CN104100297A - 自震式微震监测系统及方法 - Google Patents

Abstract

自震式微震监测系统，包括地面中心站，控制主机，网络交换机，监测分站，拾振器和自震震源；地面中心站用于接收数据并实时存储；控制主机用于预设和修改监测指标相关参数，接收数据并进行预处理和分析；网络交换机用于将传递井上下数据；监测分站用于对输入信号采集和判别，对信号进行模数转换，信号放大及消除叠加，并自动识别满足预设参数的信号；拾振器用于拾取煤岩体自然破裂信号和自震震源发出的信号传输给监测分站；自震震源用于产生人工P波，对自然破裂信号产生的P波波速进行校准，对布置在不同区域的拾振器赋予相应的P波波速值。本发明结构简单、易于操作，震动数据计算精度高，便于大范围、长期和危险条件下的监测。

Description

自震式微震监测系统及方法

技术领域

本发明涉及一种微震监测系统及方法，特别是一种自震式微震监测系统及方法。

背景技术

矿井冲击地压灾害的发生与煤矿采动影响直接相关，为预测预防矿井冲击地压等灾害的发生，煤矿企业对煤矿采动影响进行持续不断的监测成为必然。目前煤矿企业采用的监测手段多种多样，但最主要的是微震监测。煤矿企业通过在矿井内安装微震系统，来监测煤岩体在采动影响下形成的微震波的频率和幅度，达到预测预防冲击地压等灾害发生的目的。

但现有微震监测技术一般都是基于P波在各向同性的均匀介质中保持传播速度不变的假设而发展的定位技术。众所周知，煤岩体是一种本身就带有节理、裂隙的非均质材料，而且在采动影响作用下还会受力破坏，其非连续非均质程度还会增加，固定波速计算的方法，显然与煤岩体本质属性不相符合，因而现有微震监测技术在预测预防冲击地压等灾害发生方面准确性还有待提高。

综上所述，现有技术中还没有一种能够考虑煤岩体介质属性，解决P波波速不固定问题的微震监测方法及监测系统。

发明内容

在现有微震监测方法中，在执行定位算法时，P波在煤岩体中传播速度被假设为保持不变，本发明突破这一假设，真实科学的将煤岩体作为一种非连续非均匀的介质来考虑。本发明提供的技术方案是在科研人员深入研究煤岩体在外载荷作用下由连续到不连续直至破坏过程中微震波速特性和反演规律基础之上获得的，P波速度特征更符合煤岩体中介质属性。

本发明采用的技术方案如下：

自震式微震监测系统，包括地面中心站，控制主机，网络交换机，监测分站，拾振器和自震震源；所述地面中心站用于接收从所述网络交换机传来的数据并实时存储；所述控制主机用于预设和修改监测指标相关参数，接收所述地面中心站传来的数据并进行预处理和分析；所述网络交换机用于将井上发出的指令传输给井下，将井下采集的数据传输给井上；所述监测分站用于对输入信号采集和判别，对信号进行模数转换，信号放大及消除叠加，并自动识别满足预设参数的信号；所述拾振器用于拾取煤岩体自然破裂信号和所述自震震源发出的信号传输给所述监测分站；所述自震震源用于产生人工P波，对自然破裂信号产生的P波波速进行校准，对布置在不同区域的所述拾振器赋予相应的P波波速值；所述地面中心站与所述控制主机网线连接，同时中心站与若干所述网络交换机光纤连接，所述网络交换机与若干所述监测分站光纤连接，所述监测分站与若干所述拾振器电缆连接。

在上述自震式微震监测系统中，所述拾振器采样频率为1-10K，采样精度为24bit。

在上述自震式微震监测系统中，所述自震震源与所述控制主机网络连接，通过所述控制主机来控制所述自震震源的起止震动时间和震动频率。

在上述自震式微震监测系统中，还包括GPS时钟，所述GPS时钟采用高精度网络授时IEEE1588协议，用于实现所述监测分站监测时间同步。

在上述自震式微震监测系统中，所述监测分站包括主控MCU3，信号调理模块和A/D转换器；所述主控MCU3进行信号触发所需判断运算；所述信号调理电路进行信号放大并消除信号叠加；所述A/D转换器1将多路模拟震动信号转换为数字信号。

