CN103197356A - 一种煤与瓦斯突出灾害前兆煤体破裂震源定位方法 - Google Patents

Abstract

一种煤与瓦斯突出灾害前兆煤体破裂震源定位方法主要采用煤体破裂过程中所释放的微震和电磁辐射信号来实现煤体破裂震源位置确定。对采集到的微震信号数据进行处理得出微震波纵波和横波到达监测点的时间差，结合微震纵波和横波在煤层中传播的速度差可以计算得出震源位置与监测台的距离；采用正交分布的煤岩电磁辐射接收天线，分别从水平和垂直两个方向接收煤岩电磁辐射信号，磁棒天线接收到的电磁信号能量与接收天线和辐射方向的夹角余弦值的平方成正比，可以通过计算正交天线水平和垂直方向接收到电磁信号能量的比值来确定煤体破裂源(辐射源)所在方向。结合微震信号处理得出的辐射距离和电磁辐射信号处理得出的辐射方向进而可以确定震源位置坐标，实现基于电磁辐射和微震等煤与瓦斯突出前兆信息的工作面前端煤体破裂源定位的方法。

Description

一种煤与瓦斯突出灾害前兆煤体破裂震源定位方法

技术领域

本发明涉及一种煤体破裂源定位方法，尤其指一种基于电磁辐射和微震等煤与瓦斯突出前兆信息实现煤体破裂震源定位的方法，主要应用于煤与瓦斯突出预警。

背景技术

煤与瓦斯突出灾害对我国的煤矿生产，特别是井下工作人员的生命财产造成了极其严重的威胁。

研究表明，在煤与瓦斯突出发生前会有煤岩体在内外物理化学及应力综合作用下快速破裂。在这些过程中，煤岩体会向外发出微震和电磁辐射等比较明显的煤与瓦斯突出前兆信息。工作面前方的微震和电磁辐射监测探头能够监测到这些前兆信息，并用于井下煤与瓦斯突出灾害的预警。

在防突措施的制定过程中需要准确判断煤体破裂震源的位置。为此，本发明提出一种基于电磁辐射和微震等煤与瓦斯突出前兆信息的工作面前端煤体破裂震源定位的方法。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提出了一种以基于电磁辐射和微震等煤与瓦斯突出前兆信息的煤体破裂震源定位方法，具体包括采用微震信号数据确定煤体破裂震源与监测点距离，采用正交接收天线接收电磁数据确定辐射方向。

本发明采用的技术方案是：提取某一次煤与瓦斯突出监测探头采集到的异常数据，按照数据类型分成一路微震信号数据和两路电磁信号数据。

对采集到的微震信号数据进行处理得出微震波纵波和横波到达监测点的时间差，结合微震纵波和横波在煤层中传播的速度差可以计算得出煤体破裂震源位置与监测点的距离。

正交接收天线由两根互相垂直的磁棒天线组成，分别接收水平和垂直两个方向的煤岩电磁辐射信号。根据磁棒天线的接收机理可以知道单位时间内天线接收到的电磁信号能量与接收天线和辐射方向的夹角余弦值的平方成正比。那么，可以通过计算正交天线水平和垂直方向接收到电磁信号能量的比值来确定煤体破裂源(辐射源)所在方向。

结合微震信号处理得出的辐射距离和电磁辐射信号处理得出的辐射方向进而可以确定出煤体破裂震源位置。

本发明的有益效果是，提供了基于电磁辐射和微震等煤与瓦斯突出前兆信息的工作面前端煤体破裂震源定位的方法，能够实现单一监测平台的独立定位；综合考虑了煤与瓦斯突出前兆煤体破裂过程中的微震异常信号和电磁辐射异常信号，定位效果更好。

具体实施方式

在煤与瓦斯突出监测预警系统中可以实现对煤矿井下微震异常和电磁辐射异常进行检测。监测探头中的微震传感器能够监测到同一煤体破裂震源所发出的纵波和横波，并且对监测到的微震信号分析可以得出纵波和横波到达监测探头的时间。由于纵波和横波在煤岩层中的传播速度是不同，监测探头接收到纵波和横波的时间也是不一样了。那么震源位置与监测探头的距离L便可以用式(1)来确定。

$L=\left|\frac{V_1-V_2}{T_1-T_2}\right|---\left(1\right)$

式中，V₁表示纵波在该煤层中的传播速度，其值在同一煤层中可视为常数；

      V₂表示横波在该煤层中的传播速度，其值在同一煤层中可视为常数；

      T₁纵波到达监测探头的时间；

      T₁横波到达监测探头的时间。

磁棒天线的接收机理是应用法拉第电磁感应定律。感生电动势E可以由式(2)确定。

$E=\mathrm{NS}\cos \mathrm{\θ}\frac{\mathrm{dB}}{\mathrm{dt}}---\left(2\right)$

式中，N表示磁棒天线接收线圈的匝数；

      S表示磁棒天线接收线圈的面积；

     θ表示接收天线方向与电磁辐射方向夹角；

     

