瓦斯监测布置系统、瓦斯浓度分布特征获取方法及装置

摘要

本申请揭示了一种采煤工作面的瓦斯监测布置系统、瓦斯浓度分布特征获取方法及装置，该瓦斯监测布置系统，包括并排排布于采煤工作面的支架，所述支架中的m个选定支架上均各自设置有n个瓦斯传感器，各个选定支架在所述采煤工作面内由采空区至煤层剥落区方向延伸，同一个选定支架上的n个瓦斯传感器沿着所述选定支架的延伸方向间隔排布，m、n均大于或等于3。本申请通过在采煤工作面内选定m个选定支架，在每个选定支架上设置n个瓦斯传感器，从而形成了三维瓦斯浓度场，可以获知整个工作面的瓦斯浓度波动，明确工作面瓦斯浓度波动特征，提前判别瓦斯涌出异常现象，可以为瓦斯事故治理提供重要依据。

说明书

技术领域

本发明属于煤矿安全领域，尤其涉及一种采煤工作面瓦斯监测布置系统、瓦斯浓度分布特征获取方法及装置。

背景技术

煤矿瓦斯灾害是井工煤矿最普遍、最严重的灾害。我国煤矿因瓦斯事故造成的死亡人数，约占煤矿各种事故死亡总人数的30％，在煤矿重特大事故中，瓦斯事故占70％。

瓦斯浓度监测是瓦斯灾害治理的重要依据。目前瓦斯浓度监测是采取单点监测的方式，根据相关规定，在采煤工作面及其上隅角、回风巷、进风巷靠近工作面处、进风巷靠近分风口处各安装一个瓦斯传感器，回风巷长度大于1000m时回风巷中部安装一个瓦斯传感器。

通过监测工作面以上各个关键位置的瓦斯浓度，能够确保工作面瓦斯浓度一旦超过报警阈值就会自动报警，在一定程度上保证了工作面安全生产。但是工作面发生瓦斯事故时，瓦斯浓度典型的一个表征就是浓度上下大幅度波动，这种波动很可能是在安全阈值之下，而现有的瓦斯浓度的单点监测方式在工作面就安装了三个瓦斯传感器，只要各个单点瓦斯浓度未达到报警阈值，则说明整个工作面瓦斯浓度都是报警阈值之下，这时无法全面捕捉到这种波动现象。

发明内容

为了解决相关技术对瓦斯浓度进行单点监测时，无法全面捕捉采煤工作面瓦斯浓度波动的问题，本申请提供了一种采煤工作面的瓦斯监测布置系统、瓦斯浓度分布特征获取方法及装置。

第一方面，本申请提供了一种瓦斯监测布置系统，包括并排排布于采煤工作面的支架，所述支架中的m个选定支架上均各自设置有n个瓦斯传感器，各个选定支架在所述采煤工作面内由采空区至煤层剥落区方向延伸，同一个选定支架上的n个瓦斯传感器沿着所述选定支架的延伸方向间隔排布，m、n均大于或等于3。

可选的，所述n取值为3。

可选的，所述支架包括上隅角区域支架、中部区域支架以及下隅角区域支架，所述上隅角区域支架、所述中部区域支架以及所述下隅角区域支架中均包含有至少一个选定支架。

可选的，所述上隅角区域支梁位于上隅角区域，所述上隅角区域支架均为选定支架；

所述下隅角区域支架位于下隅角区域，所述下隅角区域支架均为选定支架；

所述中部区域支架位于所述上隅角区域和所述下隅角区域之间的中部区域，所述中部区域支架中部分支架为选定支架，所述中部区域中的各选定支架均匀间隔排布。

可选的，所述中部区域支架中选定支架的排布密度小于所述上隅角区域支架中选定支架的排布密度；和/或，所述中部区域支架中选定支架的排布密度小于所述下隅角区域支架中选定支架的排布密度。

可选的，所述瓦斯监测布置系统还包括监控设备，所述监控设备与各个瓦斯传感器电性连接，所述监控设备中存储各个瓦斯传感器的位置信息，并实时获取各个瓦斯传感强监测到的瓦斯浓度数据。

