CN111042866B - 一种多物理场协同的突水监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种多物理场协同的突水监测方法，如果存在超过自然电场电位阈值的传感器，且该传感器自然电场电位连续变化，相邻位置的传感器同步变化，则获取电场梯度极值点，如果梯度极值点的位置与异常电磁辐射信号和异常微震信号的信号源位置均处于风险距离内，则当前空间存在突水风险；如果存在超过自然电场电位变化率阈值的传感器，则获取特定时段内的电场数据，如果自然电场电位连续变化，且相邻位置的传感器同步变化，则当前空间存在突水风险。本发明的优点在于：以自然电场电位变化与弹性波场和电磁辐射场的变化情况综合判定是否存在突水风险，提高了判定的准确性，防止漏报的情况。

Description

一种多物理场协同的突水监测方法

技术领域

本发明涉及综合地球物理勘探技术领域，尤其涉及一种多物理场协同的突水监测方法。

背景技术

地下工程施工过程中突水所造成的事故严重威胁着正常施工安全，甚至威胁工人的生命安全；地下工程突水形成必须有以下条件：要有带压水源，有导水通道发育，受施工影响裂隙通道进一步扩张，最终形成突水。突水在形成过程中一般经历多个阶段：第一阶段为弹性变化阶段，表形为煤岩应力变化，有电磁辐射现象；第二阶段为塑性变化阶段，表现为微震声发射现象；第三阶段，在导水通道中形成渗流，表现为自然电场电位变化；最后，进一步扩张通道形成突水。

为了减少由于突水所造成的损失，降低水害事故风险，目前采取的方法主要有：1)观测水害事故最后突水阶段的先兆水文参数，如水位、水压、水温、流量、导电性等，通过对施工工区监测区域的这些参数进行实时监测形成监测数据集，对监测数据集进行处理分析，可以对水害事故的发生进行预警。2)通过微震监测系统进行预警预报；通过观测诱发突水的微破裂前兆规律，在带压水压力下裂隙张开或扩张，形成开放裂隙突水或闭合引张裂隙突水时产生微震，通过分析微震事件进而对突水灾害第二阶段通道进行分析预报。3)通过电法监测进行预警；通过定期激发人工电场采集电场数据，再计算地层视电阻率，根据地层视电阻率的变化情况进行分级预警信息，主要对突水第三阶段进行预警。

如中国专利申请CN103529488A公开的“矿井顶底板突水监测预报系统及方法”，公开了通过实时监测巷道范围内的震动信号，发生超限震动后激发人工电场进行分析空间内的视电阻率变化情况，以此实现有无突水险情的预警分析。

上述方法通过观测巷道内的震动信号确定采区影响空间内的塑性变形情况，然后激发人工电场分析地层视电阻率变化情况，然而有时裂隙扩张发生时并不伴随水流，当裂隙到一定程度时，会直接发生突水险情；另外在检测到超限震动信号的情况下不一定是有效的微震事件，可能是巷道内的人文干扰，而且只通过视电阻率背景值与当前视电阻率确定视电阻率变化也有风险，如采区收到漏电干扰时就会获得假异常报警，因此上述方法存在漏检误报的可能性，有一定的安全风险。

同时现有技术中的突水预警方法均无法实现对突水位置和突水时间的预测，不便于突水防治的研究和前期处置工作的展开。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种基于三维空间自然场对施工工区周边空间进行全面突水预警的方法，以解决现有技术存在的漏检误报问题。

本发明是通过以下技术方案解决上述技术问题的：一种多物理场协同的突水监测方法，在目标区域布设用于监测目标区域三维空间的电磁辐射信号、微震信号和自然电场电位信号的传感器；

如果存在自然电场电位信号超过预设阈值的传感器，则获取该传感器之前和/或之后共特定时段内的电场数据，如果自然电场电位连续变化，且相邻位置的传感器观测值同步变化，则该自然电场电位信号为异常电位信号，获取该异常电位信号的起始时刻对应的三维空间自然电场的梯度极值点，如果梯度极值点的位置与风险时段内的异常电磁辐射信号和异常微震信号的信号源位置均处于风险距离内，则当前空间存在突水风险；

