CN110334432B - 一种采动覆岩瓦斯聚集区空间辨识方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种采动覆岩瓦斯聚集区空间辨识方法和系统，首先采用理论分析、物理模拟、数值模拟或现场观测等手段，获得采动覆岩瓦斯聚集区的大致分布；然后在预判瓦斯聚集区域布置若干观测钻孔，观测采空区覆岩结构变化信息、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、瓦斯成分变化信息等；而后借助采动覆岩瓦斯聚集区辨识软件系统，经过“点‑线‑面‑体”综合统计、分析和计算，反演出采动覆岩瓦斯场分布和演化规律；最后依据反演结果判定瓦斯聚集区的空间位置，并可对所得成果进行直观的曲线、二维和三维可视化动态展示。本发明可广泛地应用于矿井瓦斯防治领域的采动覆岩裂隙场和瓦斯场分布和演化规律的研究方面。

Description

一种采动覆岩瓦斯聚集区空间辨识方法和系统

技术领域

本发明属于矿井瓦斯防治领域，具体涉及一种采动覆岩瓦斯聚集区空间辨识方法和系统。

背景技术

掌握采动覆岩瓦斯聚集区的空间分布和演化规律，是矿井卸压瓦斯治理的关键问题。目前，针对采动覆岩瓦斯分布的研究，主要是采用理论模拟、数值模拟、物理模拟或现场监测的方法，依据所得覆岩裂隙带的分布进行分析判断，缺乏对相关瓦斯参数的直接观测和分析。而裂隙和瓦斯分布虽具有一定的相关性，但仍不足以完全准确确定瓦斯聚集区的实际分布情况，且目前少有通过现场观测手段和相应辨识方法得到瓦斯聚集区的三维空间展布和四维时空演化规律。

因此，探究采动覆岩裂隙和瓦斯参数的直接观测方法和空间辨识方法尤为必要，掌握采动覆岩瓦斯富集区的实际空间分布，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瓦斯分布观测和辨识方法的不足，提供了一种采动覆岩瓦斯聚集区空间辨识方法和系统，通过采集采空区覆岩结构变化信息、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、瓦斯成分变化信息等，经过综合分析计算，反演出采动覆岩瓦斯场分布和演化规律，并可对观测成果进行直观的曲线、二维和三维可视化动态展示。

本发明采用如下技术方案来实现的：

一种采动覆岩瓦斯聚集区空间辨识方法，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，通过现场观测手段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。

本发明进一步的改进在于，步骤1中的理论分析采用目前煤炭行业内已提出的多种采动覆岩裂隙和瓦斯分布规律的分析模型和方法；物理模拟根据工作面地质和开采条件，搭建固-气耦合物理相似模型，进行采动裂隙场-瓦斯场耦合规律研究；数值模拟采用FLAC、UDEC、RFPA煤岩裂隙计算软件和FLUENT、COMSOL流体计算软件，进行采动裂隙场-瓦斯场耦合规律研究；现场观测采用微震监测或钻孔窥视方法，研究采动裂隙演化规律。

本发明进一步的改进在于，步骤2中的现场观测手段采用窥视的方法获得覆岩结构、覆岩岩性、裂隙图像信息，采用测斜仪获得钻孔偏移量信息，采用瓦斯浓度传感器获得瓦斯浓度信息，采用气相色谱仪获得瓦斯成分信息。

本发明进一步的改进在于，步骤3中的反演方法通过对获得的多参量信息进行三维空间和四维时空分布云图的绘制。

本发明进一步的改进在于，步骤4中根据步骤3获得的三维空间和四维时空分布云图，综合判定采动覆岩瓦斯聚集区的空间分布。

一种采动覆岩瓦斯聚集区空间辨识系统，该系统基于上述一种采动覆岩瓦斯聚集区空间辨识方法，包括：

采场模型建立模块，包括工作面模型建立模块和观测钻孔模型建立模块，用于根据工作面煤岩层分布、层厚、工作面尺寸、观测钻孔布设参数，建立采场的三维可视化模型，其中，钻孔布设参数包括孔径、孔长、倾角和方位角；

多参量信息录入模块，包括覆岩参数录入模块、钻孔参数录入模块和瓦斯参数录入模块；覆岩参数录入模块用于录入观测所得覆岩结构、覆岩岩性、裂隙分布参量信息，钻孔参数录入模块用于录入实际钻孔偏移量信息，瓦斯参数录入模块用于录入瓦斯浓度、瓦斯成分信息；

