一种煤矿瓦斯抽采钻孔故障状态判断方法与流程

1.本发明属于煤矿开采领域，涉及一种煤矿瓦斯抽采钻孔故障状态判断方法。


背景技术：

2.当前煤层增透技术多种多样，可大幅提升煤层的透气性，促进煤层瓦斯的抽采。然而煤层瓦斯抽采方式较为单一，主要为对目标煤层施工穿层钻孔或本层钻孔，封孔之后连接负压抽采系统进行瓦斯抽采。大量现场实践表明，抽采钻孔的完整性和封闭性是决定抽采效果的关键因素。受煤岩物理力学性质差、地层含水量高等的影响，瓦斯抽采钻孔容易产生塌孔、堵孔、孔内积水等问题，导致抽采钻孔处于无效抽采状态，削弱了最终抽采效果。同时，巷道及抽采钻孔卸压会使抽采钻孔周围产生裂隙发育，现场工人抽采钻孔封孔施工不规范等会导致抽采钻孔封孔效果差，产生漏气等问题，影响煤层瓦斯的抽采效率和利用。但当前技术条件下很难迅速判断出抽采钻孔是否存在故障，无法快速针对性的解决抽采钻孔所遇到的问题，难以保证高质量的煤层瓦斯抽采。因此，本方法的研发可延长瓦斯抽采钻孔的生命周期，提升煤层瓦斯的抽采效果，协助高瓦斯低透气性煤层的瓦斯灾害防治及煤层气的开采。


