CN115081866B - 一种回采煤层介质状态区划方法、系统、设备和存储介质 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种回采煤层介质状态区划方法，包括以下步骤：S1.钻孔取芯,并记录钻孔位置；S2.煤芯分布特征数据获取；S3.获取煤芯不同介质的像素点坐标；S4.获取回采煤层不同介质像素点坐标；S5.对煤层进行介质状态区划并绘制区划曲线。另外，本发明还提供了一种回采煤层介质状态区划系统、设备和存储介质。本发明对煤体破坏的敏感性更强，更能准确识别煤体破坏状态。

Description

一种回采煤层介质状态区划方法、系统、设备和存储介质

技术领域

本发明属于煤矿开采技术领域，尤其是涉及一种回采煤层介质状态区划方法，也涉及计算机领域。

背景技术

深部煤炭资源开采过程中，开采扰动极易引发煤壁片帮冒顶等失稳事故，此类灾害突发时，煤体以完全破坏后的散体状态向采掘空间抛出，造成支护设备受损，人员伤亡。回采煤层失稳事故的孕育和发生实质上是在高应力场作用下，煤体内部裂纹萌生、扩展、贯通导致破坏程度不断加剧，介质状态由连续—似连续—非连续—散体逐渐转变的过程，准确合理区划回采煤层介质状态是预测防控失稳事故的基础和前提。目前，所采用的煤体破坏程度评价指标，多基于波速定义的损伤变量：D＝1-(v_ρ/v₀)²；式中：v₀、v_ρ分别为煤体初始完好阶段、某一破坏阶段的波速。但是这种指标，对破坏的敏感性不强，不能准确反映煤体介质状态。

发明内容

本发明的目的就是为了解决上述问题，提供一种回采煤层介质状态区划方法。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种回采煤层介质状态区划方法，包括以下步骤：S1.钻孔取芯,并记录钻孔位置；S2.煤芯分布特征数据获取；S3.获取煤芯不同介质的像素点坐标；S4.获取回采煤层不同介质像素点坐标；S5.对煤层进行介质状态区划并绘制区划曲线。

进一步的，步骤S2获取的煤芯分布特征数据包括：煤芯位置、不同种类煤芯长度和位置、CT扫描图像数据。

进一步的，步骤S5对煤层进行介质状态区划并绘制区划曲线，包括以下步骤：S51.沿煤层倾向及走向等距离提取M×N个数据点；S52.计算每个位置点的破坏程度评价指标T_i，j；S53.计算破坏程度评价指标变化率K_i，j；S54.根据T_i，j和K_i，j对各位置处上煤层介质状态进行区划；S55.绘制煤层介质状态区划曲线。

进一步的，所述破坏程度评价指标T_i，j由下式确定：

进一步的，煤层介质状态按以下方式区划：当-0.05≤T_i，j≤0.05时，煤体处于连续介质区；当K_i，j<0.1时，煤体处于连续介质区；当0.1≤K_i，j<0.65时，煤体处于似连续介质区；当K_i，j≥0.65时，煤体处于非连续介质区；当0.95≤T_i，j≤1.05平稳时，煤体处于散体介质区。

另外，本发明还提供了一种回采煤层介质状态区划系统，包括CT扫描模块、介质像素点获取模块、介质状态区划模块和区划曲线绘制模块。所述CT扫描模块对采集的煤芯进行扫描，获取CT扫描图像；所述介质像素点获取模块，通过对CT扫描图像进行处理，提取CT扫描图像中的各种介质像素点坐标，并通过插值方法，得到整个煤层的介质像素点坐标；所述介质状态区划模块根据破坏程度评价指标T及其变化率K的数值进行状态区划；所述区划曲线绘制模块根据介质状态区划模块的区划，绘制区划曲线，并输出给终端用户。

另外，本发明还提供了一种回采煤层介质状态区划设备，包括：存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的回采煤层介质状态区划程序，所述回采煤层介质状态区划程序，配置有实现回采煤层介质状态区划方法。

