CN107144876A - 一种基于时窗的煤矿冲击地压震级及震源定位方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于时窗的煤矿冲击地压震级及震源定位方法包括以下步骤：步骤1构建底层数据处理模块；通过对多路高频传感器采集的数据进行分类及规格化处理，将感知数据转换为煤矿冲击地压微震Data数据及GPS数据；步骤2采用基于时窗的煤矿冲击地压震源定位方法，通过Data数据及GPS数据计算长短时窗，根据时窗计算震源坐标；步骤3采用基于时窗的煤矿冲击地压震级计算方法，通过震源坐标与传感器各自的震中距R，计算各个传感器的平均震级；步骤4图形化显示煤矿冲击地压震级及震源定位的计算结果。本发明在保证准确率的同时更注重冲击地压监测的时效性，计算效率更高，能够在更短的时间内得到震级信息及定位信息并显示。
Description
技术领域
本发明属于流数据处理领域，特别涉及一种煤矿冲击地压震级及震源定位方法设计，具体涉及一种基于时窗的煤矿冲击地压震级及震源定位方法设计。
背景技术
冲击地压是世界范围内煤矿矿井中最严重的自然灾害之一。冲击地压发生时，井下几米到几百米的巷道或采煤工作面被瞬间摧毁，如同在煤岩体内装有大量炸药一样，煤和岩石突出被抛出，被抛出的煤和岩石从几吨到几百吨不等，造成支架折损，巷道堵塞，并伴有巨大声响和岩体震动，震动持续时间从几秒到几十秒，记录到的最大震级已超过里氏5级。由于震源浅，冲击地压烈度远大于同级天然地震烈度。随着计算机和互联网技术的迅速发展，研究煤岩体在变形破坏过程中的应力、微震、声发射、电磁辐射等前兆信息规律，通过监测、分析井巷和采场附近煤岩体的应力变化及微震、声发射和电磁辐射活动等前兆信息的多参量动态变化趋势，就可以建立冲击地压监测预警系统进行预警预报和有效防治。
目前，我国煤矿监测冲击地压的主要方法有矿压观测法、钻屑法、顶板动态仪、钻孔应力测量法、电磁辐射法、地音法、微震法、地震CT技术、电荷感应监测技术。从物理本质分类，矿压观测法、钻屑法、顶板动态仪、钻孔应力测量法属于基于岩石力学原理的直观接触式监测方法，主要以监测冲击地压发生前围岩变形、离层、应力变化、动力现象等特征为主；而电磁辐射法、地音法、微震法、地震CT技术、电荷感应监测技术属于地球物理方法。
现存的煤矿冲击地压监测方法主要有以下几个方面的不足：电磁辐射法和电荷感应监测技术主要是测量煤岩体内应力集中程度，地震CT技术是通过声发射来反演煤岩体内的应力分布图像，几种方法监测效果准确，但实时性不足，计算震级及定位震源方法复杂；而地音监测法和微震监测法都是的监测煤岩破裂时的震动效应，区别在于各自接收震动事件的频率范围不同，地音接收高频低能事件，而微震接收低频高能事件，两者具有较好的前景，但目前的实际应用中，由于不能因地制宜的进行部署及监测，导致对冲击地压灾害的监测准确度较低。因此，设计一种实时有效的煤矿冲击地压震级及震源定位方法，对煤矿冲击地压灾害的监测以及预警有着重要意义。
发明内容
为了解决现有煤矿冲击地压监测手段的不足，本发明提供一种基于时窗的煤矿冲击地压震级及震源定位方法，能够有效地进行冲击地压灾害的快速定位及灾害分级。
本发明采用的技术方案是：设计并实现了一种有效的基于时窗的煤矿冲击地压震级及震源定位方法。首先，构建底层数据处理模块阶段，采用对多路高频传感器采集的数据进行分类及规格化处理，将感知数据转换为煤矿冲击地压微震Data数据及GPS数据。其次，提出采用基于时窗的煤矿冲击地压震源定位方法以及基于时窗的煤矿冲击地压震级计算方法，通过底层数据处理模块转换后的Data数据及GPS数据计算矿山冲击地压微震数据的长短时窗，根据时窗计算震源坐标及冲击地压的震级信息，并通过图形化界面显示煤矿冲击地压震级及震源定位的计算结果。
本发明的步骤如下：
步骤1构建底层数据处理模块。通过对多路高频传感器采集的数据进行分类及规格化处理，将感知数据转换为煤矿冲击地压微震Data数据及GPS数据。
