CN113759097B - 基于煤矿巷道围岩应力在线监测系统的应力状态分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于煤矿巷道围岩应力在线监测系统的应力状态分析方法，该方法中采用的钻孔应力在线监测系统包括若干应力传感器，若干应力传感器布置于工作面上下两巷道巷帮中部位置向煤层每间隔一定距离钻孔中的煤岩体内，应力传感器通过通讯电缆顺序与变送器、矿用传输分站、矿用传输总站、地面传输终端和计算机电连接；该方法包括步骤S1获得基于钻孔应力值的围岩应力状态指标S_f，步骤S2获得基于时间序列的围岩应力等级状态指标S_t，步骤S3将指标S_f和S_t进行结合得到最终表示围岩应力状态的无量纲量S_c，步骤S4根据无量纲量S_c和RGB颜色来综合表征工作区域钻孔应力集中情况。本申请能解决现有监测方法不全面和围岩应力状态表现力不足的问题。

Description

基于煤矿巷道围岩应力在线监测系统的应力状态分析方法

技术领域

本发明涉及围岩应力监测技术领域，具体涉及一种基于煤矿巷道围岩应力在线监测系统的应力状态分析方法。

背景技术

随着浅部资源的逐渐耗尽，煤矿开采势必向深部勘探资源。而随着开采深度的不断增加，矿山压力显现所造成的灾害也越来越严重，如顶板冒落、巷道变形、冲击矿压等事故频繁发生，给我国的煤矿业造成了巨大的损失，严重影响了从业人员的生命安全和矿井生产。因此，作为矿井安全生产重要保障手段之一的围岩应力监测越来越受到重视，对监测的准确性、可靠性及在线监测能力的要求也越来越高。因此，利用现有的应力监测设备建立一个全方位的围岩应力在线监测系统并基于应力监测数据建立，就能有效地预防和减少矿压引起的事故发生。

本申请的发明人经过研究发现，虽然目前国内外在人工智能化监测领域已经取得一定发展，但是现有的矿压监测方法普遍存在以下缺点：1、易受电磁干扰和外界环境干扰，监测范围小和精度差；2、传感元件易腐蚀损坏，可靠性低，监测效率不高，寿命短；3、无法对监测进行远程监控，不能实现实时在线监测和长期监测；4、应力监测数据挖掘度不够，围岩应力状态仅仅是简单的数据，表现形式差。

发明内容

针对现有矿压监测方法存在监测不全面、围岩应力监测数据挖掘度不够和表现形式差的技术问题，本发明提供一种基于煤矿巷道围岩应力在线监测系统的应力状态分析方法。

为了解决上述技术问题，本发明采用了如下的技术方案：

基于煤矿巷道围岩应力在线监测系统的应力状态分析方法，该方法中采用的钻孔应力在线监测系统包括若干应力传感器，所述若干应力传感器布置于工作面上下两巷道巷帮中部位置向煤层每间隔一定距离钻孔中的煤岩体内，所述应力传感器通过通讯电缆顺序与变送器、矿用传输分站、矿用传输总站、地面传输终端和计算机电连接，所述钻孔应力在线监测系统用于实时获取并显示工作面上下两巷道每个钻孔位置的应力值；

该方法包括以下步骤：

S1、设在t₀时刻，上下两巷道应力传感器监测得到的钻孔应力值为x₁，x₂，x₃，…，x_n序列，将钻孔应力值x₁，x₂，x₃，…，x_n序列按下式进行标准化变换：

式中，x_i为t₀时刻第i个钻孔的应力值；

进行标准化变换之后形成新序列y₁，y₂，y₃，…，y_n∈[0,1]，且无量纲；将这些应力值转换后的无量纲0～1闭区间划分为20等份，利用RGB颜色对照表选取20个颜色，分别对应表示这划分出来的20等份，无量纲的计算的结果越接近1，使用越深的颜色来进行表征；对于在某一时刻t_i、某一个测点所反应的围岩应力状态S_f用如下公式表示：

S_f＝y_i

S2、设在t₀时刻，某一测点的钻孔应力值为x_(t＝0)；t₁时刻，该测点的钻孔应力值为x_(t＝1)；因此，在t₀，t₁，…，t_n时刻，某一个测点的钻孔应力值可表示如下：

x_(t＝0)，x_(t＝1)，x_(t＝2)，…，x_(t＝n)

