CN115711157A - 基于采动磁场分布式监测的煤层突出危险区域识别方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于采动磁场分布式监测的煤层突出危险区域识别方法，所述方法包括：选择待掘进煤层工作面作为识别的目标巷道，将其底板抽放巷或者顶板抽放巷作为监测地点；将多个磁场传感器按预设的间隔距离布置在底板抽放巷或者顶板抽放巷靠近煤层的一侧；测试监测地点煤岩体的初始磁场强度E₀作为背景值；实时监测煤层掘进过程中煤岩体的磁场强度E，计算相对磁场强度W；实时绘制各个磁场传感器的相对磁场强度W曲线；利用相对磁场强度W曲线判断磁场传感器周围区域的煤层突出危险性，利用相对磁场强度W的24小时平均值W_d绘制的等值线图识别待掘进煤层突出危险区。本发明能够提高煤层突出危险识别的可靠性和准确率。

Description

基于采动磁场分布式监测的煤层突出危险区域识别方法

技术领域

本发明涉及煤岩动力灾害识别技术领域，特别涉及一种基于采动磁场分布式监测的煤层突出危险区域识别方法。

背景技术

煤与瓦斯突出是煤矿面临的主要动力灾害之一，主要发生在高瓦斯煤层工作面的煤巷掘进过程中。煤与瓦斯灾害具有发生迅速、破坏性强等特点，因此，如何对灾害进行准确的预测预警是防治煤与瓦斯突出的需要解决的重要工程技术问题。

煤与瓦斯突出灾害的监测预警需要重点关注地质构造、瓦斯压力与含量、采动应力场等相关因素。传统的灾害预测方法为瓦斯参数钻孔测试法，属于抽检式检测，存在以点带面的缺点，且不能连续、实时测试，对于煤与瓦斯突出的监测预警水平有待提高。基于此，亟需一种持续性、范围性且准确率较高的监测方法，对于煤层开采过程中的煤与瓦斯突出危险进行监测预警，防止灾害事故发生。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于采动磁场分布式监测的煤层突出危险区域识别方法，旨在通过采动过程中的煤层磁场变化，识别煤层突出危险区域，即煤与瓦斯突出危险区域，并做出及时预警。

为解决上述技术问题，本发明的实施例提供如下方案：

一种基于采动磁场分布式监测的煤层突出危险区域识别方法，包括以下步骤：

选择待掘进煤层工作面作为识别的目标巷道，将待掘进煤层的底板抽放巷或者顶板抽放巷作为监测地点；

将多个磁场传感器按预设的间隔距离布置在底板抽放巷或者顶板抽放巷靠近煤层的一侧，所述磁场传感器采集磁场信号的方向垂直于煤层；

测试监测地点煤岩体的初始磁场强度E₀作为背景值；

实时监测煤层掘进过程中煤岩体的磁场强度E，计算相对磁场强度W；

实时绘制各个磁场传感器的相对磁场强度W曲线；

利用相对磁场强度W曲线判断磁场传感器周围区域的煤层突出危险性(即煤与瓦斯突出危险性)，利用相对磁场强度W的24小时平均值W_d绘制的等值线图识别待掘进煤层突出危险区(即待掘进煤层的煤与瓦斯突出危险区)。

优选地，所述的选择待掘进煤层工作面作为识别的目标巷道，将待掘进煤层的底板抽放巷或者顶板抽放巷作为监测地点，具体包括：

如果待掘进煤层下方有底板抽放巷，则将磁场传感器放在底板抽放巷上方中央，如果待掘进煤层上方有顶板抽放巷，则将磁场传感器放在顶板抽放巷下方中央，使磁场传感器正对煤层掘进巷道。

