CN102778668A - 矿山被动震源快速精确定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种矿山被动震源快速精确定位方法。本发明通过以下步骤实现：（1）基于数值分析和监测结果的被动震源监测传感器优化布置；（2）被动震源事件检测；（3）基于P波走时的被动震源定位：通过已有的地球物理参数作为已知条件和约束条件，利用最小二乘原理求解上述方程，解出的结果包括发震延迟时刻和震源坐标，方程解出后，判断结果的合理性，如果结果不合理，需要调整输入参数，重新计算，直到解出最终的合理的解，从而确定被动震源坐标。本发明从根本上阻止其乱采滥挖，提高煤矿开采利用率；对于已经监测的区域，无需再利用物探手段再次探查采空区的分布，节约成本。

Description

矿山被动震源快速精确定位方法

技术领域

本发明属于被动震源监测技术领域，具体涉及一种矿山被动震源快速精确定位方法，该方法可广泛用于监测小煤窑越界盗采、矿山微震监测、地质灾害预报等领域。

背景技术

由于历史原因，在大型国有煤矿周围存在着许多小煤窑。这些小煤窑多为个体经营，其生产工艺、设备比较简陋，井下巷道无支护，不具备安全生产的条件，安全生产隐患严重。受利益驱使，小煤窑实行掠夺性的乱采滥挖，煤炭回采率只有10%至15%，造成了大量的资源浪费；由于小煤窑这种掠夺性的滥采乱挖，也使得国有煤矿的服务年限大大缩短，给国家造成了巨大的经济损失。另一方面，不少小煤窑越界盗采非常严重，严重威胁着国有大煤矿的安全生产。小煤窑盗采后留下的采空区，后续利用物探、钻探等手段很难精确查明其范围，许多重大安全事故都是由于大矿在开采过程中遇到小煤窑先前开采留下的采空区导致突水造成的。如2010年王家岭“3.28”矿难，就是小煤窑非法越界开采酿成的恶果。

近几年，国家加大了对小煤窑整治力度，关闭了一些不合法的小煤矿，取得了良好的成效，但是以往依靠各级煤矿安全生产监察管理人员采取现场督查的“人员监控”模式，仍然不可避免地存在着监测范围有限、监测时间受控以及小煤窑主欺上瞒下等不足，这就造成了一些小煤窑“关而不死”的局面，致使煤矿安全监管不到位、搞形式、走过场、“严格不起来，落实不下去”的问题普遍存在，最终导致小煤矿活动依旧猖獗，“打非治违”的工作任务依然艰巨。

发明内容

本发明所解决的技术问题是提供一种快速、实时、有效、经济的手段来监测小煤窑的盗采活动的矿山被动震源快速精确定位方法。

为解决上述的技术问题，本发明采取的技术方案：

一种矿山被动震源快速精确定位方法，其特殊之处在于：通过以下步骤实现：

（1）、基于数值分析和监测结果的被动震源监测传感器优化布置：

     首先需要从宏观上对整个矿区进行侦测，通过数值模拟分析和软件定位结果，初步掌握小煤窑盗采活动的大致范围；然后根据初步定位的结果，按规则矩形网或者三角网的布局结构来调整优化传感器的布控位置，缩小观测网格，调整的观测网络应尽可能涵盖初步定位时确定震源的平面位置；在此基础上，利用传感器接收来自地下的被动震源信号，根据接收的信号再次确定震源位置，定位时以仪器接收得到的走时和计算得到的走时累积残差平方和最小为目标函数，以此判断定位精度，若精度满足要求，则确定的震源位置为盗采点，若不满足精度，则需进一步调整优化传感器的布控方位，实现小煤窑非法盗采点的精确定位；

（2）被动震源事件检测：

通过自记式地震仪长时间、连续、高密度记录采集的数据，通过事件检测方法从海量数据中快速准确地获取有效的地震事件来进行被动震源定位；

（3）、基于P波走时的被动震源定位：

    震源定位主要采用纵波初至，即每个传感器接收到的每个震源发出信号的纵波传播时间即纵波走时，计算公式如下：

                                                 

