技术领域
[0001] 本
发明涉及矿井水文地质技术领域，具体涉及一种采动煤岩体突水微震监测方法。
背景技术
[0002] 在煤矿开采过程中，煤岩体突水、淹井事故时有发生，严重威胁煤矿的安全生产。特别是近年来，矿井开采深度已经达千米，采动煤岩体突水问题就显得更加突出。煤矿开采过程中不同的地质赋存环境、
岩石性质、地应
力分布和断裂构造以及
破碎带的发育情况等都有可能诱发不同机理的矿井突水。因此，采动煤岩体突水是由多种因素共同作用造成的，对于突水灾害的监测需要综合考虑多种因素的影响，圈定开采过程中可能的突水通道和突水危险区域。
[0003] 目前，煤矿突水的监测方法主要有钻孔注水法、岩层移动钻孔探测法、水文地质钻孔探测法、三维地球物理探测技术等。近几年，以地质雷达技术、
电阻率法、瞬变电磁法和红外探测方法为代表的地球物理探测技术方法得到了飞速发展，这些监测技术均能较好地获得
煤层底板潜在的突水点和突水通道，但这些监测结果往往只获得采动煤岩体突水全过程中的某一静态时刻的局部结果，未能实现完整的突水全过程中突水通道形成的连续动态监测，并且受监测环境中电磁
信号干扰的影响较大，监测结果可靠性不高，从而制约了采动煤岩体突水的监测和预警技术的发展。
[0004] 近年来，高
精度微震监测技术的发展为岩体微破裂的全局、实时和动态监测提供了一种新方法。微震监测技术通过对岩体在
变形破坏过程释放的微
地震波形的拾取、反演和分析，获取岩体微破裂的发生的时间、
位置和强度等
震源信息，进而对岩体破坏的活动范围、
稳定性及其发展趋势做出定性、定量评价。采用微震监测技术对采动煤岩体突水进行监测，突破了以流量、水温及水压等表象信息监测为依据进行采动煤岩体突水灾害预警的传统思路，引入微震
能量与煤岩体劣化表征关系，提出从采动诱发的煤岩体微破裂导致煤岩体力学性质劣化并形成突水通道的本质出发，以微震监测技术和水文地质资料分析为手段，进行采动煤岩体突水的监测和预警。
发明内容
[0005] 有鉴于此，本发明提供一种采动煤岩体突水微震监测方法，实现实时监测采动煤岩体可能出现的突水灾害。
[0006] 为实现以上目的，本发明采用如下技术方案：
[0007] 一种采动煤岩体突水微震监测方法，包括：
[0008] 步骤S1、根据采动煤岩体突水微震监测系统的工程要求及实施条件，确定采动煤岩体突水微震监测的系统架构；其中，所述系统架构包括
检波器阵列在煤矿回采工作面的回采巷道中的安装方式及安装位置，所述检波器阵列用于拾取被监测采动煤岩体产生的微震信号；
[0009] 步骤S2、对所述检波器阵列拾取的微震信号，采用
阈值算法和STA/LTA算法判断是否存在采动煤岩体突水微震触发事件，若是，保存触发事件
波形；
[0010] 步骤S3、滤除所述触发事件波形中的噪声信号，对滤噪后的触发事件波形，采用STA/LTA算法拾取p波到时t，并根据采动煤岩体整体最优
波速vopt通过单纯形法
迭代求解出所述触发事件的发生位置；
[0011] 步骤S4、根据公式 计算所述触发事件发生时的微震
辐射能量；其中，ρ为煤岩体
密度；v为煤岩体弹性波速；R为震源到检波器阵列的距离；Jc为辐射能通量，通过质点速度谱在频域中积分获得；Fc为
地震波辐射类型经验系数；
[0012] 步骤S5、分析所述触发事件发生时微震辐射能量的
时空分布特征和聚集程度，设定微震辐射能量释放阈值，以识别出采动煤岩体潜在突水灾害区域。
[0013] 优选地，所述采动煤岩体突水微震监测方法，还包括：
[0014] 步骤S6、根据所述触发事件发生时微震辐射能量的时空分布特征及采动煤岩体潜在突水灾害区域，确定采动煤岩体潜在突水通道赋存的主控地质因素，建立煤岩体突水灾害分析的三维地质力学模型，为采动煤岩体突水灾害的监测预警提供模型支持；
