掘進面瓦斯湧出動態特徵突出連續預測方法

2023-10-17 03:40:14 1

專利名稱：掘進面瓦斯湧出動態特徵突出連續預測方法
技術領域：
本發明涉及煤礦安全技術領域，具體設計一種掘進面瓦斯湧出動態特徵突出連續 預測方法。
背景技術：
突出前瓦斯湧出增大或瓦斯忽大忽小等異常現象一直為煤與瓦斯突出前的主要 預兆之一，準確掌握掘進面瓦斯湧出異常信息是預測預報掘進面突出危險性的核心問題之
o在局部防突措施中，我國防突技術已經建立起了以突出危險性預測、防治突出措 施、防突措施的效果檢驗和安全防護措施為一體的「四位一體」的局部綜合防突措施。這在 一定程度上減少了突出事故的發生。然而，「四位一體」中的突出預測方法是一種接觸式的 點預測方法，它主要是通過在煤壁上打鑽，測試鑽孔或鑽屑等瓦斯指標來進行預測。這種方 法施工工藝比較簡單，在防治突出初期工作中起到了巨大的作用。但是，隨著礦井生產工藝 的不斷進步，傳統的預測方法需要較多的預測時間，一般預測一個掘進工作面需要約3個 小時左右。較長的作業時間延緩了工作面掘進速度，束縛了礦井生產力的發展。另外，由於 它是間斷性的點對點預測，不能及時有效的連續預測預報突出危險性，面對延期突出顯得 無能為力。因此，在掘進工作面中研究一種非接觸式、連續預測突出的方法，實時的、不間斷 的預測預報突出危險性是十分必要的。在非接觸式連續預測突出技術的研究過程中，國內外研究方向主要集中在三個方 面①聲發射突出預測技術。②電磁輻射突出預測技術。③瓦斯湧出動態特徵突出預測技 術。三種非接觸式連續突出預測方法中，隨著礦井瓦斯監控系統的不斷完善以及大面積推 廣，瓦斯湧出動態特徵預測突出方法在硬體準備上是極為充分的，使得我們已經擁有了利 用瓦斯湧出動態特徵預測突出危險性的軟、硬體設施。也為我們快速深入研究利用瓦斯湧 出動態特徵突出預測技術提供了強有力的支持。另外，前人在瓦斯湧出動態特徵預測煤與 瓦斯突出領域中的研究所建立的瓦斯湧出指標(包括v3(l，B以及1等)都只是從部分突出 前瓦斯湧出外在表現入手，分析建立瓦斯湧出動態特徵指標，並沒有從突出綜合假說三因 素與瓦斯湧出主控因素之間的耦合關係出發，從根源上分析瓦斯湧出動態特徵預測煤與瓦 斯突出技術的可靠性，還無法達到準確預測煤與瓦斯突出的目的。

發明內容
有鑑於此，為了解決上述問題，本發明的目的在於提供一種掘進面瓦斯湧出動態 特徵突出連續預測方法，可實現較為準確的掘進面煤與瓦斯突出非接觸式、連續預測。本發明的目的是這樣實現的掘進面瓦斯湧出動態特徵突出連續預測方法，包括 如下步驟1)從煤礦瓦斯監控系統獲取井下瓦斯傳感器的實時瓦斯湧出監控數據，從中提取 掘進面瓦斯湧出的動態特徵，包括
第i班次的瓦斯湧出監控數據班次均值無二| ；式中T——一個班次作業時間長度，min (以下相同)；Xi——第i分鐘內瓦斯湧出監控均值，％ (以下相同)。第i班次的瓦斯湧出監控數據班次分鐘最大值Xl = max[xi, x2,…，x, xT]；
第i班次的瓦斯湧出班次t分鐘移動最小值
2)獲取巷道形狀設計特徵參數0、煤層原始可解吸瓦斯含量Qm，工作面風量Qf以
及班次時間T，其中0 =工作面迎頭面積/(新鮮巷道壁面積+工作面迎頭面積)；
其中
3)獲取瓦斯湧出動態特徵值a、b、c，其中
