掘进工作面多参量综合监测预警方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及煤矿动力灾害监测预警领域，特别是指一种掘进工作面多参量综合监 测预警方法。
【背景技术】
[0002] 近年来，掘进工作面冲击地压事故在矿山开采中屡见不鲜，冲击范围有些达到 100m以上，致使巷道设备损毁，人员伤亡，对煤矿造成了巨大的损失。由于煤岩体的流变特 性，工作面掘进后需要经历一定的时间段，才能形成相对稳定的区域。实际过程中，由于矿 山的快速掘进，采掘空间形成后，煤岩体内地质构造的不均匀性和煤体应力分布的不均衡 性，会使工作面前方煤体内集聚的应力来不及充分释放，新揭露的煤体还未形成卸压稳定 的状态，致使煤体失稳，造成冲击地压事故。
[0003] 对于冲击地压灾害的监测预警，目前在回采工作面较为成熟，掘进工作面仍相对 薄弱。国内外已经提出了钻肩监测法、煤体应力监测法、电磁辐射监测法、地音和微震监测 法等多种方法。
[0004] 1)钻肩监测法：通过监测煤层钻孔排粉量变化规律以及相关的动力效应，了解煤 体应力状态，以此预测冲击地压危险性，是目前最常使用的监测方法。该方法具有因人而异 的操作误差和不能连续监测的缺点；
[0005] 2)煤体应力监测法：通过对煤体内采动应力进行连续监测，从应力场角度对煤岩 体冲击危险性进行预测和评价，该方法实现了煤体采动应力变化量的连续监测。该方法监 测范围较小，且监测结果对于自发型冲击地压的监测效果较好，对于诱发型冲击地压监测 效果较差；
[0006] 3)电磁辐射监测法：对煤岩体破裂过程中向外辐射的电磁强度和脉冲数进行监 测，以此判断煤岩体受载程度和破裂强度，得到冲击危险程度。该方法受井下各种电信号的 影响，所得结果具有不确定性；
[0007] 4)地音和微震监测法：对煤岩体破裂过程中释放的震动信号进行监测，可分析得 到煤岩体不同破裂阶段，了解煤岩体整体破坏情况和能量释放情况，实现冲击的预测和预 警。该方法只监测破裂产生的震动信号，且对于诱发型冲击地压的监测效果较好，对于自发 型冲击地压监测效果较差。
[0008] 当前综合机械化掘进速度普遍较快，现场围岩破裂信息量不足，无法掌握掘进巷 道围岩活动区与围岩稳定区的分布情况，无法了解围岩破裂程度及活动趋势；掘进工作面 开挖空间小，应力扰动区域相对较小，应力转移范围有限，可以监测到的应力场变化幅度不 大；巷道掘进一段距离后，无法实时了解围岩支护情况，缺少对支护结构工作状态、支承压 力及围岩安全性的实时评价；各种监测方法的预警指标及判据相对独立，无法统一表征巷 道的冲击危险性，也很难从矿压理论上揭示各指标之间存在的内在联系。
[0009] 对于冲击地压灾害的预警，现有监测方法都有各自本身的缺点；另外，现有单个监 测方法只对冲击地压发生过程中某一种现象进行监测，仅用单一参量监测指标，很难达到 准确预警的目的。鉴于此，有些学者提出了灰色关联度分析法、综合指数法、模糊综合评价 法、神经网络分析法等综合评价冲击危险性，但这些方法的基础是模糊数学，所得到的结论 均属于宏观评价，对于局部区域危险程度的判定误差较大。
【发明内容】
[0010] 本发明要解决的技术问题是提供一种准确性高，能够实现掘进工作面冲击危险性 综合预警的掘进工作面多参量综合监测预警方法。
[0011] 为解决上述技术问题，本发明提供技术方案如下：
[0012] 一种掘进工作面多参量综合监测预警方法，包括：
[0013] 步骤1 :掘进工作面分区监测
[0014] 将掘进工作面划分为两个危险区域：动态演化区和蠕变隐患区，其中，动态演化区 是自掘进工作面至后方60m范围，蠕变隐患区是自掘进工作面后方60m至后方260m范围；
[0015] 步骤2:布置测点
[0016] 在掘进巷道内安设煤体应力监测系统、地音和微震监测系统、锚杆锚索应力监测 系统中的至少两种监测系统，其中，煤体应力测点自掘进工作面后方25m处开始布置，布设 间距为25m，共布置8-12组；地音和微震监测系统传感器自掘进工作面后方30m处开始布 置，布设间距为30m，共布置6-10组；锚杆锚索应力测点自掘进工作面后方50m处开始布 置，布设间距为50m，共布置4-6组；随着掘进工作面向前推进，各监测系统的测点相应也需 要进行前移；
[0017] 步骤3 :获取煤体应力监测预警指标、地音和微震监测预警指标、锚杆锚索应力监 测预警指标；
