本发明涉及煤层瓦斯突出预测领域，具体讲是一种利用煤层地震波传播速度变化特征监测煤层瓦斯突出的方法。
背景技术：
瓦斯突出是一个动态的过程，它的发生是由于开采活动造成的。在开采活动之初，煤层孔隙压力和围岩应力一般处于平衡状态，瓦斯吸附于煤颗粒的表面，呈稳定状态。当矿山的施工开采活动接近煤层时，煤层的压力扰动致使这种平衡被打破，吸附于煤表面的瓦斯开始解吸，体积迅速膨胀，使煤层和围岩开始破裂，裂隙增加，引起应力进一步降低。应力的继续下降，造成瓦斯进一步解析，如此循环，并逐步加快，最终造成煤和瓦斯快速涌入工作面或巷道等施工场所，形成瓦斯突出。
瓦斯突出是煤矿生产过程中最严重而且最难预测的灾害。它的发生主要与煤层本身的物理特征、煤层中瓦斯含量以及煤层应力状态有关，而这些因素都能从煤层中地震波传播速度中得到反映。影响地震波传播速度的煤层特征主要包括其组成成分、变质程度和结构裂隙等。当煤层变质程度高，含镜质成分比例大时，地震波传播速度高；当煤层受破坏，裂隙增加时，传播速度就会降低。煤层中地震波传播速度与瓦斯含量则具反相关关系，即当瓦斯含量增加时，传播速度下降；传播速度与煤层所受应力成正比，当煤层所受应力增加时，煤层孔隙降低，密度增加，传播速度加快。目前的很多研究和观察都集中在建立地震波传播速度与这些瓦斯突出因素的量化关系上。
但是多年来的研究并没有产生一种有效的利用地震波传播速度进行瓦斯突出的预测预报方法。其主要原因与复杂多样的煤层的组成和赋存条件有关，就煤层成分而言，同样成分和变质程度的煤层就已经很难在世界的另一地方存在，再加上煤层的赋存条件这个因素，更增加了煤层的唯一性特征。这个特征不但大大增加了寻找可靠的地震波传播速度与瓦斯突出量化关系的难度，同时也降低了寻找这种关系的意义。即使针对某个特定煤层组成和赋存条件，建立了地震波传播速度和我说突出的量化关系，鉴于多样性的特征，也很难应用于其他煤层。
技术实现要素：
本发明要解决的技术问题是，提供一种利用煤层地震波传播速度变化特征监测瓦斯突出的方法，其避开了煤层特征和赋存特征唯一性，以及瓦斯突出的突然性的难题，通用性强，可靠性高，预测精度更为准确。
本发明的技术解决方案是，提供一种利用煤层地震波传播速度变化特征监测瓦斯突出的方法，依次包括如下步骤：
1)将监测的目标煤层在三维空间规则划分出若干个节点，各节点的间距为5～50m；
2)在巷道接近目标煤层的安全距离之前，提前5～9天对各节点的地震波传播速度进行采集和记录，在巷道接近目标煤层的过程中，每隔5～60min记录一次各节点的地震波传播速度，并将采集的数据存于数据库中；
3)将步骤2)中5～9天所采集的地震波传播速度所有数据进行平均，每个节点n均得到一个速度平均值vni，vni定义为节点的煤层非扰动地震波传播速度；
4)利用煤层的地震波传播速度变化标准偏差预报瓦斯突出
在监测煤层获得每个节点n的初始传播速度vni后，挖掘的巷道开始接近目标煤层，将巷道进入目标煤层安全距离的时间定为t0，在t0后的任何时间t，每个节点n的地震波传播速度为vnt，那么：
pbnt＝(vnt-vni)/vni
式中：pbnt为节点n在时间t的标准偏差，当标准偏差pbnt大于预先设定值时，就予报警，预先设定值为10％～80％。
本发明所述的利用煤层地震波传播速度变化特征监测瓦斯突出的方法，步骤1)中各节点的间距具体取决于监测设备的检测频率和地震波在煤层的主要传播速度，用如下公式计算：
j＝v/4f
式中：v为地震波传播速度，f为设备的主要监测频率。
本发明所述的利用煤层地震波传播速度变化特征监测瓦斯突出的方法，步骤1)中，对于揭煤巷道，各节点的间距为5m。
本发明所述的利用煤层地震波传播速度变化特征监测瓦斯突出的方法，步骤2)中，当巷道与煤层接近时，每隔5min记录一次各节点的地震波传播速度。
