專利名稱：一種實時預(yù)測礦井煤與瓦斯突出危險性的系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種預(yù)測礦井煤與瓦斯突出事故的系統(tǒng)
背景技術(shù)：
煤與瓦斯突出是一種極其復(fù)雜的動力現(xiàn)象。其形成過程是在具有煤與瓦斯突 出的礦井中開采煤炭時，由于受人為采動的影響，由地應(yīng)力、瓦斯、煤巖環(huán)境組成的系 統(tǒng)遭到了破壞，失去了固有的力學(xué)平衡而產(chǎn)生一定的動力效應(yīng)。地應(yīng)力首先破壞煤體， 使煤體產(chǎn)生裂隙，然后煤體向裂隙內(nèi)釋放并積聚高壓瓦斯，促使煤體裂隙的不斷發(fā)育。 在很短的時間內(nèi)，由煤體向巷道或采場突然噴出大量的瓦斯及碎煤。噴出來的粉煤與 瓦斯可以填充數(shù)百米長的巷道，造成煤流埋人并充滿巷道，使人窒息，甚至引起瓦斯爆 炸。其發(fā)生的時間短，煤與瓦斯向空間拋出或放散的速度快，突出后人員很難迅速反應(yīng) 進行逃生，常常造成嚴(yán)重的人身傷亡和巨大的經(jīng)濟損失。尤其是，隨著采掘深度不斷增 加，地應(yīng)力與瓦斯壓力不斷加大，煤炭開采的地質(zhì)條件和技術(shù)條件也日趨復(fù)雜，煤與瓦 斯突出礦井的數(shù)目增多，次數(shù)頻繁，強度加大，解決礦井煤與瓦斯突出災(zāi)害問題，更是 迫在眉睫。防止煤與瓦斯突出的發(fā)生，除了把反映煤與瓦斯突出事故的前兆信息實時采集 外，更重要的還要尋找或確定預(yù)測煤與瓦斯突出危險的敏感參數(shù)指標(biāo)及其臨界值，這項 工作一直是防治突出研究人員奮斗的目標(biāo)。但是數(shù)十年開展的煤與瓦斯突出預(yù)測、預(yù)報 研究工作的成果表明(1)不同礦井有不同的臨界指標(biāo)值，要確定一個能夠適應(yīng)各個突 出礦井的臨界指標(biāo)是十分困難的；②即使在同一個礦井、同一個煤層，在不同的采深、 不同的區(qū)域，突出危險判據(jù)也不相同；③近年來，也出現(xiàn)了預(yù)測指標(biāo)并不超標(biāo)，但在實 際的采掘?qū)嵺`中，也有發(fā)生突出的實例；④不可能在諸多煤礦，都配備并普及能預(yù)測分 析煤與瓦斯突出的專業(yè)專家。

實用新型內(nèi)容本實用新型的目的在于，提供一種具有專家經(jīng)驗的實時預(yù)測煤與瓦斯突出事故 的分析方法，即使在不同煤礦、不同的采深、不同的區(qū)域，也能動態(tài)建立危險判據(jù)，預(yù) 測煤與瓦斯突出。目前，井下瓦斯因素采集設(shè)備已經(jīng)成熟，微震信號采集設(shè)備也已具備。申請人 的專利ZL200820029079.0，名稱《一種實時監(jiān)測礦井頂板巖層或混泥土結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的裝 置》)，即影響煤與瓦斯突出發(fā)生的相關(guān)參數(shù)采集條件已經(jīng)具備。長期現(xiàn)場研究和大量的 試驗表明雖然各個礦井的煤巖結(jié)構(gòu)與環(huán)境不同，預(yù)測煤與瓦斯突出事故的臨界指標(biāo)也 不同，但是地應(yīng)力大小和瓦斯涌出量總是存在著一定的關(guān)系。發(fā)明人在甘肅等地礦區(qū)做了大量的現(xiàn)場試驗，取得了以下的結(jié)果1)在沒有突出危險的正常區(qū)開采時，監(jiān)測數(shù)月幾乎接收不到微震信號，且瓦斯 涌出量平穩(wěn)，基本活動在一個正常區(qū)間，表現(xiàn)了礦井的正常情況。[0008]2)在有突出危險性且應(yīng)力變化不是很大的區(qū)域開采時，小能量的微震信號增 多，偶爾出現(xiàn)大能量的微震信號，瓦斯涌出量出現(xiàn)噴發(fā)式的變化，數(shù)值明顯超出正常區(qū) 間的波動范圍。當(dāng)有明顯的應(yīng)力變化時，小能量的微震信號大幅度上升，且大能量的微 震信號也比較密集。