一种煤矿充填料浆采空区流动扩散场可视化监测方法与流程

本技术涉及煤矿充填监测，更具体地说，本技术涉及一种煤矿充填料浆采空区流动扩散场可视化监测方法。

背景技术：

1、煤矿充填开采过程中，充填料浆经充填管路输送至采空区，并在顶板、底板及周边煤岩体限定的空间内流动扩散。由于充填区域内部难以直接观察，需要对充填料浆在不同空间位置的到达和扩散状态进行监测，以掌握充填料浆在采空区内的实际流动范围。

2、充填料浆通常包含浆体介质和骨料颗粒。在采用煤矸石作为骨料的充填过程中，煤矸石颗粒密度较大，在随浆体流动过程中可能发生离析和沉降，使煤矸石颗粒的迁移受到限制，而浆体介质仍可继续向远离充填口的区域流动，由此造成浆体介质与煤矸石颗粒的实际到达范围存在差异。

3、当浆体介质已经到达而煤矸石颗粒尚未有效到达时，如果不能识别两者之间的迁移差异，容易扩大对煤矸石颗粒实际到达范围的判断，使煤矸石颗粒的扩散位置、扩散顺序和扩散边界与实际状态不一致，进而影响对采空区内充填料浆流动扩散状态的准确掌握。

4、现有充填料浆扩散监测通常以充填料浆的整体流动状态作为监测对象，对浆体介质与骨料颗粒发生不同步迁移时的状态差异缺乏有效区分，难以分别确定两类组分的实际到达状态。因此，现有技术的根本缺陷在于缺乏对充填料浆不同组分迁移状态的区分能力。

技术实现思路

1、为了克服现有技术难以区分水泥-粉煤灰浆体到达状态、压力传递状态和煤矸石颗粒迁移状态，导致煤矸石颗粒扩散顺序和扩散前沿判断错误的缺陷，本技术提供如下技术方案：一种煤矿充填料浆采空区流动扩散场可视化监测方法，包括：

2、获取各监测区段与充填口的空间位置数据；调节充填泵输送流量形成充填压力事件，采集各监测区段的温度响应数据、振动响应数据和充填压力数据；

3、根据温度响应数据，对各监测区段的温度响应变化进行分析，确定水泥-粉煤灰浆体到达区段，得到水泥-粉煤灰浆体到达数据；

4、对充填压力数据进行事件划分，得到压力事件数据；根据压力事件数据和水泥-粉煤灰浆体到达数据，对水泥-粉煤灰浆体到达区段的振动响应数据进行时空关联，分离相邻监测区段共同出现的压力传递响应，得到局部振动数据；

5、根据空间位置数据、压力事件数据和局部振动数据，分析局部振动随充填压力事件重复出现以及响应时延沿远离充填口方向递增的关系，确定煤矸石颗粒到达区段和煤矸石颗粒到达时刻，得到煤矸石颗粒到达数据；

6、根据空间位置数据、水泥-粉煤灰浆体到达数据和煤矸石颗粒到达数据，确定水泥-粉煤灰浆体先行区段、煤矸石颗粒扩散顺序和扩散前沿，得到充填料浆流动扩散场数据。

7、进一步地，得到所述水泥-粉煤灰浆体到达数据的方法包括：

8、充填作业开始前连续采集各监测区段的背景温度响应，以各监测区段的背景温度响应中位数作为对应的背景温度基准值，确定背景温度响应相对背景温度基准值的最大自然温降量，并将最大自然温降量与两倍温度测量误差上限之和确定为浆体到达温降阈值；

9、充填过程中连续采集当前温度响应，根据当前温度响应与背景温度基准值确定当前温降量，将当前温降量与浆体到达温降阈值比较，得到浆体到达证据；

10、根据连续浆体到达证据确定水泥-粉煤灰浆体到达区段和水泥-粉煤灰浆体到达时刻，得到所述水泥-粉煤灰浆体到达数据。

11、进一步地，所述得到水泥-粉煤灰浆体到达证据并确定水泥-粉煤灰浆体到达区段和水泥-粉煤灰浆体到达时刻，包括：

12、根据温度监测结构的响应时间和温度采样周期确定浆体到达确认采样点数量，取所述响应时间与温度采样周期之比向上取整后的整数，并使浆体到达确认采样点数量不小于两个；