数据处理模块，包括数据统计模块、数据分析模块和数据反演模块；数据统计模块用于对所录入多参量信息的分类和汇总，数据分析模块用于对所录入多参量信息的各种回归分析、趋势分析、预测分析，数据反演模块用于对所录入多参量信息的反演计算；

成果展示模块，包括曲线生成模块、二维图生成模块和三维图生成模块；曲线生成模块实现数据处理结果的多种曲线绘制，二维图生成模块实现数据处理结果的投影图、剖面图二维图形的生成，三维图生成模块实现数据处理结果的三维空间可视化显示。

本发明具有如下有益的技术效果：

本发明提供的一种采动覆岩瓦斯聚集区空间辨识方法，该方法所依据采动覆岩多参量信息数据均为直接接触式观测所得，得到的最终成果更加精确可靠。该方法集成了采动覆岩结构、岩性、裂隙、孔迹、瓦斯等多参量变化的“点-线-面-体”综合分析辨识，所得成果更加全面具体。本发明可对获取到的多种参量信息进行综合反演计算，实现观测结果的直观可视化展示，便于进一步分析研究。

本发明提供的一种采动覆岩瓦斯聚集区空间辨识系统，该系统可根据现场观测结果自动反演绘制采动裂隙场和瓦斯场的空间分布云图，数据处理便捷直观。该系统采用模块化设计方式，交互性强，便于操作。该系统可根据现场实际建立采场模型，所得反演结果基于采场模型进行生成，便于瓦斯聚集区实际位置的可视化展示。

附图说明

图1是本发明一种采动覆岩瓦斯聚集区空间辨识方法的流程示意图；

图2是本发明辨识方法示意图；

图3是本发明一种采动覆岩瓦斯聚集区空间辨识系统的架构示意图。

图中：1、预判瓦斯聚集区；2、观测钻孔；3、观测点。

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。

如图1和图2所示，本发明提供的一种采动覆岩瓦斯聚集区空间辨识方法，包括以下步骤：

1)首先通过理论分析、物理模拟、数值模拟或现场观测等手段，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。该步骤中理论分析可采用目前煤炭行业内已提出的多种采动覆岩裂隙和瓦斯分布规律的分析模型和方法；物理模拟根据工作面地质和开采条件，搭建固-气耦合物理相似模型，进行采动裂隙场-瓦斯场耦合规律研究；数值模拟可采用FLAC、UDEC、RFPA等煤岩裂隙计算软件和FLUENT、COMSOL等流体计算软件，进行采动裂隙场-瓦斯场耦合规律研究；现场观测可采用微震监测或钻孔窥视等方法，研究采动裂隙演化规律。

2)在上述预判瓦斯聚集区域布置若干钻孔，钻孔布置位置基本覆盖预判瓦斯聚集区，通过现场观测手段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、瓦斯成分等信息。现场观测手段一般采用窥视的方法获得覆岩结构、覆岩岩性、裂隙图像等信息，采用测斜仪获得钻孔偏移量信息，采用瓦斯浓度传感器获得瓦斯浓度信息，采用气相色谱仪获得瓦斯成分信息。

3)通过对上述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、瓦斯成分等信息进行“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。反演方法主要通过对获得的多参量信息进行三维空间和四维时空分布云图的绘制。

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。

如图3所示，本发明提供的一种采动覆岩瓦斯聚集区空间辨识系统，主要用于采动覆岩瓦斯聚集区的自动反演和展示，系统包括采场模型建立、多参量信息的录入和自动反演展示等功能，包括：

采场模型建立模块，包括工作面模型建立模块和观测钻孔模型建立模块，用于根据工作面煤岩层分布、层厚、工作面尺寸、观测钻孔布设(孔径、孔长、倾角、方位角)等参数，建立采场的三维可视化模型。

多参量信息录入模块，包括覆岩参数录入模块、钻孔参数录入模块和瓦斯参数录入模块。覆岩参数录入模块用于录入观测所得覆岩结构、覆岩岩性、裂隙分布等参量信息，钻孔参数录入模块用于录入实际钻孔偏移量信息，瓦斯参数录入模块用于录入瓦斯浓度、瓦斯成分等信息。

数据处理模块，包括数据统计模块、数据分析模块和数据反演模块。数据统计模块用于对所录入多参量信息的分类和汇总，数据分析模块用于对所录入多参量信息的各种回归分析、趋势分析、预测分析等，数据反演模块用于对所录入多参量信息的反演计算。

成果展示模块，包括曲线生成模块、二维图生成模块和三维图生成模块。曲线生成模块实现数据处理结果的多种曲线绘制，二维图生成模块实现数据处理结果的投影图、剖面图等二维图形的生成，三维图生成模块实现数据处理结果的三维空间可视化显示。