优选地，所述的将多个磁场传感器按预设的间隔距离布置在底板抽放巷或者顶板抽放巷靠近煤层的一侧，具体包括：

所述预设的间隔距离为40m；

在底板抽放巷或者顶板抽放巷内每隔40m布置一个磁场传感器，布置时通过水平仪进行测量，保证各个磁场传感器的朝向、角度保持一致。

优选地，所述的测试监测地点煤岩体的初始磁场强度E₀作为背景值，具体包括：

在煤层掘进之前，连续测试磁场传感器附近的磁场数据24小时，取靠近掘进工作面的第一个磁场传感器测试结果的24小时平均值作为初始磁场强度E₀。

优选地，所述的实时监测煤层掘进过程中煤岩体的磁场强度E，计算相对磁场强度W，计算方法如下所示：

W＝E－E₀。

优选地，所述的利用相对磁场强度W曲线判断磁场传感器周围区域的煤层突出危险性，具体包括：

对煤层掘进过程进行连续磁场强度监测，相对磁场强度W越高，表明该磁场传感器监测范围内煤岩体的损伤破坏程度越高，发生煤层突出的可能性越大；根据钻孔测试和动力显现情况确定W与煤层突出危险程度之间的对应关系；在后续监测过程中，绘制各个磁场传感器的实时测试结果曲线图；根据W与煤层突出危险程度之间的对应关系，识别监测区域的危险性变化。

优选地，所述的利用相对磁场强度W的24小时平均值W_d绘制的等值线图识别待掘进煤层突出危险区，具体包括：

进行煤层掘进作业；连续读取各个磁场传感器的测试结果24小时；计算监测期间各个磁场传感器的相对磁场强度W的24小时平均值W_d；根据钻孔测试和动力显现情况确定W_d与煤层突出危险程度之间的对应关系；对煤层掘进过程进行连续监测，每隔24小时将各个磁场传感器W_d数据汇总一次，进行数据插值，绘制二维等值线图；根据W_d与煤层突出危险程度之间的对应关系，在W_d等值线图中识别并划分待掘进煤层的无危险区、弱危险区、中危险区、高危险区。

本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果至少包括：

本发明弥补了传统的煤层突出危险监测方法只能进行时间域预警而不能进行空间域危险区识别的缺陷，可为提高煤层突出灾害治理效果提供技术支持。

本发明将磁场传感器阵列固定在煤层上方或下方的瓦斯抽放巷中，减少了磁场传感器移动的工作量，同时避免了传统监测方法对信号测试的干扰，对煤层突出危险识别的可靠性更强，准确率更高。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明提供的基于采动磁场分布式监测的煤层突出危险区域识别方法的流程图；

图2是本发明第一实施例提供的基于采动磁场分布式监测的煤层突出危险区域识别方法的操作过程图；

图3是本发明第二实施例提供的基于采动磁场分布式监测的煤层突出危险区域识别方法的现场布置图。

附图标记说明：

1、掘进工作面巷道；2、待掘进煤层；3、底板抽放巷；4、磁场传感器阵列；5、底抽巷顶板；6、数据传输线缆；7、工业环网；8、地面监控主机；9、单一磁场传感器的有效监测范围。

如图所示，为了能明确实现本发明的实施例的结构，在图中标注了特定的结构和器件，但这仅为示意需要，并非意图将本发明限定在该特定结构、器件和环境中，根据具体需要，本领域的普通技术人员可以将这些器件和环境进行调整或者修改，所进行的调整或者修改仍然包括在本发明的保护范围中。

具体实施方式

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，所描述的实施例仅仅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。

第一实施例

本实施例提供一种基于采动磁场分布式监测的煤层突出危险区域识别方法，所述方法的流程图如图1所示，其操作过程如图2所示，包括以下步骤：

S101，选择待掘进煤层工作面作为识别的目标巷道，确定磁场传感器布置的位置，一般选择待掘进煤层的底板抽放巷或者顶板抽放巷作为监测地点；

这里的底板抽放巷是指底板瓦斯抽放巷，简称为底板抽放巷，或者底板巷、底抽巷；这里的顶板抽放巷是指顶板瓦斯抽放巷，简称为顶板抽放巷，或者顶板巷、顶抽巷。

S102，在选定的监测巷道按照预设的间隔距离布置一系列磁场传感器，例如：以间距40m布置多个磁场传感器，在布置时将磁场传感器布置于抽放巷的底板或顶板的中央，使磁场传感器正对煤层掘进巷道，采集磁场信号的方向垂直于煤层。布置过程中通过水平仪进行测量，确保各个磁场传感器朝向、角度保持一致。

具体地，对于上述步骤，本实施例中，如果待掘进煤层下方有底板抽放巷，则将磁场传感器放在底板抽放巷上方中央，向上正对煤层掘进巷道布置；如果待掘进煤层上方有顶板抽放巷，则将磁场传感器放在顶板抽放巷下方中央，向下正对煤层掘进巷道布置。