本发明还提供一种利用煤层地震波传播速度变化特征监测瓦斯突出的方法，依次包括如下步骤：
1)将监测的目标煤层在三维空间规则划分出若干个节点，各节点的间距为5～50m；
2)在巷道接近目标煤层的安全距离之前，提前5～9天对各节点的地震波传播速度进行采集和记录，在巷道接近目标煤层的过程中，每隔5～60min记录一次各节点的地震波传播速度，并将采集的数据存于数据库中；
3)利用煤层的地震波传播速度变化的动态偏差预报瓦斯突出
当挖掘的巷道开始接近目标煤层时，将巷道进入目标煤层安全距离的时间定为t0，在t0后的任何时间t，监测各节点n在时间t时的地震波传播速度的动态偏差pdnt定义为：
pdnt＝|vsnt-vlnt|/vlnt(1)
vsnt＝(vnt+vnt-1+……+vnt-s)/s(2)
vlnt＝(vnt+vnt-1+……+vnt-l)/l(3)
式中：vsnt为监测的节点n在时间t的短期平均地震波传播速度，vlnt为监测的节点n在时间t的长期平均地震波传播速度，s为计算短期平均地震波传播速度的数据个数，l为计算长期平均地震波传播速度的数据个数，当pdnt大于预先设定值10％时，立即报警。
本发明所述的利用煤层地震波传播速度变化特征监测瓦斯突出的方法，步骤1)中各节点的间距具体取决于监测设备的检测频率和地震波在煤层的主要传播速度，用如下公式计算：
j＝v/4f
式中：v为地震波传播速度，f为设备的主要监测频率。
本发明所述的利用煤层地震波传播速度变化特征监测瓦斯突出的方法，步骤1)中，对于揭煤巷道，各节点的间距为5m。
本发明所述的利用煤层地震波传播速度变化特征监测瓦斯突出的方法，步骤2)中，当巷道与煤层接近时，每隔5min记录一次各节点的地震波传播速度。
采用以上结构后，与现有技术相比，本发明利用煤层地震波传播速度变化特征监测瓦斯突出的方法具有以下优点：
1、提高了预报的可靠性：由于传统的方法集中在地震波传播速度本身，它在监测空间任一节点时，只有一个特定时间的数据，如果任意节点的数据获取环节出现误差，那么将无法进行比较和更正，相应预报的可靠性不能得到保障。本发明基于地震波传播速度的变化，需要监测空间所有节点的时间连续规则数据，所以在监测空间的任何节点，都有一系列数据。即使某个计算有误差，也能通过相连的时间和空间节点的数据进行矫正，如vlnt和vsnt的计算，正是体现了这个优点。所以本发明的预报可靠性是有空间和时间数据来保证的；
2、提高瓦斯突出预报的空间精度：瓦斯突出预报有两个重要要素，即地点和时间，在瓦斯突出发生在地点预报上，传统的方法只能对区域内的地点进行定性的确定，不能提供精确的供生产使用的信息。而本发明则对监测区域进行规则的划分，其精度由监测节点的间距来定，由于监测区域的每个节点都具有准确的空间坐标，因此，可准确预报瓦斯突出的具体地点；
3、提出了瓦斯突出预报的实时有效方法：在瓦斯突出预报的两要素中，时间要素比地点要素更重要也更难确定，到目前为止，还没有一种方法能从理论上和机理上有效监测和预报瓦斯突出在何时发生，更不要说具体的现场应用。因为瓦斯突出过程是一个动态的过程，而到目前为止所有的瓦斯突出的预报方法都没有能与这个动态的过程结合起来，所以都不能进行实时预报，特别是提前预报瓦斯突出的发生。本发明首先从地震波传播速度的变化与瓦斯突出的孕育过程结合起来，分析瓦斯突出中瓦斯解析过程的地震波传播速度的变化速度和幅度，对瓦斯突出进行预报。瓦斯解析过程是瓦斯突出的先决条件，即瓦斯突出的前提和先兆，利用对地震波传播速度来监测这个过程和先兆，从而准确实时的预报瓦斯突出的发生时间。