第二方面，本申请还提供了一种瓦斯浓度分布特征获取方法，所述方法采用如第一方面以及第一方面各种可选方式中提供的瓦斯监测布置系统，所述方法包括：

获取各个瓦斯传感器监测到的瓦斯浓度数据；

根据瓦斯传感器的位置信息以及瓦斯浓度数据，生成各个瓦斯传感器的数据信息，所述数据信息为三维数据，包括X方向位置、Y方向位置以及瓦斯浓度数据，所述X方向位置是指瓦斯传感器在选定支架中的横向位置排序，Y方向位置是指瓦斯传感器所在的选定支架的纵向位置排序，所述横向为从采空区至煤层剥落区的方向，所述纵向为从下隅角到上隅角方向；

利用生成的各个瓦斯传感器的数据信息进行插值运算，得到所述采煤工作面的瓦斯浓度分布。

可选的，所述利用生成的各个瓦斯传感器的数据信息进行插值运算，包括：

对上隅角区域中各选定支架上的瓦斯传感器的数据信息进行二维三次样条插值运算，得到上隅角区域瓦斯浓度分布；

对下隅角区域中各选定支架上的瓦斯传感器的数据信息进行二维三次样条插值运算，得到下隅角区域瓦斯浓度分布；

对中部区域中各选定支架上的瓦斯传感器的数据信息进行二维三次样条插值运算，得到中部区域瓦斯浓度分布；

将所述上隅角区域瓦斯浓度分布、所述中部区域瓦斯浓度分布以及所述下隅角区域瓦斯浓度分布进行组合，得到所述采煤工作面的瓦斯浓度分布。

可选的，所述利用生成的各个瓦斯传感器的数据信息进行插值运算，包括：

确定Y方向的插值区间，对于任一组X方向位置相同的数据信息进行一维三次样条插值，得到X方向位置相同的各组插值数据信息；

确定X方向的插值区间，以所述各组插值数据信息作为X方向插值节点进行线性插值，得到所述采煤工作面的瓦斯浓度分布。

第三方面，本申请还提供了一种瓦斯浓度分布特征获取装置，所述装置包括：

获取模块，被配置为获取各个瓦斯传感器监测到的瓦斯浓度数据；

生成模块，被配置为根据瓦斯传感器的位置信息以及所述获取模块获取到的瓦斯浓度数据，生成各个瓦斯传感器的数据信息，所述数据信息为三维数据，包括X方向位置、Y方向位置以及瓦斯浓度数据，所述X方向位置是指瓦斯传感器在选定支架中的横向位置，Y方向位置是指瓦斯传感器所在的选定支架的纵向位置；

插值运算模块，被配置为利用所述生成模块生成的各个瓦斯传感器的数据信息进行插值运算，得到所述采煤工作面的瓦斯浓度分布。

本申请提供的上述技术方案至少可以实现如下有益效果：

通过在采煤工作面内选定m个选定支架，在每个选定支架上设置n个瓦斯传感器，从而形成了三维瓦斯浓度场，可以获知整个工作面的瓦斯浓度波动，明确工作面瓦斯浓度波动特征，提前判别瓦斯涌出异常现象，可以为瓦斯事故治理提供重要依据。

应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性的，并不能限制本发明。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。

图1是本申请一个实施例中提供的采煤工作面中的瓦斯监测布置系统的俯视图；

图2是本申请一个实施例中提供的选定支架的侧视图；

图3是本申请一个实施例中提供的采煤工作面中的瓦斯浓度分布特征获取方法的流程图；

图4A是本申请一个实施例中提供的Y方向测线a数据插值过程的示意图；

图4B是本申请一个实施例中提供的Y方向数据插值结果的示意图；

图4C是本申请一个实施例中提供的X方向数据插值过程的示意图；

图4D是本申请一个实施例中提供的采煤工作面的瓦斯浓度分布的示意图；

图5是本申请一个实施例中瓦斯浓度分布特征获取装置的示意图。

具体实施方式

这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本发明相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本发明的一些方面相一致的装置和方法的例子。

