一种测试井下震动波传播速度及到时时间的计算方法与流程

本发明涉及一种震动波传播速度及到时时间的计算方法，尤其适用于矿井使用的测试井下震动波传播速度及到时时间的计算方法。

背景技术：

近年来，煤矿开采深度及强度日益加大，诱发的冲击地压难题也愈发突显。目前，为解决煤矿深井开采造成的冲击地压以及煤与瓦斯突出这一世界性难题，主要是通过科学监测预警进行冲击地压灾害的有效预防，常用的监测冲击地压的方法包括微震、电磁辐射、声发射、应力在线以及钻屑量判别等监测方法。而微震监测的首要前提就是准确计算好煤矿井下震动波传播的波速，从而有效对井下冲击地压进行监测、预警，为矿井提前做好防冲、卸压解危工作提供依据。

由于冲击地压本质上是煤岩体因应力作用而发生的动力表现，而应力大小与纵波波速存在正比例关系，因此，通过层析成像(ct)法反演纵波波速得到煤岩体内的应力分布规律，已成为冲击地压监测预警中着重研究方向。其中，波速ct反演技术的关键问题也是准确计算井下震动波传播的速度，才能有效对监测区域的应力分布情况进行实时监测、反演。

目前还没有通过已知井下震动波传播时间准确求震动波传播速度的有效计算方法，需要提供一种方法能够对不同矿井、不同地质情况下震动波传播时间及速度进行有效计算，并能为煤矿微震监测优化布置、波速参数准确设置以及井下应力分布ct反演提供依据，从而实现矿井安全、高效生产。

技术实现要素：

针对上述技术的不足之处，提供一种准确度高，考虑不同矿井不同工作面应力状态，有针对性地，为煤矿及时、准确地实时监测井下工作面波速或应力状态异常区域提供标准波速依据的测试井下震动波传播速度及到时时间的计算方法。

为实现上述技术目的，本发明的一种测试井下震动波传播速度及到时时间的计算方法，具体包括：

首先在应力状态正常下工作面的轨道顺槽内靠近实体煤帮部间隔施工多个放炮激发点，在胶带顺槽内帮部间隔布置多个震动信号传感器，测量所有放炮激发点与所有震动信号传感器的三维空间坐标，从而计算出各个放炮激发点到各个震动信号传感器之间震动波传播的距离；

利用放炮起爆器控制多个放炮激发点按照其距离顺序依次起爆，然后利用设置在轨道顺槽与联络巷交叉处的电流信号传感器记录每个放炮激发点放炮产生震动波的时刻，同时利用震动信号传感器接收所有震动波来确定波形到时时间，进一步得出放炮产生的震动波传播射线即震动波模拟的无形传播路线的传播时间；

分别计算出每一个放炮激发点激发时，震动波从产生时刻到每个震动信号传感器接收震动波的传播时间即到时时间，进一步计算出各个震动信号传感器接收震动波的传播速度；

最后把各个震动信号传感器接收震动波传播速度的平均值，作为一个放炮激发点产生震动波的传播速度，进而把每一个放炮激发点产生震动波传播速度的平均值作为应力状态正常状况的井下震动波的传播速度。

具体步骤如下：

步骤a.首先在无地质构造、受采动影响小的应力状态正常情况下的工作面轨道顺槽内靠近实体煤帮部施工多个放炮激发点，在胶带顺槽内帮部的位置垂直安装、布置震动信号传感器，震动信号传感器用以接收震动波信号，利用通信电缆连接素有震动信号传感器并最终与设在井下的监测分站相连接，监测分站在联络巷内通过通信电缆连接有电流信号传感器，电流信号传感器设置在轨道顺槽与联络巷交叉处，监测分站还通过通信光缆与地面上的地面用光端机和监测计算机相连接；

