一种采空区煤自燃靶向定位方法

1.本发明涉及一种煤自燃定位方法，具体是一种采空区煤自燃靶向定位方法，属于煤矿防灭火技术领域。


背景技术：

2.煤矿回采工作面采空区遗煤常因漏风氧化，自燃发火，伴有co等有毒有害气体，同时若采空区存在积聚瓦斯，甚至引发严重的瓦斯爆燃事故，对井下工作人员、矿井煤炭资源安全开采构成严重威胁。防灭火的必要条件是确定火源点，然而采空区垮落煤岩体造成采空区“黑洞”化，煤自燃位置无法精准定位，成为采空区防灭火的瓶颈。
3.针对采空区隐蔽火源定位探测技术手段主要有理论估算法、物探法、钻探法、化探法，基于氧气浓度的采空区自燃“三带”理论估算法，粗略指出了煤自燃发火存在于氧化带之内，误差较大，对采空区防灭火贡献有限；光纤测温、热电偶等为代表的物探法中使用的物探设备容易被采空区垮落顶板砸坏，造成温度监测中断；采空区地面钻井监测技术易受地表形貌影响，施工困难且成本高；以同位素测氡法(李斯昊、张景钢.同位素测氡法在浅煤层地质火源探测中的应用[j].华北科技学院报，2011，8(2):9
‑
11)为典型的化探法只能作为采空区判断是否存在高温点的辅助手段，难以确定其位置；综上所述，煤矿采空区遗煤自燃定位仍是当下难点，现有方法与设备均存在一定的弊端，严重限制了采空区精准防灭火实施。