高频信号采集器的存储数据为实时动态追加，如果每次读取全部数据，则会产生大量重复的冗余数据，且会极大的增加网络传输带宽，故底层数据处理模块在规格化处理时需要以相同频率进行增量式数据处理。同时，由于感知数据为专用格式，包含GPS数据与Data数据两种类型，无法直接读取使用。故需将其通过二进制流的形式转化为可读数据，并进行分类，分别对GPS数据与Data数据进行规格化处理。
其中，Data数据包含7个通道，其中，1，2，3通道为一组，代表x，y，z三个方向上采集的冲击地压微震数据的分量，信号增益放大倍数为16倍；4，5，6通道为一组，同样为x，y，z三个方向上采集的冲击地压微震数据的分量，但信号增益放大倍数为64倍；7通道数据为时间数据。
步骤2采用基于时窗的煤矿冲击地压震源定位方法，通过Data数据及GPS数据计算长短时窗，根据时窗计算震源坐标。
步骤2-1计算长、短时窗的平均振幅
读取规格化数据，已知一段信号中各传感器坐标为(x1,y1,z1)---(xn,yn,zn)，取长时窗与短时窗，长时窗起点为信号的起点，由采样频率确定，50ms内含的点个数即为长时窗所包含的点数N1，短时窗的起点为长时窗终点，包含10ms的采样点个数N2，长、短时窗的平均振幅A长、A短。
步骤2-2判断传感器激发
在此阶段，将步骤2-1中的长、短时窗结算结果进行除操并进行数值判断，如果且这样的激发在10s内出现在4个以上的传感器中，则认定发生煤矿冲击地压灾害，记录每个被激发传感器短时窗终止点时刻ti，并储存每个传感器在该时刻前5s与后5s的振幅数据。
步骤2-3煤矿冲击地压震源定位
在煤矿冲击地压震源定位阶段，根据步骤2-2中得到的各被激发的传感器到时ti与坐标计算震源坐标。按照个(k为被激发的传感器个数)可能排列组合分别计算震源坐标。公式如下：
……
求出方程组的解集(xi,yi,zi,ti)，故震源坐标包含经度、纬度、海拔以及时间4个元素，取种排列组合的平均值，得(x,y,z,t)。
步骤3采用基于时窗的煤矿冲击地压震级计算方法，通过震源坐标与传感器各自的震中距R，计算各个传感器的平均震级。
步骤3-1最大振幅计算
取10s时窗内，5通道的绝对值最大的数值V，令最大值V对应的时间为a；找到最大值后面第一个数值为0的点，该点对应的时间为b，得南北方向振幅计算公式如下所示：
AN＝[V*0.0000238*sin(2πb/4(b-a)+π/2)+V*0.0000238*sin(2πa/4(b-a)+π/2)]*(b-a)/2
取10s时窗内，4通道的绝对值最大的数值V’，令最大值V’对应的时间为a’；找到最大值后面第一个数值为0的点，该点对应的时间为b’，通过公式变换，得东西方向振幅计算公式如下所示：
AE＝[V′*0.0000238*sin(2πb′/4(b′-a′)+π/2)+V′*0.0000238*sin(2πa′/4(b′-a′)+π/2)]*(b′-a′)/2
最大振幅为通过公式变换，可得：
A最大振幅＝[AN/64+AE/64]/2
其中，如果4通道及5通道的冲击地压微震信号数值超出[32767，-32768]范围，则需要采用1，2通道的微震数据代替4，5通道。由于1，2通道与4，5通道采集的增益放大倍数不同，故公式变为：A最大振幅＝[AN/16+AE/16]/2。
步骤3-2煤矿冲击地压震级计算
根据步骤2-3中求得的震源坐标与传感器坐标计算各自的震中R距，分别计算起震函数RΔ与震级ML。震级计算公式为：ML＝lg(A最大振幅)+RΔ，RΔ采用线性插值的方式，数值对应关系如下表所示：
求得各传感器的震级ML(i)后，取平均值为震级
步骤4图形化显示煤矿冲击地压震级及震源定位的计算结果。
可视化显示包括震级显示和震源定位显示。其中，显示程序周期性读取震级及震源定位信息的处理结果，以10条结果为一个处理单位，例，当系统开始运行产生10条数据时，发送给前台显示数据1-10，当系统运行产生11条数据时，发送给前台显示数据2-11，以此类推。
震级采用数据表与折线图的双重显示方式，折线图中X轴表示时间，Y轴表示震级，形成震级随时间的一个渐进变化关系，并采用异步刷新的方式实时显示；震源定位信息依托地图进行显示，可实现动态加载示意图与卫星图切换显示。