如果存在特定时段内自然电场电位变化率超过自然电场电位变化率阈值的传感器，则获取该传感器之前和/或之后共特定时段内的电场数据，如果自然电场电位连续变化，且相邻位置的传感器观测值同步变化，则当前空间存在突水风险。

本发明以自然电场电位的变化与弹性波场和电磁辐射场的变化情况综合判定是否存在突水风险，提高了判定的准确性，防止因偶然因素导致的异常警报；针对导水通道扩张和之前存在通道而不存在应力变化和应力破坏过程的情况下，基于自然电场电位的异常波动判断是否存在突水风险，确保不会遗漏渗流带来的电场波动信号，防止漏报导致的安全事故；使用多种纯自然场协同的三维空间观测方式，不需要激发人工电场进行电场测定，不影响工程现场施工。

优选地，所述三维空间自然电场的梯度极值点为特定时段内所有传感器获取到的自然电场电位信号构建的三维空间自然电场电位变化率最大的空间位置；所述特定时段的范围是10分钟～2小时。

优选地，所述异常电磁辐射信号为连续1～30分钟内4～20个以上且总数的20％～60％以上的传感器采集到超过阈值的电磁辐射信号，基于多个采集到该异常电磁辐射信号的传感器，确定该异常电磁辐射信号的信号源位置和信号时间。

优选地，所述异常微震信号为连续1～20分钟内4～20个以上且总数的20％～60％以上的传感器采集到的超过阈值的微震信号，基于多个采集到该异常微震信号的传感器，确定该异常微震信号的信号源位置和信号时间。

优选地，所述自然电场电位信号的预设阈值为背景值加上10～100mV，自然电场电位变化率阈值为10～100mV/h；判断微震信号和电磁辐射信号异常的阈值分别为当前空间各物理场背景值的5～30倍；梯度极值点与电磁辐射信号和微震信号的信号源的风险距离为5～50m。

优选地，所述物理场的背景值测定方法为：在监测区域内布设传感器之后，获取10分钟～10小时内所有传感器的自然电场电位、地震波场和电磁辐射场的数值，以每个传感器在该段时间测量的平均值作为该传感器的背景值。

优选地，施工工区内至少布设有用于采集微震信号和电磁辐射信号的传感器，在施工工区施工至少一个监测孔，所述监测孔内至少设置有能够获取自然电场电位信号的传感器，并在布设传感器后封堵所述监测孔。

优选地，还包括预测突水位置的步骤：

获取至少连续三个判定有突水风险的异常电位信号的起始时间和对应的梯度极值点{(t1,D1),(t2,D2),(t3,D3)}，梯度极值点位置的坐标为D1(x1,y1,z1)、D2(x2,y2,z2)、D3(x3,y3,z3)；以及t3前一观测时刻与t3时刻的电场梯度变化极值点的矢量方向

将D3沿矢量

的方向延伸到与施工工区壁面的交点，即为预测得到的突水位置。

优选地，还包括确定突水时间的步骤：基于当前渗流位置D3和预测突水位置的距离以及渗流在岩土内的发育速度获得预测突水时间。

优选地，还包括预测突水概率的步骤：突水概率的预测公式为：

P＝m*f(t_min)+n*g(l),(m+n＝1,m≥0,n≥0)

其中，m，n为时间和距离的影响系数，f(t_min)和g(l)为时间和距离的影响函数，t_min为预测的突水发生时间，单位为天；l表示当前渗流位置到施工工区的最短距离。

优选地，风险时段初始化为24小时，风险时段随突水概率的增大而减小。

本发明提供的基于多物理场协同的突水监测方法和系统的优点在于：

①以自然电场电位的变化与弹性波场和电磁辐射场的变化情况综合判定是否存在突水风险，提高了判定的准确性，防止因偶然因素导致的异常警报；

②针对导水通道扩张和之前存在通道而不存在应力变化和应力破坏过程的情况下，基于自然电场电位的异常波动判断是否存在突水风险，确保不会遗漏渗流带来的电场波动信号，防止漏报导致的安全事故；