第i班次瓦斯湧出量特徵值a,=無-(l-々)xX,A_ ； 第i班次瓦斯湧出解吸特徵值h = Xijfflax-Xijt,fflin ； 第i班次瓦斯湧出分源特徵值c,/￥,；
4)通過瓦斯湧出動態特徵值a、b、c獲取掘進面瓦斯湧出特徵狀態指標ApBpC」
第i班次瓦斯湧出量特徵狀態指標彳」=
式中Mn——掘進面第i-n到第i班次的落煤量，單位為噸；第i班次瓦斯湧出解吸特徵狀態指標By = bi ；
第i班次瓦斯湧出分源特徵狀態指標^^
5)通過分析掘進面瓦斯湧出特徵狀態指標~、Bp Q預測掘進面狀態突出危險。 進一步，步驟5)中
當~ < 0. 8時，判定掘進面瓦斯含量發展狀態為正常； 當0. 8 < ~ 1時，判定掘進面瓦斯含量發展狀態為危險；
當炮掘面& < 0. 6或機掘面& < 0. 4時，判定掘進面煤體物理力學性質發展狀態 為正常；當炮掘面0. 6 < Bi < 0. 9或機掘面0. 4 < Bi < 0. 6時，判定掘進面煤體物理力學 性質發展狀態為威脅；當炮掘面& ^ 0. 9或機掘面& ^ 0. 6時，判定掘進面煤體物理力學性質發展狀態 為危險；當炮掘面Q < -0. 03或機掘面Q < -0. 10時，判定掘進面地應力發展狀態為正 常；當炮掘面-0. 03 ^ < -0. 05或機掘面-0. 10 ^ < -0. 15時，判定掘進面地應 力發展狀態為威脅；
當炮掘面q ( -0. 05或機掘面( -0. 15時，判定掘進面地應力發展狀態為危 險；進一步，步驟4)和步驟5)之間還包括如下步驟通過掘進面瓦斯湧出特徵狀態指標~、Bp 獲得掘進面瓦斯湧出特徵趨勢指標 A2、B2、C2，其中第i班次瓦斯湧出量特徵趨勢指標4，2 = - ~；第i班次瓦斯湧出解吸特趨勢態指標今2 =B,:『第i班次瓦斯湧出分源特趨勢態指標Ci,2 = niC^'-C^彡0)；進一步，步驟5)中還包括通過分析掘進面瓦斯湧出特徵趨勢指標A2、B2、C2預測掘 進面趨勢突出危險的步驟；進一步，步驟5)中當A2 < 0. 2時，判定掘進面瓦斯含量發展趨勢為正常；當0. 2 < A2 0. 4時，判定掘進面瓦斯含量發展趨勢為危險；當B2 < 0. 2時，判定掘進面煤體物理力學性質發展趨勢為正常；當炮掘面0. 2 < B2 < 0. 4或機掘面0. 2 < B2 0. 4或機掘面B2 > 0. 3時，判定掘進面煤體物理力學性質發展趨勢 為危險；當C2 < 3時，判定掘進面地應力發展趨勢為正常；當炮掘面3 < C2 < 5時，判定掘進面地應力發展趨勢為威脅；當炮掘面C2 ^ 5時，判定掘進面地應力發展趨勢為危險；進一步，步驟5)之後還包括如下步驟6)根據步驟5)的分析結果，發出相應警示信號。本發明針對煤礦軟、硬體設施的發展現狀以及前人在該領域研究的根本性不足， 從根源上思考掘進面瓦斯湧出的主控因素，確立了突出綜合假說三因素與瓦斯湧出主控因 素之間的耦合關係，並利用掘進面瓦斯湧出動態特徵反應掘進面突出綜合假說三因素的發 展狀態與發展趨勢，實現了掘進面煤與瓦斯突出的非接觸式、連續預測技術；其中，掘進面 瓦斯湧出量特徵反應掘進面煤體瓦斯含量；掘進面瓦斯解吸特徵反應掘進面煤體物理力學 性質；掘進面瓦斯湧出分源特徵反應掘進面前方地應力。本發明還利用瓦斯湧出特徵狀態 及趨勢指標々1、4、81、82、(1、(2分別描述掘進面前方煤體瓦斯含量、煤體物理力學性質以及 地應力三大突出主控因素的發展狀態及發展趨勢掘進面瓦斯湧出量特徵狀態及趨勢指標 ~、A2分別反應掘進面煤體瓦斯含量的發展狀態及發展趨勢；掘進面瓦斯解吸特徵狀態及 趨勢指標&、B2分別反應掘進面煤體物理力學性質的發展狀態及發展趨勢；掘進面瓦斯湧 出分源特徵狀態及趨勢指標q、C2分別反應掘進面地應力的發展狀態及發展趨勢。