则基于时间序列的某测点所反应的围岩应力等级状态通过下式表示：

S_t＝K₁*I_Y+K₂*I_I+K₃*I_G

式中，S_t为时间序列条件下测点i所反应的围岩应力等级状态；I_Y为应力测点的应力值大小转换后的危险指标；I_I为由增幅值计算转换得到的危险指标，即当前应力值与开始统计的应力值之差；I_G为由增速值计算转换得到的危险指标，即当前应力值与下一刻的应力值对比，进行归一化处理所得；K₁、K₂、K₃分别表示I_Y、I_I、I_G的权重；其中，

I_Y由下式计算得出：

式中，x_Y表示测点的应力值；

I_I由下式计算得出：

式中，x_I表示测点的当前应力值与开始统计的应力值之差；

I_G由下式计算得出：

式中，x_G表示测点的当前应力值与上一刻的应力值之差；

若上面三个公式的x_Y、x_I、x_G取值小于等于0时，I_Y、I_I、I_G取值为0；

S3、将步骤S1获得的基于钻孔应力值的围岩应力状态指标S_f，与步骤S2获得的基于时间序列的围岩应力等级状态指标S_t按下式进行结合，得到最终表示围岩应力状态的无量纲量S_c：

S_c＝k_fS_f+k_tS_t

式中，k_f表示指标S_f的权重，k_t表示指标S_t的权重；

S4、根据所述无量纲量S_c，利用步骤S1中设计的RGB颜色对应的值，对测点进行颜色表征，通过插值法对工作面钻孔应力计测点其他区域添加设计的RGB颜色并进行绘图，实现整个工作面区域不同RGB颜色的表征，通过区域颜色的深浅来表征应力集中区域，并且随着时间变化，钻孔探测区域的整个GRB颜色也随之变化，具有时间效应。

与现有技术相比，本发明提供的基于煤矿巷道围岩应力在线监测系统的应力状态分析方法，在工作面上下两巷道布置相对应的若干钻孔测点，应力传感器安装在巷壁钻孔中，应力传感器把变形量转换成电压信号，通过变送器转换为数字信号后经传输站和传输终端传输至计算机进行实时在线和长期监控，并根据巷道布置的若干应力传感器的应力值进行智能分析，来反演围岩应力状态，因此具有以下优点：1、基于煤巷设置的钻孔位置进行应力传感器设备安装，安装时间成本低，设备使用时间长，适于普遍推广应用；2、井下不需供电，现场安全；3、应力传感器布满在工作面上下两巷道钻孔的煤岩体中，因而极大地提高了监测范围和监测精度，可有效避免复杂恶劣环境下电磁干扰的影响；4、能及时提供围岩应力监测结果和显示应力集中区域云图，利于指导现场生产。

进一步，所述步骤S1中的钻孔包括依次交替排列的浅部钻孔和深部钻孔，所述浅部钻孔和深部钻孔之间的间隔为15米。

进一步，所述步骤S2中的K₁、K₂、K₃分别取0.5、0.2、0.3。

进一步，所述步骤S3中的k_f和k_t分别设为0.3和0.7。

附图说明

图1是本发明提供的基于煤矿巷道围岩应力在线监测系统的应力状态分析方法流程示意图。

图2是本发明提供的煤矿巷道围岩应力在线监测系统结构示意图。

图3是本发明提供的工作面上下两巷道钻孔布置示意图。

图中，1、应力传感器；2、上巷；3、下巷；4、钻孔；41、浅部钻孔；42、深部钻孔；5、通讯电缆；6、变送器；7、矿用传输分站；8、矿用传输总站；9、地面传输终端；10、计算机。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“径向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

请参考图1至图3所示，本发明提供一种基于煤矿巷道围岩应力在线监测系统的应力状态分析方法，该方法中采用的钻孔应力在线监测系统包括若干应力传感器1，所述若干应力传感器1布置于工作面上巷2和下巷3两巷道巷帮中部位置向煤层每间隔一定距离钻孔4中的煤岩体内，所述应力传感器1通过通讯电缆5顺序与变送器6、矿用传输分站7、矿用传输总站8、地面传输终端9和计算机10电连接，所述钻孔应力在线监测系统用于实时获取并显示工作面上下两巷道每个钻孔位置的应力值；其中，所述应力传感器1用于将传递到应变体上的围岩应力变形量通过应变计转化后电压信号，所述变送器6用于将电压信号转成通讯信息通过通讯电缆5引出；

该方法包括以下步骤：

S1、设在t₀时刻，上下两巷道应力传感器监测得到的钻孔应力值为x₁，x₂，x₃，…，x_n序列，将钻孔应力值x₁，x₂，x₃，…，x_n序列按下式进行标准化变换：

