CN108104876B - 基于矿井电法监测的水害实时分级预警方法及*** - Google Patents
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Abstract
本发明采用三维电阻率反演对监测数据进行自动、实时处理，根据反演所得煤系地层电阻率的实时变化情况，自动对工作面突水风险进行分级判断，自动、实时发送分级预警信息，实现了工作面水害预警的自动化和智能化，便于监测人员实时掌控回采工作面导水通道的发育情况，及时对突水隐患进行排查，为矿工的生命安全和矿方的财产安全提供了有力的保障。
Description
技术领域
本发明涉及一种水害实时预警方法及***，属于矿井开采技术领域，具体是涉及一种基于矿井电法监测的水害实时分级预警方法及***。
背景技术
工作面水害往往由含、导水地质构造诱发。含、导水地质构造在静态条件下不会引发突水事故，但在采掘活动的影响下，由于地应力分布发生变化，导致岩石的构造裂隙扩大或发生新的破裂，含、导水地质构造会进一步发育为煤层和含水层之间的导水通道，从而导致工作面水害的发生。含、导水地质构造相对煤系地层而言一般表现为低阻，可以用矿井电法进行探测。
矿井电法根据异常地质体与围岩间的电性差异来探测识别异常区域，与其他物探方法相比，在探测表现出低阻特性的含、导水构造时具有独特优势。含、导水地质构造发育为导水通道的过程中，低阻区域的范围会逐渐发生变化，因此，在工作面回采过程中可以应用矿井电法对导水通道的发育过程进行监测，为突水风险的预测提供参考依据。
然而，矿井电法监测资料只能直观地反映煤系地层的电性变化情况，如何根据电性变化情况判断导水通道的发育情况则需要依靠资料解释人员的经验去判断。人工经验判断在时间上有一定的滞后性，有时也会因为电性变化微弱导致漏判或误判的发生，无法对工作面突水风险进行及时有效的预警。目前，工作面回采过程中面临的多为高承压水，导水通道一旦形成，水害的发生都极为迅猛，严重威胁了矿工的生命安全和矿方的财产安全，因此，基于矿井电法监测的工作面水害自动、实时、分级预警方法的实现十分有必要。
发明内容
本发明主要是解决现有技术所存在的水害预警存在滞后性，电性变化微弱导致漏判或误判的发生，无法对工作面突水风险进行及时有效预警的技术问题，提供了一种基于矿井电法监测的工作面水害实时预警方法及***。该方法及***根据煤系地层电阻率的实时变化情况对工作面突水风险进行判断并进行自动、实时、分级预警，实现了工作面水害预警的自动化和智能化，具有较高的时效性，也可有效避免人工误判。
本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：
一种基于矿井电法监测的工作面水害实时分级预警方法，包括：
初始建模步骤，根据回采工作面的地质资料，建立煤系地层的初始三维电阻率模型；
反演预警步骤，利用所述初始三维电阻率模型反演各批次井下实时监测数据得到反演三维电阻率模型，当相邻两个批次的反演三维电阻率模型重合并且电阻率差值序列中存在负值时，判断为存在风险并预警，否则继续反演下一批次井下实时监测数据；
其中，所述电阻率差值序列为本次反演三维电阻率模型的电阻率值与上次反演三维电阻率模型的电阻率值之差。
优化的，上述的一种基于矿井电法监测的工作面水害实时分级预警方法，所述数据反演预警步骤还包括：
三级预警子步骤，针对电阻率差值序列中小于0的点，根据坐标信息找出差值序列的局部最小值，保存局部最小值和其对应的坐标位置；发送包含局部最小值坐标位置的三级预警信息。
优化的，上述的一种基于矿井电法监测的工作面水害实时分级预警方法，所述数据反演预警步骤还包括：
二级预警子步骤，判断本次计算得到的局部最小值和上次计算获得的局部最小值是否存在位置重合点，若是则保存重合的坐标位置，发送包含重合坐标位置的二级预警信息。
优化的，上述的一种基于矿井电法监测的工作面水害实时分级预警方法，所述数据反演预警步骤还包括：
一级预警子步骤，针对位置重合点，用新获得的局部最小值减去前一次计算获得的局部最小值，计算两次局部最小值的差值，判断是否存在差值小于0的点，若存在，则保存该点的位置信息，并发送包含该点坐标位置的一级预警信息。
一种基于矿井电法监测的工作面水害实时分级预警***，包括：
初始建模模块，根据回采工作面的地质资料，建立煤系地层的初始三维电阻率模型；
反演预警模块，利用所述初始三维电阻率模型反演各批次井下实时监测数据得到反演三维电阻率模型，当相邻两个批次的反演三维电阻率模型重合并且电阻率差值序列中存在负值时，判断为存在风险并预警，否则继续反演下一批次井下实时监测数据；
