一种基于无源地震地面探测浆液扩散范围的智能化监测系统

本发明涉及煤矿浆液监测，更具体地说，本发明涉及一种基于无源地震地面探测浆液扩散范围的智能化监测系统。

背景技术：

1、现有的煤矸石井下处置技术仅利用煤层开采空间，未充分利用嗣后空间，嗣后空间为煤层开采后上覆岩层变形产生的垮落带、裂隙带以及弯曲下沉中的离层区域在内的非压实区域，在张吉雄等人公开的论文(张吉雄,周楠,高峰等.煤矿开采嗣后空间矸石注浆充填方法[j].煤炭学报,2023,48(01):150-162.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2022.1604.)中，阐述了嗣后空间矸石注浆填充方法内涵、非均质矸石浆液流动性稳态控制机理、嗣后空间空隙结构特征及时空演化规律、嗣后空间矸石浆液迁移扩散规律以及嗣后空间矸石注浆充填岩层控制机理的问题，将矸石破碎后按照一定粒径级配加水制成料浆，通过填充泵与输送管路等设备，输送至煤层开采后形成的嗣后空间，利用矸石浆料进行高压充注，实现矸石井下高效处置，而矸石料浆在嗣后空间中以多种流动形式运动，料浆性质会随地层的变化而不断转化，复杂的矸石料浆扩散形式降低了充填效率，矸石浆料在嗣后空间中迁移扩散时，矸石料浆的扩散直径、堆积高度、矸石料浆与嗣后空间岩块的相互作用能够通过嗣后空间矸石注浆扩散相似模型进行预测，基于料浆在岩体空隙中流动状态，能够计算出料浆的迂曲度与理论扩散路线，而现有的嗣后空间矸石注浆充填效果填充中，对注浆效果利用高清视频监控、远程实施通信以及智能化协调控制技术实施智能监控，针对注浆效果以及空隙变化进行综合评价，并未结合无源地震地面探测技术获得的数据以及注浆效果、空隙变化对浆液扩散范围进行综合评价和及时调控。为了解决上述问题，现提供一种技术方案。

技术实现思路

1、为了克服现有技术的上述缺陷，本发明的实施例提供一种基于无源地震地面探测浆液扩散范围的智能化监测系统，通过无源地震探测单元中的自适应滚动圆半径方法，对获取的震相进行背景噪声滤波，提高了数据的准确性和可靠性，从而更精确地分析地下的裂隙和储层情况，嗣后空间注浆效果监测单元监测注浆速度、注浆压力、注浆量和矿井水流量，能够实时监测和评估注浆过程中的注浆效果，确保注浆操作符合设计要求，提高注浆效率和质量，空隙变化监测单元对嗣后空隙三维变化进行监测，结合微震影响，能够实时监测料浆扩散过程中的空隙变化情况，评估料浆扩散半径，为后续的注浆范围调控提供准确的参考依据，注浆范围调控单元根据料浆扩散分析半径，通过调控注浆设备的注浆速度、注浆压力和注浆量，以及考虑矿井水流量和微震的影响系数，实现对注浆范围的精确控制，确保注浆效果达到预期目标，以解决上述背景技术中提出的问题。

2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

3、一种基于无源地震地面探测浆液扩散范围的智能化监测系统，包括无源地震探测单元、嗣后空间注浆效果监测单元、空隙变化监测单元以及注浆范围调控单元，无源地震探测单元采用自适应滚动圆半径对获取的震相进行背景噪声滤波，嗣后空间注浆效果监测单元监测注浆速度、注浆压力、注浆量和矿井水流量，空隙变化监测单元对矸石浆料在考虑微震影响前提下的嗣后空隙三维变化进行监测，评估料浆扩散分析半径，注浆范围调控单元根据料浆扩散半径调控注浆设备的参数，在矿井水流量以及微震的影响下调控注浆速度、注浆压力以及注浆量，在无源地震探测单元中，滚动圆的自适应半径公式为：

4、

5、式中：rzw为滚动圆的自适应半径，dd为背景噪声下幅值，du为背景噪声上界，qs为经验范围扩大系数，由经验获得，sxh为背景噪声的信息熵；

6、料浆扩散分析半径为嗣后空隙三维变化评估值与料浆设计扩散半径的乘积，料浆扩散分析半径的公式为：

7、la＝bs*ls

8、式中：la为料浆扩散分析半径，bs为嗣后空隙三维变化评估值，ls为料浆的设计扩散半径；

9、在注浆调控单元中，矿井水流量和微震影响系数公式为：

10、α＝-qj+vw

11、式中：α为矿井水流量和微震影响系数，qj为矿井水流量，vw为微震引起的嗣后空间变化体积。

12、作为本发明进一步的方案，无源地震探测单元包括光纤微震传感器、微震采集分站、井下交换机、地面交换机、监测主机、时间服务器以及数据分析主机，数据分析主机包括监测数据采集单元、微震裂缝解释单元以及浆液扩散发育分析单元，微震裂缝解释单元利用无源地震探测技术，获取自适应滚动滤波后的三分量和单分量节点地震波能量分布图、地震信号波形图、频谱图，利用矸石料浆注入引起的水压裂震源机制数值反演，融合数值反演信息以及微震监测的地震信号信息获取矸石料浆注浆引起的水压裂裂缝三维展布图。

13、作为本发明进一步的方案，浆液扩散发育分析单元结合微震裂缝解释单元获取的矸石料浆注浆引起的水压裂裂缝三维展布图，将注浆引起微震造成的水压裂裂缝进行隔离标注，在三维展布图中进行三维展示，同时利用数值模拟计算获取注浆引起微震造成的水压裂裂缝的体素进行统计，将统计出的体素个数与单元体素体积相乘，获取水压裂发育出的裂缝总体积以及发展的裂隙分支数目，利用裂缝总体积与裂隙分支数目的比值作为水压裂分析值，水压裂分析值的公式为：

