一种基于多源数据融合的煤层瓦斯参数动态预测方法与流程

1.本发明属于煤矿安全领域，涉及一种基于多源数据融合的煤层瓦斯参数动态预测方法。


背景技术：

2.为了保障高瓦斯、突出矿井的安全生产，瓦斯参数测试是采掘活动前重要的基础性工作，也是煤矿瓦斯灾害防治、抽采措施制定等的主要依据。当前煤矿瓦斯参数主要依靠打钻直接测定，尽管在瓦斯参数测定工艺、装备等方面已经取得了显著成效，为瓦斯灾害的防治起到了重要支撑作用，但是在煤矿开采速度和强度不断增大的智能化开采时代，这种测试方法的弊端逐渐凸显。一方面打钻预测工艺复杂、测试时间较长，造成生产与安全之间的矛盾日益加剧。另一方面，打钻预测是一种静态式的点预测方法，不能从区域层面对煤层瓦斯赋存状态进行及时、准确掌握。因此，进行瓦斯参数的动态预测，对于保障煤矿的安全高效开采具有重要意义。


技术实现要素：

3.有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于多源数据融合的煤层瓦斯参数动态预测方法，解决如何进行瓦斯参数的动态预测的技术问题。
4.为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
5.一种基于多源数据融合的煤层瓦斯参数动态预测方法：该方法包括以下步骤：
6.s1：获得地勘、生产实测瓦斯参数和间接计算的瓦斯参数，采用多源数据融合分析方法对地勘实测和间接计算获得的瓦斯参数进行校正，得到初始有效瓦斯参数；
7.s2：分析煤层瓦斯赋存影响因素，确定煤层瓦斯赋存主控因素以及地质单元划分；
8.s3：根据所述s1中得到的初始有效瓦斯参数、所述s2中确定的煤层瓦斯赋存主控因素以及地质单元划分，建立瓦斯参数预测模型；
9.s4：基于地理信息系统gis进行二次开发，得到具有瓦斯参数自动预测功能的gis平台，gis平台将所有实测瓦斯参数、煤层底板等高线、地面高程点信息统一存储于数据库中，形成矿井基础信息数据库；
10.将所述s3建立的瓦斯参数预测模型参数输入gis平台的数据表中，采用gis平台中的mathanalyst功能进行运算，得到瓦斯参数栅格；
11.基于gis平台中的extractisoline功能提取相应瓦斯参数预测等值线；
12.s5：在煤层开采过程中，及时获取实测瓦斯参数和间接计算瓦斯参数，采用多源数据融合分析方法对地勘实测和间接计算获得的瓦斯参数进行校正，得到有效瓦斯参数；
13.将有效瓦斯参数输入gis平台的数据表中，gis平台利用克里金插值法对s4中相对应的瓦斯参数预测等值线进行动态修正，持续得到修正后的瓦斯参数等值线。
14.进一步的，所述s1具体为：
15.求取瓦斯参数校正系数η：
[0016][0017]
其中，η为校正系数；a1～an为生产实测瓦斯参数；a1～an为地勘实测瓦斯参数、间接计算瓦斯参数；n为对比次数；
[0018]
计算校正后的有效瓦斯参数，a1’
～a
n’：
[0019][0020]
最终得到的初始有效瓦斯参数为：
[0021]
n＝{a1,a2,a3……an
,a1’
,a2’
a3’……an’}
ꢀꢀꢀ
(3)。
[0022]
进一步的，所述瓦斯参数为瓦斯含量和瓦斯压力。
[0023]
进一步的，所述s2中，分析矿井范围内地质构造形态、顶底板岩性差异、煤层厚度及煤质变化、岩浆岩侵入、水文地质条件变化因素对煤层瓦斯赋存状态的影响，确定煤层瓦斯赋存主控因素，根据瓦斯、地质指标的定性和定量的综合分析，进行矿井瓦斯地质单元的划分。
[0024]
进一步的，所述s3中的瓦斯参数预测模型计算公式为：
[0025]
y＝f(x1，x2,...xj)
ꢀꢀ
(3)
[0026]
其中，f为一元或多元函数，当瓦斯赋存主控因素为1个时，f表示一元函数；当瓦斯赋存主控因素为2个及以上时，f表示多元函数；x1，x2，
……
xj分别为煤层瓦斯赋存的主控因素，y为预测瓦斯参数；
[0027]
当瓦斯赋存主控因素为1个时：y＝f(x)；
[0028]
若为浅部矿井，则为一元线性函数，表示为y＝ax+b，其中a，b为常数；
[0029]
若为深部矿井，则为一元非线性函数，即幂函数、指数函数、对数函数、二次多项式、三次多项式，根据实际情况选择拟合度更优的非线性函数；
[0030]
当瓦斯赋存影响因素为2个及以上时：y＝k0+k1f(x1)+k2f(x2)+......+knf(xn)；
[0031]
其中x1，x2，
……
xn分别为煤层瓦斯赋存的主控因素，k0，k1，
……kn
为相关参数，f(x1)，f(x2)，
……
f(xn)为不同主控因素的一元函数模型。
[0032]
进一步的，所述s5中，克里金插值法对瓦斯参数动态修正的插值计算公式为：
[0033][0034]
其中：z*(x0)为被插值点的瓦斯参数值，z(xi)为已知的第i个采样点的瓦斯参数值，i＝1，2，
……
，n，n为用于瓦斯参数插值的采样点数目，di为被插值点到第i采样点的距离，x0为被插值点编号，xi为采样点编号，p为距离的幂，p＝2。
[0035]
本发明的有益效果在于：
[0036]
第一，本发明提供的煤层瓦斯参数动态预测方法，对基于采掘活动不断揭露的煤层瓦斯参数，能够实现煤层瓦斯赋存状态的及时、精准把控，从而为瓦斯灾害的针对性防治
奠定基础。
[0037]
第二，本发明生成的瓦斯参数预测等值线及栅格图，实现井田范围内任一点的煤层瓦斯参数的自动预测，并通过色块的差异化表达，实现煤层瓦斯赋存特征的清晰直观表达。
[0038]
本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。
附图说明
[0039]
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：