另外，本发明还提供了一种存储介质，所述存储介质上存储有回采煤层介质状态区划程序，所述回采煤层介质状态区划程序，配置有实现回采煤层介质状态区划方法。

采用以上技术方案，本发明具有以下有益效果：

1.本发明通过获取整个回采煤层的介质像素点坐标，以此为基础建立评价指标，可以更全面的反映整个煤层的状态真实值。

2.本发明使用T作为破坏程度评价指标，相对于基于波速定义的损伤变量，T对煤体破坏的敏感性更强，更能准确识别煤体破坏状态。

3.绘制破坏程度评价指标随距工作面距离的变化曲线，获得回采煤层介质状态区划，可以更直观的指示当前操作的区域，属于何种介质状态，更直观的确定风险区域。

4.回采煤层介质状态区划依据T的变化阶段制定，能更真实地反馈煤体所处介质状态。

附图说明

图1a是本发明试样1-1评价指标/应力-应变关系曲线图。

图1b是本发明试样1-2评价指标/应力-应变关系曲线图。

图1c是本发明试样1-3评价指标/应力-应变关系曲线图。

图2a是本发明试样2-1评价指标/应力-应变关系曲线图。

图2b是本发明试样2-2评价指标/应力-应变关系曲线图。

图2c是本发明试样2-3评价指标/应力-应变关系曲线图。

图3是本发明煤层介质状态区划示意图。

图4是本发明沿煤层倾向及走向等距离提取M×N个数据点的示意图。

具体实施方式

应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并非是对本发明的限定。

实施例1：本发明一种回采煤层介质状态区划方法，包括步骤：S1.钻孔取芯：

在运输平巷和回风平巷内向煤层实施顺层取芯钻孔，钻孔的长度H为1/2工作面斜长，钻取煤芯半径为75mm，钻孔间距为5m，覆盖整个回采煤层，并记录钻孔位置。

钻取的煤芯半径或者等量半径小于75mm的为破碎煤芯；半径为75mm，但长度小于150mm的为断裂煤芯；半径为75mm，长度大于或等于150mm，但包含肉眼可见裂隙的为裂隙煤芯；半径为75mm，长度大于或等于150mm，且无肉眼可见裂隙的为完整煤芯。

S2.煤芯分布特征数据获取，包括:

S21.获取不同种类煤芯长度数据:

现场设施钻孔取芯过程中，实时记录每孔煤芯样品中破碎煤芯长度H1和位置、断裂煤芯长度H2和位置、裂隙煤芯长度H3和位置、完整煤芯的长度H4和位置，并收集好全部煤芯样品。

S22.获取CT扫描图像：

为便于CT扫描，需要将钻孔煤芯分割为半径为75mm，长度为150mm的小尺寸煤芯，依次标记，并按照顺序依次扫描，获取整个煤芯(长度H)的二维扫描图像。

由于断裂煤芯和破碎煤芯比较破碎，无法切割，需要将这两种煤芯，放置于内腔半径75mm×150mm的容器内，进行扫描。

所述的CT扫描切片平行于试样上下端部，间距为1mm，共150张。

CT扫描直接获取的是切片位置的二维图像，为重构煤芯细观几何结构提供基础图像，理论上是扫描间隔越小越好，但是考虑到扫描时间和费用等实际问题，以及需要重构煤芯的尺寸(H为1/2工作面斜长)，将扫描的相邻切片间隔设置在1mm，能够在节约时间和费用等成本的同时，保障捕捉准确重构煤芯细观几何结构所需的全部信息。

S3.获取煤芯不同介质的像素点坐标：

采用CT扫描技术对不同种类煤芯扫描成像，虽能够真实展现煤体细观几何结构，但受CT扫描实验设备的限制，目前能够扫描的煤芯最大长度仅为600mm。因此，需要基于不同种类煤芯扫描图像，采用三维数值模型重构技术，展现整个钻孔煤芯(长度H)内部三维结构，为反演整个回采煤层孔裂隙分布形态提供必需的基础模型。

