[發明專利]基于多源信息融合的煤與瓦斯突出實時預警裝置與方法

有效

• 申請號: 201711063211.X
• 申請日: 2017-11-02
• 公開（公告）號: CN107605536B
• 公開（公告）日: 2019-04-16
• 發明（設計）人: 羅文柯
• 申請（專利權）人: 湖南科技大學
• 主分類號: E21F17/18
• 分類號: E21F17/18;G06K9/62
• 代理公司: 湘潭市匯智專利事務所(普通合伙) 43108
• 代理人: 顏昌偉

1.一種基于多源信息融合的煤與瓦斯突出實時預警方法，是根據基于多源信息融合的煤與瓦斯突出實時預警裝置來實現的，基于多源信息融合的煤與瓦斯突出實時預警裝置包括預先知識庫單元、多源信息采集單元、多源信息融合單元、突出危險性評估單元和預警單元，所述多源信息采集單元的輸出端與多源信息融合單元的輸入端相連，多源信息融合單元的輸出端與突出危險性評估單元相連，突出危險性評估單元與預警單元、知識庫單元相連；

包括以下步驟：

步驟一：建立預先知識庫；

步驟二：建立突出危險性預測單項指標及其判斷準則；

所述步驟二具體步驟為：

2-1)根據煤與瓦斯突出的規律和預兆特征，將煤與瓦斯突出的預測信息來源劃分為6類，分別為①煤層賦存特征信息、②煤層瓦斯儲集信息、③地質構造特征信息、④采掘活動信息、⑤監測監控系統特征信息和⑥人工巡視檢測信息；其中

①煤層賦存特征信息包括開采突出煤層的破壞類型、煤層厚度標準差及其變異系數、煤層傾角標準差及其變異系數、煤的堅固性系數、煤層開采深度、煤的揮發分特征、煤的滲透孔特征；

②煤層瓦斯儲集信息包括煤層瓦斯壓力和煤層瓦斯含量、煤層瓦斯放散初速度；

③地質構造特征信息包括小斷層密度、煤層揉皺系數、火成巖侵蝕；

④采掘活動信息包括采掘工作面推進速度、瓦斯預抽卸壓狀況；

⑤監測監控系統特征信息包括隨著工作面推進過程中的煤層瓦斯涌出特征和溫度變化特征；

⑥人工巡視檢測信息包括防突專業人員巡查信息，鉆孔施工人員記載的卡鉆、噴孔、斷鉆信息，突出危險性預測、防突效果檢驗和區域驗證的人工檢測結果信息；

2-2)將步驟2-1)劃分的信息源類型分為穩態信息和動態信息，其中①-③為穩態信息，穩態信息從預先知識庫中調用；④-⑥為動態信息，動態信息中的監測監控系統特征信息通過智能接口兼容傳輸，人工巡視檢測信息則通過井下傳輸線路中嵌入的人機智能接口輸入到實時預警裝置中；

2-3)將步驟2-2)劃分的穩態信息和動態信息中根據其指標特征分為定性指標信息和定量指標信息，定量指標信息按判定準則確定其突出危險性，定性指標信息則按量化處理原則處理，即采用連續語言標尺法判定危險性：90≤x_ij＜100代表“強突出危險性”，80≤x_ij＜90代表“中等突出危險性”，70≤x_ij＜80代表“突出威脅”，60≤x_ij＜70代表“無突出危險性”，

式中，Y_ij—第i類第j個定性指標的確定值；y₁,y₂,y₃,y₄—某一定性指標所對應的定性描述特性所確定的量化指標值；x_ij—第i類第j個定性指標的原始狀況描述text_1,2,3,4；

2-4)分別建立定量指標信息和定性指標信息的危險性判定準則；

定量指標信息的危險性判定準則為：

(1)煤層的破壞類型為Ⅰ-Ⅱ級為無突出危險性；Ⅲ-Ⅴ級時有突出危險性；

(2)煤的堅固性系數f：f≤0.5時有突出危險；0.5＜f≤1.2時有突出威脅；f＞1.2時無突出危險；

(3)煤層開采深度H為：根據礦井始突深度判定，假如第一次突出位于回風平巷標高處，則由其沿傾斜向上至100m范圍視為突出危險區；100m處以上為無突出危險區；

(4)煤的揮發分V_daf：V_daf＜35％時煤層具有突出危險；V_daf≥35％時煤層具無突出危險；

(5)煤的滲透孔V_S：V_S＜40％時，為非突出危險；40％≤V_S≤60％時，為過渡型或威脅型；當V_S＞60％時，有突出危險；

(6)煤層瓦斯壓力P和煤層瓦斯含量W：P≥0.74MPa或W＞8m³/t時有突出危險；

(7)煤層瓦斯放散初速度△P≥10時，有突出危險；△P<10時，無突出危險；

(8)地質力學概率指標B；B≥10，有突出危險，B＜10，無突出危險，式中：f—煤的堅固性系數，P—煤層瓦斯壓力；

(9)綜合指標e預測值；e≥21時，有突出危險；e<21時，無突出危險，e＝1.8(△P-f)+0.7c，式中：ΔP—煤的放散初速度、f—煤的堅固性系數、c—煤的篩分指數；