[0015] 步骤S7、根据所述触发事件的时空分布规律和所述触发事件发生时微震辐射能量的时空分布特征，利用能量耗散原理，将煤矿围岩微震辐射能量转化为围岩损伤弱化的力学参数，为采动煤岩体的数值分析提供力学修正参数。
[0016] 优选地，所述步骤S1具体包括：
[0017] 步骤S10、根据采动煤岩体突水微震监测系统的工程要求及实施条件，确定采动煤岩体突水微震监测系统的系统架构；
[0018] 步骤S11、通过现场波速测试试验获取可供选择的岩体弹性波波速范围(vmin,vmax)，其中，vmin和vmax分别表示岩体弹性波波速的最小值和最大值；
[0019] 步骤S12、对采动煤岩体现场进行定点爆破或敲击试验，人工激发弹性波，滤除所述人工弹性波中的噪声信号，并对滤除噪声信号后的人工弹性波，采用STA/LTA算法拾取p波到时t；
[0020] 步骤S13、遍历岩体弹性波波速vi∈(vmin,vmax)内的所有弹性波波速，采用单纯形法迭代求解微震震源位置Xi(xi,yi,zi,vi)，并利用公式minE(vi)＝||Xi-X0||，i＝1,2…n，n≥2(2)，计算出采用单纯形法迭代求解的震源位置Xi(xi,yi,zi,vi)与人工震源位置X0(x0,y0,z0)之间的误差最小值minE(vi)，其对应的弹性波波速为采动煤岩体整体最优波速vopt；
[0021] 步骤S14、若minE(vi)的值不在预设误差范围内，返回步骤S10，调整采动煤岩体突水微震监测系统的系统架构，直至minE(vi)的值在预设误差范围；其中，调整采动煤岩体突水微震监测系统的系统架构包括调整采动煤岩体突水微震监测系统中检波器阵列的安装方式及安装位置。
[0022] 需要说明的是，所述预设误差范围根据用户实际需要和微震监测工程要求进行设置。
[0023] 优选地，所述步骤S2具体包括：
[0024] 步骤S21、采集所述检波器阵列输出的微震信号，判断所述微震信号初至时的幅值As是否大于第一触发阈值At；其中，At根据采动煤岩体突水微震监测系统工程现场的背景噪声值确定；
[0025] 步骤S22、若As大于At，判断所述微震信号是否满足 值，若是，则判定所述微震信号存在采动煤岩体突水微震触发事件；其中，STA为微震信号短时能量平均值，LTA为微震信号长时能量平均值，T为第二触发阈值。
[0026] 优选地，所述步骤S21中At根据如下步骤进行确定：
[0027] 步骤S210、计算预设时段内采动煤岩体突水微震监测系统工程现场的背景噪声的平均振幅值；
[0028] 步骤S211、若微震信号初至时的幅值As大于所述平均振幅值，则判定所述微震信号中可能存在采动煤岩体突水微震触发事件；
[0029] 步骤S212、若被监测采动煤岩体实际状态稳定，利用步骤S211判定的可能存在的触发事件每分钟低于30个，且微震信号的
信噪比在预设比值范围内，则将所述平均振幅值设为第一触发阈值At；否则，返回步骤S210，调整预设时段的长度重新计算所述平均振幅。
[0030] 需要说明的是，所述预设比值根据用户实际需要和微震监测工程要求进行设置。
[0031] 优选地，所述步骤S3中滤除所述触发事件波形中的噪声信号具体为：
[0032] 对工程现场大于预设幅值的噪声信号进行快速傅里叶变换，以获取噪声信号的时域和
频域特征，建立噪声信号特征库；根据噪声信号特征库中噪声信号的时域和频域特征滤除所述触发事件波形中的噪声信号。
[0033] 需要说明的是，所述预设幅值根据工程经验和现场监测试验确定。
[0034] 优选地，所述步骤S7具体包括：
[0035] 根据公式 计算微震触发事件发生后岩体的损伤变量D；根据损伤变量D，对采动煤岩体的力学参数进行修正。
