CN107765340A - 一种基于电磁辐射和微震联合监测的井下煤岩破裂源定位方法 - Google Patents
一种基于电磁辐射和微震联合监测的井下煤岩破裂源定位方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种基于电磁辐射和微震联合监测的井下煤岩破裂源定位方法，将多组传感器设于待测区域附近，每组含一电磁辐射传感器和一微震传感器，两者在同一位置共享同一三维坐标，根据煤岩破裂同时产生电磁信号和微震信号，电磁信号传播速度远大于微震信号传播速度，将电磁辐射传感器接受的电磁信号到时视作煤岩破裂源产生时刻，描述煤岩破裂源的未知量由四个(x0，y0，z0，t0)减少为三个(x0，y0，z0)，根据已知的传感器位置坐标、微震信号到时、微震信号传播速度，利用距离运算关系求解煤岩破裂源位置坐标公式，可通过鲍威尔算法Powell求出煤岩破裂源位置坐标。本发明能显著降低求解难度，提高定位精度，适用于掘进巷道等难以实现多个微震传感器三维空间立体布置情况。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于电磁辐射和微震联合监测的井下煤岩破裂源定位方法，属于井下煤岩破裂源定位技术领域。
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。
煤岩动力灾害的孕育发展致灾过程伴随微破裂扩展演化至宏观破裂产生，期间产生有电磁辐射、微震等物理现象，煤岩电磁辐射技术和微震技术即是通过对该物理现象的监测实现对煤岩动力灾害危险程度的评价和预警，该方法已在我国煤岩动力灾害矿井得到大规模应用。然而目前，煤岩电磁辐射技术只能实现对煤岩破裂强度和频度的时序监测，不能对煤岩破裂源进行定位；微震技术可实现对煤岩破裂的时序监测和对破裂源的空间定位，然而其定位过程需要求解时间和空间两个维度的未知量，求解过程复杂，所需要的微震传感器数量较多，致使其定位精度有待提高。且多数情况下掘进巷道周边没有条件实现多个微震传感器的空间立体布置，使微震技术对掘进巷道周边煤岩破裂源的定位精度更加不理想。可见，有必要提出一种基于电磁辐射和微震联合监测的井下煤岩破裂源定位方法，既可实现电磁辐射定位，又可提高微震定位精度。
本发明针对以上问题，提供一种基于电磁辐射和微震联合监测的井下煤岩破裂源定位方法，以便实现电磁辐射定位、减少微震定位需求解的未知量个数、提高微震定位精度，特别适用于掘进巷道周边煤岩破裂源的精确定位。
发明内容
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种基于电磁辐射和微震联合监测的井下煤岩破裂源定位方法，其特征在于：在待测区域周边设置N组传感器，每组包含一个电磁辐射传感器和一个微震传感器，两者在同一位置并共享同一个三维坐标，N组传感器的三维位置坐标已知，分别为(x1，y1，z1)、(x2，y2，z2)、…、(xN，yN，zN)，N≥4；
煤岩破裂源产生后，第i组传感器接受到该煤岩破裂源产生的电磁辐射信号和微震信号并分别记录下接受到该信号的时刻，电磁辐射传感器和微震传感器接受到该信号的时刻分别为tEi和tSi，共得到N组时间数据；
对于公式(1-1)：
其中，(x0，y0，z0)和t0为煤岩破裂源的三维坐标和破裂时刻，vE和vS分别为电磁信号和微震信号在煤岩介质中的传播速度，i取值为1，2，…，N；
由即vE远大于vS，得到即由同一煤岩破裂源产生的电磁信号传播至电磁辐射传感器的时差远小于微震信号传播至微震传感器的时差，且在矿井井田范围内有tEi-t0≈0，因此，tEi即为煤岩破裂时刻，公式(1-1)简化为如下形式：
其中，tEi-min为所有电磁辐射传感器接受到的电磁信号到达时刻的最小值；
上式中，(x0，y0，z0)为未知量，vS可根据放炮实验确定，为已知量，其余量为已知量；
利用鲍威尔算法Powell对公式(1-2)求解，即可得到煤岩破裂源的坐标为(x0，y0，z0)，煤岩破裂时刻为tEi-min。
进一步，作为优选，N组传感器要求不在同一平面上。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明提供了一种基于电磁辐射和微震联合监测的井下煤岩破裂源定位方法，根据煤岩破裂源产生的电磁辐射信号和微震信号传播至电磁辐射传感器和微震传感器的时刻、传感器的位置坐标以及电磁信号和微震信号在煤岩介质中的传播速度，建立求解煤岩破裂源坐标和产生时刻的公式，巧妙的利用电磁信号传播速度远远大于微震信号传播速度的性质，在井田范围内认为电磁信号到时时刻即为煤岩破裂源产生时刻，将需要求解的四个未知量(x0，y0，z0，t0)减小为三个(x0，y0，z0)，降低了未知量求解维度和难度、简化了求解公式和计算过程、提高了定位精度、实现了电磁辐射定位。该方法特别适用于掘进巷道等难以实现多个微震传感器三维空间立体布置的情况。
附图说明
图1是基于电磁辐射和微震联合监测的煤岩破裂源定位示意图。
其中，标号说明：1-第一组电磁辐射和微震传感器，2-第二组电磁辐射和微震传感器，3-第三组电磁辐射和微震传感器，4-第四组电磁辐射和微震传感器，0-煤岩破裂源。
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1，本发明提供一种技术方案：一种基于电磁辐射和微震联合监测的井下煤岩破裂源定位方法，其是在待测区域周边设置N组不在同一平面的传感器，每组包含一个电磁辐射传感器和一个微震传感器，两者在同一位置并共享同一个三维坐标，N组传感器的三维位置坐标已知，分别为(x1，y1，z1)、(x2，y2，z2)、…、(xN，yN，zN)，N≥4；