③使用多种纯自然场协同的三维空间观测方式，不需要激发人工电场进行电场测定，不影响工程现场施工；

④通过多物理场异常的时间信息、位置信息建立分析模型，给出突水位置的预测，随着突水概率越来越大，突水信号越来越多，突水位置的预测精度逐渐提高；

⑤基于当前渗流点与预测突水位置的距离和渗流的发育速度给出预测突水时间，给现场施工提供参考依据，而且随着突水发育同样会越来越准确；

⑥基于预测的突水位置和突水时间给出突水概率，从而给出直观的风险数值，根据突水概率调整风险时段，能够确保及时反馈风险信息，便于及时处置，保障施工现场的安全。

附图说明

图1为本发明的实施例一提供的基于多物理场的突水监测系统的示意图。

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明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。

实施例一

如图1所示，本实施例提供了一种基于多物理场协同的突水监测系统，其应用于井下煤矿回采面工作的突水预警，为了降低硬件铺设的投入以及数据处理量，在进行测线布设之前还需要提前确定采区储水空间的位置和充水情况，可以沿巷道和工作面布置传感器扫查整个施工工区的弹性波场、瞬变电磁场和电场数据，并基于综合物探分析技术确定监测区域，具体为通过地震波场找采区及底板构造如断层、陷落柱等发育情况，从而找到当前空间中的储水空间，再通过瞬变电磁场和电场获得采区的底板视电阻率成图，判断储水空间内的储水情况，由此确定监测的目标区域。本实施例中在巷道内布设申请号为201811110593.1的专利申请公开的多勘探地球物理场并行采集系统来获取前期信号。

本实施例经过前期检测确定储水空间在巷道底板下方，由于回采工作面在采煤施工过程中会一直推进形成采空区，因此采空区内不方便布设传感器测线，本实施例在回采工作面的其他巷道内均布设有巷道测线1，巷道测线1上以5米间距间隔设置采集电磁辐射信号、微震信号和自然电场电位信号的多场传感器2，同时根据现场情况在底板上施工两个监测孔，并在两个监测孔内布设有钻孔测线3，具体监测孔数量根据施工现场情况自行设置，监测孔不能交叉，本实施例中在钻孔测线3上每隔2米设置一个多场传感器2，钻孔测线3布设完成后对监测孔进行封堵，可以采用常规的注浆锚固等方式封堵，保证多场传感器能正常工作即可。各测线布设完成后，将各测线连接到相应的数据采集与处理及控制模块即可，在本申请公开的技术方案的基础上，设置相应的电路系统及控制命令为本领域的常规技术手段，本申请不再赘述。

布设传感器测线后，还需要对各物理场的背景值进行测定，具体方法为获取一段时间整个空间内所有传感器采集到的自然电场、地震波场和电磁辐射场的数据，所述的一段时间为经验值，根据施工工区情况进行确定，一般为10分钟～10小时，本实施例采集的为一小时的数据，以各传感器在这一小时内对不同物理场观测值的平均值作为该传感器对各物理场的背景值。

基于上述系统，本实施例提供的突水监测方法如下：通过各测线实时采集获取监测区域内的电磁辐射信号、微震信号和自然电场电位信号，如果存在自然电场电位信号超过预设阈值的传感器，则获取该传感器之前和/或之后特定时段内的电场数据，由于渗流速度较慢，所以信号监测时间需要设置为较长的时间段，一般为10分钟～2小时，本实施例中设置为2小时，如果自然电场电位连续变化，即连续抬升或下降，说明产生一次电场异常，进一步分析如果相邻位置的传感器观测值同步变化，则说明在裂隙扩张过程中伴有水渗流，则可以判定该自然电场电位信号为异常电位信号，获取该异常电位信号的起始时刻对应的三维空间自然电场的梯度极值点，如果梯度极值点的位置与风险时段内的异常电磁辐射信号和异常微震信号的信号源位置均处于风险距离内，则认为当前空间存在突水风险。

