掘进工作面多参量综合监测预警方法

摘要

本发明公开了一种掘进工作面多参量综合监测预警方法，属于煤矿动力灾害监测预警领域，所述方法包括：步骤1：将掘进工作面分区监测；步骤2：在掘进巷道内安设煤体应力、地音和微震、锚杆锚索应力监测系统中的至少两种监测系统；步骤3：获取各监测预警指标；步骤4：将各监测预警指标分别赋予一定的权重并累加，得到综合预警指标。本发明根据掘进工作面冲击地压发生机理，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。

说明书

技术领域

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

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。

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屑监测法、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。

1)钻屑监测法：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；

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；

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；

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。

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。

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

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。

为解决上述技术问题，本发明提供技术方案如下：

一种掘进工作面多参量综合监测预警方法，包括：

步骤1：掘进工作面分区监测

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；

步骤2：布置测点

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；

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；

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。

本发明具有以下有益效果：

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

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；

图2为本发明中的测点布置和移组方案示意图；

图3为本发明中的煤体应力增幅预警指标隶属图；

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；

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

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。

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。

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。

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。

本发明具体实现步骤包括：

步骤1：掘进工作面分区监测

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。

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；

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。

步骤2：布置测点

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，优选布置10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，优选布置8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，优选布置5组；

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。

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。

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；

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。

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。

本发明中，掘进工作面分区域监测实现了根据不同区域内冲击机理的 不同，合理选择了各监测系统的布设位置，并将各监测子参量按一定权重 累加，充分发挥了各监测系统的优势，提高预警结果的科学性和准确性。

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。

本发明能够对掘进巷道冲击地压事故进行有效的预警，提高现场管理 和施工人员的工作效率，指导危险区卸压。

本发明中，各监测预警指标优选采用发明人优化、升级后的如下方法 计算得到。具体的：

1、对于步骤3中的煤体应力监测预警指标，优选通过以下步骤获得：

步骤31：计算煤体应力值大小指标I_Y；

步骤32：计算煤体应力增幅预警指标I_DY；

步骤33：计算煤体应力监测预警指标I₁＝a₁·I_Y+b₁·I_DY，其中(a₁，b₁) ∈[0.4，0.6]且a₁+b₁＝1。

上述步骤31-32可以采用现有技术中的常规计算方法计算得到煤体应 力值大小指标I_Y、煤体应力增幅预警指标I_DY。上述步骤33实现了I_Y和 I_DY两者较佳的耦合。

优选的，步骤31具体为：

$I_Y=\left(\begin{array}{cc}0,& Y<7\\ 0.5Y3.5,& 7\le Y\le 9\\ 1,& Y>9\end{array}\right)$

其中，Y为监测区域内最大应力测点数值；

煤体应力值大小指标I_Y采用区域内最大应力测点数值，作为总应力预 警指标。并与设定的临界值对比，确定危险性。

例如：动态演化区内有2个应力测点，一个班8小时内的最大应力测 点数值为8.5MPa，而设定的测点预警值如下表：

则本班动态演化区总应力预警等级为中等冲击危险。

本例中：I_Y＝0.5Y-3.5＝0.75。

优选的，步骤32具体为：

$I_{DY}=\left(\begin{array}{cc}0,& DY\le 0\\ \alpha ·DY,& 0<DY<P\\ 1,& DY\ge P\end{array}\right)$

其中，α为系数，P为临界值，两者一一对应，P＝1/α。α的取值与 应力测点稳定初装力值有关，取值关系如下表所示。

DY为区域内煤体应力最大应力测点的增幅值，由当前内最大应力测 点的应力与测点稳定初装力之差除以测点稳定初装力得到，具体的， DY＝100(F’-F)/F，F’为当前内最大应力测点的应力，F为测点稳定初装力。

煤体应力增幅预警指标是在总应力达到某个临界值后才起作用，总应 力小时不起作用。因此，根据不同的“稳定初装应力”，设定不同的增幅 预警隶属函数。

例如：动态演化区测点稳定初装力为4.5MPA，如图3所示，可以选 择上述4MPA的曲线，8小时内如果应力增加到6MPA，则DY＝100(6-4.5) /4.5＝33.3(实际上是33.3％)，代入上式，得到：

