CN113011705B - 一种深部矿井煤与瓦斯突出井上下联合防控方法 - Google Patents

Abstract

发明提供一种深部矿井煤与瓦斯突出井上下联合防控方法，该方法包括归纳地质条件判断指标、确定各个判断指标对井上下联合方式的影响程度、构建地质条件库和井上下联合库、形成特定地质条件雷达图、形成井上下联合防突方法煤层地质适应性雷达图和地质因素与井上下联合防突方法进行匹配等步骤。该方法将基于多参照源的数据分析方法引入煤层群突出防治技术，从展现上让评估过程可视化，更快速地寻求到适合不同地质条件的井上下联合防控方法。

Description

一种深部矿井煤与瓦斯突出井上下联合防控方法

技术领域

本发明涉及煤层群突出防治技术领域，特别涉及一种深部矿井煤与瓦斯突出井上下联合防控方法。

背景技术

瓦斯灾害是煤矿生产事故中破坏力极强的灾害，煤矿瓦斯灾害事故主要有瓦斯突出与瓦斯爆炸两种，为保证煤矿生产作业安全有序进行，需对煤矿瓦斯灾害进行控制。瓦斯灾害控制最有效的根本途径便是煤矿瓦斯抽采，目前主要有两种常用的煤矿瓦斯抽采技术，一种是地面井抽采技术，另一种是井下钻孔抽采技术。井下钻孔抽采技术，速度快、费用低，但存在抽采效率低、受抽采空间限制等问题；地面井抽采虽然受井下生产作业影响较小，安全性高，但会因工作面回采导致切孔，堵孔，使得瓦斯抽采不理想。因此，将井下钻孔抽采和地面井抽采有机结合，构建井上下联合防突方法，使两种瓦斯抽采模式优势互补，从而提高矿井瓦斯的治理能力。目前常用的井上下联合防突方法有直井与井下钻孔联合抽采技术；“L”型井与采动影响联合抽采技术；多分支井与长钻孔联合抽采技术等，不同的井上下联合防突方法有着不同技术优势。

但不同矿区地质复杂程度不同，能否合理地选择使用该地质条件下的井上下联合防突方法，将影响煤矿生产作业能否安全高效进行。

因此，亟需一种煤矿地质条件与井上下联合防突方法进行匹配的方法，使所选用的井上下联合防突方法能适应矿区地质条件，从而实现对瓦斯高效抽采。

发明内容

本发明的目的是提供一种深部矿井煤与瓦斯突出井上下联合防控方法，以解决现有技术中存在的问题。

为实现本发明目的而采用的技术方案是这样的，一种深部矿井煤与瓦斯突出井上下联合防控方法，包括以下步骤：

1)归纳影响井上下联合防突方式部署合理性的地质条件判断指标。其中，所述地质条件判断指标包括煤层倾角、断层大小及强度、煤层透气性、煤层底板倾角、煤层顶板强岩比和煤层顶板砂泥岩比等情况。

2)构建地质条件库和井上下联合库。对各类现有的井上下联合防突方式进行评价，确定各类井上下联合防突方法对各类地质条件判断指标的适应性。

3)形成相对应特定地质条件雷达图Radar_map1i。其中i代表特定地质条件的变量标识，以雷达图的形式存储地质条件判断指标对特定地质条件评定分值的合集。雷达图的每一个角表示一个地质条件评价指标；雷达图的坐标轴为地质条件评价指标所得到的评价值。

4)形成相对应井上下联合防突方法煤层地质适应性雷达图Radar_map2j。其中j代表井上下联合防突方法的变量标识，以雷达图的形式存储地质条件判断指标对井上下联合防突方法评定分值的合集。雷达图的每一个角表示一个井上下联合防突方法煤层地质适应性评价指标；雷达图的坐标轴为其适应性评价指标所得到的评价值。

5)将地质因素与井上下联合防突方法进行匹配，从而确定特定地质条件下的最优井上下联合方式，形成从井田、煤层、条带、工作面的多级消突匹配方法。

进一步，步骤2)中，井上下联合库包括近距离煤层群井上下联合消突方法和远距离煤层群井上下联合消突方法。近距离煤层群井上下联合消突方法包括地面多分支井对接井下穿层长钻孔联合消突方法、地面直井对接井下穿层钻孔联合消突方法、地面L型井对接顺层钻孔联合消突方法、地面L型井对接穿层钻孔联合消突方法和地面直井对接井下交叉钻孔联合消突方法。远距离煤层群井上下联合消突方法包括地面L型井对接交叉钻孔联合消突方法、地面井对接穿层钻孔联合消突方法和地面多分支井对接穿层钻孔联合消突方法。