式中，x_i为t₀时刻第i个钻孔的应力值；

进行标准化变换之后形成新序列y₁，y₂，y₃，…，y_n∈[0,1]，且无量纲；将这些应力值转换后的无量纲0～1闭区间划分为20等份，利用RGB颜色对照表选取20个颜色，分别对应表示这划分出来的20等份，无量纲的计算的结果越接近1，使用越深的颜色来进行表征；通过变换后的无量纲值越大，其围岩应力越大，这也是各测点反应围岩应力状态的一种方式；对于在某一时刻t_i、某一个测点所反应的围岩应力状态S_f用如下公式表示：

S_f＝y_i

S2、设在t₀时刻，某一测点的钻孔应力值为x_(t＝0)；t₁时刻，该测点的钻孔应力值为x_(t＝1)；因此，在t₀，t₁，…，t_n时刻，某一个测点的钻孔应力值可表示如下：

x_(t＝0)，x_(t＝1)，x_(t＝2)，…，x_(t＝n)

则基于时间序列的某测点所反应的围岩应力等级状态通过下式表示：

S_t＝K₁*I_Y+K₂*I_I+K₃*I_G

式中，S_t为时间序列条件下测点i所反应的围岩应力等级状态；I_Y为应力测点的应力值大小转换后的危险指标；I_I为由增幅值计算转换得到的危险指标，即当前应力值与开始统计的应力值之差；I_G为由增速值计算转换得到的危险指标，即当前应力值与下一刻的应力值对比，进行归一化处理所得；K₁、K₂、K₃分别表示I_Y、I_I、I_G的权重，分别取0.5、0.2、0.3；其中，

I_Y由下式计算得出：

式中，x_Y表示测点的应力值；

I_I由下式计算得出：

式中，x_I表示测点的当前应力值与开始统计的应力值之差；

I_G由下式计算得出：

式中，x_G表示测点的当前应力值与上一刻的应力值之差；

需要说明的是，若上面三个公式的x_Y、x_I、x_G取值小于等于0时，I_Y、I_I、I_G取值为0；

通过以上公式计算，求得S_t为[0,1]的一个无量纲。

S3、经过前述步骤S1和步骤S2的计算之后，获得了基于钻孔应力值的围岩应力状态指标S_f，并且获得了基于时间序列的围岩应力等级状态指标S_t，为了能够使围岩应力状态的显示效果更加明显，将两者结合起来进行分析。具体地，将步骤S1获得的基于钻孔应力值的围岩应力状态指标S_f，与步骤S2获得的基于时间序列的围岩应力等级状态指标S_t按下式进行结合，得到最终表示围岩应力状态的无量纲量S_c：

S_c＝k_fS_f+k_tS_t

式中，k_f表示指标S_f的权重，k_t表示指标S_t的权重；一般各测点的钻孔应力值变化较小，因而本申请选择使用的固定权重进行计算，具体将k_f和k_t分别设为0.3和0.7。

S4、根据所述无量纲量S_c，利用步骤S1中设计的RGB颜色对应的值，对测点进行颜色表征，通过现有插值法对工作面钻孔应力计测点其他区域添加设计的RGB颜色并进行绘图，实现整个工作面区域不同RGB颜色的表征，通过区域颜色的深浅来表征力集中区域，并且随着时间变化，钻孔探测区域的整个GRB颜色也随之变化，具有时间效应。

与现有技术相比，本发明提供的基于煤矿巷道围岩应力在线监测系统的应力状态分析方法，在工作面上下两巷道布置相对应的若干钻孔测点，应力传感器安装在巷壁钻孔中，应力传感器把变形量转换成电压信号，通过变送器转换为数字信号后经传输站和传输终端传输至计算机进行实时在线和长期监控，并根据巷道布置的若干应力传感器的应力值进行智能分析，来反演围岩应力状态，因此具有以下优点：1、基于煤巷设置的钻孔位置进行应力传感器设备安装，安装时间成本低，设备使用时间长，适于普遍推广应用；2、井下不需供电，现场安全；3、应力传感器布满在工作面上下两巷道钻孔的煤岩体中，因而极大地提高了监测范围和监测精度，可有效避免复杂恶劣环境下电磁干扰的影响；4、能及时提供围岩应力监测结果和显示应力集中区域云图，利于指导现场生产。