如果存在特定时段内自然电场电位变化率超过自然电场电位变化率阈值的传感器，则获取该传感器之前和/或之后共特定时段内的电场数据，如果自然电场电位连续变化，且相邻位置的传感器观测值同步变化，则判定当前传感器位置发生渗流，当前空间存在突水风险；记录对应时刻。

所述三维空间自然电场的梯度极值点为特定时段内所有传感器获取到的自然电场电位信号构建的三维空间自然电场电位变化率最大的空间位置；一般发现异常传感器后，向后观测特定时段的数据，如果选择的特定时段大于风险时段时，则需要向前进行观测或综合前后时间段的数据进行判断。

本实施例以自然电场电位的变化与弹性波场和电磁辐射场的变化情况综合判定是否存在突水风险，提高了判定的准确性，防止因偶然因素导致的异常警报；同时针对导水通道扩张和之前存在通道而不存在应力变化和应力破坏过程的情况下，基于自然电场电位的异常波动判断是否存在突水风险，确保不会遗漏渗流带来的电场波动信号，防止漏报的情况。

所述异常电磁辐射信号为连续2分钟内有10个以上且总数的20％以上的传感器采集到超过阈值的电磁辐射信号，基于多个采集到该异常电磁辐射信号的传感器，确定该异常电磁辐射信号的信号源位置和时间，由于本实施例中充水的储水空间在底板下方，因此确定信号源在底板区域，才能认定为异常电磁辐射信号。上述的时间段、传感器数量和比例均为经验值，对于不同的场景可能不完全相同，一般监测时长为1～30分钟，传感器数量为4～20个，比例为20％～60％；多传感器确定信号源位置和信号时间的方法为本领域的常规技术手段，本申请不再赘述。

所述异常微震信号为连续1分钟内10个以上且总数的30％以上的传感器采集到的超过阈值的微震信号，基于多个采集到该异常微震信号的传感器，确定该异常微震信号的信号源位置和时间。本实施例中同样需要进一步确定该微震来源于底板区域，才能认定为异常微震信号，上述的时间段、传感器数量和比例均为经验值，一般取值范围分别为1～20分钟，4～20个传感器和20％～60％。

其中，所述自然电场电位信号的预设阈值为背景值加上10～100mV；自然电场电位变化率预设阈值为10～100mV/h；判断微震信号和电磁辐射信号异常的阈值分别为当前空间各物理场背景值的5～30倍，异常电位信号传感器与信号源之间的风险距离阈值为5～50m。具体数值为经验值，根据施工工区情况选择设置，本实施例中微震振幅信号阈值为地震波背景值的8倍、电磁辐射信号阈值为电磁辐射背景值的12倍，异常电位信号传感器与信号源之间的距离阈值为5m。

本实施例还进一步提供了预测突水位置、时间和概率的方法，具体为：

持续监测当前空间的多物理场数据得到每个监测时刻的传感器数据，确定当前空间存在突水风险后，获取至少连续三个判定有突水风险的异常电位信号的起始时间和对应的梯度极值点位置{(t1,D1),(t2,D2),(t3,D3)}，这三个时刻空间自然电场的梯度变化极值点坐标分别为D1(x1,y1,z1)、D2(x2,y2,z2)、D3(x3,y3,z3)；确定t3之前特定时段对应的时刻自然电场的梯度极值点与t3时刻的自然电场梯度极值点构成的矢量方向

即D3点之后的渗流方向，将D3沿矢量

的方向延伸到巷道壁面交点处，即为预测得到的突水位置。

基于预测的突水位置，可确定D3与预测位置的直线距离L，计算从点D1到D2再到D3的速度，分别为：

则t1到t2的导水速度为：

同理t2到t3的导水速度为：

则水流平均速度为

则以t3时刻为基准，发生突水的最短时间t_min满足以下关系：

由此得到预测的突水时间，并基于此得到预测的突水概率P：

P＝m*f(t_min)+n*g(l),(m+n＝1,m≥0,n≥0)

