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专利名称：基于煤层瓦斯含量分级分析的高瓦斯矿井区域防突方法

专利类型：发明专利

专利申请号：CN202111568187.1

专利申请（专利权）人：山西潞安环保能源开发股份有限公司,中煤科工集团重庆研究院有限公司
权利人地址：山西省长治市城北东街65号

专利发明（设计）人：白志鹏,樊正兴,赵锦刚,唐兵,赵文才,秦贵成,姚理忠,宋丽强,李超,田新亮,刘晴

专利摘要：本发明公开了基于煤层瓦斯含量分级分析的高瓦斯矿井区域防突方法，涉及煤矿开采技术领域，其技术方案要点是：建立依据瓦斯含量进行分区分级防突处理的多个标准临界值；获取目标区域的煤层瓦斯含量信息、煤层埋深信息和煤层坚固性系数；监测目标区域中地质条件发生异常情况的异常变化量，并根据异常变化量以及相应地质构造的发育程度综合分析得到修正因子；根据修正因子对标准临界值进行修正处理，得到实际临界值；根据煤层埋深信息、煤层坚固性系数以及实际临界值从数据库中匹配得到防突策略，以防突策略对目标区域进行防突处理。本发明能够的从预构建的数据库中快速匹配防突策略，利于快速展开高瓦斯矿井区域防突处置工作。

