《煤與瓦斯突出實時診斷方法》是重慶梅安森科技發展有限責任公司於2009年4月10日申請的專利，該專利的申請號為2009101035825，申請公布號為CN101532397，公布日為2009年9月16日，發明人是華福明、葉立勝、馬焰、何達文。
《煤與瓦斯突出實時診斷方法》的診斷方法是從瓦斯濃度數據中提取日濃度平均值，日移動平均值，最高濃度值和乘冥值i。設定k＝日濃度平均值/日移動平均值，n＝最高濃度值/日移動平均值，分別對k、n、i的數值進行判斷，並量化得出分指標M1、M2、M3，對分指標綜合計算，設定M1、M2和M3的權重C1、C2和C3，並設定綜合指標M，M＝C1M1+C2M2+C3M3，M＜0.5時為正常狀態，0.5≤M＜0.8時為威脅狀態，0.8≤M＜1.0時為危險狀態。該發明與煤礦安全監控系統相結合，綜合了突出三因素在風流中瓦斯濃度的變化特徵，實現了突出非接觸式連續預測，具有自適應能力，預測準確性高，實用性強，填補了國內外技術上的空白。
2013年10月，《煤與瓦斯突出實時診斷方法》獲得第十五屆中國專利優秀獎。
（概述圖為《煤與瓦斯突出實時診斷方法》摘要附圖）
基本介紹
- 中文名：煤與瓦斯突出實時診斷方法
- 類別：發明專利
- 公布號：CN101532397
- 公布日：2009年9月16日
- 申請號：2009101035825
- 申請日：2009年4月10日
- 申請人：重慶梅安森科技發展有限責任公司
- 地址：重慶市高新區二郎科技新城創業路105號高科創業園C區6樓
- 發明人：華福明、葉立勝、馬焰、何達文
- 分類號：E21F17/18（2006.01）I
- 專利代理機構：重慶博凱智慧財產權代理有限公司
- 代理人：李曉兵、李玉盛
專利背景,發明內容,專利目的,技術方案,有益效果,附圖說明,權利要求,技術領域,實施方式,榮譽表彰,
專利背景
中國有著豐富的煤炭資源，但是煤礦事故卻極為嚴重，對人員和財產都造成了極大的危害，而截至2009年4月的突出預測技術卻不能滿足中國煤炭工業日益增長的需要。
煤與瓦斯突出預測是一項技術含量高、難度大的工作，截至2009年4月世界上多數都採用靜態的預測方法，例如中國採用的鑽孔瓦斯湧出初速度法、R指標值法、鑽屑指標法都是接觸式間斷預測方法，也有採用聲發射、電磁輻射的非接觸式預測方法，但由於一些主要技術未完全解決，尚未在突出礦中套用。中國也有通過對瓦斯濃度的變化進行研究分析，採用瓦斯濃度變化的離散度進行預測，或採用V30指標或波峰比進行預測的方法，但都不能達到非接觸式連續預測的目的。
煤與瓦斯突出是地壓活動、煤層瓦斯含量和煤的物理力學性質三種因素綜合作用的產物。在發生突出前，三種突出因素必然有明顯的活耀時段，在其活耀期間，採掘工作面會產生有聲或無聲的突出預兆，其中最明顯、最普遍的是風流中的瓦斯濃度忽大忽小的現象，而這種突出預兆通常都是以定性的描述出現，無法進行定量分析，因而到2009年4月為止，還無法利用突出的預兆對煤與瓦斯突出進行預測和預警。
發明內容
專利目的
針對2009年4月以前技術中的上述不足，《煤與瓦斯突出實時診斷方法》的目的是提供一種實用的並能夠實現非接觸式連續預測、煤與瓦斯突出實時診斷方法。該方法綜合了地壓活動、煤層瓦斯含量和煤的物理力學性質三因素在風流中瓦斯濃度的變化特徵，發明了具有自適應能力，預測準確性較高的煤與瓦斯突出實時診斷方法。
技術方案
《煤與瓦斯突出實時診斷方法》是建立在煤礦安全監控系統的基礎之上，由煤礦安全監控系統中的瓦斯感測器不間斷監測礦井風流中的瓦斯濃度，並將瓦斯濃度數據傳送至地面的接收和處理系統；對接收到的實時瓦斯濃度數據進行分析，分析內容包括如下：
1）從瓦斯濃度數據中提取以下數據：
日濃度平均值：一個作業循環單位內瓦斯濃度的平均值；