為了使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將結合附圖對本發明作進一步的詳細描述圖1掘進面瓦斯湧出動態特徵突出連續預測方法原理框架圖；圖2掘進面瓦斯湧出量特徵指標A試驗驗證圖；圖3瓦斯解吸初速度與瓦斯壓力的關係圖；圖4解吸初速度與瓦斯含量的關係圖；圖5松藻某煤礦掘進進尺統計；圖6掘進面瓦斯湧出解吸特徵指標B試驗驗證圖；圖7掘進面瓦斯湧出負分源特徵指標C試驗驗證圖。
具體實施例方式以下將對本發明的優選實施例進行詳細的描述。參見圖1，本實施例的掘進面瓦斯湧出動態特徵突出連續預測方法，包括如下步 驟1)從現有的煤礦瓦斯監控系統中獲取井下瓦斯傳感器的實時瓦斯湧出監控數據， 從中提取掘進面瓦斯湧出的動態特徵，包括第i班次的瓦斯湧出監控數據班次均值無=去Z二 x,；式中T——一個班次作業時間長度，min(以下相同)；Xi——第i分鐘內瓦斯湧出監控均值，％ (以下相同)。第i班次的瓦斯湧出監控數據班次分鐘最大值Xi,. = max[xi, x2,…，x,,…， xT]；第i班次的瓦斯湧出班次t分鐘移動最小值
」兒=imn|—M^. U ...一一丨 x> …
1 '，/，mm？ ^ 5 『, ，J，
t t t t所述t優選的取值範圍為15-60，最佳為30。2)獲取巷道形狀設計特徵參數0、煤層原始可解吸瓦斯含量Qm，工作面風量Qf以 及班次時間T，其中0 =工作面迎頭面積/(新鮮巷道壁面積+工作面迎頭面積)；3)獲取瓦斯湧出動態特徵值a、b、c，其中第i班次瓦斯湧出量特徵值a,Xitmm ；第i班次瓦斯湧出解吸特徵值h = Xijfflax-Xijt,fflin ；第i班次瓦斯湧出分源特徵值c,=式,_ /無；4)通過瓦斯湧出動態特徵值a、b、c獲取掘進面瓦斯湧出特徵狀態指標ApBpC」 其中
V『 (a, xT )xO,第i班次瓦斯湧出量特徵狀態指標4,=厶屍丨J ^
『 MnxQm式中Mn——掘進面第i_n到第i班次的落煤量，單位為噸；第i班次瓦斯湧出解吸特徵狀態指標Bia = bi ；
7
第i班次瓦斯湧出分源特徵狀態指標 5)通過掘進面瓦斯湧出特徵狀態指標~、Bp 獲得掘進面瓦斯湧出特徵趨勢指 feA2、B2、C2，其中第i班次瓦斯湧出量特徵趨勢指標4，2 =4,,『第i班次瓦斯湧出解吸特徵趨勢態指標久2 二 -這；2Bu ；第i班次瓦斯湧出分源特徵趨勢態指標Ci,2 = niC^'-C^彡0)；6)通過分析掘進面瓦斯湧出特徵狀態指標~、Bp 預測掘進面突出危險狀態； 通過分析掘進面瓦斯湧出特徵趨勢指標A2、b2、C2預測掘進面突出危險趨勢的步驟；具體如 下當~ < 0. 8時，判定掘進面瓦斯含量發展狀態為正常；當0. 8 < ~ 1時，判定掘進面瓦斯含量發展狀態為危險；當A2 < 0. 2時，判定掘進面瓦斯含量發展趨勢為正常；當0. 