煤岩破裂源产生后，第i组传感器接受到该煤岩破裂源产生的电磁辐射信号和微震信号并分别记录下接受到该信号的时刻，电磁辐射传感器和微震传感器接受到该信号的时刻分别为tEi和tSi，共得到N组时间数据；
对于公式(1-1)：
其中，(x0，y0，z0)和t0为煤岩破裂源的三维坐标和破裂时刻，vE和vS分别为电磁信号和微震信号在煤岩介质中的传播速度，i取值为1，2，…，N；
由即vE远大于vS，得到即由同一煤岩破裂源产生的电磁信号传播至电磁辐射传感器的时差远小于微震信号传播至微震传感器的时差，且在矿井井田范围内有tEi-t0≈0，因此可认为tEi即为煤岩破裂时刻，公式(1-1)简化为如下形式：
其中，tEi-min为所有电磁辐射传感器接受到的电磁信号到达时刻的最小值；
上式中，(x0，y0，z0)为未知量，vS可根据放炮实验确定，为已知量，其余量为已知量；
利用鲍威尔算法Powell对公式(1-2)求解，得到煤岩破裂源的坐标为(x0，y0，z0)，煤岩破裂时刻为tEi-min。
下面结合附图对本发明的一个实施例作进一步的描述：
如图1所示，4组传感器的坐标(x1，y1，z1)、(x2，y2，z2)、(x3，y3，z3)和(x4，y4，z4)分别为(4500.00，1395.26，734.54)、(4339.43，1315.36，678.15)、(4429.13，1247.36，667.85)和(4568.12，1240.40，669.69)，单位是m；4个电磁辐射传感器接收到电磁信号的时刻分别为2.535052，2.535054，2.535057，2.535059，单位是s；4个微震传感器接收到微震信号的时刻分别为2.540，2.582，2.582，2.586，单位是s；微震信号传播速度为4000m/s，以上为已知量；(x0，y0，z0，t0)为煤岩破裂源的坐标和产生时刻，是未知量。
具体实施步骤如下：
(1)将4组电磁辐射和微震传感器设置在待测区域周边，且4组传感器不在同一平面上，4组传感器的坐标(x1，y1，z1)、(x2，y2，z2)、(x3，y3，z3)和(x4，y4，z4)分别为(4500.00，1395.26，734.54)、(4339.43，1315.36，678.15)、(4429.13，1247.36，667.85)和(4568.12，1240.40，669.69)；电磁信号触发以上电磁辐射传感器的时刻分别为2.535052s，2.535054s，2.535057s，2.535059s；微震信号触发以上微震传感器的时刻分别为2.540s，2.582s，2.582s，2.586s；通过实验测定微震信号在煤岩介质中的传播速度为vS＝4000m/s；
(2)电磁信号触发电磁辐射传感器的最小时刻为2.535052s，即认为是煤岩破裂源产生时刻，即t0＝tEi-min＝2.535052；
(3)构建煤岩破裂源求解公式，如下
(4)将以上(1)和(2)得到的参数值带入(3)中煤岩破裂源求解公式，利用鲍威尔算法Powell对公式求解；
通过求解可知：(x0，y0，z0)的值(4487.67，1410.99，741.46)即为定位结果，4个微震传感器的理论到时与测量到时的偏差分别为-0.000340s、0.000091s、-0.000236s、0.000497s，minF(x0，y0，z0，t0)＝0.427×10-6s2，可见到时偏差很小，说明定位精度较高。
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 (2)
1.一种基于电磁辐射和微震联合监测的井下煤岩破裂源定位方法，其特征在于：在待测区域周边设置N组传感器，每组包含一个电磁辐射传感器和一个微震传感器，两者在同一位置并共享同一个三维坐标，N组传感器的三维位置坐标已知，分别为(x1，y1，z1)、(x2，y2，z2)、…、(xN，yN，zN)，N≥4；
煤岩破裂源产生后，第i组传感器接受到该煤岩破裂源产生的电磁辐射信号和微震信号并分别记录下接受到该信号的时刻，电磁辐射传感器和微震传感器接受到该信号的时刻分别为tEi和tSi，共得到N组时间数据；
对于公式(1-1)：
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其中，(x0，y0，z0)和t0为煤岩破裂源的三维坐标和破裂时刻，vE和vS分别为电磁信号和微震信号在煤岩介质中的传播速度，i取值为1，2，…，N；
由即vE远大于vS，得到即由同一煤岩破裂源产生的电磁信号传播至电磁辐射传感器的时差远小于微震信号传播至微震传感器的时差，且在矿井井田范围内有tEi-t0≈0，因此，tEi即为煤岩破裂时刻，公式(1-1)简化为如下形式：
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其中，tEi-min为所有电磁辐射传感器接受到的电磁信号到达时刻的最小值；
上式中，(x0，y0，z0)为未知量，vS可根据放炮实验确定，为已知量，其余量为已知量；
利用鲍威尔算法Powell对公式(1-2)求解，即可得到煤岩破裂源的坐标为(x0，y0，z0)，煤岩破裂时刻为tEi-min。
2.根据权利要求1所述的一种基于电磁辐射和微震联合监测的井下煤岩破裂源定位方法，其特征在于：N组传感器要求不在同一平面上。
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| Publication number | Publication date |
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| CN107765340B (zh) | 2019-08-27 |
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