煤矿采场瓦斯与煤自燃耦合灾害监测系统及其监测方法

摘要

本发明公开了一种煤矿采场瓦斯与煤自燃耦合灾害监测系统及其监测方法，涉及到综放采空区空间气体观测及瓦斯与煤自燃耦合灾害表征模型建立，其包括采场气体取样仪和监测基站，其中，活动式套管是由上下两根无缝钢管套接在一起形成的，上无缝钢管和下无缝钢管的外侧均设置有一条矩形状缺口，两条矩形状缺口在一条直线上，矩形状缺口内布设有取样钢管，取样钢管为空心结构，在取样钢管的内部自下而上间隔均匀的划分为三个密封空腔，每个密封空腔内均布设有一组监测线。本发明将采场气体取样仪安置于采空区，基于真实测得数据重建获得耦合灾害危险区域空间立体分布，针对性强、实用性高，可有效地用于现场该类耦合灾害空间特性描述和定向防治。

说明书

技术领域

本发明属于煤矿瓦斯与煤自燃耦合灾害防治技术领域，具体涉及一种煤矿采场瓦斯与煤 自燃耦合灾害监测系统及其监测方法。

背景技术

随着我国对能源高强度集约化的开采，浅部资源日益减少，国内外矿井相继进入深部资 源开采阶段。深部煤岩体的力学特征更趋复杂，煤岩破碎量大，为煤自燃发火提供了良好的 氧气、蓄热条件；同时，随着开采深度的增加，矿井开采煤层瓦斯涌出量以及地温梯度也急 剧增大，高瓦斯含量带和瓦斯积聚带的存在和运动，是矿井发生瓦斯爆炸、燃烧事故的重要 因素，而煤自燃为瓦斯爆炸提供了火源条件，两种灾害的耦合共生，成为矿井重特大事故发 生的普遍模式。

确定耦合灾害危险区域是这类灾害防治的关键，而耦合灾害具有空间性，由于缺乏有效 的监测手段对其空间立体分布规律进行监测，不能很好的指导现场灾害防治工作。目前，还 没有直接监测采空区空间气体及温度分布仪器和设备，以往均是在两顺槽方向上进行埋管观 测，并用Excel产生简单变化曲线，不能从空间立体上显示采空区耦合灾害分布范围。

发明内容

本发明的目的在于提供一种煤矿采场瓦斯与煤自燃耦合灾害监测系统及其监测方法，通 过该监测方法可以实时收集采空区空间气体和温度值，利用监测数据得到采场瓦斯与煤自燃 耦合灾害空间立体分布范围。

本发明的任务之一是提供一种煤矿采场瓦斯与煤自燃耦合灾害监测系统，其技术方案包 括：

一种煤矿采场瓦斯与煤自燃耦合灾害监测系统，其包括采场气体取样仪和监测基站，所 述采场气体取样仪包括活动式套管、位于所述套管顶端的上托盘和位于所述套管底端的下托 盘，所述活动式套管是由上下两根无缝钢管套接在一起形成的，所述上无缝钢管和下无缝钢 管的外侧均设置有一条矩形状缺口，两条矩形状缺口在一条直线上，所述矩形状缺口内布设 有取样钢管，所述取样钢管为空心结构，在所述取样钢管的内部自下而上间隔均匀的划分为 三个密封空腔，所述每个密封空腔内均布设有一组监测线，每组监测线均是由固定在一起的 束管和测温线组成的；

