一种基于三场综合参数的矿山动力灾害实时监测预警方法与流程

1.本发明属于煤矿安全生产技术领域，具体涉及一种基于三场综合参数的矿山动力灾害实时监测预警方法。


背景技术：

2.近年来，随着煤矿开采深度的增大和开采装备的高度现代化，煤炭资源开发将面临一系列在浅部开采所未遇到的问题和困难，同时，对引发煤矿动力灾害因素的探测和预警提出了新的、更高的要求。随着开采深度和强度的增加，发生动力灾害的矿井数量、事故频度和破坏强度也随之增加，其中突水、煤与瓦斯突出和冲击地压是最主要的煤矿动力灾害，具有突然、急剧、猛烈等特点，危害程度大，影响面广，且容易诱发其他重大事故的特征。煤矿动力灾害是一种非线性复杂问题，涉及地质赋存条件致灾作用机制、煤岩体变形破坏规律和工程动力响应特征、采动应力分布等问题，灾害风险识别及监控预警技术仍滞后于当前深部开采条件下安全、高效、绿色开采对动力灾害预警的需求。因此，目前的煤矿动力灾害因素的探测和预警技术还不够成熟、完善，探测精度和预警技术还不能够完全满足煤矿安全高效生产的需求，是一种被动的监测手段，并不能真正起到预警的目的。
3.我国90％以上的煤矿采用地下开采，然而，我国煤矿地质条件总体来讲十分复杂。安徽是我国重要的煤炭基地，目前主要矿区的开采重心在-700m以下，并以每年10～15m的速度向下快速延伸，部分矿井工作面的开采深度已近千米，且有继续增大的趋势。随着矿井开采深度的增加，煤层瓦斯含量和压力剧增，地下水的压力随之不断升高，煤层顶底板压力成比例增加，发生动力灾害的危险性越来越大，这就需要在灾害发生前采取必要的措施，掌握矿山动力灾害防治的主动权。为此，需要从瓦斯场、应力场和水文场变化机制与地震波传播特征的关联出发，深入开展深部高地应力与强开采条件下煤岩体动力失稳破坏触发机制研究，探索煤岩破裂及其演化对地震波传播的影响规律，研制先进的矿山地球物理信息采集装备，开发三维地震波成像平台，建立灾害监控预警系统，以满足煤矿典型动力灾害风险判识及监控预警的重大需求。


技术实现要素：

4.针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种基于三场综合参数的矿山动力灾害实时监测预警方法，该方法能更精准的预警矿山动力灾害，并能为处理不同类型的灾害提供充足的处理时间和有效的解决方案，能解决传统地震方法监测矿山动力灾害存在的不足。
5.为了实现上述目的，本发明提供一种基于三场综合参数的矿山动力灾害实时监测预警方法，包括如下步骤：
6.步骤一：在监测区的范围划定后，将监测区划分成若干个尺寸规则的监测单元；
7.步骤二:选择智能震源和地震传感器，智能震源选用可控震源，以便于能定期激发足够能量的地震信号，并能确保将震动激发按精确时间送达地震信号采集系统；地震传感
器选用耦合有电极和温度计的传感器，以能同时具有接受震动信号、传递电流和测量温度的功能；
8.步骤三：将智能震源和地震传感器沿监测区边缘布置，且地震传感器设置在智能震源的监测区对应点处，确保智能震源和地震传感器形成的地震监测网络能均匀的覆盖全监测区；
9.步骤四：根据监测系统的计算能力确定监测的采样间隔；
10.步骤五：在监测区内，先施加高强度的人工锤击，给反演计算及微震定位提供精确初始速度模型；再控制智能震源定时向地震传感器发送特定的震动信号，同时，利用不规范的岩层变化产生的微震作为辅助震源，并结合三维地震全波成像技术反演监测区的速度模型，并利用实时速度模型校正和优化监测区内的微震定位计算过程，提高微震定位精度；
11.步骤六：以地震监测网络为基准，同时，结合辅助震源，反演监测区各岩层力学参数lt；
12.步骤七:利用电极的测量结果，反应出各监测单元的电阻率dt；
13.步骤八：利用温度传感器测得的温度值，计算各监测单元的温度值wt；
14.步骤九：计算每个监测单元内时间t时刻的三场综合指数ct；
15.s91：先根据对应监测设备及获取方法的可靠度分别确定力学参数lt在综合指数中的比例pl、确定电阻率dt在综合指数中的比例pd、确定温度wt在综合指数中的比例pw，再通过公式(1)计算三场综合指数ct；