日移動平均值：一個設定周期內瓦斯濃度平均值；
最高濃度值：落煤瞬間瓦斯最高濃度值；
乘冥值i：濃度變化曲線中最高濃度下降趨勢線的斜率；
設定k＝日濃度平均值/日移動平均值，n＝最高濃度值/日移動平均值，將計算得出的k、n、i值作為煤與瓦斯突出的三種判據；
2）分別對k、n、i的數值進行判斷，並量化得出對應的分指標M1、M2、M3，具體判斷量化的分指標數值如下：
k≥1.1時，M1＝1；k≤0.9時，M1＝0.5；0.9＜k＜1.1時，M1＝0；
n≥6時，M2＝1；6＞n≥3時，M2＝0.5；n＜3時，M2＝0；
i＜0.6時，M3＝1；0.6≤i≤0.75時，M3＝0.5；i＞0.75時，M3＝0；
3）對分指標進行綜合計算，設定M1的權重為C1，M2的權重為C2，M3的權重為C3，並設定綜合指標M，M＝C1M1+C2M2+C3M3；
在此對權重C1、C2、C3進行限定，規定C1+C2+C3＝1，且當k、n、i均有取值時，權重的範圍為：0.1≤C1≤1/3，1/3≤C2≤1，1/3≤C3≤1；
4）對步驟3）中計算得出綜合指標M的值進行判斷：
當M＜0.5時，診斷結果為正常狀態；
當0.5≤M＜0.8時，診斷結果為威脅狀態；
當0.8≤M≤1.0時，診斷結果為危險狀態。
進一步的特徵，所述步驟3）中所取的權重值為：C1＝0.2，C2＝0.4，C3＝0.4。
當缺少i值時，即C3＝0，在此對權重C1和C2進行限定，規定C1+C2＝1，且0＜C1＜1，0＜C2＜1，當C1＝1/3，C2＝2/3時取得最佳效果。
有益效果
相對於2009年4月以前技術，《煤與瓦斯突出實時診斷方法》具有以下優點：
1、實現了對煤與瓦斯突出的非接觸式連續預測，通過監控系統實時採集風流中瓦斯濃度，並將瓦斯的濃度的變化情況實時反饋給診斷系統，並且能夠對監控系統的實時數據按照所需的判據進行提取、分析、計算和判斷，達到準確預測煤與瓦斯突出的目的，無需接觸採樣，能夠完成不間斷預測，提高了預測的可靠性和實時性，填補了中國外在此領域技術上的空白；
2、在判據的選擇上，綜合了煤與瓦斯突出的三大因素：地壓活動、煤層瓦斯含量和煤層物理力學性質，能夠全面、準確的對井下危險程度作出判斷，誤差較小，精度較高，不僅能對危險狀態進行預測，在正常狀態與危險狀態之間還設定了過渡階段的威脅狀態警告，使工作人員能夠提前對生產安全作出改善，有效降低了事故發生的幾率；
3、該發明中診斷所採用的指標皆為無量綱指標，因而在診斷過程中，對不同的環境具有同樣的自適應能力，對各種類型的煤礦均可使用，不受煤質的影響，達到自動化和智慧型化的效果；
4、該發明中對基準值的選定、分指標值的量化、權重的制定、綜合指標的形成以及臨界值的確定，是建立在實驗室對煤的解吸特徵的研究結論並結合專業人員多年的實踐經驗所得到的，所選取的各項指標針對性強，能夠全面、準確的反應井下煤層的瓦斯突出危險情況，其判斷出的結果與真實情況非常吻合。
附圖說明
圖1為突出三因素與風流中瓦斯濃度變化的關係圖；
圖2為煤的瓦斯解吸量與時間變化的關係圖；
圖3為瓦斯突出實時診斷工作流程圖。
權利要求
1.一種煤與瓦斯突出實時診斷方法，該方法的實時診斷建立在煤礦安全監控系統的基礎之上，由煤礦安全監控系統中的瓦斯感測器不間斷監測礦井風流中的瓦斯濃度，實時將瓦斯濃度數據傳送至地面的接收和處理系統；其特徵在於，對接收到的瓦斯濃度數據進行分析，包括如下步驟：
1）從瓦斯濃度數據中提取以下數據：
日濃度平均值：一個作業循環單位內瓦斯濃度的平均值；
日移動平均值：一個設定周期內瓦斯濃度平均值；
最高濃度值：落煤瞬間瓦斯最高濃度值；
乘冥值i：濃度變化曲線中最高濃度下降趨勢線的斜率；