主权利要求：
1.基于煤层瓦斯含量分级分析的高瓦斯矿井区域防突方法，其特征是，包括以下步骤：建立依据瓦斯含量进行分区分级防突处理的多个标准临界值；
获取目标区域的煤层瓦斯含量信息、煤层埋深信息和煤层坚固性系数；
监测目标区域中地质条件发生异常情况的异常变化量，并根据异常变化量以及相应地质构造的发育程度综合分析得到修正因子；
根据修正因子对标准临界值进行修正处理，得到实际临界值；
根据煤层埋深信息、煤层坚固性系数以及实际临界值从数据库中匹配得到防突策略，以防突策略对目标区域进行防突处理；
所述异常情况包括断层、褶皱、软分层厚度中任意组合；
所述修正因子的分析获得过程具体为：
根据异常情况的类型数量为各个异常分配权重系数；
根据转换系数将异常变化量转换成对应的异常标准量；
根据权重系数、异常标准量和表征发育程度的程度系数进行权重计算，得到修正因子；
3 3
所述标准临界值包括瓦斯含量为16m/t的第一临界值以及瓦斯含量为8m/t的第二临界值；
3
若所述目标区域为构造区域，则标准临界值采用瓦斯含量为6m/t的第三临界值；
所述修正因子的计算公式具体为：
H＝α1Δn1k1logm(mη1+p1)+…+αiΔnikilogm(mηi+pi)其中，H表示修正因子；α1、αi分别表示第1类、第i类异常情况的权重系数；Δn1、Δni分别表示第1类、第i类异常情况的异常变化量；k1、ki分别表示第1类、第i类异常情况的转换系数；m为常数，取值范围为[2,10]；η1、ηi分别表示第1类、第i类异常情况的程度系数，取值范围为(0,1)；p1、pi均为常数，取值范围为[1,m)；
若所述修正因子的值大于1，则对标准临界值调高修正；若所述修正因子的值小于1，则对标准临界值降低修正；
所述防突策略依据煤层埋深信息的分层结构进行匹配，分层结构包括埋深大于500m煤层和埋深小于500m煤层；
所述防突策略依据煤层坚固性系数的分布区间进行匹配，分布区间根据0.3、0.5、0.8三个分界值进行划分；
所述防突策略还根据煤巷区域和采面区域进行划分。 说明书 : 基于煤层瓦斯含量分级分析的高瓦斯矿井区域防突方法技术领域[0001] 本发明涉及煤矿开采技术领域，更具体地说，它涉及基于煤层瓦斯含量分级分析的高瓦斯矿井区域防突方法。背景技术[0002] 煤矿采掘作业中充满着瓦斯，直接威胁到煤矿安全生产，瓦斯防治不但是煤矿安全生产的主要任务，也是影响煤矿企业安全管理的主要因素。现阶段各煤矿企业不断投入各式高强度开采装备，加大煤矿开采力度，做好煤矿瓦斯治理防止出现煤矿瓦斯突出事故已成为现阶段企业需要重点关注的问题。[0003] 目前，现有技术中已有对地质构造带进行分级，对不同等级地质构造采用不同的管理措施，由于地质构造的复杂性，在采用不同的管理措施时需要考虑多种因素，例如煤层瓦斯含量、煤层深度、煤层坚固性等多方面因素，这就导致针对不同的实际情况，可能采取的措施不一样。现有的高瓦斯矿井区域防突策略形成时，一般依赖专业人员的经验和查询大量标准文献，存在工作量大、防突策略形成的及时性较差、对于专业技能知识要求较高，不利于快速展开高瓦斯矿井区域防突处置工作。[0004] 因此，如何研究设计一种能够克服上述缺陷的基于煤层瓦斯含量分级分析的高瓦斯矿井区域防突方法是我们目前急需解决的问题。发明内容[0005] 为解决现有技术中的不足，本发明的目的是提供基于煤层瓦斯含量分级分析的高瓦斯矿井区域防突方法，通过对瓦斯含量进行实时监测分析，并结合煤层埋深信息、煤层坚固性系数、地质构造的发育程度等多方面因素能够的从预构建的数据库中匹配防突策略，不依赖专业人员的经验和标准文献查询，防突策略形成的及时性强，对于专业技能知识要求较低，利于快速展开高瓦斯矿井区域防突处置工作。[0006] 本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：基于煤层瓦斯含量分级分析的高瓦斯矿井区域防突方法，包括以下步骤：[0007] 建立依据瓦斯含量进行分区分级防突处理的多个标准临界值；[0008] 获取目标区域的煤层瓦斯含量信息、煤层埋深信息和煤层坚固性系数；[0009] 监测目标区域中地质条件发生异常情况的异常变化量，并根据异常变化量以及相应地质构造的发育程度综合分析得到修正因子；[0010] 根据修正因子对标准临界值进行修正处理，得到实际临界值；[0011] 根据煤层埋深信息、煤层坚固性系数以及实际临界值从数据库中匹配得到防突策略，以防突策略对目标区域进行防突处理。