一种基于地面微地震监测的煤矿动力灾害预警系统及方法

本发明属于煤矿动力灾害监测预警，具体涉及一种煤矿动力灾害预警系统及方法。

背景技术：

1、随着煤矿采掘深度的增加，地应力及瓦斯含量逐渐增大，煤与瓦斯突出及冲击地压等动力灾害愈发严重，已经成为煤矿安全生产的最大威胁。煤矿动力灾害的发生往往伴随着大量的煤岩体断裂，同时会产生剧烈震动。因此，基于微地震方法的矿井动力灾害监测在理论上可行的。同时，该方法也被写入了防治冲击地压细则。

2、目前，市场上已经出现的煤矿动力灾害微地震监测及预警装备全部安装在井下，存在的问题主要有：(1)在煤矿井下，检波器的安装位置受限于井巷工程，不能满足地震学对台网布设形态的要求；(2)在煤矿井下，一旦出现动力灾害事故，监测系统会遭受毁灭性破坏，不能满足具有延续性的重大灾害处理及抢险救灾需要；(3)在煤矿井下，监测系统为平面2d监测，只能满足煤层及其顶底板的监测需要，不能满足冲击地压关键层的监测需求。

3、微地震监测技术从诞生以来，经历了从地面到井中再到地面的技术迭代，在油气田开发领域，地面微地震技术已经得到广泛应用；然而，将微地震监测技术应用于煤矿动力灾害预警系统无成熟的技术，同时由于煤矿井下环境的特殊性，无法直接将现有的微地震监测技术直接进行应用。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种基于地面微地震监测的煤矿动力灾害预警系统及方法，可实现对煤矿动力灾害的监测预警，为矿山救援及灾害处理提供不间断的数据保障。

2、本发明是通过以下技术方案实现的：一种基于地面微地震监测的煤矿动力灾害预警系统，包括高精度地面微地震监测台网、数据实时传输模块、智能辨识与中央处理系统和预警终端；

3、在指定监测区域布设所述的高精度地面微地震监测台网通过所述的数据实时传输模块将采集的信号发送至所述的智能辨识模块和中央处理系统，所述的智能辨识与中央处理系统进行数据处理，所述的智能辨识与中央处理系统通过以太网将完成处理的数据发送至所述的预警终端。

4、优选的，所述的高精度地面微地震监测台网包括高精度三分量微地震监测台站和根据监测区地层条件设计的台站布置方式；

5、所述的数据实时传输模块包括wifi和5g自动切换信号发射单元、信号传输专网和多网络并行接收单元；

6、所述的智能辨识与中央处理系统包括信号识别与分析模块、多线程多参数处理模块和智能判识模块；

7、所述的预警终端包括室内预警主机及配套的声/色预警装置。

8、优选的，所述的指定监测区域是指煤矿井下所需监测工作面/采区等对应的地面投影区域，所述的地面投影区域的面积的放大系数大于2.25。

9、优选的，所述的高精度地面微地震台网的安装方法为地表浅埋，在地表为岩石的区域保证高精度三分量微地震监测台站上覆岩土厚度不低于50cm，在地表为黄土的区域保证高精度三分量微地震监测台站的检波器接触到老黄土层；所述的高精度三分量微地震监测台站竖直设置，倾斜度不大于±3°；所述的高精度三分量微地震监测台站的检波器的灵敏度不低于250v/m/s，采样率不低于1000。

10、优选的，所述的高精度三分量微地震监测台站布置方式为所述的指定监测区域沿地面的长边布置测线，在每条测线上布置测点，最终形成台网；所述的测线从所述的指定区域的地面边界开始，每隔50米一条，依次排布，所述的指定监测区域的宽度小于100m的，沿所述的指定监测区域的中线布置一条测线，所述的中线的两侧距离50米各布置一条测线；所述的测线上所述的测点的布置间距根据监测目标深度确定，所述的监测目标深度不足1000米的监测区，所述的测点间距为150米，所述的监测目标深度大于1000米的监测区，所述的测点间距为250米。

11、优选的，所述的wifi和5g自动切换信号发射单元与所述的高精度三分量微地震监测台站对应设置；所述的多网络并行接收单元和所述的智能辨识与中央处理系统通过信号传输专网持续信号通讯，所述的信号通讯包括上行和下行双通道，所述的信号通讯的传输能力不低于5mb/min。

12、优选的，所述的智能辨识与中央处理系统布置于矿井监测监控中心，所述的智能辨识与中央处理系统通过有线传输电缆和所述的多网络并行接收单元相连接；所述的智能辨识与中央处理系统功能包括：背景噪声处理、有效微地震事件的自动拾取与定位、震源地质力学属性的解析、震源能量等基础参数的计算及地应力状态的实时反演。