S103，在煤层掘进之前，连续测试磁场传感器附近的磁场数据24小时，取靠近掘进工作面的第一个磁场传感器测试结果的24小时平均值作为煤岩体的初始磁场强度E₀；

S104，对煤层掘进过程的磁场强度变化进行监测，取实测磁场强度E与初始磁场强度E₀之差相对磁场强度W作为煤层突出危险性的评价指标，计算方法如下所示：

W＝E－E₀。

具体地，对于上述步骤，本实施例在对煤层掘进过程进行连续磁场强度监测，相对磁场强度W越高，表明该磁场传感器40m监测范围内煤岩体的损伤破坏程度越高，发生煤层突出危险性的可能性越大。

S105，实时绘制各个磁场传感器的相对磁场强度W曲线，利用相对磁场强度W曲线判断磁场传感器周围区域的煤层突出危险性(即煤与瓦斯突出危险性)；

具体地，对于上述步骤，本实施例在进行煤层突出危险区域识别之前，需要对煤层掘进过程进行至少连续2个月的测试；根据2个月内钻孔测试和动力显现情况确定W与煤层突出危险程度之间的对应关系；之后，绘制各个磁场传感器的实时测试结果曲线图；根据W与煤层突出危险程度之间的对应关系，识别各个磁场传感器所监测区域的危险性变化。

S106，取相对磁场强度W的24小时平均值W_d作为煤层突出危险区识别的指标，利用磁场传感器阵列的测试结果定期绘制W_d的等值线图识别待掘进煤层突出危险区(即待掘进煤层的煤与瓦斯突出危险区)；

具体地，对于上述步骤，本实施例在进行煤层突出危险区域识别之前，需要对煤层掘进过程进行至少连续2个月的测试；对掘进工作中的相对磁场强度变化进行持续监测，每隔24小时计算一次相对磁场强度的平均值W_d；根据2个月内现场的钻孔测试和动力显现情况确定W_d与煤层突出危险程度之间的对应关系；将各个磁场传感器W_d数据进行数据插值，绘制二维等值线图，根据W_d与煤层突出危险程度之间的对应关系，在W_d等值线图中识别并划分待掘进煤层的无危险区、弱危险区、中危险区、高危险区。

综上，本实施例提供了基于采动磁场分布式监测的煤层突出危险区域识别方法，实现了巷道掘进过程的煤层突出危险性确定及危险区域识别，提高了突出危险预测的准确性。

第二实施例

图3是本发明提供的基于采动磁场分布式监测的煤层突出危险区域识别方法的现场布置图。该方法通过在煤层底板抽放巷或者顶板抽放巷布置固定的磁场传感器阵列，连续测试煤层掘进过程中煤岩体不同位置处的采动磁场强度，通过钻孔测试和动力显现情况分析，确定煤层突出危险程度与磁场测试数据之间的对应关系，利用相对磁场强度曲线识别煤层突出危险性，利用相对磁场强度24小时平均值的等值线图识别煤层突出危险区域。

参考图2和图3，本实施例的操作过程如下：

S201，根据掘进工作面巷道1前期的瓦斯防治所采取的区域或局部消突措施，选择待掘进煤层2下方的底板抽放巷3为监测地点，从而实现掘进工作面巷道1前方待掘进煤层2的突出危险性监测及危险区域识别。

S202，在底板抽放巷3里布置磁场传感器阵列4，各个磁场传感器之间的距离均为40m，通过支架固定在底抽巷顶板5上，使磁场传感器均正对待掘进煤层2，确保各个磁场传感器朝向、角度保持一致。

S203，磁场传感器阵列4通过数据传输线缆6接入矿井的工业环网7，然后传输至地面监控主机8。

S204，磁场传感器阵列4布置在掘进工作面巷道1作业之前，确保单一磁场传感器的有效监测范围9为近似半圆形区域，能够覆盖待掘进煤层2。

S205，待磁场传感器阵列4布置完成之后，保持24小时连续监测，记录此时第一个磁场传感器测试结果的24小时平均值为初始磁场强度E₀，由于此时的磁场强度为原始煤岩体的磁场强度，此后所有的磁场强度变化以此为基础进行计算。

S205，初始磁场强度确定之后，取待掘进煤层2的实测磁场强度E与初始磁场强度E₀之差相对磁场强度W作为煤层突出危险性的评价指标。

在本实施例中，在待掘进煤层2的掘进过程中，磁场传感器的相对磁场强度W越高，表明该磁场传感器40m监测范围(单一磁场传感器的有效监测范围9)内煤岩体的损伤破坏程度越高，发生煤层突出危险的可能性越大。