由于目前采煤工作面瓦斯浓度的监测方式是单点监测，从单点的监测数据中，无法得到整个工作面瓦斯浓度的波动特征，而这种波动特征与瓦斯涌出规律存在紧密的关系，同时也无法获知工作面不同区域瓦斯浓度的差异性，使得工作面瓦斯治理不具备针对性。且在智能化矿山建设的背景下，要求井下环境能以云图的形式全方位展示，而以点带面的监测方式显然不能满足要求。针对于此，本申请提供了一种采煤工作面的瓦斯监测布置系统，瓦斯浓度分布特征获取方法及装置。

图1是本申请一个实施例中提供的采煤工作面中的瓦斯监测布置系统的俯视图，该瓦斯监测布置系统可以包括并排排布于采煤工作面的支架，支架中的m个选定支架上均各自设置有n个瓦斯传感器，各个选定支架在采煤工作面内由采空区至煤层剥落区方向延伸，同一个选定支架上的n个瓦斯传感器沿着选定支架的延伸方向间隔排布，m、n均大于或等于3。图1中每个选定支架上有3个瓦斯传感器。

一般来讲，矿井工作面中会设置进风巷、采煤工作面和回风巷，在采煤工作面和进风巷交接处为下隅角区域，在采煤工作面和回风巷交接处为上隅角区域，液压支架的一侧为采空区，另一侧为煤层剥落区。上隅角区域和下隅角区域之间的区域可以称为中部区域。

采煤工作面内会设置并排排布的支架，这些支架下方形成隧道空间。本申请中，请参见图1所示，将位于上隅角区域的支架10称为上隅角区域支架，将位于下隅角区域的支架30称为下隅角区域支架，将位于中部区域的支架20称为中部区域支架。

上隅角区域支架、中部区域支架以及下隅角区域支架中均包含有至少一个选定支架。

为了便于描述，本申请中将各个选定支架中排序相同的瓦斯传感器所在的线称为测线，比如，每个选定支架中的第1个瓦斯传感器所在的线称为测线1，每个选定支架中的第2个瓦斯传感器所在的线称为测线2，依次类推，每个选定支架中的第i个瓦斯传感器所在的线称为测线i。

在一种可能的实现方式中，n取值为3时，整个瓦斯监测布置系统可以形成三条测线，比如图2中的测线a、测线c以及测线b。如果从选定支架从采空区至煤炭剥落层的方向(即X方向)，则较靠近于采空区的测线a为测线1，向X方向的下一个测线c为测线2，较靠近于煤炭剥落层的测线b为测线3。

本申请申请人经过大量实验对上隅角区域、中间区域以及下隅角区域的瓦斯浓度进行统计，每个选定支架上有3个瓦斯传感器为实验基准，统计监测结果如下：

(1)下隅角区域：

下隅角区域且在测线a上的瓦斯传感器的检测数据，见下表1；下隅角区域且在测线c上的瓦斯传感器的检测数据，见下表2；下隅角区域且在测线b上的瓦斯传感器的检测数据，见下表3。

表1

表2

表3

由表1/2/3可知，在下隅角区域瓦斯浓度范围为0.04～0.06，说明在正常通风条件下，下隅角区域积聚瓦斯很少。

(2)中部区域：

中部区域支架共有168架(实验场景中)，通过检测，在正常通风条件下，瓦斯浓度全部为0。

(3)上隅角区域：

上隅角区域且在测线a上的瓦斯传感器的检测数据，见下表4；上隅角区域且在测线c上的瓦斯传感器的检测数据，见下表5；上隅角区域且在测线b上的瓦斯传感器的检测数据，见下表6。

表4

表5

表6

由表4/5/6可知，①越靠近上隅角，测线a、测线c、测线b的瓦斯浓度越大，在上隅角处瓦斯浓度最大，说明了上隅角瓦斯浓度代表了工作面瓦斯浓度最高值；②测线a的瓦斯浓度＞测线c瓦斯浓度＞测线b瓦斯浓度。

