基于煤矿地表岩隙及震动监测的冲击地压预警装置及方法

本发明属于煤矿动力灾害预测及防治，具体涉及基于煤矿地表岩隙及震动监测的冲击地压预警装置及方法。

背景技术：

1、冲击地压是在开采扰动作用下地层中积蓄能量的快速释放而导致的区域性动力灾害，随着开采向深部转移，冲击地压无论在发生的频度、规模还是灾害程度都明显加剧，对煤矿安全生产及人员安全均造成了巨大的损坏。冲击地压一般认为是由地质动力环境与开采工程效应耦合作用造成的，其中天然地震活动与区域构造活动是地质动力环境中的重要因素之一，天然地震活动与区域构造活动主要属于煤矿井田煤岩体的内动力地质作用，二者产生的地表位移变化会对井下煤岩体的应力提供与能量积聚产生很大影响，进而造成井下工程活动的围岩的非稳定性破坏，诱发冲击地压灾害。

2、大量开采实践表明，天然地震活动和区域构造活动与冲击地压的发生具有明显的相关性。地震震源包括产生破裂失稳而消耗能量的破裂体，也包括参与为地震提供能量的“相关区域”地层，震源尺度通常远大于地震中地层破裂的尺度，地震以波的形式进行能量的传递，当传递至工程岩体时，超过工程岩体能承受的临界能量就会发生冲击地压。区域构造活动是影响煤矿井田应力场的分布特征具有重要的控制作用，煤矿井田内部分布着不同应力分区，在不同应力区进行采掘工程活动时发生冲击地压的危险性不同的，构造活动性强烈区域更易发生冲击地压。

3、综上所述，天然地震活动与区域构造活动对冲击地压灾害的发生起到孕育作用，通过监测天然地震活动与区域构造活动是可以有效、准确的预测冲击地压等矿井动力灾害。传统的冲击地压预测方法是指通过分析地质条件、岩石力学参数和开采工艺等因素，预测地下开采过程中可能发生的冲击地压情况。但是在预测过程中没有充分考虑到地质和工况的复杂性和动态性，以及地压与各种因素之间的复杂关系。通常依赖于经验公式和历史数据，缺乏科学理论支持和准确的数据支持，导致预测结果的不准确性，存在缺乏综合性、预测周期长、缺乏实时性等缺点。为了克服这些缺点，需要引入新的预测方法。

技术实现思路

1、针对现有技术的不足，本发明提出基于煤矿地表岩隙及震动监测的冲击地压预警装置及方法。

2、基于煤矿地表岩隙及震动监测的冲击地压预警装置，整体外壳和底座为保护金属材质；其中内部设置岩层裂隙监测仪，地震震动监测仪，电池仓，北斗定位系统，两个数据存储器，无线网络接发装置；外部设置有电源接口，保护底座，usb插口，电源指示灯，北斗定位开关，气泡水准仪，提拔手；

3、其中地震震动监测仪和岩层裂隙监测仪固定连接至装置内部并位于底部正中间；所述北斗定位系统固定连接底座上方，并且数据存储器分别位于所述地震震动监测仪和岩体裂隙监测仪右侧，所述无线网络接发装置固定连接所述数据存储器上方并且其上方配备天线，所述装置外部设置有电源接口位于装置上表面左侧，并且电源接口左侧设置有电源指示灯和usb插口，所述电池仓固定连接在电源接口内部，所述总开关位于电源接口右侧，所述气泡水准仪位于装置上表面右侧，所述北斗开关位于装置上表面后面，所述提拔手一固定连接在装置表面最左侧和最右侧；装置外部连接地线；

4、所述岩层裂隙监测仪应用列阵传感器，所述地震震动监测仪内置fir滤波器；

5、所述北斗定位系统对监测装置实时定位；

6、所述存储器为监测装置提供数据存储功能，用以保存和记录原始数据及分析判断结果；

7、所述无线网络接发装置配备天线，将监测装置采集的数据以电磁波的形式发送到计算机端进行处理分析；

8、所述气泡水准仪，用来检测装置是否和地面水平；

9、所述提拔手上方有识北标志；

10、基于煤矿地表岩隙及震动监测的冲击地压预警方法，基于上述基于煤矿地表岩隙及震动监测的冲击地压预警装置实现，具体包括以下步骤：

11、步骤1：安装使用监测装置前首先建设地震计墩；

12、首先选取场地，场地应避免地质层带、溶洞、夹层、裂隙以及液化层；选取完整、未风化的基岩进行地震计墩建设，在基岩中部进行混凝土浇灌，打造出能够放置监测装置的观测墩；观测墩两侧有裸露的岩体，为防止地表形成潮湿，铺设防潮防渗水层；防潮层铺设完成后，在防潮层上方进行垫层，采用混泥土浇灌，为得到平层采用水泥砂浆对垫层修平；观测墩和垫层之间会留有空隙，利用松散材料进行填充，防止地表面对装置进行干扰；