2 < A2 0. 4時，判定掘進面瓦斯含量發展趨勢為危險；當炮掘面Bi < 0. 6或機掘面Bi < 0. 4時，判定掘進面煤體物理力學性質發展狀態 為正常；當炮掘面0. 6 < Bi < 0. 9或機掘面0. 4 < 0. 9或機掘面Bi > 0. 6時，判定掘進面煤體物理力學性質發展狀態 為危險；當B2 < 0. 2時，判定掘進面煤體物理力學性質發展趨勢為正常；當炮掘面0. 2 < B2 < 0. 4或機掘面0. 2 < B2 0. 4或機掘面B2 > 0. 3時，判定掘進面煤體物理力學性質發展趨勢 為危險；當炮掘面Q < -0. 03或機掘面Q < -0. 10時，判定掘進面地應力發展狀態為正 常；當炮掘面-0. 03 ^ < -0. 05或機掘面-0. 10 ^ < -0. 15時，判定掘進面地應 力發展狀態為威脅；當炮掘面Ci ^ -0. 05或機掘面Ci ^ -0. 15時，判定掘進面地應力發展狀態為危 險；當C2 < 3時，判定掘進面地應力發展趨勢為正常；當炮掘面3 < C2 < 5時，判定掘進面地應力發展趨勢為威脅；當炮掘面C2 ^ 5時，判定掘進面地應力發展趨勢為危險；總結各預測指標如以下兩表所示
表 1 表2 7)根據步驟6)的分析結果，發出相應警示信號。重複以上步驟，即可實現掘進面瓦斯湧出動態特徵突出的非接觸式、連續預測。以下對本發明的理論原理及驗證及說明1、瓦斯湧出量特徵指標A的計算這裡研究的瓦斯湧出量不是整個工作面的瓦斯湧出量，而是針對工作面煤體(以 及落下或即將落下的煤體)的瓦斯湧出量。瓦斯湧出量特徵直接反應煤體瓦斯湧出潛能的 大小，即突出綜合假說的瓦斯因素。(1)掘進面瓦斯湧出量特徵影響因素如下①煤體可解吸瓦斯含量煤體可解吸瓦斯含量是掘進面瓦斯湧出的主要來源，煤體的可解吸瓦斯越多，其 在巷道空間內的解吸量可能越大。而正好相反，如果煤體沒有可解吸瓦斯，掘進面就不會有 瓦斯湧出。這就意味著，煤體可解吸瓦斯含量的多少從根源上控制著掘進面的瓦斯湧出量。 因此，煤體的可解吸瓦斯含量實際上就是瓦斯湧出主控因素——煤體瓦斯湧出潛能的直接 反應。②煤體滲透性煤體滲透性的主控因素是煤體瓦斯湧出的主要流通通道，沒有流通通道的煤體， 其內部瓦斯是不會被排放的。煤體滲透性越好，煤體內部的瓦斯滲透量也就越大。煤體滲 透性對掘進面瓦斯湧出的控制作用主要體現在其對瓦斯湧出時間上或分源上的控制，即延 遲瓦斯湧出或將煤壁瓦斯湧出轉化為落煤瓦斯湧出等。對瓦斯湧出總量上的控制作用是微 乎其微的。這是因為，在掘進速度大致不變的情況下，煤體滲透性好，工作面煤體瓦斯湧出 量大，而落煤的瓦斯湧出就自然較小。反之，煤體滲透性差，工作面煤體瓦斯湧出量小，但落煤的瓦斯湧出會變大。這種一正一負的影響有彼此相互抵消作用。即在掘進速度不變的情 況下，煤體滲透性對工作面煤體瓦斯湧出總量的影響是較小的。③落煤的殘存瓦斯含量倘若落煤在掘進空間內停留足夠長的時間，落煤的可解吸瓦斯基本上會得到完全 的解吸，而不可解吸瓦斯(煤體在0. IMpa的大氣壓下，對瓦斯的吸附量)只與煤體的吸附 特性有關。倘若停留時間太短，落煤瓦斯還未來得及解吸就已被運出工作面，其運出工作面 瞬間的殘存瓦斯含量肯定也越多。在井下生產現場，落煤在井下的停留時間差異較大，炮掘 工作面一般都在1個小時左右，而機掘工作則較短，一般不超過10分鐘。