专利名称：一种实时预测矿井煤与瓦斯突出危险性的系统的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种预测矿井煤与瓦斯突出事故的系统
背景技术：
煤与瓦斯突出是一种极其复杂的动力现象。其形成过程是在具有煤与瓦斯突 出的矿井中开采煤炭时，由于受人为采动的影响，由地应力、瓦斯、煤岩环境组成的系 统遭到了破坏，失去了固有的力学平衡而产生一定的动力效应。地应力首先破坏煤体， 使煤体产生裂隙，然后煤体向裂隙内释放并积聚高压瓦斯，促使煤体裂隙的不断发育。 在很短的时间内，由煤体向巷道或采场突然喷出大量的瓦斯及碎煤。喷出来的粉煤与 瓦斯可以填充数百米长的巷道，造成煤流埋人并充满巷道，使人窒息，甚至引起瓦斯爆 炸。其发生的时间短，煤与瓦斯向空间抛出或放散的速度快，突出后人员很难迅速反应 进行逃生，常常造成严重的人身伤亡和巨大的经济损失。尤其是，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，解决矿井煤与瓦斯突出灾害问题，更是 迫在眉睫。防止煤与瓦斯突出的发生，除了把反映煤与瓦斯突出事故的前兆信息实时采集 外，更重要的还要寻找或确定预测煤与瓦斯突出危险的敏感参数指标及其临界值，这项 工作一直是防治突出研究人员奋斗的目标。但是数十年开展的煤与瓦斯突出预测、预报 研究工作的成果表明(1)不同矿井有不同的临界指标值，要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；②即使在同一个矿井、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；③近年来，也出现了预测指标并不超标，但在实 际的采掘实践中，也有发生突出的实例；④不可能在诸多煤矿，都配备并普及能预测分 析煤与瓦斯突出的专业专家。
实用新型内容本实用新型的目的在于，提供一种具有专家经验的实时预测煤与瓦斯突出事故 的分析方法，即使在不同煤矿、不同的采深、不同的区域，也能动态建立危险判据，预 测煤与瓦斯突出。目前，井下瓦斯因素采集设备已经成熟，微震信号采集设备也已具备。申请人 的专利ZL200820029079.0，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》)，即影响煤与瓦斯突出发生的相关参数采集条件已经具备。长期现场研究和大量的 试验表明虽然各个矿井的煤岩结构与环境不同，预测煤与瓦斯突出事故的临界指标也 不同，但是地应力大小和瓦斯涌出量总是存在着一定的关系。发明人在甘肃等地矿区做了大量的现场试验，取得了以下的结果1)在没有突出危险的正常区开采时，监测数月几乎接收不到微震信号，且瓦斯 涌出量平稳，基本活动在一个正常区间，表现了矿井的正常情况。[0008]2)在有突出危险性且应力变化不是很大的区域开采时，小能量的微震信号增 多，偶尔出现大能量的微震信号，瓦斯涌出量出现喷发式的变化，数值明显超出正常区 间的波动范围。当有明显的应力变化时，小能量的微震信号大幅度上升，且大能量的微 震信号也比较密集。持续时间加长，出现应力平衡的时间段减少；瓦斯涌出量急剧增 大。3)在具有煤与瓦斯突出危险的地段，小能量的微震信号整天出现，伴随着瓦斯 涌出量波动幅度比较大。地应力、瓦斯压力与煤岩的承载能力几乎达不到平衡，这说明 煤岩材料微观结构在应力的作用下得到了充分的破坏，应力的作用点将向起关键支撑作 用煤岩体转移。综合上述特点，通过建立合理的数学模型，可以比较准确地预测煤与瓦斯突出。1)当微震信号几乎没有或很少，且瓦斯涌出量波动较小时，说明该区域属于安 全区域；2)当微震信号增多，大能量的微震信号出现，并伴随着瓦斯涌出量波动幅度较 大的时候，说明该区域已经发生突出前兆，应该及时采取措施；3)当微震信号整天出现，大能量危险信号和瓦斯涌出互动关系频繁时候，几乎 可以断定监测区域属于极度危险或者已经发生了突出事故。基于此，制作一种具有专家经验的实时预测分析系统，采集实时监测信号，自 动计算寻找适合当前煤矿的突出危险临界指标，分析预测煤与瓦斯突出事故，是完全可 行的。本实用新型是这样实现的1.本实用新型的结构本实用新型的结构主要由数据采集模块、数据传输模块、实时数据跟踪分析 中心、综合预警模块组成。数据采集模块将井下数据采集后，通过数据传输模块将数据 传输给实时数据跟踪分析中心进行运算、分析、推理。当推理结果出现危险时，综合预 警模块给出预警，从而指导人们对危险进行及时处理。各部分的构造和功能是1)数据采集模块该模块由微震信号采集器、瓦斯涌出量采集单元构成。a.微震信号采集器由微震信号传导杆、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情况。(1)微震信号传导杆——将原始煤层地应力信号变化情况传导给传感元件；(2)微震信号传感元件——采集微震信号，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信号并将其转变为 电信号。通过对信号的放大、检波、滤波、以及波形对比分析，滤除外界噪音信号，并 对可靠信号进行实时分析、判断及显示。b.由甲烷传感器和风速传感器组成工作面瓦斯涌出量监测单元。2)数据传输模块由以下部件组成a.通过金属电缆和环网光纤，将数据传输到矿地面监控中心服务器；b.通过Internet网络及相关标准网络设备，将实时数据传输到远程分析中心的服务器。[0027]3)实时数据的跟踪分析中心该实时数据的跟踪分析由两个部分组成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。