技术实现要素：

3.有鉴于此，本发明的目的在于提供一种煤矿瓦斯抽采钻孔故障状态判断方法。
4.为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
5.一种煤矿瓦斯抽采钻孔故障状态判断方法，该方法包括以下步骤：
6.s11：在抽采故障状态判断模型建立前，确定影响瓦斯抽采钻孔故障的因素集u、评价集v、权重集w、单因素评价矩阵r；
7.s12：在抽采故障状态判断模型建立前，对完好煤层抽采钻孔的抽采流量与理论抽采流量进行比较，确定偏离量指数id；
8.s13：在抽采故障状态判断模型建立前，获取完好煤层抽采钻孔的抽采流量曲线，确定瓦斯抽采流量变化特征指数iq；
9.s14：利用s11、s12、s13获得的因素集u、评价集v、偏离量指数id和瓦斯抽采流量变化特征指数iq确定综合评价向量b＝w
×
r，建立抽采故障状态判断模型，判断瓦斯抽采钻孔故障状态及故障原因。
10.可选的，所述因素集u和评价集v建立的依据是模糊综合评判法。
11.可选的，所述偏离量指数id的确定依据中的理论抽采流量是由煤层瓦斯运移的固-气耦合动力学模型计算而得。
12.可选的，所述瓦斯抽采流量变化特征指数iq是基于瓦斯流量信号时间序列的滑动平均线、偏离率和离散率来确定。
13.可选的，所述方法中的抽采钻孔故障的因素集u、评价集v、权重集w、单因素评价矩阵r的确定，包括以下步骤：
14.步骤s101：建立因素集，即影响评判对象的各个因素组成的集合，表示为u＝{u1,u2,u3,...,un}；其中，元素ui是若干影响因素，i＝1,2,
…
,n；
15.步骤s102：建立评价集，即对评判对象可能做出的评判结果所成的集合，表示为v＝{v1,v2,v3,...,vm}，其中元素vj为若干可能做出的评判结果，j＝1,2,
…
,m；
16.步骤s103：建立权重集，针对因素集u中各个元素在评判中具有的重要程度，对各个元素u按重要程度给出不同的权重集w，w为因素集u上的模糊子集，表示为w＝{w1,w2,w3···
,wn}；
17.步骤s104：建立单因素评判集，对因素集中某一因素ui进行评判，评价其对评价集中任一元素vj的隶属度r
ij
，则元素ui的评判结果就是其评判集，为ri＝{r
i1
,r
i2
,r
i3
,
···
,r
im
}。
18.可选的，所述确定偏离量指数id，包括以下步骤：
19.步骤s201：在抽采钻孔故障状态判断方法应用区域选择完整的瓦斯抽采钻孔，监测其实时瓦斯抽采流量，获得流量变化曲线；
20.步骤s202：根据式1d井下煤层瓦斯运移的固-气耦合动力学模型和应用区域瓦斯地质条件绘制理论瓦斯抽采流量曲线；
[0021][0022]
步骤s203：确定偏离量预警值δ，为0.2，根据瓦斯赋存的稳定性以及现场实测的瓦斯抽采流量波动程度进行确定与修正；
[0023]
步骤s204：确定实测流量与理论流量的偏离量指数id，钻孔瓦斯抽采流量在t时刻对应的实测流量为q
t
，理论值为q
t
，偏离量预警值为δ，则偏离量指数id(x)具体如下：
[0024][0025]
可选的，所述确定瓦斯抽采流量变化特征指数iq，包括以下步骤：
[0026]
步骤s301：根据步骤s201获得流量变化曲线确定n时刻内的滑动平均线的滑动平均值a(n)
t
；
[0027][0028]
步骤s302：根据滑动平均值a(n)
t
和t时刻的瓦斯抽采流量x
t
确定t时刻的偏离率y(n)
t
；
[0029][0030]
步骤s303：根据t时刻m时间长度内的瓦斯抽采流量平均值μ确定t时刻的离散率v(m)
t
；
[0031][0032]
步骤s304：对滑动平均值、偏离率和离散率进行分别赋值，若没有出现异常波动，则赋值为0，若某一项出现异常波动，则赋值为1；
[0033]
步骤s305：设滑动平均值、偏离率和离散率赋值α、β和γ，令y＝α+β+γ，则y＝{0,1,2,3}，得瓦斯抽采流量变化特征指数iq(y)；
[0034][0035]
可选的，所述建立抽采故障状态判断模型，判断瓦斯抽采钻孔故障状态及故障原因，包括以下步骤：
[0036]
步骤s401：由单因素矩阵ri构成多因素综合评判r，即：
[0037]
r＝{r1,r2,...,rn}
t
(7)
[0038]
步骤s402：对因素权重集w和评判矩阵r按照模糊矩阵的乘法运算，得到模糊综合评判指标bi和模糊综合评判集b，i＝1,2,
…
,m，即：
[0039]
b＝wr＝{b1,b2,,b3,...,bm}(8)
[0040]
步骤s403：计算简化模糊综合评判集b，得到以实测流量与理论值的偏离量指数id和瓦斯抽采流量变化特征指数iq为自变量，瓦斯抽采钻孔运行状态i为因变量的函数表达式：
[0041]
i(x,y)＝w1id(x)+w2iq(y)(9)
[0042]
步骤s404：根据不同评价方式对w1,w2进行不同的赋值，建立瓦斯抽采钻孔运行状态故障指数i判定抽采钻孔存在故障状态可能性在语义上的等级，包括“无故障”、“有可能故障”、“故障”3个等级；
[0043]
步骤s405：根据瓦斯抽采钻孔运行状态故障指数i判定抽采钻孔存在故障状态可能性及状态。
[0044]
本发明的有益效果在于：本发明通过对目标煤层的实际瓦斯抽采效果和理论抽采效果进行分析，确定其抽采流量的偏离量指数及变化特征指数，基于模糊综合评判法建立抽采钻孔的故障状态的评判模型，协助工作人员准确发现问题钻孔并快速针对性的解决问题，延长抽采钻孔的生命周期，确保高瓦斯低透气性煤层的瓦斯灾害防治及煤层气的开采。
[0045]
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