其中为第i个传感器的观测到时， 为第i个传感器的坐标， 

及为震源坐标，

为发震延迟时刻，为地震波传播的平均速度，通过已有的地球物理参数作为已知条件和约束条件，利用最小二乘原理求解上述方程，解出的结果包括发震延迟时刻和震源坐标，方程解出后，判断结果的合理性，如果结果不合理，需要调整输入参数，重新计算，直到解出最终的合理的解，从而确定被动震源坐标。

上述的步骤（2）的被动震源事件检测的具体步骤为：

A、从已采集的信号

中选取一个放炮事件信号，长度根据信号特征而定，一般包括从初至起跳开始到震动衰减结束，设信号为

；

B、用抽取的

与原始信号

进行互相关，求取互相关函数：

C、通过互相关函数

的多个极值，可以找到原始信号中对应的多个放炮事件信号。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

本发明通过被动地震定位技术，可以实时监测小煤窑的盗采活动，能够为各地煤炭安全生产监督、监察部门实现从“人防”到“技防”提供技术支撑，也能够为国有重点煤矿的安全生产提供指导，以防范由于误揭小煤窑巷道等导致的安全生产事故；通过监测定位，其结果可以作为小煤窑非法越界盗采的证据，利用法律手段维护国有煤炭企业的合法权益，从根本上阻止其乱采滥挖，提高煤矿开采利用率；对于已经监测的区域，无需再利用物探手段再次探查采空区的分布，节约成本。

附图说明

图1为本发明的流程图；

图2为本发明的被动震源定位流程示意图；

图3为本发明的传感器布置示意图；

图4为实施例1的小煤窑井下放炮地面监测的地震事件；

图5为实施例1的按150m×150m三角网格布置的第一期监测监控定位结果；

图6为实施例1的按120m×120m矩形网格布置的第二期监测监控定位结果；

图7为实施例1的按80m×80m矩形网格布置的第三期监测监控定位结果；

图8为实施例1的按60m×60m矩形网格布置的按第四期监测监控定位结果；

图9为实施例1的四期监测监控定位结果总图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

参见图1-3，本发明通过以下步骤实现：

（1）基于数值分析和监测结果的被动震源监测传感器优化布置：

    首先需要从宏观上对整个矿区进行侦测，通过数值模拟分析和软件定位结果，初步掌握小煤窑盗采活动的大致范围；然后根据初步定位的结果，按规则矩形网或者三角网的布局结构来调整优化传感器的布控位置，缩小观测网格，调整的观测网络应尽可能涵盖初步定位时确定震源的平面位置；在此基础上，利用传感器接收来自地下的被动震源信号，根据接收的信号再次确定震源位置，定位时以仪器接收得到的走时和计算得到的走时累积残差平方和最小为目标函数，以此判断定位精度，若精度满足要求，则确定的震源位置为盗采点，若不满足精度，则需进一步调整优化传感器的布控方位，实现小煤窑非法盗采点的精确定位；

（2）被动震源事件快速检测：

被动地震监测数据是利用自记式地震仪长时间、连续、高密度记录采集的数据，通过事件检测方法从海量数据中快速准确地获取有效的地震事件来进行被动震源定位；

（3）基于P波走时的被动震源定位：

    震源定位主要采用纵波初至，即每个传感器接收到的每个震源发出信号的纵波传播时间即纵波走时，计算公式如下：

其中为第i个传感器的观测到时， 为第i个传感器的坐标， 及为震源坐标，为发震延迟时刻，

为地震波传播的平均速度，通过已有的地球物理参数作为已知条件和约束条件，利用最小二乘原理求解上述方程，解出的结果包括发震延迟时刻和震源坐标，方程解出后，判断结果的合理性，如果结果不合理，需要调整输入参数，重新计算，直到解出最终的合理的解，从而确定被动震源坐标。

上述的步骤（2）的事件检测方法为因小煤窑的采煤主要是放炮开采方式，故被动震源的激发能量较强，采集信号的信噪比高；考虑到小煤窑的穿采方式，其巷道推进速度较慢，因而不同期次俘获的地震信号具有相似性，根据这一特征，可以先提取一个标准的地震子波，然后利用信号相关分析技术，能够将监测到的每个放炮事件与放炮时间快速提取出来。

