CN201531276U - 一种实时跟踪预警矿井煤与瓦斯突出危险性的装备 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种能够实时跟踪预警矿井煤与瓦斯突出危险性的装备，由数据采集系统、数据传输、实时数据的跟踪分析中心、综合预警组成，即有：微震信号传导杆、超低频微震信号传感元件、微震信号采集主机、三级综合预警分析、专家诊断装置构成。通过超低频矿压动态传感器和瓦斯传感器，首次实现了煤与瓦斯突出危险特征信号的实时跟踪采集；建立了三级综合预警分析、专家诊断装置。该技术解决了煤与瓦斯突出中地应力无法实时监测的问题，能将煤与瓦斯突出危险性的预测准确性提高到90％以上。

Description

一种实时跟踪预警矿井煤与瓦斯突出危险性的装备

技术领域

本实用新型涉及一种监测装置，具体来说是预警矿井煤与瓦斯突出危险性的装置。

背景技术

煤与瓦斯突出是煤矿井下极为复杂的瓦斯动力现象，是井下严重自然灾害之一。在人为的采矿活动的干扰下，煤层中原始应力平衡状态被破坏，煤的物理力学性质(煤体强度)由强变弱，而地应力(含自重应力、构造应力、支撑应力)和瓦斯压力相对增强；在地应力的作用下，煤层原始结构发生破坏、生产裂隙，形成大量的自由面，导致煤层中富含的吸附瓦斯快速、大量解吸，转变成游离瓦斯，形成巨大的瓦斯膨胀压力，当这种能量聚集到一定程度时，驱使破碎后的松软煤碳突破抵抗线，瞬间从煤层中喷射出大量的瓦斯(达数百万立方米)和煤炭(达万吨)，造成井下瓦斯动力现象。煤矿开采深度越深，煤与瓦斯突出释放的能量越大。煤层平巷掘进、上山掘进和石门揭煤时，容易发生煤与瓦斯突出，有的矿井的回采工作面也会发生煤与瓦斯突出。

煤与瓦斯突出是一个世界难题；据统计，目前世界上大约有中国、法国、俄罗斯、波兰、日本等18个国家和地区有煤与瓦斯突出发生。

中国是世界上发生煤与瓦斯突出现象最严重、危害性最大的国家之一，发生煤与瓦斯突出总次数占世界各国总突出次数的三分之一以上。根据2007年的调查统计，我国共有19个省，45个矿务局、647对国有重点矿井、403对乡镇煤矿，共发生煤与瓦斯突出14300次，死亡1266人，共突出煤量815800t，平均突出强度为27.0t/次，占世界突出总次数的35％。突出强度超过1000t的突出次数达100余次，如1975年8月8日，天府矿务局三汇坝一矿+280m水平平峒揭穿煤层时发生我国最大的煤与瓦斯突出，突出强度达12780t，瓦斯涌出量1400000m³。

中国绝大多数的突出为煤与CH₄突出，但也有为数不多的岩石与CH₄突出、砂岩与CO₂突出和煤、砂岩与CO₂突出。随着采掘深度不断增加，地应力与瓦斯压力不断加大，煤炭开采的地质条件和技术条件也日趋复杂，煤与瓦斯突出矿井的数目增多，次数频繁，强度加大。

煤与瓦斯突出防治，一直是一个世界性的难题。预测煤与瓦斯突出，重要的是寻找或确定预测突出危险的敏感参数指标及其临界值。数十年开展的突出预测预报研究工作的成果都表明：

1.确定一个能够适应各个突出矿井的临界指标是十分困难的，不同矿井有不同的临界指标值；就是在同一个矿井、同一个煤层，在不同的采深、不同的区域，突出危险判据也不相同。

2.近年来，也出现了预测指标不超标(如钻粉量、K₁)，但在实际的采掘过程中发生了突出的实例。

上述问题，是因为：

1.在不同的有突出的矿区，影响发生突出的三要素：煤岩环境(煤层特性、地质构造)、瓦斯、地应力各不相同，人们很难找到煤层赋存条件相同矿区。

2.既就是在同一个矿井、同一个煤层，在不同的区域、在不同的采深，影响发生突出的三要素各不相同；即分析对象的性质、条件发生了变化。

3.点预测与掘进作业在时空上有个间隔时间。少则一个作业班，多则数天才进行一次预测，显然，前期预测的结果，在时空上很难代表后期掘进作业时的煤岩特性。

实用新型内容

本实用新型的目的在于，提供一种实时跟踪预警矿井中煤与瓦斯突出危险性的装备，能够及时而可靠预测工作面煤与瓦斯突出发生的危险性，以避免突出事故发生时造成重大人员伤亡。