所述下托盘的长度大于上托盘的长度，所述活动式套管内部设置有弹簧，所述下托盘上设 置有压力传感器，所述弹簧的上部顶在所述上托盘上，下部顶在所述压力传感器上；

所述监测基站分为用于监测压力的基站一和用于监测气样和温度的基站二，所述压力传感 器连接至所述基站一，所述监测线连接至所述基站二。

作为本发明的一个优选方案，当上托盘最大限度的压缩弹簧时，上述取样钢管与上托盘 之间留有缝隙。

当采场气体取样仪受到采空区上覆岩层压力时，弹簧会受力变形压缩，此时压力传感器 会显示压力数值并传递给基站一，上托盘与取样钢管之间不能接触，以免影响实验分析结果。

作为本发明的另一个优选方案，上述上无缝钢管长度为800mm，内径为150mm，壁厚为 3mm；下无缝钢管长度为800mm，内径为144mm，壁厚为3mm；下托盘直径为250mm，厚 度为15mm；上托盘直径为160mm，厚度为15mm；取样钢管直径为33mm，壁厚为2mm。

上述上无缝钢管的长度、内径、壁厚以及下无缝钢管的长度、内径、壁厚等特别适用于 煤层厚度在6m内的综放工作面内，也可根据现场要求进行调整。

本发明的任务之二是提供上述监测系统的监测方法，其包括以下步骤：

步骤1、将工作面分为上、中、下三个部分，在工作面推进至初次来压步距L₀的1/2时， 在采空区内沿工作面走向方向上选择五个采空区测点，将采场气体取样仪安置于采空区内， 在工作面的回风顺槽侧布设三个测点，工作面的进风顺槽侧布设两个测点；

步骤2、监测，通过基站一记录测点压力和位移信息，通过基站二取气样并记录测点温 度；

步骤3、工作面继续推进L₀时，采空区顶板处于来压间隙，此时矿压相对较小，利于测 点垂直布置，采取与步骤一相同的方式在相同位置布置五个测点；

步骤4、依据顺槽压力变化数值筛选有效测点，并通过基站一、基站二记录压力和位移 信息，并采集气样，及时记录收集气体时测点位置传感器的数值；

步骤5、将步骤4采集的数据进行平均，利用数学分析软件和双立方插值技术，获得平 面耦合灾害分布；

步骤6、通过计算机三维重构软件，重构得到瓦斯与煤自燃耦合灾害的空间立体分布图。

优选的，步骤5中平面耦合灾害分布的获得是通过下述方法计算得到的：

$S_e=S_{O_2}\cap S_T\cap S_{{\mathrm{CH}}_4}$

式中，S_e为耦合灾害分布区，为满足灾害发生的O₂浓度分布区，S_T为满足灾害发生的温 度区，为可燃可爆瓦斯浓度分布区；其中，的取值为8％，

本发明所带来的有益技术效果：

本发明改变了传统通过两顺槽及液压支架后埋管测定采空区的模式，可以将设计的采场 气体取样仪根据布置需要直接安置于采空区，从而能够实时收集采空区气体及温度信息；并 且采场气体取样仪能够根据需要直接测定采空区空间不同高度；同时本发明所采用的分布场 重建方法，能够重建获得瓦斯与遗煤自燃灾害危险区域空间立体分布状态，更符合现场实际 情况，从而更好的指导现场作业中该类灾害的防治，采用更针对性的定向防控措施。本发明 简单易行、装置可靠性强、工艺相对简单，对不同煤层开采厚度具有一定的适应性，具有广 泛的实用性。

本发明施工简便易行、工艺相对简单，通过液压支架的间隙人工向采空区安置取样仪， 能够实现沿工作面全线布点的方法观测，对煤层厚度在6m内综放工作面具有较好的适应性。

附图说明

下面结合附图对本发明做进一步清楚、完整的说明：

图1为本发明监测系统结构示意图；

图2为下无缝钢管的俯视图；

图3为下无缝钢管矩形状缺口部分结构示意图；

图4为监测系统在工作面布置示意图；

图5为本发明实施例1耦合灾害危险区域叠加示意图；

图6为本发明实施例1耦合灾害危险立体分布示意图；

图中，1—基站一；2—基站二；3—压力传感器线路；4—监测线；5—上托盘；6—下托 盘；7—位移传感器；8-取样钢管；9—弹簧；10—下无缝钢管；11—压力传感器；12—矩形 状缺口；L₀-工作面初次来压步距，L-工作面走向宽度；13、14、15为工作面的回风顺槽侧的 三个测点；16、17为工作面的进风顺槽侧的两个测点；18、工作面下部，19、工作面中部， 20、工作面上部；21、工作面；22、采空区。