I_DY＝0.01×33.3＝0.333。

本例中，对于煤体应力监测预警指标I₁，假设a₁＝b₁＝0.5，则I₁＝0.5 (I_Y+I_DY)＝0.5(0.75+0.333)＝0.54。

2、对于步骤3中的地音和微震监测预警指标，优选通过以下步骤获 得：

步骤31’：计算地音和微震事件数异常率指标I_Nb；

步骤32’：计算地音和微震能量异常率指标I_Eb；

步骤33’：计算地音和微震监测预警指标I₂＝a₂·I_Eb+b₂·I_Nb，其中(a₂， b₂)∈[0.4，0.6]且a₂+b₂＝1。

上述步骤31’-32’可以采用现有技术中的常规计算方法计算得到地音 和微震事件数异常率指标I_Nb、地音和微震能量异常率指标I_Eb。上述步骤 33’实现了I_Nb和I_Eb两者较佳的耦合。

优选的，步骤31’具体为：

$I_{Nb}=\left(\begin{array}{cc}0,& Nb\le 0\\ 0.01Nb,& 0<Nb<100\\ 1,& Nb\ge 100\end{array}\right)$

其中，Nb＝100(N’-N)/N，Nb为地音和微震事件数异常率比值，N为 正常阶段一段时间内的有效事件数，N’为当前相同长度时间段内的有效事 件数；

优选的，步骤32’具体为：

$I_{Eb}=\left(\begin{array}{cc}0,& Eb\le 0\\ 0.01Eb,& 0<Eb<100\\ 1,& Eb\ge 100\end{array}\right)$

其中，Eb＝100(E’-E)/E，Eb为地音和微震能量异常率比值，E为正常 阶段一段时间内的能量之和，E’为当前相同长度时间段内的能量之和。

例如：采用某区域内的地音或微震探头数据，计算每8小时(一个班) 的有效事件数和能量之和，并与正常阶段(一般为前7天、相同班次)的 平均数相比，得到当班的异常率比值。通过一段时间的监测，得到比较准 确的“正常”有效事件数和能量和的值，作为掘进工作面本监测区的标准 值。

设正常阶段(一般为前7天、相同班次)的有效事件平均数为N，能 量之和为E，当班的有效事件数为N’，能量之和为E’，则地音和微震事 件数异常率比值为：

Nb＝100(N’-N)/N；

地音和微震能量异常率比值为：

Eb＝100(E’-E)/E；

在地音和微震监测表达冲击危险性中，能量的权重略大于事件次数。

进一步例如：前7天早班动态演化区事件数N平均为20个，能量和 E平均为50000，本早班动态演化区事件数N’为30个，能量和E’为60000。 则事件数异常率比值为：Nb＝100(N’-N)/N＝50；能量异常率比值为： Eb＝100(E’-E)/E＝20；Nb和Eb的计算结果分别为：I_Nb＝0.01Nb＝0.5， I_Eb＝0.01Eb＝0.2。

取a₂＝0.6，取b₂＝0.4，则本班动态演化区的地音和微震监测预警指标 I₂为：

I₂＝0.6I_Eb+0.4I_Nb＝0.6*0.5+0.4*0.2＝0.38。

3、对于步骤3中的锚杆锚索应力监测预警指标，优选通过以下步骤 获得(与上述煤体应力监测预警指标的算法相同)：

步骤31”：计算锚杆锚索应力值大小指标I”_Y；

步骤32”：计算锚杆锚索应力增幅预警指标I”_DY；

步骤33”：计算锚杆锚索应力监测预警指标I₃＝a₃·I”_Y+b₃·I”_DY，其中 (a₃，b₃)∈[0.4，0.6]且a₃+b₃＝1。

上述步骤31”-32”可以采用现有技术中的常规计算方法计算得到锚杆 锚索应力值大小指标I”_Y、锚杆锚索应力增幅预警指标I”_DY。上述步骤33” 实现了I”_Y和I”_DY两者较佳的耦合。

优选的，步骤31”具体为：

${I^{,,}}_Y=\left(\begin{array}{cc}0,& Y<50\\ 0.1Y-5,& 50\le Y\le 60\\ 1,& Y>60\end{array}\right)$

其中，Y为监测区域内最大应力测点数值；

优选的，步骤32”具体为：

${I^{,,}}_{DY}=\left(\begin{array}{cc}0,& DY\le 0\\ \alpha ·DY,& 0<DY<P\\ 1,& DY\ge P\end{array}\right)$