(10)綜合指標D，K預測值：當D≥0.25時有突出危險；當D<0.25時無突出危險；若為無煙煤，當K≥20時有突出危險，K<20時無突出危險，若為無煙煤外的其他煤種，當K≥15時有突出危險，K<15時無突出危險，D＝(0.0075H/f-3)(p-0.74)；K＝ΔP/f，式中：式中D、K—煤層的突出危險性綜合指標，H—煤層開采深度，m，p—煤層瓦斯壓力，取兩個測壓鉆孔實測瓦斯壓力的最大值，MPa，ΔP—煤的放散初速度，f—煤的堅固性系數；

(11)綜合指標S_t預測值：當0.25＜S_t≤0.5時，有突出危險；S_t＞0.5時，有嚴重突出危險；S_t≤0.25時，無突出危險；S_t＝HW/40000f，式中：H—煤層開采深度；W—煤層瓦斯含量；f—煤的堅固性系數；

(12)鉆孔鉆屑量S指標預測值：當鉆孔每米鉆屑量大于或等于3倍正常鉆屑量，即S_max≥3S₀時有突出危險性，S_max<3S₀時為無突出危險，式中：S₀—鉆孔正常鉆屑量，kg/m或L/m；π—圓周率，取3.1416；ρ₀—煤的密度，取1400kg/m³,1.3—鉆頭在鉆孔中超切削系數，d—鉆孔直徑，mm；

(13)鉆孔瓦斯解吸指標△h₂或K₁預測值：鉆孔瓦斯解吸指標△h₂是指煤樣自煤體脫落暴露于大氣之中第4分鐘和第5分鐘的瓦斯解吸所產生的壓差,單位為Pa，K₁是煤樣從煤體脫落暴露后，第1min內每克煤的累積瓦斯解吸量；判定準則為干煤樣：Δh₂≥200，K₁≥0.5時，有突出危險，否則，無突出危險性；濕煤樣：Δh₂≥160，K₁≥0.4時，有突出危險，否則，無突出危險性；

(14)綜合預測指標R預測值：R＝(S_max-1.8)(q_max-4)，式中：S_max—測量鉆孔單位長度最大鉆屑量，L/m；q_max—測量鉆孔單位長度最大瓦斯涌出初速度，L/min；R的危險臨界值為6，當R≥6時，工作面為突出危險工作面，當R<6時，工作面判定為無突出危險工作面，當R為負值時，使用正值項單項指標；

定性指標的突出危險性判定準則為：

(1)是否火成巖侵蝕：無火成巖侵蝕，無突出危險；有火成巖侵蝕，有突出威脅；火成巖侵蝕嚴重時，有突出危險；

(2)小斷層密度δ和煤層揉皺系數K₁₀值越大，突出危險性越大；臨界值按步驟2-3確定；δ—是指單位面積或長度內的小斷層個數，式中:K₁₀—煤層揉皺系數，h₂，h₃，h₄—Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ類結構煤厚度，M—煤層總厚度，單位為米；

(3)煤層傾角準差α及其變異系數K_b的值越大，突出危險性越大；臨界值按步驟2-3確定；式中：n—測量點數，x_i—某一測點的傾角，—統計地區平均角度；K_b—變形系數，L’—某一剖面上煤層同一層位兩點實際長度，L—某一剖面上煤層同一層位兩點的水平投影長度；

(4)煤層厚度標準差H_m及其變異系數C_r的值越大，突出危險性越大；臨界值按步驟2-3確定；式中：H_m—煤層厚度標準差，H_mi—某一測量點的煤層厚度，—統計地區勘探鉆孔煤層平均厚度，n—測量點數，C_r—煤層厚度變異系數；

(5)礦井監測監控系統中瓦斯濃度信息：采掘工作面瓦斯濃度變化有忽高忽低現象，有突出危險性，反之則無突出危險性；

(6)鉆孔施工觀測信息若有噴孔、卡鉆和斷鉆現象，就有突出危險性，反之，則無突出危險性；

(7)人工巡視若發現有支架來壓、煤壁開裂、掉碴、片幫、工作面煤墻外臌、巷道底臌現象，則有突出危險；否則，無突出危險；

(8)人工行走檢查若發現工作面溫度低于進風巷溫度或煤壁手摸有發涼感覺及嗅覺有刺激性和臭蛋味氣味時，則有突出危險性，若無此類現象，則沒有突出危險性；

(9)若采掘工作面在作業前進行瓦斯區域預抽，且經區域效果檢驗和區域驗證滿足《防治煤與瓦斯突出規定》要求時，則無突出危險，否則，有突出危險；

(10)采掘工作面推進過程中的瓦斯涌出速度突然高于往常推進過程中的瓦斯涌出最高速度時，有突出危險性，否則，無突出危險性；

步驟三：采集各類突出危險性預兆、監測監控和人工巡視檢測信息；

步驟四：將采集的各類信息進行多級融合；

步驟五：突出危險等級預警；

步驟六：突出危險性防治。