本实用新型基于下述构思而形成：煤与瓦斯突出是一种能释放出巨大能量的井下动力现象，发生这样大动力破坏，不可能没有前兆信息。申请人长期的现场研究表明：在突出发生前，都有大量的异常现象，如巷道壁掉渣、支架严重受压变形、产生大量的煤炮声(深部煤岩破坏产生的声响)、瓦斯涌出量忽大忽小、煤层的厚度或结构(断层、硬度)发生变化等。因此，防治煤与瓦斯突出最好的办法就是能够连续采集有关突出的数据(地应力、瓦斯)，通过实时分析、预测发生煤与瓦斯突出的危险性。显然，如果能研发一种能够实时的采集到这些前兆信息并进行分析、处理、判断而及时报警的装置，就能避免重大人员伤亡事故的发生。

此前，申请人的专利技术：专利号ZL 200820029079.0，名称《一种实时监测矿井顶板岩层或混泥土结构稳定性的装置》，提出了矿井围岩破坏的原理：岩石是一种非均值性的脆性材料，岩石受到集中应力作用发生破坏时，会产生弹性应力波(微震信号)。由于岩石是非均质性的，结构都有弱面和瑕疵，因此，在破坏时能承受的应力大小各不相同，弱面和瑕疵发育的部分首先破坏，此时产生的信号比较弱，释放的能量也比较小；强度和材质比较好的部分承受的应力比较大，破坏时产生的信号比较强，释放的能量也比较大。申请人利用岩石破坏时的这种特性，而提供了一种检测岩石稳定性的方法，并在实践中取得了成功的验证。

煤层与岩石一样都是非均质性的脆性材料，结构都含有大量的弱面和瑕疵；但煤层的强度比岩石弱的多，裂隙和节理比岩石丰富的多，且煤层中富含大量的吸附和游离瓦斯。煤层在相同的应力作用下，更容易破坏，破坏时产生的微震信号比岩石破坏时产生的微震信号弱的多。据研究，其频率范围在130Hz～800Hz之间，主频在160Hz～680H之间。而且煤层越软，产生的微震信号的频率越低，持续时间就越短，一般仅为15ms～40ms；突出危险性更大。

本实用新型巧妙地将检测岩石材料发生破坏的监测原理，运用到矿井中煤与瓦斯突出事故监测，并针对煤层受应力作用发生破坏时产生的弹性应力波信号(微震信号)频率更低、信号更弱、持续时间更短的特点，研发了超低频传感元件；根据井下工作面掘进或回采工艺研究出了一套适合突出煤层的传感器安装方法，开发了相应的数据传输、实时分析、语音报警设备和软件。

本实用新型是这样实现的：主要由数据采集系统、数据传输、实时数据的跟踪分析中心、综合预警组成。各部分的构造和功能是：

1)数据采集系统：系由超低频矿压动态传感器、瓦斯涌出量监测单元构成。根据煤与瓦斯突出机理：地应力、瓦斯因素，分别组成了实时数据采集单元。

a.超低频矿压动态传感器——由微震信号传导杆、超低频微震信号传感元件、微震信号采集分析主机组成，实时采集煤层地应力的变化。

(1)微震信号传导杆——选择微震信号的采集点，传导微震信号；

(2)超低频微震信号传感元件——接收超低频微震信号，将微震信号转变为电信号；

(3)微震信号采集分析主机——接收微震信号传感元件的微震波转变电信号，放大、检波，进行波形对比分析，滤除机械噪音信号，进行高速数据采集，实时分析、判断、显示。

b.工作面瓦斯涌出量监测单元——由瓦斯传感器和风速传感器组成。

2)数据传输该数据传输部分由下述部件组成：

a.通过金属电缆和环网光纤传输到矿地面监控中心服务器；

b.通过intenet网络将实时数据传输到远程专家分析中心服务器；

3)实时数据的跟踪分析中心该实时数据的跟踪分析中心有两个：

a.矿地面监控中心服务器实时跟踪分析：该服务器上安装着煤与瓦斯突出实时跟踪分析专家诊断系统软件摸块。由该软件摸块完成数据的处理、归纳、分析、判断、预警、建立专家数据库、输出各种报表、发出各种提示等功能。

b.远程专家分析中心：在煤矿现场由于缺少专职煤与瓦斯突出防治人员，缺少实际经验，生产任务重等原因，往往造成对分析结果误判、误处理或麻痹大意等情况，而耽误了对煤与瓦斯突出事故紧急处理的时机，成为恶性事故。远程专家分析中心可以在技术上发现现场实时跟踪分析软件的不足，及时修改并对现场分析、处理提供技术支持。

