CN112360562A - 一种掘进工作面煤与瓦斯突出危险区域电位精细判识方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种掘进工作面煤与瓦斯突出危险区域电位精细判识方法，适用于煤矿井下使用。在突出煤层掘进工作面迎头前方实体煤中施工钻孔，布置电位测线；利用测线上多点电位数据进行反演成像，得到迎头前方两条测线之间待判识实体煤区域内电位空间分布特征；基于模糊数学方法统计电位反演值的隶属度函数，确定危险临界值；利用电位反演临界值对待判识区域的局部突出危险区域进行精细判识，并结合实例分析对判识结果进行验证。该方法能够实现对掘进迎头前方小范围的局部突出危险区域及危险程度进行精细判识与分级预警，从而采取针对性的突出防治对策，保障煤矿安全生产，具有判识结果精细、施工过程近似“无损”的优势。
Description
技术领域
本发明涉及一种电位精细判识方法，尤其适用于煤矿井下使用的一种掘进工作面煤与瓦斯突出危险区域电位精细判识方法。
背景技术
我国煤炭资源逐渐进入深部开采阶段，面临着高瓦斯压力、高地应力及复杂采场环境的开采难题，煤与瓦斯突出等煤岩动力灾害日趋严峻及复杂，一旦发生则能够造成严重的人身伤亡与财产损失。对煤与瓦斯突出灾害危险区域的精细判识是突出事故监测预警的基础。常规的煤与瓦斯突出预测方法首先针对某一区域的煤层或者局部的工作面进行突出预测，其范围较大，往往高达几十米甚至一百多米。在掘进过程中，一般根据现场地质与生产条件，采取钻屑量、瓦斯涌出初速等敏感指标，对煤与瓦斯突出危险进行校验。然而常规方法具有一定的抽检性质，所包含的信息量有限，监测范围不够精细，且存在一定的漏报、误报情况，监测结果的准确率及可靠性有待进一步提高。
煤与瓦斯突出等动力灾害的孕育发展，本质上是煤体损伤破坏演化加剧的过程。研究表明，在应力与瓦斯的耦合作用下，煤体发生变形破坏过程能够产生电位信号的响应。电位空间分布的异常特征能够定位识别含瓦斯煤体发生动力破坏的危险区域，因此本发明试图从电位空间分布特征角度对现场煤与瓦斯可能发生的危险区域进行定位识别。电位反演方法通过测试煤岩体边界测点电位分布，进行反演计算，进而揭示煤岩体内部电位场空间分布特征的层析成像结果。该方法不需直接在煤岩体内部布置电极，是一种近似“无损”的测试方法，且反演精度较高，能够对临界危险区域进行精细划分。
发明内容
为了解决上述技术的不足之处，提供一种步骤简单，识别效果好的掘进工作面煤与瓦斯突出危险区域电位精细判识方法。
为了实现上述目的，本发明的掘进工作面煤与瓦斯突出危险区域电位精细判识方法，其特征在于：首先在与判断存在突出危险的掘进工作面迎头2实体煤两侧分别施工两条电位测试钻孔3，在两条电位测试钻孔3中分别布置电位测线；然后利用电位测线上多点电位测点4的数据进行反演成像，得到工作面迎头2前方两条电位测线之间的实体煤区域内的电位反演云图分布特征；最后利用模糊数学方法统计云图中电位反演值的隶属度函数，确定危险临界值；利用电位反演临界值对待判识区域的局部突出危险区域进行精细判识。
具体步骤如下：
a、根据工作面煤层实际生产条件初步判断是否存在煤与瓦斯突出危险，若存在则对掘进工作面迎头前方实体煤中真正具有突出危险的局部区域进行精细判识，并采取针对性突出防治对策；
b、在掘进工作面沿着掘进方向1向工作面迎头2的实体煤中施工两条电位测试钻孔3，在两条电位测试钻孔3中布置电位测线，并在电位测线上的不同位置布置电位测点4测试电位信号数据，此时两条电位测线之间的实体煤区域即为待判识区域5；
c、利用电位测线数据进行双边反演层析成像，得到迎头前方两条电位测线之间待判识区域5的电位反演云图空间分布特征信息；
d、统计反演云图空间分布特征信息中所有网格点6的电位反演值分布，得到反演值的隶属度函数，根据安全生产的科学准则预设隶属度阈值，根据隶属度阈值得到反映不同突出危险程度的电位反演临界值；
