一种矿震、冲击地压的全频广域震动监测系统的制作方法

本发明涉及矿山矿震、冲击地压领域，尤其涉及一种矿震、冲击地压的全频广域震动监测系统。

背景技术：

冲击地压是我国深部开采矿井面临的主要动力灾害之一。我国首例冲击地压于1933年发生在抚顺胜利煤矿，距今已有83年，期间我国学者围绕冲击地压发生机理、危险性评价方法与技术、防治技术及机具、监测技术与装备进行了持续深入研究。但总体上我国冲击地压矿井数量在不断增加(如由1990年的58个增加到2015年的150个)，冲击地压矿井覆盖省份在不断增多(由原来的辽宁、北京、江苏、山东、河南等5个省份逐渐扩展到黑龙江、陕西、内蒙古、新疆等10余个省份)，冲击地压矿井涵盖条件逐渐普遍化，如开采深度由300m至1500m，顶板由700m巨厚基岩到700m巨厚表土，煤层厚度由1m到12m，煤层倾角0到87°，工作面倾斜长度由30m到270m，都发生过冲击地压灾害。近10年来，我国学者和现场工程技术人员在与冲击地压灾害博弈过程中积累了一些宝贵经验，尤其在冲击地压监测预警方面获得了一些具有自主知识产权的成果。

监测预警作为冲击地压防治的重要环节之一，其直接作用是告诉现场施工人员“冲击地压威胁何时来、从哪来、破坏程度如何”，从而提醒现场施工人员及时实施防护措施。冲击地压监测的实时性和预警的可靠性直接决定着现场施工人员能否及时准确发现冲击危险信息。近年来冲击地压监测预警技术的发展也主要集中在监测的实时性和预警的可靠性两个方面。目前，冲击地压遇到的难题(冲击地压监测预警面临的困难)主要体现在发生机理的复杂性与监测物理量的单一性不匹配、监测手段的多样性与预警指标阀值的不确定性不匹配、破坏方式的多样性与监测布点的确定性不匹配、监测数据的庞杂性与危险信息反馈的及时性不匹配。

技术实现要素：

为了克服上述现有技术中的不足，本发明的目的在于，提供一种矿震、冲击地压的全频广域震动监测系统，包括：用于监测频带范围0.5～60Hz的低频地震监测子系统、用于监测频带范围1～150Hz的中低频微震监测子系统、用于监测频带范围60～1500Hz的中高频微震监测子系统、用于监测频带高于1500Hz的高频地音监测子系统；

所述低频地震监测子系统包括：地面监控主机、设置在矿区地下，并与地面监控主机通信连接的的若干个拾震传感器；地面监控主机包括：数据处理机、以太网通信装置；所述数据处理机内设有微震数据定位模块、地震能量计算模块、微震信号分析模块；

所述中低频微震监测子系统包括用于对全矿范围内发生的微震事件进行实时监测，自动记录微震事件，并进行震源定位和微震能量计算；分析危险区域微震事件日常分布规律，动态评价相关区域冲击危险等级，指导矿井冲击地压防治工作；系统自带软件可以根据监测结果对各个区域的冲击危险进行实时评价，便于及时掌握矿井范围内冲击地压灾害的动态变化趋势，一旦发现某一区域出现异常情况，可以更有针对性的采取解危措施，为防止事故发生或降低事故危险程度提供了宝贵时间，大大提高了矿井冲击地压防治的工作效率。

优选地，所述高频地音监测子系统包括：地音探头、地音活动实时监测模块、生产判断模块、危险性评价模块；

地音探头设置在具有潜在冲击危险区域布置，每个冲击危险区域布置多个地音探头，探头安装在锚杆露头位置，探头距离至工作面端头或掘进工作面的迎头距离≥25m，随着工作面的推进，探头交替向前移动；

地音活动实时监测模块用于实时获取地音探头监测的地音信号，自动统计各探头每分钟地音活动的能量和频次；对比监测区域内的两个探头每分钟的地音频次，选取地音频次较低的探头监测到能量和频次作为该分钟内所在监测区域的地音活动能量和频次值；

生产判断模块用于根据监测区域内每分钟的地音活动能量和频次计算每小时或每班次地音活动的能量和频次，同时结合井下是否生产，分别计算得到生产期间或非生产期间的小时或班地音能量和频次异常系数；