4)综合预警

综合预警由下述部件组成：

a.由矿地面监控中心实时跟踪分析系统，实时、自动向井下作业区工作人员发出报警。

矿地面监控中心实时分析软件摸块，通过连续采集有关突出危险的数据，当发现有突出危险征兆——矿压突然异常活跃/瓦斯涌出量突然大幅度增大时，向地面调度中心发出预警，经地面调度室主管领导同意后，地面实时跟踪分析系统，通过数据传输系统向井下作业地点的语言报警设备发出指令，语音报警设备打开报警灯并以语音方式提示向作业区人员发出提示，要求全体人员快速离开危险区，到指定的避难场地避灾。

矿地面监控中心实时分析软件摸块，时刻监视着作业区危险状态的变化，随时向避难人员下发报警信息或地面领导指令。当危险性消失后，下发恢复生产的指令。

b.由矿地面监控中心实时分析软件的短信平台根据危险程度等级、危险程度的紧迫性以及矿工作人员的等级、职务分工向相关人员以手机短信等方式发出报警提示。

本实用新型针对煤层发生微小断裂时释放的微震信号特点，研发了传感信号的接收跟随主频在130Hz～680Hz范围之超低频微震信号传感元件；针对煤层越软，产生的微震信号的频率越低，信号越弱，持续时间就越短(一般仅为15ms～40ms)，突出危险性就越大的特点，开发了超低频微弱信号数据高速采样电路；基本达到了在各种人工和机械作业的环境中滤除环境噪音信号干扰，识别出煤岩微小断裂释放的震动波信号的目的，解决了煤与瓦斯突出防治中地应力的大小、危险程度无法实时采集的难题。在对突出矿井做了大量对比考察、现场研究的基础上，详细分析了瓦斯涌出量和微震信号在正常区和突出危险区的发展变化规律和特点，提出一套自动寻找或确定适应监测矿井环境条件下的预测突出危险的判据指标的分析数学模型，解决了突出矿井危险判据各不相同，需要花费大量的人力、物力去寻找的难题，并开发了相应的专家诊断系统软件。

本系统的成果是：

其一，建立在接收煤层受集中应力作用破坏而产生的弹性应力波上，破坏的程度不同，信号的强弱也不同，因此，该技术解决了煤与瓦斯突出中地应力无法实时监测的问题，使得矿井煤与瓦斯突出事故实时预测成为了可能。

其二，以实时采集煤岩破坏时释放的微震信号和巷道瓦斯涌出量为分析对象，以扑捉地应力和巷道瓦斯涌出量的突然变化为目的，符合煤与瓦斯突出的机理条件，解决了在突出连续监测系统的软件设计中，分析方法的适应性问题，使得研发出的装备能够应用于不同的突出矿井，而不需要为此专门开发适合某一矿井的防突设备、确定适合该矿井的预测煤与瓦斯突出的判据指标。

其三，建立了三级预警分析机制

a.系列传感器和分站实时预警为第一级，主要担负实时数据采集，当发现煤层特性(地应力或瓦斯)发生突然变化时，实现就地报警、断电控制任务；

b.矿地面监控分析中心为第二级，该服务器上安装着煤与瓦斯突出实时跟踪分析专家诊断系统软件，由该软件完成数据的处理、归纳、分析、判断、预警、建立专家数据库、输出各种报表、发出各种提示功能。

c.远程专家分析中心为第三级；通过互联网从矿地面监控中心服务器获得实时数据，由煤与瓦斯突出防治专家和研究人员在煤与瓦斯突出实时跟踪分析专家诊断系统的基础上做一些辅助分析、处理，

在煤矿现场由于缺少专职煤与瓦斯突出防治人员，缺少实际经验，生产任务重等原因，往往造成对分析结果误判、误处理或麻痹大意等情况，而耽误了对煤与瓦斯突出事故紧急处理的时机，而成为恶性事故。由防突专家或专职研究人员组成的队伍在技术上及时发现现场实时跟踪分析系统的不足，及时修改并对现场分析、处理提供技术支持。

本实用新型适用于所有煤与瓦斯突出危险的煤矿，鉴于煤岩破坏时释放的微震信号和巷道瓦斯涌出量为分析对象，破坏的程度不同，微震信号的强弱不同，突出危险性煤层瓦斯也不同…。本发明解决了煤与瓦斯突出中地应力无法实时监测的问题，使得实时预测矿井煤与瓦斯突出危险性成为了可能，能将煤与瓦斯突出危险性的预测准确性提高到90％以上，达到了世界领先水平。