e、基于电位反演临界值对掘进工作面迎头前方待判识区域5中的局部突出危险区域进行识别划分，并结合判识结果提出针对性突出防治对策。
两条电位测试钻孔3平行且垂直于迎头2的倾向深入前方实体煤中，同一电位测线上等间距布置多个电位测点4的正极，负极并联，布置于负极布置于掘进迎头后方结构稳定的实体煤中，测试不同测点的正极与公共电极之间的电位差值，即相对值作为电位值。
利用每条电位测线的电位数据进行层析成像，得到不同网格点6的电位反演值，然后利用差值算法得到整个待判识区域5的电位反演云图。再将双边的电位反演结果加权叠加，最后得到修正后的反演结果，对于任意网格点S，其电位反演值的修正结果ηd通过下式计算得到：
式中：ηd——修正后网格点S的电位反演值；
r1——网格点S到待判识区域上边界测线中点C1的距离；
r2——网格点S到待判识区域下边界测点中点C2的距离；
η1——网格点S基于上边测线电位数据反演结果得到的电位反演值；
η2——网格点S基于下边测线电位数据反演结果得到的电位反演值；
电位反演值为概率值，表示该网格点6存在损伤破坏的概率大小，即突出危险性的大小。
对危害识别划分并提出针对性突出防治对策，具体为：
以两组电位反演临界值对待判识区域5进行精细划分，通过预设隶属度阈值来划分正常的绿色区域、危险程度较低的黄色危险区域7和危险程度较高的红色危险区域8，所述隶属度阈值具体为隶属度和对应的电位反演临界值参数，其中红色区域8危险程度高，作为煤与瓦斯突出防治的重点区域；黄色区域7覆盖面积大，作为重要参考能有效地避免漏判，对不同危险区域采取针对性对策，提高突出防治效率，保障煤矿安全生产；
当掘进工作面迎头前方待判识区域出现红色危险时，应立刻停止采掘作业，并采取消突措施，然后进行校验，直至该区域内电位反演值低于红色危险区域8的预设隶属度和对应的电位反演值参数；当出现黄色危险区域7时，应将其视为可能发生突出灾害的一般危险区域，根据实际生产情况采取适当措施，时刻警惕突出现象的发生；将两者结合起来，对煤与瓦斯突出危险区域进行精细判识，并采取差异化防治措施，能够更加高效地保障煤矿安全生产。
校验具体方法为：在迎头前方实体煤待判识区域5中施工多个校验钻孔9，记录网格点6对应位置的钻屑量与瓦斯涌出初速度；当钻屑量或瓦斯涌出初速度指标达到或超过预警临界值时，记录该网格点6为突出危险点；当校验钻孔9钻进过程出现喷孔或顶钻现象时，也应记录该网格点6为突出危险点。
有益效果：
该方法能够对掘进工作面前方实体煤突出危险区域进行精细判识与分级预警，从而采取针对性突出防治对策，更加高效地保障煤矿安全生产，特别适用于工作面煤层整体具有煤与瓦斯突出危险且亟需精细识别其中局部突出危险区域的掘进工作面煤层。
具体包括以下优点：
该方法基于电位反演结果进行划分，电位云图的分辨精度可高于1m，能够对突出危险区域实现精细判识，远高于常规手段；。
判识结果中的黄色危险区域覆盖面积大，能够判识大多数危险区域，从而有效避免漏判；红色危险区域危险程度高且覆盖面积小，判识准确率高，有利于对突出危险区域实现分级预警与针对性防治；
该方法仅需在待测区域边界施工电位测试钻孔，不需在待掘实体煤内部施工钻孔，测试过程对原煤结构损伤小，减少了“诱突”的可能。
附图说明
图1为本发明的掘进工作面前方实体煤中电位测线布置示意图；
图2为本发明的待判识区域电位反演云图网格点划分示意图；
图3为本发明的电位反演值隶属度函数统计结果示意图；
图4为本发明的待判识区域突出危险区域判识结果示意图；
图5为本发明的实例中电位反演值隶属度函数统计结果；
图6为本发明的实例中待判识区域突出危险区域判识结果；
图7为本发明的待判识区域校验钻孔布置示意图；
图中，1-掘进方向；2-掘进迎头；3-电位测试钻孔；4-电位测点；5-迎头前方实体煤待判识区域；6-网格点；7-黄色危险区域；8-红色危险区域；9-掘进工作面煤层；10-校验钻孔。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。