以上瓦斯浓度的检测结果仅仅代表了该矿瓦斯浓度存在状态，由于瓦斯浓度除了受煤层瓦斯含量、瓦斯解吸量、地应力以及煤的物理力学性质影响外，还受到瓦斯防治措施的影响，该矿中部支架区域瓦斯浓度为0不代表所有高瓦斯矿中部支架区域瓦斯浓度为0，但是通过检测可获知工作面瓦斯浓度分布特征：上隅角区域瓦斯浓度＞下隅角区域瓦斯浓度＞中部区域瓦斯浓度，测线a的瓦斯浓度＞测线c瓦斯浓度＞测线b瓦斯浓度。

因此，本申请中在设计瓦斯监测布置系统时，将位于上隅角区域内的上隅角区域支架均作为选定支架，也即上隅角区域内的各个支架上均设置瓦斯传感器。

类似的，将下隅角区域内的下隅角区域支架也均作为选定支架，也即上隅角区域内的各个支架上均设置瓦斯传感器。

中部区域支架位于上隅角区域和下隅角区域之间的中部区域，将中部区域支架中部分支架为选定支架，中部区域中的各选定支架均匀间隔排布。

考虑到中部区域瓦斯含量较少，且中部区域过长，监测点太少插值结果误差很大，在本申请中，中部区域支架中选定支架的排布密度小于上隅角区域支架中选定支架的排布密度；和/或，中部区域支架中选定支架的排布密度小于下隅角区域支架中选定支架的排布密度。

可选的，上隅角区域支架以及下隅角区域支架均作为选定支架，而中部区域支架可以划分为若干个区域，每个区域选取一个支架作为选定支架，这样，中部区域支架中的选定支架之间的间隔较大，而上隅角区域中的选定支架之间的间隔较小，且下隅角区域中的选定支架之间的间隔也均较小。

在实际应用中，可以将中部区域均等划分为若干个区域，每个区域的中部选取一个选定支架，在该选定支架上间隔排布n个瓦斯传感器。这里的若干个可以取值为3个、4个、5个等，具体取值可以根据中部区域的长度来设定。当中部区域划分为5个区域时，仍旧参见图1，可以在每个区域选取一个支架作为选定支架，此时中部区域则共计有5个选定支架，每个选定支架上设置n个瓦斯传感器时，中部区域则共计设置5n个瓦斯传感器，当n取值为3时，中部区域的选定支架共计15个。

每个选定支架中从煤层剥落层至采空区的第i个瓦斯传感器位于第i个测线上，由于每个选定支架上有n个瓦斯传感器，因此，本申请提供的瓦斯监测布置系统可以包括n个测线，同一个选定支架上的n个瓦斯传感器分别依次位于不同的n个测线上。

以n取值为3为例，请参见图2所示，其是本申请一个实施例中提供的选定支架的侧视图，在图2中，一个选定支架上间隔排布了3个瓦斯传感器。选定支架上最靠近采空区的一个瓦斯传感器位于第1个测线上，选定支架上中间的一个瓦斯传感器位于第2个测线上，选定支架上最靠近煤层剥落层的一个瓦斯传感器位于第3个测线上。

原则上，可以根据支架的延伸长度以及采煤工作面的情况设置n的取值，本申请中优选的将n取值为3，但实际应用中，n也可以取值为4、5、6、7等，n的取值只要能够实现在支架延伸方向上的插值运算，均应当落入本申请的保护范围。

在实际应用中，为了获取并监测对采煤工作面中瓦斯浓度的分布特征，瓦斯监测布置系统还可以包括监控设备，监控设备与各个瓦斯传感器电性连接，监控设备中存储各个瓦斯传感器的位置信息，并实时获取各个瓦斯传感强感应到的瓦斯浓度数据。

这里所讲的监控设备可以为具备计算能力的计算器或服务器等，监控设备可以具备存储单元，以用于存储各个瓦斯传感器的位置信息，可选的，每个瓦斯传感器均具有唯一标识码，以用于唯一识别瓦斯传感器，在存储单元中，瓦斯传感器的唯一标识码与该瓦斯传感器的位置信息作为一组对应关系进行存储，以便监控设备的计算单元能够获取各个瓦斯传感器的位置信息。