持續(xù)時間加長，出現(xiàn)應(yīng)力平衡的時間段減少；瓦斯涌出量急劇增 大。3)在具有煤與瓦斯突出危險的地段，小能量的微震信號整天出現(xiàn)，伴隨著瓦斯 涌出量波動幅度比較大。地應(yīng)力、瓦斯壓力與煤巖的承載能力幾乎達不到平衡，這說明 煤巖材料微觀結(jié)構(gòu)在應(yīng)力的作用下得到了充分的破壞，應(yīng)力的作用點將向起關(guān)鍵支撐作 用煤巖體轉(zhuǎn)移。綜合上述特點，通過建立合理的數(shù)學(xué)模型，可以比較準(zhǔn)確地預(yù)測煤與瓦斯突出。1)當(dāng)微震信號幾乎沒有或很少，且瓦斯涌出量波動較小時，說明該區(qū)域?qū)儆诎?全區(qū)域；2)當(dāng)微震信號增多，大能量的微震信號出現(xiàn)，并伴隨著瓦斯涌出量波動幅度較 大的時候，說明該區(qū)域已經(jīng)發(fā)生突出前兆，應(yīng)該及時采取措施；3)當(dāng)微震信號整天出現(xiàn)，大能量危險信號和瓦斯涌出互動關(guān)系頻繁時候，幾乎 可以斷定監(jiān)測區(qū)域?qū)儆跇O度危險或者已經(jīng)發(fā)生了突出事故?；诖耍谱饕环N具有專家經(jīng)驗的實時預(yù)測分析系統(tǒng)，采集實時監(jiān)測信號，自 動計算尋找適合當(dāng)前煤礦的突出危險臨界指標(biāo)，分析預(yù)測煤與瓦斯突出事故，是完全可 行的。本實用新型是這樣實現(xiàn)的1.本實用新型的結(jié)構(gòu)本實用新型的結(jié)構(gòu)主要由數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊、實時數(shù)據(jù)跟蹤分析 中心、綜合預(yù)警模塊組成。數(shù)據(jù)采集模塊將井下數(shù)據(jù)采集后，通過數(shù)據(jù)傳輸模塊將數(shù)據(jù) 傳輸給實時數(shù)據(jù)跟蹤分析中心進行運算、分析、推理。當(dāng)推理結(jié)果出現(xiàn)危險時，綜合預(yù) 警模塊給出預(yù)警，從而指導(dǎo)人們對危險進行及時處理。各部分的構(gòu)造和功能是1)數(shù)據(jù)采集模塊該模塊由微震信號采集器、瓦斯涌出量采集單元構(gòu)成。a.微震信號采集器由微震信號傳導(dǎo)桿、微震信號傳感元件、微震信號采集分 析主機組成，實時采集煤層地應(yīng)力的變化情況。(1)微震信號傳導(dǎo)桿——將原始煤層地應(yīng)力信號變化情況傳導(dǎo)給傳感元件；(2)微震信號傳感元件——采集微震信號，將微震信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘枺?3)微震信號采集分析主機——接收微震信號傳感元件的微震信號并將其轉(zhuǎn)變?yōu)?電信號。通過對信號的放大、檢波、濾波、以及波形對比分析，濾除外界噪音信號，并 對可靠信號進行實時分析、判斷及顯示。b.由甲烷傳感器和風(fēng)速傳感器組成工作面瓦斯涌出量監(jiān)測單元。2)數(shù)據(jù)傳輸模塊由以下部件組成a.通過金屬電纜和環(huán)網(wǎng)光纖，將數(shù)據(jù)傳輸?shù)降V地面監(jiān)控中心服務(wù)器；b.通過Internet網(wǎng)絡(luò)及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，將實時數(shù)據(jù)傳輸?shù)竭h程分析中心的服務(wù)器。[0027]3)實時數(shù)據(jù)的跟蹤分析中心該實時數(shù)據(jù)的跟蹤分析由兩個部分組成a.礦地面監(jiān)控中心服務(wù)器實時跟蹤分析該服務(wù)器上安裝著煤與瓦斯突出實時 跟蹤分析專家診斷系統(tǒng)軟件摸塊。該軟件模塊完成數(shù)據(jù)的處理、歸納、分析、判斷、預(yù) 警、建立專家數(shù)據(jù)庫、輸出各種報表、發(fā)出各種提示功能。b.專家分析中心煤礦現(xiàn)場缺少煤與瓦斯突出自然災(zāi)害防治的專家，有經(jīng)驗的 專家又很難及時得到現(xiàn)場的第一手資料。