步骤b.在放炮激发点中施工钻孔、正向装药，并布置炮线，连接放炮激发点与起爆器；

步骤c.测量工作面轨道顺槽中放炮激发点以及胶带顺槽中震动信号传感器的三维空间坐标，计算任选一个放炮激发点和任选一个震动信号传感器的三维空间坐标之间的距离l；

步骤d.把单根炮线绕电流信号传感器两圈，在联络巷中按下放炮起爆器，放炮激发点被激发，其电流穿过电流信号传感器，此时监测计算机中记录下电流信号传感器接收放炮的发震时刻，由于多个放炮激发点由左到右或由右到左依次起爆，所以相应地电流信号传感器就接收多个发震时刻，每个震动信号传感器也会接收到多个震动波，记录所有接收到震动波的时间，从而计算出震动波传播时间t；

具体的，多个炮点按照其距离长短依次起爆，一个一个的炮点进行起爆后，每个放炮激发点都会有m个震动波传播距离及时间，就有m个震动波传播速度，当第一个炮点起爆时，产生的震动波由m个震动信号传感器分别接收，相应的就有m个震动波传播距离及波形传播时间，从而就有m个震动波传播速度，进一步计算出该放炮激发点产生的震动波平均传播速度；

步骤e.任选某一个放炮激发点和某一个震动信号传感器的距离l以及震动波传播的时间t，计算得出井下震动波传播速度v。

所述震动信号传感器按照20～30m的间距、距离底板0.8～1.5m布置在巷道帮部，安装有传输线接头的部位向上并垂直固定，作为震动波信号接收点，电流信号传感器要求单独布置，一般布置在放炮起爆器的周边，有利于炮线的缠绕和电流变化信号的接收；

井下的监测分站布置在工作面胶带顺槽与联络巷交叉处，或者布置在便于接通动力电源的位置，并悬挂固定于巷道帮部，监测分站与震动信号传感器、电流信号传感器之间分别用通信电缆进行连接，然后由通信光缆连接监测分站和地面监测计算机。

所述步骤b中：

工作面顺槽实体煤帮的放炮激发点应由打钻设备按照一定间距进行施工钻孔，间距取8～15m，离底板0.5m左右位置，放炮炮眼孔深一般取2m，装药量为200～2000g；根据最远的放炮激发点与放炮起爆器的距离来决定放炮起爆器的炮线长度，放炮装药量不低于200g。

所述步骤c具体为：

c1.在工作面轨道顺槽中测量放炮激发点的三维空间坐标为o(a，b，c)，按照与放炮起爆器距离的远近，放炮激发点的坐标依次记为o1，o2，o3，……，on。其中，n为放炮激发点的个数；

c2.在工作面胶带顺槽中测量震动信号传感器接收点的三维空间坐标为s(d，e，f)，按照与监测分站距离的远近，震动信号传感器接收点的坐标依次记为s1，s2，s3，……，sm。其中，m为震动信号传感器的个数；

c3.选取第一个放炮激发点，确定该激发点与各个震动信号传感器的距离分别为：

选取第二个放炮激发点，确定该激发点与各个震动信号传感器的距离分别为：

选取第三个放炮激发点，确定该激发点与各个震动信号传感器的距离分别为：

以此类推，则第n个放炮激发点与各个震动信号传感器的距离分别为：

其中，表示第n个放炮激发点与第m个震动信号传感器的距离。

所述步骤d具体为：

用炮线连接第一个放炮激发点，按下放炮起爆器，其电流穿过电流信号传感器，此时监测计算机中记录下电流信号传感器接收放炮的发震时刻，记为t1；同时，按照震动信号传感器与监测分站距离的远近，其接收震动波的时间依次记为其中，m为震动信号传感器的个数；

同理，第二个放炮点被激发时，电流信号传感器接收放炮的发震时刻，记为t2，震动信号传感器接收震动波的时间依次记为

以此类推，第n个放炮点被激发时，电流信号传感器接收放炮的发震时刻，记为tn，震动信号传感器接收震动波的时间依次记为其中，n为放炮激发点的个数；表示第n个放炮激发点被激发时，第m个震动信号传感器接收震动波的时间；