以1×1×1mm为最小单元，基于破碎煤芯、断裂煤芯、裂隙煤芯及完整煤芯的位置和长度以及各种煤芯CT扫描图像，利用Matlab软件分别对各种煤芯CT扫描图像进行优化处理，分别提取不同介质(煤基质、孔裂隙和矿物)像素点坐标，由于利用Matlab软件提取不同介质的像素点坐标是公知常识，本发明仅对其基本步骤做简单说明如下：

S31.利用Matlab软件分别对不同种类煤芯CT扫描切片图像进行优化处理，将图像灰度值范围映射到0～255，避免灰度值集中，不易区分孔裂隙和煤基质、矿物等，同时将灰度值为0的部分定义为孔裂隙，灰度值为255的部分定义为煤中的高密度矿物，灰度值介于0～255之间的部分为煤基质；

S32.利用Matlab软件在灰度图像中分别提取不同介质(孔裂隙、煤基质、矿物)的像素点坐标。此坐标即为不同介质在每个扫描切片的平面坐标，需要再根据扫描切片在煤芯中的位置，以及煤芯在整个回采煤层的位置，建立立体坐标。

建立立体坐标的具体步骤如下：

1.以1×1×1mm为最小单元，建立整个回采煤层的立体模型；

2.将每个煤芯的位置，映射到立体模型的相应处；

3.将每个煤芯的各扫描切片位置映射到立体模型的相应处；

4.将各扫描切片中不同介质的像素点坐标映射到立体模型的相应处。

5.将立体模型的任一点确定为原点，即坐标点(0，0，0)，即可得不同介质像素点的立体坐标。

需要说明的是，以上步骤及步骤中使用的软件，并非是特定的，本领域技术人员可以根据实际需要，进行变动。只要最终获取到不同介质的像素点立体坐标即可。

S4.获取回采煤层不同介质像素点坐标:

基于全部钻孔位置处煤芯煤基质、矿物和孔裂隙像素点坐标，采用三阶样条插值方法，得出钻孔外煤体基质、矿物和孔裂隙像素点坐标。

由于步骤S3只能获取钻孔位置处沿煤层倾向方向的内部介质像素点坐标，为获取整个回采煤层孔裂隙分布形态，需要利用插值算法补全沿煤层走向方向缺失的信息。传统的插值算法(Lagrange、Newton等多项式插值；二阶、三阶等样条插值等)虽然具有光滑拟合的效果，但由于煤体是具有初始孔裂隙分布及受载演化的随机性，采用传统的插值算法难以真实还原煤层孔裂隙分布形态。

基于此，为真实还原煤层孔裂隙分布形态，本发明采用考虑煤体孔裂隙非均匀分布的分形插值算法，分形插值是基于自相似性原理建立迭代函数系统，迭代函数系统定义为{X；w_n，n＝1，2，…，N}，由度量空间(如欧几里得空间)和有限的连续映射w_n：X→X，n＝1，2，...，N组成，其中w_n受收缩因子s_n的影响。

在二维平面上，m个初始点集可以表示为{(u_m，v_m)∈R²：m＝0，1，…，M}，期望通过分形插值得到点集{(x_i，y_i)∈R²：i＝0，1，…，N}。这2个点集在坐标横轴上线性递增排列：u₀<u₁<…<u_M，u₀＝x₀<x₁<…<x_N＝u_M。其中有如下式(1)：

二维空间{R²；w_n，n＝1，2,…，N}可通过式(1)的仿射变换(Affinetransformation)构建出迭代函数系统。对于插值点集的第一点(x_o，y_o)和最后一点(x_N，y_N)，应满足如下式(2)约束：

实数a_n，d_n，c_n，e_n由如下式(3)插值点集所确定：

通过上述算法，指定一个收缩因子s_n(满足|s_n|<1)。对于有m点的初始点集{(u_m，v_m)∈R²：m＝0，1，…，M}，迭代地执行式(1)～(3)的步骤，得到N个插值点集{(x_i，y_i)＝R²：i＝0，1，…，N}，即分形插值结果。基于上述分形插值算法，对煤层走向方向的信息进行插值，就可以获取整个回采煤层不同介质像素点坐标。