危险性评价模块用于选取小时或班地音能量和频次异常系数较大的指标值进行冲击危险性评价。

优选地，所述中高频微震监测子系统采用KJ551微震监测系统。

优选地，还包括：震级换算子系统；

所述震级换算子系统包括：震级系数调取模块、地震震级计算模块、转换系数设定模块、转换模块；

所述震级系数调取模块用于分别调取低频地震监测子系统、中低频微震监测子系统、中高频微震监测子系统、高频地音监测子系统的震级计算公式，并与地震观测规范ML震级对比计算，分别求取低频地震监测子系统、中低频微震监测子系统、中高频微震监测子系统、高频地音监测子系统的震级系数；

所述地震震级计算模块用于根据矿山地震震级M的计算方法，确定持时震级(Md)和能量(E)之间的计算模型及参数；

所述转换系数设定模块用于确立低频地震监测子系统、中低频微震监测子系统、中高频微震监测子系统、高频地音监测子系统之间的震级转换系数；

所述转换模块用于求取最终的转换模型，实现低频地震监测子系统、中低频微震监测子系统、中高频微震监测子系统、高频地音监测子系统间震级的统一转换与表示方法。

优选地，还包括：微震监测预警及阈值确立子系统；

微震监测预警及阈值确立子系统用于通过监测和分析矿山震动信息对诱发型冲击地压进行预警；还用于通过分析综放采场震动能量释放规律，确定震动日释放能量及单位推进度能量预警指标临界值，或通过对工作面开采期间震动数据的统计分析，结合现场工序情况，建立工作面日释放能量区间阈值，当释放的震动能量超出预警指标临界值时，发出预警信息；当工作面日释放能量超出区间阈值时，发出预警信息。

优选地，还包括：微震数据分析处理子系统；

微震数据分析处理子系统分别与低频地震监测子系统、中低频微震监测子系统、中高频微震监测子系统、高频地音监测子系统通信连接，微震数据分析处理子系统用于分别对低频地震监测子系统、中低频微震监测子系统、中高频微震监测子系统、高频地音监测子系统的各个传感器进行灵敏度测试，并就监测范围内的震动波传播速度进行标定；对现场采集的微震信号进行预处理，预处理包括滤波、去噪处理；提取现场波形的特征并进行初步识别操作，建立快速分类识别体系；对有效微震事件进行统计分析操作，提取单微震事件的频率、小波包能量分布等特征，同时统计分析微震事件的震级、能量、空间分布密度特征。

从以上技术方案可以看出，本发明具有以下优点：

矿震、冲击地压的全频广域震动监测系统具有全频广域的矿山震动监测技术，构建了不同频带范围的监测和预警，同时实现了指标换算、统一机制，实现了全频段、广频域的综合监测、预警，实现了矿山冲击地压等的快速、准确预警。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为矿震、冲击地压的全频广域震动监测系统的整体示意图；

图2为巷道在掘进过程中示意图；

图3为巷道处于动态平衡的稳定状态示意图。

具体实施方式

为使得本发明的发明目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面将运用具体的实施例及附图，对本发明保护的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，下面所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而非全部的实施例。基于本专利中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本专利保护的范围。

本实施例提供一种矿震、冲击地压的全频广域震动监测系统，如图1所示，包括：用于监测频带范围0.5～60Hz的低频地震监测子系统1、用于监测频带范围1～150Hz的中低频微震监测子系统2、用于监测频带范围60～1500Hz的中高频微震监测子系统3、用于监测频带高于1500Hz的高频地音监测子系统4；

本发明提出的监测系统为“全频段、宽频域”，能够更全面地监测矿山震动、冲击地压等震动活动，深入挖掘采动诱发的矿山震动前兆信息，为准确预测、预报矿山灾害发生提供了理论基础。

矿山震动事件包含高频、中频、低频震动事件，而矿山动力灾害具有明显的孕育过程，其基本原理是：高应力作用下岩石出现微破裂(微尺度、微能量)——裂缝扩展、贯通(小尺度、小能量的破裂)——岩体局部失稳(中尺度、中能量的冲击)——岩体结构破坏、大范围失稳(大尺度、大能量的矿震)。因此，实现“小尺度破裂——扩展——中尺度破裂——冲击——结构失稳——矿震”的过程监测，是实现矿山动力灾害预警的基础。

现有震动监测仪器主要侧重某一频段的震动事件的监测，单一频带的震动监测仪器不能完全监测到所有动力灾害，也不能监测到动力灾害的孕育过程，其预警效果较差。因此，研究“宽频广域”震动监测技术是开展矿山动力灾害监测预警的基础。

矿震、冲击地压的全频广域震动监测系统中，低频地震监测子系统1适合监测整个矿区。中低频微震监测子系统2适合监测一个矿井。中高频微震监测子系统3适合监测工作面。高频地音监测子系统4适合监测具体的危险区。

