本发明涉及一种用于评估由受采矿活动影响的区域中的地下采矿产生的高能突裂风险的方法及系统。
背景技术：
现有技术
地下矿藏的采矿，尤其是煤矿的采矿造成环境构造的改变，包含地面变形、对水文地质条件的影响、还有对采矿区域的矿工和其它使用者造成危险的岩体中的振动和冲击、以及对所述区域中建筑物和广泛界定的技术基础设施的稳定性带来风险。已经提出了用于分析并评估在采矿区域中进行地下采矿的影响的各种方法及系统以防这些现象的不合理影响。
根据由波兰专利申请PL388051(A1)已知的一种用于测量地下以及地面上两者的地震碰撞的速度和加速度的方法及系统，对矿场的地下部分中岩层突裂进行检测，接着从基础系统向地面上的所有远程测量站发送信号，接着将在其循环缓冲器中存储的数据实时地立即传输到基础系统。此系统使信号同步并且分析所有时间相关数据。所述系统由基础系统构成，基础系统配备有连接到矿场地球物理网络的有线传感器上的模拟和数字输入端、因特网接入点、无线调制解调器、用于标绘仪和显示屏幕的输出端、以及配备有三轴振动传感器的无线远程测量站。
另一波兰专利申请PL395824(A1)揭示了一种基于连续测量在受采矿工作线影响的地区中位于采矿区域地面上的观察点的位移来预测由地下采矿引起的强烈地震碰撞的方法。在此方法中，观察点稳定在直接受地下采矿的前进式工作线影响的区域中的地面上，优选地，在前进式采矿(长壁)工作线之前，水平距离优选地小于作业深度的四分之一，且优选地在因此工作线开采造成的形成或所预测槽道的轴线中。随后用GPS执行观察点坐标对比时间的连续测量。在优选的坐标系WGS-84中计算用GPS测得的观察点的垂直坐标以及优选地，水平坐标在时间上的变化。在是观察点的减速移动的位移过程中(接着是位移速度的增加)，变形是在短时间段中可能发生因采矿引起的强烈碰撞的前兆。此变形通过比较观察到的位移增量来确定，观察到的位移增量具有预期值和/或随时间推移而在分别垂直于和平行于前进式采矿工作线的水平分量上转换的值。
在又另一波兰专利申请PL395825(A1)中的发明的实施例示出一种预测由开采长壁引起的高能碰撞的方法。此方法是基于连续测量采矿区域的斜率的变化，既定用于在地震危险条件下作业的地下矿场中使用。使用在直接受长壁开采影响的区域中矿场表面上安装的倾角仪来测量倾斜分量在时间上的变化，倾角仪优选地，在前进式采矿工作线之前，水平距离优选地小于采矿深度的四分之一，且优选地在由长壁开采预测的槽道形成的轴线中。随后分析地面倾斜分量的所测量的值在时间域上的变化(优选地，在长壁工作线前进的方向上)以及采矿区域倾斜分量在时间上的变化(优选地，在垂直于长壁工作线前进方向的方向上)。所收集的数据自动地保存在计算机存储器中。随后，基于所测得的倾斜分量值，以预设时间间隔计算地面斜率的增量。假定，在倾斜变化过程中(其是倾斜分量增量值的减小，接着是这些分量的较大增大)，变形是在短时间段中可能发生因长壁开采引起的高能碰撞的前兆。
从波兰专利描述PL201953(B1)中已知一种登记地表面的振动和变形的方法，其中来自振动传感器的信号以有线方式传输到本地枢纽，在枢纽处它们与从GPS接收器获得的信息互补。对数据数字化并且经由线或无线连接传输到危险控制中央单元。另外，来自本地基准站的GPS数据使得这些基准站能够精确软件链接到永久大地网。此外，将指示在矿场中发生的现象且与岩体的震颤相关联的信号传输到中央单元。
现有技术的论述