[0012] 进一步的，所述标准临界值包括瓦斯含量为16m3/t的第一临界值以及瓦斯含量为38m/t的第二临界值。[0013] 进一步的，若所述目标区域为构造区域，则标准临界值采用瓦斯含量为6m3/t的第三临界值。[0014] 进一步的，所述异常情况包括断层、褶皱、软分层厚度中任意组合。[0015] 进一步的，所述修正因子的分析获得过程具体为：[0016] 根据异常情况的类型数量为各个异常分配权重系数；[0017] 根据转换系数将异常变化量转换成对应的异常标准量；[0018] 根据权重系数、异常标准量和表征发育程度的程度系数进行权重计算，得到修正因子。[0019] 进一步的，所述修正因子的计算公式具体为：[0020] H＝α1Δn1k1logm(mη1+p1)+…+αiΔnikilogm(mηi+pi)[0021] 其中，H表示修正因子；α1、αi分别表示第1类、第i类异常情况的权重系数；Δn1、Δni分别表示第1类、第i类异常情况的异常变化量；k1、ki分别表示第1类、第i类异常情况的转换系数；m为常数，取值范围为[2,10]；η1、ηi分别表示第1类、第i类异常情况的程度系数，取值范围为(0,1)；p1、pi均为常数，取值范围为[1,m)。[0022] 进一步的，若所述修正因子的值大于1，则对标准临界值调高修正；若所述修正因子的值小于1，则对标准临界值降低修正。[0023] 进一步的，所述防突策略依据煤层埋深信息的分层结构进行匹配，分层结构包括埋深大于500m煤层和埋深小于500m煤层。[0024] 进一步的，所述防突策略依据煤层坚固性系数的分布区间进行匹配，分布区间根据0.3、0.5、0.8三个分界值进行划分。[0025] 进一步的，所述防突策略还根据煤巷区域和采面区域进行划分。[0026] 与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：[0027] 1、本发明提出的基于煤层瓦斯含量分级分析的高瓦斯矿井区域防突方法，通过对瓦斯含量进行实时监测分析，并结合煤层埋深信息、煤层坚固性系数、地质构造的发育程度等多方面因素能够的从预构建的数据库中匹配防突策略，不依赖专业人员的经验和标准文献查询，防突策略形成的及时性强，对于专业技能知识要求较低，利于快速展开高瓦斯矿井区域防突处置工作；[0028] 2、本发明通过转换系数将异常变化量转换成对应的异常标准量，且动态模拟了不同异常情况的发育程度对标准临界值的修正因素，同一标准量后经过权重计算的修正因子更加符合实际影响情况，实现了标准临界值的动态调整，利于防突策略精准匹配。附图说明[0029] 此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：[0030] 图1是本发明实施例中的流程图；[0031] 图2是本发明实施例中不同瓦斯含量区域瓦斯治理措施的示意图。具体实施方式[0032] 为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。[0033] 需说明的是，当部件被称为“固定于”或“设置于”另一个部件，它可以直接在另一个部件上或者间接在该另一个部件上。当一个部件被称为是“连接于”另一个部件，它可以是直接或者间接连接至该另一个部件上。[0034] 需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。[0035] 此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。[0036] 实施例1：基于煤层瓦斯含量分级分析的高瓦斯矿井区域防突方法，如图1所示，具体由以下步骤实现。[0037] 步骤一、建立依据瓦斯含量进行分区分级防突处理的多个标准临界值。[0038] 标准临界值包括瓦斯含量为16m3/t的第一临界值以及瓦斯含量为8m3/t的第二临3界值。若所述目标区域为构造区域，则标准临界值采用瓦斯含量为6m/t的第三临界值。[0039] 步骤二、获取目标区域的煤层瓦斯含量信息、煤层埋深信息和煤层坚固性系数。[0040] 步骤三、监测目标区域中地质条件发生异常情况的异常变化量，并根据异常变化量以及相应地质构造的发育程度综合分析得到修正因子。[0041] 需要说明的是，异常情况包括但不限于断层、褶皱、软分层。[0042] 修正因子的分析获得过程具体为：根据异常情况的类型数量为各个异常分配权重系数；根据转换系数将异常变化量转换成对应的异常标准量；根据权重系数、异常标准量和表征发育程度的程度系数进行权重计算，得到修正因子。