本发明的有益效果：本发明基于目前效果较好的微震感知数据进行设计，提出利用时窗的方式进行监测，将监测的时间范围限制在长短时窗的50ms和10ms范围内，相比已有的地音、电磁辐射、地震CT等方法，在保证准确率的同时更注重冲击地压监测的时效性，计算效率更高，能够在更短的时间内得到震级信息及定位信息并显示，为后续灾害恢复工作的实时展开提供更有力的支持。同时，由于方法采用B/S架构设计，图形界面显示，方便监控人员更快上手使用，可实现多监控人员多地点共同监测，更有利于发现潜在的煤矿冲击地压隐患。
附图说明
图1本发明GPS文件处理过程流程图，
图2本发明Data文件处理过程流程图，
图3本发明底层数据处理模块处理过程示意图，
图4本发明底层数据处理模块输出文件目录结构示意图，
图5本发明系统功能架构图示意图，
图6本发明基于时窗的煤矿冲击地压震级及震源定位方法整体流程图，
图7本发明后台处理模块震源定位及震级计算方法流程图，
图8本发明后台处理模块文件输出目录结构示意图，
图9本发明实施例的前台显示界面数据读取示意图。
具体实施方式
结合附图对本发明做进一步描述：
为了验证本发明基于时窗的煤矿冲击地压震级及震源定位方法的性能，作为本发明的一个实例，我们在集贤煤矿真实数据平台上进行测试。这个平台采用物联网四层体系结构构建整个物联网系统，分为内网互联与外网互联两种方式，四层体系结构分别为感知层、支撑层、网络层、应用层。
感知层由三向微震监测传感器与GPS模块构成。三向微震监测传感器分布在整个矿山的5个主要位置，埋入地面两米以下且严格的防水防尘，并与多倍信号增益器采以有线的方式连接。GPS模块实现卫星授时功能，与前端采集器采用有线的方式连接，实时修正感知数据的时间序列。支撑层由多倍信号增益器与前端采集器构成。由于传感器采集的数据为矿山微震感知数据，能量比较弱，故使用多倍信号增益器在x，y，z三个方向对信号进行增益处理，与前端采集器采用有线的方式连接。前端采集器接收增益感知数据与GPS授时数据，实时对信号进行存盘处理，并建立数据索引以供后续数据查询处理。同时，前端采集器通过300M无线路由器与前端多倍网桥无线对接。网络层由300M无线路由器与多倍无线网桥构成。无线路由器与前端采集器无线连接，采用AP点对点模式防止人为信号干扰，以固定IP的方式实现内网与外网的互联操作。多倍无线网桥两个为一组，分为中心端与前端。每组网桥的中心端与前端为一一对应模式，避免网桥之前的内部干扰及其他人为干扰。在传输路径无遮挡的情况下，网桥无线传输支持3公里的直线距离。应用层由中心机服务器与远端Hadoop集群构成。中心机服务器与中心网桥有线连接，支持5个地点的任意窗口查询操作，并对采集的微震感知数据进行实时监控、震级计算、震源坐标定位及可视化显示。
下面集合附图给出本发明的一个实例：
(1)感知层部署的三向高频微震监测传感器分布在整个矿山的5个主要位置，以每秒10000条微震感知数据频率进行采集，并以追加的方式存储在前端采集器中。
如图1所示，底层数据处理模块首先在矿山物联网组网内分别读取5个地点的GPS授时数据，并进行判断，查找其中最新的数据。读取数据信息并进行规格化处理，将专用格式的感知数据转换为可读取数据。
图2所示为本发明提出的Data文件处理的执行过程。如图3所示，Data文件由数据文件头、通道信息、数据段头以及数据段4个部分的信息组成，其中，数据文件头及通道信息为每次生成文件时产生一次，数据段头及数据段信息为循环追加。因此，底层数据处理模块首先在组网内查找传感器感知到的最新Data文件，然后读取文件头和通道信息。由于数据段头和数据信息不断追加产生，故模块需以数据增量的方式进行循环读取并进行规格化处理。
(2)为每个微震监测传传感器构建文件目录，包含GPS文件和Data文件，并统一生成到中心机服务器，以便能够有效地支撑后台计算模块进行处理。
图4给出了底层数据处理模块生成文件的目录结构。如图所示，模块为5个微震监测传传感器分别生成一份独立的文件目录，每个目录下都包含已规格化好的GPS文件数据以及Data文件数据。同时，通过对第7通道数据进行时间归一化处理，确保5个传感器内的规格化数据都拥有相同的时间戳。