13、优选的，所述预警终端布置于矿井监测监控中心，所述预警终端通过有线传输电缆与所述的智能辨识与中央处理系统相连；所述的预警终端的功能包括：预警参数的遴选及理论阈值的设置、综合预警模型的优化与计算、灾害预警及警示。

14、进一步的，所述的预警参数为其中为有效微地震事件的频度梯度、为信号频谱梯度、为地震矩梯度、为应力降梯度、为事件能量梯度、为侧压比梯度；理论预警参数阈值分警示阈值l和警报阈值u。

15、更进一步的，所述的综合预警模型为

16、一种基于地面微地震监测的煤矿动力灾害预警方法，采用如上所述的一种基于地面微地震监测的煤矿动力灾害预警系统，具体步骤如下：

17、step 1：在研究区按照台网布置原则布设监测台站，调试数据实时传输模块，形成完整的监测系统，不间断采集研究区工况条件下的微地震事件，由高速网络传输模块将信号传至智能辨识与中央处理系统，进行实时处理；

18、step 2：采集研究区各种工况条件下背景噪声，包括但不限于煤矿井下生产活动、人类地面生产生活、潮汐运动及临时性特殊作业产生的微地震噪声；背景噪声采集不低于60天，以收集具有周期性规律的噪声数据；

19、step 3：将采集到的背景噪声通过智能辨识与中央处理系统分析，确定研究区主要噪声特征、变化规律及降噪方法；

20、step 4：将综合预警模型及理论预警参数阈值植入预警终端，在工况条件下进行不低于100天的系统自学习，自学习期间预警参数自动调节，且每天的参数调整幅度不大于0.5％；

21、step 5：根据煤矿井下生产情况及系统自学习反馈结果，在预警终端固化预警参数阈值，使监测系统满足生产需要；

22、step 6：对监测系统是否满足生产需要进行验证，验证方法为已知震源效验法，包括但不限于井下炸药放炮、二氧化碳致裂及人工锤击等，效验的主要参数包括发震时间、发震位置和能量等，要求时间误差率不大于0.1ms，位置在平面上误差小于10m，垂向上误差小于30m，能量吻合度不低于90％；

23、step 7：进入正常预警模式，根据灾害程度发出不同报警信号；

24、step 8：系统可靠性每6个月检验一次，检验方法如step 6一致，检验结果不符合要求必须进行系统维护，直至符合要求后方可进入正常预警工作。

25、优选的，所述报警信号包括声音和颜色两部分，颜色代表预警可靠性，红色代表预警可靠程度高(4≤w)，黄色代表预警可靠程度中(2＜w＜4)，红/黄交替闪烁代表预警可靠程度较差(w≤2)；声音代表灾害严重程度，警铃声音越大表示灾害越严重，5≤w时警报声音为100分贝，1＜w＜5时警报声音为60分贝，w≤1时警报声音为40分贝。

26、优选的，所述的预警终端在报警信号发出的同时，显示界面给出灾害预计发生的位置及层段，直到预警监控人员确认后预警解除。

27、优选的，所述的显示界面给出灾害预计发生位置及层段的方法包括层段的判定条件和位置的判定条件，具体步骤如下：

28、步骤一、层段的判定条件：在垂向10m范围内12小时内出现了20个以上有效微地震事件，该层位即为预警层位；

29、步骤二、位置的判定条件：时间上连续出现的3个以上有效微地震事件，如果在平面上的投影可以连线，那么该连线方向的延长线与监测工作面的交线即为预警位置；当有多条符合条件的连线出现时，以角度偏差为±5°区间，线条最密集方向确定线段延长线方向。

30、本发明的有益效果在于：

31、1.基于地面微地震监测的煤矿动力灾害预警系统是完全独立于煤矿井下生产系统的一套新装备，不受煤矿井下生产活动的影响，能够保证所有工况条件下数据的连续采集与监测；

32、2.基于地面微地震监测的煤矿动力灾害预警方法摆脱了井下用微地震系统的2d监测局限，可以在时间和空间上形成4d算法，在煤矿动力灾害预警参数捕获及综合预警模型优化方面更有优势；

33、3.该系统成本低，易于布置，维护方便，工作条件相比于煤矿井下更简单，劳动强度更低；该监测系统自动运行，操作简单，无人值守；有效微地震事件的拾取完全自动化，预警信号的发出完全程序化，排除了人为主观因素的干扰，增加了监测结果的可靠性；

34、4.该系统计算程序迭代方法简单，有效微地震事件处理速度快，可以真正保证预警的实时性；同时基于简单的迭代算法，设置了不同时长、不同工况的数据多次迭代功能，可以有效避免潜在灾害事件的漏检漏报。