如图1所示，本发明的掘进工作面煤与瓦斯突出危险区域电位精细判识方法，其特征在于：首先在与判断存在突出危险的掘进工作面迎头2实体煤两侧分别施工两条电位测试钻孔3，在两条电位测试钻孔3中分别布置电位测线；然后利用电位测线上多点电位测点4的数据进行反演成像，得到工作面迎头2前方两条电位测线之间的实体煤区域内的电位反演云图分布特征；最后利用模糊数学方法统计云图中电位反演值的隶属度函数，确定危险临界值；利用电位反演临界值对待判识区域的局部突出危险区域进行精细判识。
具体包括如下步骤
a、根据工作面煤层9实际生产条件，确定其是否存在煤与瓦斯突出危险。若存在，则按照下述步骤对掘进工作面前方实体煤中真正具有突出危险的区域进行精细判识，并采取针对性对策进行防治。在步骤a中，根据《煤矿安全规程》及《煤与瓦斯突出防治》最新版相关规定确定掘进工作面煤层是否具有突出危险，具体方法为：
a1、若待掘煤层实际发生的瓦斯动力现象基本符合煤与瓦斯突出特征或抛出煤的吨煤瓦斯涌出量≥30m3(或者为本区域煤层瓦斯含量2倍以上)的，应确定为具有煤与瓦斯突出危险；
a2、若煤层鉴定指标实测值满足：原始煤层瓦斯相对压力P≥0.74MPa，且煤的坚固性系数f≤0.5，且煤的破坏类型为Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ之一，且煤的瓦斯放散初速度Δp≥10，应确定为具有煤与瓦斯突出危险；
a3、若钻孔施工过程中发生喷孔、顶钻等明显突出前兆时，应确定为具有煤与瓦斯突出危险；
a4、当以上步骤均不能判定煤层是否具有煤与瓦斯突出危险时，应由符合鉴定资质的机构结合直接发测定的参数进行确定。
b、沿着掘进方向1在掘进工作面迎头2前方实体煤中布置电位测试钻孔3。如图1所示，两条电位测试钻孔3平行且垂直于迎头2的倾向深入前方实体煤中，测试多个电位测点4的数据；同一电位测线上等间距布置多个电位测点4的正极；负极并联，布置于负极布置于掘进迎头后方结构稳定的实体煤中(距离迎头约100m)，测试不同测点的正极与公共电极之间的电位差值，即相对值作为电位值。
c、利用电位测线数据进行双边反演层析成像，得到迎头前方两条测线所夹实体煤区域(待判识区域5)的电位反演云图空间分布特征。如图2所示，利用每条电位测线的电位数据进行层析成像，得到不同网格点6的电位反演值，然后利用差值算法得到整个待判识区域5的电位反演云图。再将双边的电位反演结果加权叠加，最后得到修正后的反演结果。对于任意网格点S，其电位反演值的修正结果ηd可由下式计算得到：
式中：ηd——修正后点S的电位反演值；
r1——点S到上边界测线中点C1的距离；
r2——点S到下边界测点中点C2的距离；
η1——上边界测线反演结果中点S的电位反演值；
η2——下边界测线反演结果中点S的电位反演值。
电位反演值为概率值，表示该网格点6存在损伤破坏的概率大小，即突出危险性的大小。
d、统计得到电位反演云图中反演值的隶属度函数，确定反映不同突出危险程度的电位反演临界值。如图3所示，首先统计得到多次反演结果中所有网格点6的电位反演值，拟合得到电位反演值的隶属度函数；然后根据安全生产的科学准则，提出隶属度阈值，得到不同突出危险程度所对应的电位反演临界值。其中黄色危险临界值代表一般突出危险，红色危险临界值代表严重突出危险。
e、基于电位反演临界值，对掘进工作面迎头2待判识区域5中具有局部突出危险的区域进行识别划分，结合判识结果提出针对性突出防治对策。如图4所示，以两组电位反演临界值对待判识区域5进行精细划分，通过预设隶属度阈值来划分正常的绿色区域、危险程度较低的黄色危险区域7和危险程度较高的红色危险区域8，所述隶属度阈值具体为隶属度和对应的电位反演临界值参数，其中红色区域8危险程度高，作为煤与瓦斯突出防治的重点区域；黄色区域7覆盖面积大，作为重要参考能有效地避免漏判，对不同危险区域采取针对性对策，提高突出防治效率，保障煤矿安全生产；
