本發明專利技術涉及的一種煤巷掘進工作面瓦斯超限的智能預測系統及其預測方法，包括數據采集系統（單孔瓦斯精準計量和地應力隨鉆測量）、瓦斯濃度分析模塊、地應力分析模塊和瓦斯超限預警模塊；該方法通過實時獲取煤巷掘進工作面瓦斯濃度和隨鉆地應力數據，提取當前時刻瓦斯監測值M<subgt;t</subgt;與當前時刻之前T<subgt;1</subgt;、T<subgt;2</subgt;時間段的瓦斯監測數據和提取煤層頂板巖層地應力隨鉆監測數據；計算瓦斯監測指標N<subgt;t</subgt;、P<subgt;t</subgt;；計算地應力監測指標；當指標N<subgt;t</subgt;大于閾值N<subgt;0</subgt;時，瓦斯超限短期預警；當瓦斯監測數據M<subgt;t</subgt;大于閾值M<subgt;0</subgt;時或地應力監測數據Z大于閾值α<subgt;0</subgt;時，瓦斯超限緊急預警。本發明專利技術實現了煤巷掘進工作面瓦斯超限的動態智能預警，有效保證了煤礦的安全生產。
1、隨著煤炭資源的長期大規模開發，深度達到800m以深的深部開采已經成為煤炭資源開發新常態。受埋藏深度、高地應力、高地溫等因素共同影響，深部煤礦開采面臨瓦斯涌出量增多、瓦斯壓力加大、局部瓦斯突發異常涌出系列問題，直接導致礦井受瓦斯災害威脅加劇。煤礦瓦斯突出事故主要發生于煤巷掘進工作面。煤礦瓦斯超限是煤礦井下作業環境中瓦斯濃度超過規定安全限值的異常現象。瓦斯超限容易引發煤與瓦斯突出、瓦斯爆炸等災難性事故，因此避免井下瓦斯積聚或瓦斯超限是防治煤與瓦斯突出及瓦斯爆炸的關鍵環節，同時也是提供給工人良好作業環境的必要手段。為了預防此類事故發生，煤礦普遍裝備了安全監控系統，實現了井下重點區域環境瓦斯濃度的在線監測，以及瓦斯超限后的自動報警。
2、瓦斯超限防治是煤礦瓦斯災害防治的關鍵環節，而瓦斯災害影響因素眾多、致因復雜且易形成耦合災害，現有的瓦斯濃度監測設備與手段無法實現瓦斯災害精準預警，存在測量參數單一、測量不準確、響應不及時的問題。因此亟需一種結合各種瓦斯監測數據對工作面瓦斯超限進行智能預測的方法。
1、本專利技術的目的在于克服上述不足，提供一種煤巷掘進工作面瓦斯超限的智能預測系統及其預測方法，通過對抽采鉆孔高精度的低瓦斯流量監控數據與地應力隨鉆監測數據的智能分析，實現對煤礦掘進工作面瓦斯超限風險的非接觸式的連續智能預警，有利于煤礦瓦斯事故的超前防控。
>2、本專利技術的目的是這樣實現的：3、一種煤巷掘進工作面瓦斯超限的智能預測系統，它包括數據采集模塊、瓦斯濃度分析模塊、地應力分析模塊和瓦斯超限預警模塊，數據采集模塊收集工作面掘進過程中瓦斯抽采鉆孔單孔精準計量數據和地應力隨鉆測量數據；瓦斯濃度分析模塊和地應力分析模塊對所采集的瓦斯抽采鉆孔單孔精準計量數據和地應力隨鉆監測數據進行相應擬合分析，獲得瓦斯與地應力預警指標；瓦斯超限預警模塊根據擬合結果協同預警掘進過程中的瓦斯超限事故；
4、所述數據采集模塊用于采集監控數據，為其余模塊提供預警基礎數據；所述數據采集模塊主要包括單孔瓦斯精準計量儀和隨鉆地應力測量儀，并通過無線傳感器與對應的分析模塊相連接；
5、所述鉆機連接瓦斯超限預警模塊，所述瓦斯超限預警模塊分別連接地應力分析模塊和瓦斯濃度分析模塊，所述地應力分析模塊連接各個隨鉆地應力測量儀，所述瓦斯濃度分析模塊連接各個單孔瓦斯精準計量儀，由此在抽采瓦斯的同時實時獲取瓦斯單孔精準計量數據與地應力隨鉆測量數據；