进一步，步骤5)中，通过图形相似算法将特定地质条件库与井上下联合库进行匹配，确定特定地质条件下的最优匹配方法。

本发明的技术效果是毋庸置疑的：

A.将基于多参照源的数据分析方法引入煤层群突出防治技术，通过对不同地质条件进行评价和井上下联合防突方法的地质适应性进行评价，并绘制相应的雷达图，从展现上让评估过程可视化，使数据处理更加流畅，计算方法更加简洁；

B.建立相应的地质评价数据库和井上下联合防突方法数据库，方便前台用户对井上下联合防突方法与不同的地质条件进行匹配；

C.方便前台用户直观了解数据分析过程，并在综合指标与个体指标间进一步对比权衡。

附图说明

图1为井上下联合消突方法流程图；

图2为井上下联合消突方法存储装置；

图3为特定地质条件雷达图；

图4为井上下联合防突方法煤层地质适应性雷达图。

图中：输入模块1、微处理器2、显示器3、键盘4、存储器5。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步说明，但不应该理解为本发明上述主题范围仅限于下述实施例。在不脱离本发明上述技术思想的情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段，做出各种替换和变更，均应包括在本发明的保护范围内。

实施例1：

本实施例提供一种深部矿井煤与瓦斯突出井上下联合防控方法，包括以下步骤：

1)归纳影响井上下联合防突方式部署合理性的地质条件判断指标。其中，所述地质条件判断指标包括煤层倾角、断层大小及强度、煤层透气性、煤层底板倾角、煤层顶板强岩比和煤层顶板砂泥岩比等情况。

2)构建地质条件库和井上下联合库。对各类现有的井上下联合防突方式进行评价，确定各类井上下联合防突方法对各类地质条件判断指标的适应性。

3)形成相对应特定地质条件雷达图Radar_map1i。其中，i代表特定地质条件的变量标识，以雷达图的形式存储地质条件判断指标对特定地质条件评定分值的合集。雷达图(Radar Chart)的每一个角表示一个地质条件评价指标。雷达图的坐标轴为地质条件评价指标所得到的评价值。各指标的分级标准或分值标识可通过收集相应地质条件的地质数据，并将数据代入对应指标计算公式中，得到相应的指标系数值。指标系数值则为该指标的评价结果。

4)形成相对应井上下联合防突方法煤层地质适应性雷达图Radar_map2j。其中j代表井上下联合防突方法的变量标识，以雷达图的形式存储地质条件判断指标对井上下联合防突方法评定分值的合集。雷达图的每一个角表示一个井上下联合防突方法煤层地质适应性评价指标。雷达图的坐标轴为其适应性评价指标所得到的评价值。每个井上下联合适应性评价指标的评价过程可以通过施工可行性、抽采效率和耐用性三个角度进行评分。但是不同指标中施工可行性、抽采效率和耐用性考虑的程度不同，因此，用专家打分和熵权法确定各自权重，并最终得出各个指标的评价值。井上下联合防突方法煤层地质适应性的每个评价指标可以从施工可行性、抽采效率和耐用性三个标准通过专家打分和熵权法确定三个标准在各个指标中的权重，并得到各个指标的评价值。

5)将地质因素与井上下联合防突方法进行匹配，从而确定特定地质条件下的最优井上下联合方式，形成从井田、煤层、条带、工作面的多级消突匹配方法。

实施例2：

本实施例主要结构同实施例1，其中，步骤2)中，地质条件库和井上下联合库中的数据是以表为单位进行组织的。地质条件库将地质条件评价作为记录，地质名称、地质编号、断层强度系数、断层密度系数、煤层透气性系数、煤层底板倾角系数、煤层顶板强岩层比、煤层顶板砂泥岩比、褶皱构造复杂系数、煤层倾角复杂程度系数和地质评价雷达图作为字段。井上下联合库将井上下联合防突方法地质适应性评价结果作为记录，井上下联合防突方法名称、煤层倾角适应性评价、断层大小适应性评价、断层强度适应性评价、煤层透气性适应性评价、煤层底板倾角适应性评价、煤层顶板强岩比适应性评价、煤层顶板砂泥岩比适应性评价和井上下联合防突方法地质适应性雷达图作为字段。