现有的评估地下采矿影响的方法及系统仅仅包含通过处理矿场地面上和地下振动产生的和/或通过测量位于采矿区域地面上的观察点的位移发现的传输到危险控制中央单元的部分潜在危险。不存在考虑同时添加多种处理的解决方案。对个别处理的影响的分析具有明显较弱的对关键现象的预测能力。同样也不考虑所预期的处理是随机的。尽管难以评估可能使危险发生的问题(尤其是采矿区域的震源)，并且例如振动和变形等两类现象的性质完全不同，但是到目前为止所执行的基本研究证实了它们之间相关性的存在。基于到目前为止所执行的分析，人们已经能够获得这些现象的统计相关性。然而，先前研究的结果不完全允许通过定义合适的运算符来调配这种关系的分析形式。
技术实现要素：
发明目标
本发明的目标是提供一种方法及系统以用于通过考虑同时添加多种处理来提高对由采矿活动区域中地下采矿产生的高能突裂进行危险评估的效率和质量。
发明内容
一种评估由地下采矿产生的高能大地突裂风险的方法，其特征在于，在同时且时间和空间紧密重合的情况下，用三轴振动传感器进行地面处的振动测量，并且通过用于定位地震冲击的地下矿场系统执行振动参数的测量，并且通过用视距仪测试套件周期性地调整的所选择点的三轴位移传感器进行地面上的位移的测量。所测量的值记录在分析处理器的测量数据存储库中。随后，通过分析处理器来处理测量数据集，并通过评估关键现象来评估在时空上的高能冲击危险，考虑组合观察类似决定性的和时空广阔的岩体变形过程以及在时频域上呈岩石颗粒短期振动形式的地震现象。
所述过程和现象的联合影响比局部累加空间更广泛。通过至少20Hz的频率实时记录的地面位移测量的分量以及在地面处实时记录的振动速度和/或加速度分量，连同来自经整合测量套件中的每一者的时间标记一起经由无线通信模块传输到处理服务器。来自视距仪测试套件的数字化测量数据经由无线通信模块传输到处理服务器。基于从卫星接收器获得的数据，视距仪测试套件将周期性地、优选地在固定的时间间隔处，且总是在已经通过用于定位地震震颤的采矿系统登记大地冲击之后立即地，测量在测量套件位置点与使用配备有激光反射器的经整合测试套件进行测量的位置之间的距离，且通过三轴位移传感器执行位移分量的校正测量。矿场地震系统定位采矿源的地震冲击及其出现的时间，并经由电缆网络将有关其震源中每一突裂的参数信息传输到处理服务器，处理服务器还从测量设备接收有关纵波的首次到达的信息。
基于来自地面振动数据库中当前记录的地面上振动的测量的数据，并且基于来自地下振动数据库中记录的矿场地下部分中震颤参数的测量的数据，通过分析处理器评估冲击危险。接着是混合抗震参数并且过滤噪声。随后，基于在技术数据存储库中收集的数据，根据来自混合振动测量的时间和信号界定振动模型，其结果是对所获得的结果与界限进行比较并且对危险进行初步评估。同时将模型边界移动的界限与位移测量进行比较。
对于每一时间间隔，确定表示抗震过程的张量以及表示位移过程的张量。创建目标函数，其是相关联抗震和变形过程的风险的量度，针对观察到的整个时空的任何时间计算。随后，基于测量对具有冲击风险危险的区域划定范围，并且以短期和长期的验证结果优化目标函数。此目标函数评估在易受采矿引起变形的所观测采矿区域中的突裂危险，并且在符合用于依序评估基本冲击和最后冲击的风险的标准之后，使得能够发现冲击风险处的分区和预期发生时间。
依序确定风险：
a)界定相对于时间j至少向后一步的涵盖从测量套件位置处的所有测量点获得的抗震和变形测量(参数)的短期分析的窗口；
b)随后对于每一窗口，找到变形值的下限以及抗震值的上限，接着将这些值连同位置一起传输到长期分析的表；
c)随后界定包含至少24h的用于风险评估的长期分析的窗口，仅考虑其中变形值的下限以及抗震值的上限出现在紧邻所分析观察点的情况；