設定k＝日濃度平均值/日移動平均值，n＝最高濃度值/日移動平均值，將計算得出的k、n、i值作為煤與瓦斯突出的三種判據；
2）分別對k、n、i的數值進行判斷，並量化得出對應的分指標M1、M2、M3，具體判斷量化的分指標數值如下：
k≥1.1時，M1＝1；k≤0.9時，M1＝0.5；0.9＜k＜1.1時，M1＝0；
n≥6時，M2＝1；6＞n≥3時，M2＝0.5；n＜3時，M2＝0；
i＜0.6時，M3＝1；0.6≤i≤0.75時，M3＝0.5；i＞0.75時，M3＝0；
3）對分指標進行綜合計算，設定M1的權重為C1，M2的權重為C2，M3的權重為C3，並設定綜合指標M，M＝C1M1+C2M2+C3M3；
對權重C1、C2、C3進行限定，規定C1+C2+C3＝1，且當k、n、i均有取值時，權重的範圍為：0.1≤C1≤1/3，1/3≤C2＜1，1/3≤C3＜1；
4）對前述步驟3中計算得出綜合指標M的值進行判斷：
當M＜0.5時，診斷結果為正常狀態；
當0.5≤M＜0.8時，診斷結果為威脅狀態；
當0.8≤M≤1.0時，診斷結果為危險狀態。
2.根據權利要求1所述的煤與瓦斯突出實時診斷方法，其特徵在於，所述步驟3中所取的權重值為：0.1≤C1≤1/3，1/3≤C2≤0.5，1/3≤C3≤0.5。
3.根據權利要求1或2所述的煤與瓦斯突出實時診斷方法，其特徵在於，所述步驟3中所取的權重值為：C1＝0.2，C2＝0.4，C3＝0.4。
4.一種煤與瓦斯突出實時診斷方法，該方法的實時診斷建立在煤礦安全監控系統的基礎之上，由煤礦安全監控系統中的瓦斯感測器不間斷監測礦井風流中的瓦斯濃度，實時將感測器探測到的瓦斯濃度數據傳送至地面的診斷系統；其特徵在於，對接收到的瓦斯濃度數據進行分析，包括如下步驟：
1）從瓦斯濃度數據中提取以下數據：
日濃度平均值：一個作業循環單位內瓦斯濃度的平均值；
日移動平均值：一個設定周期內瓦斯濃度平均值；
最高濃度值：落煤瞬間瓦斯最高濃度值；
乘冥值i：濃度變化曲線中最高濃度下降趨勢線的斜率；
設定k＝日濃度平均值/日移動平均值，n＝最高濃度值/日移動平均值，將計算得出的k、n、i值作為煤與瓦斯突出的三種判據；
2）分別對k、n、i的數值進行判斷，並量化得出對應的分指標M1、M2、M3，具體判斷量化的分指標數值如下：
k≥1.1時，M1＝1；k≤0.9時，M1＝0.5；0.9＜k＜1.1時，M1＝0；
n≥6時，M2＝1；6＞n≥3時，M2＝0.5；n＜3時，M2＝0；
i＜0.6時，M3＝1；0.6≤i≤0.75時，M3＝0.5；i＞0.75時，M3＝0；
3）對分指標進行綜合計算，設定M1的權重為C1，M2的權重為C2，M3的權重為C3，並設定綜合指標M，M＝C1M1+C2M2+C3M3；
當缺少i值時，C3＝0，對權重C1、C2進行限定，規定C1+C2＝1，且0＜C1＜1，0＜C2＜1；
4）對前述步驟3中計算得出綜合指標M的值進行判斷：
當M＜0.5時，診斷結果為正常狀態；
當0.5≤M＜0.8時，診斷結果為威脅狀態；
當0.8≤M≤1.0時，診斷結果為危險狀態。
5.根據權利要求4所述的煤與瓦斯突出實時診斷方法，其特徵在於，所述步驟3中所取的權重值為：C1＝1/3，C2＝2/3。
技術領域
《煤與瓦斯突出實時診斷方法》涉及一種煤礦井下瓦斯監測及預警方法，具體涉及一種利用風流中的瓦斯濃度變化特徵與煤與瓦斯突出預兆之間的相互關係，分離出煤與瓦斯突出的三種因素在工作面的動態活動趨勢，從而對工作面煤與瓦斯突出危險程度作出判斷和預警的實時診斷方法。該發明屬於煤礦安全防護領域。
實施方式
《煤與瓦斯突出實時診斷方法》建立在煤礦安全監控系統的基礎之上，由煤礦安全監控系統中的瓦斯感測器不間斷監測礦井風流中的瓦斯濃度，實時將感測器探測到的瓦斯濃度數據傳送至地面的接收和處理系統。