d2.根据电流信号传感器接收的放炮发震时刻以及震动信号传感器接收震动波的时间，第一个放炮激发点被激发时，各个震动信号传感器接收震动波传播的时间依次为：

第二个放炮激发点被激发时，各个震动信号传感器接收震动波传播的时间依次为：

第n个放炮激发点被激发时，各个震动信号传感器接收震动波传播的时间依次为：

其中，表示第n个放炮激发点被激发时，第m个震动信号传感器接收震动波传播的时间。

所述步骤e具体为：

e1.第一个放炮激发点被激发时，各个震动信号传感器接收震动波的传播速度依次为：

同理，第二个放炮激发点被激发时，各个震动信号传感器接收震动波的传播速度依次为：

以此类推，第n个放炮激发点被激发时，各个震动信号传感器接收震动波的传播速度依次为：

其中，表示第n个放炮激发点被激发时，第m个震动信号传感器接收震动波的传播速度；

e2.按照每个放炮激发点产生的震动波，其传播速度大小取震动信号传感器接收该震动波传播的平均速度值，如下：

第一个放炮激发点被激发时，该震动波的传播平均速度为：

同理，第二个放炮激发点被激发时，该震动波的传播平均速度为：

以此类推，第n个放炮激发点被激发时，该震动波的传播平均速度为：

其中，m为震动信号传感器数量；n为放炮激发点个数；

e3.根据每个放炮激发点对应震动波传播的平均速度大小，把全部放炮激发点产生的震动波传播平均速度再计算平均值作为煤矿井下震动波传播的速度大小，因此，井下震动波传播速度大小v为

最后优选的是，步骤e、e1、e2和e3中为使井下震动波传播速度更加准确，应适当增加井下工作面顺槽震动传感器安装的数量m以及增加放炮激发点布置的个数。另外，为使井下放炮产生有效的震动波信号，其放炮装药量应不低于200g，具体装药量应根据煤矿井下地质情况及特征来确定。

有益效果：

本发明根据放炮激发点与震动信号传感器的三维空间坐标计算震动波传播的距离；其次利用电流信号传感器记录放炮产生震动波的时刻，以及通过震动信号传感器接收震动波来确定波形到时时间，进一步得出震动波的传播时间；然后分别计算出每一个放炮点激发时，震动波从产生时刻到各个震动信号传感器接收震动波的传播时间，进一步计算出各个震动信号传感器接收震动波的传播速度；最后把各个震动信号传感器接收震动波传播速度的平均值，作为一个放炮激发点产生震动波的传播速度，进而把每一个放炮激发点产生震动波传播速度的平均值作为井下震动波的传播速度。

本发明利用电流信号传感器记录放炮激发点发震时刻，利用震动信号传感器记录接收放炮产生震动波的时间，记录的震动信息不回有误差，，从而准确计算出震动波传播到时时间，是准确计算震动波传播速度的首要前提，根据时间差值计算求出震动波传播的到时时间，

在工作面正常应力状态区域下，考虑每个震动信号传感器在接收震动波时间上存在误差等影响因素，特采用多个震动信号传感器接收放炮激发点产生的震动波，所以一个放炮点被激发时就有多个震动波传播速度，进而求出一个放炮点被激发时的震动波传播平均速度；

在考虑放炮激发点的装药量可能有误差，产生的震动波本身能量有误差等影响因素，特多次放炮，求出每次放炮时震动波的传播平均速度，进而再把每次震动波传播的平均速度相加除以放炮次数，最终求出的平均速度就是井下震动波的传播速度。通过两次求平均值，尽可能避免了造成震动波传播速度计算的影响因素，使得计算的震动波传播速度更加准确、更加符合井下实际的地质情况。

附图说明

图1是井下工作面顺槽矿山地震波监测系统布置以及放炮激发点布置示意图

图2是井下放炮炮线缠绕电流信号传感器示意图

图中：1-监测分站；2-通信电缆；3-震动信号传感器；4-电流信号传感器；5-放炮起爆器；6-炮线；7-放炮激发点；8-震动波传播射线；9-联络巷；10-轨道顺槽；11-胶带顺槽；12-工作面切眼；13-工作面；14-通信光缆；15-地面用光端机；16-监测计算机。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例做进一步说明：