其中，所述电阻率差值序列为本次反演三维电阻率模型的电阻率值与上次反演三维电阻率模型的电阻率值之差。
优化的，上述的一种基于矿井电法监测的工作面水害实时分级预警***，所述数据反演预警模块还包括：
三级预警子模块，针对电阻率差值序列中小于0的点，根据坐标信息找出差值序列的局部最小值，保存局部最小值和其对应的坐标位置；发送包含局部最小值坐标位置的三级预警信息。
优化的，上述的一种基于矿井电法监测的工作面水害实时分级预警***，所述数据反演预警模块还包括：
二级预警子模块，判断本次计算得到的局部最小值和上次计算获得的局部最小值是否存在位置重合点，若是则保存重合的坐标位置，发送包含重合坐标位置的二级预警信息。
优化的，上述的一种基于矿井电法监测的工作面水害实时分级预警***，所述数据反演预警模块还包括：
一级预警子模块，针对位置重合点，用新获得的局部最小值减去前一次计算获得的局部最小值，计算两次局部最小值的差值，判断是否存在差值小于0的点，若存在，则保存该点的位置信息，并发送包含该点坐标位置的一级预警信息。
因此，本发明具有如下优点：采用三维电阻率反演对监测数据进行自动、实时处理，根据反演所得煤系地层电阻率的实时变化情况，自动对工作面突水风险进行分级判断，自动、实时发送分级预警信息，实现了工作面水害预警的自动化和智能化，便于监测人员实时掌控回采工作面导水通道的发育情况，及时对突水隐患进行排查，为矿工的生命安全和矿方的财产安全提供了有力的保障。
附图说明
附图1是本发明的一种流程图。
具体实施方式
下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。
实施例：
矿井电法监测***采集的监测数据一般为电位或电位差，通过三维电阻率反演处理可以获得能更直接反映煤系地层电性分布情况的三维电阻率数据。导水通道发育过程中，受其影响的区域电阻率会逐渐降低。通过分析反演获得的煤系地层电阻率的实时变化情况，可以对导水通道的发育情况进行有效的判断，从而达到对突水风险进行预警的目的。
如图1所示，本发明实施例提供一种基于矿井电法监测的工作面水害自动实时分级预警方法，本发明实现了工作面水害预警的自动化和智能化，适用于工作面回采过程中的突水风险预警。
首先根据回采工作面的地质资料，建立煤系地层的三维电阻率模型，模型为包含电阻率值的三维数据体。在回采工作面布置矿井电法监测***，开始井下数据采集，将监测数据同步传输至地面服务器。用整数i记录监测次数，在监测开始时令i＝0，完成一次监测之后i自动加1，获得的监测数据用数组d(i)进行存储。通过程序控制自动访问地面服务器，获取实时的监测数据d(i)。以煤系地层电阻率模型为初始模型m0，对监测数据进行三维电阻率反演，反演的目标函数如下：
式中m是用于反演迭代的模型，d(m)是对给定的电导率模型m进行正演计算所得的数据，d(i)是实时的监测数据，β是正则化参数，W是模型正则化矩阵。为了获得目标函数Φ(m)的最小值，用上式对模型参数m求导并令其为零，获得更新公式：
(JTJ+βWTW)·δm＝-(JT(QA-1q-d(i))+βWTW(m-m0)) (2)
其中为雅可比矩阵。采用拟高斯-牛顿法对上式进行求解，获得更新的反演模型。将反演获得的三维电阻率模型存储至地面服务器，反演模型用数组m(i)进行存储。
刚开始监测的时候，需要先对第一批监测数据d(1)和第二批监测数据d(2)进行反演，获得对应的反演模型m(1)和m(2)，然后再进行后续的预警判断。将相邻批次监测数据d(i-1)和d(i)反演所得的三维电阻率模型m(i-1)和m(i)进行比对，根据坐标信息判断两个模型是否有重合区域。若模型m(i-1)和m(i)不存在重合区域，则返回进行下一批监测数据的反演，并将新获得的反演模型与上一次获得的反演模型进行比对，重复该过程直至获得存在重合区域的两组相邻反演模型或工作面回采完毕为止。若模型m(i-1)和m(i)存在重合区域，则针对重合区域计算两个模型的电阻率差值δm(i)＝m(i)-m(i-1)，并判断δm(i)中是否存在小于0的点。若δm(i)中不存在小于0的点，则意味着暂时不存在突水隐患，返回进行下一批监测数据的反演，将新获得的反演模型与上一次获得的反演模型进行比对，重复该过程直至获得存在重合区域且δm(i)中存在小于0的点的两组相邻反演模型或工作面回采完毕为止。针对δm(i)中小于0的点，根据坐标信息找出δm(i)的局部最小值r(i)，保存局部最小值和其对应的坐标位置，发送包含局部最小值坐标位置的三级预警信息：“某某位置处存在突水隐患！”。