上述的事件检测方法的具体步骤为：

A、            从已采集的信号中选取一个放炮事件信号，长度根据信号特征而定，一般包括从初至起跳开始到震动衰减结束，设信号为；

B、            用抽取的与原始信号进行互相关，求取互相关函数：

C、            通过互相关函数的多个极值，可以找到原始信号中对应的多个放炮事件信号。

实施例1：陕北某煤矿的应用为例说明本发明的具体实施方式，利用被动震源来监测定位小煤窑盗采活动的步骤是：

1)    首先，对监测区域进行地质调查，详细了解区域内的地形条件、地层产状、倾角、厚度、速度等地质、地球物理参数，并选择大矿与小煤窑交界区域作为越界盗采的重点监测区；

2)    在步骤（1）的基础上，选取地面1000m×1000m的监测范围，布置传感器，传感器的数量最少5个，传感器越多定位精度越高，传感器布置的位置随机均匀分布；

3)    利用自记式地震仪监测盗采放炮所激发的地震波，监测时间区间必须保证在小煤窑在井下放炮区间内，数据采集结束后，通过快速事件监测程序将放炮事件从记录中提取出来，用于被动源地震定位（如图4所示，为接收到的一个被动源地震事件）；

4)    将提取的被动震源事件进行初步定位，根据定位结果调整传感器的位置，缩小测网，缩小的测网要求将初步确定的盗采点包围，可按规则矩形网或三角网布置（如图3）；

5)   重复监测、定位，将定位结果绘图显示； 如图5所示，是利用150m×150m三角网格监测监控定位结果图，可以看出由于网格较大，定位点较分散，定位精度低；图6为选定部分区域利用120m×120m矩形网格监测监控定位结果图，可以看出定位点明显集中，显示出规律性；图7为利用80m×80m矩形网格监测监控定位结果，除部分点外，定位结果更集中；图8为60m×60m监测监控定位结果，定位点更加聚集，定位精度较高；图9为四期监测监控定位结果总图，不同结果代表不同期次的监测结果，可以看出点的分布有一定的规律性，重复性较高的点代表定位精度较高。

6)       根据定位结果，可判断小煤窑监测期间的放炮开采位置及开采方向等信息。根据定位结果，设计两个验证钻孔，均命中小煤窑盗采巷道，验证了定位结果的准确性。

Claims (2)

1.一种矿山被动震源快速精确定位方法，其特征在于：通过以下步骤实现：

（1）、基于数值分析和监测结果的被动震源监测传感器优化布置：

     首先需要从宏观上对整个矿区进行侦测，通过数值模拟分析和软件定位结果，初步掌握小煤窑盗采活动的大致范围；然后根据初步定位的结果，按规则矩形网或者三角网的布局结构来调整优化传感器的布控位置，缩小观测网格，调整的观测网络应尽可能涵盖初步定位时确定震源的平面位置；在此基础上，利用传感器接收来自地下的被动震源信号，根据接收的信号再次确定震源位置，定位时以仪器接收得到的走时和计算得到的走时累积残差平方和最小为目标函数，以此判断定位精度，若精度满足要求，则确定的震源位置为盗采点，若不满足精度，则需进一步调整优化传感器的布控方位，实现小煤窑非法盗采点的精确定位；

（2）被动震源事件检测：

通过自记式地震仪长时间、连续、高密度记录采集的数据，通过事件检测方法从海量数据中快速准确地获取有效的地震事件来进行被动震源定位；

（3）、基于P波走时的被动震源定位：

    震源定位主要采用纵波初至，即每个传感器接收到的每个震源发出信号的纵波传播时间即纵波走时，计算公式如下：

                                                

其中为第i个传感器的观测到时， 为第i个传感器的坐标， 

及为震源坐标，

为发震延迟时刻，

为地震波传播的平均速度，通过已有的地球物理参数作为已知条件和约束条件，利用最小二乘原理求解上述方程，解出的结果包括发震延迟时刻和震源坐标，方程解出后，判断结果的合理性，如果结果不合理，需要调整输入参数，重新计算，直到解出最终的合理的解，从而确定被动震源坐标。

2.根据权利要求1所述的矿山被动震源快速精确定位方法，其特征在于：所述的步骤（2）的被动震源事件检测的具体步骤为：

A、从已采集的信号

中选取一个放炮事件信号，长度根据信号特征而定，一般包括从初至起跳开始到震动衰减结束，设信号为

；

B、用抽取的

与原始信号

进行互相关，求取互相关函数：

C、通过互相关函数

的多个极值，可以找到原始信号中对应的多个放炮事件信号。

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