瓦斯场空间分布和演化规律；

步骤4：根据上述反演计算得到的采动覆岩裂隙场和瓦斯场空间分布和演化规律，从而判定采动覆岩瓦斯聚集区的空间展布。

与现有技术相比，本发明具有如下有益的技术效果：

本发明提供的采动煤岩结构和瓦斯变化观测反演系统，可对采动煤岩多参量信息进行直接接触式自动采集，所得成果更加精确可靠。集成了采动煤岩结构、岩性、裂隙、孔迹、瓦斯等多参量变化的综合观测，所得成果更加全面具体。系统可对采集到的多种参量信号进行综合反演计算，实现观测结果的直观可视化展示，便于进一步分析研究。系统配备驱动模块和控制模块，可实现系统在孔内的可控行进，免除以往设备人工送孔的不便。系统配备线缆自动回收装置，可实现信号线缆的便捷送线和回收，大大减轻线缆收集过程的工作量。

本发明提供的采动煤岩结构和瓦斯变化观测反演方法，该方法对采动覆岩结构、岩性、裂隙、孔迹、瓦斯等多参量变化信息进行“由点到线，由线到面，由面到体”的“点-线-面-体”综合分析反演，实现观测结果的精确可靠、全面具体、直观可视化展示。

附图说明

图1是本发明采动煤岩结构和瓦斯变化观测反演系统的整体示意图；

图2是本发明多参量动态获取系统示意图；

图3是本发明线缆自动收集器示意图；

图4是本发明监控主机示意图。

附图标记说明：

1、多参量动态获取系统；2、信号传输线缆；3、线缆自动收集器；4、监控主机；5、高清窥视镜头；6、钻孔测斜装置；7、瓦斯浓度传感器；8、气相色谱分析装置；9、信号转换模块；10、信号传输模块；11、驱动电机；12、传动机构；13、变向机构；14、行走轮；15、集线装置；16、屈曲弹簧；17、数据采集模块；18、数据处理模块；19、成果展示模块；20、行进控制模块；21、钻孔。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参照图1、图2、图3和图4，本发明一种采动煤岩结构和瓦斯变化观测反演系统，包括多参量动态获取系统1、信号传输线缆2、线缆自动收集器3和监控主机4四大部分。其中多参量动态获取系统1包括多参量信号获取模块、驱动模块、信号转换模块9、信号传输模块10；多参量信号获取模块包括高清窥视镜头5、钻孔测斜装置6、瓦斯浓度传感器7、气相色谱分析装置8；驱动模块包括驱动电机11、传动机构12、变向机构13、行走轮14。线缆自动收集器3主要包括屈曲弹簧16和集线装置15。监控主机4包括数据采集模块17、数据处理模块18、成果展示模块19和行进控制模块20。

进一步地，通过驱动模块和行进控制模块20将多参量动态获取系统1送入预先布置好的钻孔21中，多参量信号获取模块获取采动煤岩结构、岩性、裂隙、孔迹、瓦斯等多参量变化信息，经信号转换模块9、信号传输模块10将获取的多元信息通过信号传输线缆2送至监控主机4，通过数据采集模块17、数据处理模块18对收到的信号进行转换、收集和计算，最终利用成果展示模块19将所得成果进行直观展现和进一步分析。

进一步地，观测完成后，通过驱动模块和行进控制模块20，将多参量动态获取系统1从孔中退出。同时通过线缆自动收集器3，将孔内线缆在屈曲弹簧16的作用下自动收集到集线装置15上，完成孔内设备和线缆的回收。

为了对本发明进一步了解，现对其工作过程做进一步说明

首先在预设位置布置钻孔21，将多参量动态获取系统1送入孔中，行进至预定观测起始位置后开始观测，随着孔内行进自动动态获取采动煤岩结构、岩性、裂隙、孔迹、瓦斯等多参量变化信息，同时在监控主机4上可查看各参量信息的实时状态。观测完成后，将多参量动态获取系统1沿孔原路径退回，同时自动回收线缆。监控主机4根据采集到的各个钻孔不同孔迹不同位置下的各参量数据进行综合反演计算，得到采动覆岩裂隙场和瓦斯场空间分布和演化规律，据此为矿井卸压瓦斯治理提供有针对性的依据。

本发明一种采动煤岩结构和瓦斯变化观测反演系统及方法，通过对观测区域内采动煤岩空间结构、岩性、裂隙、孔迹、瓦斯等多参量变化信息进行实时动态采集和处理，反演得到多参量信息的空间分布和变化规律，指导矿井瓦斯治理。

本发明一种采动煤岩结构和瓦斯变化观测反演系统及方法，具有多参观测、实时动态、成果可靠、展现直观、操作便捷等特点，弥补了现有采空区覆岩裂隙和瓦斯观测方法单一、缺乏定量化、结果精度有待提升等不足，具有很好的使用前景，可广泛地应用于煤矿瓦斯治理领域，为采空区卸压瓦斯治理提供有针对性的指导。