S5.回采煤层介质状态区划并绘制区划曲线:

荷载作用下，煤体内部孔裂隙发育扩展过程一般可以划分为4个阶段：在I阶段，煤体内部颗粒连续排列，且无相对滑移，基本完好无破坏，该阶段变形由压密阶段向弹性阶段过渡，可视作连续介质。在II阶段，煤体开始破坏，内部颗粒间发生错动滑移，微裂纹萌生并逐渐扩展，煤体变形由弹性阶段过渡到屈服阶段，孔隙率略有增大，煤体处于似连续介质状态。在III阶段，煤体内部大量微裂纹相互交融、贯通，形成宏观局部裂隙，煤体变形由屈服阶段过渡到峰后软化阶段，孔隙率快速增长，煤体处于非连续介质状态。在IV阶段，煤体内部充分发育的宏观裂纹将其割裂成若干部分，孔隙率稳定在最大值，可视作散体介质。

本发明采用以下步骤，通过具体数值对煤体内部孔裂隙发育扩展过程进行细致区划，确定失稳灾害危险区域，为灾害的预测防控提供有效途径。其具体步骤如下：

S51.如图4所示，沿煤层倾向及走向等距离(1mm)提取M×N个数据点，点m_{i，j(i＝1→M,j＝1→N)}距离工作面的距离用L_i，j表示，该位置处1×1×1mm的煤体孔隙率n_i，j表示。

S52.定义破坏程度评价指标T_i，j由下式(4)确定：

式中：n_i，j、n_0，i，j、n_max，i，j分别沿煤层倾向M位置处沿煤层走向某一位置m_i，j处、最小及最大孔隙率。T_i，j为位置m_i，j处破坏程度评价指标。

计算每个位置点的破坏程度评价指标T_i，j；

S53.计算破坏程度评价指标变化率K_i，j，如下式(5)：

S54.沿煤层倾向各位置处上煤层介质状态区划如下：当-0.05≤T_i，j≤0.05时，煤体处于连续介质区，当K_i，j<0.1时，煤体处于连续介质区，当0.1≤K_i，j<0.65时，煤体处于似连续介质区，当K_i，j≥0.65时，煤体处于非连续介质区；当0.95≤T_i，j≤1.05平稳时，煤体处于散体介质区。

S55.根据步骤S54的介质状态区划，绘制煤层介质状态区划曲线，如图3所示。

现有技术中，所采用的煤体破坏程度评价指标，多基于波速定义的损伤变量，如下式(6)：

D＝1-(v_ρ/v₀)²        (6)

式中：v₀、v_ρ分别为煤体初始完好阶段、某一破坏阶段的波速。

为对比分析T与D指标优劣，本发明进行了对比试验如下：

分别制备相同的煤样6个，试样尺寸为50×50×100mm的长方体，平行度小于±0.02mm；分为2组，一组编号1-1、1-2、1-3；用于煤体力学特征监测与内部三维结构原位测定；一组编号2-1、2-2、2-3，用于开展煤体力学特征与声学特性测定。

煤体力学特征监测与内部三维结构原位测定步骤如下：

1.使用煤体原位实时加载装置对煤样施加荷载，并实时记录受载煤样的应力σ和应变ε信息，所述的加载方式为位移加载，加载速率为0.001mm/s；2.CT扫描煤样获取CT扫描图像，CT扫描切片平行于试样上下端部，间距为1mm，共100张；3.通过软件处理，获取不同介质像素点坐标，并计算评价指标T如下式：

式中：n、n₀、n_max分别煤体某一破坏阶段、最小及最大孔隙率。T为某一破坏阶段破坏程度评价指标。

煤体力学特征与声学特性测定步骤如下：

1.取出煤样，放置在加载台上，在试样周围均匀布置声波探头；2.将探头接入PCI-II声波发射系统，调试，直至信号平稳；3.进行单轴压缩，加载20s后，停止加载，记录煤样的应力σ和应变ε数据，并进行波速监测，记录波速数据，同时计算评价指标D；4.重复实验步骤3，直至试样完全破坏。