[0040]
图1为本发明一种基于多源数据融合的煤层瓦斯参数动态预测方法的流程图；
[0041]
图2为瓦斯参数预测模型图；图2(a)瓦斯含量预测图；为图2(b)瓦斯压力预测图；
[0042]
图3为瓦斯含量栅格图；
[0043]
图4为瓦斯含量预测模型更新前后对比图；
[0044]
附图标记：a-瓦斯参数的预测等值线，b-校正后的瓦斯参数等值线，c-被插值点的瓦斯参数值。
具体实施方式
[0045]
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
[0046]
其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
[0047]
本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”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，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
[0048]
请参阅图1～图4，为一种基于多源数据融合的煤层瓦斯参数动态预测方法。
[0049]
采用此实施例进行具体说明：某矿为高瓦斯矿井，矿井设计生产能力为800万t/年。主采煤层为8号煤层，该煤层的实测瓦斯参数为：煤层埋深122-663m，煤厚1.85～9.01m，
平均厚度6.02m，平均煤层倾角3.5
°
，井田范围内构造简单，呈平缓的单斜构造，且未受岩浆岩侵蚀。
[0050]
一种基于多源数据融合的煤层瓦斯参数动态预测方法，包括以下步骤：
[0051]
步骤1，系统收集8号煤层地勘期间的瓦斯含量和瓦斯压力测定结果、生产期间未受采动影响或采动影响较小的瓦斯含量和瓦斯压力结果，以及间接计算瓦斯压力和瓦斯含量，采用多源数据融合分析方法，对不同途经获得的瓦斯参数进行分析，剔除无效数据，并对相应数据进行融合校正，尽可能多获取有效的瓦斯压力和瓦斯含量数据。
[0052]
其中，生产实测瓦斯参数为生产过程中得到的瓦斯参数(每天都会有新测得的瓦斯参数)，生成实测瓦斯参数测量的数据是准确的，无需进行校正；地勘实测为建矿前期地质勘探阶段获得的数据，这个数据量有限，且不会新增；间接计算瓦斯参数是根据生产期间测的基础参数(包括吸附常数a，b、瓦斯压力、k1值等)进行反算得到的，间接计算的参数也会随着生产的持续进行而不断获得。
[0053]
其中，间接计算包括：根据煤的吸附理论计算瓦斯含量、根据残余瓦斯含量计算煤层瓦斯含量、根据瓦斯涌出量反演瓦斯含量、含量系数法反算瓦斯含量、瓦斯压力和瓦斯含量之间的互相反算等方法。
[0054]
步骤2，分析瓦斯赋存影响因素，该矿地质构造简单，已揭露断层落差均小于5m，冲刷带的下切深度均小于2m，地质构造仅在布局小范围内对瓦斯赋存产生影响；8号煤层顶底板多为粗、中、细粒砂岩，岩性致密且横向发育较为平稳，为瓦斯封存提供了有利条件，因此，顶底板岩性对瓦斯赋存的影响较小；井田内含水层处于较封闭状态长期滞流、接受补给条件较差，地下径流微弱，基本保持未受人为活动干扰的原始天然状态，因此水文地质对瓦斯赋存的影响较小；煤层厚度以厚煤层为主，煤层产状起伏变化小，且煤层厚度与瓦斯参数之间没有显著的关联性，因此煤层厚度对瓦斯赋存的影响较小；矿井东部埋深较浅，相应的瓦斯参数小，而在矿井西南部埋深较大，而瓦斯参数也明显增大。可见，随着煤层埋深的增大，瓦斯参数均呈增大趋势，煤层埋深对瓦斯赋存影响显著。综上所述，8号煤层瓦斯赋存的主控因素为煤层埋深，且整个井田内地质条件和煤层赋存状态都较为稳定，可将其划分为同一地质单元。
[0055]
步骤3，瓦斯地质单元的划分是瓦斯预测模型建立的基础，如果是同一地质单元，即可采用相同的瓦斯压力、瓦斯含量预测模型，如若井田范围内划分为多个地质单元，则要根据地质单元的不同，建立不同的瓦斯压力、瓦斯含量预测模型。依据步骤二分析结果，得到一个主控因素即煤层埋深，且整个井田内地质条件和煤层赋存状态都较为稳定，可将其划分为同一地质单元建立煤层埋深与瓦斯参数之间的预测模型，结果如图2、图2(a)和图2(b)所示。
[0056]
得到瓦斯含量预测模型为：yw＝0.0124h+0.354(r2＝0.8015)；
[0057]
瓦斯压力预测模型为：y
p
＝0.0014h-0.1514(r2＝0.9039)；
[0058]
其中，yw为瓦斯含量，单位为：m3/t；y
p
为瓦斯压力，单位为：mpa；h为煤层埋深，单位为m；r2表示拟合度。
[0059]
步骤4，在gis平台中提前将煤层底板等高线、地面高程点进行数字化，并生成相应的栅格图，并通过栅格自动运算(煤层埋深＝地面高程-煤层底板标高)得到煤层埋深栅格，并自动提取获得煤层埋深等值线，将上述瓦斯参数预测模型相关参数输入gis平台中，gis
平台根据输入的瓦斯参数自动生成相应瓦斯参数预测等值线，并能够根据瓦斯参数大小，生成相应的栅格图，直观显示瓦斯参数在井田范围内的空间分布特征。
[0060]
步骤5，在等值线形成后，随着采掘活动揭露瓦斯参数的不断增多，在gis平台中将获得的有效瓦斯含量、瓦斯压力测试结果输入对应的数据表中，gis平台利用克里金插值法对相应等值线进行动态修正,，实现了瓦斯参数的动态、精准预测；如图4所示，随着获取的有效瓦斯参数不断增多，在gis平台中更新前瓦斯的预测等值线a经过持续修正后得到更新的瓦斯等值线b以及被插值点的瓦斯参数值c。
[0061]
表1瓦斯参数数据表
[0062][0063]
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

