CN107728218B - 一种煤岩破裂同源电磁信号判别方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种煤岩破裂同源电磁信号判别方法，本发明物理意义明确、可操作性强，方法中涉及的计算参数及判别步骤均适于编程实现；该方法不仅能够识别出不同电磁辐射仪监测到的同源电磁信号，而且能自动计算出同源电磁信号的到时时差，有效解决依靠人工进行同源电磁信号判别、电磁信号到时标定及到时时差计算存在的主观性强、偏差大、费时费力等问题，为解决电磁辐射源定位难题提供支撑。

Description

一种煤岩破裂同源电磁信号判别方法
技术领域
本发明涉及一种煤岩破裂同源电磁信号判别方法，属于电磁信号分析领域，具体是一种用来判定不同电磁辐射仪监测的电磁信号是否为同一个煤岩破裂事件产生的方法。
背景技术
冲击地压和煤与瓦斯突出是典型的煤岩动力灾害，破坏性巨大，常造成井巷破坏、人员伤害，严重的还会引起瓦斯、煤尘爆炸。随开采深度增加、开采强度增大、开采布局日趋复杂，采掘围岩所处应力环境逐渐恶化，灾害形势越来越严峻。这种灾害发生的时间、地点和形势等复杂多样，且突发短暂，对其准确的监测预警已成为世界性难题。
目前，煤岩动力灾害的监测预警方法主要包括：微震监测、电磁辐射监测、声发射监测、钻屑量监测、工作面矿压监测、采动应力监测等。煤岩电磁辐射技术在煤岩动力灾害预警、煤岩结构稳定及应力状态评估、无损探测和地质构造的超前探测等方面具有广泛应用，具有非接触、不损伤煤岩体、劳动强度小、时间连续等优点。然而，煤岩电磁辐射技术尚未实现对破裂源的有效定位，导致依靠该技术难以获取煤岩破裂信息的空间演化过程，这严重影响了该技术对煤岩动力灾害预警的可靠性。利用电磁信号对煤岩破裂源进行空间定位的关键是准确识别出不同电磁辐射仪监测到的电磁信号为同一破裂源产生，即识别同源电磁信号。该问题的解决可为电磁辐射源定位提供支撑，进而提高电磁辐射技术应用的可靠性。
本发明针对以上问题，提供一种物理意义明确、简单易用的煤岩破裂同源电磁信号判别方法，解决不同电磁辐射仪监测多源电磁信号数据量大、同源电磁信号难以辨识的难题。
发明内容
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种煤岩破裂同源电磁信号判别方法，其特征在于：其包括如下步骤：
步骤一：设置多个电磁辐射仪对煤岩受载破裂产生的电磁信号进行监测，每个电磁辐射仪形成一条包含各破裂事件对应电磁信号的全波形记录；
步骤二：选取第i个电磁辐射仪记录的某次煤岩破裂对应的电磁波形进行到时标记，并以时间窗T提取电磁波形时序分布，记作；
步骤三：以时间差和时间窗T提取第j个电磁辐射仪记录的电磁波形时序分布，记作；
步骤四：根据从第i个电磁辐射仪和第j个电磁辐射仪提取的电磁波形时序分布，构建两者的相关性函数；
步骤五：以电磁辐射仪采样间隔时间来增加或者减小时间差，并计算相关性函数的数值，得到值随时间差的变化曲线；
步骤六：遍历值随时间差的变化曲线，找到曲线最高点，此时即得到了第i个电磁辐射仪和第j个电磁辐射仪记录到的该次煤岩破裂产生的同源电磁信号，记录同源电磁信号信息；
步骤七：重复步骤三至步骤六，以同样的方法得到其余各电磁辐射仪监测到的该次煤岩破裂的同源电磁信号信息。
进一步，作为优选，步骤二中所述的第i个电磁辐射仪记录的某次煤岩破裂对应的电磁波形需清晰易辨别，所述的时间窗T应包含该破裂对应的完整电磁波形。
进一步，作为优选，步骤三中所述的时间差的取值范围由下式估算：，其中和分别为监测区域内任一点至第i个和第j个电磁辐射仪的最大距离，为电磁波在煤岩介质中的传播速度。