最终获得评价指标/应变关系数据如表1所示：

其中应力：

式中：F为压力机施加在煤体上的力，压力机自动记录；S为煤体试样的截面积，即2500mm²。

应变：

式中：Δl为试样荷载作用下的压缩量，压力机自动记录，l为试样的长度，即100mm。

表1

以上数据对应的评价指标/应力-应变关系曲线如图1a、图1b、图1c、图2a、图2b、图2c所示。

根据表1及图可知，随煤样轴向应变的增加，评价指标T呈现出平稳在0附近(变化率仅为0.0299×10²)、缓慢增大、急剧增大再平稳在1左右(变化率仅为0.0868×10²)的变化规律；而评价指标D也表现出相似的变化趋势，即随轴向应变的增加，呈现平稳、缓慢增大、明显增大、再平稳的变化特点。各变化阶段依次对应图中的I段、II段、III段和IV段。

在变化的III阶段，煤样应力-应变曲线均由峰前屈服过渡到峰后软化阶段，煤样物理力学性质突变，T、D平均变化率分别为1.3177×10²和0.5912×10²，评价指标T的增速更加显著。与评价指标D相比，评价指标T对煤体破坏的敏感性更强，更能准确识别煤体破坏状态。

另外，本发明还针对采场围岩应力煤层介质状态区划方法做了对比试验如下：

1.采用本发明基于破坏程度评价指标T的煤层介质状态区划方法，对煤层进行区划。该区划方法中，先在工作面中部位置处，沿煤层走向实施钻孔取芯，然后根据距工作面不同距离处(每隔2m)的取样数据，进行数据推演预测并进行介质状态区划。区划完成后，我们再对数据推演预测的区域，进行钻孔取样，获取实际数据，与推演预测的数据进行对比，测试本发明区划方法的预测准确性。

2.采用基于采场围岩应力煤层介质状态区划方法，基于应力特征对煤层各位置处，沿煤层倾向方向煤层的介质状态进行区划，分别为连续介质区、似连续非连续介质区、散体介质区3个区域。区划完成后，再与钻孔取样的实际数据进行对比，测试该方法区划的准确性。具体结果如下表2。

表2

与采场围岩应力煤层介质状态区划方法相比，本发明的优越性体现在以下2点：1)能够定量将煤层划分连续介质区；似连续介质区；非连续介质区；散体介质区4个区域，区划方法更加精细化。2)能够准确预测煤体介质状态，通过对18组数据分析，发现本发明预测的煤体介质状态与钻孔数据吻合的数据达到17组，准确率达到94％，而基于应力区划方法预测的准确率为67％。

实施例2：此外，本发明实施例还提出一种回采煤层介质状态区划系统，包括CT扫描模块、介质像素点获取模块、介质状态区划模块和区划曲线绘制模块。所述CT扫描模块对采集的煤芯进行扫描，获取CT扫描图像；所述介质像素点获取模块，通过对CT扫描图像进行处理，提取CT扫描图像中的各种介质像素点坐标，并通过插值方法，得到整个煤层的介质像素点坐标；所述介质状态区划模块根据破坏程度评价指标T及其变化率K的数值进行状态区划；所述区划曲线绘制模块根据介质状态区划模块的区划，绘制区划曲线，并输出给终端用户。

需要说明的是，以上模块在实际部署中，可以分开部署在不同空间区域或者设备、系统中。本领域技术人员了解每个模块的各自功能，可以对其进行分开部署或使用，以在不同设备、方法、系统中使用该模块。

另外，本实施例仅仅是对本发明回采煤层介质状态区划系统，所作的基本表述，未在本实施例中详尽描述的技术细节，可参见本发明任意实施例所提供方法，此处不再赘述。

实施例3：本领域的技术人员可以清楚地了解到上述实施例的系统及方法可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件，但很多情况下前者是更佳的实施方式。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质(如只读存储器(Read Only Memory，ROM)/RAM、磁碟、光盘)中，包括若干指令用以使得一台终端设备(可以是手机，计算机，节点打包设备，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述的方法。