Claims (7)

1.采动煤岩结构和瓦斯变化观测反演系统，其特征在于，包括多参量动态获取系统(1)和监控主机(4)；其中，

多参量动态获取系统(1)，用于获取煤岩钻孔(21)内的煤岩结构、煤岩岩性、裂隙图像、钻孔偏移量、瓦斯浓度和瓦斯成分，以及在钻孔(21)内的行进，并通过信号传输线缆(2)传输给监控主机(4)，监控主机(4)实现多参量数据信号的采集、处理、展示以及对多参量动态获取系统(1)驱动模块的控制。

2.根据权利要求1所述的采动煤岩结构和瓦斯变化观测反演系统，其特征在于，多参量动态获取系统(1)包括驱动模块以及安装在驱动模块上的多参量信号获取模块、信号转换模块(9)和信号传输模块(10)；其中，多参量信号获取模块包括高清窥视镜头(5)、钻孔测斜装置(6)、瓦斯浓度传感器(7)和气相色谱分析装置(8)，高清窥视镜头(5)用于获取煤岩结构、岩性和裂隙图像，钻孔测斜装置(6)用于获取钻孔偏移量，瓦斯浓度传感器(7)用于获取瓦斯浓度，气相色谱分析装置(8)用于获取瓦斯成分；

信号转换模块(9)实现所获取多种信号由电信号的转换，信号传输模块(10)负责电信号的汇总、集成和输出；电信号经由信号传输线缆(2)进行远距离传输给监控主机(4)。

3.根据权利要求2所述的采动煤岩结构和瓦斯变化观测反演系统，其特征在于，驱动模块用于实现多参量动态获取系统(1)的行进，包括驱动电机(11)、传动机构(12)、变向机构(13)和行走轮(14)，驱动电机(11)负责提供行进驱动力，传动机构(12)负责驱动力的传递，变向机构(13)负责行进方向的调整，行走轮(14)负责系统在孔内的顺利行进。

4.根据权利要求3所述的采动煤岩结构和瓦斯变化观测反演系统，其特征在于，监控主机(4)包括数据采集模块(17)、数据处理模块(18)、成果展示模块(19)和行进控制模块(20)，数据采集模块(17)负责所获取电信号的收集、分类和转换成数字信号，数据处理模块(18)实现多种信号的统计、分析和反演计算，成果展示模块(19)实现数据处理结果的曲线、二维、三维可视化显示，行进控制模块(20)负责多参量动态获取系统(1)驱动模块的控制，实现系统在孔内的可控行进。

5.根据权利要求1所述的采动煤岩结构和瓦斯变化观测反演系统，其特征在于，还包括线缆自动收集器(3)，用于对信号传输线缆(2)的自动回收。

6.根据权利要求5所述的采动煤岩结构和瓦斯变化观测反演系统，其特征在于，线缆自动收集器(3)包括屈曲弹簧(16)和集线装置(15)，集线装置(15)用于收集信号传输线缆(2)，屈曲弹簧(16)具有良好的屈曲性能，其在放线时受力弯曲，在回线时能够自动恢复，利用屈曲弹簧(16)的屈曲性能实现信号传输线缆(2)在集线装置(15)上的自动回收。

7.采动煤岩结构和瓦斯变化观测反演方法，其特征在于，该方法基于权利要求3所述的采动煤岩结构和瓦斯变化观测反演系统，包括如下步骤：

步骤1：首先通过理论分析、物理模拟、数值模拟或现场观测手段，确定采动覆岩裂隙和瓦斯分布及演化规律，掌握瓦斯聚集区的大致分布区域；

步骤2：在上述预判瓦斯聚集区域布置若干钻孔，钻孔布置位置覆盖预判瓦斯聚集区，通过采动煤岩结构和瓦斯变化观测反演系统的多参量动态获取系统获取各钻孔不同位置覆岩结构、覆岩岩性、裂隙图像、钻孔偏移量、瓦斯浓度和瓦斯成分信息；

步骤3：通过采动煤岩结构和瓦斯变化观测反演系统的监控主机对现场观测所得各钻孔不同位置覆岩结构、覆岩岩性、裂隙图像、钻孔偏移量、瓦斯浓度和瓦斯成分信息进行“由点到线，由线到面，由面到体”的“点-线-面-体”综合统计分析和反演计算，得到采动覆岩裂隙场和瓦斯场空间分布和演化规律；

步骤4：根据上述反演计算得到的采动覆岩裂隙场和瓦斯场空间分布和演化规律，从而判定采动覆岩瓦斯聚集区的空间展布。