對煤與瓦斯突出三因素對風流中瓦斯濃度的影響分別做出分析，如圖1所示：
1、地壓活動對風流中瓦斯濃度的影響
掘進巷道時瓦斯的來源由四部分組成：1）已暴露巷道四周煤面的瓦斯湧出量，2）新暴露巷道四周煤面的瓦斯湧出量，3）落煤的瓦斯湧出量，4）工作面新暴露煤面的瓦斯湧出量。
根據分析得知，作為一個大循環（通常為24小時），已暴露巷道四周煤面的瓦斯湧出量呈衰減的趨勢，而新暴露巷道四周煤面的瓦斯湧出量與已暴露巷道煤面的瓦斯衰減量，基本保持平衡。當工作面落煤工藝基本保持不變時，落煤總量不變時，落煤的瓦斯湧出量也是不變的，因此，只有工作面新暴露煤面的瓦斯湧出量，在四種瓦斯湧出量中是變數，並直接影響每日工作面的瓦斯湧出總量。
工作面新暴露煤面的瓦斯湧出量受控於地壓活動（地壓活動影響煤層透氣性變化），即應力作用，因而當工作面的風量不變時，風流中的瓦斯濃度就成為判斷地壓活動的依據。
要對工作面瓦斯濃度的變化作出判斷，還需要選擇合理的統計時間間隔，若時間過短，濃度變化頻繁，不易找到規律，若時間過長，增加了數據計算量。在時間間隔上，可以選取8小時、12小時、16小時、24小時或48小時等不同的時間段，該發明綜合實驗室數據，選擇一個作業循環單位為24小時，來計算瓦斯濃度平均值（日濃度平均值），作為判斷地壓活動的依據，所選取的時間間隔合理，能夠比較容易判斷地壓活動。
根據分析還可以發現，若將日瓦斯濃度平均移動值選取的時間間隔延長，它是一個變化不大且比較穩定的數值，因此該發明選取一個設定周期內風流中瓦斯濃度的平均值（日移動平均值），作為判斷地壓活動的標準值。在日移動平均值的設定周期時間間隔選取上，可以為7天、15天、30天、60天或120天等，該發明中選取30天為最佳計算時間段。
設定k＝日濃度平均值/日移動平均值，將k值作為地壓活動影響煤與瓦斯突出因素的判據。由於煤層厚度的變化對k值有影響且成正比關係，因此需要確定允許煤層厚度變化的幅度。由於突出煤層厚度變化範圍為±10～15％，取其下限±10％為允許的變化範圍，反映到日均瓦斯濃度上也為±10％的變化範圍，當k值在此範圍之間時，工作面處於安全狀態；當k值大於此範圍時，煤層處於膨脹變形階段，地壓處於降低狀態，此時煤層最容易發生突出；當k值小於安全狀態範圍時，工作面處於地壓增壓狀態，此時突出能量呈聚集狀態，煤層的透氣性降低，瓦斯排放不易，煤層中的瓦斯含量增加，工作面處於突出威脅狀態。（威脅狀態為安全狀態與危險狀態之間的過渡狀態）
因此，通過判據k的值可對安全狀態進行判斷，設定當k≥1.1時為危險狀態，k≤0.9時為威脅狀態，0.9＜k＜1.1時為安全狀態。由於不同狀態對應的k值存在範圍的變化，因此該發明對k值進行了量化，得出分指標M1，設定k≥1.1時，M1＝1；k≤0.9時，M1＝0.5；0.9＜k＜1.1時，M1＝0；M1的值對應結果為：0為安全狀態，0.5為威脅狀態，1為危險狀態。
2、煤層中瓦斯含量對風流中瓦斯濃度的影響
如圖2所示，圖中的坐標為對數坐標，其中v直線用指數方程計算並劃出，Q直線用乘冪方程式計算並畫出，直線在Y軸上的截距，分別表示初始瓦斯速度和解吸量。計算方程如下：
1）指數方程式
V——時間為t時的解吸速度；V1——時間為t1時的解吸速度；-kt——負指數；T——解吸時間；
2）乘冪方程式（將指數方程式積分後得出乘冪方程式）
Q＝at
1-kt＝i
式中，Q——累計解吸值（濃度或量）；i——乘冪值。
由以上實驗室研究結果分析可知，落煤時風流中的瞬間最高瓦斯濃度與煤層中瓦斯含量有關，煤層中瓦斯含量越高，煤的初始瓦斯解吸量越大，落煤時瞬間瓦斯濃度就越大。在此，同樣採用日均濃度移動線（日移動平均值）作為基準線，並從風流中瓦斯濃度數據中提取落煤瞬間的最高濃度值，由於基準線是自動形成，因此具有自適應能力。