4、非扰动时地震波传播平均速度vni的意义：vni为本发明首先提出并定义的，它不仅为用速度变化率和速度变化幅度预报瓦斯突出危险预报提供一个可靠的参照值，同时也可作为同类煤层在类似条件下的实际地震波传播速度，增加通用性。结合煤层唯一性的特征，vni比通过实验室样品测试的数据更具有实际意义。通过对各种煤层的vni积累，为瓦斯突出的机理研究提供可靠和实用有效的基础数据，为瓦斯突出的研究和监测提供了新的方向；
5、其它瓦斯安全的应用：除了瓦斯突出预报监测外，本发明的监测数据还可用来监测瓦斯抽排结果。对含有瓦斯煤层，在揭煤巷道进入煤层前，必须对煤层中瓦斯的含量分析测定，只有当瓦斯含量低于安全标准后，相关巷道才能进入煤层。目前采用的是现场采样，实验室分析的方法，这种方法费时、复杂，数据因样品污染等因素可能误差较大。利用本发明地震波传播速度的变化来分析瓦斯含量将更加可靠和快速，提高生产效率。
附图说明
图1是本发明对煤层瓦斯突出全过程监测时的曲线图。
具体实施例
下面结合附图和具体实施例对本发明利用煤层地震波传播速度变化特征监测瓦斯突出的方法作进一步详细说明：
实施例1
本发明利用煤层地震波传播速度变化特征监测瓦斯突出的方法，依次包括如下步骤：
1)将监测的目标煤层在三维空间规则划分出若干个节点，更详细地说是，将目标煤层沿x、y、z坐标方向按相等间距(距离)进行分割，其交点即为监测的节点。当然，三个坐标方向还可使用不同距离，如沿x、y方向分别使用20m间距进行分割，而沿z方向使用10m间距进行分割，这样可提高z方向的监测精度。各节点之间的间距应在5m～50m之间，具体间距取决于监测设备的检测频率和地震波在煤层的主要传播速度，用如下公式计算：
j＝v/4f
式中：v为地震波传播速度，f为设备的主要监测频率。节点在各个坐标方向的距离至少应与该公式的计算值相近。对于揭煤巷道而言，各节点的间距为5m。
2)在巷道接近目标煤层的安全距离之前(按煤矿安全规程规定的距离，大于20米)，提前7天(当然也可以是5天、6天、8天或9天)对各节点的地震波传播速度进行采集和记录，在巷道接近目标煤层的过程中，每隔5～60min记录一次各节点的地震波传播速度，并将采集的数据存于数据库中。时间间隔确定与地震波传播速度的获取速度以及巷道与煤层的距离有关，在巷道离煤层较远煤层没有收到扰动时，监测频率可以较长，而当巷道接近煤层时，瓦斯突出的可能性随时可能发生，时间间隔越短越好。由于地震波传播速度目前都是应用反演方法获得，其过程需要较长的计算时间，在计算能力允许的条件下，记录时间间隔可尽量为5min。巷道与煤层的距离也对记录间隔要求不同，当巷道与煤层距离较远时(大于20米)，可采用较大的时间间隔；当巷道与煤层接近时，每隔5min记录一次各节点的地震波传播速度。
3)将步骤2)中5～9天所采集的地震波传播速度所有数据进行平均，每个节点n均得到一个速度平均值vni，vni定义为节点的煤层非扰动地震波传播速度。由于煤层的唯一性特征，vni仅代表n节点煤层在没有瓦斯突出时的正常地震波传播平均速度，它不能(如目前其它研究方法)用来代表煤层的瓦斯突出可能性。
4)利用煤层的地震波传播速度变化标准偏差预报瓦斯突出
在监测煤层获得每个节点n的初始传播速度vni后，挖掘的巷道开始接近目标煤层，将巷道进入目标煤层安全距离的时间定为t0，在t0后的任何时间t，每个节点n的地震波传播速度为vnt，那么：
pbnt＝(vnt-vni)/vni
式中：pbnt为节点n在时间t的标准偏差，当标准偏差pbnt大于预先设定值时，就予报警，预先设定值为10％～80％。标准偏差的值与煤层的特征和获取地震波传播速度的方法有关，煤层本身的强度越大以及获取的地震波传播速度越稳定，这个值越小，反之则越大。具体可根据实际的情况进行调整，如果获取数据稳定性比较差，可采取t时最后三个数据的平均值做为公式中的vnt。
实施例2
本发明一种利用煤层地震波传播速度变化特征监测瓦斯突出的方法，依次包括如下步骤：