技术特征：
1.一种基于多源数据融合的煤层瓦斯参数动态预测方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：s1：获得地勘、生产实测瓦斯参数和间接计算的瓦斯参数，采用多源数据融合分析方法对地勘实测和间接计算获得的瓦斯参数进行校正，得到初始有效瓦斯参数；s2：分析煤层瓦斯赋存影响因素，确定煤层瓦斯赋存主控因素以及地质单元划分；s3：根据所述s1中得到的初始有效瓦斯参数、所述s2中确定的煤层瓦斯赋存主控因素以及地质单元划分，建立瓦斯参数预测模型；s4：基于地理信息系统gis进行二次开发，得到具有瓦斯参数自动预测功能的gis平台，gis平台将所有实测瓦斯参数、煤层底板等高线、地面高程点信息统一存储于数据库中，形成矿井基础信息数据库；将所述s3建立的瓦斯参数预测模型参数输入gis平台的数据表中，采用gis平台中的mathanalyst功能进行运算，得到瓦斯参数栅格；基于gis平台中的extractisoline功能提取相应瓦斯参数预测等值线；s5：在煤层开采过程中，及时获取实测瓦斯参数和间接计算瓦斯参数，采用多源数据融合分析方法对地勘实测和间接计算获得的瓦斯参数进行校正，得到有效瓦斯参数；将有效瓦斯参数输入gis平台的数据表中，gis平台利用克里金插值法对s4中相对应的瓦斯参数预测等值线进行动态修正，持续得到修正后的瓦斯参数等值线。2.根据权利要求1所述的一种基于多源数据融合的煤层瓦斯参数动态预测方法，其特征在于：所述s1具体为：求取瓦斯参数校正系数η：其中，η为校正系数；a1～a
n
为生产实测瓦斯参数；a1～a
n
为地勘实测瓦斯参数、间接计算瓦斯参数；n为对比次数；计算校正后的有效瓦斯参数，a1’
～a
n’：最终得到的初始有效瓦斯参数为：n＝{a1,a2,a3……
a
n
,a1’
,a2’
a3’……
a
n’}
ꢀꢀꢀꢀ
(3)。3.根据权利要求1所述的一种基于多源数据融合的煤层瓦斯参数动态预测方法，其特征在于：所述瓦斯参数为瓦斯含量和瓦斯压力。4.根据权利要求1所述的一种基于多源数据融合的煤层瓦斯参数动态预测方法，其特征在于：所述s2中，分析矿井范围内地质构造形态、顶底板岩性差异、煤层厚度及煤质变化、岩浆岩侵入、水文地质条件变化因素对煤层瓦斯赋存状态的影响，确定煤层瓦斯赋存主控因素，根据瓦斯、地质指标的定性和定量的综合分析，进行矿井瓦斯地质单元的划分。5.根据权利要求1所述的一种基于多源数据融合的煤层瓦斯参数动态预测方法，其特征在于：所述s3中的瓦斯参数预测模型计算公式为：
y＝f(x1，x2,...x
j
)
ꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)其中，f为一元或多元函数，当瓦斯赋存主控因素为1个时，f表示一元函数；当瓦斯赋存主控因素为2个及以上时，f表示多元函数；x1，x2，
……
x
j
分别为煤层瓦斯赋存的主控因素，y为预测瓦斯参数；当瓦斯赋存主控因素为1个时：y＝f(x)；若为浅部矿井，则为一元线性函数，表示为y＝ax+b，其中a，b为常数；若为深部矿井，则为一元非线性函数，即幂函数、指数函数、对数函数、二次多项式、三次多项式，根据实际情况选择拟合度更优的非线性函数；当瓦斯赋存影响因素为2个及以上时：y＝k0+k1f(x1)+k2f(x2)+......+k
n
f(x
n
)；其中x1，x2，
……
x
n
分别为煤层瓦斯赋存的主控因素，k0，k1，
……
k
n
为相关参数，f(x1)，f(x2)，
……
f(x
n
)为不同主控因素的一元函数模型。6.根据权利要求1所述的一种基于多源数据融合的煤层瓦斯参数动态预测方法，其特征在于：所述s5中，克里金插值法对瓦斯参数动态修正的插值计算公式为：其中：z*(x0)为被插值点的瓦斯参数值，z(x
i
)为已知的第i个采样点的瓦斯参数值，i＝1，2，
……
，n，n为用于瓦斯参数插值的采样点数目，d
i
为被插值点到第i采样点的距离，x0为被插值点编号，x
i
为采样点编号，p为距离的幂，p＝2。