在另一种可能的实现方式中，瓦斯监测布置系统还可以包括存储器，该存储器与监控设备电性连接，存储器用于存储各个瓦斯传感器的位置信息，一种实现中，存储器中将瓦斯传感器的唯一标识码以及该瓦斯传感器的位置信息作为一组对应关系进行存储，监控设备根据瓦斯传感器的唯一标识码至存储器中进行索引，以查找到与该唯一标识码对应的位置信息。另一种实现中，存储器中存储各个瓦斯传感器的位置信息，监控设备根据每个瓦斯传感器位置信息的存储地址对存储器进行索引，以查找到各个瓦斯传感器的位置信息。

基于上述瓦斯监测布置系统，本申请还提供了一种瓦斯浓度分布特征获取方法，该方法采用如上述提供的瓦斯监测布置系统，请参见图3所示，其是本申请一个实施例中提供的采煤工作面中的瓦斯浓度分布特征获取方法的流程图，该方法可以包括如下步骤：

步骤S1，获取各个瓦斯传感器监测到的瓦斯浓度数据；

步骤S2，根据瓦斯传感器的位置信息以及瓦斯浓度数据，生成各个瓦斯传感器的数据信息，数据信息为三维数据，包括X方向位置、Y方向位置以及瓦斯浓度数据，X方向位置是指瓦斯传感器在选定支架中的横向位置排序，即从采空区至煤层剥落区方向，Y方向位置是指瓦斯传感器所在的选定支架的纵向位置排序，即从下隅角到上隅角方向；

以上述的测线为例，每条测线均沿Y方向延伸，X方向和Y方向是相互垂直的水平面上的两个方向。

步骤S3，利用生成的各个瓦斯传感器的数据信息进行插值运算，得到采煤工作面的瓦斯浓度分布。

步骤S3在实际插值运算时可以通过不同的方式，本申请提供了两种方式：

第一种方式，在利用生成的各个瓦斯传感器的数据信息进行插值运算时，可以包括如下步骤：

步骤S3a1，对上隅角区域中各选定支架上的瓦斯传感器的数据信息进行二维三次样条插值运算，得到上隅角区域瓦斯浓度分布；

步骤S3a2，对下隅角区域中各选定支架上的瓦斯传感器的数据信息进行二维三次样条插值运算，得到下隅角区域瓦斯浓度分布；

步骤S3a3，对中部区域中各选定支架上的瓦斯传感器的数据信息进行二维三次样条插值运算，得到中部区域瓦斯浓度分布；

步骤S3a4，将上隅角区域瓦斯浓度分布、中部区域瓦斯浓度分布以及下隅角区域瓦斯浓度分布进行组合，得到采煤工作面的瓦斯浓度分布。

这样，通过对不同区域的瓦斯传感器的数据信息进行二维插值，使得采煤工作面的瓦斯浓度分布更平滑，更能真实地反映出瓦斯浓度的分布情况。

第二种方式中，在利用生成的各个瓦斯传感器的数据信息进行插值运算时，可以包括如下步骤：

步骤S3b1，确定Y方向的插值区间，对于任一组x方向位置相同的数据信息进行一维三次样条插值，得到X方向位置相同的各组插值数据信息；

具体实施步骤如下：

1)Y方向数据集生成

(1)确定插值区间

以采煤工作面倾向长度作为插值区间，则差值区间(0，m]，m为工作面倾向长度。

(2)确定节点

根据监测方案，采煤工作面一共有i条测线，i条测线分别记录各自处理，m代表共有m个选定支架。

测线1：(x

测线2：(x

…

测线i：(x

…

测线n：(x

其中，(x

(3)利用MATLAN实现插值拟合

以上面监测数据为节点，利用三次样条插值分别处理上隅角区域的选定支架，中部区域的选定支架和下隅角区域的选定支架的数据，以测线a进行说明，如图4A所示，a代表测线a，i代表上隅角区域的选定支架有i个，中部区域支架的选定支架有j个，m代表共有m个选定支架。