[0036] 其中，η地震效率，E表示震源尺寸范围内的岩体单元损伤后被微震监测系统拾取的辐射能，Ue为岩体单元可释放总应变能，Ue由公式
[0037] 计算，其中E0为岩体初始的
弹性模量，σ1、σ2和σ3分别为岩体第一、第二和第三主
应力，ν为岩体泊松比。
[0038] 优选地，所述步骤S1中采动煤岩体突水微震监测的系统架构包括
硬件架构和
软件架构，其硬件架构包括：
[0039] 检波器阵列，包括预设数量的检波器，所述检波器阵列设置在回采工作面的回采巷道中；
[0040] 信号采集单元，包括：集线器、
模数转换器和存储单元，其中，所述模数转换器的输入端通过所述集线器与所述检波器阵列连接，输出端与所述存储单元连接；
[0041] 信号分析单元，包括：处理子单元和分析子单元，其中，所述处理子单元的输入端与所述存储单元连接，输出端与所述分析子单元连接；所述处理子单元用于根据存储单元中的微震信号，计算震源参数，所述震源参数包括微震发生时刻、微震辐射能量和震源位置；所述分析子单元用于根据处理子单元输出的震源参数，分析采动煤岩体微震事件和微震能量时空分布规律；
[0042] 预警决策单元，与所述分析子单元连接，用于根据所述采动煤岩体微震事件和微震能量时空分布规律进行突水灾害预警。
[0043] 优选地，所述检波器为单分量和/或三分量检波器，所述单分量检波器包括单分量
加速度检波器和/或单分量速度检波器，所述三分量检波器包括三分量加速度检波器和/或三分量速度检波器。
[0044] 优选地，所述信号采集单元为多个，当所述检波器为单分量检波器时，每六个检波器为一组，连接一个信号采集单元；当所述检波器为三分量检波器时，每两个检波器为一组，连接一个信号采集单元。
[0045] 本发明采用以上技术方案，至少具备以下有益效果：
[0046] 本发明提供的这种采动煤岩体突水微震监测方法，通过对检波器阵列输出的微震信号，采用阈值算法和STA/LTA算法判断是否存在采动煤岩体突水微震触发事件，并采用STA/LTA算法拾取p波到时t，并通过单纯形法迭代求解出触发事件的发生位置，根据触发事件的辐射能量，分析触发事件发生时微震辐射能量的时空分布特征和聚集程度，通过设定微震辐射能量释放阈值，从而识别出采动煤岩体潜在突水灾害区域，相比
现有技术，能实现对采动煤岩体突水的全局、实时和动态监测，监测方法简单，监测效率高，便于推广实施。
附图说明
[0047] 图1为本发明一
实施例提供的一种采动煤岩体突水微震监测方法的流程示意图；
[0048] 图2为本发明另一实施例提供的一种采动煤岩体突水微震监测方法的流程示意图；
[0049] 图3为本发明一实施例提供的采动煤岩体突水微震监测系统的硬件架构结构示意图。
具体实施方式
[0050] 下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
[0051] 参见图1，本发明一实施例提供的一种采动煤岩体突水微震监测方法，包括：
[0052] 步骤S1、根据采动煤岩体突水微震监测系统的工程要求及实施条件，确定采动煤岩体突水微震监测的系统架构；其中，所述系统架构包括检波器阵列在煤矿回采工作面的回采巷道中的安装方式及安装位置，所述检波器阵列用于拾取被监测采动煤岩体产生的微震信号；
[0053] 步骤S2、对所述检波器阵列拾取的微震信号，采用阈值算法和STA/LTA算法判断是否存在采动煤岩体突水微震触发事件，若是，保存触发事件波形；
[0054] 步骤S3、滤除所述触发事件波形中的噪声信号，对滤噪后的触发事件波形，采用STA/LTA算法拾取p波到时t，并根据采动煤岩体整体最优波速vopt通过单纯形法迭代求解出所述触发事件的发生位置；