进一步，作为优选，步骤四中所述的相关性函数为：。
进一步，作为优选，步骤六中所述的同源电磁信号信息包括：最高点对应的时间差为第i个电磁辐射仪和第j个电磁辐射仪记录的同源电磁信号的电磁波形到时时差，和记录的T时间内的电磁波形时序分布就是第i个电磁辐射仪和第j个电磁辐射仪记录的该次煤岩破裂对应的同源电磁信号的电磁波形。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明提供的一种煤岩破裂同源电磁信号判别方法，物理意义明确、可操作性强，方法中涉及的计算参数及判别步骤均适于编程实现；该方法不仅能够识别出不同电磁辐射仪监测到的同源电磁信号，而且能自动计算出同源电磁信号的到时时差，有效解决依靠人工进行同源电磁信号判别、电磁信号到时标定及到时时差计算存在的主观性强、偏差大、费时费力等问题，为解决电磁辐射源定位难题提供支撑。
附图说明
图1是实施例的1号电磁辐射仪记录的一段时间内电磁辐射原始波形信号；
图2是实施例的2号电磁辐射仪记录的一段时间内电磁辐射原始波形信号；
图3是从1号电磁辐射仪记录信号中提取的某破裂事件对应的电磁波形时序分布；
图4是从2号电磁辐射仪记录信号中提取的待分析的电磁波形时序分布；
图5是计算得到的从1号和2号电磁辐射仪提取的电磁波形时序分布的相关性函数数值随时间差的变化曲线。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图，本发明提供一种技术方案：一种煤岩破裂同源电磁信号判别方法，其包括如下步骤：
步骤一：设置多个电磁辐射仪对煤岩受载破裂产生的电磁信号进行监测，每个电磁辐射仪形成一条包含各破裂事件对应电磁信号的全波形记录；
步骤二：选取第i个电磁辐射仪记录的某次煤岩破裂对应的电磁波形进行到时标记，并以时间窗T提取电磁波形时序分布，记作，要求所述的第i个电磁辐射仪记录的某次煤岩破裂对应的电磁波形需清晰易辨别，所述的时间窗T应包含该破裂对应的完整电磁波形；
步骤三：以时间差和时间窗T提取第j个电磁辐射仪记录的电磁波形时序分布，记作，所述的时间差的取值范围由下式估算：，其中和分别为监测区域内任一点至第i个和第j个电磁辐射仪的最大距离，为电磁波在煤岩介质中的传播速度；
步骤四：根据从第i个电磁辐射仪和第j个电磁辐射仪提取的电磁波形时序分布，构建两者的相关性函数，所述的相关性函数为：；
步骤五：以电磁辐射仪采样间隔时间来增加或者减小时间差，并计算相关性函数的数值，得到值随时间差的变化曲线；
步骤六：遍历值随时间差的变化曲线，找到曲线最高点，此时即得到了第i个电磁辐射仪和第j个电磁辐射仪记录到的该次煤岩破裂产生的同源电磁信号，记录同源电磁信号信息，所述的同源电磁信号信息包括：最高点对应的时间差为第i个电磁辐射仪和第j个电磁辐射仪记录的同源电磁信号的电磁波形到时时差，为第j个电磁辐射仪记录的同源电磁信号的电磁波形到时，和记录的T时间内的电磁波形时序分布就是第i个电磁辐射仪和第j个电磁辐射仪记录的该次煤岩破裂对应的同源电磁信号的电磁波形；
步骤七：重复步骤三至步骤六，以同样的方法得到其余各电磁辐射仪监测到的该次煤岩破裂的同源电磁信号信息。
下面结合附图对本发明的一个实施例作进一步的描述：
设置1号和2号电磁辐射仪对煤岩受载破裂产生的电磁信号进行监测，采样频率为5MHz，即采样时间间隔为0.2us，得到电磁信号波形记录，如图1和图2所示。可明显看出，1号电磁辐射仪记录到两个清晰的电磁信号波形。本实施例通过从2号电磁辐射仪记录的电磁信号波形中识别出与1号电磁辐射仪记录的第一个清晰的电磁信号波形对应的同源电磁信号，来说明本发明的实施。