設定n表示瓦斯因素判據，n＝最高濃度值/日移動平均值，將n值作為煤層瓦斯含量影響煤與瓦斯突出的判據。通過判據n的值可對安全狀態進行判斷，設定當n≥6時為危險狀態，3≤n＜6時為威脅狀態，n＜3時為安全狀態。由於不同狀態對應的n值存在範圍的變化，因此該發明對n值進行了量化，得出分指標M2，設定n≥6時，M2＝1；3≤n＜6時，M2＝0.5；n＜3時，M2＝0；M2的值對應結果為：0為安全狀態，0.5為威脅狀態，1為危險狀態。
3、煤的物理力學性質對風流中瓦斯濃度的影響
如圖2所示，根據實驗室研究結果可知，乘冪i和負指數-kt與瓦斯含量無關，它們僅與煤層的破壞結構有關，即與煤層的物理力學性質有關。因而用乘冪或負指數可以表達煤層的物理力學性質。但由於負指數的波動比乘冪大，故採用乘冪i作為煤層物理力學性質的判據。
結合2009年4月以前的突出統計資料對判據的臨界值進行分析和選取，同樣對i值量化並得出分指標M3，設定i＜0.6時，M3＝1；0.6≤i≤0.75時，M3＝0.5；i＞0.75時，M3＝0；M3的值對應結果為：0為安全狀態，0.5為威脅狀態，1為危險狀態。
以上是對煤與瓦斯突出三因素作出的分析和判斷，但由於三種因素在突出時均有影響，如果單獨考慮其中一種或二種因素，其判斷出的結果並不能完全反應實際情況，而且三種因素影響突出的效果不同，因此，必須結合各分指標的權重，形成綜合指標考慮才能得出符合實際的結論。
對三種因素的作用進行分析，地壓活動在突出的初始階段起到啟動突出的作用，後期則以煤層瓦斯含量作為主要的能源完成突出，而煤的物理力學性質是決定煤能否發生突出的主要因素。設定地壓活動的權重為C1，煤層瓦斯含量的權重為C2，煤的物理力學性質權重為C3，結合統計資料和實踐經驗分別設定各自權重範圍，當k、n、i均有取值時，權重的範圍C1、C2、C3都可以取為0～1，滿足C1+C2+C3＝1即可。但經反覆實驗，上述大範圍內的很多數值範圍沒有實際意義，不能達到較高的診斷準確率。故將上述範圍進一步限定為0.1≤C1≤1/3，1/3≤C2≤1，1/3≤C3≤1。或者進一步限定在一個更小的範圍：0.1≤C1≤1/3，1/3≤C2≤0.5，1/3≤C3≤0.5。在該實施例中，當C1＝0.2，C2＝0.4，C3＝0.4時為最佳方案。將權重分別乘上各自的分指標相加後得出綜合判斷指標M，即M＝C1M1+C2M2+C3M3。M的值為診斷最終判斷指標。
當M＜0.5時，診斷結果為正常狀態，顯示為危險等級0，發出紅色警告；當0.5≤M＜0.8時，診斷結果為威脅狀態，顯示為危險等級1，發出黃色警告；當0.8≤M＜1.0時，診斷結果為危險狀態，顯示為危險等級2。
當缺少i值時，C3＝0，在此對權重C1、C2進行限定，規定C1+C2＝1，且0＜C1＜1，0＜C2＜1，當C1＝1/3，C2＝2/3時取得最佳效果。
如圖3所示，根據瓦斯突出實時診斷工作流程圖，對部分具體實施例進行說明：
當M1＝0，M2＝0.5，M3＝1時，以C1＝0.2，C2＝0.4，C3＝0.4計算得：M＝C1M1+C2M2+C3M3＝0.6，診斷結果為威脅狀態，顯示為危險等級1，發出黃色警告。
當M1＝0.5，M2＝1，M3＝1時，以C1＝＝1/3，C2＝1/3，C3＝1/3計算得：M＝C1M1+C2M2+C3M3＝5/6，診斷結果為危險狀態，顯示為危險等級2，發出紅色警告。
當M1＝1，M2＝0，M3＝0時，以C1＝0.3，C2＝0.35，C3＝0.35計算得：M＝C1M1+C2M2+C3M3＝0.3，診斷結果為正常狀態，顯示為危險等級0。
榮譽表彰
2013年10月，《煤與瓦斯突出實時診斷方法》獲得第十五屆中國專利優秀獎。