16.ct＝lt
×
pl+dt
×
pd+wt
×
pw t
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)；
17.s92：根据确定好的采样间隔，依次计算得到ct1，ct2
……
ctn，并随着时间的推移和ct的更新，将1到n的时间窗不断向前移动，并将旧数据从左侧窗口移除，使新数据从右侧窗口加入；
18.步骤十：根据公式(2)计算长期平均值ac；
19.ac＝(ct1+ct2+
…
+ctn)/w
ꢀꢀꢀ
(2)；
20.式中，w为采样总数；
21.步骤十一：根据公式(3)计算短期平均值ad；
22.ad＝(ctn-2+ctn-1+ctn)/m
ꢀꢀꢀ
(3)；
23.式中，m取值为3；
24.步骤十二：比较短期平均值ad和长期平均值ac，并确定动力灾害的类型；
25.当ad》ac时，若lt》dt》wt成立，则出现了岩石应力集中的情况，具有冲击地压灾害的风险；若dt》lt》wt成立，则出现了瓦斯解析孔隙增加的情况，具有瓦斯突出灾害的风险；若wt》dt》lt成立，则出现了深部地下水进入的情况，具有突水灾害的风险；
26.当ac》ad时，若lt》dt》wt成立，则出现了卸压和岩石开始破坏的情况，具有冲击地压和突水灾害的风险；若dt》lt》wt成立，则出现了地下水渗入的情况，具有突水和透水灾害的风险；若wt》dt》lt成立，则出现了瓦斯解析吸热和地表水灾害的风险，具有突水和瓦斯突出灾害的风险；
27.步骤十三：首先，确定短期平均值ad和长期平均值ac变化的预警限值；其次，根据短期平均值ad和长期平均值ac的比值，再结合已经确定的初始预警限值确定当前监测区的原始报警级别，原始报警级别由低到高分别为低级预警状态和高级警报状态；最后，根据三
场综合参数预警单元与开采工程的距离确定最终的报警级别，若三场综合参数预警单元与开采工程的距离超过煤安规程的距离一倍以上，则降低报警级别；
28.步骤十四：通过显示模块显示最终报警级别和潜在的灾害类型，同时，给出处理和预防该类型动力灾害的最佳处理方案和依据，并将原始报警级别、最终报警级别、处理方案和依据信息发送给监控人员。
29.作为一种优选，在步骤一中，监测单元的大小根据监测精度要求而定。
30.作为一种优选，在步骤一中，监测单元为边长20米的正方形。
31.作为一种优选，在步骤九中，pl为0.4，pd为0.15，pw为0.45。
32.作为一种优选，在步骤九中，采样间隔的范围为10分钟至30分钟。
33.进一步，为了获得精准的微震定位精度，在步骤五的人工锤击过程中，相邻锤击点的间隔为5米。
34.相较于传统预警方法，本发明具有以下优点：
35.1、在传统的动力灾害监测方法中，多是通过监测微震的频率和强度作为动力灾害发生的主要依据。虽然微震是目前矿山动力灾害预警系统监测的主要指标，但微震是岩石破坏的结果，而不是过程，它的频率和强度与多种因素有关，经过大量研究和实践都证明监测微震并不能有效预测预报矿山动力灾害。而实际上，矿山动力灾害是岩石中应力场、瓦斯场和水文场相互影响的结果，最终都会在岩石的力学特征得到体现。本方法采用监测区内岩层的力学特征、电阻率和温度综合指数的变化来综合的判断矿山动力灾害的发生的可能性，从而将监测的指标从点变成区或场的方法，通过本方法得到的结果是整个监测区内煤岩层的岩石力学特性而不是微震本身。该方法摈弃了传统动力灾害监测方法以监测微震的频率和强度作为动力灾害发生的依据，解决了地震方法监测矿山动力灾害存在的不足，进而从矿山动力灾害的机理出发，提供了更加有效的矿山动力灾害监测方法。因此，本系统从根本上解决了目前基于微震的矿山动力灾害监测系统的缺陷。