井上下联合库包括近距离煤层群井上下联合消突方法和远距离煤层群井上下联合消突方法。近距离煤层群井上下联合消突方法包括地面多分支井对接井下穿层长钻孔联合消突方法、地面直井对接井下穿层钻孔联合消突方法、地面L型井对接顺层钻孔联合消突方法、地面L型井对接穿层钻孔联合消突方法和地面直井对接井下交叉钻孔联合消突方法。远距离煤层群井上下联合消突方法包括地面L型井对接交叉钻孔联合消突方法、地面井对接穿层钻孔联合消突方法和地面多分支井对接穿层钻孔联合消突方法。

实施例3：

本实施例主要结构同实施例1，其中，步骤5)中，通过图形相似算法将特定地质条件库与井上下联合库进行匹配，确定特定地质条件下的最优匹配方法。通过图形相似算法，将特定地质条件库与井上下联合库进行匹配，确定特定地质条件下的最优匹配方法。

在本实施例中，图形相似内容包括雷达图的图形相似和综合打分相近。雷达图相似匹配采用Herise角点算法。

角点可以认为是图像上灰度剧烈变化的点、边界上曲率非常高的点或者图像中某些梯度值和梯度变化率非常高的点等。这些点具有保留图像重要特征，减少图像信息的数据量，提高计算速度的作用，并且能够为图像的匹配服务，从而实时处理成为可能。对于图像I(x,y)，在点(x,y)处平移(Δx,Δy)后的自相似性可以通过自相关函数对于图像I(x,y)，在(x,y)处平移(Δx,Δy)后的自相似性可以通过自相关函数进行对比。

式中，W(x,y)是以点(x,y)为中心的窗口。w(u,v)为加权函数，既可以是常数，也可以是高斯加权函数。

实施例4：

本实施例主要结构同实施例1，其中，几类井上下联合防突方式对不同地质条件适用性，可通过专家打分、机理分析确定不同类型井上下联合方式的适用特征，确定不同类型地质条件的专家打分，构建不同类型井上下联合防突方法库，并确定他对各类地质条件的适应性。方法库是由井上下联合库和地质条件库组成，并由存储装置进行存储，从而实现地质条件库与井上下联合库之间进行匹配。存储装置参见图2，包括数据输入模块1、微处理器2、显示器3、键盘4和存储器5。数据输入模块1是将地质条件评价值和各井上下联合消突方法地质适应性评价值输入微处理器2中，微处理器对输入数据进行分析并形成对应的雷达图至显示器3显示，存储至地质条件库与井上下联合库中，所述存储器5存储有地质条件库和井上下联合库，共同构成方法库。

实施例5：

本实施例主要结构同实施例1，其中，井下防突措施根据现有装备水平、施工工艺和现有法律规程规定进行匹配。井下防突部分包括石门防突、条带防突和工作面防突。对于石门防突则着重基于现有技术条件进行石门防突方式的选择，其内容包括水力压裂和水力割缝，以充分减少防突时间，其防突方法也要根据煤层倾角、煤层厚度、接替时间等来综合确定，因此需要建立特定时空关系下的最优消突方法以供决策。在进行工作面防突时，要建立与井下联合消突类似的井上下对接方式，以此保证工作面消突，确定地面分支井与井下顺层钻孔联合立体消突的方式，确定多种井下方式的条件建立多级条件下的，此时要基于透明地球条件下的确定局部条件下的防突匹配方法。(基于特定地质条件下预测，或透明条件下的或黑箱条件下的地质条件预测并选定与之相匹配的井下条件进行抽采)。条带防突要在规划区布置地面井时充分考虑条带布置位置，将其作用地面井压裂的附近，一能实现深部煤层的充分卸压，让瓦斯解吸，二能保证在条带附近提前降低突出危险性，之后根据瓦斯抽采量确定在准备区选择相适应的抽采方式。在进行条带防突时，要根据地面井的布置位置和预抽方式确定井下抽采消突方法，并确立不同地质条件下条带消突数据库，从而实现井上下联合条带消突的精准匹配。

实施例6：

本实施例主要结构同实施例1，其中，断层强度可以用单位面积内断裂构造落差和延伸长度乘积进行表示，其表达式为：

式中，l为断层水平延伸长度。h为断层落差。S为统计区域的面积。n为区域内发育的断层条数。

由于在不同地质条件下断层差异性较大，所以断层强度值最大值不可知。因此，需要用正规化数据处理方法对断层强度系数值进行处理，将进行评价的地质划分为多个段块，并计算每个段块内部的断层强度系数F_i，各段块的断层强度系数的平均数便是该地质条件的断层强度系数F。正规化数据处理后的断层强度系数取值范围为0～1.0，所得到的值越接近1.0，说明该地质条件的断层强度越大。