[0055] 步骤S4、根据公式 计算所述触发事件发生时的微震辐射能量；其中，ρ为煤岩体密度；v为煤岩体弹性波速；R为震源到检波器阵列的距离；Jc为辐射能通量，通过质点速度谱在频域中积分获得；Fc为地震波辐射类型经验系数；
[0056] 步骤S5、分析所述触发事件发生时微震辐射能量的时空分布特征和聚集程度，设定微震辐射能量释放阈值，以识别出采动煤岩体潜在突水灾害区域。
[0057] 需要说明的是，所述步骤S5中，微震辐射能量释放阈值根据工程经验值进行设置。设定微震辐射能量释放阈值后，若某个被监测区域的采动煤岩体的微震辐射能量大于微震辐射能量释放阈值，则判定该被监测区域为潜在突水灾害区域。
[0058] 由上述技术方案可知，本发明提供的这种采动煤岩体突水微震监测方法，通过对检波器阵列输出的微震信号，采用阈值算法和STA/LTA算法判断是否存在采动煤岩体突水微震触发事件，并采用STA/LTA算法拾取p波到时t，并通过单纯形法迭代求解出触发事件的发生位置，根据触发事件的辐射能量，分析触发事件发生时微震辐射能量的时空分布特征和聚集程度，通过设定微震辐射能量释放阈值，从而识别出采动煤岩体潜在突水灾害区域，相比现有技术，能实现对采动煤岩体突水的全局、实时和动态监测，监测方法简单，监测效率高，便于推广实施。
[0059] 参见图2，优选地，所述采动煤岩体突水微震监测方法，还包括：
[0060] 步骤S6、根据所述触发事件发生时微震辐射能量的时空分布特征及采动煤岩体潜在突水灾害区域，确定采动煤岩体潜在突水通道赋存的主控地质因素，建立煤岩体突水灾害分析的三维地质力学模型，为采动煤岩体突水灾害的监测预警提供模型支持；
[0061] 步骤S7、根据所述触发事件的时空分布规律和所述触发事件发生时微震辐射能量的时空分布特征，利用能量耗散原理，将煤矿围岩微震辐射能量转化为围岩损伤弱化的力学参数，为采动煤岩体的数值分析提供力学修正参数。
[0062] 优选地，所述步骤S1具体包括附图中未示出的：
[0063] 步骤S10、根据采动煤岩体突水微震监测系统的工程要求及实施条件，确定采动煤岩体突水微震监测系统的系统架构；
[0064] 步骤S11、通过现场波速测试试验获取可供选择的岩体弹性波波速范围(vmin,vmax)，其中，vmin和vmax分别表示岩体弹性波波速的最小值和最大值；步骤S12、对采动煤岩体现场进行定点爆破或敲击试验，人工激发弹性波，滤除所述人工弹性波中的噪声信号，并对滤除噪声信号后的人工弹性波，采用STA/LTA算法拾取p波到时t；
[0065] 步骤S13、遍历岩体弹性波波速vi∈(vmin,vmax)内的所有弹性波波速，采用单纯形法迭代求解微震震源位置Xi(xi,yi,zi,vi)，并利用公式minE(vi)＝||Xi-X0||，i＝1,2…n，n≥2(2)，计算出采用单纯形法迭代求解的震源位置Xi(xi,yi,zi,vi)与人工震源位置X0(x0,y0,z0)之间的误差最小值minE(vi)，其对应的弹性波波速为采动煤岩体整体最优波速vopt；
[0066] 步骤S14、若minE(vi)的值不在预设误差范围内，返回步骤S10，调整采动煤岩体突水微震监测系统的系统架构，直至minE(vi)的值在预设误差范围；其中，调整采动煤岩体突水微震监测系统的系统架构包括调整采动煤岩体突水微震监测系统中检波器阵列的安装方式及安装位置。
[0067] 需要说明的是，所述预设误差范围根据用户实际需要和微震监测工程要求进行设置。
[0068] 可以理解的是，检波器的安装方式及安装位置不仅影响微震信号的监测，还影响不同微震