具体实施方式

本发明提供了一种煤矿采场瓦斯与煤自燃耦合灾害监测系统及监测方法，为使本发明的 目的、技术方案以及优点更加明确，以下将以某矿某工作面的应用实例对本发明进一步详细 说明。

如图1至图3所示，本发明监测系统包括采场气体取样仪和监测基站，从图1中可以看 出，采场气体取样仪的主体是由两个大小不同的上无缝钢管和下无缝钢管10套接在一起形成 的套管，并且该套管的顶部安设有上托盘5，底部为下托盘6，采空区上覆岩层压力直接作用 于上托盘5上，在套管的内部设置有弹簧9，优选为高强弹簧，以适应上覆岩层的不同压力， 在下托盘上即套管底部设置有压力传感器11，通过压力传感器线路3连接至监测基站；

在上无缝钢管和下无缝钢管的外侧均设置有矩形状缺口12，其内部可安设取样钢管8， 取样钢管8内部为空心结构，主要是为了在其内部布设监测线，此取样钢管内部沿高度方向 上间隔均匀的设置有三组监测线4，每组监测线均是由固定在一起的束管和测温线组成的， 每组监测线均连接至监测基站，在取样钢管内部间隔均匀的设置有三个小孔，供监测线通过， 首先安装取样钢管最顶部的一组监测线，其穿过取样钢管的底部，通过小孔穿入取样钢管的 最顶部，再依次穿入中部和底部的监测线，安装完成后，将小孔用树脂材料进行密封，形成 密封空腔，每个小孔均通过树脂材料密封形成一个密封空腔，束管和测温线分别连接到监测 基站中，本发明优选测温线为铠装测温线，束管为铠装矿用聚乙烯束管。

本发明监测基站分为两个，分别是基站一1和基站二2，基站一1与压力传感器11和位 移传感器7连接，用于监测压力和位移信息，基站二2与束管和测温线连接，用于监测采场 采空区气体浓度，即自燃指标性气体与瓦斯气体浓度。

下托盘6的长度大于上托盘5的长度，可保证气体取样仪的稳定性，保证采场气体取样 仪直立状态是保证测定准确性的重要保证，在使用时，上下无缝钢管受矿压作用下发生滑动， 弹簧会发生压缩，通过压力传感器读数的变化，判断仪器的直立状态，如果获得的压力数据 缺失或者出现异常，则判定该测点为无效测点。

本发明监测系统实施例中各部件的最佳技术参数如下：

上无缝钢管长度为800mm，内径为150mm，壁厚为3mm；

下无缝钢管长度为800mm，内径为144mm，壁厚为3mm；

下钢管托盘直径为250mm，上无缝钢管托盘直径为160mm，厚度均为15mm；

取样钢管直径为33mm，壁厚为2mm。

利用本发明监测系统对采空区瓦斯与煤自燃耦合灾害系统的监测方法如下：

第一步，如图4所示，将工作面21分为工作面上部20、工作面中部19和工作面下部18 三部分，在工作面推进至1/2初次来压步距L₀时，在采空区内沿工作面走向方向上选择5个 采空区测点，分别为工作面的回风顺槽侧的三个测点13、14、15和工作面的进风顺槽侧的两 个测点16、17；通过液压支架间隙人工将采场气体取样仪安置于采空区内，回风顺槽侧的三 个测点13、14、15，相邻的测点之间的间距为1/8L，进风顺槽侧的两个测点16和17之间 的间距为1/4L；

第二步，所有采场气体取样仪通过数据线和铠装束管、铠装测温线分别连接至顺槽基站， 其中顺槽基站1记录测点压力和位移信息，顺槽基站2取气和记录测点温度；

第三步，在工作面继续推进L₀时，采空区22顶板处于来压间隙，此时矿压相对较小，利 于测点垂直布置，采取相同的方式在相同位置布置一排测点和采场取样仪，并分别连接至顺 槽基站；