13、步骤2：将监测装置安置在步骤1建设的地震计墩上，确定监测方位并利用气泡水准仪对装置进行调平；

14、步骤3：利用装置中地震震动监测仪和岩体裂隙监测仪采集震动信号及裂隙信息，并利用无线网络接发装置将数据发送至终端，对数据进行分析处理；分别得到地震波形图像及岩体裂隙图像；

15、步骤3.1：基于地震震动监测仪采集震动信号，并对数据进行处理分析，绘制震源位置图像：

16、步骤s1：基于地震震动监测仪采集震动信号并进行分离后，数据存储器记录采集的p波对应的波场(p(z,x,t),t～0-t)和s波对应波场(s＝(z,x,t),t～0-tmax)；

17、步骤s2：将数据存储器记录的p波和s波取绝对值进行时间反转，得到fp(z,x,t)、fs(z,x,t)，进一步表示为

18、其中，r(z,x)＝0是地震震动检测仪检测场波时坐标满足的方程；

19、步骤s3：将得到的fp(z,x,t)以及fs(z,x,t)作为震源函数，再利用标量方程的有限差分方程进行演化；

20、所述演化过程对p波和s波采用波速模型，得到逆时偏移过后的p波波场ip(z,x,t)和s波波场is(z,x,t)；

21、步骤s4：利用得到的ip(z,x,t)和is(z,x,t)依据最大振幅进行归一化和相加，形成综合波场ips(z,x,t)；

22、步骤s5：按照所需倍数设置采样间隔，绘制综合图像，实现地震波逆时再现；利用时间维度处和叠加，得到震源发生的位置和时间；

23、步骤3.2：基于岩体裂隙监测仪采集震动信号，并对数据进行处理分析，得到岩体裂隙图像；

24、步骤s1：根据费马定理通过对首波进行追踪反演来获得刨面速度结构图像；其结构方程为：y(t)＝cr(t)x(t)e-at；

25、其中y(t)为接收到的超声波信号，c是超声波在岩体中的传播速度，r(t)是裂隙表面的反射响应函数，x(t)是裂隙的特性函数，a是超声波在岩体中的衰减系数，t表示时间；

26、步骤s2：根据刨面速度结构图像中的速度变化，确定岩体中存在裂隙的位置；裂隙通常会导致速度的突变或异常变化，通过检测速度的突变或异常变化来确定裂隙的位置，根据裂隙的位置，使用边缘检测算法将裂隙标记出来将裂隙与其他岩石部分进行区分，从而得到岩体裂隙的图像；对所得的岩体裂隙图像进行优化，通过全波形反演fwi的裂隙图像优化原理来反演裂隙的位置、形状和尺寸全参数；

27、首先选择初始得到的裂隙结构图像作为起点，使用初始模型进行正演模拟，计算出合成的波形数据；将合成波形与观测数据进行比较，计算二者之间的误差；使用目标函数来衡量合成波形与观测数据之间的差异；据误差计算的结果，将误差通过链式法则反向传播到模型参数，计算梯度信息；梯度信息表征了误差对模型参数的敏感程度；根据梯度信息，更新模型参数，使得下一次正演模拟产生的合成波形与观测数据更加匹配；重复进行上述步骤直到观测数据和合成波形达到拟合；根据最终优化的模型参数，解释裂隙的位置、形状和尺寸全信息；

28、步骤4：将地震波形图像和岩体裂隙图像进行空间对齐，使得它们的坐标系一致。然后将两者进行叠加显示，使得叠加图像上可以直接观察到震源位置和岩体裂隙的位置关系。通过观察叠加图像中的岩体裂隙位置和震源位置的关系，判断岩体裂隙是否与震源位置相邻或者重叠。如果岩体裂隙与震源位置相邻或者重叠，可能意味着存在较大的地质灾害风险，可以进行冲击地压的预警。

29、本发明有益技术效果：

30、本发明提供一种煤矿井田区域的地震活动及区域构造活动进行系统监测的方法。通过实时掌握井田区域天然地震特征及岩体活动状态，圈定潜在冲击地压危险区，实现冲击地压发生的精准预报，为井下工程人员及设备撤离提供安全预警，为煤矿安全高效开采提供有力保障。