[0018] 步骤4 :将所获取的煤体应力监测预警指标、地音和微震监测预警指标、锚杆锚索 应力监测预警指标分别赋予一定的权重并累加，得到所述动态演化区的综合预警指标和蠕 变隐患区的综合预警指标。
[0019] 本发明具有以下有益效果：
[0020] 本发明根据掘进工作面冲击地压发生机理，以长期现场监测为基础，提出了掘进 工作面分区监测的思想，将各监测指标在不同分区内的变化情况耦合，以多参量综合监测 指标为预警参数，实时在线监测掘进工作面冲击地压危险性，实现掘进工作面冲击危险性 的综合预警。本发明解决了现有技术中仅依靠掘进工作面冲击地压单指标监测的方法无法 达到预测预警掘进工作面冲击地压危险的问题。
【附图说明】
[0021] 图1为本发明的掘进工作面多参量综合监测系统架构示意图；
[0022] 图2为本发明中的测点布置和移组方案示意图；
[0023] 图3为本发明中的煤体应力增幅预警指标隶属图；
[0024] 图4为本发明中的掘进工作面多参量综合监测预警系统运算流程示意图；
[0025] 图5为本发明中的掘进巷道冲击危险性实时综合监测预警判别流程示意图。
【具体实施方式】
[0026] 为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具 体实施例进行详细描述。
[0027] 本发明提供一种掘进工作面多参量综合监测预警方法，监测子参量由主要子监测 参量（煤体应力监测参量、地音和微震监测参量）和辅助子监测参量（锚杆锚索应力监测 参量）组成，系统架构可以参考图1来设置。
[0028] 在图1中，11为监测数据服务器，12为实时监控，13为数据分析服务器，14为光纤 环网，15为顶板，16为锚杆锚索应力测点，17为地音传感器，18为迎头（即掘进工作面），19 为钻孔应力计，20为无线应力测点，21为无线数据采集子站，22为底板，23为监测分站，24 为光缆，25为127V供电电缆，26为电缆，27为CAN总线。
[0029] 需要说明的是，图1中的系统架构仅作参考，本领域技术人员在本发明的原理的 基础上可以采用各种可行的架构方案。
[0030] 本发明具体实现步骤包括：
[0031] 步骤1 :掘进工作面分区监测
[0032] 根据掘进工作面冲击地压发生机理、围岩应力与支护结构耦合作用，将掘进工作 面划分为两个危险区域：动态演化区和蠕变隐患区。
[0033] 第一个为动态演化区，自掘进工作面至后方60m范围，此区域处于巷道开挖初期 应力调整和重新分布阶段，煤岩体破裂及应力重新分布过程中产生的地音信号和煤体应力 信号较其它监测信号变化更为显著；
[0034] 第二个为蠕变隐患区，自掘进工作面后方60m至后方260m范围，此区域围岩应力 与支护结构逐渐趋于相对稳定状态，巷道在高应力环境作用下仍会发生蠕变，煤体应力信 号和锚杆锚索监测信号较其它监测信号变化更为显著。
[0035] 步骤2:布置测点
[0036] 在掘进巷道内安设煤体应力监测系统、地音和微震监测系统、锚杆锚索应力监测 系统中的至少两种监测系统。
[0037] 其中，煤体应力测点自掘进工作面后方25m处开始布置，布设间距为25m，共布置 8-12组，优选布置10组；
[0038] 地音和微震监测系统传感器自掘进工作面后方30m处开始布置，布设间距为30m， 共布置6-10组，优选布置8组；
[0039] 锚杆锚索应力测点自掘进工作面后方50m处开始布置，布设间距为50m，共布置 4-6组，优选布置5组；
[0040] 各监测系统优选布置在监测掘进工作面及后方260m范围，包括动态演化区及蠕 变隐患区，随着掘进工作面向前推进，各监测系统的测点相应也需要进行移组，测点布置和 移组方案可参考图2。
[0041] 在图2中，1为锚杆锚索应力测点，2为地音传感器，3为迎头（即掘进工作面），4 为深孔应力测点，5为浅孔应力测点，6为无线数据采集子站，7为光缆，8为电缆，9为CAN总 线，10为移组的应力测点，11为移组的传感器，12为监测分站。
[0042] 步骤3 :获取煤体应力监测预警指标、地音和微震监测预警指标、锚杆锚索应力监 测预警指标；
[0043] 本步骤中，煤体应力监测预警指标、地音和微震监测预警指标、锚杆锚索应力监测 预警指标可按照现有技术中的常规方式计算得到，也可按照本发明后续给出的方式计算得 到。
[0044] 步骤4 :将所获取的煤体应力监测预警指标、地音和微震监测预警指标、锚杆锚索 应力监测预警