其中，α为系数，P为临界值，两者一一对应，P＝1/α。α的取值与 应力测点稳定初装力值有关，取值关系如下表所示。

DY为区域内锚杆锚索应力最大值测点的增幅值，由当前内最大应力 测点的应力与测点稳定初装力之差除以测点稳定初装力得到，具体的， DY＝100(F’-F)/F，F’为当前内最大应力测点的应力，F为测点稳定初装力。

此监测参量数据处理方法按照煤体应力监测指标的数据处理方法，处 理锚杆锚索应力值大小指标和应力增幅预警指标，最后得到掘进工作面某 监测区锚杆锚索应力监测预警指标I₃。

例如，假设锚杆锚索应力值大小指标为0.4，应力增幅预警指标为0.5， 取a₃＝b₃＝0.5，则I₃＝a₃·0.4+b₃·0.5＝0.45。

4、对于步骤4中的综合预警指标，优选通过以下步骤获得：

I₀＝K₁I₁+K₂I₂+K₃I₃，

其中，I₀为动态演化区或蠕变隐患区的综合预警指标，I₁为该区对应 的煤体应力监测预警指标，K₁为该区对应的煤体应力监测预警指标权重系 数，I₂为该区对应的地音和微震监测预警指标，K₂为该区对应的地音和微 震监测预警指标权重系数，I₃为该区对应的锚杆锚索应力监测预警指标， K₃为该区对应的锚杆锚索应力监测预警指标权重系数；

根据掘进工作面不同分区内冲击地压发生机理的差异及顶板性质差 异，各权重系数取值如下表：

另外，由于监测现场环境复杂，可能存在某子监测系统无监测数据的 情况。

煤体应力监测系统监测数据缺失时，各权重系数取值如下表：

地音和微震监测系统监测数据缺失时，各权重系数取值如下表：

锚杆锚索应力监测系统监测数据缺失时，各权重系数取值如下表：

I₀计算完成后，对比危险性等级对照表(下表)，可得多参量综合监 测危险等级，整体运算流程图可参考图4。

根据以上实例，假设该工作面动态演化区顶板性质属于坚硬顶板，则：

I₀＝0.35·I₁+0.4·I₂+0.25·I₃＝0.35×0.54+0.4×0.38+0.25×0.45＝0.4535。

经对照，运用掘进工作面多参量综合监测预警方法，得到掘进面动态 演化区多参量综合危险等级I₀＝0.4535，属于弱冲击危险等级。

本发明中，为进一步增强监测预警结果的可靠性，步骤4之后还可以 包括：

步骤5：根据所得到的综合预警指标，实时判断巷道是否处于危险阶 段及危险程度，同时确定出现场需要钻屑法检验的危险区域，依据现场实 测钻屑指标对上述巷道的综合预警指标进行验证，最终确定现场危险特 征。

由此可以给出现场监测系统的具体输出参量及综合判别过程如图5所 示。本步骤5中，钻屑法为本领域中公知的监测方法，此处不再赘述。

综上，通过本发明方法，可以实现煤矿掘进作业中冲击危险性实时判 定、蠕变性冲击危险性判定、支护质量与围岩活动趋势评定、钻屑法实施 具体参数(时间间隔、钻孔间距和区域范围)的确定、巷道冲击危险区划 分。

(1)实时预警掘进工作面冲击危险性：通过监测到的围岩破裂变化 程度和趋势、围岩应力变化量和趋势、锚杆(索)支护力变化趋势给出各 自在监测位置的危险程度，耦合各参量后给出掘进中是否具有冲击危险 性。

(2)判定蠕变型冲击危险性：分析地音信号有效监测时间内频次和 平均能量、钻孔应力有效监测时间内应力增量、锚杆索应力变化量是否趋 于稳定，通过综合分析其各参量的危险程度及权重判断巷道是否会发生蠕 变型冲击。

(3)确定钻屑法实施的具体参量(时间间隔、钻孔间距和区域范围)： 通过综合判断巷道围岩的稳定性、煤岩体应力变化趋势和支护结构的稳定 性，初步划分巷道冲击危险区域和程度，根据此参数确定现场是否需要进 行煤粉钻检验以及检测参量。

(4)划分巷道冲击危险区：对比分析综合判定的掘进巷道冲击危险 性和煤粉钻检测值，最终划定巷道冲击危险区范围，为后期回采防冲提供 科学依据。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普 通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改 进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。