所述低频地震监测子系统1包括：地面监控主机、设置在矿区地下，并与地面监控主机通信连接的的若干个拾震传感器；地面监控主机包括：数据处理机、以太网通信装置；所述数据处理机内设有微震数据定位模块、地震能量计算模块、微震信号分析模块；

低频地震监测子系统1实现了震动信号的采集、记录和分析；微震信号的定位和能量计算；波形分析包括对采集信号的滤波、去噪、小波分析、微积分等分析；多通道显示和对比分析；基于INTERNET的远程监控与数据处理(微震数据处理中心提供数据分析和处理服务)；微震结果三维展示，可实现微震定位结果的平面、剖面、空间的精确显示，实现基于时间范围、能量范围、区域范围的各种筛选展示，实现微震数据结果的各种统计分析。

所述中低频微震监测子系统2包括用于对全矿范围内发生的微震事件进行实时监测，自动记录微震事件，并进行震源定位和微震能量计算；分析危险区域微震事件日常分布规律，动态评价相关区域冲击危险等级，指导矿井冲击地压防治工作；系统自带软件可以根据监测结果对各个区域的冲击危险进行实时评价，便于及时掌握矿井范围内冲击地压灾害的动态变化趋势，一旦发现某一区域出现异常情况，可以更有针对性的采取解危措施，为防止事故发生或降低事故危险程度提供了宝贵时间，大大提高了矿井冲击地压防治的工作效率。

所述高频地音监测子系统4包括：地音探头、地音活动实时监测模块、生产判断模块、危险性评价模块；地音探头设置在具有潜在冲击危险区域布置，每个冲击危险区域布置多个地音探头，探头安装在锚杆露头位置，探头距离至工作面端头或掘进工作面的迎头距离≥25m，随着工作面的推进，探头交替向前移动；地音活动实时监测模块用于实时获取地音探头监测的地音信号，自动统计各探头每分钟地音活动的能量和频次；对比监测区域内的两个探头每分钟的地音频次，选取地音频次较低的探头监测到能量和频次作为该分钟内所在监测区域的地音活动能量和频次值；生产判断模块用于根据监测区域内每分钟的地音活动能量和频次计算每小时或每班次地音活动的能量和频次，同时结合井下是否生产，分别计算得到生产期间或非生产期间的小时或班地音能量和频次异常系数；危险性评价模块用于选取小时或班地音能量和频次异常系数较大的指标值进行冲击危险性评价。

所述中高频微震监测子系统3采用KJ551微震监测系统。

本实施例中，还包括：震级换算子系统；

所述震级换算子系统包括：震级系数调取模块、地震震级计算模块、转换系数设定模块、转换模块；

所述震级系数调取模块用于分别调取低频地震监测子系统、中低频微震监测子系统、中高频微震监测子系统、高频地音监测子系统的震级计算公式，并与地震观测规范ML震级对比计算，分别求取低频地震监测子系统、中低频微震监测子系统、中高频微震监测子系统、高频地音监测子系统的震级系数；所述地震震级计算模块用于根据矿山地震震级M的计算方法，确定持时震级(Md)和能量(E)之间的计算模型及参数；所述转换系数设定模块用于确立低频地震监测子系统、中低频微震监测子系统、中高频微震监测子系统、高频地音监测子系统之间的震级转换系数；所述转换模块用于求取最终的转换模型，实现低频地震监测子系统、中低频微震监测子系统、中高频微震监测子系统、高频地音监测子系统间震级的统一转换与表示方法。

本实施例中，还包括：微震监测预警及阈值确立子系统；

微震监测预警及阈值确立子系统用于通过监测和分析矿山震动信息对诱发型冲击地压进行预警；还用于通过分析综放采场震动能量释放规律，确定震动日释放能量及单位推进度能量预警指标临界值，或通过对工作面开采期间震动数据的统计分析，结合现场工序情况，建立工作面日释放能量区间阈值，当释放的震动能量超出预警指标临界值时，发出预警信息；当工作面日释放能量超出区间阈值时，发出预警信息。

本实施例中，还包括：微震数据分析处理子系统；微震数据分析处理子系统分别与低频地震监测子系统、中低频微震监测子系统、中高频微震监测子系统、高频地音监测子系统通信连接，微震数据分析处理子系统用于分别对低频地震监测子系统、中低频微震监测子系统、中高频微震监测子系统、高频地音监测子系统的各个传感器进行灵敏度测试，并就监测范围内的震动波传播速度进行标定；对现场采集的微震信号进行预处理，预处理包括滤波、去噪处理；提取现场波形的特征并进行初步识别操作，建立快速分类识别体系；对有效微震事件进行统计分析操作，提取单微震事件的频率、小波包能量分布等特征，同时统计分析微震事件的震级、能量、空间分布密度特征。