(3)冲击地压震级及震源定位
图5、6分别为本发明系统功能架构图示意图以及基于时窗的煤矿冲击地压震级及震源定位方法整体流程图。如图所示，底层数据处理模块将专用数据格式处理好后，生成可读取的文件传递给后台震级及震源定位计算模块进行核心计算处理，分为冲击地压震源定位计算和冲击地压震级计算。下面分别进行说明：
●基于时窗的煤矿冲击地压震源定位方法
后台震级及定位计算模块以相同的频率获取规格化数据。如图7所示，设置10s为一个时窗单位，模块每次读取10秒时窗的Data文件，共10万条数据。计算长短时窗的平均振幅：
由于发生矿山冲击地压的频度较低，且规模过小的冲击地压加入计算会大幅增加中心机服务器的计算负担，降低处理效率，故根据实地情况，本发明提出的方法只当并且5个传感器同时被激发时进行震级及定位计算。存储时窗前后5秒的数据，求出方程组的解集(xi,yi,zi,ti)：
……
x，y，z分别为发生冲击地压的震源精度、维度及海拔数据。由于传感器数量为5，即k＝5，故无需求均值，方程组解集即为震源坐标。
●基于时窗的煤矿冲击地压震级计算方法
震级计算公式为：ML＝lg(A最大振幅)+RΔ，故先要得到10秒时窗内感知数据的最大振幅。最大振幅为：其中，a，b分别代表一次最大波峰(或波谷)到波峰(或波谷)对应的值，V为最大波峰(或波谷)对应值的绝对值。通过微积分公式转换后，A最大振幅＝[AN/64+AE/64]/2，计算方法如下：
取10s时窗内，第5通道的绝对值最大的数值V，令最大值V对应的时间为a；找到最大值后面第一个数值为0的点，该点对应的时间为b，则南北方向振幅计算公式如下所示：
AN＝[V*0.0000238*sin(2πb/4(b-a)+π/2)+V*0.0000238*sin(2πa/4(b-a)+π/2)]*(b-a)/2
取10s时窗内，第4通道的绝对值最大的数值V’，令最大值V’对应的时间为a’；找到最大值后面第一个数值为0的点，该点对应的时间为b’，则东西方向振幅计算公式如下所示：
AE＝[V′*0.0000238*sin(2πb′/4(b′-a′)+π/2)+V′*0.0000238*sin(2πa′/4(b′-a′)+π/2)]*(b′-a′)/2
求得5个传感器的震级ML(i)后，取平均值为震级
(4)前台可视化交互显示模块
本发明后台处理模块文件输出目录结构示意图如图8所示，5个三向高频微震监测传感器的震级及震源定位数据相互独立存储于中心及服务器。前台可视化交互显示模块以相同的频率读取文件数据，如图9所示，当系统开始运行产生10条数据时，发送给前台显示数据1-10，当系统运行产生11条数据时，发送给前台显示数据2-11，以此类推。
震级采用数据表与折线图的双重显示方式，折线图使用E-charts技术进行构造，其中X轴表示时间，Y轴表示震级，形成震级随时间的一个渐进变化关系，并采用异步刷新的方式实时显示；震源定位信息依托百度地图API接口进行显示，可实现动态加载示意图与卫星图切换显示。
Claims (5)
1.一种基于时窗的煤矿冲击地压震级及震源定位方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1构建底层数据处理模块；通过对多路高频传感器采集的数据进行分类及规格化处理，将感知数据转换为煤矿冲击地压微震Data数据及GPS数据；
步骤2采用基于时窗的煤矿冲击地压震源定位方法，通过Data数据及GPS数据计算长短时窗，根据时窗计算震源坐标；
步骤3采用基于时窗的煤矿冲击地压震级计算方法，通过震源坐标与传感器各自的震中距R，计算各个传感器的平均震级；
步骤4图形化显示煤矿冲击地压震级及震源定位的计算结果。
2.按照权利要求1所述的一种基于时窗的煤矿冲击地压震级及震源定位方法，其特征在于步骤1中所述的构建底层数据处理模块的数据处理过程包括：
读取数据信息，进行规格化处理，将专用格式的感知数据通过二进制流的形式转化为可读数据，再进行分类，将数据分为GPS数据和Data数据，分别对GPS数据与Data数据进行规格化处理；