6、預抽巷道即高巷道或底巷道，自預抽巷道的鉆場中使用鉆機向布置在煤層中的掘進巷道施工穿層鉆孔，當前掘進頭所在位置超前3個鉆場范圍內的所有穿層鉆孔均安裝單孔瓦斯精準計量儀和隨鉆地應力測量儀。
7、進一步地，所述瓦斯濃度分析模塊用于實時分析掘進巷道瓦斯濃度特征的變化情況，并對掘進巷道未來一段時間的瓦斯濃度序列進行預測，得到超低瓦斯濃度實時變化曲線、瓦斯濃度變化預測曲線以及未來瓦斯濃度可能出現的最大值，獲得瓦斯濃度的預測指標；
8、所述地應力分析模塊用于分析硬、軟巖地應力的變化情況，結合打鉆過程中的鉆機輸出能量、鉆屑量與鉆屑粒度分布，計算軟、硬巖的原位地應力大小，得到原位地應力變化曲線與預測曲線以及未來地應力可能出現的最大值，獲得隨鉆地應力的預測指標；
9、所述瓦斯超限預警模塊根據瓦斯濃度分析模塊和地應力分析模塊進行瓦斯超限風險判識，給出瓦斯超限風險大小的預警結果。
10、進一步地，所述穿層鉆孔的布孔位置為整個掘進巷道和待掘巷道，包括掘進巷道和待掘巷道的兩巷道輪廓線外側15?m內范圍。
11、進一步地，所述穿層鉆孔的布孔間距為2r，r為鉆孔抽采半徑。
12、進一步地，每隔4~6排穿層鉆孔布置一個鉆場，各鉆場之間的間距不超過10?m。
13、進一步地，所述單孔瓦斯精準計量儀設置在穿層鉆孔的中部，所述隨鉆地應力測量儀設置在煤層上。
14、一種煤巷掘進工作面瓦斯超限的智能預測方法，基于上述一種煤巷掘進工作面瓦斯超限的智能預測系統，包括以下內容：
15、步驟一、鉆孔采集數據；
16、在煤層預抽巷道施工穿層鉆孔，實時獲取整個掘進巷道內超前當前掘進機至少3個鉆場的單孔瓦斯數據和地應力監測數據，并收集鉆屑；
17、步驟二、提取瓦斯監測數據和地應力隨鉆監測數據；
18、提取當前時刻瓦斯監測值
m
t
與當前時刻之前
t1、
t2時間段的瓦斯監測數據，提取煤層頂板巖層地應力隨鉆監測數據；
19、步驟三、計算指標
n
t；
20、
指標n
t為當前時刻之前t1時間段的瓦斯監測數據的平均值，根據
t
1時間段的瓦斯監測數據，瓦斯濃度分析模塊計算指標
n
t；指標
n
t的計算方法為：
21、；
22、步驟四、計算指標
p
t和原位地應力
α
t；
23、根據
t
2時間段的瓦斯監測數據，瓦斯濃度分析模塊計算指標
p
t，指標
p
t為當前時刻之前
t
2時間段的瓦斯監測數據的平均值；指標
p
t計算方法為：
24、；
25、其中，
y
i為
t2時間段內不同時刻的工作面瓦斯監測數據；
v為工作面推進速度；
l為工作面推進距離；
26、根據
t
2時間段的地應力監測數據，通過地應力分析模塊計算原位地應力
α
t，并將上述指標數據發送至地面進行備份；原位地應力
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【技術保護點】
1.一種煤巷掘進工作面瓦斯超限的智能預測系統，其特征在于：它包括數據采集模塊、瓦斯濃度分析模塊（12）、地應力分析模塊（11）和瓦斯超限預警模塊（13），數據采集模塊收集工作面掘進過程中瓦斯抽采鉆孔單孔精準計量數據和地應力隨鉆測量數據；瓦斯濃度分析模塊（12）和地應力分析模塊（11）對所采集的瓦斯抽采鉆孔單孔精準計量數據和地應力隨鉆監測數據進行相應擬合分析，獲得瓦斯與地應力預警指標；瓦斯超限預警模塊（13）根據擬合結果協同預警掘進過程中的瓦斯超限事故；
2.根據權利要求1所述的一種煤巷掘進工作面瓦斯超限的智能預測系統，其特征在于：所述瓦斯濃度分析模塊（12）用于實時分析掘進巷道瓦斯濃度特征的變化情況，并對掘進巷道未來一段時間的瓦斯濃度序列進行預測，得到超低瓦斯濃度實時變化曲線、瓦斯濃度變化預測曲線以及未來瓦斯濃度可能出現的最大值，獲得瓦斯濃度的預測指標；
