一种基于gis的煤矿瓦斯地质动态分析方法

一种基于gis的煤矿瓦斯地质动态分析方法
【技术领域】
[0001]本发明属于煤矿安全技术领域，具体涉及一种基于GIS的煤矿瓦斯地质动态分析方法。
【背景技术】
[0002]我国是世界上最大的产煤国，煤炭资源在我国能源结构中的主体地位在相当长的一段时期内很难改变。同时，我国也是煤矿瓦斯灾害较为严重的国家之一，煤与瓦斯突出矿井、高瓦斯矿井众多，且分布较广；尤其是随着开采深度的增加，瓦斯治理难度也逐渐增大，严重影响着煤矿企业安全和高效生产。煤层瓦斯含量、压力等参数是煤矿瓦斯综合治理以及预测煤与瓦斯突出危险性的重要参数之一，对煤矿瓦斯治理有着重要的指导意义。
[0003]目前，煤矿瓦斯的分布采用瓦斯地质分析的方法进行分析和预测，通过研宄地质影响因素对瓦斯的影响进行分析，其表现形式一般为静态的瓦斯地质图；另外，当前煤矿地质和瓦斯资料数据也多以静态的文字报告、CAD图形等形式表达，其数据量较大，缺乏对空间数据的有效表达和分析，更不能随着“抽、掘、采”工序的进行而及时更新，不能及时反映瓦斯地质信息的最新变化情况，更不便于对数据规律进行深入的挖掘研宄。因此，为了更加形象、直观、及时动态地反映矿井瓦斯地质和瓦斯涌出信息，亟需一种煤矿瓦斯地质动态分析方法。
[0004]地理信息系统(GIS)是管理和分析空间数据的应用工程技术，其技术系统由计算机硬件、软件和相关的方法过程所组成，用以支持空间数据的采集、管理、处理、分析、建模和显示，以便解决复杂的空间分析、规划和管理问题；主要具有数据采集与输入、数据编辑与更新、数据存储与管理、空间查询与分析、空间决策支持、数据显示与输出等功能。因此，采用GIS的主要功能和优点及结合瓦斯地质动态分析需求，发明一种基于GIS的煤矿瓦斯地质动态分析方法。

【发明内容】

[0005]本发明的目的在于克服现有技术的不足，提出一种基于GIS的煤矿瓦斯地质动态分析方法，实现对煤矿瓦斯信息的动态更新和分析，及时反映矿井瓦斯地质信息，改变现有缺乏空间数据分析和不能及时反映地质信息的技术现状，有利于煤矿管理层及时掌握瓦斯动态信息，为瓦斯灾害防治提供决策支持，提高矿井的瓦斯防治能力。
[0006]本发明的目的及解决其主要技术问题是采用以下技术方案来实现的:一种基于GIS的瓦斯地质动态分析方法，具体包括以下步骤:
I)瓦斯含量及瓦斯地质影响因素数据的采集与动态更新，随着在生产过程中对开采条件和赋存条件认识的不断加深以及数据采集的不断增加，即时对瓦斯含量及瓦斯地质影响因素数据进行录入和更新，并基于GIS平台生成栅格数据进行存储。
[0007]进一步，所述步骤I)具体包括如下步骤:
II)基于GIS平台对采集的煤层埋深、厚度、围岩封闭性、变质程度、底板标高、地表高程数据进行离散数据网格化处理，生成其对应的栅格数据，并存储于GIS平台。
[0008]12)在新增或修改影响因素数据时，GIS平台自动将新增数据与已存在的同类数据进行离散数据网格化处理，重新生成其对应的栅格数据存储于GIS平台，从而实现瓦斯地质影响因素的动态更新。
[0009]2)运用瓦斯地质分析的方法建立已有瓦斯含量与其对应瓦斯地质影响因素的瓦斯地质数学模型，在新增瓦斯含量时，GIS平台自动查找其对应的影响因素数值，并基于已有瓦斯含量及影响因素值，再次生成瓦斯地质数学模型，从而实现瓦斯地质数学模型的动态更新。
[0010]3)根据瓦斯地质影响因素栅格数据与瓦斯地质数学模型计算和生成瓦斯含量、压力和煤与瓦斯突出危险区域。
[0011]进一步，所述步骤3)具体包括如下步骤:
31)瓦斯地质影响因素栅格数据结合瓦斯地质数学模型，计算生成矿区瓦斯含量栅格数据，并存储于GIS平台。
[0012]32)在瓦斯含量栅格的基础上对地质构造、保护层开采影响及瓦斯抽采影响区域的像元进行重新赋值，并在地质构造与保护层参数变化更新时，此步骤将重新处理以保证数据的动态性。
[0013]进一步，所述步骤32)具体包括如下步骤:
321)在地质构造(断层、褶皱)两侧创建多级缓冲区，依照缓冲区距地质构造轴线的距离对缓冲区的内瓦斯含量和压力栅格像元的影响大小进行重新赋值。
[0014]322)在对被保护层瓦斯含量和压力分布分析时，依据保护层与被保护层的间距及其对应的瓦斯排放率对被保护层瓦斯含量和压力栅格进行重新赋值。
[0015]323)在对抽采区域瓦斯含量和压力分布分析时，依据抽采区域内的瓦斯抽采动态采集的数据计算抽采区域内累计吨煤瓦斯抽采量，根据动态的吨煤瓦斯抽采量数据对煤层原始瓦斯含量栅格像元进行重新赋值。
[0016]33)在瓦斯地质影响因素栅格数据更新变化时，瓦斯含量栅格也随之动态生成和变化；同时，当瓦斯地质数学模型更新变化时，瓦斯含量栅格也随之动态生成。
[0017]34)在瓦斯含量栅格数据的基础上，利用瓦斯压力与瓦斯含量之间的关系(朗格缪尔方程)，计算和生成瓦斯压力栅格数据，并随之瓦斯含量栅格数据的变化而动态生成。
[0018]35)基于瓦斯含量和瓦斯压力栅格数据，利用GIS平台动态生成瓦斯含量、压力等值线，并在此基础上实现动态更新和划分煤与瓦斯突出危险区域，实现煤与瓦斯突出区域的动态预测。
[0019]本发明与现有技术相比具有明显的优点和有益效果。由以上技术方案可知，本发明实现对煤矿瓦斯地质信息的动态更新和分析，及时反映矿井瓦斯地质信息，改变了现有静态文字和图形表达，不能随着抽、掘、采工序技术更新技术现状，有利于煤矿管理层及时掌握瓦斯动态信息，为瓦斯灾害防治提供决策支持，提高了矿井的瓦斯防治能力。
【附图说明】
[0020]图1是本发明的步骤示意框图；
图2是本发明的瓦斯地质采样点数据集对像框图； 图3是本发明的煤层瓦斯地质影响因素栅格数据集对像框图；
图4是本发明的地质构造影响瓦斯含量栅格数据处理示意图；
图5是本发明的保护层开采影响瓦斯含量栅格数据处理示意图；
图6是本发明的瓦斯抽采影响瓦斯含量栅格数据处理示意图。
[0021]图中标记:矿井各部门采样数据收集9，瓦斯地质采样点数据集10，原始瓦斯含量采样点数据11，埋深采样点数据12，煤层厚度采样点数据13，封闭性采样点数据14，煤层变质程度采样点数据15，地表高程数据16，煤层底板标高采样点数据17，拟合回归数据20，瓦斯地质数学模型30，影响煤层瓦斯地质因素栅格数据集40，煤层埋深栅格41，煤层厚度栅格42，围岩封闭性栅格43，煤层变质程度栅格44，地质构造栅格45，地质构造影响模型51，保护层开采影响模型52，瓦斯抽采影响模型53，原始瓦斯含量栅格60，瓦斯含量栅格61，瓦斯压力、瓦斯涌出量栅格62，瓦斯地质动态查询分析70，突出危险区域预测71，瓦斯参数等值线集80。
【具体实施方式】
[0022]以下结合附图和较佳实施例，对依据本发明提出的一种基于GIS的煤矿瓦斯地质动态分析方法【具体实施方式】、特征及其功效，详细说明如后。
[0023]图1为本发明的步骤示意框图，一种基于GIS的煤矿瓦斯地质动态分析方法，所述GIS是地理信息系统平台，运用瓦斯地质分析的方法动态地建立瓦斯含量与地质影响因素的瓦斯地质数学模型，并在影响因素动态更新的基础上对瓦斯含量和压力瓦斯信息进行动态计算和更新；同时综合地质构造、保护层开采及瓦斯抽采对瓦斯的影响，实现对煤矿瓦斯含量、压力及煤与瓦斯突出危险区域的空间和动态分析，具体步骤如下:
I)矿井各部门采样数据收集9，获取瓦斯地质动态分析所需的瓦斯地质采样点数据集10，包括:原始瓦斯含量采样点数据11，埋深采样点数据12，煤层厚度采样点数据13，封闭性采样点数据14，煤层变质程度采样点数据15，地表高程数据16，煤层底板标高采样点数据17，详见图2矿区采样点数据集对像框图；瓦斯地质采样点数据集10通过筛选评价程序筛选出拟合回归数据20，建立瓦斯地质数学模型30，且瓦斯地质数学模型随着瓦斯地质采样点数据集10的新增而动态更新。
[0024]2)瓦斯地质采样点数据集10通过离散数据网格化处理，获得影响煤层瓦斯地质因素栅格数据集40，其中包括:煤层埋深栅格41，煤层厚 度栅格42，围岩封闭性栅格43，煤层变质程度栅格44，地质构造栅格45，且影响煤层瓦斯地质因素栅格数据集40随着采样点数据的新增而动态更新，影响煤层瓦斯地质因素栅格数据集40对像框图详见图3。