技术总结
本发明涉及一种基于多源数据融合的煤层瓦斯参数动态预测方法，属于煤矿安全领域。该方法包括以下步骤：S1：瓦斯参数多源获取，对获取的数据进行多源数据融合分析；S2：对煤层瓦斯赋存影响因素分析，确定煤层瓦斯赋存主控因素和地质单元划分；S3：根据的有效瓦斯参数、确定的煤层瓦斯赋存地质单元划分以及主控因素为基础建立瓦斯参数预测模型；S4：将瓦斯参数预测模型输入GIS平台自动生成瓦斯参数预测等值线；S5：在GIS平台利用克里金插值法对相应的瓦斯参数预测等值线进行动态校正。本发明提供的方法，对基于采掘活动不断揭露的煤层瓦斯参数，在能够实现煤层瓦斯赋存状态的及时、精准把控，从而为瓦斯灾害的针对性防治奠定基础。从而为瓦斯灾害的针对性防治奠定基础。从而为瓦斯灾害的针对性防治奠定基础。


技术研发人员：孙海涛 程晓阳 蒲阳 覃木广 岳俊 唐韩英 马国龙 刘香兰 李明建 宋志强 彭杨
受保护的技术使用者：煤炭科学研究总院
技术研发日：2023.07.27
技术公布日：2023/10/5