一种测试井下震动波传播速度及到时时间的计算方法，包括步骤为

首先在应力状态正常下在工作面13的轨道顺槽10内靠近实体煤帮部间隔施工多个放炮激发点7，在胶带顺槽11内帮部间隔布置多个震动信号传感器3，轨道顺槽10与胶带顺槽11之间设有工作面切眼12，测量所有放炮激发点7与所有震动信号传感器3的三维空间坐标，从而计算出各个放炮激发点7到各个震动信号传感器3之间震动波传播的距离；

利用放炮起爆器4控制多个放炮激发点7按照其距离顺序依次起爆，然后利用设置在轨道顺槽10与联络巷9交叉处的电流信号传感器4记录每个放炮激发点7放炮产生震动波的时刻，同时利用震动信号传感器3接收所有震动波来确定波形到时时间，进一步得出放炮产生的震动波传播射线8即震动波模拟的无形传播路线的传播时间；

分别计算出每一个放炮激发点7激发时，震动波从产生时刻到每个震动信号传感器3接收震动波的传播时间即到时时间，进一步计算出各个震动信号传感器3接收震动波的传播速度；

最后把各个震动信号传感器3接收震动波传播速度的平均值，作为一个放炮激发点产生震动波的传播速度，进而把每一个放炮激发点产生震动波传播速度的平均值作为应力状态正常状况的井下震动波的传播速度。

具体步骤如下：

步骤a.首先在无地质构造、受采动影响小的应力状态正常情况下的工作面轨道顺槽10内靠近实体煤帮部施工多个放炮激发点7，在胶带顺槽11内帮部的位置垂直安装、布置震动信号传感器3，震动信号传感器3用以接收震动波信号，利用通信电缆2连接素有震动信号传感器3并最终与设在井下的监测分站1相连接，监测分站1在联络巷9内通过通信电缆连接有电流信号传感器4，电流信号传感器4设置在轨道顺槽10与联络巷9交叉处，监测分站1还通过通信光缆14与地面上的地面用光端机15和监测计算机16相连接；所述震动信号传感器3按照20～30m的间距、距离底板0.8～1.5m布置在巷道帮部，安装有传输线接头的部位向上并垂直固定，作为震动波信号接收点，电流信号传感器4要求单独布置，一般布置在放炮起爆器5的周边，有利于炮线6的缠绕和电流变化信号的接收；

井下的监测分站1布置在工作面胶带顺槽11与联络巷9交叉处，或者布置在便于接通动力电源的位置，并悬挂固定于巷道帮部，监测分站1与震动信号传感器3、电流信号传感器4之间分别用通信电缆2进行连接，然后由通信光缆14连接监测分站15和地面监测计算机16；

步骤b.在放炮激发点7中施工钻孔、正向装药，并布置炮线6，连接放炮激发点7与起爆器5；工作面顺槽实体煤帮的放炮激发点7应由打钻设备按照一定间距进行施工钻孔，间距取8～15m，离底板0.5m左右位置，放炮炮眼孔深一般取2m，装药量为200～2000g；根据最远的放炮激发点7与放炮起爆器5的距离来决定放炮起爆器5的炮线6长度，放炮装药量不低于200g；

步骤c.测量工作面轨道顺槽10中放炮激发点7以及胶带顺槽11中震动信号传感器3的三维空间坐标，计算任选一个放炮激发点7和任选一个震动信号传感器3的三维空间坐标之间的距离l；

具体的：

c1.在工作面轨道顺槽10中测量放炮激发点7的三维空间坐标为oa，b，c，按照与放炮起爆器5距离的远近，放炮激发点7的坐标依次记为o1，o2，o3，……，on。其中，n为放炮激发点7的个数；

c2.在工作面胶带顺槽10中测量震动信号传感器接收点的三维空间坐标为sd，e，f，按照与监测分站1距离的远近，震动信号传感器3接收点的坐标依次记为s1，s2，s3，……，sm。其中，m为震动信号传感器3的个数；