对1号电磁辐射仪记录的第一个波形进行到时标记，得到，并以时间窗提取出电磁波形时序分布，如图3所示，与图1中虚线框内波形对应。
以时间差和时间窗提取第2个电磁辐射仪记录的电磁波形时序分布，其中，取值范围由下式确定：，和分别为监测区域内任一点至第1个和第2个电磁辐射仪的最大距离，为电磁波在煤岩介质中的传播速度，可取，得到电磁波形时序分布，如图4所示，与图2中虚线框内波形对应。
根据电磁波形时序分布和构建相关性函数，，。
以电磁辐射仪采样时间间隔0.2us在范围内改变时间差，并计算相关性函数，得到值随时间差的变化曲线，如图5所示。
遍历值随时间差的变化曲线，找到曲线最高点，如图5所示，最高点对应的时间差为1号和2号电磁辐射仪记录的第一个波形清晰的同源电磁信号的到时时差，如图4所示；为第2个电磁辐射仪记录的第一个波形清晰的同源电磁信号的电磁波形到时，如图4所示；和，为第1个电磁辐射仪和第2个电磁辐射仪记录的同源电磁信号的电磁波形，如图 3和图4被时间窗T框定的波形时序。
本发明物理意义明确、可操作性强，方法中涉及的计算参数及判别步骤均适于编程实现；该方法不仅能够识别出不同电磁辐射仪监测到的同源电磁信号，而且能自动计算出同源电磁信号的到时时差，有效解决依靠人工进行同源电磁信号判别、电磁信号到时标定及到时时差计算存在的主观性强、偏差大、费时费力等问题，为解决电磁辐射源定位难题提供支撑。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (4)

1.一种煤岩破裂同源电磁信号判别方法，其特征在于：其包括如下步骤：
步骤一：设置多个电磁辐射仪对煤岩受载破裂产生的电磁信号进行监测，每个电磁辐射仪形成一条包含各破裂事件对应电磁信号的全波形记录；
步骤二：选取第i个电磁辐射仪记录的某次煤岩破裂对应的电磁波形进行到时 标记，并以时间窗T提取电磁波形时序分布，记作；
步骤三：以时间差和时间窗T提取第j个电磁辐射仪记录的电磁波形时序分布，记作；
步骤四：根据从第i个电磁辐射仪和第j个电磁辐射仪提取的电磁波形时序分布，构建两者的相关性函数，所述的相关性函数为：；
步骤五：以电磁辐射仪采样间隔时间来增加或者减小时间差，并计算相关性函数的数值，得到值随时间差的变化曲线；
步骤六：遍历值随时间差的变化曲线，找到曲线最高点，此时即得到了第i个电磁辐射仪和第j个电磁辐射仪记录到的该次煤岩破裂产生的同源电磁信号，记录同源电磁信号信息；
步骤七：重复步骤三至步骤六，以同样的方法得到其余各电磁辐射仪监测到的该次煤岩破裂的同源电磁信号信息。
2.根据权利要求1所述的一种煤岩破裂同源电磁信号判别方法，其特征在于：步骤二中所述的第i个电磁辐射仪记录的某次煤岩破裂对应的电磁波形需清晰易辨别，所述的时间窗T应包含该破裂对应的完整电磁波形。
3.根据权利要求1所述的一种煤岩破裂同源电磁信号判别方法，其特征在于：步骤三中所述的时间差的取值范围由下式估算：，其中和分别为监测区域内任一点至第i个和第j个电磁辐射仪的最大距离，为电磁波在煤岩介质中的传播速度。
4.根据权利要求1所述的一种煤岩破裂同源电磁信号判别方法，其特征在于：步骤六中所述的同源电磁信号信息包括：最高点对应的时间差为第i个电磁辐射仪和第j个电磁辐射仪记录的同源电磁信号的电磁波形到时时差，为第j个电磁辐射仪记录的同源电磁信号的电磁波形到时，和记录的T时间内的电磁波形时序分布就是第i个电磁辐射仪和第j个电磁辐射仪记录的该次煤岩破裂对应的同源电磁信号的电磁波形。
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