在上述自震式微震监测系统中，所述A/D转换器有8路差分输入，程控增益PGA为1-128倍，最高可实现24位无误码输出，同时保证0.0015％的非线性度，滤波器截止频率为4.8Hz-1.01KHz。

在上述自震式微震监测系统中，所述自震震源包括震动激发控制箱，振动电机，电源，振动电机机座；所述振动电机基座呈直角三角形，所述直角三角形的两个直角边分别与煤壁和底板接触，所述振动电机基座与所述底板之间通过减震机构固定连接。

在上述自震式微震监测系统中，所述震动激发控制箱包括通讯模块，主控模块，变频器和防爆外壳，所述通讯模块，所述主控模块，所述变频器和所述振动电机依次电连接。

在上述自震式微震监测系统中，所述主控模块和变频器用于直接或接收远程指令来控制所述振动电机的输入电压，进而控制其产生的震动波频率和波幅。

采用上述自震式微震监测系统的监测方法，包括如下步骤：

(a)根据矿井拟监测区域地质条件和开采情况，确定所述微震监测系统布置方案，所述地面中心站和控制主机布置于地面上，所述网络交换机，监测分站，拾振器和自震震源布置于监测区域内；

(b)依次确定所述拾振器，所述监测分站和所述网络交换机布置位置、数量和布置参数，最后确定所述自震震源安放位置；

(c)进行所述微震监测系统的调试，确保各工作模块均能正常工作，同时设置并确定各监测指标相关参数；

(d)启动所述自震震源，记录自激震动数据；

(e)对自激震动数据进行运算，求解所述拟监测区域的自激震动波速场CT图像；

(f)根据监测区域波速场解算每个所述拾振器监控区域的波速值，将波速值作为定位计算的依据，求解自震震源位置坐标和能量，通过对实际值和计算值的多次验算，确定最终使用的波速值；

(g)根据步骤(f)所述拾振器波速值，结合每个拾振器接收到的岩体破裂震动波能量和初至到时，计算岩体发生破裂震动的位置坐标及能量。

本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：

①「本发明提供的自震式微震监测系统及方法，通过采用自震震源来对布置在不同位置的拾振器赋予相应波速值，以此作为震源坐标定位计算的依据，因此，本发明能够更真实的反映拟监测区域不同位置煤岩体介质的震动波传播特性，突破了现有技术中假设拟监测区域P波全部匀速的局限性，从而提高了微震监测的定位精度。

②「本发明提供的自震式微震监测系统及方法，由于自震震源和拾振器坐标已知，从而可以获得拟监测区域内煤岩体介质传播震动波的速度场CT图像，因此，本发明能够揭示采动煤岩体的应力变化和分布规律，有利于揭示煤岩体应力变化与P波波速和能量之间的关系，为矿井预测预防冲击地压发生提供了更为科学可靠的依据。

③「本发明提供的自震式微震监测系统及方法，由于GPS时钟采用高精度网络授时IEEE1588协议，利用已有的数据传输网络(内部局域网)进行时间校准，摆脱了以往授时需要单独布置同步时钟通讯系统的模式，因此，本发明提高了通讯网络中监测分站的同步时间精度。

④「本发明提供的自震式微震监测系统及方法，由于使用局域网搭建网络架构，地面使用网线传输数据，井下至地面使用光纤传输数据，系统数据传输速率高，网络带宽达100M，不仅可以传输数据采集和控制命令，同时也实现了实时校准各监测分站的时钟，因此，本发明能够保证每个监测分站采集到的原始数据在时间上保持精准一致，有效提高了微震监测精度。

附图说明

为了使本发明的内容更容易被清楚的理解，下面根据本发明的具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明，其中