[0043] 修正因子的计算公式具体为：[0044] H＝α1Δn1k1logm(mη1+p1)+…+αiΔnikilogm(mηi+pi)[0045] 其中，H表示修正因子；α1、αi分别表示第1类、第i类异常情况的权重系数；Δn1、Δni分别表示第1类、第i类异常情况的异常变化量；k1、ki分别表示第1类、第i类异常情况的转换系数；m为常数，取值范围为[2,10]；η1、ηi分别表示第1类、第i类异常情况的程度系数，取值范围为(0,1)；p1、pi均为常数，取值范围为[1,m)。[0046] 步骤四、根据修正因子对标准临界值进行修正处理，得到实际临界值。[0047] 若所述修正因子的值大于1，则对标准临界值调高修正；若所述修正因子的值小于1，则对标准临界值降低修正。[0048] 步骤五、根据煤层埋深信息、煤层坚固性系数以及实际临界值从数据库中匹配得到防突策略，以防突策略对目标区域进行防突处理。[0049] 防突策略依据煤层埋深信息的分层结构进行匹配，分层结构包括埋深大于500m煤层和埋深小于500m煤层。[0050] 防突策略依据煤层坚固性系数的分布区间进行匹配，分布区间根据0.3、0.5、0.8三个分界值进行划分。[0051] 此外，防突策略还根据煤巷区域和采面区域进行划分。[0052] 以潞安矿区为例进行说明，根据潞安矿区主体矿井的地理和地质构造分布情况，潞安矿区整体上由北向南被文王山、西魏、藕泽和山北四条正断层划分为四个地质单元，自北向南依次为第Ⅰ地质单元、第Ⅱ地质单元、第Ⅲ地质单元和第Ⅳ地质单元。[0053] 1、煤层瓦斯含量W≥16m3/t区域[0054] 如图2所示，例如在第Ⅰ地质单元煤层埋深大于641.9m、第Ⅱ地质单元煤层埋深大于595.8m、第Ⅲ地质单元煤层埋深大于611.6m、第Ⅳ地质单元煤层埋深大于574.1m的区域，3煤层瓦斯含量均将超过16m/t。开采范围内煤层坚固性系数小于0.3的；或煤层坚固性系数为0.3～0.5，且埋深大于500m的；或煤层坚固性系数为0.5～0.8，且埋深大于600m的；或煤层埋深大于700m的；或煤巷条带位于开采应力集中区的突出煤层，不得将在本巷道施工顺煤层钻孔预抽煤巷条带瓦斯作为区域防突措施。潞安矿区各地质单元主采煤层坚固性系数3平均值普遍都在0.5以下，煤层瓦斯含量大于16m/t的区域埋深均超过了500m，因此不能将顺层钻孔预抽煤巷条带煤层瓦斯作为区域防突措施。[0055] 上述煤层瓦斯含量W≥16m3/t区域的区域匹配的防突策略为：采取地面先施工钻3井抽采瓦斯，待煤层瓦斯含量降至16m /t以下。然后，在煤层底板岩层中布置底抽巷，从底抽巷施工穿层钻孔，预抽煤层巷道条带瓦斯，消除煤巷掘进工作面突出危险。回采工作面采用顺层钻孔预抽回采区煤层瓦斯。[0056] 地面井提前预抽，地面钻井间距暂定为300m×300m。根据煤层瓦斯含量的高低，地面井预抽时间在2～6年不等。[0057] 底板岩巷穿层钻孔预抽煤巷条带煤层瓦斯。根据矿区内岩巷掘进和维护情况，在#距3煤层垂距12m的底板岩层中掘进断面为5.2m×4.2m的岩石巷道，巷道掘进较容易且稳定性好。将底板巷布置在距煤层垂距12m的底板岩层中，内错顺槽布置，距顺槽水平距离为20m，通过底板巷向煤巷条带煤层施工穿层钻孔。[0058] 在矿区内大部分区域为近水平煤层，底板岩巷穿层钻孔控制煤巷两侧轮廓线外不小于15m。在底抽巷内每隔10m布置一组穿层钻孔，一组钻孔共9个。钻孔开孔在垂直巷道走向方向成2排，排间距5m，开孔高度1.2m，开孔位置间距1.6m；终孔分成2排，各排钻孔终孔位置在巷道走向方向距离5m，垂直于巷道走向方向距离5m。[0059] 回采工作面采用顺层钻孔预抽回采区煤层瓦斯。通过施工本煤层顺层钻孔进行预抽，煤层瓦斯降至目标瓦斯含量(一般指抽采达标要求的瓦斯含量)后，在回采期间结合边采边抽，进一步降低煤层瓦斯含量，减少工作面瓦斯涌出量。从回采工作面两侧顺槽分别向工作面方向施工双向顺层钻孔，不同向的两类钻孔在工作面中部重叠10m，根据目前主体矿井回采工作面长度情况，回采工作面长度一般在200～300m之间，钻孔长度设计105～155m。顺层钻孔分两排，采用立体交叉布置，即上排孔与顺槽成85°夹角布置，下排孔与顺槽成75°夹角布置，排间距0.4m，上、下排钻孔在水平方向交替布置。钻孔间距暂定2.5m。