定位算法的定位速度、精度及定位结果的唯一性。合理的检波器布置方案不仅能够更大范围地监测到更多有效微震信号，而且能使定位算法快速准确地确定震源位置和发震时间。目前，检波器布置主要是根据经验，不同经验的工作人员布置的检波器监测到的微震信号往往差异较大，不能使检波器最大程度地监测到有效微震信号，也很难保证检波器形成一个良性的阵列，致使微震定位速度及精度受到不同程度的影响。
[0069] 由于采动煤岩体在变形破坏过程中会诱发微破裂的萌生和发展，常伴随着岩石弹性应变能的释放，并以弹性波的形式在岩石内传播。本发明提供的这种采动煤岩体突水微震监测方法，利用煤岩体的整体波速模型，对检波器阵列的布置位置进行优化搜索，从而使检波器阵列更精准更快速地获取微震信号。
[0070] 可以理解的是，所述煤岩体整体波速模型可通过测定场区岩体弹性波的波速来获取，并根据现场试验进行调整，减小定位误差。
[0071] 优选地，所述步骤S2具体包括附图中未示出的：
[0072] 步骤S21、采集所述检波器阵列拾取的微震信号，判断所述微震信号初至时的幅值As是否大于第一触发阈值At；其中，At根据采动煤岩体突水微震监测系统工程现场的背景噪声值确定；
[0073] 步骤S22、若As大于At，判断所述微震信号是否满足 值，若是，则判定所述微震信号存在采动煤岩体突水微震触发事件；其中，STA为微震信号短时能量平均值，LTA为微震信号长时能量平均值，T为第二触发阈值。
[0074] 其中，T根据采动煤岩体现场微震触发试验来确定，以保证触发事件判定的准确度。
[0075] 可以理解的是，对检波器阵列输出的微震信号，采用阈值算法和STA/LTA算法共同判断是否存在采动煤岩体突水微震触发事件，可以提高触发事件判断的准确性。
[0076] 优选地，所述步骤S21中At根据如下附图中未示出的步骤进行确定：
[0077] 步骤S210、计算预设时段内采动煤岩体突水微震监测系统工程现场的背景噪声的平均振幅值；
[0078] 步骤S211、若微震信号初至时的幅值As大于所述平均振幅值，则判定所述微震信号中可能存在采动煤岩体突水微震触发事件；
[0079] 步骤S212、若被监测采动煤岩体实际状态稳定，利用步骤S211判定的可能存在的触发事件每分钟低于30个，且微震信号的信噪比在预设比值范围内，则将所述平均振幅值设为第一触发阈值At；否则，返回步骤S210，调整预设时段的长度重新计算所述平均振幅。
[0080] 需要说明的是，所述预设比值范围根据用户实际需要和微震监测工程要求进行设置。
[0081] 优选地，所述步骤S3中滤除所述触发事件波形中的噪声信号具体为：
[0082] 对工程现场大于预设幅值的噪声信号进行快速傅里叶变换，以获取噪声信号的时域和频域特征，建立噪声信号特征库；根据噪声信号特征库中噪声信号的时域和频域特征滤除所述触发事件波形中的噪声信号。
[0083] 需要说明的是，所述预设幅值根据工程经验和现场监测试验确定。
[0084] 针对煤矿开采而言，检波器所得到的信号具有多样性、突发性和不确定性，微震信号在传输过程中，除了带有有用的信息外，同时还会夹杂如机械噪音、环境噪音等干扰无用信号，因此对触发事件波形进行滤波，有利于提高后续微震监测结果的准确度。
[0085] 优选地，所述步骤S7具体包括：
[0086] 根据公式 计算微震触发事件发生后岩体的损伤变量D；根据损伤变量D，对采动煤岩体的力学参数进行修正。
[0087] 其中，η地震效率，E表示震源尺寸范围内的岩体单元损伤后被微震监测系统拾取的辐射能，Ue为岩体单元可释放总应变能，Ue由公式
[0088] 计算，其中E0为岩体初始的弹性模量，σ1、σ2和σ3分别为岩体第一、第二和第三主应力，ν为岩体泊松比。
[0089] 参见图3，优选地，所述步骤S1中采动煤岩体突水微震监测的系统架构包括硬件架构和软件架构，其硬件架构包括：