其中，m，n为时间和距离的影响系数，f(t_min)和g(l)为时间和距离的影响函数，在函数f(t_min)中，预测突水时间超过2天时，可不关注突水风险，或者通过前期作业如注浆锚固等方式消除隐患，预测突水时间在1天到2天之间时，需要关注突水发育情况，并且也能够及时安排作业消除隐患，当预测突水时间在一天之内时，则需要优先疏散人员，防止危及人身安全。函数g(l)中的距离l表示当前渗流位置D3到施工工区即巷道的最短距离，其中距离上限120米为裂隙发育的最大深度，本领域技术人员根据不同的施工工区条件可以自行修改这一数值，最小距离20米为警戒线，渗流距离施工工区20米之内时有极大风险，需及时疏散人员，消除隐患，这一数值同样可根据情况自行调整。

本实施例中令m＝1，n＝0，则概率表示为：

对回采工作面进行24小时监测，对多物理场信号进行分析，直到整体回采工作面回采结束。在回采工作面未开始采煤时，所述风险时段初始化为24小时，即如果异常电磁信号、异常微震信号和异常电场信号的时间在24小时内，判定为存在突水风险，随着突水概率的增大，风险时段逐渐减小，当突水概率P≤0时，风险时段为24h，当突水概率0<P≤0.5时，风险时段为8h，当突水概率0.5<P≤0.8时，风险时段为1h，当突水概率0.8<P≤1时，风险时段为10min。随着突水概率越来越大时，会越来越频繁的获取到突水导致的电场信号，最终接近实时更新突水位置、突水时间和突水概率的效果，从而使本实施例提供的方法得到的预测结果原来越准确。

实施例二

本实施例为用于交通隧道的多物理场突水监测系统，包括沿隧道两侧以大致2米的间隔均匀布设的微震信号测线和电磁信号测线，经过前期数据采集分析确定充水的储水空间处于隧道上方，根据确定的储水空间的方位在隧道顶板上也施工了两个钻孔，并在孔内分别布设自然电场电位信号测线，自然电场电位信号测线上的传感器间隔同样为2米，上述系统的突水监测原理与实施例一相同，此处不再赘述。

本实施例预测突水位置的方法与实施例一相同，但预测突水时间时考虑了相邻时间段的加速度，具体为，

t1到t2的导水速度为：

t2到t3的导水速度为：

则加速度a为：

则以t3时刻为基准，发生突水的最短时间t_min满足以下关系：

经过计算即可确定发生突水的最短间隔时间t_min。

实际上，突水在岩土内的发育较为缓慢，速度的波动不大，因此用加速度进行计算和用平均速度进行计算的结果非常接近，本领域技术人员在实施本申请提供的方案时可自行选择。

本实施例在计算突水概率时主要考虑当前异常信号位置即D3与施工工区壁面的最短距离l，具体公式为：

上述公式可根据岩土情况进行适当调整，当然也可以将距离和时间进行结合确定突水概率，这是本领域技术人员都能够做出的常规改变，本申请不再穷举。

进一步的，本实施例提供的突水监测方法还包括将突水预警信息发送给管理者的步骤，具体可通过短信、消息推送、电话呼叫、声音如警报音、光电信号如警报灯等方式进行提示。

Claims (11)

1.一种多物理场协同的突水监测方法，其特征在于：在目标区域布设用于监测目标区域三维空间的电磁辐射信号、微震信号和自然电场电位信号的传感器；

如果存在自然电场电位信号超过预设阈值的传感器，则获取该传感器之前和/或之后共特定时段内的电场数据，如果自然电场电位连续变化，且相邻位置的传感器观测值同步变化，则该自然电场电位信号为异常电位信号，获取该异常电位信号的起始时刻对应的三维空间自然电场的梯度极值点，如果梯度极值点的位置与风险时段内的异常电磁辐射信号和异常微震信号的信号源位置均处于风险距离内，则当前空间存在突水风险；