步骤1)和步骤2)分别与实施例1中的步骤1)和步骤2)相同，在此不再赘述。
步骤3)利用煤层的地震波传播速度变化的动态偏差预报瓦斯突出
当挖掘的巷道开始接近目标煤层时，将巷道进入目标煤层安全距离的时间定为t0，在t0后的任何时间t，监测各节点n在时间t时的地震波传播速度的动态偏差pdnt定义为：
pdnt＝|vsnt-vlnt|/vlnt(1)
vsnt＝(vnt+vnt-1+……+vnt-s)/s(2)
vlnt＝(vnt+vnt-1+……+vnt-l)/l(3)
式中：vsnt为监测的节点n在时间t的短期平均地震波传播速度；vlnt为监测的节点n在时间t的长期平均地震波传播速度；s为计算短期平均地震波传播速度的数据个数；l为计算长期平均地震波传播速度的数据个数。当pdnt大于预先设定值10％时，立即报警。pdnt反映的是煤层中地震波传播速度加速变化(一般是降低)的过程，它是煤层破坏和瓦斯解析的共同影响的结果。在正常的煤层因压力破坏而引起地震波传播速度降低时，节点的短期和长期平均速度大致相等，pdnt接近零，当pdnt开始增加时，表明新的破坏因素开始起作用，在含瓦斯煤层或岩层中，多是瓦斯解析所至。
图1是本发明对煤层瓦斯突出全过程监测时的曲线图，需要强调的是图1中的第二阶段(瓦斯突出过程开始)是非常迅速的过程，图1仅是为了说明问题，将其时间加大，可以从数分钟到数天，主要是根据煤层及周围岩石的强度来定，如果煤层及周围岩石很脆弱，一旦瓦斯开始解析，就很快突出。所以，本发明在图1的第二阶段开始时就报警，让抽排过程开始，避免人身财产损失，提高了生产周期。另外，本发明对监测区进行了单元划分，给抽排和处理提供更高的效率。
在瓦斯突出的过程中，煤层特征的变化无论是裂隙增加，还是瓦斯解析和应力的下降都会降低地震波传播速度，几个参数叠加，会使地震波传播减速更加明显。在瓦斯突出的发育和形成过程中，地震波传播速度变化具有两个特征：1、不管什么煤层在什么赋存条件，当瓦斯突出的过程快速孕育时，地震波传播速度都会下降；2、突出过程是一个由慢到快的过程，所以传播速度的下降也是从慢到快。本发明就是从这瓦斯突出过程中地震波传播速度的这两个变化特点出发，通过监测地震波传播速度的变化速率来进行瓦斯突出预警预报。
成功预测瓦斯突出需要两个重要要素：何处和何时。何时发生瓦斯突出是目前存在的研究和方法中更大的难题。本发明中的标准偏差pbnt反映的是速度变化的大小，而动态偏差pdnt反映的是速度变化的快慢，两者比较，动态偏差pdnt更能反映瓦斯发生逼近程度，也就是说，由标准偏差pbnt或动态偏差pdnt均可以准确地预测出瓦斯突出在何时发生。由于本发明将监测的目标煤层在三维空间规则划分出若干个节点，且每个节点都有一个x、y、z坐标值，因此，当某个节点的动态偏差或标准偏差超过预先设定值时，就可以确定瓦斯突出的发生位置。由此可见，本发明不仅能够解决何处的问题，而且还能够解决何时的问题。当瓦斯突出临近发生时，地震波传播速度的变化就会加剧，只要工人能够在地震波速度变化加剧时，及时采取必要的措施，就可避免重大损失。
基于煤层特征和赋存唯一性特征和瓦斯突出的突然性，本发明摈弃地震波传播速度本身来预测瓦斯突出传统方法，而是专注于地震波传播速度的变化速率，这样就避开了煤层特征和赋存特征唯一性，以及瓦斯突出的突然性的难题，为瓦斯突出预测预报开辟了一个全新的方向。本发明借助于地震波传播速度连续实时的监测数据，通过监测地震波速度的变化率和变化幅度来实时预报瓦斯突出危险。符合瓦斯突出的孕育过程和煤层本身地震波传播速度特征，解决煤矿安全生产中危险最多发的生产环节。本发明对时间预报精度取决于速度的采样时间间隔，而时间间隔可根据需要进行调节。
以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明的保护范围内。