附图说明

图1超低频矿压动态传感器整体结构示意图；

图2煤与瓦斯突出危险性三级实时跟踪分析、综合预警结构示意图

图3掘进工作面(平巷、上山、石门)突出危险性实时跟踪预测传感器安装布置图

图4回采工作面突出危险性实时跟踪预测传感器安装布置图

图中，1微震信号数据传导杆，2超低频微震信号传感元件，3通道微震信号采集分析主机，4瓦斯传感器，5风速传感器，6语音报警器，7地面通讯接口，8矿地面监控分析中心，9远程专家分析中心。

具体实施方式

下面结合附图，以掘进工作面为例，叙述一个本实用新型的实施例

本实施例，由数据采集系统、数据传输、实时数据的跟踪分析中心、综合预警组成。所说数据采集系统，系由超低频矿压动态传感器、瓦斯涌出量监测单元构成。

图1是超低频矿压动态传感器的整体结构——主要由微震信号数据传导杆(1)，超低频微震信号传感元件(2)，4通道微震信号采集分析主机(3)，瓦斯传感器(4)构成。图中1^#、2^#、3^#、4^#--------为4个微震信号传感头。微震信号传导杆(1)的一端插入煤层中，另一端安装低频微震信号传感元件(2)；用屏蔽电缆线将低频微震信号传感元件(2)与8通道微震信号采集分析主机(3)相连，与瓦斯传感器(4)、风速传感器(5)、语音报警器(6)配合，组成了工作面煤与瓦斯突出实时跟踪预测监测单元(第一级)。

图2为煤与瓦斯突出危险性三级实时跟踪分析、综合预警结构。

有：地面通讯接口(7)，矿地面监控分析中心(8)，远程专家分析中心(9)。

当发现煤层特性(地应力或瓦斯)发生突然变化时，工作面煤与瓦斯突出实时跟踪预测监测单元(3)(第一级)实现就地报警、断电控制任务。同时，将初次分析结果和实时数据，通过地面通讯接口(7)，传送给矿地面监控分析中心(8)(第二级)，矿地面监控分析中心服务器上安装着煤与瓦斯突出实时跟踪分析专家诊断系统软件，由该软件完成数据的处理、归纳、分析、判断、预警、建立专家数据库、输出各种报表、发出各种提示功能。当预测到有发生煤与瓦斯突出危险时，根据危险等级，由矿地面监控分析中心服务器上安装的煤与瓦斯突出实时跟踪分析专家诊断系统软件，发出指令；由工作面安装的语音报警器(6)，发出语音报警，提醒工作面作业区的人员到指定的避难洞室进行避灾或撤回到地面。当达到应力平衡，突出危险性减小时，避难洞室中的语音报警器发出语音提示，恢复生产。同时将实时数据和分析结果，传送给远程专家分析中心(9)(第三级)；由煤与瓦斯突出专家或专业研究人员在矿煤与瓦斯突出实时跟踪分析专家诊断系统的基础上做一些辅助分析、处理。并将可能发生煤与瓦斯突出危险的程度或分析结果以短信、邮件或电话方式通知给矿方有关人员。

图3为掘进工作面(平巷、上山、石门)突出危险性实时跟踪预测传感器的安装布置。当要在突出危险煤层中，掘进一条巷道(平巷、上山、石门)时，按布置图安装传感器；首先在距工作面碛头45米处，用煤电钻在巷道两帮各打一个直径42mm，深度为2～2.5m的钻孔(深度与煤层的特性有关，越松软、越破碎的煤层，钻孔深度就越深)，将1^#、2^#微震信号传导杆1打入孔底的煤层中，在微震信号数据采集杆杆孔外的一端安装微震信号传感元件2，分别将微震信号传感元件(2)接入微震信号采集、分析主机(3)的1^#、2^#通道。在距工作面碛头30米处，再用煤电钻在巷道两帮各打一个直径42mm，深度为2～2.5m的钻孔，将3^#、4^#微震信号传导杆1打入孔底的煤层中，在微震信号数据采传导杆孔外的一端安装微震信号传感元件2，分别将微震信号传感元件2接入微震信号采集、分析主机(3)的3^#、4^#通道；在距工作面碛头15米处，再用煤电钻在巷道两帮各打一个直径42mm，深度为2～2.5m的钻孔，将5^#、6^#微震信号传导杆1打入孔底的煤层中，在微震信号数据采传导杆孔外的一端安装微震信号传感元件2，分别将微震信号传感元件2接入微震信号采集、分析主机(3)的5^#、6^#通道；

