[发明专利]一种煤炭开采过程中地层塌陷预警方法与系统

说明书

技术领域

本发明涉及煤炭开采安全监控领域，具体涉及煤炭开采过程中地层塌陷预警方法和技术。

背景技术

氡是天然放射性衰变系列中的气态放射性核素，它的衰变产物又是一种不易挥发的放射性物质。地层塌陷过程形成的破碎带，为氡的迁移提供良好的通道，地层中的氡会在对流作用、地下水作用、微气泡作用、地热作用、地应力作用、潮汐作用、抽吸作用、地气作用、渗流作用等作用下迁移到地表。地层中破碎带的发育程度在一定程度上会影响氡的迁移水平，具体能反应在地表土壤中测量到的壤氡信息。在煤炭开采过程中，当地层在垮塌前夕，必然能测量到GPS坐标位置的形变位移，因此可以用高精度GPS差分定位观测测量点，能监测地层沉陷过程的微小变化。

煤炭资源是被人类广泛利用的能源之一，在我国有千余座大小不等的煤矿，存在大量的煤炭开采作业。而在煤炭开采过程中，地面塌陷是目前煤炭开采的主要安全问题之一，煤炭开采过程中岩层塌陷，严重影响到煤炭开采工业的安全生产。煤矿是集人工、机械、采矿工程、地质条件和自然环境共存的复杂系统，其灾变机理、途径等基本因素难以确定，因素状态模糊性强、安全数据不够充分，事故发生率较高。我国时常会发生大小不等的煤矿坍塌事件。因此，在进行煤矿开采时，地面塌陷安全预警工作显得尤为重要。

目前，煤矿开采安全评价以安全系统工程理论和方法为基础，按照相应的程序与方法，对煤矿开采过程中存在的危险因素、发生事故的可能性与伤害程度进行识别和分析。常用的方法如模糊综合评价、灰色聚类分析、物元分析、BP人工神经网络等，但在处理方法上分别存在某些缺陷，例如，因采用最大-最小算子而损失大量原始信息；因采用均权处理各关联度，而未能足够体现各指标中权重的影响。这些都会造成煤矿开采条件安全性受许多未知因素影响。目前已有的安全评价机制不能确保煤矿开采过程中的地面塌陷预警，因此建立一套有效的煤炭开采过程中地面塌陷的预警方法及系统是煤炭企业生产安全运行的一种行之有效的技术手段。建立一套较为有效的煤矿开采过程中地面岩层塌陷的预警方法，将有助于提高煤炭企业的安全水平，降低事故带来的损失，并为煤炭企业的安全施工提供技术手段。

多年来，人们在应用氡气测量进行地震预报、勘测煤田陷落柱、探查隐伏地址构造等领域进行了大量研究，但是由于煤炭开采引起岩层坍塌的过程中，壤中氡气场受地层破损发育程度的影响以及地层塌陷过程中对壤氡异常变化的评价机制，特别是将壤氡α能谱测量方法结合高精度GPS差分技术应用于岩层塌陷预警未见报导，因此本发明所提供的方法是一种创新的技术手段。

发明内容

本发明的目的在于针对目前煤炭开采过程中地层垮塌预警的应用需求，采用壤中氡气α能谱实时连续测量方法结合高精度地面GPS差分定位测量方法，监测煤炭开采过程中地层垮塌前地层裂隙发育情况，对比裂隙发育实验模型的壤氡测量实验数据，建立一套利用壤氡异常来评价裂隙破损发育程度，将实验模型中的壤氡异常评价机制应用到煤炭开采过程中的地层塌陷评价中去，从而达到煤炭开采过程中地层塌陷的预警目的。本发明所提供方法合理，理论基础充分，实现的技术方案成熟可行。

为能达到上述发明目的，所采用的技术方案是：根据煤炭开采范围在地表土壤中布置探测点；在各探测点上采用多参数壤氡α能谱测量系统进行壤氡实时连续测量；在其中设定数量的探测点上作高精度GPS差分定位在线实时测量；根据高精度GPS差分定位测量，获取地层的沉降信息；根据获得的壤氡异常分布关系和变化规律，与实验室的煤炭开采过程地层裂隙评价实验模型的实验数据对比，结合高精度GPS差分定位获取的地层沉降信息，确定地层裂隙的发育程度，进而获取煤炭开采过程中地层塌陷的预警信息；整个预警系统由多参数壤氡α能谱测量单元、高精度GPS差分定位装置、现场多测点数据管理装置、基于太阳能的电源管理装置、ZigBee无线网络、GPRS无线网络、远程计算机后台监控系统几个部分构成；多参数壤氡α能谱测量单元和高精度GPS差分定位装置通过ZigBee无线网络与现场多测点数据管理装置相连，现场多测点数据管理装置通过GPRS无线网络与远程计算机后台监控系统相连；多参数壤氡α能谱数据采集单元、高精度GPS差分定位装置、现场多测点数据管理装置与基于太阳能的电源管理装置相连接。

按照本发明提供的一种煤炭开采过程中地层塌陷预警方法与系统，其特征是：所述的根据煤炭开采范围在地表土壤中布置探测点，表示在地表相应范围内设置测点和测线，测线和测点之间的距离为设定值。