当掘进工作面迎头前方待判识区域出现红色危险时，应立刻停止采掘作业，并采取消突措施，然后进行校验，直至该区域内电位反演值低于红色危险区域8的预设隶属度和对应的电位反演值参数；当出现黄色危险区域7时，应将其视为可能发生突出灾害的一般危险区域，根据实际生产情况采取适当措施，时刻警惕突出现象的发生；将两者结合起来，对煤与瓦斯突出危险区域进行精细判识，并采取差异化防治措施，能够更加高效地保障煤矿安全生产。
校验具体方法为：在迎头前方实体煤待判识区域5中施工多个校验钻孔9，记录网格点6对应位置的钻屑量与瓦斯涌出初速度；当钻屑量或瓦斯涌出初速度指标达到或超过预警临界值时，记录该网格点6为突出危险点；当校验钻孔9钻进过程出现喷孔或顶钻现象时，也应记录该网格点6为突出危险点。
实施例一：
在河南省某矿25020掘进工作面风巷前方实体煤中进行电位数据测试并反演成像。统计多次电位反演成像结果，得到所有网格点隶属度函数如图5所示。考虑到现场监测工作的实际需求，定义隶属度为0.55时对应的电位反演值0.24为黄色危险临界值，定义隶属度为0.80时对应的电位反演值0.43为红色危险临界值(待下文验证)。选取其中一次实例，利用上述临界值对待判识区域的电位反演结果中具有不同突出危险程度的危险区域进行划分，如图6所示。
下面对电位判识结果进行验证。如图7所示，在迎头前方向待判识区域实体煤中施工多个校验钻孔，记录电位反演云图中网格点对应位置的钻屑量与瓦斯涌出初速度。当钻屑量或瓦斯涌出初速度指标达到或超过其预警临界值时(本工作面煤层的临界值分别为5.3kg/m、3.8L/min)，记录该网格点为突出危险点；当钻进过程出现喷孔或顶钻现象时，也应记录该网格点为突出危险点(不重复记录)。
根据目前我国生产安全实际情况，合理的判识临界值应满足条件：①当测试值低于临界值时，不发生事故的概率(即判识成功率)应高于95％；②当测试指标高于临界值时，发生事故的可能性(即判识准确率)应高于60％。统计所有电位反演结果中突出危险点信息，结果表明所有突出危险点均处于对应电位反演云图中的黄色危险区域，即黄色危险结果的判识准确率高达100％，杜绝了漏报，满足合理判识临界值的条件①；红色危险区域内所有网格点中经验证为突出危险点的比例达62.5％，仅37.5％为误报，满足合理判识临界值的条件②。因此经验证，本实例中对电位反演结果黄色危险临界值与红色危险临界值的选取是合理的。
防治对策
电位判识结果中，应将红色区域视为监测预警突出灾害的严重危险区域。当掘进工作面迎头前方待判识区域出现红色危险时，应立刻停止采掘作业，并采取消突措施，然后进行校验，直至该区域内电位反演值低于红色预警值。当出现黄色危险区域时，应将其视为可能发生突出灾害的一般危险区域，根据实际生产情况采取适当措施，时刻警惕突出现象的发生。
红色危险区域覆盖面积小而危险程度高，应作为突出灾害防治的重点区域；黄色区域覆盖面积大而危险程度低，应作为突出灾害防治的重要参考区域。将两者结合起来，对煤与瓦斯突出危险区域进行精细判识，并采取差异化防治措施，能够更加高效地保障煤矿安全生产。
不同煤矿实际生产条件及防突要求存在较大的不同，本发明提供了一种掘进工作面煤与瓦斯突出危险区域电位精细判识方法，用于判识的电位反演临界值应根据实际情况进行确认。
Claims (6)
1.一种掘进工作面煤与瓦斯突出危险区域电位精细判识方法，其特征在于：首先在与判断存在突出危险的掘进工作面迎头(2)实体煤两侧分别施工两条电位测试钻孔(3)，在两条电位测试钻孔(3)中分别布置电位测线；然后利用电位测线上多点电位测点(4)的数据进行反演成像，得到工作面迎头(2)前方两条电位测线之间的实体煤区域内的电位反演云图分布特征；最后利用模糊数学方法统计云图中电位反演值的隶属度函数，确定危险临界值；利用电位反演临界值对待判识区域的局部突出危险区域进行精细判识。
2.根据权利要求1所述掘进工作面煤与瓦斯突出危险区域电位精细判识方法，其特征在于具体步骤如下：
a、根据工作面煤层实际生产条件初步判断是否存在煤与瓦斯突出危险，若存在则对掘进工作面迎头前方实体煤中真正具有突出危险的局部区域进行精细判识，并采取针对性突出防治对策；