则，上隅角区域的选定支架上在测线a上的瓦斯传感器的数据信息为：{(x

按照同样方法处理测线b和测线c的数据，得到测线b的数据集b和测线c的数据集c，{数据集a，数据集b，数据集c}＝Y方向的数据集，插值结果如图4B所示。

步骤S3b2，确定X方向的插值区间，以各组插值数据信息作为X方向插值节点进行线性插值，得到采煤工作面的瓦斯浓度分布。

2)X方向数据集生成

(1)插值区间

以相邻两条测线的距离s作为插值距离，则插值区间(0，s]，以Y方向数值插值后的数据集作为X方向插值节点。

(2)插值节点

{(x

仍旧以测线a、测线c和测线b为例，上述在Y方向插值轴的插值节点则为：

{(x

(3)利用MATLAN实现插值拟合

由于每组数据仅含有三个测点，考虑插值准确性，采用线性插值的方法得到X方向数据集。Y方向插值后，从上隅角到下隅角共有t组数据组，经过线性插值处理后，得到t组数据集，如图4C所示。

以Y方向数据插值得到的数据集为插值节点，在X方向进行插值，得到了采煤工作面瓦斯浓度数字场，如图4D所示。

对应于上述瓦斯监测布置系统以及瓦斯浓度分布特征获取方法，本申请还提供了一种瓦斯浓度分布特征获取装置，请参见图5所示，该装置可以包括：获取模块510、生成模块520和插值运算模块530。

获取模块510，被配置为获取各个瓦斯传感器监测到的瓦斯浓度数据；

生成模块520，被配置为根据瓦斯传感器的位置信息以及获取模块510获取到的瓦斯浓度数据，生成各个瓦斯传感器的数据信息，数据信息为三维数据，包括X方向位置、Y方向位置以及瓦斯浓度数据，X方向位置是指瓦斯传感器在选定支架中的位置，即从采空区至煤层剥落区方向，Y方向位置是指瓦斯传感器所在的选定支架的位置，即从下隅角到上隅角方向；

插值运算模块530，被配置为利用生成模块520生成的各个瓦斯传感器的数据信息进行插值运算，得到采煤工作面的瓦斯浓度分布。

在一种可能的实现方式中，插值运算模块530还被配置为对上隅角区域中各选定支架上的瓦斯传感器的数据信息进行二维三次样条插值运算，得到上隅角区域瓦斯浓度分布；对下隅角区域中各选定支架上的瓦斯传感器的数据信息进行二维三次样条插值运算，得到下隅角区域瓦斯浓度分布；对中部区域中各选定支架上的瓦斯传感器的数据信息进行二维三次样条插值运算，得到中部区域瓦斯浓度分布；将所述上隅角区域瓦斯浓度分布、所述中部区域瓦斯浓度分布以及所述下隅角区域瓦斯浓度分布进行组合，得到所述采煤工作面的瓦斯浓度分布。

在另一种可能的实现方式中，插值运算模块530还被配置确定Y方向的插值区间，对于任一组X方向位置相同的数据信息进行一维三次样条插值，得到X方向位置相同的各组插值数据信息；确定X方向的插值区间，以所述各组插值数据信息作为X方向插值节点进行线性插值，得到所述采煤工作面的瓦斯浓度分布。

本申请提供的上述各技术方案至少可以实现如下有益效果：

通过在采煤工作面内选定m个选定支架，在每个选定支架上设置n个瓦斯传感器，从而形成了三维瓦斯浓度场，可以获知整个工作面的瓦斯浓度波动，明确工作面瓦斯浓度波动特征以及不同区域瓦斯浓度的差异提前判别瓦斯涌出异常现象，可以为瓦斯事故治理提供重要依据。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里发明的发明后，将容易想到本发明的其它实施方案。本申请旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本发明的一般性原理并包括本发明未发明的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本发明的真正范围和精神由下面的权利要求指出。

应当理解的是，本发明并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本发明的范围仅由所附的权利要求来限制。