该软件模块完成数据的处理、归纳、分析、判断、预 警、建立专家数据库、输出各种报表、发出各种提示功能。b.专家分析中心煤矿现场缺少煤与瓦斯突出自然灾害防治的专家，有经验的 专家又很难及时得到现场的第一手资料。本实用新型将有经验的专家作为系统的一个组 成部分；通过Internet网络将煤矿实时监测的数据同步传输到专家分析中心供专家进行实 时分析判断。该方式能更加准确的预测煤与瓦斯突出的效果，大大加强预测煤与瓦斯突 出自然灾害的准确性和及时性。4)综合预警模块综合预警模块由以下几个部分组成a.由矿地面监控中心人工智能实时跟踪分析系统发出预警，结合人为参与，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对井下监测数据进行实时采集，当发现有突出危 险征兆(地应力活动异常、瓦斯涌出量突然大幅度增大)时，向地面调度中心发出相应级 别的预警信息。调度室工作人员通过数据传输系统向井下作业区域的语音报警设备发出 指令，语音报警设备接到指令后打开报警灯并向工作区域人员发出语音提示，通知全体 人员迅速离开危险区并到指定的避难场地避灾。煤矿地面监控中心实时分析软件摸块，时刻监测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。当危险报警解除后，下发恢复生产的指令。b.由煤矿地面监控中心实时分析软件的短信平台，根据危险程度等级和危险程 度的紧迫性以及工作人员的分工，以手机短信的方式向其发出报警提示。2实时跟踪预测、综合预警矿井煤与瓦斯突出危险性的研究2.1正常区和突出危险区的分析特征井下大量的数据测定中，绝大多数情况下，所测数据具有以下两个特征1)瓦斯涌出量会有一个大致的范围，多数测定值都集中在测定平均值附近；2)大多数监测点微震信号几乎没有，或者信号很少。通过对大量井下监测数据分析得知突出危险区在井下较少，即多数区域测定 值都集中在一个较正常的范围(有资料报道突出危险区仅占整个巷道全长的10%或 5%)0测定值的这种分布规律正好对应于数理统计的正态分布规律。因此，采用正态分 布描述采集数据的随机误差分布规律，是合理的、可行的。根据上述分析，将反映监测煤层区域特征的判定指标作为建立预测实时分析突 出方法的基础指标。建立判定指标，具体依下步骤(1)数据转化——数据清洗转化根据瓦斯涌出量和微震信号特征，对数据做了以下清洗转化处理；1)微震信号处理如下将微震信号测定值按照煤矿实际作业班划分，根据作业班内微震信号频数建立 判据指标；使用该种方法的原因a.井下作业影响，微震信号测定值中有可能出现少数无效数据；
5[0048]b.安装位置的不同，造成了不同的采集点测定值大小对比已经失效；处理的结果c.通过分析一个作业班的测定数据，使得一些无效数据被大量的有效数据淹 没，一个作业班相对长期的测定情况就代表了当前区域的情况。这样避免了判断的偶然 性，提高了准确性；d.通过将微震信号测定值转换成作业班内的活动频数，有效避免了由于安装位 置的不同、测定绝对值大小失效的情况；e.通过将不同作业班的微震信号测定值整理，得到的各个不同类型的作业班 (三八或四六)的测定数据，用于建立判据指标更有意义。计算方法3小时微震信号频数3小时内测定值个数之和；作业班微震信号频数某一个作业班内测定值个数之和；2)瓦斯涌出量测定值处理如下a.按照各个作业班，根据拉依达检验准则，判断舍弃离群值；b.按照不同作业班划分，计算滤去异常瓦斯测定值的平均值；计算方法
权利要求1.一种实时预测矿井煤与瓦斯突出危险性的系统，其特征在于由数据采集模块、 数据传输模块、综合预警模块组成；数据采集模块将井下数据采集后，通过数据传输模 块经远程分析中心传输给预警模块，给出预警；1)所说数据采集模块，即有效信号采集器(1)，由微震信号采集器、瓦斯涌出量采 集单元构成；(1)微震信号采集器由微震信号传导杆、微震信号传感元件、微震信号采集分析主机 组成；a.微震信号传导杆——将原始煤层地应力信号变化情况传导给传感元件；b.微震信号传感元件——采集微震信号，将微震信号转变为电信号；c.微震信号采集分析主机——接收微震信号传感元件的微震信号并将其转变为电信 号，通过对信号的放大、检波、滤波、以及波形对比分析，滤除外界噪音信号，并对可 靠信号进行实时分析、判断及显示；(2)瓦斯涌出量监测单元由甲烷传感器◎和风速传感器 组成；2)所说数据传输模块由以下两部件组成a.通过金属电缆和环网光纤将数据传输到矿地面的监控中心服务器；b.通过Internet网络及相关标准网络设备，将实时数据传输到远程分析中心的服务器。
2.根据权利要求1所述的实时预测矿井煤与瓦斯突出危险性的系统，其特征在于 在距工作面碛头15m、30m的巷道两帮，分别安装两组微震信号采集器③和用以测定瓦 斯涌出量的甲烷传感器(B)和风速传感器 。
专利摘要一种实时预测矿井煤与瓦斯突出危险性的系统，本系统主要由数据采集模块、数据传输模块、综合预警模块组成；数据采集模块将井下数据采集后，通过数据传输模块经远程分析中心传输给预警模块，给出预警。该系统以反映地应力大小的微震信号和反映瓦斯变化的瓦斯涌出量为分析参数，结合专家经验，能将煤与瓦斯突出危险性的预测准确性提高到90％以上。本发明适用于具有煤与瓦斯突出危险性的类似矿井。
文档编号E21F7/00GK201794617SQ20092027488
公开日2011年4月13日 申请日期2009年12月30日 优先权日2009年12月30日
发明者苏燹 申请人:西安西科测控设备有限责任公司