[0025]3)将影响煤层瓦斯地质因素栅格数据集40中各栅格数据代入瓦斯地质数学模型30，动态计算获得原始瓦斯含量栅格60。
[0026]4)获取矿区地质构造数据、保护层开采及瓦斯抽采数据，通过对数据的分析与矿区的实际考察分别建立地质构造影响模型51、保护层开采影响模型52和瓦斯抽采影响模型53 ;原始瓦斯含量栅格60经地质构造影响模型51、保护层开采影响模型52及瓦斯抽采影响模型53的处理，获得瓦斯含量栅格61，其中具体实施过程如下步骤:
41)地质构造影响模型51，在此模型中设定构造影响瓦斯含量变化值Z 人其中瓦斯含量变化值Z巧是距地质构造轴线距离d的函数，距轴线距离d越大对瓦斯影响越小。基于GIS平台，根据d大小对地质构造进行缓冲区处理，将其周边区域划分为N级缓冲区，见图4地质构造影响瓦斯含量栅格数据处理示意图，再根据缓冲区对煤层原始瓦斯含量栅格60的栅格像元进行重新赋值。
[0027]42)保护层开采影响模型52，由瓦斯排放率确定保护层开采影响瓦斯含量变化值Λ ^在此模型中由保护层采空区边界、煤层倾角、煤层间距、卸压角来计算被保护范围，见图5保护层开采影响瓦斯含量栅格数据处理示意图，排放率由被保护层与保护层的间距确定，根据Ζ I对煤层原始瓦斯含量栅格60的栅格像元进行重新赋值。
[0028]43)瓦斯抽采影响模型53，由抽采区域内的瓦斯抽采动态采集的数据计算抽采区域内累计吨煤瓦斯抽采量，见图6瓦斯抽采影响瓦斯含量栅格数据处理示意图，根据动态的吨煤瓦斯抽采量数据对煤层原始瓦斯含量栅格60的栅格像元进行重新赋值。
[0029]5)通过朗格缪尔方程对瓦斯含量栅格61进行反算获得瓦斯压力栅格，同时采用分源预测法对瓦斯含量栅格61进行栅格计算获得瓦斯涌出量栅格。
[0030]6)利用GIS等值线追踪功能对瓦斯含量栅格61和瓦斯压力、瓦斯涌出量栅格62进行等值线追踪获得瓦斯参数等值线集80，其中包括:瓦斯含量等值线、瓦斯压力等值线、瓦斯涌出量等值线。
[0031]7)根据瓦斯参数等值线集80运用GIS的空间分析功能对煤与瓦斯突出危险区域预测71，划分突出危险区域与非突出危险区域。
[0032]8)当在瓦斯地质采样点数据集10、地质构造影响模型51、保护层开采影响模型52、瓦斯抽采影响模型53发生变化时，利用GIS平台对瓦斯地质数学模型30和瓦斯含量栅格61进行重新计算和更新，从而达到瓦斯地质动态查询分析70的目的。
[0033]本发明在现有的瓦斯地质分析方法基础上对瓦斯地质采样数据进行了离散数据网格化转变成栅格数据的形式，实现了瓦斯地质的动态分析。此外，分析模型不但考虑地质构造的影响，而且还考虑了保护层开采的影响，进一步提高了数据的适用范围和精确度。
[0034]以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，任何未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。
【主权项】
1.一种基于GIS的煤矿瓦斯地质动态分析方法，所述GIS是地理信息系统平台，运用瓦斯地质分析的方法动态地建立瓦斯含量与地质影响因素的瓦斯地质数学模型，并在影响因素动态变化的基础上对瓦斯含量和压力信息进行动态计算和更新；同时综合地质构造、保护层开采、瓦斯抽采对瓦斯的影响，实现对煤矿不同区域煤层瓦斯含量、压力及煤与瓦斯突出危险性的动态分析；其特征在于:具体步骤如下: 1)矿井各部门采样数据收集(9)，获取瓦斯地质动态分析所需的瓦斯地质采样点数据集(10)，瓦斯地质采样点数据集(10)通过筛选评价程序筛选出拟合回归数据(20)，建立瓦斯地质数学模型(30)，且瓦斯地质数学模型随着瓦斯地质采样点数据集(10)的新增而动态更新； 2)瓦斯地质采样点数据集(10)通过离散数据网格化处理，获得影响煤层瓦斯地质因素栅格数据集(40)，且影响煤层瓦斯地质因素栅格数据集(40)随着采样点数据的新增而动态更新； 