S206，取待掘进煤层2相对磁场强度W的24小时平均值W_d作为煤层突出危险区域识别的指标，在本实施例中，在待掘进煤层2的掘进过程中，W_d越高，表明该磁场传感器40m监测范围(单一磁场传感器的有效监测范围9)内煤岩体的应力集中程度越大，发生煤层突出的危险越强。

S207，在对待掘进煤层2进行煤层突出危险区域识别之前，需要对煤层掘进过程进行至少连续2个月的测试，在此期间，详细记录钻屑量、瓦斯涌出初速度等测试指标及掘进过程中出现在夹钻、喷孔、瓦斯浓度升高等异常情况，确定待掘进煤层2掘进过程中煤层突出的危险性。

S208，记录本实施例S207实施步骤中待掘进煤层2的突出危险变化时，相对磁场强度W的变化，确定W与待掘进煤层2突出危险程度之间的对应关系。

S209，记录本实施例S207实施步骤中待掘进煤层2的突出危险变化时，相对磁场强度W的变化，确定W_d与待掘进煤层2无突出危险、弱突出危险、中突出危险、高突出危险之间的对应关系。

S210，在待掘进煤层2掘进施工过程中，实时绘制磁场传感器阵列4中各个磁场传感器的相对磁场强度W曲线，根据本实施例S208步骤中W与待掘进煤层2突出危险程度之间的对应关系，利用相对磁场强度W曲线判断单一磁场传感器的有效监测范围9内的煤层突出危险性。

S211，每隔24小时将各个磁场传感器W_d数据汇总一次，进行数据插值，绘制二维等值线图。

S212，根据本实施例S209步骤中W_d与待掘进煤层2突出危险程度之间的对应关系，在本实施例S211实施步骤中W_d等值线图上识别并划分待掘进煤层2的无危险区、弱危险区、中危险区、高危险区。

综上，本实施例提供了基于采动磁场分布式监测的煤层突出危险区域识别方法的具体实施步骤，本实施方法相比于传统的通过移动传感器跟踪测试煤层突出危险的方法，减少了传感器移动的工作量，同时避免了传统监测方法对信号测试的干扰，对煤层突出危险识别的可靠性更强，准确率更高。更重要的是，本发明弥补了传统的煤层突出危险监测方法只能进行时间域预警而不能进行空间域危险区识别的缺陷，实现了煤层巷道掘进过程的煤层突出危险区域的准确识别，提高了突出危险预测的准确性。

需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者终端设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者终端设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者终端设备中还存在另外的相同要素。

在说明书中提到“一个实施例”、“实施例”、“示例性实施例”、“一些实施例”等指示所述的实施例可以包括特定特征、结构或特性，但未必每个实施例都包括该特定特征、结构或特性。另外，在结合实施例描述特定特征、结构或特性时，结合其它实施例(无论是否明确描述)实现这种特征、结构或特性应在相关领域技术人员的知识范围内。

通常，可以至少部分从上下文中的使用来理解术语。例如，至少部分取决于上下文，本文中使用的术语“一个或多个”可以用于描述单数意义的任何特征、结构或特性，或者可以用于描述复数意义的特征、结构或特性的组合。另外，术语“基于”可以被理解为不一定旨在传达一组排他性的因素，而是可以替代地，至少部分地取决于上下文，允许存在不一定明确描述的其他因素。

可以理解的是，本公开中的“在……上”、“在……之上”和“在……上方”的含义应当以最宽方式被解读，以使得“在……上”不仅表示“直接在”某物“上”而且还包括在某物“上”且其间有居间特征或层的含义，并且“在……之上”或“在……上方”不仅表示“在”某物“之上”或“上方”的含义，而且还可以包括其“在”某物“之上”或“上方”且其间没有居间特征或层的含义。

此外，诸如“在…之下”、“在…下方”、“下部”、“在…之上”、“上部”等空间相关术语在本文中为了描述方便可以用于描述一个元件或特征与另一个或多个元件或特征的关系，如在附图中示出的。空间相关术语旨在涵盖除了在附图所描绘的取向之外的在设备使用或操作中的不同取向。设备可以以另外的方式被定向，并且本文中使用的空间相关描述词可以类似地被相应解释。