d)来自长期分析表的数据是用于评估的基础，其中在它们的基础上以最大系统熵优化假定的函数f(v,w)→f*(v,w)。
只有当最小位移梯度阈值处的最大应力不超过最大应力状态下的最小位移梯度时，修改的目标函数才满足基本危险法则，并且只有当由最大应力和最小位移梯度阈值产生的目标函数等于位移梯度下限的最大函数时，修改的目标函数才满足最后危险法则。
用于评估由地下采矿产生的高能大地突裂风险的系统具有位于处理中心的处理服务器。用于无线通信的调制解调器、分析处理器、以及通过线连接到地震检波传感器上的用于定位地震冲击的矿场地震系统连接到处理服务器上。在所观测的采矿区域上布置测量套件，其中所述测量套件中的每一者由卫星导航接收器构成，卫星导航接收器是在空间上与三轴振动传感器整合的三轴地面位移传感器，三轴地面位移传感器和三轴振动传感器连接到无线通信调制解调器上。在不因采矿活动而变形的区域中，布置配备有自动视距仪(其具有激光照准仪)的视距仪测量套件，视距仪卫星导航接收器以及无线通信调制解调器连接到所述视距仪测量套件上，并且每一测试套件配备有激光反射器。
发明效果
本发明的方法通过评估关键现象来实施在时空上出现岩层突裂的预计(预测)，考虑组合观察类似决定性的过程和时空广阔的岩体变形过程这两种过程形式以及呈岩体颗粒短期振动形式的地震事件。
附图说明
本发明以附图中的示例性实施例来说明，其中图1-示出测量系统连同在矿场的地面和地下的分量的相互定位以及系统相对于长壁的位置，图2-示出测量系统的方块图，图3-示出对由地下采矿产生的高能突裂进行危险评估的方块图。
具体实施方式
方法实例
界定当前时间和位置的卫星导航接收器3与三轴位移传感器9相配合，并且以20Hz或更多的频率实时记录在所选择的测量点a1、a2…ai处的位移分量XP、YP以及ZP。(图1)放置在同一位置处的三轴振动传感器4实时记录振动的速度或加速度分量XD、YD以及ZD。来自三轴振动传感器4以及卫星导航接收器3的数字形式的测量数据连同时间标记一起经由无线通信模块5从经整合测量套件A1、A2…Ai中的每一者通过GPRS网络传输到处理服务器2。
来自视距仪测量套件B的测量数据另外经由无线通信模块5以数字形式传输到处理服务器2。视距仪测量套件B周期性地且总是在登记突裂之后立即地，测量在此套件B的位置点与安装了配备有反射器8的测量套件A1、A2…Ai处的测量点a1、a2…ai之间的距离，从而形成大地测量的网络。此大地网使得能够通过三轴位移传感器9且基于从卫星导航接收器3获得的测量数据执行位移分量XP、YP和ZP的更准确测量。在不因采矿而变形的稳定区域14中，在具有坐标X0、Y0和Z0的位置中安装自动视距仪6。
用于定位岩层突裂的矿场地震系统12定位采矿源的碰撞。有关具有坐标Xk、Yk和Zk的每一“第k个”突裂13的参数的信息，以及有关其在突裂震源13中出现的时间Tok的信息，经由用于定位突裂的矿场地震系统12的矿场电缆网络传输到处理服务器2。基于三轴振动传感器4的布置的几何形状、所记录的突裂震源13的坐标Xk、Yk和Zk、纵波P到达测量套件A1、A2、…Ai的地面站的时间、以及在突裂震源13处计算所得的时间Tok，处理服务器2计算长壁10表面上方顶层的区域的速度层析成像。由此界定其中应力集中或减小的区域。
用于评估由地下采矿产生的高能突裂风险的方法是基于对岩体的结构变化以及所观测的不稳定采矿区域14a的大地位移进行地球物理勘测。为了评估突裂的可能性，使用过去的经验，尤其显示振动和位移过程的分布的特征点通常在采矿方向的对称轴上。要点零位于长壁表面10上方的地面处并且随着开采的进行而移动。在此点处所得的振动的水平分量XD和YD的幅度达到最大值。