c3.选取第一个放炮激发点7，确定该激发点与各个震动信号传感器3的距离分别为：

选取第二个放炮激发点7，确定该激发点与各个震动信号传感器3的距离分别为：

选取第三个放炮激发点7，确定该激发点与各个震动信号传感器3的距离分别为：

以此类推，则第n个放炮激发点7与各个震动信号传感器3的距离分别为：

其中，表示第n个放炮激发点与第m个震动信号传感器的距离；

步骤d.把单根炮线6绕电流信号传感器4两圈，在联络巷9中按下放炮起爆器5，放炮激发点7被激发，其电流穿过电流信号传感器4，此时监测计算机16中记录下电流信号传感器4接收放炮的发震时刻，由于多个放炮激发点7由左到右或由右到左依次起爆，所以相应地电流信号传感器4就接收多个发震时刻，每个震动信号传感器3也会接收到多个震动波，记录所有接收到震动波的时间，从而计算出震动波传播时间t；

具体的，多个炮点按照其距离长短依次起爆，一个一个的炮点进行起爆后，每个放炮激发点7都会有m个震动波传播距离及时间，就有m个震动波传播速度，当第一个炮点起爆时，产生的震动波由m个震动信号传感器分别接收，相应的就有m个震动波传播距离及波形传播时间，从而就有m个震动波传播速度，进一步计算出该放炮激发点产生的震动波平均传播速度；

d1.用炮线6连接第一个放炮激发点7，按下放炮起爆器，其电流穿过电流信号传感器3，此时监测计算机16中记录下电流信号传感器3接收放炮的发震时刻，记为t1；同时，按照震动信号传感器3与监测分站4距离的远近，其接收震动波的时间依次记为其中，m为震动信号传感器的个数；

同理，第二个放炮点被激发时，电流信号传感器3接收放炮的发震时刻，记为t2，震动信号传感器接收震动波的时间依次记为

以此类推，第n个放炮点被激发时，电流信号传感器3接收放炮的发震时刻，记为tn，震动信号传感器接收震动波的时间依次记为其中，n为放炮激发点7的个数；表示第n个放炮激发点7被激发时，第m个震动信号传感器3接收震动波的时间；

d2.根据电流信号传感器3接收的放炮发震时刻以及震动信号传感器3接收震动波的时间，第一个放炮激发点7被激发时，各个震动信号传感器3接收震动波传播的时间依次为：

第二个放炮激发点7被激发时，各个震动信号传感器3接收震动波传播的时间依次为：

第n个放炮激发点7被激发时，各个震动信号传感器3接收震动波传播的时间依次为：

其中，表示第n个放炮激发点7被激发时，第m个震动信号传感器3接收震动波传播的时间；

步骤e.任选某一个放炮激发点和某一个震动信号传感器的距离l以及震动波传播的时间t，计算得出井下震动波传播速度v；

具体的：

e1.第一个放炮激发点7被激发时，各个震动信号传感器3接收震动波的传播速度依次为：

同理，第二个放炮激发点7被激发时，各个震动信号传感器3接收震动波的传播速度依次为：

以此类推，第n个放炮激发点7被激发时，各个震动信号传感器3接收震动波的传播速度依次为：

其中，表示第n个放炮激发点7被激发时，第m个震动信号传感器3接收震动波的传播速度；

e2.按照每个放炮激发点7产生的震动波，其传播速度大小取震动信号传感器3接收该震动波传播的平均速度值，如下：

第一个放炮激发点7被激发时，该震动波的传播平均速度为：

同理，第二个放炮激发点7被激发时，该震动波的传播平均速度为：

以此类推，第n个放炮激发点7被激发时，该震动波的传播平均速度为：

其中，m为震动信号传感器3数量；n为放炮激发点7个数；

e3.根据每个放炮激发点7对应震动波传播的平均速度大小，把全部放炮激发点7产生的震动波传播平均速度再计算平均值作为煤矿井下震动波传播的速度大小，因此，井下震动波传播速度大小v为

该方法的设计科学且合理、步骤简单且逻辑性强、计算准确且实用性强，能够快速准确的计算出井下某一工作面震动波传播的速度及时间，根据确定的震动波传播标准速度值，及时有效地对工作面波速异常区域进行冲击地压危险监测、应力分布ct反演，进而为矿井制定工作面防冲解危措施提供现实依据。