本发明涵盖任何在本发明的精髓和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。为了使公众对本发明有彻底的了解，在以下本发明优选实施例中详细说明了具体的细节，而对本领域技术人员来说没有这些细节的描述也可以完全理解本发明。另外，为了避免对本发明的实质造成不必要的混淆，并没有详细说明众所周知的方法、过程、流程、元件和电路等。

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，该程序可以存储于计算机可读取存储介质中，如：ROM/RAM、磁碟、光盘等。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于采动磁场分布式监测的煤层突出危险区域识别方法，其特征在于，包括以下步骤：

选择待掘进煤层工作面作为识别的目标巷道，将待掘进煤层的底板抽放巷或者顶板抽放巷作为监测地点；

将多个磁场传感器按预设的间隔距离布置在底板抽放巷或者顶板抽放巷靠近煤层的一侧，所述磁场传感器采集磁场信号的方向垂直于煤层；

测试监测地点煤岩体的初始磁场强度E₀作为背景值；

实时监测煤层掘进过程中煤岩体的磁场强度E，计算相对磁场强度W；

实时绘制各个磁场传感器的相对磁场强度W曲线；

利用相对磁场强度W曲线判断磁场传感器周围区域的煤层突出危险性，利用相对磁场强度W的24小时平均值W_d绘制的等值线图识别待掘进煤层突出危险区。

2.根据权利要求1所述的基于采动磁场分布式监测的煤层突出危险区域识别方法，其特征在于，所述的选择待掘进煤层工作面作为识别的目标巷道，将待掘进煤层的底板抽放巷或者顶板抽放巷作为监测地点，具体包括：

如果待掘进煤层下方有底板抽放巷，则将磁场传感器放在底板抽放巷上方中央，如果待掘进煤层上方有顶板抽放巷，则将磁场传感器放在顶板抽放巷下方中央，使磁场传感器正对煤层掘进巷道。

3.根据权利要求1所述的基于采动磁场分布式监测的煤层突出危险区域识别方法，其特征在于，所述的将多个磁场传感器按预设的间隔距离布置在底板抽放巷或者顶板抽放巷靠近煤层的一侧，具体包括：

所述预设的间隔距离为40m；

在底板抽放巷或者顶板抽放巷内每隔40m布置一个磁场传感器，布置时通过水平仪进行测量，保证各个磁场传感器的朝向、角度保持一致。

4.根据权利要求1所述的基于采动磁场分布式监测的煤层突出危险区域识别方法，其特征在于，所述的测试监测地点煤岩体的初始磁场强度E₀作为背景值，具体包括：

在煤层掘进之前，连续测试磁场传感器附近的磁场数据24小时，取靠近掘进工作面的第一个磁场传感器测试结果的24小时平均值作为初始磁场强度E₀。

5.根据权利要求1所述的基于采动磁场分布式监测的煤层突出危险区域识别方法，其特征在于，所述的实时监测煤层掘进过程中煤岩体的磁场强度E，计算相对磁场强度W，计算方法如下所示：

W＝E－E₀。

6.根据权利要求1所述的基于采动磁场分布式监测的煤层突出危险区域识别方法，其特征在于，所述的利用相对磁场强度W曲线判断磁场传感器周围区域的煤层突出危险性，具体包括：

对煤层掘进过程进行连续磁场强度监测，相对磁场强度W越高，表明该磁场传感器监测范围内煤岩体的损伤破坏程度越高，发生煤层突出的可能性越大；根据钻孔测试和动力显现情况确定W与煤层突出危险程度之间的对应关系；在后续监测过程中，绘制各个磁场传感器的实时测试结果曲线图；根据W与煤层突出危险程度之间的对应关系，识别监测区域的危险性变化。

7.根据权利要求1所述的基于采动磁场分布式监测的煤层突出危险区域识别方法，其特征在于，所述的利用相对磁场强度W的24小时平均值W_d绘制的等值线图识别待掘进煤层突出危险区，具体包括：

进行煤层掘进作业；连续读取各个磁场传感器的测试结果24小时；计算监测期间各个磁场传感器的相对磁场强度W的24小时平均值W_d；根据钻孔测试和动力显现情况确定W_d与煤层突出危险程度之间的对应关系；对煤层掘进过程进行连续监测，每隔24小时将各个磁场传感器W_d数据汇总一次，进行数据插值，绘制二维等值线图；根据W_d与煤层突出危险程度之间的对应关系，在W_d等值线图中识别并划分待掘进煤层的无危险区、弱危险区、中危险区、高危险区。

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