[0060] 2、煤层瓦斯含量(构造区域6m3/t)8m3/t≤W＜16m3/t区域[0061] 如图2所示，例如在第Ⅰ地质单元煤层埋深451.4～641.9m、第Ⅱ地质单元煤层埋深462.5～595.8m、第Ⅲ地质单元煤层埋深211.6～611.6m、第Ⅳ地质单元煤层埋深277.9～3574.1m的区域，煤层瓦斯含量在8～16m/t之间。潞安矿区各地质单元主采煤层坚固性系数平均值普遍都在0.5以下，埋深超过500m或者煤层坚固性系数小于0.3的区域，不能将在本巷道施工顺煤层钻孔预抽煤巷条带瓦斯作为区域防突措施。[0062] 煤层瓦斯含量(构造区域6m3/t)8m3/t≤W＜16m3/t区域的区域防突策略为：埋深大于500m或煤层坚固性系数小于0.3时，煤巷掘进工作面若存在邻近已掘巷道，则通过在邻近巷道向掘进工作面侧施工顺层钻孔进行区段预抽，钻孔覆盖巷道轮廓线两侧不小于15m范围煤体，以掩护巷道安全掘进。若不存在上述已掘邻近巷道，煤巷掘进工作面瓦斯治理措施3同煤层瓦斯含量W≥16m/t区域一样，在煤层底板岩层中布置底抽巷，从底抽巷施工穿层钻孔，预抽煤层煤巷条带瓦斯，消除突出危险。回采工作面区域防突措施同煤层瓦斯含量W≥316m/t区域一样，采用顺层钻孔预抽回采区煤层瓦斯。埋深小于500m时，煤巷掘进工作面采用顺煤层钻孔进行条带预抽，迎头钻孔长度根据目前各矿井的普通钻机施工情况暂定为150或160m，钻孔分上下两排，上排4个、下排5个，两排钻孔开口位置距底板高度分别为1.4m、2.2m，左右两边第1、2个钻孔与巷道中线夹角分别为2°和1°，其余中间钻孔垂直巷道断面施工，所有钻孔仰角均为“煤层倾角+1～2°”，钻孔直径均为Φ94mm；在巷道两帮呈迈步式布置钻。ゲ嘧瓿〖渚100m，两侧钻场间距50m，钻场断面尺寸：宽6.0m、深4.3m、与巷道等高，钻场施工完毕后立即施工钻孔，每个钻场布置6个钻孔，即在钻场内向巷道掘进方向呈双排三花布置钻孔，两排钻孔开口位置距底板高度分别为1.4m和2.2m，钻孔仰角为“煤层倾角+1～2°”，钻孔长度同迎头钻孔，控制巷道两帮外侧15m范围。钻孔施工完毕后对煤层瓦3斯进行预抽，预抽至煤层瓦斯含量小于8m/t时，允许掘进100m，即预留50～60m钻孔超前距离。在煤层钻孔成孔较好的区域，应采用定向钻进工艺施工定向长钻孔对煤巷条带瓦斯进行预抽，钻孔应当控制煤巷条带煤层前方长度不小于300m和煤巷两侧轮廓线外15m范围，消3除突出危险，提高掘进效率。回采工作面区域防突措施仍同煤层瓦斯含量W≥16m/t区域一样，采用顺层钻孔预抽回采区煤层瓦斯。定向长钻孔预抽煤巷条带煤层瓦斯和顺层钻孔预抽回采区煤层瓦斯。[0063] 3、煤层瓦斯含量W＜8m3/t(构造区域6m3/t)区域[0064] 如图2所示，煤层瓦斯含量小于8m3/t(构造影响区煤层瓦斯含量小于6m3/t)的区域，不属于突出危险区。为了降低工作面的瓦斯涌出量，掘进工作面可采取顺煤层钻孔预抽煤巷条带煤层瓦斯，回采工作面可采用顺层钻孔预抽回采区煤层瓦斯。[0065] 煤层瓦斯含量小于8m3/t(构造区域6m3/t)区域的措施为：掘进工作面顺煤层钻孔预抽煤巷条带瓦斯，在巷道两帮呈迈步式布置钻。ゲ嘧瓿〖渚100m，两侧钻场间距50m，钻场施工完毕后立即施工钻孔，每个钻场布置6个钻孔，即在钻场内向巷道掘进方向呈双排三花布置钻孔，两排钻孔开口位置距底板高度分别为1.4m和2.2m，钻孔仰角为“煤层倾角+1～2°”，钻孔长度150或160m，控制巷道两帮外侧15m范围，钻孔抽采瓦斯过程中可以边掘边抽。回采工作面区域防突措施同样采用顺层钻孔预抽回采区煤层瓦斯。[0066] 工作原理：本发明通过对瓦斯含量进行实时监测分析，并结合煤层埋深信息、煤层坚固性系数、地质构造的发育程度等多方面因素能够的从预构建的数据库中匹配防突策略，不依赖专业人员的经验和标准文献查询，防突策略形成的及时性强，对于专业技能知识要求较低，利于快速展开高瓦斯矿井区域防突处置工作。此外，本发明通过转换系数将异常变化量转换成对应的异常标准量，且动态模拟了不同异常情况的发育程度对标准临界值的修正因素，同一标准量后经过权重计算的修正因子更加符合实际影响情况，实现了标准临界值的动态调整，利于防突策略精准匹配。[0067] 以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

专利地区：山西

专利申请日期：2021-12-21

专利公开日期：2024-10-29

专利公告号：CN114278362B