36.2、岩石的力学参数可以通过直接测量的方式获得或采取其它的方法获取。直接测量的方式成本较高，且只限于操作人员可以接近安装的地点使用，因而其使用地点具有一定的局限性。而本方法采用可控震源与传感器形成的地震网络的方法，如图3所示，在空间上能对整个监测区形成完整的覆盖，不留监测死角。结合图1中应力应变曲线来确定岩石的承载状态，就能准确预警矿山动力灾害的发生的时间和地点，为人员撤离和施工提供足够的时间。目前基于微震的动力灾害监测系统的局限性，主要表现在三个方面：第一，微震的地点计算基础监测区内预先设计的平均地震波传播速度模型，而地震波的实际传播速度与岩石的种类、破坏程度和受力状态均有关，在矿山的开采过程中，岩石种类的分布是规则的，岩石的破坏程度和受力状态则随时间不断变化；其次，微震的分布一般比较集中，不能覆盖整个监测区的计算要求；最后也是最重要的一点，微震的发生的时间分布是随机的，在微震大量发生时，岩石可能已接近岩石破坏极限，并不能提供预警所需的时间。所以说微震动力灾害监测系统是一种被动的监测系统，具有很大的滞后性，并不能真正起到预警的目的，而可控震源与传感器组成的三维地震反演网络有效地解决了目前动力灾害监测系统的存在问题。
37.3、由于岩石孔隙的增加、瓦斯解吸和含水增加都可降低岩石的杨氏模量，加之地下水的侵入会引起电阻率大幅降低，这样，结合电阻率的反演，就可判断出是否存在水的侵
入或瓦斯解析的状况，这样，通过电阻率的测量解决了动力灾害的力学多解性问题，进而能更精准的预警矿山动力灾害，并能为处理不同类型的灾害提供了充足的处理时间和有效的解决方案。
38.4、本方法中，通过温度参数成分的加入能准确的预测出矿山动力灾害的迫切成度，这是基于微震的动力灾害监测系统所不具有的能力。在固定监测区，温度是一个相对稳定的参数。它的突然变化一般都是动力灾害发生的前兆。瓦斯从煤岩表面快速解析的过程是瓦斯突出的最重要特征，但它是一个吸热过程，发生时，会从周围吸收大量的热量，进而会引起温度的急速降低；而当温度升高时，通常与深部地下水的侵入有关，因此，利用温度参数组成的三场综合指数能提供更充分的预警时间，同时，提高了预警的可靠性。
39.5、本方法中，将温度传感器、地震传感器和电极结合在一起形成了多功能传感器，能便于安装和管理，同时，如图2所示，地震传感器的位置固定，能保障速度模型和力学参数计算的实时性和准确性。
40.6、本方法使用短期平均值和长期平均值的比值来定量计算任一监测单元的参数变化，并将单元岩石的力学特征、电阻率和温度随时间的变化与动力灾害的孕育过程直接联系在一起，解决了现阶段矿山动力灾害预警的不足。本发明中三场综合参数具有方便、实用、可靠的特点，相较于其他矿山动力灾害的监测方法具有显著的优势，为解决矿山安全生产提供了可靠的解决方案。
附图说明
41.图1应力-应变曲线和声发射累计数的关系曲线图；
42.图2是智能震源监测与微震监测过程的比较示意图；
43.图3是本发明中智能震源和地震传感器的布置示意图；
44.图4是本发明中一种基于三场综合参数的矿山动力灾害实时监测预警系统的原理框图。
具体实施方式
45.下面结合附图对本发明作进一步说明。
46.如图2、图3和图4所示，本发明提供了一种基于三场综合参数的矿山动力灾害实时监测预警方法，包括一种基于三场综合参数的矿山动力灾害实时监测预警系统，包括监测区、智能震源、地震传感器、电极、温度计、显示模块和控制器；所述监测区划分成若干个尺寸规则的监测单元；所述智能震源为可控震源，其数量为多个，每四个智能震源布置于同一个监测单元中的地面上，且分布于同一监测单元的四角处，用于在接收到地震波激发信号后定期发出地震波；所述地震传感器的数量为多个，且埋设在监测区的地下空间中，用于实时采集智能震源发出的地震波信号和不规范岩层变化产生的微震信号，并将采集的地震波信号和微震信号实时发送给控制器；所述电极的数量为多个，且与地震传感器一一对应的设置，且对应的埋设在地震传感器的附近，用于实时采集电阻率信号，并将采集到的电阻率信号实时发送给控制器；所述温度计的数量为多个，且与地震传感器一一对应的设置，且对应的埋设在地震传感器的附近，用于实时采集温度信号，并将采集到的温度信号实时发送给控制器；所述控制器的输入端通过信号传输电缆分别与多个地震传感器、多个电极、多个