[0090] 检波器阵列，包括预设数量的检波器2，所述检波器阵列设置在回采工作面的回采巷道1中；
[0091] 信号采集单元3，包括：集线器31、模数转换器32和存储单元33，其中，所述模数转换器32的输入端通过所述集线器31与所述检波器阵列连接，输出端与所述存储单元33连接；
[0092] 信号分析单元4，包括：处理子单元41和分析子单元42，其中，所述处理子单元41的输入端与所述存储单元33连接，输出端与所述分析子单元42连接；所述处理子单元用于根据存储单元中的微震信号，计算震源参数，所述震源参数包括微震发生时刻、微震辐射能量和震源位置；所述分析子单元用于根据处理子单元输出的震源参数，分析采动煤岩体微震事件和微震能量时空分布规律；
[0093] 预警决策单元，与所述分析子单元连接，用于根据所述采动煤岩体微震事件和微震能量时空分布规律进行突水灾害预警。
[0094] 需要说明的是，所述预设数据根据用户实际需要和微震监测工程要求进行设置。
[0095] 优选地，所述模数转换器32为24位模数转换器。
[0096] 优选地，所述检波器2为单分量和/或三分量检波器，所述单分量检波器包括单分量加速度检波器和/或单分量速度检波器，所述三分量检波器包括三分量加速度检波器和/或三分量速度检波器。
[0097] 优选地，当所述检波器2为单分量/三分量加速度检波器时，所述检波器2的频响范围为50～10000Hz，灵敏度为1V/g或30V/g；当所述检波器2为单分量/三分量速度检波器时，所述检波器2的频响范围为4.5～5000Hz灵敏度为27.6V/m/s或43.3V/m/s。
[0098] 作为优选的技术方案，选用频响范围为15～1500Hz，灵敏度为43.3V/m/s的速度检波器。检波器能够对回采工作面的微破裂事件进行24h连续监测，实时获取微震事件的动态时空数据等多项震源参数信息。
[0099] 优选地，所述信号采集单元3为多个，当所述检波器2为单分量检波器时，每六个检波器2为一组，连接一个信号采集单元3；当所述检波器2为三分量检波器时，每两个检波器2为一组，连接一个信号采集单元3。
[0100] 需要说明的是，每组检波器分布在所述回采工作面的回采巷道中，并根据被监测工作面的具体情况进行检波器及线路的布设，同时对检波器进行优化布置，以获得良好的空间阵列，减小定位误差。
[0101] 参见图2，本实施例共采用五组单分量速度检波器2，每组单分量速度检波器2为六个，均设置在上述回采工作面的回采巷道1中。
[0102] 通过上述微震监测系统，能够实时监测煤矿回采工作面区域微破裂的萌生和演化，获取煤矿采掘过程中突水通道的分布特征，有利于提高对回采工作面突水灾害分析预警的可靠性。
[0103] 由上述技术方案可知，本发明提供的这种采动煤岩体突水微震监测系统，在回采工作面的回采巷道中布置预设数量的检波器，当被监测采动煤岩体内出现微震时，检波器可将微震信号拾取。由于检波器在回采巷中是多点设置的，所以通过采集多点同步数据测定各检波器接收到微震信号的时刻，连同检波器坐标及所测微震信号的波速带入方程组求解，即可确定震源的时空参数，达到定位的目的。相比现有技术，本发明提供的这种采动煤岩体突水的微震监测系统，部署简单，监测结果可靠性高。
[0104] 本发明不局限于上述最佳实施方式，任何人在本发明的启示下都可得出其他各种形式的产品，但不论在其形状或结构上作任何变化，凡是具有与本
申请相同或相近似的技术方案，均落在本发明的保护范围之内。术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。术语“多个”指两个或两个以上，除非另有明确的限定。