這就使得落煤殘 存瓦斯含量與落煤的吸附特性、解吸時間以及落煤粒徑等相關聯。(2)試驗驗證通過對上述三種影響因素對瓦斯湧出量特徵影響分析可以發現，在同一條巷道由 於其採掘工藝、運煤方式等變化不大，因此瓦斯湧出量特徵可以比較有效的單獨反應掘進 面前方煤體的可解吸瓦斯含量。該發明通過利用瓦斯含量快速測定裝置DGC對煤體可解吸 瓦斯含量的測試結果對比瓦斯湧出量特徵指標A，兩者極好的相關性驗證了瓦斯湧出量特 徵反應煤體可解吸瓦斯含量的可靠性。以晉城某礦掘進巷道為例，巷道形狀設計特徵參數 3=0. 94，煤層原始可解吸瓦斯含量Qm = 9. 08m3/t，風量Qf = 800m3/min以及班次時間T =480min。工作面前方煤體可解吸瓦斯含量的測試結果對比瓦斯湧出量特徵指標A對比結 果見附圖2。2、瓦斯湧出解吸特徵指標B的計算(1)掘進面瓦斯湧出解吸特徵影響因素如下①煤體的吸附特性吸附理論認為單位暴露面積的煤體解吸速度與煤體的吸附特性以及瓦斯壓力有 密切的關係。煤體對瓦斯氣體的吸附特性主要是指煤體對瓦斯氣體的極限吸附量以及煤體 對瓦斯氣體的脫附活化能。煤體的這些特性都與煤體的變質程度密切相關。但是在井下生 產現場，同一工作面，同一區域甚至是同一煤層，煤體整體的變質程度相差不大，因此可以 認為在井下生產現場煤體的吸附特性對煤體瓦斯解吸速度的影響十分微小。②煤體表面的瓦斯壓力或瓦斯含量根據Langmuir理論我們以松藻某礦煤樣數據為例，見表3。該煤層極限吸附量a 為 31. 82m3/t、b 為 1. 46Mpa"\ Aad 為 18. 9%、Mad 為 0. 5%煤體的瓦斯含量從 8. 17m3/t 增加 到原始煤層瓦斯含量16. 07m3/t，其瓦斯壓力從0. 4Mpa增加到1. 8Mpa,增加約4. 5倍；而解 吸初速度從1. 34m3/t s增加到3. 31m3/t s，增加僅約2. 48倍。如附圖3與附圖4。表3 ③煤體的暴露面積對解吸速度的影響
Langmuir理論是最理想的固體表面吸附理論，其要求固體表面完全暴露，但是無 論是在掘進還是實驗室試驗過程中，煤體暴露都是相對的，不完全的。同一煤樣，當煤體暴 露面積增加時(粒徑減小)，煤體表面的瓦斯初始解吸總量就會相應的增加。即 式中Qq——暴露煤體初始解吸總量，mol ；N——暴露煤體表面積增加的倍率；t——時間，s;q0——單位面積煤體的解吸初始量，mol/s。煤體落煤量越多，採掘空間內煤體暴露面積也就越大，只是由於井下作業的相對 規範化，使得掘進落煤量越來越受到控制或者均衡，以松藻某煤礦為例，礦井一班次放炮落 煤一般都在1. 2 1. 5m左右，如圖5。因此我們近似的認為井下掘進落煤量基本保持穩定， 其對煤體的暴露面積的影響較小。而當煤體受到的機械作功一定時，煤體的堅固性係數將是影響煤體表面積增加的 主要原因。我們假設在同一條巷道掘進面放炮藥量或機械功量基本不變，即炸藥或機械對 煤體的做功量W恆定。三級煤礦許用乳化炸藥衝擊波能量約為0. 734MJ/kg，氣泡能約為 2. 031MJ/kg。假設衝擊波能量損失係數為1. 343，每掘進1噸煤體用藥約為0. 465kg。(潞 安某礦炮掘工作面每掘進lm3煤巖體用藥0. 65kg ；松藻某礦煤礦炮掘工作面半煤巖巷每掘 進lm3煤巖體用藥1. 42kg，全煤巷道每掘進lm3煤體用藥2. 4kg)。按照三級煤礦許用乳化 炸藥衝擊波能量計算，掘進面每千克落煤接受的衝擊波能量也高達42. 35焦耳。 則煤體落下後，表面積增加倍率可由下式計算得出