在距工作面碛头20米处安装一台瓦斯传感器(4)和风速传感器(5)，在人员工作的密集区(或能够直视的地方)安装1台语音报警器(6)；在远离工作面的避难洞室安装一台语音报警器(6)。

这样就在掘进工作面形成了一个煤与瓦斯突出危险性实时的监测单元。

图4为回采工作面突出危险性实时跟踪预测传感器的安装布置。当回采工作面有突出危险性需要监测时，按图4所示安装布置传感器。在回采工作面进风、回风巷，距工作面50m处、相距50m，用煤电钻打8个深2～2.5m的钻孔，将微震信号传导杆1打入孔底的煤层中，在微震信号数据采传导杆孔外的一端安装微震信号传感元件2，将进风巷的4个微震信号传感元件2接入微震信号采集、分析主机(3)的2^#、4^#、、6^#、8^#通道，将回风巷的4个微震信号传感元件2接入微震信号采集、分析主机(3)的1^#、3^#、、5^#、7^#通道；在回风巷处安装一台瓦斯传感器(4)和风速传感器(5)；在进风巷人员工作密集区(要求：工作人员能够直视)安装1台语音报警器，在进风巷避难洞室安装1台语音报警器。

这样就在回采工作面形成了一个煤与瓦斯突出危险性实时监测单元。

传感器安装布置方法

a.在掘进工作面(平巷、上山、石门)突出预测传感器安装如图2所示：

1)在距工作面碛头15m处，间距15m，安装2个矿压动态传感器。

2)在工作面碛头侧和回风侧，各安装1组风速和高低浓度甲烷传感器。

3)当工作面向前推进15m时，撤除工作后方的矿压动态传感器和碛头处的风速和瓦斯传感器，前移到距碛头15m处。

4)在靠近工作面20米处，安装1台语音报警器(要求作业人员能够直视报警器，以便于看见警报灯光)；在突出巷道避难场所，安装1台语音报警器。

5)上述设备通过传输系统与地面中心站相连，以便实时数据直接转向监控中心。

b.在回采工作面突出，预测传感器的安装。如图3所示：

1)在回采工作面上下巷道距工作面50m处、相距50m，安装4组共8个矿压动态传感器，在进风和回风巷各安装4个。

2)在回风巷，安装1组风速和高低浓度甲烷传感器。

3)当工作面距动态传感器小于10m时，撤除靠近工作面的传感器后移。

4)在工作面人员密集区或综采工作面进风巷乳化液泵站工作平台上，安装1台语音报警器；在该工作面避难场所，安装1台语音报警器。

5)上述设备通过传输系统与地面中心站相连，以便实时数据直接转向监控中心。

Claims (2)

1.一种实时跟踪预警矿井煤与瓦斯突出危险性的装备，其特征在于，由数据采集系统、数据传输、实时数据的跟踪分析中心、综合预警组成；

1)所说数据采集系统，系由超低频矿压动态传感器、瓦斯涌出量监测单元构成；

a.超低频矿压动态传感器——由微震信号传导杆(1)、超低频微震信号传感元件(2)、微震信号采集分析主机(3)组成；微震信号传导杆(1)的一端插入煤层中，另一端安装微震信号传感元件(2)；低频传感元件(2)与8通道微震信号采集分析主机(3)相连，与语音报警器(6)组成了工作面煤与瓦斯突出地应力因素的实时跟踪预测监测单元；

b.工作面瓦斯涌出量监测单元——由瓦斯传感器(4)和风速传感器(5)、语音报警器(6)组成。风速传感器测定巷道风流的平均风速，计算出巷道中单位时间的风量，风量与瓦斯浓度相乘计算出巷道单位时间内瓦斯涌出量，通过分析单位时间内瓦斯涌出量的动态变化分析煤与瓦斯突出的危险性；

2)所述数据传输，由下述部件组成：

a.通过金属电缆和环网光纤传输到矿地面监控中心服务器；

b.通过intenet网络，将实时数据传输到远程专家分析中心服务器；

3)所述实时数据的跟踪分析中心，有矿地面监控中心服务器和远程专家分析中心服务器。

4)所述综合预警，由矿地面监控中心实时跟踪分析系统和矿地面监控中心实时分析软件的短信平台、语音报警系统和远程分析中心邮件、短信、报警电话组成。

2.根据权利要求1所述实时跟踪预警矿井煤与瓦斯突出危险性的装备，其特征在于：所说超低频微震信号传感元件(2)的主频范围在160Hz～680H之间。

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