第四步，依据顺槽压力变化数值筛选有效测点，并记录压力传感器数值、位移传感器沉 降值，一般可两天采集一次，遇到工作面推进速度较慢或者瓦斯异常区时，可一天采集一次， 或者一天采集两次；采集气样用气囊收集，并及时记录收集气体时测点位置传感器的数值， 气样及时拿至地面化验分析；

第五步，通过基站采集到位移数据、气样数据和温度数据，将两者的数据进行平均，利 用数学分析软件和双立方插值技术，按照下式计算：

$S_e=S_{O_2}\cap S_T\cap S_{{\mathrm{CH}}_4}$

式中，S_e为耦合灾害分布区，为满足灾害发生的O₂浓度分布区，S_T为满足灾害发生 的温度区，为可燃可爆瓦斯浓度分布区；其中，的取值为8％， 获得平面耦合灾害分布；

第六步，通过计算机三维重构软件，重构得到瓦斯与煤自燃耦合灾害的空间立体分布。

实施例1：

以下将以某矿某工作面的应用实例对本发明进一步详细说明。

工作面参数为走向长度100m，平均煤厚6.3m，采高3m，采放比平均为1:1.1，工作 面来压步距12m，以进风顺槽侧为0m，回风顺槽侧为100m。

经计算，工作面后部采空区遗煤厚度为1.01m，混合带厚度为0.58m，因此，气体取样 仪参数可设计为：

上无缝钢管长度为800mm，内径为150mm，壁厚为3mm；

下无缝钢管长度为800mm，内径为144mm，壁厚为3mm；

下钢管托盘直径为250mm，上无缝钢管托盘直径为160mm，厚度均为15mm；

取样钢管直径为33mm，壁厚为2mm。

利用本发明监测系统对采空区瓦斯与煤自燃耦合灾害进行监测和判定方法，包括如下步 骤：

步骤1、将工作面分为上部、中部、下部三部分，工作面初次来压后，在采空区内沿工 作面走向方向上设置5个采空区测点，通过液压支架间隙人工将采场气体取样仪安置于采空 区内，回风顺槽测三个测点，间距为1/8工作面走向长度，即12.5m，进风顺槽侧两个测点， 间距为1/4工作面走向长度，即25m；

步骤2、所有采场气体取样仪通过数据线、束管、铠装测温线分别连接至顺槽基站，其 中基站一记录测点压力和位移信息，基站二取气和记录测点温度；

步骤3、工作面继续推进12m时，采空区处于来压间隙，此顶板来压相对较小，采取相 同的方式在相同位置处布置一排测点和采场取样仪，并分别连接至基站；

步骤4、依据气体取样仪显示压力变化数值筛选有效测点，记录有效测点压力传感器数 值并用气囊采集气样，舍弃无效测点；两天采集一次，遇到工作面推进速度较慢或者瓦斯异 常区时，可一天采集一次；及时记录收集气体时测点距采空区距离，气样及时拿至地面化验 分析；

步骤5、将两排监测点的数据进行平均，利用MATLAB数学分析软件结合双立方插值技术， 进行基于实测数据的采空区气体分布场和温度场重建，结合耦合灾害的判定条件，得到三场 叠加危险区域，如图5所示；

步骤6、将图5叠加危险区域投影到平面，得到其平面分布范围，依此方法分别获得三 个高度方向上耦合灾害危险区域的范围，最后通过自行设计的三维重构软件结合克里金空间 插值技术，重构得到瓦斯与煤自燃耦合灾害的空间立体分布，可通过后处理软件将重建空间 数据进行提取，得到灾害的空间尺寸和位置信息，如图6所示，耦合灾害危险区域高度为2m， 倾向方向上10～70m，走向方向上70～100m。