本實用新型將有經(jīng)驗的專家作為系統(tǒng)的一個組 成部分；通過Internet網(wǎng)絡(luò)將煤礦實時監(jiān)測的數(shù)據(jù)同步傳輸?shù)綄＜曳治鲋行墓＜疫M行實 時分析判斷。該方式能更加準(zhǔn)確的預(yù)測煤與瓦斯突出的效果，大大加強預(yù)測煤與瓦斯突 出自然災(zāi)害的準(zhǔn)確性和及時性。4)綜合預(yù)警模塊綜合預(yù)警模塊由以下幾個部分組成a.由礦地面監(jiān)控中心人工智能實時跟蹤分析系統(tǒng)發(fā)出預(yù)警，結(jié)合人為參與，向 井下作業(yè)區(qū)工作人員發(fā)出報警。礦地面監(jiān)控中心實時分析軟件對井下監(jiān)測數(shù)據(jù)進行實時采集，當(dāng)發(fā)現(xiàn)有突出危 險征兆(地應(yīng)力活動異常、瓦斯涌出量突然大幅度增大)時，向地面調(diào)度中心發(fā)出相應(yīng)級 別的預(yù)警信息。調(diào)度室工作人員通過數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)向井下作業(yè)區(qū)域的語音報警設(shè)備發(fā)出 指令，語音報警設(shè)備接到指令后打開報警燈并向工作區(qū)域人員發(fā)出語音提示，通知全體 人員迅速離開危險區(qū)并到指定的避難場地避災(zāi)。煤礦地面監(jiān)控中心實時分析軟件摸塊，時刻監(jiān)測作業(yè)區(qū)危險狀態(tài)的變化，隨時 向避難人員下發(fā)報警信息或地面領(lǐng)導(dǎo)指令。當(dāng)危險報警解除后，下發(fā)恢復(fù)生產(chǎn)的指令。b.由煤礦地面監(jiān)控中心實時分析軟件的短信平臺，根據(jù)危險程度等級和危險程 度的緊迫性以及工作人員的分工，以手機短信的方式向其發(fā)出報警提示。2實時跟蹤預(yù)測、綜合預(yù)警礦井煤與瓦斯突出危險性的研究2.1正常區(qū)和突出危險區(qū)的分析特征井下大量的數(shù)據(jù)測定中，絕大多數(shù)情況下，所測數(shù)據(jù)具有以下兩個特征1)瓦斯涌出量會有一個大致的范圍，多數(shù)測定值都集中在測定平均值附近；2)大多數(shù)監(jiān)測點微震信號幾乎沒有，或者信號很少。通過對大量井下監(jiān)測數(shù)據(jù)分析得知突出危險區(qū)在井下較少，即多數(shù)區(qū)域測定 值都集中在一個較正常的范圍(有資料報道突出危險區(qū)僅占整個巷道全長的10%或 5%)0測定值的這種分布規(guī)律正好對應(yīng)于數(shù)理統(tǒng)計的正態(tài)分布規(guī)律。因此，采用正態(tài)分 布描述采集數(shù)據(jù)的隨機誤差分布規(guī)律，是合理的、可行的。根據(jù)上述分析，將反映監(jiān)測煤層區(qū)域特征的判定指標(biāo)作為建立預(yù)測實時分析突 出方法的基礎(chǔ)指標(biāo)。建立判定指標(biāo)，具體依下步驟(1)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化——數(shù)據(jù)清洗轉(zhuǎn)化根據(jù)瓦斯涌出量和微震信號特征，對數(shù)據(jù)做了以下清洗轉(zhuǎn)化處理；1)微震信號處理如下將微震信號測定值按照煤礦實際作業(yè)班劃分，根據(jù)作業(yè)班內(nèi)微震信號頻數(shù)建立 判據(jù)指標(biāo)；使用該種方法的原因a.井下作業(yè)影響，微震信號測定值中有可能出現(xiàn)少數(shù)無效數(shù)據(jù)；