这里，根据低频地震监测子系统、中低频微震监测子系统、中高频微震监测子系统、高频地音监测子系统的特点，微震数据分析处理子系统将现场采集的微震数据进行分析处理，其步骤如下：

①首先对各传感器进行灵敏度测试，即敲击、人工爆破测试，一方面确定传感器的灵敏度和定位精度，并就监测范围内的震动波传播速度进行标定；

②对现场采集的微震信号进行预处理，包括滤波、去噪处理；

③提取现场波形的特征并进行初步识别操作，建立快速分类识别体系；

④对有效微震事件进行统计分析操作，一方面提取单微震事件的频率、小波包能量分布等特征，另一方面统计分析微震事件的震级、能量、空间分布密度等特征。

在本发明中，巷道在掘进过程中，掘进迎头位置的塑性圈还未出现，如下图2A-A剖面；随着掘进迎头的前进，距离掘进迎头50m范围内的巷道围岩出现塑性圈，且塑性圈处于动态发展演化状态，塑性圈断面范围不断扩大，围岩应力处于持续调整的阶段，如图2中B-B剖面；当迎头前进一定距离后，距离掘进迎头50-350m范围(各矿不同)之外巷道塑性圈断面范围趋于稳定，巷道围岩处于动态平衡状态，如图2中C-C剖面。

巷道围岩的平衡状态对巷道的稳定性十分重要，当巷道围岩处于动态平衡状态时，外应力场均匀作用于围岩结构上，与围岩结构保持一个动态平衡状态，如图3所示，巷道处于一个动态平衡的稳定状态。

当围岩结构处于动态发展演化状态时，围岩结构的演化会造成应力的重新分布，形成应力集中区，应力集中区的高应力作用于围岩破裂的弱面时，会造成围岩结构的整体破坏，造成巷道的失稳，从而诱发冲击地压。

因此，为了更准确地把握该掘进迎头的安全状况，在该区域安装了地音监测系统，用于探测和预测该区域的冲击危险性。

工作面震动监测属于局部、区域性的震动监测，要求较高的定位精度。中高频微震监测子系统采用的KJ551微震监测系统，通过将台站布置在工作面上下平巷，并采取加密布置方式，可获得较高的定位精度。现场实践表明，KJ551微震监测系统的局部定位误差小于10m。

中低频微震监测子系统的监测范围为500～800m，通过优化台站布置，也可实现矿井震动监测。但是中低频微震监测子系统的定位误差一般为20～50m，尤其是垂直方向的定位误差偏大。同时，由于台站少、布置不合理，该系统存在监测盲区，所以，采用中高频微震监测子系统3适合监测工作面。高频地音监测子系统4适合监测具体的危险区。采用中高频微震监测子系统3和高频地音监测子系统4可以避免中低频微震监测子系统存在的监测盲区，中高频微震监测子系统3和高频地音监测子系统4具有较高的灵敏度，监测范围广。

震动类监测系统的可监测范围和记录事件能量与频带宽度负相关，如地震(矿震)监测系统的监测范围可覆盖整个矿区，但记录事件的里氏震级一般大于0.5级；中低频微震监测系统的监测范围可覆盖整个矿井，但记录事件的能量在102J以上；中高频微震监测系统的监测范围一般为数百米，记录事件的能量一般为1～105J，主要用于工作面冲击危险性监测；地音监测系统的监测范围一般为数十米以下，记录事件能量在102J以下，主要用于局部冲击危险性监测。

简单而言，地音监测掘进工作面围岩微小破裂引起的微弱地震信号，记录对应通道产生时间和幅值，起到判别煤体应力变化趋势和预测微震事件的作用；中高频微震监测系统监测掘进工作面周围微破裂引起的微震信号和中等破裂诱发冲击地压的震动信号。

基于掘进工作面扰动小、震动能量小的特点，通过组合地音监测系统和中高频微震监测系统，形成针对性较强的局域性“全频广域”震动监测系统。其中，地音监测掘进工作面围岩微小破裂引起的微弱地震信号，记录对应通道产生时间和幅值，起到判别煤体应力变化趋势和预测微震事件的作用；中高频微震监测系统监测掘进工作面周围微破裂引起的微震信号和中等破裂诱发冲击地压的震动信号。通过有机组合地音监测系统和中高频微震监测系统，可起到掘进工作面局域震动场与应力场联合监测和全频(震动事件频率由中频到高频)广域(监测范围：掘进迎头→巷道围岩)监测的作用。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参考即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。