CN106321149B

CN106321149B - 矿山典型动力灾害电‑震耦合监测预警方法

Info

Publication number: CN106321149B
Application number: CN201610806718.9A
Authority: CN
Inventors: 何学秋; 宋大钊
Original assignee: University of Science and Technology Beijing USTB
Current assignee: University of Science and Technology Beijing USTB
Priority date: 2016-09-06
Filing date: 2016-09-06
Publication date: 2018-03-30
Anticipated expiration: 2036-09-06
Also published as: CN106321149A

Abstract

本发明提供一种矿山典型动力灾害电‑震耦合监测预警方法，属于矿山安全监测技术领域。该方法是利用煤岩破裂产生多频电磁辐射原理，在0～3kHz微震(声发射)监测技术工作频段，基于电(磁辐射)‑震(动)耦合，用同频电磁辐射代替声发射、微震手段，实现从低频段到高频段电磁辐射对煤岩动力灾害的统一、非接触、大范围、定位监测预警。

Description

矿山典型动力灾害电-震耦合监测预警方法

技术领域

本发明涉及矿山安全监测技术领域，特别是指一种矿山典型动力灾害电-震耦合监测预警方法。

背景技术

冲击地压、煤与瓦斯突出是典型的矿山动力灾害。其中，冲击地压是指井巷或工作面周围煤岩体在高应力作用下突然发生的伴有巨响和冲击波的震动，会引起围岩突然外移、弹射、破坏或堵塞巷道，造成人员伤亡，破坏通风系统。冲击地压灾害破坏范围可达数米或数百米，近年来冲击地压破坏巷道最大长度达到600多米。煤与瓦斯突出是指在高应力作用下，破碎的煤与瓦斯由煤体内突然向采掘空间大量喷出，具有极大的破坏性。我国是冲击地压、煤与瓦斯突出灾害最严重的国家之一，每年都会造成大量的人员伤亡与财产损失。

目前，国内外主要采用微震法、地音法(声发射)和电磁辐射法等地球物理方法进行煤岩动力灾害的监测预警。俄罗斯和乌克兰用电磁辐射法便携式小区域监测预警冲击地压危险性，波兰、俄罗斯和南非等国家采用微震法或地音法大范围动态监测冲击地压或岩爆的发生。在我国，近几年微震监测技术开始在多个矿区加以应用。如山东华丰煤矿、古城煤矿和甘肃砚北煤矿等较早引进波兰的微震监测系统，姜福兴等和潘一山等分别研发了适合于我国煤矿条件的微震监测系统，并在多个矿井进行了应用。窦林名等研制了Seicom分布式广域网微地震监测系统，并进行了矿震远程监测系统的建设，可以在实验室内和监测矿井同时分析实测数据。何学秋、王恩元等开发的电磁辐射连续监测系统，在预测煤岩动力灾害方面进行了较为成功的应用。潘一山等利用研制的电荷感应仪对矿井进行了现场测试。可以看出，微震(声发射)和煤岩电磁辐射技术是比较具有发展前途的煤岩动力灾害监测预警方法。

然而，微震监测技术在煤矿井下应用中，一方面，由于应力波在煤岩体传播过程中的干扰及衰减较为严重，导致其定位精度尚需进一步提高；另一方面，该技术对灾害孕育阶段一些小能量释放事件的监测效果不佳，一定程度上影响了其预警时效性。电磁定位已经广泛应用于航海、航空、航天、电子战等军工领域。考虑到电磁辐射具有频带宽、传播距离远且可实现非接触性监测等诸多优势，探索基于煤岩电磁辐射的煤岩动力灾害定向、定位技术方法的研究，对丰富灾害定位手段，提高定位时效性、增大监测范围、提高预警时效性，意义重大。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种矿山典型动力灾害电-震耦合监测预警方法。

该方法包括如下步骤：

(1)在矿山井下被监测区域，布置合理的电磁辐射天线阵列，基于煤岩破裂过程中单个破裂震动与其诱发的电磁辐射频率相同，在 0～3kHz微震监测技术工作频段，利用该频段电磁辐射代替微震技术；结合现有较高频段电磁辐射监测技术，实现从低频段到高频段电磁辐射对煤岩动力灾害的统一监测；

(2)对矿山典型动力灾害进行监测，在灾害孕育阶段进行初步定位，之后随着灾害的演化将定位精度、致灾强度进一步精细化；

(3)采用电磁信号强度及破坏区域低频信号频次2个指标进行灾害预警；首先进行小尺度煤岩冲击破坏实验室实验，结合理论计算及数值模拟确定被监测区域电磁信号强度临界值为被监测区域设置电磁信号强度临界值λ及灾害前低频信号频次η，现场监测时，当所有天线实测信号强度的算术平均值λ_s>λ时，进行一级预警；将定位监测结果实现时空四维显示，当某一区域低频信号频次η_s>η时，进行一级预警，一级预警时密切关注现场动态；当同时满足上述两个条件时，进行二级预警，现场立即采取灾害防治措施；最后，利用该方法对措施实施进行效果检验与评价。