A)A)煤體落下後，表面積增加倍率與煤體的堅固性係數關係見附圖5。即使堅固性係數 為1的煤體，放炮後煤體表面積增加的倍率也超過了 20倍。煤體越軟，增加的倍率成指數 增加的趨勢。因此我們認為，影響掘進面落煤瓦斯湧出初速度的主要因素是煤體的瓦斯含 量以及煤體的堅固性係數。而煤體堅固性係數對瓦斯解吸初速度影響遠遠超過瓦斯含量對 瓦斯解吸初速度的影響。這就有力的證明了井下落煤瓦斯湧出峰值的主控因素不是前方煤 體瓦斯含量增加的結果，而是煤體受功破碎，表面積顯著增加的結果。(2)試驗驗證通過對解吸特徵的描述發現解吸特徵就是反應煤體物理力學性質的一個特徵指 標。而在生產現場，井下落煤整體的堅固性特點是對解吸特徵B最好的驗證方法。而落煤 整體的堅固性係數顯然受到軟煤厚度或者所佔比重的控制，當煤體軟分層較厚或軟煤所佔 比重較大時，落煤整體的堅固性係數顯然較低。我們在松藻某礦巷道的試驗結果也證明了 這種的觀點。見附圖6。3、瓦斯湧出分源特徵指標C的計算造成掘進面瓦斯湧出存在分源特徵改變的根本原因在於煤體瓦斯流通通道的動 態改變。當煤壁瓦斯流通通道不暢時，瓦斯傾向於在落煤期間將瓦斯湧出。因此瓦斯湧出
11這種分源特徵就可以比較有效的反應煤體的瓦斯流通通道順暢情況。為了計算掘進工作面 瓦斯湧出分源特徵，我們將掘進面瓦斯湧出來源分為工作面煤巖體瓦斯湧出(掘進面已經 落下或即將落下的煤巖體)、巷道煤壁瓦斯湧出(掘進面煤壁受採掘影響，但是最終不會落 下的煤巖體)、工作面臨近煤層或巖體的瓦斯湧出。0 = 0面+0壁+0臨式中Q——t時間內工作面瓦斯湧出量，m3 ；Q面——t時間內工作面迎頭煤壁的瓦斯湧出量，m3 ；—t時間內瓦斯探頭距離工作面煤體間巷道煤壁瓦斯湧出量，m3 ；Qlls—t時間內工作面臨近煤層或巖層的瓦斯湧出量，m3( —般忽略不計)。(1)分源特徵的影響因素當煤體的透氣性較小，在開採初期，煤體未產生破裂時，工作面前方未形成瓦斯壓 力梯度，瓦斯並未形成流動。根據以往的研究表明，當滲透性小到一定程度時，存在著啟動 壓力梯度，而且滲透性越小，啟動壓力梯度越大，突出危險性也就越大。隨著透氣性的增大， 工作面前方的瓦斯壓力及瓦斯壓力梯度變小，瓦斯擴散速度變快。在瓦斯突出發生的初 期直至後期，透氣性較小的煤體工作面前方，一直保持著較高的瓦斯壓力，由於瓦斯壓力較 高，煤體中的瓦斯還未來得及擴散，煤體就被破碎拋出。掘進面煤體的滲透性影響因素主要 是煤體本身的滲透性和煤體受到的外界壓力等。①煤體本身的滲透性煤體本身的滲透性是指煤體在成煤、煤體變質或者地層變化後形成了自己特有的 滲透性。通常我們依靠煤體鑽孔排放半徑來確定煤體本身滲透特性。但是煤體本身的滲透 影響因素較為複雜，且測定工作較為複雜，這裡就不做具體的解釋了。②外界壓力外界壓力是指煤體在採掘工程中受到地應力、自重力以及採掘應力等對煤體圍壓 或者軸壓產生影響的力。學者在實驗室試驗證明了當圍巖或者軸壓增大時，型煤的滲透性 會顯著降低。