温度计连接，其输出端与显示模块连接，用于向智能震源发出地震波激发信号，用于根据所接收到的震动信号、微震信号、电阻率信号和温度信号判断矿山动力灾害的类型，并将判断结果发送给显示模块。作为一种优选，所述地震传感器、电极和温度计耦合为一体式设备。进一步，为了进行有效的示警，还包括报警模块，所述报警模块用于根据控制器的控制进行报警动作。作为一种优选所述控制器为带有信号采集器和数模转换设备的工业计算机。
47.所述的基于三场综合参数的矿山动力灾害实时监测预警方法包括如下步骤：
48.步骤一：在监测区的范围划定后，将监测区划分成若干个尺寸规则的监测单元；作为一种优选，监测单元为边长20米的正方形。
49.步骤二:选择智能震源和地震传感器，智能震源选用可控震源，以便于能定期激发足够能量的地震信号，并能确保将震动激发按精确时间送达地震信号采集系统；地震传感器选用耦合有电极和温度计的传感器，以能同时具有接受震动信号、传递电流和测量温度的功能；
50.步骤三：将智能震源和地震传感器沿监测区边缘布置，且地震传感器设置在智能震源的监测区对应点处，并埋设于监测区的地下空间中，同时，确保智能震源和地震传感器形成的地震监测网络能均匀的覆盖全监测区；
51.作为一种技术方案，可以将智能震源设置在监测单元的地面上；作为另一种技术方案，还可以将智能震源设置在煤层顶板所在的位置；
52.作为一种优选，可以使监测单元为矩形，其中，每个监测单元的四角处于地面上布置四个智能震源，且每个监测单元的地下空间中埋设八个地震传感器；
53.作为一种技术方案，地震传感器可以埋设在煤层顶板附近，当然，还可以埋设在煤层所在位置，或者可以埋设在煤层底板所在的位置；
54.步骤四：根据监测系统的计算能力确定监测的采样间隔；间隔越小精度越高，系统预警的实时性能越好，一般5分钟到1小时都可，作为一种优选，采样间隔设定为10分钟至30分钟之间；
55.步骤五：在监测区内，先施加高强度的人工锤击，通过锤击位置结合地震传感器的安装位置给反演计算及微震定位提供精确的初始速度模型；再控制智能震源定时向地震传感器发送特定的震动信号，同时，利用不规范的岩层变化产生的微震作为辅助震源，并结合三维地震全波成像技术反演监测区的速度模型，并利用实时速度模型校正和优化监测区内的微震定位计算过程，提高微震定位精度；
56.为了获得精准的微震定位精度，在步骤五的人工锤击过程中，相邻锤击点的间隔为5米。
57.步骤六：以地震监测网络为基准，同时，结合辅助震源，反演监测区各岩层力学参数lt；
58.步骤七:利用电极的测量结果，反应出各监测单元的电阻率dt；
59.步骤八：利用温度传感器测得的温度值，计算各监测单元的温度值wt；
60.步骤九：计算每个监测单元内时间t时刻的三场综合指数ct；
61.s91：先根据对应监测设备及获取方法的可靠度分别确定力学参数lt在综合指数中的比例pl、确定电阻率dt在综合指数中的比例pd、确定温度wt在综合指数中的比例pw，再通过公式(1)计算三场综合指数ct；
62.ct＝lt
×
pl+dt
×
pd+wt
×
pw t
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(1)；
63.作为一种优选，pl为0.4，pd为0.15，pw为0.45；
64.s92：根据确定好的采样间隔，依次计算得到ct1，ct2
……
ctn，并随着时间的推移和ct的更新，将1到n的时间窗不断向前移动，并将旧数据从左侧窗口移除，使新数据从右侧窗口加入；时间窗的大小n与2采样间隔有关，一般为50左右；
65.步骤十：根据公式(2)计算长期平均值ac；
66.ac＝(ct1+ct2+
…
+ctn)/w
ꢀꢀꢀ
(2)；
67.式中，w为采样总数；
68.作为一种优选，w取值为50；
69.步骤十一：根据公式(3)计算短期平均值ad；
70.ad＝(ctn-2+ctn-1+ctn)/m
ꢀꢀꢀ
(3)；
71.短期的时间窗主要是为了避免监测或计算误差而设置，一般m取值为3，进而可以从时间窗中取最近的三个数值计算平均值；
72.步骤十二：比较短期平均值ad和长期平均值ac，并确定动力灾害的类型，如表1所示；
73.表1：短期平均值ad和长期平均值ac不同情况下的动力灾害类型