表示磁场强度变换率。

若磁棒天线的内部阻抗为R，则磁棒天线接收到的电磁辐射功率P与电动势强度E存在如式(3)所示的关系：

$P=\frac{E^2}{R}---\left(3\right)$

那么t₁到t₂时间内接收天线接收到的电磁辐射能量W与辐射功率P之间的关系为：

$W={\∫}_{t_1}^{t_2}\mathrm{Pdt}---\left(4\right)$

结合式(2)、(3)、(4)可以得出信号的能量W与其和电磁波传播方向的夹角θ存在以下关系：

W∞cos²θ                            (5)

监测探头中的电磁辐射接收天线为两根正交放置的磁棒天线，假设辐射能量为W₀，水平方向磁棒天线接收能量为W₁，对应夹角为θ₁，垂直方向磁棒天线接收能量为W₂，对应夹角为θ₂。那么由(6)式可以得出接收能量与夹角之前的关系为：

$\frac{W_1}{W_2}=\frac{W{\cos }^2{\mathrm{\θ}}_1}{W{\cos }^2{\mathrm{\θ}}_2}---\left(6\right)$

煤与瓦斯突出监测预警系统中的信号采集板能够采集接收天线中的瞬时感生电动势，这些采集的数据可以通过式(7)得出天线接收到的电磁辐射能量。

$W=\frac{\mathrm{\Δt}}{R}\underset{0}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{V}_i^2---\left(7\right)$

式中V_i为取样点的电动势；Δt为取样点的时间间隔；n为样点数。

在井下监测中通过计算接收异常信号时间段的电磁辐射能量与无矿震信号过程中环境辐射噪声能量来确定接收到煤体破裂震源辐射电磁波的能量。采用式(7)计算能量后结合式(6)可以得出如式(8)所示关系。

$\frac{{\cos }^2{\mathrm{\θ}}_1}{{\cos }^2{\mathrm{\θ}}_2}=\frac{W_L-N_L}{W_V-N_V}---\left(8\right)$

式中：W_L表示电磁辐射异常段水平接收天线上接收到的电磁辐射能量；

      W_V表示电磁辐射异常段垂直接收天线上接收到的电磁辐射能量；

      N_L表示无微震过程中水平接收天线接收到的电磁辐射能量；

      N_V表示无微震过程中垂直接收天线接收到的电磁辐射能量。

对于正交天线两根天线接收夹角θ₁与θ₂之间存在如式(9)所示关系。

θ₁+θ₂＝π/2                    (9)

以监测探头所在位置为原点，水平接收天线为x轴，垂直接收天线为y轴，那么震源坐标P的水平方向坐标P_x和垂直方向坐标P_y可由式(10)确定。

$\left\{\begin{array}{c}{P}_x=L\cos {\mathrm{\θ}}_1\\ P_y=L\cos {\mathrm{\θ}}_2\end{array}\right.---\left(10\right)$

将式(1)(8)(9)(10)联立可得：

$\left\{\begin{array}{c}{P}_x=\left|\frac{V_1-V_2}{T_1-T_2}\right|\cos \left(\arctan \sqrt{\frac{W_V-N_V}{W_L-N_L}}\right)\\ P_y=\left|\frac{V_1-V_2}{T_1-T_2}\right|\cos \left(\arctan \sqrt{\frac{W_L-N_L}{W_V-N_V}}\right)\end{array}\right.---\left(11\right)$

在井下对一次矿震定位过程中首先通过查阅当地地质资料或做相关实验得到纵波在该煤层中的传播速度V₁，横波在该煤层中的传播速度V₂，通过监测微震传感器接收到的微震异常数据得出本次微震过程中纵波到达监测探头的时间T₁，横波到达监测探头的时间T₁，然后采用式(7)计算出电磁辐射异常段水平接收天线上接收到的电磁辐射能量W_L，电磁辐射异常段垂直接收天线上接收到的电磁辐射能量W_V；无煤体破裂时间段水平接收天线接收到的电磁辐射能量N_L；无煤体破裂时间段垂直接收天线接收到的电磁辐射能量N_V。将上述参数代入式(11)中即可得出煤体破裂源位置坐标，实现基于电磁辐射和微震等煤与瓦斯突出前兆信息的工作面前端煤体破裂震源定位的方法。

Claims (2)

1.一种基于电磁辐射和微震等煤与瓦斯突出前兆信息的工作面前端煤体破裂震源定位的方法，其特征在于：利用煤与瓦斯突出监测预警系统监测到的微震信号数据确定震源与监测台距离，正交接收天线接收电磁数据确定辐射方向，进而可以确定出煤体破裂震源位置。

2.根据权利1所述的矿震定位中的方向确定方法，其特征在于：采用正交分布的电磁辐射接收天线接收煤岩电磁辐射信号，磁棒天线接收到的电磁信号能量与接收天线和辐射方向的夹角余弦值的平方成正比，通过计算正交天线水平和垂直方向接收到电磁信号能量的比值来确定微震源(辐射源)所在方向。