作为具体实施例，请参考图3所示，所述步骤S1中的钻孔4包括依次交替排列的浅部钻孔41和深部钻孔42，所述浅部钻孔41和深部钻孔42之间的间隔为15米，由此可将应力传感器1布满在工作面上下两巷道煤岩体中，进而极大提高了监测范围和监测精度。

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.基于煤矿巷道围岩应力在线监测系统的应力状态分析方法，其特征在于，该方法中采用的钻孔应力在线监测系统包括若干应力传感器，所述若干应力传感器布置于工作面上下两巷道巷帮中部位置向煤层每间隔一定距离钻孔中的煤岩体内，所述应力传感器通过通讯电缆顺序与变送器、矿用传输分站、矿用传输总站、地面传输终端和计算机电连接，所述钻孔应力在线监测系统用于实时获取并显示工作面上下两巷道每个钻孔位置的应力值；

该方法包括以下步骤：

S1、设在t₀时刻，上下两巷道应力传感器监测得到的钻孔应力值为x₁，x₂，x₃，…，x_n序列，将钻孔应力值x₁，x₂，x₃，…，x_n序列按下式进行标准化变换：

式中，x_i为t₀时刻第i个钻孔的应力值；

进行标准化变换之后形成新序列y₁，y₂，y₃，…，y_n∈[0,1]，且无量纲；将这些应力值转换后的无量纲0～1闭区间划分为20等份，利用RGB颜色对照表选取20个颜色，分别对应表示这划分出来的20等份，无量纲的计算的结果越接近1，使用越深的颜色来进行表征；对于在某一时刻t_i、某一个测点所反应的围岩应力状态S_f用如下公式表示：

S_f＝y_i

S2、设在t₀时刻，某一测点的钻孔应力值为x_(t＝0)；t₁时刻，该测点的钻孔应力值为x_(t＝1)；因此，在t₀，t₁，…，t_n时刻，某一个测点的钻孔应力值可表示如下：

x_(t＝0)，x_(t＝1)，x_(t＝2)，…，x_(t＝n)

则基于时间序列的某测点所反应的围岩应力等级状态通过下式表示：

S_t＝K₁*I_Y+K₂*I_I+K₃*I_G

式中，S_t为时间序列条件下测点i所反应的围岩应力等级状态；I_Y为应力测点的应力值大小转换后的危险指标；I_I为由增幅值计算转换得到的危险指标，即当前应力值与开始统计的应力值之差；I_G为由增速值计算转换得到的危险指标，即当前应力值与下一刻的应力值对比，进行归一化处理所得；K₁、K₂、K₃分别表示I_Y、I_I、I_G的权重；其中，

I_Y由下式计算得出：

式中，x_Y表示测点的应力值；

I_I由下式计算得出：

式中，x_I表示测点的当前应力值与开始统计的应力值之差；

I_G由下式计算得出：

式中，x_G表示测点的当前应力值与上一刻的应力值之差；

若上面三个公式的x_Y、x_I、x_G取值小于等于0时，I_Y、I_I、I_G取值为0；

S3、将步骤S1获得的基于钻孔应力值的围岩应力状态指标S_f，与步骤S2获得的基于时间序列的围岩应力等级状态指标S_t按下式进行结合，得到最终表示围岩应力状态的无量纲量S_c：

S_c＝k_fS_f+k_tS_t

式中，k_f表示指标S_f的权重，k_t表示指标S_t的权重；

S4、根据所述无量纲量S_c，利用步骤S1中设计的RGB颜色对应的值，对测点进行颜色表征，通过插值法对工作面钻孔应力计测点其他区域添加设计的RGB颜色并进行绘图，实现整个工作面区域不同RGB颜色的表征，通过区域颜色的深浅来表征应力集中区域，并且随着时间变化，钻孔探测区域的整个GRB颜色也随之变化，具有时间效应。

2.根据权利要求1所述的基于煤矿巷道围岩应力在线监测系统的应力状态分析方法，其特征在于，所述步骤S1中的钻孔包括依次交替排列的浅部钻孔和深部钻孔，所述浅部钻孔和深部钻孔之间的间隔为15米。

3.根据权利要求1所述的基于煤矿巷道围岩应力在线监测系统的应力状态分析方法，其特征在于，所述步骤S2中的K₁、K₂、K₃分别取0.5、0.2、0.3。

4.根据权利要求1所述的基于煤矿巷道围岩应力在线监测系统的应力状态分析方法，其特征在于，所述步骤S3中的k_f和k_t分别设为0.3和0.7。

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