其中，步骤(1)中电磁辐射天线全部为低频段天线或部分为低频段天线、部分为常规电磁辐射天线。

该方法在0～3kHz微震(声发射)监测技术工作频段，基于上述电-震耦合，利用该频段电磁辐射代替微震(声发射)技术；结合现有较高频段电磁辐射监测技术，实现从低频段到高频段电磁辐射对煤岩动力灾害的统一监测；采用0～3kHz频率电磁辐射可实现对煤岩动力灾害不低于200m的大范围定位监测。

本发明的上述技术方案的有益效果如下：

本发明利用煤岩破裂产生多频电磁辐射原理，基于煤岩破裂过程中单个破裂震动与其诱发的电磁辐射频率相同的原理，建立多频电磁辐射与多频震动的耦合关系，在此基础上，利用电磁辐射代替微震(声发射)技术手段，实现利用从低频段到高频段电磁辐射对煤岩动力灾害的统一、大范围、非接触定位监测预警。其主要优点在于：

(1)在0～3kHz微震(声发射)监测技术工作频段，利用电磁辐射代替微震(声发射)技术；结合现有较高频段电磁辐射监测技术，可实现从低频段到高频段电磁辐射对煤岩动力灾害的统一监测；

(2)由于低频电磁信号在煤岩体中传播衰减弱、抗干扰能力强，可实现灾害的远距离监测定位；

(3)基于该方法可实现从灾害孕育阶段即可初步定位，之后再随着灾害的演化将定位精度、致灾强度等进一步精细化；

(4)将煤岩电磁辐射技术由单纯的监测预警拓展到灾害定向、定位领域，进一步提高灾害预警的可靠性。

附图说明

图1为本发明的矿山典型动力灾害电-震耦合监测预警方法原理框图。

具体实施方式

为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。

本发明提供一种矿山典型动力灾害电-震耦合监测预警方法。

如图1所示，应用该方法的具体过程如下：

(1)在矿山井下被监测区域，布置合理的电磁辐射天线阵列。基于煤岩破裂过程中单个破裂震动与其诱发的电磁辐射频率相同，在 0～3kHz微震(声发射)监测技术工作频段，利用该频段电磁辐射代替微震(声发射)技术；结合现有较高频段电磁辐射监测技术，实现从低频段到高频段电磁辐射对煤岩动力灾害的统一监测。因此，全部采用电磁辐射天线，可以全部是低频段天线(主要用于远距离定位监测)，也可部分是低频段天线，部分为常规电磁辐射天线。

(2)对矿山典型动力灾害进行监测。在灾害孕育阶段进行初步定位，之后再随着灾害的演化将定位精度、致灾强度等进一步精细化。

(3)采用电磁信号强度及破坏区域低频信号频次2个指标进行灾害预警。为监测区域设置合适的电磁信号强度临界值λ，当所有天线实测信号强度的算术平均值λ_s>λ时，进行一级预警；将定位监测结果实现时空四维显示，当某一区域低频信号频次η_s>η时，亦进行一级预警，一级预警时现场需密切关注现场动态；当同时满足上述2条件时，进行二级预警，现场需立即采取灾害防治措施；最后，利用该方法对措施实施进行效果检验与评价。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种矿山典型动力灾害电-震耦合监测预警方法，其特征在于：包括如下步骤：

（1）在矿山井下被监测区域，布置电磁辐射天线阵列，基于煤岩破裂过程中单个破裂震动与其诱发的电磁辐射频率相同，在0~3 kHz微震监测技术工作频段，利用该频段电磁辐射代替微震技术；结合现有较高频段电磁辐射监测技术，实现从低频段到高频段电磁辐射对煤岩动力灾害的统一监测；

（2）对矿山典型动力灾害进行监测，在灾害孕育阶段进行初步定位，之后随着灾害的演化将定位精度、致灾强度进一步精细化；

（3）采用电磁信号强度及破坏区域低频信号频次2个指标进行灾害预警；首先进行小尺度煤岩冲击破坏实验室实验，结合理论计算及数值模拟确定被监测区域电磁信号强度临界值为被监测区域设置电磁信号强度临界值λ及灾害前低频信号频次ŋ；现场监测时，当所有天线实测信号强度的算术平均值λ_s>λ时，进行一级预警；将定位监测结果实现时空四维显示，当某一区域低频信号频次ŋ_s>ŋ时，进行一级预警，一级预警时密切关注现场动态；当同时满足上述两个条件时，进行二级预警，现场立即采取灾害防治措施；最后，利用该方法对措施实施进行效果检验与评价。

2.根据权利要求1所述的矿山典型动力灾害电-震耦合监测预警方法，其特征在于：所述步骤（1）中电磁辐射天线部分为低频段天线、部分为常规高频段电磁辐射天线。

3.根据权利要求1所述的矿山典型动力灾害电-震耦合监测预警方法，其特征在于：采用0~3 kHz频率电磁辐射对煤岩动力灾害进行不低于200 m的大范围定位监测。