实施例

参照图1、图2、图3，本发明一种采动覆岩瓦斯聚集区空间辨识方法，采用理论分析、物理模拟、数值模拟或现场观测等方法，确定采动覆岩瓦斯聚集区1的大致分布区域1；在预判瓦斯聚集区布置若干观测钻孔2，观测钻孔2尽可能覆盖预判瓦斯聚集区1，在孔内预定的观测点3采集覆岩结构、岩性、裂隙、孔迹、瓦斯等多参量变化信息；采用采动覆岩瓦斯聚集区辨识软件系统，通过建立采场模型、录入多参量信息、数据处理，对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“点-线-面-体”综合反演计算，并将处理结果以曲线、二维、三维图等形式进行展现；分析得到采动覆岩裂隙场和瓦斯场空间分布和演化规律，判定采动覆岩瓦斯聚集区的空间位置，据此为矿井卸压瓦斯治理提供有针对性的依据。

本发明一种采动覆岩瓦斯聚集区空间辨识方法，通过对观测区域内采动覆岩空间结构、岩性、裂隙、孔迹、瓦斯等多参量变化信息进行处理，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。

本发明一种采动覆岩瓦斯聚集区空间辨识方法，具有多参融合、成果可靠、展现直观等特点，弥补了现有采空区覆岩裂隙和瓦斯辨识方法单一、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 (6)

1.一种采动覆岩瓦斯聚集区空间辨识方法，其特征在于，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，通过现场观测手段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。

2.根据权利要求1所述的一种采动覆岩瓦斯聚集区空间辨识方法，其特征在于，步骤1中的理论分析采用目前煤炭行业内已提出的多种采动覆岩裂隙和瓦斯分布规律的分析模型和方法；物理模拟根据工作面地质和开采条件，搭建固-气耦合物理相似模型，进行采动裂隙场-瓦斯场耦合规律研究；数值模拟采用FLAC、UDEC、RFPA煤岩裂隙计算软件和FLUENT、COMSOL流体计算软件，进行采动裂隙场-瓦斯场耦合规律研究；现场观测采用微震监测或钻孔窥视方法，研究采动裂隙演化规律。

3.根据权利要求1所述的一种采动覆岩瓦斯聚集区空间辨识方法，其特征在于，步骤2中的现场观测手段采用窥视的方法获得覆岩结构、覆岩岩性、裂隙图像信息，采用测斜仪获得钻孔偏移量信息，采用瓦斯浓度传感器获得瓦斯浓度信息，采用气相色谱仪获得瓦斯成分信息。

4.根据权利要求1所述的一种采动覆岩瓦斯聚集区空间辨识方法，其特征在于，步骤3中的反演方法通过对获得的多参量信息进行三维空间和四维时空分布云图的绘制。

5.根据权利要求4所述的一种采动覆岩瓦斯聚集区空间辨识方法，其特征在于，步骤4中根据步骤3获得的三维空间和四维时空分布云图，综合判定采动覆岩瓦斯聚集区的空间分布。

6.一种采动覆岩瓦斯聚集区空间辨识系统，其特征在于，该系统基于权利要求1至5中任一项所述的一种采动覆岩瓦斯聚集区空间辨识方法，包括：

采场模型建立模块，包括工作面模型建立模块和观测钻孔模型建立模块，用于根据工作面煤岩层分布、层厚、工作面尺寸、观测钻孔布设参数，建立采场的三维可视化模型，其中，钻孔布设参数包括孔径、孔长、倾角和方位角；

多参量信息录入模块，包括覆岩参数录入模块、钻孔参数录入模块和瓦斯参数录入模块；覆岩参数录入模块用于录入观测所得覆岩结构、覆岩岩性、裂隙分布参量信息，钻孔参数录入模块用于录入实际钻孔偏移量信息，瓦斯参数录入模块用于录入瓦斯浓度、瓦斯成分信息；

数据处理模块，包括数据统计模块、数据分析模块和数据反演模块；数据统计模块用于对所录入多参量信息的分类和汇总，数据分析模块用于对所录入多参量信息的各种回归分析、趋势分析、预测分析，数据反演模块用于对所录入多参量信息的反演计算；

成果展示模块，包括曲线生成模块、二维图生成模块和三维图生成模块；曲线生成模块实现数据处理结果的多种曲线绘制，二维图生成模块实现数据处理结果的投影图、剖面图二维图形的生成，三维图生成模块实现数据处理结果的三维空间可视化显示。

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