3)将影响煤层瓦斯地质因素栅格数据集(40)中各栅格数据代入瓦斯地质数学模型(30)，动态计算获得原始瓦斯含量栅格(60)； 4)获取矿区地质构造数据、保护层开采数据，通过对数据的分析与矿区的实际考察分别建立地质构造影响模型(51)及保护层开采影响模型(52);原始瓦斯含量栅格(60)经地质构造影响模型(51)、保护层开采影响模型(52)及瓦斯抽采影响模型(53)的处理，获得新的瓦斯含量栅格(61)； 5)通过朗格缪尔方程对瓦斯含量栅格(61)进行反算获得瓦斯压力栅格，同时采用分源预测法对瓦斯含量栅格(61)进行栅格计算获得瓦斯涌出量栅格； 6)利用GIS等值线追踪功能对瓦斯含量栅格(61)和瓦斯压力、瓦斯涌出量栅格(62)进行等值线追踪获得瓦斯参数等值线集(80)，其中包括:瓦斯含量等值线、瓦斯压力等值线、瓦斯涌出量等值线； 7)根据瓦斯参数等值线集(80)运用GIS的空间分析功能进行煤与瓦斯突出危险区域预测(71)，划分突出危险区域与非突出危险区域； 8)当在瓦斯地质采样点数据集(10)、地质构造影响模型(51)、保护层开采影响模型(52)及瓦斯抽采影响模型(53)发生变化时，利用GIS平台对瓦斯地质数学模型(30)和瓦斯含量栅格(61)进行重新计算和更新，进而实现瓦斯地质动态查询分析(70 )。2.如权利要求1所述的一种基于GIS的煤矿瓦斯地质动态分析方法，其特征在于:所述瓦斯地质采样点数据集(10)包括:原始瓦斯含量采样点数据(11)，埋深采样点数据(12)，煤层厚度采样点数据(13)，封闭性采样点数据(14)，煤层变质程度采样点数据(15)，地表高程数据(16)，煤层底板标高采样点数据(17)。3.如权利要求1所述的一种基于GIS的煤矿瓦斯地质动态分析方法，其特征在于:所述影响煤层瓦斯地质因素栅格数据集(40)包括:煤层埋深栅格(41)，煤层厚度栅格(42)，围岩封闭性栅格(43 )，煤层变质程度栅格(44 )，地质构造栅格(45 )。4.如权利要求1所述的一种基于GIS的煤矿瓦斯地质动态分析方法，其特征在于:所述步骤4)具体实施过程如下: 41)地质构造影响模型51，在此模型中设定构造影响瓦斯含量变化值Z 人其中瓦斯含量变化值Z巧是距地质构造轴线距离d的函数，距轴线距离d越大对瓦斯含量影响越小；基于GIS平台，根据d大小对地质构造进行缓冲区处理，将其周边区域划分为N级缓冲区，再根据缓冲区对煤层原始瓦斯含量栅格60的栅格像元进行重新赋值； 42)保护层开采影响模型52，由瓦斯排放率确定保护层开采影响瓦斯含量变化值ZW2,在此模型中由保护层采空区边界、煤层倾角、煤层间距、卸压角来计算被保护范围，排放率由被保护层与保护层之间的间距确定，根据Z I对煤层原始瓦斯含量栅格60的栅格像元进行重新赋值； 43)瓦斯抽采影响模型53，由抽采区域内的瓦斯抽采动态采集的数据计算抽采区域内吨煤瓦斯抽采量，根据动态的吨煤瓦斯抽采量数据对原始瓦斯含量栅格60的栅格像元进行重新赋值。
【专利摘要】本发明公开了一种基于GIS的煤矿瓦斯地质动态分析方法，所述方法是基于GIS地理信息系统平台，运用瓦斯地质分析的方法动态地建立瓦斯含量与地质影响因素的瓦斯地质数学模型，并在影响因素动态变化的基础上对瓦斯含量、压力等瓦斯信息进行动态计算和更新；同时综合地质构造、保护层开采、瓦斯抽采等对瓦斯的影响，实现对煤矿不同区域煤层瓦斯含量、压力及煤与瓦斯突出危险性的动态分析。本发明实现了煤矿瓦斯地质信息的动态分析和计算更新，改变了现有技术缺乏空间数据分析和不能及时反映地质信息的现状，有利于煤矿管理层及时掌握瓦斯动态信息，为瓦斯灾害防治提供决策支持，提高了矿井的瓦斯防治能力。
【IPC分类】G01V9/00
【公开号】CN104880739
【申请号】CN201510343222
【发明人】韩真理, 李晓华, 周炳秋, 马曙, 向龙, 康付如
【申请人】贵州省矿山安全科学研究院
【公开日】2015年9月2日
【申请日】2015年6月19日