13、当前温降量大于或者等于浆体到达温降阈值时，将对应当前温度响应确定为浆体到达证据；

14、连续浆体到达证据数量达到浆体到达确认采样点数量时，将对应监测区段确定为水泥-粉煤灰浆体到达区段，并将连续序列中最早浆体到达证据对应的采样时刻确定为水泥-粉煤灰浆体到达时刻。

15、进一步地，得到所述局部振动数据的方法包括：

16、相邻监测区段均为水泥-粉煤灰浆体到达区段后，通过压力传播预试验确定标定允许时间偏移范围；

17、在所述范围内，对用于压力传递响应标定的充填压力事件中相邻监测区段的振动响应进行时间偏移比较，提取候选共同振动成分，得到压力传递响应标定数据；

18、根据压力事件数据和水泥-粉煤灰浆体到达数据确定共同分析时段，比较共同分析时段内振动响应的时间偏移，确定压力传递响应和时间偏移量；

19、根据时间偏移量和压力传递响应标定数据，对压力传递响应进行时间校正和幅值适配，并从振动响应数据中分离压力传递响应，得到保留振动响应数据；

20、根据保留振动响应数据识别局部振动，得到所述局部振动数据。

21、进一步地，所述确定共同分析时段并确定压力传递响应，包括：

22、根据压力传递响应标定数据确定响应延续时间，结合压力事件开始时刻和压力事件结束时刻确定振动分析时间窗口；

23、根据水泥-粉煤灰浆体到达时刻确定分析起点，以较晚分析起点至相邻监测区段振动分析时间窗口共同结束时刻为共同分析时段；

24、根据压力传递响应标定数据和非压力事件背景振动数据确定压力传递相关阈值；

25、在标定允许时间偏移范围内沿远离充填口方向设置候选时间偏移量并确定振动变化形态对应程度，将最大值及对应时间偏移量分别确定为目标对应程度和目标时间偏移量；

26、目标对应程度达到压力传递相关阈值且振动变化在相邻监测区段连续出现时，确定压力传递响应。

27、进一步地，所述对压力传递响应进行时间校正、幅值适配和分离，包括：

28、将距离充填口较近和较远的相邻监测区段分别确定为参考监测区段和目标监测区段；

29、根据多个用于压力传递响应标定的充填压力事件中参考监测区段和目标监测区段的时间校正振动响应数据，分别确定幅值适配系数，以各幅值适配系数的中位数作为目标幅值适配系数；