14、

15、式中：fyl为水压裂分析值，vlx为裂缝总体积，nlx为裂缝分支数目。

16、作为本发明进一步的方案，水压裂监测数据采集单元对于到时差不明显、信噪比低的波形特征，使用基于时域分析的下山比较法进行到时拾取。

17、作为本发明进一步的方案，在无源地震探测单元中，嗣后空隙三维变化评估值根据对嗣后空隙产生影响的关联因素进行关联分析，对嗣后空隙产生影响的关联因素包括横向空隙变化值、竖向空隙变化值以及纵向空隙变化值，根据横向空隙变化值、竖向空隙变化值以及纵向空隙变化值与嗣后空间体积变化之间的威尔逊相关系数，对注浆和微震引起的嗣后空间空隙变化进行评估，嗣后空隙三维变化评估值的公式为：

18、

19、式中：xb为横向空隙变化值，yb为纵向空隙变化值，zb为竖向空隙变化值，σ1为横向空隙变化值与嗣后空间体积变化之间的威尔逊相关系数，σ2为纵向空隙变化值与嗣后空间体积变化之间的威尔逊相关系数，σ3为竖向空隙变化值与嗣后空间体积变化之间的威尔逊相关系数。

20、作为本发明进一步的方案，在无源地震探测单元中，将料浆在嗣后空间内的扩散作为料浆在离层空间内的平面流动，基于达西定律和力学理论建立宾汉塑性流体在平面大密度裂隙动水注浆扩散模型，计算料浆的设计扩散半径，料浆的设计扩散半径满足的方程为：

21、

22、式中：ls为料浆的设计扩散半径，t为矸石料浆的有效注浆时间，从监控监测到料浆达到嗣后空间开始填充进行计时，直至料浆填充完毕，r0为注浆井的半径，η为矸石浆料的塑性粘度，p0为注浆压力，pw为矿井水流量产生的动水压力。

23、作为本发明进一步的方案，微震传感器与微震采集分站相连，微震采集分站与井下交换机相连，井下交换机通过光缆与地面交换机相连，地面交换机与监测主机相连，监测主机还与时间服务器和数据分析主机相连。

24、作为本发明进一步的方案，在注浆范围调控单元中，将料浆扩散分析半径与矿井水流量和微震影响系数的乘积的算数平方根，乘以初始注浆速度，作为注浆速度调控值调控注浆速度，注浆速度调控值的公式为：

25、

26、式中：vt为注浆速度调控值，v0为初始注浆速度；

27、注浆压力调控值与水压裂分析值正相关，与料浆扩散分析半径正相关，与初始注浆压力正相关，注浆压力调控值的公式为：

28、pz＝(log5fyl+0.3la)*p0

29、式中：pz为注浆压力调控值，p0为初始注浆压力；

30、注浆量调整值为注浆井的截面积与注浆速度、注浆持续时间的乘积，注浆量调整值的公式为：

31、vz＝vt*sj*t

32、式中：vz为注浆量调整值，sj为注浆井的截面积。

33、作为本发明进一步的方案，微震裂缝解释单元获取水压裂三维展布图并进行分析的过程包括：

34、步骤s1，无源地震探测：使用无源地震探测技术，布置预先指定数量的地震节点(光纤微震传感器)在感兴趣区域内，这些节点记录地震波的三个分量，分别是水平方向的p波和s波，以及垂直方向的波，将这些数据作为原始数据；

35、步骤s2，自适应滚动滤波：对采集到的地震波数据应用自适应滚动滤波算法，该算法根据滚动圆的自适应半径公式计算出每个节点的滚动圆半径，根据自适应半径，对地震波数据进行滤波，以去除背景噪声；

36、步骤s3，获取能量分布图、地震信号波形图、频谱图：根据滤波后的数据，计算每个节点的地震波信号的能量，获取每个节点的地震波能量分布图，对于每个节点绘制其滤波后的地震波信号波形图和频谱图；

37、步骤s4，数值反演：利用矸石浆料反演得到的裂缝源机制信息与微震监测的地震信号信息相融合，比较和匹配数值反演结果与实测数据，得到矸石浆料注浆引起的水压裂裂缝的三维展布图；

38、步骤s5，结果展示与分析：在浆液发育分析单元中，将裂缝三维展布图与其他数据进行综合分析，获取矸石料浆注浆引起的水压裂发育数据。

39、本发明一种基于无源地震地面探测浆液扩散范围的智能化监测系统的技术效果和优点：

40、本发明通过无源地震探测单元中的自适应滚动圆半径方法，对获取的震相进行背景噪声滤波，提高了数据的准确性和可靠性，从而更精确地分析地下的裂隙和储层情况，嗣后空间注浆效果监测单元监测注浆速度、注浆压力、注浆量和矿井水流量，能够实时监测和评估注浆过程中的注浆效果，确保注浆操作符合设计要求，提高注浆效率和质量，空隙变化监测单元对嗣后空隙三维变化进行监测，结合微震影响，能够实时监测料浆扩散过程中的空隙变化情况，评估料浆扩散半径，为后续的注浆范围调控提供准确的参考依据，注浆范围调控单元根据料浆扩散分析半径，通过调控注浆设备的注浆速度、注浆压力和注浆量，以及考虑矿井水流量和微震的影响系数，实现对注浆范围的精确控制，确保注浆效果达到预期目标。