如果存在特定时段内自然电场电位变化率超过自然电场电位变化率阈值的传感器，则获取该传感器之前和/或之后共特定时段内的电场数据，如果自然电场电位连续变化，且相邻位置的传感器观测值同步变化，则当前空间存在突水风险。

2.根据权利要求1所述的一种多物理场协同的突水监测方法，其特征在于：所述三维空间自然电场的梯度极值点为特定时段内所有传感器获取到的自然电场电位信号构建的三维空间自然电场电位变化率最大的空间位置；所述特定时段的范围是10分钟～2小时。

3.根据权利要求1所述的一种多物理场协同的突水监测方法，其特征在于：所述异常电磁辐射信号为连续30分钟内4个以上且总数的20％以上的传感器采集到超过阈值的电磁辐射信号，基于多个采集到该异常电磁辐射信号的传感器，确定该异常电磁辐射信号的信号源位置和信号时间。

4.根据权利要求3所述的一种多物理场协同的突水监测方法，其特征在于：所述异常微震信号为连续20分钟内4个以上且总数的20％以上的传感器采集到的超过阈值的微震信号，基于多个采集到该异常微震信号的传感器，确定该异常微震信号的信号源位置和信号时间。

5.根据权利要求2所述的一种多物理场协同的突水监测方法，其特征在于：所述自然电场电位信号的预设阈值为背景值加上10～100mV，自然电场电位变化率阈值为10～100mV/h；判断微震信号和电磁辐射信号异常的阈值分别为当前空间各物理场背景值的5～30倍；梯度极值点与电磁辐射信号和微震信号的信号源的风险距离为5～50m。

6.根据权利要求5所述的一种多物理场协同的突水监测方法，其特征在于：所述物理场的背景值测定方法为：在监测区域内布设传感器之后，获取10分钟～10小时内所有传感器的自然电场电位、地震波场和电磁辐射场的数值，以每个传感器在该段时间测量的平均值作为该传感器的背景值。

7.根据权利要求1所述的一种多物理场协同的突水监测方法，其特征在于：施工工区内至少布设有用于采集微震信号和电磁辐射信号的传感器，在施工工区施工至少一个监测孔，所述监测孔内至少设置有能够获取自然电场电位信号的传感器，并在布设传感器后封堵所述监测孔。

8.根据权利要求2所述的一种多物理场协同的突水监测方法，其特征在于：还包括预测突水位置的步骤：

获取至少连续三个判定有突水风险的异常电位信号的起始时间和对应的梯度极值点{(t1,D1),(t2,D2),(t3,D3)}，梯度极值点位置的坐标为D1(x1,y1,z1)、D2(x2,y2,z2)、D3(x3,y3,z3)；以及t3前一观测时刻与t3时刻的电场梯度变化极值点的矢量方向

将D3沿矢量

的方向延伸到与施工工区壁面的交点，即为预测得到的突水位置。

9.根据权利要求8所述的一种多物理场协同的突水监测方法，其特征在于：还包括确定突水时间的步骤：基于当前渗流位置D3和预测突水位置的距离以及渗流在岩土内的发育速度获得预测突水时间。

10.根据权利要求9所述的一种多物理场协同的突水监测方法，其特征在于：还包括预测突水概率的步骤：

突水概率的预测公式为：

P＝m*f(t_min)+n*g(l),(m+n＝1,m≥0,n≥0)

其中，m，n为时间和距离的影响系数，f(t_min)和g(l)为时间和距离的影响函数，t_min为预测的突水发生的最短时间，单位为天；l表示当前渗流位置到施工工区的最短距离。

11.根据权利要求10所述的一种多物理场协同的突水监测方法，其特征在于：风险时段初始化为24小时，风险时段随突水概率的增大而减小。

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