水平变形XP和YP的所得值趋向于零。振动幅度分布以三维空间XD、YD和ZD界定。沿着上述对称轴的应力分布是不对称的曲线，其中零值在所述边界点处，即，长壁10表面的边缘上方的点，以及位于因采矿而变形的不稳定区域14a外侧的稳定区域14中的点。在所述点之间，分布达到其最大值，所述值当超出临界值时可呈现在易因采矿而引起变形的所观测采矿区域15中的危险对象。在其中水平偏转XP和YP达到最大值的测量点a1、a2、…ai处风险最高。
上述定性分析显示关于振动和位移的过程的基本危害不仅具有不同的物理性质，而且具有不同空间分布，这意味着它们的累积影响比局部累加空间(即其中可能使用数学设备分析两个过程的关联的空间)更复杂。到目前为止，还没有对这两个过程的组合关联的影响的可测量评估，以便评估接近临界条件的发展在时空上的发生。这些过程的独立分析不符合产生突裂的物理机构。一种评估由地下采矿产生的高能突裂风险的新的方法包括基于检查振动和位移过程之间的相关性来推断，以便评估在长壁10开采影响下易变形的所观测采矿区域15的特定分区中突裂危险的风险。这是所观测采矿区域15中点的位移的梯度变化的评估算法、描述所观测采矿区域15的变形状态的数值方法、以及来自在用于定位突裂的矿场地震系统12的测量点a1、a2、…ai处安装的测量套件A1、A2、…Ai的测量数据的一种。
由岩体应力集中引起且由处理服务器2中实施的无源层析成像的结果来识别的变形XP、YP、ZP和抗震活动XD、YD、ZD的三轴状态的相关性分析表明：当内部能量的整体变化达到临界值时岩体的分区易经受疲劳。所述方法包括评估在经整合测量套件A1、A2、…Ai的位置处在测量点a1、a2、…ai处边界位移的梯度变化的平均数，其中使用视距仪测试装置B在所分析时间段对测量点a1、a2、…ai中边界位移变化的测量进行校正。根据岩体中应力的时间、空间集中以及地面上记录的振动参数对测量点a1、a2、…ai处变形过程值的概率分布的总密度进行的确定是用于确定所分析事件出现概率的基础。
图3示意性地示出用以规定多功能监测和评估呈高能突裂形式的动态过程的风险的方法。风险评估是基于连续测量并且在技术数据存储库16和测量数据存储库17中收集数据。测量数据由以下构成：来自三轴振动传感器4的地面上的连续振动测量Epoml、从用于定位突裂的地下矿场地震系统12获得的突裂参数Epomll、以及来自三轴地面位移传感器9的地面上的位移测量结果Upom，通过视距仪测试装置B的使用来进行校正。振动测量数据Epoml收集在矿场17a地面上的振动参数数据库中，并且突裂参数Epomll收集在矿场17b底部处发生的突裂参数数据库中，接着在块17c中混合处理测量数据EpomlxEpomll以及过滤(INFOMAX程序)。
技术数据含有有关区域地形、岩体地质结构以及所开采的长壁及其工作系统的参数的信息。在技术数据的基础上，基于随长壁10作业的推进而变化的应力场的突出分布，以及基于在采矿影响下易经受变形的采矿区域15上观测的点的瞬态位移的场分布，执行振动建模。对于这两种过程，分别针对振动A以及移动ξdop来固定界限，振动A以及移动ξdop用以设定在进一步分析中使用的界限标准。振动A的容许界限加载到块20，且位移ξdop的容许界限加载到块21。取决于满足以上标准的条件，根据本发明的方法为风险评估将测量数据或自建模产生的数据用作xij-有关振动的信息以及yij-有关移动的信息，其中指数[i,j]是在时间j处在测量套件A1、A2、…Ai的位置处的第i个测量点的可测量数量。