③其他因素實際上，煤體的滲透性影響因素較多，煤體的溫度、瓦斯壓力、吸附作用等都會對 煤體的滲透性產生一定的影響，只是其影響較小或者井下溫度、壓力等變化不大，一般可以 忽略不計。(2)試驗驗證分源特徵的驗證工作本身應該是測定工作面煤體的透氣性或者地應力等，但是煤 體滲透性以及地應力的測定比較複雜，在井下現場的測試更是異常的困難。因此我們利用 聲發射數據間接驗證分源特徵反映煤體滲透性或地應力的大小的能力。我們在平煤集團某 礦利用聲發射試驗數據(可反映工作面前方地應力演化規律)驗證了煤體滲透性指標C反 應前方地應力的可行性。見附圖7。以上所述僅為本發明的優選並不用於限制本發明，顯然，本領域的技術人員可以 對本發明進行各種改動和變型而不脫離本發明的精神和範圍。這樣，倘若本發明的這些修 改和變型屬於本發明權利要求及其等同技術的範圍之內，則本發明也意圖包含這些改動和 變型在內。
權利要求
掘進面瓦斯湧出動態特徵突出連續預測方法，其特徵在於包括如下步驟1)從煤礦瓦斯監控系統獲取井下瓦斯傳感器的實時瓦斯湧出監控數據，從中提取掘進面瓦斯湧出的動態特徵，包括第i班次的瓦斯湧出監控數據班次均值 Xi = 1 T i=1 T x i; 式中T--一個班次作業時間長度，min；xi--第i分鐘內瓦斯湧出監控均值，％；第i班次的瓦斯湧出監控數據班次分鐘最大值Xi，max＝max[x1，x2，…，xi，…，xT]；第i班次的瓦斯湧出班次t分鐘移動最小值 X i,t,min =min[ i=1 t x i t, i=2 t+1 x i t,..., i=j t+j-1 x i t,..., i=T-t+1 T x i t]; 2)獲取巷道形狀設計特徵參數β、煤層原始可解吸瓦斯含量Qm，工作面風量Qf以及班次時間T，其中β＝工作面迎頭面積/(新鮮巷道壁面積+工作面迎頭面積)；3)獲取瓦斯湧出動態特徵值a、b、c，其中第i班次瓦斯湧出量特徵值 a i= Xi - ( 1 - ) X i,t,min ; 第i班次瓦斯湧出解吸特徵值bi＝Xi，max-Xi，t，min；第i班次瓦斯湧出分源特徵值 c i= X i,tmin / Xi ; 4)通過瓦斯湧出動態特徵值a、b、c獲取掘進面瓦斯湧出特徵狀態指標A1、B1、C1，其中第i班次瓦斯湧出量特徵狀態指標 A i,1 = j=i-n i ( aj Tj ) Q f M n Q m ; 式中Mn——掘進面第i-n到第i班次的落煤量，單位為噸；第i班次瓦斯湧出解吸特徵狀態指標Bj，1＝bi；第i班次瓦斯湧出分源特徵狀態指標 C i,1 = X i , t , min X i - 1 t j=i-t+1 j=i X j , t , min X j ; 5)通過分析掘進面瓦斯湧出特徵狀態指標A1、B1、C1預測掘進面突出危險狀態。
2.如權利要求1所述的掘進面瓦斯湧出動態特徵突出連續預測方法，其特徵在於步 驟5)中當Ai < 0. 8時，判定掘進面瓦斯含量發展狀態為正常； 當0. 8 < ~ < 1時，判定掘進面瓦斯含量發展狀態為威脅； 當A1≥1時，判定掘進面瓦斯含量發展狀態為危險；當炮掘面Bi < 0. 6或機掘面Bi < 0. 4時，判定掘進面煤體物理力學性質發展狀態為正常；當炮掘面0. 6 ≤ Bi < 0. 9或機掘面0. 4 ≤ Bi < 0. 6時，判定掘進面煤體物理力學性質 發展狀態為威脅；當炮掘面Bi≥0. 9或機掘面Bi ≥ 0. 6時，判定掘進面煤體物理力學性質發展狀態為危險；當炮掘面Q < -0. 03或機掘面Q < -0. 10時，判定掘進面地應力發展狀態為正常；當炮掘面-0. 03 ^ < -0. 05或機掘面-0. 10 ^ < -0. 15時，判定掘進面地應力發 展狀態為威脅；當炮掘面Q ^ -0. 05或機掘面Q ^ -0. 15時，判定掘進面地應力發展狀態為危險。