技术实现要素：

[0004]
本发明的目的是提供一种采空区煤自燃靶向定位方法，施工简单、使用便捷，能够快速定位采空区煤自燃位置，为煤矿采空区精准防灭火提供科学指导。
[0005]
为了实现上述目的，本发明提供一种采空区煤自燃靶向定位方法，包括以下步骤：
[0006]
100取样化验：等距离对回采工作面的采空区进行遗煤取样，取样数为n，并标记各取样点的位置信息，形成n个位置信息的矩阵；通过煤自燃实验获得co、c2h6、c2h4、c2h2的混合气体，经分离提纯后获得纯净n端元气体；利用同位素分析仪器，分别确定纯净n端元气体中碳同位素δ
13
c的值以及氢同位素δd的值；
[0007]
200构建n端元气体同位素分源计算模型：基于步骤100化验结果，建立含有采空区位置信息的数据库，构建n端元气体同位素分源计算模型；
[0008]
300采空区气体采样测定：当采空区发生煤自燃时，采集采空区中混合气体，经过分离提纯后，测试分析各纯净n端元气体中δ
mix13
c、δ
mix
d的同位素值；
[0009]
400隐蔽火源点靶向精准定位：基于步骤300的测试结果，解算n端元气体同位素分源计算模型，对比步骤200中的数据库，在数据库中匹配解算结果的位置信息，可精准对各纯净n端元气体溯源，其中占比显著的气体的位置信息判定为煤自燃的发生位置，确定采空区(2)的煤自燃位置，靶向定位火源点。
[0010]
进一步，所述步骤100中对采空区遗煤取样具体为，随着对回采工作面的推进对回
采工作面顶板或底板遗煤、进风巷与回风巷的支撑煤柱取样；所述纯净n端元气体为co、c2h6、c2h4、c2h2气体的纯净物。
[0011]
进一步，所述步骤200中n端元气体同位素分源计算模型如下：
[0012][0013]
式中：δ
mix
为提纯后的某n端元气体同位素实测值；
[0014]
δ1～δ
n
为步骤100中提纯后的煤样自燃实验气体同位素值；
[0015]
a～i分别为取样点1～n对某n端元气体贡献比；
[0016]
为了得出方程唯一解，对n个同位素值δ
mix
联立n元一次方程组，可求解出a～i唯一解。
[0017]
为了方便采集采空区气样，所述步骤300中采集采空区气体是在回采工作面与回风巷交汇处并靠近采空区进行。
[0018]
为了便于精准靶向定位，所述步骤400中将步骤300的测试结果分别代入n端元气体同位素分源计算模型，可以解算出源自各个取样点的气体对于该纯净n端元气体的贡献比。
[0019]
为了减小定位采空区隐蔽火源点误差，将取样点在采空区走向与倾向的间隔设置为相等，均为10～20m。
[0020]
为了满足提纯煤自燃气体要求，所述单个取样点所取煤样重量为100～200g。
[0021]
为了便于测试与溯源，所述δ
13
c包括δ
13
c(co)、δ
13
c(c2h6)、δ
13
c(c2h4)、δ
13
c(c2h2)；所述δd包括δd(c2h6)、δd(c2h4)、δd(c2h2)；所述δ
mix13
c包括δ
mix13
c(co)、δ
mix13
c(c2h6)、δ
mix13
c(c2h4)、δ
mix13
c(c2h2)；所述δ
mix
d包括δ
mix
d(c2h6)、δ
mix
d(c2h4)、δ
mix
d(c2h2)。
[0022]
为了实现靶向定位采空区隐蔽火源点，所述步骤400中判定采空区煤自燃位置遵循判定依据如下：
[0023]
若a＝{a,
…
,i},{x|x/y≥10,x∈a,y∈a}，则x对标的取样点位置即为采空区煤自燃位置。
[0024]
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
[0025]
(1)精准溯源、靶向定位：通过等距离对采空区的遗煤取样，化验遗煤自燃指标气体碳、氢等同位素值，形成含有位置信息的同位素值矩阵，建立采空区煤自燃气体同位素值数据库，构建n端元气体同位素分源计算模型，当采空区发生煤自燃时，采集采空区混合气体并将分离提纯后测定同位素值的结果代入n端元气体同位素分源计算模型，可精准对n端元气体溯源，并将占比显著的气体的位置信息判定为煤自燃的发生位置，实现采空区煤自燃靶向定位，对采空区任何位置的煤自燃精准定位，为煤矿采空区精准防灭火提供有效依据。
[0026]
(2)动态存储、定时更新：在回采工作面推进过程中，步骤100中不断增加的化验结果会及时存入数据库，更新数据库增量，保证采空区煤自燃气体“有源可溯”；
[0027]
(3)安全高效、故障率低：该方法的煤岩取样不进入采空区，化验测试结果在地面进行，避免了物探法使用的直接测量设备布置于采空区被垮落岩石砸坏的风险，降低了该方法操作过程的故障率；
[0028]
(4)一次投入、共享使用：本发明涉及到的测试设备与开发的软件均只需一次性投
入，同时可供其他煤矿共同使用，降低使用成本。
附图说明
[0029]
图1是本发明的流程示意图；
[0030]
图2为本发明的取样示意图。
[0031]
图中：1、回采工作面，2、采空区，3、取样点，4、进风巷，5、回风巷，6、回踩煤层。
具体实施方式
[0032]
下面结合附图对本发明作进一步说明。
[0033]