判断是否存在前一次计算获得的局部最小值r(i-1)。若不存在局部最小值r(i-1)，则返回进行下一批观测数据的反演，并判断是否需要发送三级预警信息，重复该过程直至获得两组前后相邻的局部最小值或工作面回采完毕为止。若存在局部最小值r(i-1)，则判断新获得的局部最小值r(i)和前一次计算获得的局部最小值r(i-1)是否存在位置重合的点。若局部最小值r(i)和r(i-1)不存在位置重合的点，则返回进行下一批观测数据的反演，并判断是否需要发送三级预警信息，重复该过程直至获得存在位置重合的点的两组相邻局部最小值或工作面回采完毕为止。若局部最小值r(i)和r(i-1)存在位置重合的点，则保存重合的坐标位置，发送包含重合坐标位置的二级预警信息：“某某位置处突水风险增大！”。
针对两组局部最小值中位置重合的点，计算两组局部最小值的差值s(i)＝r(i)-r(i-1)，并判断s(i)中是否存在小于0的点。若s(i)中不存在小于0的点，则返回进行下一批观测数据的反演，并判断是否需要发送三级预警信息和二级预警信息，重复该过程直至获得存在小于0的点的s(i)或工作面回采完毕为止。若s(i)中存在小于0的点，保存小于0的点的坐标位置，发送包含该点坐标位置的一级预警信息：“某某位置处突水风险进一步增大，建议排查！”。
判断工作面是否回采完毕，若是则结束本次预警，若否则返回进行下一批观测数据的反演，并判断是否需要发送各级预警信息，重复该过程直至工作面回采完毕为止。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。
Claims (2)
1.一种基于矿井电法监测的工作面水害实时分级预警方法，其特征在于，包括：
初始建模步骤，根据回采工作面的地质资料，建立煤系地层的初始三维电阻率模型；
反演预警步骤，利用所述初始三维电阻率模型反演各批次井下实时监测数据得到反演三维电阻率模型，当相邻两个批次的反演三维电阻率模型重合并且电阻率差值序列中存在负值时，判断为存在风险并预警，否则继续反演下一批次井下实时监测数据；
其中，所述电阻率差值序列为本次反演三维电阻率模型的电阻率值与上次反演三维电阻率模型的电阻率值之差；
其中，所述反演预警步骤还包括：
三级预警子步骤，针对电阻率差值序列中小于0的点，根据坐标信息找出差值序列的局部最小值，保存局部最小值和其对应的坐标位置；发送包含局部最小值坐标位置的三级预警信息；
二级预警子步骤，判断本次计算得到的局部最小值和上次计算获得的局部最小值是否存在位置重合点，若是则保存重合的坐标位置，发送包含重合坐标位置的二级预警信息；
一级预警子步骤，针对位置重合点，用新获得的局部最小值减去前一次计算获得的局部最小值，计算两次局部最小值的差值，判断是否存在差值小于0的点，若存在，则保存该点的位置信息，并发送包含该点坐标位置的一级预警信息。
2.一种基于矿井电法监测的工作面水害实时分级预警***，其特征在于，包括：
初始建模模块，根据回采工作面的地质资料，建立煤系地层的初始三维电阻率模型；
反演预警模块，利用所述初始三维电阻率模型反演各批次井下实时监测数据得到反演三维电阻率模型，当相邻两个批次的反演三维电阻率模型重合并且电阻率差值序列中存在负值时，判断为存在风险并预警，否则继续反演下一批次井下实时监测数据；
其中，所述电阻率差值序列为本次反演三维电阻率模型的电阻率值与上次反演三维电阻率模型的电阻率值之差；
其中，所述反演预警模块还包括：
三级预警子模块，针对电阻率差值序列中小于0的点，根据坐标信息找出差值序列的局部最小值，保存局部最小值和其对应的坐标位置；发送包含局部最小值坐标位置的三级预警信息；
二级预警子模块，判断本次计算得到的局部最小值和上次计算获得的局部最小值是否存在位置重合点，若是则保存重合的坐标位置，发送包含重合坐标位置的二级预警信息；
一级预警子模块，针对位置重合点，用新获得的局部最小值减去前一次计算获得的局部最小值，计算两次局部最小值的差值，判断是否存在差值小于0的点，若存在，则保存该点的位置信息，并发送包含该点坐标位置的一级预警信息。
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| PB01 | Publication | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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