3.如權利要求1或2所述的掘進面瓦斯湧出動態特徵突出連續預測方法，其特徵在於 步驟4)和步驟5)之間還包括如下步驟通過掘進面瓦斯湧出特徵狀態指標ApBpCi獲得掘進面瓦斯湧出特徵趨勢指標A2、B2、 C2，其中第i班次瓦斯湧出量特徵趨勢指標二 A,；第i班次瓦斯湧出解吸特趨勢態指標八2 = Bu-這；；第i班次瓦斯湧出分源特趨勢態指標Ci,2 = niC^'-C^彡0)。
4.如權利要求3所述的掘進面瓦斯湧出動態特徵突出連續預測方法，其特徵在於步 驟5)中還包括通過分析掘進面瓦斯湧出特徵趨勢指標A2、B2、C2預測掘進面突出危險趨勢 的步驟。
5.如權利要求4所述的掘進面瓦斯湧出動態特徵突出連續預測方法，其特徵在於步 驟5)中當A2 < 0. 2時，判定掘進面瓦斯含量發展趨勢為正常； 當0. 2 < A2 < 0. 4時，判定掘進面瓦斯含量發展趨勢為威脅； 當A2 4時，判定掘進面瓦斯含量發展趨勢為危險； 當B2 < 0. 2時，判定掘進面煤體物理力學性質發展趨勢為正常； 當炮掘面0. 2 < B2 < 0. 4或機掘面0. 2 < B2 < 0. 3時，判定掘進面煤體物理力學性質 發展趨勢為威脅；當炮掘面化^ 0. 4或機掘面化^ 0. 3時，判定掘進面煤體物理力學性質發展趨勢為危險；當C2 < 3時，判定掘進面地應力發展趨勢為正常； 當炮掘面3 < C2 < 5時，判定掘進面地應力發展趨勢為威脅； 當炮掘面C2 ^ 5時，判定掘進面地應力發展趨勢為危險。
6.如權利要求1至5中任一項所述的掘進面瓦斯湧出動態特徵突出連續預測方法，其 特徵在於步驟5)之後還包括如下步驟6)根據步驟5)的分析結果，發出相應警示信號。
全文摘要
本發明涉及煤礦安全技術領域，具體涉及一種掘進面瓦斯湧出動態特徵突出連續預測方法，並利用掘進面瓦斯湧出動態特徵反應掘進面突出綜合假說三因素的發展狀態與發展趨勢，實現了掘進面煤與瓦斯突出的非接觸式、連續預測技術；包括如下步驟從煤礦瓦斯監控系統獲取井下瓦斯傳感器的實時瓦斯湧出監控數據，從中提取掘進面瓦斯湧出的動態特徵，包括瓦斯湧出監控數據班次均值、瓦斯湧出監控數據班次分鐘最大值和瓦斯湧出班次t分鐘移動最小值；獲取巷道形狀設計特徵參數、煤層原始可解吸瓦斯含量、風量以及班次時間，由以上數據先後獲取掘進面瓦斯湧出量特徵指標、瓦斯解吸指標以及瓦斯分源特徵指標，並根據三種特徵指標的狀態以及趨勢對工作面突出危險性進行實時預測預報。
文檔編號E21F7/00GK101858228SQ20101015738
公開日2010年10月13日 申請日期2010年4月27日 優先權日2010年4月27日
發明者刁勇, 孫東玲, 宋志強, 嶽俊, 張慶華, 文光才, 李建功, 李明建, 楊慧明, 董國偉, 趙旭生, 鄧敢博, 鄒雲龍, 隆清明, 韓文驥 申請人:煤炭科學研究總院重慶研究院