图1是本发明自震式微震监测系统的布置示意图；

图2是本发明自震式微震监测系统中监测分站结构示意图；

图3是本发明自震式微震监测系统中自震震源结构示意图。

图中标记为：1-地面中心站，2-控制主机，3-网络交换机，4-监测分站，5-拾振器，6-自震震源，7-GPS时钟，8-地面，9-监测区域，41-主控MCU3，42-信号调理模块，43-A/D转换器，61-震动激发控制箱，62-振动电机，63-电源，64-振动电机基座，65-煤壁，66-底板，611-通讯模块，612-主控模块，613-变频器，614-防爆外壳，641-减震机构。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

图1-3显示的是本发明自震式微震监测系统的优选实施例。

所述自震式微震监测系统，包括地面中心站1，控制主机2，网络交换机3，监测分站4，拾振器5和自震震源6；所述地面中心站1用于接收从所述网络交换机3传来的数据并实时存储；所述控制主机2用于预设和修改监测指标相关参数，接收所述地面中心站1传来的数据并进行预处理和分析；所述网络交换机3用于将井上发出的指令传输给井下，将井下采集的数据传输给井上；所述监测分站4用于对输入信号采集和判别，对信号进行模数转换，信号放大及消除叠加，并自动识别满足预设参数的信号；所述拾振器5用于拾取煤岩体自然破裂信号和所述自震震源6发出的信号传输给所述监测分站4；所述自震震源6用于产生人工P波，对自然破裂信号产生的P波波速进行校准，对布置在不同区域的所述拾振器5赋予相应的P波波速值；所述地面中心站1与所述控制主机2网线连接，同时中心站1与若干所述网络交换机3光纤连接，所述网络交换机3与若干所述监测分站4光纤连接，所述监测分站4与若干所述拾振器5电缆连接。

在本实施例中，所述自震震源6与所述控制主机2网络连接，通过所述控制主机2来控制所述自震震源6的起止震动时间和震动频率。

在本实施例中，还包括GPS时钟7，采用高精度网络授时IEEE1588协议，用于实现所述监测分站4监测时间同步。

在本实施例中，所述监测分站4包括主控MCU341，信号调理模块42和A/D转换器43；所述主控MCU341进行信号触发所需判断运算；所述信号调理电路42进行信号放大并消除信号叠加；所述A/D转换器43将多路模拟震动信号转换为数字信号。

在本实施例中，所述自震震源6包括震动激发控制箱61，振动电机62，电源63，振动电机机座64；所述振动电机基座64呈直角三角形，所述直角三角形的两个直角边分别与煤壁65和底板66接触，所述振动电机基座64与所述底板66之间通过减震机构641固定连接。

在本实施例中，所述震动激发控制箱61包括通讯模块611，主控模块612，变频器613和防爆外壳614，所述通讯模块611，所述主控模块612，所述变频器613和所述振动电机62依次电连接。

采用本实施例进行监测的方法包括如下步骤：

(a)根据矿井拟监测区域开采地质条件和开采情况，确定所述微震监测系统布置方案，所述地面中心站1和控制主机2布置于地面8上，所述网络交换机3，监测分站4，拾振器5和自震震源6布置于监测区域9内；

(b)依次确定所述拾振器5，所述监测分站4和所述网络交换机3布置位置和数量，最后确定所述自震震源6安放位置；

(c)进行所述微震监测系统的调试，确保各工作模块均能正常工作，同时设置并确定各监测指标相关参数；

(d)启动所述自震震源6，记录自激震动数据；

(e)对自激震动数据进行运算，求解所述拟监测区域的自激震动波速场CT图像；

(f)根据监测区域波速场解算每个所述拾振器5监控区域的波速值，将波速值作为定位计算的依据，求解自震震源位置坐标和能量，通过对实际值和计算值的多次验算，确定最终使用的波速值；

(g)根据步骤(f)所述拾振器波速值，结合每个拾振器5接收到的岩体破裂震动波能量和初至到时，计算岩体发生破裂震动的位置坐标及能量。

在其它实施例中，所述自震震源6不与所述控制主机2连接，直接由所述震动激发控制箱61来控制所述自震震源6的起止震动时间和震动频率。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。

Claims (7)