[0046]
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：
[0047]
图1是本发明中抽采钻孔故障判断模型建立流程图；
[0048]
图2是本发明中单因素评价流程图；
[0049]
图3是本发明中瓦斯抽采流量偏离量指数计算流程图；
[0050]
图4是本发明中瓦斯抽采流量变化特征指数计算流程图；
[0051]
图5是本发明中瓦斯抽采故障状态判断模型流程图。
具体实施方式
[0052]
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。
[0053]
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。
[0054]
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。
[0055]
请参阅图1～图5，为一种煤矿瓦斯抽采钻孔故障状态判断方法，包括以下步骤：
[0056]
s11：在抽采故障状态判断模型建立前，确定影响瓦斯抽采钻孔故障的因素集u、评价集v、权重集w、单因素评价矩阵r；
[0057]
s12：在抽采故障状态判断模型建立前，对完好煤层抽采钻孔的抽采流量与理论抽采流量进行比较，确定偏离量指数id；
[0058]
s13：在抽采故障状态判断模型建立前，获取完好煤层抽采钻孔的抽采流量曲线，确定瓦斯抽采流量变化特征指数iq；
[0059]
s14：利用s11、s12、s13获得的因素集u、评价集v、偏离量指数id、瓦斯抽采流量变
化特征指数iq等确定综合评价向量b＝w
×
r，建立抽采故障状态判断模型，判断瓦斯抽采钻孔故障状态及故障原因。
[0060]
s101：建立因素集，由实测流量与理论值的偏离量和瓦斯抽采流量变化特征2个评判因素构成，可表示为u＝{u1,u2}；
[0061]
s102：建立评价集，抽采钻孔的评判结果有钻孔故障运行和钻孔正常运行两种，可表示为v＝{i，ii}；
[0062]
s103：建立权重集，由于因素集由2个因素组成，故权重集w为w＝{w1,w2}，且满足w1+w2＝1；
[0063]
s104：建立单因素评判集，由于u、v均由2个因素组成，因此ri＝(r
i1
,r
i2
),i＝(1,2)，同时建立u中各因素对评价集v的隶属函数关系，采用公式法表示，u2＝{实测流量与理论值的偏离量}的评价集的隶属函数为：
[0064][0065]
u2＝{瓦斯抽采流量变化特征}的评价集的隶属函数为：
[0066][0067]
可得单因素评价矩阵为：
[0068][0069]
s201：在抽采钻孔故障状态判断方法应用区域选择完整的瓦斯抽采钻孔，监测其实时瓦斯抽采流量，获得流量变化曲线；
[0070]
s202：根据井下煤层瓦斯运移的固-气耦合动力学模型(式13)和应用区域瓦斯地质条件绘制理论瓦斯抽采流量曲线；
[0071][0072]
s203：确定偏离量预警值δ，一般为0.2，亦可根据瓦斯赋存的稳定性以及现场实测的瓦斯抽采流量波动程度进行确定与修正；
[0073]
s204：确定实测流量与理论流量的偏离量指数id，钻孔瓦斯抽采流量在t时刻对应的实测流量为q
t
，理论值为q
t
，偏离量预警值为δ，则偏离量指数id(x)具体如下：
[0074][0075]
s301：根据s201获得流量变化曲线确定n时刻内的滑动平均线的滑动平均值a(n)
t
；
[0076][0077]
s302：根据滑动平均值a(n)
t
和t时刻的瓦斯抽采流量x
t
确定t时刻的偏离率y(n)
t
；
[0078][0079]
s303：根据t时刻m时间长度内的瓦斯抽采流量平均值μ确定t时刻的离散率v(m)
t
；
[0080][0081]
s304：对滑动平均值、偏离率和离散率进行分别赋值，若没有出现异常波动，则赋值为0，若某一项出现异常波动，则赋值为1；
[0082]
s305：设滑动平均值、偏离率和离散率赋值α、β和γ，令y＝α+β+γ，则y＝{0，1，2，3}，可得瓦斯抽采流量变化特征指数iq(y)。
[0083]
[0084]
s401：由单因素矩阵ri构成多因素综合评判r，即：
[0085]
r＝{r1,r2}
t
(19)
[0086]
s402：对因素权重集w和评判矩阵r按照模糊矩阵的乘法运算，得到模糊综合评判指标bi(i＝1,2,
…
,m)和模糊综合评判集b，即：
[0087]
b＝wr＝{b1,b2}＝{w1,w2}{r1,r2}
t
(20)
[0088]
s403：将式12代入式20，得：
[0089][0090]
计算简化模糊综合评判集b，可得到以实测流量与理论值的偏离量指数id和瓦斯抽采流量变化特征指数iq为自变量，瓦斯抽采钻孔运行状态i为因变量的函数表达式：
[0091]
i(x,y)＝w1id(x)+w2iq(y)(22)
[0092]
s404：根据不同评价方式对w1,w2进行不同的赋值，建立瓦斯抽采钻孔运行状态故障指数i判定抽采钻孔存在故障状态可能性在语义上的等级，设为“无故障”、“有可能故障”、“故障”3个等级，对应可能存在的故障状态。
[0093]
表1模糊综合评价模型评价抽采钻孔故障运行可能性指标
[0094]
序号存在故障的等级可能性评价指数1无故障0.0～0.52有可能故障0.5～0.83故障0.8～1.0
[0095]
s405：根据瓦斯抽采钻孔运行状态故障指数i判定抽采钻孔存在故障状态可能性及状态。
[0096]
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。