式中，F_i为所研究地质每个段块正规化数据处理后的断层强度系数，i为段块编号，f_i为每个段块计算得到的断层强度系数，

为所研究地质所有段块计算得到的断层强度系数的平均数，s为计算得到的断层强度系数的标准差。

断层密度可以用所研究地质单位面积或单位长度内所具有的条数进行表示，其表达式为：

式中，M为断层密度系数，n为区域内的断层条数，S为统计区域面积。

不同地质其发育情况不同，因此，断层密度系数的最大值难以确定。因此，需要用正规化数据处理方法对断层密度系数进行处理，将评价地质划分为多个段块，计算每个段块内的断层密度系数M_i，各段块的断层密度系数的平均数便是该地质条件的断层密度系数M。正规化数据处理后的断层密度系数取值范围为0～1.0，所得到的值越接近1.0，说明该地质条件断层数量越多。

式中，M_i为所研究地质每个段块正规化数据处理后的断层密度系数，i为段块编号，m_i为每个段块计算得到的断层密度系数，

为所研究地质所有段块计算得到的断层密度系数的平均数，s为计算得到的断层密度系数的标准差。

煤层可分为容易抽采煤层，可以抽采煤层和较难抽采煤层，可以采用钻孔径向流量法，进行量化表征。可以导出钻孔瓦斯径向流动的微分方程。根据钻孔径向流量法，煤层瓦斯径向流动的主要无量纲准数包括流量准数Y和时间准数F₀，其表达式为：

式中，Y为流量准数。F₀为时间准数。λ为煤层透气性系数。q为在排放时间为t时钻孔煤壁单位面积瓦斯流量。r为钻孔半径。p₀为煤层原始瓦斯压力。p₁为钻孔排放瓦斯时的瓦斯压力。t为从开始排放瓦斯到测量瓦斯流量的时间间隔。a为煤层瓦斯含量系数。b为系数。

不同地质下可采煤层数量不同，不同煤层透气性系数不同。因此，计算特定地质条件下的煤层透气系数应先计算该地质条件下不同煤层的透气性系数，通过正规化数据处理，得到各个煤层的透气性系数λ_j，各煤层的透气性系数的平均数便是该地质条件下的煤层透气性系数λ。正规化数据处理后的煤层透气性系数取值范围为0～1.0，所得到的值越接近1.0说明该地质条件下煤层透气性越高。

式中，λ_j为所研究地质每个段块正规化数据处理后的煤层透气性系数，j为可采煤层编号，ξ_j为每个段块计算得到的煤层透气性系数，

为所研究地质所有可采煤层计算得到的透气性系数的平均数，γ为计算得到的煤层透气性系数的标准差。

块段内煤层底板倾角，可以反映煤层倾斜的缓急程度，用下式表示。所得到的煤层底板倾角系数取值范围为0～1.0，得到的值越接近1.0，则说明该地质条件下煤层底板倾角越大。

式中，x_i为观测点倾角。n为观测点数。

煤层顶底板特征可以用煤层顶板强岩层比和煤层顶板砂泥岩比进行表征。煤层顶板强岩层比指煤层顶板30m范围内砂砾岩层所占的比率。煤层顶板强岩层比的取值范围为0～1.0，煤层顶板强岩层比越接近1.0，说明煤层顶板强岩厚度越大。

式中，H_s为煤层顶板30m范围内砂砾岩层总厚度。

煤层顶板砂泥岩比，指煤层顶板30m范围内砂岩与泥岩的比率，其反映了沉积介质条件的变化差异性。煤层顶板砂泥岩比的取值范围为0～1.0，煤层顶板砂泥岩比越接近1.0，则煤层顶板砂岩厚度越大。

式中，H_s为煤层顶板30m范围内砂岩层总厚度。H_n为煤层顶板30m范围内泥岩层总厚度。

褶皱构造的复杂程度K_s可用下式表示，反映了煤岩层的弯曲变形程度。褶皱构造复杂程度系数取值范围为0～1.0，褶皱构造复杂程度系数越接近1.0，该地质条件褶皱构造越复杂。

式中，L_max为计算单元内弯曲度最大的等高线的长度，L_max0为该等高线两端点间的最短距离。

煤岩层倾角复杂程度系数K_q，该系数反映了煤岩层倾角变化特征。煤岩层倾角复杂程度系数取值范围为0～1.0，煤岩层倾角复杂程度系数越接近1.0，则该地质条件下煤岩层倾角越大。