对于每一时间间隔，确定表示抗震过程的张量(V:v[i,j]＝xij)以及表示位移过程的张量(W:w[i,j]＝yij)。在这些矩阵的基础上，针对观察到的整个时空的任何时间，创建一级目标函数(f:V×W→R)，作为基于抗震和变形数量的张量的相关联过程的风险的矩阵。一级目标函数f(v,w)确定用以指示在易受因采矿引起变形影响的所观测采矿区域15中的突裂风险的值，这在块22中执行。
为了确定冲击风险，应执行由以下步骤组成的程序：
-确定相对于时间j向后6步的涵盖从测量套件A1、A2、…Ai的位置处的所有测量点a1、a2、...ai获得的抗震和变形测量的短期分析的窗口；对于10个测量点以及6个步骤，获得60个抗震和变形值；
-随后对于每一窗口，确定变形值的下限以及抗震值的上限，其中每一值可以出现在不同位置中；接着将这些值连同位置一起放置于长期分析的表中，长期分析表直接用于预测所观测采矿区域15中在时空上的突裂；
-随后，确定涵盖一周的用于风险评估的长期分析的窗口，仅考虑其中变形值的下限以及抗震值的上限出现在紧邻所分析测量点a1、a2、…ai的情况；
-用于评估的基础是长期分析表中的数据，它们在块23中用于优化一级函数(f(v,w)→f*(v,w))以使系统熵最大化。
熵的最大值此处对应于信息的最小值。此问题用数学方式求解为多维函数的极值。
在突裂风险评估过程中进一步使用优化目标函数f*(v,w)。在快24中，测试如以下不等式所表达的用于风险的基本法则：
supv∈Vinfw∈Wf(v，w)≤infw∈Wsupv∈Vf＊(v，w)
在此情况下需要将一级目标函数f(v,w)修改为优化的目标函数f*(v,w)的形式，这是因为以上不等式中sup(inf)和inf(sup)的不对称性条件。这在物理上解释为：只有当“最小位移梯度阈值处的最大应力不超过最大应力状态下的最小位移梯度时”，才可能出现风险。
如果不符合此条件，那么所述算法不发出危险信号并且转到分析的下一步骤。
如果基本条件(最小-最大公式)指示可能出现风险，那么在块25中测试用于评估突裂风险的最后法则。满足条件：
maxv∈Vinfw∈Wf(v，w)＝infw∈Wf＊(v，w)
意味着存在威胁。
随后，基于所述评估，在块26中确定因突裂带来风险的分区(μ＝i*)以及其预期出现的时间(v＝j·)。
系统的示例性实施例
如图1和图2中所示的根据本发明的测量系统由处理中心1构成，所述处理中心具有处理服务器2，以包数据传输协议GPRS工作的无线调制解调器5、分析微处理器2a、以及配备有通过线连接的地震检波传感器11的用于定位突裂的矿场地震系统12连接到所述处理服务器上，所述部件放置于靠近长壁10的岩体中。在因采矿引起变形而受影响的所观测采矿区域15上，位于开采长壁10上方，在指定测量点a1、a2、…ai处，布置经整合的测量套件A1、A2、…Ai。这些测量套件A1、A2、…Ai中的每一者由用于卫星导航的GPS-NAVSTAR接收器3构成，所述卫星导航接收器由测量所观测采矿区域15地面上点的位移的三轴位移传感器9组成，与三轴振动传感器4在空间上整合，所述三轴位移传感器和所述三轴振动传感器连接到无线调制解调器5上。此外，每一测量套件A1、A2、…Ai另外配备有激光束7的反射器8。在不因采矿活动而变形的区域中布置测量套件B。所述测量套件配备有自动视距仪6，所述自动视距仪具有激光照准仪6a，所述测量套件连接到自动视距仪6的卫星导航接收器3以及无线调制解调器5上。