如图1和图2所示，一种采空区煤自燃靶向定位方法，包括以下步骤：
[0034]
100取样化验：等距离对回采工作面1的采空区2进行遗煤取样，取样数为n，并标记各取样点3的位置信息，形成n个位置信息的矩阵；通过煤自燃实验获得co、c2h6、c2h4、c2h2的混合气体，经分离提纯后获得纯净n端元气体；利用同位素分析仪器，分别确定纯净n端元气体中碳同位素δ
13
c的值以及氢同位素δd的值；
[0035]
200构建n端元气体同位素分源计算模型：基于步骤100化验结果，建立含有采空区2位置信息的数据库，构建n端元气体同位素分源计算模型；
[0036]
300采空区气体采样测定：当采空区2发生煤自燃时，采集采空区2中混合气体，经过分离提纯后，测试分析各纯净n端元气体中δ
mix13
c、δ
mix
d的同位素值；
[0037]
400隐蔽火源点靶向精准定位：基于步骤300的测试结果，解算n端元气体同位素分源计算模型，对比步骤200中的数据库，在数据库中匹配解算结果的位置信息，可精准对各纯净n端元气体溯源，其中占比显著的气体的位置信息判定为煤自燃的发生位置，确定采空区(2)的煤自燃位置，靶向定位火源点。
[0038]
所述步骤100中对采空区2遗煤取样具体为，随着对回采工作面1的推进对回采工作面1顶板或底板遗煤、进风巷4与回风巷5的支撑煤柱取样；所述纯净n端元气体为co、c2h6、c2h4、c2h2气体的纯净物。
[0039]
所述步骤200中n端元气体同位素分源计算模型如下：
[0040][0041]
式中：δ
mix
为提纯后的某n端元气体同位素实测值；
[0042]
δ1～δ
n
为步骤100中提纯后的煤样自燃实验气体同位素值；
[0043]
a～i分别为取样点1～n对某n端元气体贡献比；
[0044]
对n个同位素值δ
mix
联立n元一次方程组即可求解出a～i。
[0045]
所述步骤300中采集采空区2气体是在回采工作面1与回风巷5交汇处并靠近采空区2进行。
[0046]
所述步骤400中将步骤300的测试结果分别代入n端元气体同位素分源计算模型，可以解算出源自各个取样点的气体对于该纯净n端元气体的贡献比。
[0047]
所述取样点3在采空区2走向与倾向间隔相等，均为10～20m。
[0048]
所述单个取样点3所取煤样重量为100～200g。
[0049]
所述δ
13
c包括δ
13
c(co)、δ
13
c(c2h6)、δ
13
c(c2h4)、δ
13
c(c2h2)；所述δd包括δd(c2h6)、δd
(c2h4)、δd(c2h2)；所述δ
mix13
c包括δ
mix13
c(co)、δ
mix13
c(c2h6)、δ
mix13
c(c2h4)、δ
mix13
c(c2h2)；所述δ
mix
d包括δ
mix
d(c2h6)、δ
mix
d(c2h4)、δ
mix
d(c2h2)。
[0050]
所述步骤400中判定采空区2煤自燃位置遵循判定依据如下：
[0051]
若a＝{a,
…
,i},{x|x/y≥10,x∈a,y∈a}，则x对标的取样点3位置即为采空区2煤自燃位置。
[0052]
实施例
[0053]
100取样化验：随着回采工作面1的推进对回采工作面1顶板或底板遗煤、进风巷4与回风巷5的支撑煤柱取样，使遗煤取样点3在采空区2的走向与倾向间隔相等，均为10～20m，单个取样点3所取煤样重量约100～200g，记取样数为n，并标记取样点3的位置信息，形成n个位置信息的矩阵；通过煤自燃实验获得co、c2h6、c2h4、c2h2等混合气体，为避免不同温度下混合气体组分体积含量差异影响，需进一步地分离提纯获得纯净n端元气体；利用同位素分析仪器，分别确定n端元气样中δ
13
c、δd等同位素值；
[0054]
200构建n端元气体同位素分源计算模型：基于步骤100的化验结果，建立含有采空区2位置信息的数据库，动态记录采空区2随着回采工作面1推进不断更新的尺寸及取样点3随着采空区2更新而更新的位置信息；构建n端元气体同位素分源计算模型如下：
[0055][0056]
式中：δ
mix
为提纯后的某n端元气体同位素实测值；
[0057]
δ1～δ
n
为步骤100中提纯后的煤样自燃实验气体同位素值；
[0058]
a～i分别为取样点1～n对某n端元气体贡献比；
[0059]
对n个同位素值δ
mix
联立n元一次方程组即求解出a～i。
[0060]
300采空区气体采样测定：当采空区2发生煤自燃时，在回采工作面1与回风巷5交汇靠近采空区2处，采集采空区2混合气体，经过分离提纯后，测试分析各纯净n端元气样中δ
mix13
c、δ
mix
d等同位素值；
[0061]
400隐蔽火源点靶向精准定位：将步骤300测试结果分别代入n端元气体同位素分源计算模型，得到n个同位素值δ
mix
构成的n元一次方程组。
[0062]
联立n元一次方程组，求解出a～i唯一解，匹配含有采空区2位置信息的数据库中同位素值数据，便可得出n端元气体溯源结果。
[0063]
若a＝{a,
…
,i},{x|x/y≥10,x∈a,y∈a},则x对标的取样点3位置即为采空区2煤自燃位置，从而实现了隐蔽采空区煤自燃精准靶向定位。