式中，α_min为煤层最小倾角。α_max为煤层最大倾角。

实施例7：

本实施例主要结构同实施例1，其中，井上下联合防突方法地质适应性指标包括倾角适应性、褶皱适应性、断层密度适应性、断层强度适应性、煤层透气性适应性、煤层底板倾角适应性、煤层顶板强岩比和煤层顶板砂泥岩比。每个井上下联合防突方法地质适应性指标可从施工可行性、抽采效率和耐用性三个角度，通过专家打分法和熵权法进行评价。假设邀请到K个专家对每个指标的施工可行性、抽采效率和耐用性所占权重进行评价，则专家反馈的结果可以统计为A_ij。

A₁₁＝{x₁₁₁、x₁₁₂、x₁₁₃……x_11k}

式中，i为指标编号。j的值为1、2、3，分别表示施工可行性、抽采效率和耐用性。k为专家编号。如A₁₁表示第一个指标的施工可行性，x₁₁₁表示第一位专家给出第一个指标中施工可行性的分值。

并对数据进行标准化处理：

计算指标的信息熵：

式中，K为专家总人数，k为专家编号，H_ij为信息熵。若p_ijk＝0，则将其定义为

通过信息熵计算权重：

设Z_i为各指标最后得分，则:

式中，J为j的总数，

为所有专家评分的平均值，W_iJ为其权重。

所得到地质适应性评价取值范围为0～1.0，所得到的评价值越接近1.0说明所评价井上下联合防控方法越适应该地质越复杂的情况。如倾角适应性评价越接近1.0，说明该方法越适应大倾角的情况。

Claims (3)

1.一种深部矿井煤与瓦斯突出井上下联合防控方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)归纳影响井上下联合防突方式部署合理性的地质条件判断指标；其中，所述地质条件判断指标包括煤层倾角、褶皱、断层大小、断层强度、煤层透气性、煤层底板倾角、煤层顶板强岩比和煤层顶板砂泥岩比；

2)构建地质条件库和井上下联合库；对各类现有的井上下联合防突方式进行评价，确定各类井上下联合防突方法对各类地质条件的适应性；井上下联合防突方法地质适应性指标包括倾角适应性、褶皱适应性、断层密度适应性、断层强度适应性、煤层透气性适应性、煤层底板倾角适应性、煤层顶板强岩比和煤层顶板砂泥岩比；井上下联合防突方法煤层地质适应性的每个评价指标从施工可行性、抽采效率和耐用性三个标准通过专家打分和熵权法确定三个标准在各个指标中的权重，并得到各个指标的评价值；

3)形成相对应特定地质条件雷达图Radar_map1i；其中i代表特定地质条件的变量标识，以雷达图的形式存储地质条件判断指标对特定地质条件评定分值的合集；用从原点射出的轴表示经标准化处理的地质条件判断指标；用轴上的点表示地质条件评价指标所得到的评价值；将相邻轴上的点连接形成雷达图；

4)形成相对应井上下联合防突方法煤层地质适应性雷达图Radar_map2j；其中j代表井上下联合防突方法的变量标识，以雷达图的形式存储地质条件判断指标对井上下联合防突方法评定分值的合集；用从原点射出的轴表示经标准化处理的井上下联合防突方法煤层地质适应性评价指标；用轴上的点表示适应性评价指标所得到的评价值；将相邻轴上的点连接形成雷达图；

5)将地质因素与井上下联合防突方法进行匹配，从而确定特定地质条件下的最优井上下联合方式，形成从井田、煤层、条带和工作面的多级消突匹配方法。

2.根据权利要求1所述的一种深部矿井煤与瓦斯突出井上下联合防控方法，其特征在于：步骤2)中，井上下联合库包括近距离煤层群井上下联合消突方法和远距离煤层群井上下联合消突方法；近距离煤层群井上下联合消突方法包括地面多分支井对接井下穿层长钻孔联合消突方法、地面直井对接井下穿层钻孔联合消突方法、地面L型井对接顺层钻孔联合消突方法、地面L型井对接穿层钻孔联合消突方法和地面直井对接井下交叉钻孔联合消突方法；远距离煤层群井上下联合消突方法包括地面L型井对接交叉钻孔联合消突方法、地面井对接穿层钻孔联合消突方法和地面多分支井对接穿层钻孔联合消突方法。

3.根据权利要求1所述的一种深部矿井煤与瓦斯突出井上下联合防控方法，其特征在于：步骤5)中，通过图形相似算法将特定地质条件库与井上下联合库进行匹配，确定特定地质条件下的最优匹配方法。

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