74.ad/ac主要贡献组成可能原因灾害类型ad》aclt》dt》wt岩石应力集中冲击地压 dt》lt》wt瓦斯解析孔隙增加瓦斯突出 wt》dt》lt深部地下水进入突水ac》adlt》dt》wt卸压和岩石开始破坏冲击地压，突水 dt》lt》wt地下水渗入突水，透水 wt》dt》lt瓦斯解析吸热，地表水突水，瓦斯突出
75.当ad》ac时，若lt》dt》wt成立，则出现了岩石应力集中的情况，具有冲击地压灾害的风险；若dt》lt》wt成立，则出现了瓦斯解析孔隙增加的情况，具有瓦斯突出灾害的风险；若wt》dt》lt成立，则出现了深部地下水进入的情况，具有突水灾害的风险；
76.当ac》ad时，若lt》dt》wt成立，则出现了卸压和岩石开始破坏的情况，具有冲击地压和突水灾害的风险；若dt》lt》wt成立，则出现了地下水渗入的情况，具有突水和透水灾害的风险；若wt》dt》lt成立，则出现了瓦斯解析吸热和地表水灾害的风险，具有突水和瓦斯突出灾害的风险；
77.步骤十三：首先，确定短期平均值和长期平均值变化的预警限值：预警限值变化可正可负，使用变化的绝对值；这个预警限值与矿的煤岩层特征有关，不同的矿区有较大的差别，应根据监测历史数据不断调整，初始预警限值可设10％。
78.其次，根据短期平均值ad和长期平均值ac的比值，再结合已经确定的初始预警限值确定当前监测区的原始报警级别，原始报警级别由低到高分别为低级预警状态和高级警报状态；
79.当达到初始预警值为低级预警状态，当达到初始预警值的两部为高级警报状态，即：
80.ad/ac》10％，低级预警状态；
81.ad/ac》20％，高级警报状态；
82.最后，根据三场综合参数预警单元与开采工程的距离确定最终的报警级别，若三场综合参数预警单元与开采工程的距离超过煤安规程的距离一倍以上，则降低报警级别，如原报警级别为高级警报状态，则降低为低级预警状态；
83.步骤十四：通过显示模块显示最终报警级别和潜在的灾害类型，同时，给出处理和预防该类型动力灾害的最佳处理方案和依据，并将原始报警级别、最终报警级别、处理方案和依据信息发送给监控人员。
84.作为一种优选，在步骤一中，监测单元的大小根据监测精度要求而定。
85.如图1所示，声发射和微震监测系统主要依靠监测煤岩的破裂的频率和强度来预报动力灾害的发生。与三维地震比较，它不依赖反射界面，具有连续实时监测性能；同时具有强抗干扰能力，声波及地震波的传播稳定，即使有些机械噪音的干扰，也容易排除，因此近年来发展迅速，并在矿山动力灾害预警上有初步的应用。但在工程应用中，由于它监测只监测岩石破裂的频率和强度，使用时受到局限。首先，不是所有动力灾害发生前都会产生大量裂隙，如高压水或瓦斯通过煤岩层破碎带突入工作面时没有产生大量的岩石破裂；其次，岩石裂隙发生的强度和密度与岩体本身的赋存状态及岩层结构等多种因素有关，难以找到合适的预警限值；最后，岩石裂隙的发生与动力灾害发生的时间非常接近，预警后的反应时间也不够充裕。图1为岩石压力试验中应力应变曲线和声发射累计数的关系，可以看出，声发射在整个岩石的压力试验过程中都有发生，在接近破坏前，声发射高密度发生，伴有5秒钟的平静期，但这种短暂的时间很难满足安全生产的需要。从空间的角度分析，它监测的是某点的状态，对整个采掘空间的判断不足，这也是声发射及微震监测系统亟待解决的问题。
86.本方法从矿山动力灾害的形成机理和生产的实际需要出发，有效的矿山动力灾害预警系统需要具备三个主要特征：(1)时间连续性，系统需要24小时不间断监测，发现动力灾害的孕育阶段动态特征，辨识形成动力灾害的可能性，为预警提供足够的时间保障；(2)监测预警的可靠性，依靠有限的破裂点的频度和强度的动力灾害预警具有盲目性和不确定性，可靠的预警系统需要从监测瓦斯场、应力场和水文场的动态变化，准确识别动力灾害前兆信息，提供可靠的动力灾害预警和预报；(3)适应井下恶劣条件，具有较强的抗干扰能力，充分保障数据可靠性。本系统利用地震波传播特，电场特征及温度特征形成的综合指数监测区域内的应力场、瓦斯场和水文场状态和变化，具有全天候不间断监测能力，为矿山动力灾害预警提供可靠的监测手段。