30、根据目标时间偏移量和目标幅值适配系数，对参考监测区段的振动响应进行时间校正和幅值变换，得到压力传递响应估计结果；

31、从目标监测区段振动响应数据中分离压力传递响应估计结果，得到保留振动响应数据；

32、分离后的振动变化形态对应程度低于目标对应程度时，确认压力传递响应分离结果有效。

33、进一步地，得到所述煤矸石颗粒到达数据的方法包括：

34、根据压力变化方向、压力变化幅度和压力变化持续时间筛选充填压力事件；

35、统计监测区段在所述充填压力事件中的局部振动出现次数，筛选满足局部振动重复出现条件的监测区段；

36、以局部振动开始时刻相对压力事件开始时刻的时间间隔为响应时延；

37、按同一监测路径内监测区段至充填口的路径距离排列所述监测区段，根据相邻监测区段响应时延递增关系形成连续监测区段序列；

38、将水泥-粉煤灰浆体到达状态为已到达且属于连续监测区段序列的监测区段确定为煤矸石颗粒到达区段；

39、从用于重复确认且充填压力事件用于时延关系确认的局部振动记录中取最早局部振动开始时刻为煤矸石颗粒到达时刻，得到所述煤矸石颗粒到达数据。

40、进一步地，所述重复确认次数和时延关系确认次数的确定，包括：

41、按煤矸石颗粒到达判断使用的事件数量对背景验证事件分组，对振动响应数据分离压力传递响应并识别背景局部振动；

42、重复确认次数大于背景局部振动最大出现次数且不大于每组事件数量，局部振动出现次数达到重复确认次数时满足局部振动重复出现条件；

43、较远监测区段响应时延大于较近监测区段响应时延，且差值大于两监测区段局部振动开始时刻定位误差上限之和时，确定响应时延递增关系；

44、时延关系确认次数大于偶然时延递增最大次数且不大于每组事件数量；

45、符合响应时延递增关系的充填压力事件数量达到时延关系确认次数时，确定相邻监测区段符合响应时延递增关系。

46、进一步地，得到所述充填料浆流动扩散场数据的方法包括：

47、水泥-粉煤灰浆体到达数据、煤矸石颗粒到达数据任一更新时确定数据更新时间；

48、在同一数据更新时间，将水泥-粉煤灰浆体到达状态为已到达且煤矸石颗粒到达状态为未确认到达的监测区段确定为水泥-粉煤灰浆体先行区段；

49、按煤矸石颗粒到达时刻排列各监测路径内煤矸石颗粒到达区段，得到煤矸石颗粒扩散顺序；

50、根据空间位置数据中的监测区段至充填口的路径距离，筛选各监测路径中距离充填口最远的煤矸石颗粒到达区段，以所述煤矸石颗粒到达区段的空间位置作为对应监测路径的扩散边界位置；

51、根据各扩散边界位置确定扩散前沿；

52、关联数据更新时间、空间位置数据、水泥-粉煤灰浆体先行区段、煤矸石颗粒扩散顺序和扩散前沿，得到所述充填料浆流动扩散场数据。

53、进一步地，所述得到煤矸石颗粒扩散顺序并确定扩散边界位置和扩散前沿，包括：

54、根据两个煤矸石颗粒到达区段对应的局部振动开始时刻定位误差上限和数据采集时钟同步误差上限，确定煤矸石颗粒到达时刻比较误差范围；

55、煤矸石颗粒到达时刻之差大于所述煤矸石颗粒到达时刻比较误差范围时，按照煤矸石颗粒到达时刻排列对应煤矸石颗粒到达区段，小于或者等于所述煤矸石颗粒到达时刻比较误差范围时，不区分对应煤矸石颗粒到达区段之间的先后顺序；

56、将每一监测路径中距离充填口最远的煤矸石颗粒到达区段的空间位置确定为扩散边界位置，不为未确定煤矸石颗粒到达区段的监测路径确定扩散边界位置；

57、将各扩散边界位置的集合确定为扩散前沿。

58、与现有技术相比，本技术的一种煤矿充填料浆采空区流动扩散场可视化监测方法的技术效果和优点为：

59、本技术通过调节充填泵输送流量形成充填压力事件，以压力事件数据为不同监测区段振动响应的共同时间参照，并根据温度响应变化确定水泥-粉煤灰浆体到达区段，使水泥-粉煤灰浆体到达状态与煤矸石颗粒到达状态分别进行识别；根据压力事件数据和水泥-粉煤灰浆体到达数据，对相邻监测区段的振动响应数据进行时空关联，分离相邻监测区段共同出现的压力传递响应，能够减少充填泵输送流量变化和充填管路压力变化产生的振动对局部振动识别的影响；结合局部振动随多个充填压力事件重复出现以及响应时延沿远离充填口方向递增的关系，确定煤矸石颗粒到达区段和煤矸石颗粒到达时刻，能够减少将水泥-粉煤灰浆体先行区段、偶发局部振动或者压力传递振动对应区段错误确定为煤矸石颗粒到达区段的情况；根据空间位置数据、水泥-粉煤灰浆体到达数据和煤矸石颗粒到达数据确定水泥-粉煤灰浆体先行区段、煤矸石颗粒扩散顺序和扩散前沿，能够形成具有时间和空间对应关系的充填料浆流动扩散场数据，提高水泥-粉煤灰浆体与煤矸石颗粒扩散状态的区分能力以及扩散前沿监测结果的准确性。