所以，本发明还提供了一种回采煤层介质状态区划设备，包括：存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的回采煤层介质状态区划程序，所述回采煤层介质状态区划程序，配置有实现回采煤层介质状态区划方法。

另外，本发明还提供一种存储介质，所述存储介质上存储有回采煤层介质状态区划程序，所述回采煤层介质状态区划程序，配置有实现回采煤层介质状态区划方法。

需要说明的是，以上所描述的工作流程仅仅是示意性的，并不对本发明的保护范围构成限定，在实际应用中，本领域的技术人员可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部来实现发明的目的，此处不做限制。

以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (5)

1.一种回采煤层介质状态区划方法，包括以下步骤：S1.钻孔取芯；S2.获取煤芯分布特征数据，包括：煤芯位置、不同种类煤芯长度和位置、CT扫描图像数据；S3.基于煤芯CT扫描图像，分别提取不同介质的像素点坐标，再根据扫描切片在煤芯中的位置，以及煤芯在整个回采煤层的位置，建立立体坐标，从而获取煤芯不同介质的像素点坐标；S4.基于全部钻孔位置处的煤芯不同介质像素点坐标，采用分形插值算法，得出钻孔外不同介质的像素点坐标，从而获取整个回采煤层不同介质像素点坐标；S5.对煤层进行介质状态区划并绘制区划曲线；

步骤S5对煤层进行介质状态区划并绘制区划曲线，包括以下步骤：S51.沿煤层倾向及走向等距离提取M×N个数据点；S52.计算每个位置点的破坏程度评价指标；S53.计算破坏程度评价指标变化率；S54.根据和对各位置处上煤层介质状态进行区划；S55.绘制煤层介质状态区划曲线；

所述破坏程度评价指标由下式确定：，其中、、分别为沿煤层倾向M位置处沿煤层走向某一位置处孔隙率、最小及最大孔隙率，i、j表示点的坐标；

所述破坏程度评价指标变化率由下式确定：()，其中表示位置距离工作面的距离，i、j表示点的坐标。

2.根据权利要求1所述的一种回采煤层介质状态区划方法，其特征在于，煤层介质状态区划如下：当-0.05≤≤0.05时，煤体处于连续介质区；当<0.1时，煤体处于连续介质区；当0.1≤<0.65时，煤体处于似连续介质区；当≥0.65时，煤体处于非连续介质区；当0.95≤≤1.05时，煤体处于散体介质区。

3.一种回采煤层介质状态区划系统，其特征在于，包括CT扫描模块、介质像素点获取模块、介质状态区划模块和区划曲线绘制模块；

所述CT扫描模块对采集的煤芯进行扫描，获取CT扫描图像；

所述介质像素点获取模块，通过对CT扫描图像进行处理，提取CT扫描图像中的各种介质像素点坐标，并通过分形插值方法，得到整个煤层的介质像素点坐标；

所述介质状态区划模块沿煤层倾向及走向等距离提取M×N个位置点；计算每个位置点的破坏程度评价指标，其中、、分别表示位置处孔隙率、最小及最大孔隙率，i、j表示点的坐标；

计算破坏程度评价指标变化率()，其中表示与工作面的距离；根据破坏程度评价指标T及其变化率K的数值进行状态区划；根据状态区划，绘制区划曲线，并输出给终端用户。

4.一种回采煤层介质状态区划设备，其特征在于，包括：存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的回采煤层介质状态区划程序，所述回采煤层介质状态区划程序，配置有实现如权利要求1-2任一项所述的回采煤层介质状态区划方法。

5.一种存储介质，其特征在于，所述存储介质上存储有回采煤层介质状态区划程序，所述回采煤层介质状态区划程序，配置有实现如权利要求1-2任一项所述的回采煤层介质状态区划方法。

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