3.根據權利要求1所述的一種煤巷掘進工作面瓦斯超限的智能預測系統，其特征在于：所述穿層鉆孔（3）的布孔位置為整個掘進巷道（1）和待掘巷道（4），包括掘進巷道（1）和待掘巷道（4）的兩巷道輪廓線外側15?m內范圍。
4.根據權利要求3所述的一種煤巷掘進工作面瓦斯超限的智能預測系統，其特征在于：所述穿層鉆孔（3）的布孔間距為2R，R為鉆孔抽采半徑。
5.根據權利要求3所述的一種煤巷掘進工作面瓦斯超限的智能預測系統，其特征在于：每隔4~6排穿層鉆孔（3）布置一個鉆場（2），各鉆場（2）之間的間距不超過10?m。
6.根據權利要求3所述的一種煤巷掘進工作面瓦斯超限的智能預測系統，其特征在于：所述單孔瓦斯精準計量儀（8）設置在穿層鉆孔（3）的中部，所述隨鉆地應力測量儀（9）設置在煤層（7）上。
7.一種煤巷掘進工作面瓦斯超限的智能預測方法，基于上述權利要求1所述的一種煤巷掘進工作面瓦斯超限的智能預測系統，其特征在于，包括以下內容：
8.根據權利要求7所述的一種煤巷掘進工作面瓦斯超限的智能預測方法，其特征在于：時間段T1取15~20?min；時間段T2根據工作面推進速度進行確定。
9.根據權利要求7所述的一種煤巷掘進工作面瓦斯超限的智能預測方法，其特征在于：步驟五中若指標Nt大于N0，進行為期10~15?min的瓦斯超限短期預警；不斷重復此步驟，若連續累計2次及以上瓦斯超限短期預警，立即實施瓦斯電閉鎖操作；若當前瓦斯監測值Mt大于M0，則進行瓦斯超限緊急預警，立即實施瓦斯電閉鎖操作。
10.根據權利要求7所述的一種煤巷掘進工作面瓦斯超限的智能預測方法，其特征在于：單孔瓦斯精準計量數據獲取的瓦斯濃度區間為0~100%。
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【技術特征摘要】
1.一種煤巷掘進工作面瓦斯超限的智能預測系統，其特征在于：它包括數據采集模塊、瓦斯濃度分析模塊（12）、地應力分析模塊（11）和瓦斯超限預警模塊（13），數據采集模塊收集工作面掘進過程中瓦斯抽采鉆孔單孔精準計量數據和地應力隨鉆測量數據；瓦斯濃度分析模塊（12）和地應力分析模塊（11）對所采集的瓦斯抽采鉆孔單孔精準計量數據和地應力隨鉆監測數據進行相應擬合分析，獲得瓦斯與地應力預警指標；瓦斯超限預警模塊（13）根據擬合結果協同預警掘進過程中的瓦斯超限事故；
2.根據權利要求1所述的一種煤巷掘進工作面瓦斯超限的智能預測系統，其特征在于：所述瓦斯濃度分析模塊（12）用于實時分析掘進巷道瓦斯濃度特征的變化情況，并對掘進巷道未來一段時間的瓦斯濃度序列進行預測，得到超低瓦斯濃度實時變化曲線、瓦斯濃度變化預測曲線以及未來瓦斯濃度可能出現的最大值，獲得瓦斯濃度的預測指標；
3.根據權利要求1所述的一種煤巷掘進工作面瓦斯超限的智能預測系統，其特征在于：所述穿層鉆孔（3）的布孔位置為整個掘進巷道（1）和待掘巷道（4），包括掘進巷道（1）和待掘巷道（4）的兩巷道輪廓線外側15?m內范圍。
4.根據權利要求3所述的一種煤巷掘進工作面瓦斯超限的智能預測系統，其特征在于：所述穿層鉆孔（3）的布孔間距為2r，r為鉆孔抽采半徑。
【專利技術屬性】
技術研發人員：蔣靜宇，李希建，陳鋼，王成浩，雷楊，詹世玉，王振鋒，董曉斌，
申請(專利權)人：中國礦業大學，
類型：發明
國別省市：
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