5[0048]b.安裝位置的不同，造成了不同的采集點測定值大小對比已經(jīng)失效；處理的結(jié)果c.通過分析一個作業(yè)班的測定數(shù)據(jù)，使得一些無效數(shù)據(jù)被大量的有效數(shù)據(jù)淹 沒，一個作業(yè)班相對長期的測定情況就代表了當(dāng)前區(qū)域的情況。這樣避免了判斷的偶然 性，提高了準(zhǔn)確性；d.通過將微震信號測定值轉(zhuǎn)換成作業(yè)班內(nèi)的活動頻數(shù)，有效避免了由于安裝位 置的不同、測定絕對值大小失效的情況；e.通過將不同作業(yè)班的微震信號測定值整理，得到的各個不同類型的作業(yè)班 (三八或四六)的測定數(shù)據(jù)，用于建立判據(jù)指標(biāo)更有意義。計算方法3小時微震信號頻數(shù)3小時內(nèi)測定值個數(shù)之和；作業(yè)班微震信號頻數(shù)某一個作業(yè)班內(nèi)測定值個數(shù)之和；2)瓦斯涌出量測定值處理如下a.按照各個作業(yè)班，根據(jù)拉依達檢驗準(zhǔn)則，判斷舍棄離群值；b.按照不同作業(yè)班劃分，計算濾去異常瓦斯測定值的平均值；計算方法
權(quán)利要求1.一種實時預(yù)測礦井煤與瓦斯突出危險性的系統(tǒng)，其特征在于由數(shù)據(jù)采集模塊、 數(shù)據(jù)傳輸模塊、綜合預(yù)警模塊組成；數(shù)據(jù)采集模塊將井下數(shù)據(jù)采集后，通過數(shù)據(jù)傳輸模 塊經(jīng)遠程分析中心傳輸給預(yù)警模塊，給出預(yù)警；1)所說數(shù)據(jù)采集模塊，即有效信號采集器(1)，由微震信號采集器、瓦斯涌出量采 集單元構(gòu)成；(1)微震信號采集器由微震信號傳導(dǎo)桿、微震信號傳感元件、微震信號采集分析主機 組成；a.微震信號傳導(dǎo)桿——將原始煤層地應(yīng)力信號變化情況傳導(dǎo)給傳感元件；b.微震信號傳感元件——采集微震信號，將微震信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?；c.微震信號采集分析主機——接收微震信號傳感元件的微震信號并將其轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦?號，通過對信號的放大、檢波、濾波、以及波形對比分析，濾除外界噪音信號，并對可 靠信號進行實時分析、判斷及顯示；(2)瓦斯涌出量監(jiān)測單元由甲烷傳感器◎和風(fēng)速傳感器 組成；2)所說數(shù)據(jù)傳輸模塊由以下兩部件組成a.通過金屬電纜和環(huán)網(wǎng)光纖將數(shù)據(jù)傳輸?shù)降V地面的監(jiān)控中心服務(wù)器；b.通過Internet網(wǎng)絡(luò)及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，將實時數(shù)據(jù)傳輸?shù)竭h程分析中心的服務(wù)器。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的實時預(yù)測礦井煤與瓦斯突出危險性的系統(tǒng)，其特征在于 在距工作面磧頭15m、30m的巷道兩幫，分別安裝兩組微震信號采集器③和用以測定瓦 斯涌出量的甲烷傳感器(B)和風(fēng)速傳感器 。
專利摘要一種實時預(yù)測礦井煤與瓦斯突出危險性的系統(tǒng)，本系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊、綜合預(yù)警模塊組成；數(shù)據(jù)采集模塊將井下數(shù)據(jù)采集后，通過數(shù)據(jù)傳輸模塊經(jīng)遠程分析中心傳輸給預(yù)警模塊，給出預(yù)警。該系統(tǒng)以反映地應(yīng)力大小的微震信號和反映瓦斯變化的瓦斯涌出量為分析參數(shù)，結(jié)合專家經(jīng)驗，能將煤與瓦斯突出危險性的預(yù)測準(zhǔn)確性提高到90％以上。本發(fā)明適用于具有煤與瓦斯突出危險性的類似礦井。
文檔編號E21F7/00GK201794617SQ20092027488
公開日2011年4月13日 申請日期2009年12月30日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月30日
發(fā)明者蘇燹 申請人:西安西科測控設(shè)備有限責(zé)任公司