其中，Data数据包含7个通道，其中，1，2，3通道为一组，代表x，y，z三个方向上采集的冲击地压微震数据的分量，信号增益放大倍数为16倍；4，5，6通道为一组，同样为x，y，z三个方向上采集的冲击地压微震数据的分量，但信号增益放大倍数为64倍；7通道数据为时间数据。
3.按照权利要求1所述的一种基于时窗的煤矿冲击地压震级及震源定位方法，其特征在于步骤2中所述的基于时窗的煤矿冲击地压震源定位方法，包括如下步骤：
步骤2-1计算长、短时窗的平均振幅：
读取规格化数据，已知一段信号中各传感器坐标为(x1,y1,z1)---(xn,yn,zn)，
取长时窗与短时窗，长时窗起点为信号的起点，由采样频率确定，50ms内含的点个数即为长时窗所包含的点数N1，短时窗的起点为长时窗终点，包含10ms的采样点个数N2，长、短时窗的平均振幅A长、A短；
步骤2-2判断传感器激发：
在此阶段，将步骤2-1中的长、短时窗结算结果进行除操并进行数值判断，如果且这样的激发在10s内出现在4个以上的传感器中，则认定发生煤矿冲击地压灾害，记录每个被激发传感器短时窗终止点时刻ti，并储存每个传感器在该时刻前5s与后5s的振幅数据；
步骤2-3煤矿冲击地压震源定位
在煤矿冲击地压震源定位阶段，根据步骤2-2中得到的各被激发的传感器到时ti与坐标计算震源坐标；按照个(k为被激发的传感器个数)可能排列组合分别计算震源坐标；公式如下：
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<mo>=</mo>
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</mfenced>
求出方程组的解集(xi,yi,zi,ti)，取个排列组合的平均值，得(x,y,z,t)。
4.按照权利要求1所述的一种基于时窗的煤矿冲击地压震级及震源定位方法，其特征在于步骤3中所述的通过震源坐标与传感器各自的震中距R，计算各个传感器的平均震级，按照如下步骤进行：
步骤3-1最大振幅计算
取10s时窗内，第5通道的绝对值最大的数值V，令最大值V对应的时间为a；找到最大值后面第一个数值为0的点，该点对应的时间为b，则南北方向振幅计算公式如下所示：
AN＝[V*0.0000238*sin(2πb/4(b-a)+π/2)+V*0.0000238*sin(2πa/4(b-a)+π/2)]*(b-a)/2
取10s时窗内，第4通道的绝对值最大的数值V’，令最大值V’对应的时间为a’；找到最大值后面第一个数值为0的点，该点对应的时间为b’，则东西方向振幅计算公式如下所示：
AE＝[V′*0.0000238*sin(2πb′/4(b′-a′)+π/2)+V′*0.0000238*sin(2πa′/4(b′-a′)+π/2)]*(b′-a′)/2
最大振幅为：A最大振幅＝[AN/64+AE/64]/2
步骤3-2煤矿冲击地压震级计算
根据步骤2-3中求得的震源坐标与传感器坐标计算各自的震中R距，分别计算起震函数RΔ与震级ML；震级计算公式为：ML＝lg(A最大振幅)+RΔ，RΔ采用线性插值的方式，数值对应关系如下表所示：
求得各传感器的震级ML(i)后，取平均值为震级
5.按照权利要求1所述的一种基于时窗的煤矿冲击地压震级及震源定位方法，其特征在于步骤4中所述的可视化处理，过程如下：
可视化显示包括震级显示和震源定位显示；其中，显示程序周期性读取震级及震源定位信息的处理结果，以10条结果为一个处理单位，震级采用数据表与折线图的双重显示方式，折线图中X轴表示时间，Y轴表示震级，形成震级随时间的一个变化关系；震源定位信息依托地图进行显示，可实现动态加载示意图与卫星图切换显示。
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| CN201710372572.6A CN107144876A (zh) | 2017-05-24 | 2017-05-24 | 一种基于时窗的煤矿冲击地压震级及震源定位方法 |
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