1.自震式微震监测系统，其特征在于：包括地面中心站(1)，控制主机(2)，网络交换机(3)，监测分站(4)，拾振器(5)和自震震源(6)；

所述地面中心站(1)用于接收从所述网络交换机(3)传来的数据并实时存储；

所述控制主机(2)用于预设和修改监测指标相关参数，接收所述地面中心站(1)传来的数据并进行预处理和分析；

所述网络交换机(3)用于将井上发出的指令传输给井下，将井下采集的数据传输给井上；

所述监测分站(4)用于对输入信号采集和判别，对信号进行模数转换，信号放大及消除叠加，并自动识别满足预设参数的信号；

所述拾振器(5)用于拾取煤岩体自然破裂信号和所述自震震源(6)发出的信号传输给所述监测分站(4)；

所述自震震源(6)用于产生人工P波，对自然破裂信号产生的P波波速进行校准，对布置在不同区域的所述拾振器(5)赋予相应的P波波速值；

所述地面中心站(1)与所述控制主机(2)网线连接，同时中心站(1)与若干所述网络交换机(3)光纤连接，所述网络交换机(3)与若干所述监测分站(4)光纤连接，所述监测分站(4)与若干所述拾振器(5)电缆连接。

2.根据权利要求1所述的自震式微震监测系统，其特征在于：所述自震震源(6)与所述控制主机(2)网络连接，通过所述控制主机(2)来控制所述自震震源(6)的起止震动时间和震动频率。

3.根据权利要求1或2任一所述的自震式微震监测系统，其特征在于：还包括GPS时钟(7)，所述GPS时钟(7)采用高精度网络授时IEEE1588协议，用于实现所述监测分站(4)监测时间同步。

4.根据权利要求1-3任一所述的自震式微震监测系统，其特征在于：所述监测分站(4)包括主控MCU3(41)，信号调理模块(42)和A/D转换器(43)；

所述主控MCU3(41)进行信号触发所需判断运算；

所述信号调理电路(42)进行信号放大并消除信号叠加；

所述A/D转换器(43)将多路模拟震动信号转换为数字信号。

5.根据权利要求1-4任一所述的自震式微震监测系统，其特征在于：所述自震震源(6)包括震动激发控制箱(61)，振动电机(62)，电源(63)，振动电机机座(64)；

所述振动电机基座(64)呈直角三角形，所述直角三角形的两个直角边分别与煤壁(65)和底板(66)接触，所述振动电机基座(64)与所述底板(66)之间通过减震机构(641)固定连接。

6.根据权利要求5所述的自震式微震监测系统，其特征在于：所述震动激发控制箱(61)包括通讯模块(611)，主控模块(612)，变频器(613)和防爆外壳(614)，所述通讯模块(611)，所述主控模块(612)，所述变频器(613)和所述振动电机(62)依次电连接。

7.采用权利要求1-6任一所述的自震式微震监测系统的监测方法，其特征在于：包括如下步骤：

(a)根据矿井拟监测区域开采地质条件和开采情况，确定所述微震监测系统布置方案，所述地面中心站(1)和控制主机(2)布置于地面(8)上，所述网络交换机(3)，监测分站(4)，拾振器(5)和自震震源(6)布置于监测区域(9)内；

(b)依次确定所述拾振器(5)，所述监测分站(4)和所述网络交换机(3)布置位置和数量，最后确定所述自震震源(6)安放位置；

(c)进行所述微震监测系统的调试，确保各工作模块均能正常工作，同时设置并确定各监测指标相关参数；

(d)启动所述自震震源(6)，记录自激震动数据；

(e)对自激震动数据进行运算，求解所述拟监测区域的自激震动波速场CT图像；

(f)根据监测区域波速场解算每个所述拾振器(5)监控区域的波速值，将波速值作为定位计算的依据，求解自震震源位置坐标和能量，通过对实际值和计算值的多次验算，确定最终使用的波速值；

(g)根据步骤(f)所述拾振器波速值，结合每个拾振器(5)接收到的岩体破裂震动波能量和初至到时，计算岩体发生破裂震动的位置坐标及能量。