b、在掘进工作面沿着掘进方向(1)向工作面迎头(2)的实体煤中施工两条电位测试钻孔(3)，在两条电位测试钻孔(3)中布置电位测线，并在电位测线上的不同位置布置电位测点(4)测试电位信号数据，此时两条电位测线之间的实体煤区域即为待判识区域(5)；
c、利用电位测线数据进行双边反演层析成像，得到迎头前方两条电位测线之间待判识区域(5)的电位反演云图空间分布特征信息；
d、统计反演云图空间分布特征信息中所有网格点(6)的电位反演值分布，得到反演值的隶属度函数，根据安全生产的科学准则预设隶属度阈值，根据隶属度阈值得到反映不同突出危险程度的电位反演临界值；
e、基于电位反演临界值对掘进工作面迎头前方待判识区域(5)中的局部突出危险区域进行识别划分，并结合判识结果提出针对性突出防治对策。
3.根据权利要求2所述的掘进工作面煤与瓦斯突出危险区域电位精细判识方法，其特征在于：两条电位测试钻孔(3)平行且垂直于迎头(2)的倾向深入前方实体煤中，同一电位测线上等间距布置多个电位测点(4)的正极，负极并联，布置于负极布置于掘进迎头后方结构稳定的实体煤中，测试不同测点的正极与公共电极之间的电位差值，即相对值作为电位值。
4.根据权利要求2所述的掘进工作面煤与瓦斯突出危险区域电位精细判识方法，其特征在于：
利用每条电位测线的电位数据进行层析成像，得到不同网格点(6)的电位反演值，然后利用差值算法得到整个待判识区域(5)的电位反演云图。再将双边的电位反演结果加权叠加，最后得到修正后的反演结果，对于任意网格点S，其电位反演值的修正结果ηd通过下式计算得到：
式中：ηd——修正后网格点S的电位反演值；
r1——网格点S到待判识区域上边界测线中点C1的距离；
r2——网格点S到待判识区域下边界测点中点C2的距离；
η1——网格点S基于上边测线电位数据反演结果得到的电位反演值；
η2——网格点S基于下边测线电位数据反演结果得到的电位反演值；
电位反演值为概率值，表示该网格点(6)存在损伤破坏的概率大小，即突出危险性的大小。
5.根据权利要求2所述的掘进工作面煤与瓦斯突出危险区域电位精细判识方法，其特征在于对危害识别划分并提出针对性突出防治对策，具体为：
以两组电位反演临界值对待判识区域(5)进行精细划分，通过预设隶属度阈值来划分正常的绿色区域、危险程度较低的黄色危险区域(7)和危险程度较高的红色危险区域(8)，所述隶属度阈值具体为隶属度和对应的电位反演临界值参数，其中红色区域(8)危险程度高，作为煤与瓦斯突出防治的重点区域；黄色区域(7)覆盖面积大，作为重要参考能有效地避免漏判，对不同危险区域采取针对性对策，提高突出防治效率，保障煤矿安全生产；
当掘进工作面迎头前方待判识区域出现红色危险时，应立刻停止采掘作业，并采取消突措施，然后进行校验，直至该区域内电位反演值低于红色危险区域(8)的预设隶属度和对应的电位反演值参数；当出现黄色危险区域(7)时，应将其视为可能发生突出灾害的一般危险区域，根据实际生产情况采取适当措施，时刻警惕突出现象的发生；将两者结合起来，对煤与瓦斯突出危险区域进行精细判识，并采取差异化防治措施，能够更加高效地保障煤矿安全生产。
6.根据权利要求5所述的掘进工作面煤与瓦斯突出危险区域电位精细判识方法，其特征在于校验具体方法为：在迎头前方实体煤待判识区域(5)中施工多个校验钻孔(9)，记录网格点(6)对应位置的钻屑量与瓦斯涌出初速度；当钻屑量或瓦斯涌出初速度指标达到或超过预警临界值时，记录该网格点(6)为突出危险点；当校验钻孔(9)钻进过程出现喷孔或顶钻现象时，也应记录该网格点(6)为突出危险点。
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|---|---|---|---|---|
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