CN111308559A - 基于p波入射方向的煤矿井下微震监测传感器布设方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于P波入射方向的煤矿井下微震监测传感器布设方法，属于煤矿井下安全监测技术领域。该方法首先通过监测对象的受力特点和监测区域内震源机制特征统计规律，确定监测区域微震事件的P波主入射方向；然后建立二维区域施工坐标系和符合监测区域地质特征的层状地层模型，进一步建立P波的射线路径方程；再将射线参数、地层参数、波速参数等依次代入射线方程，获取煤层介质中传感器布设的最优位置；最后依次求解监测区域内各震源的P波其他主要入射方向对应的传感器位置即为三维监测区域内的传感器的最优布设位置。本方法计算简单，结果准确，可适用于煤矿等水平层状介质地下工程的微震监测传感器最优位置设计。
Description
技术领域
本发明涉及煤矿井下安全监测技术领域，特别是指一种基于P波入射方向的煤矿井下微震监测传感器布设方法。
背景技术
煤矿冲击地压、煤与瓦斯突出等地质灾害已严重影响了煤炭资源的安全开采，而近年来从地震勘查行业演化和发展起来的微震监测技术已被广泛使用，如山东梁宝寺煤矿、山西平煤井工一矿、河南义马煤矿等。而微震监测传感器网络的空间合理布设是微震监测系统运行稳定、数据可靠的前提条件。而这些又决定着井下冲击地压的分布规律及能量，煤与瓦斯突出强度等安全评价的准确度。
国内外有关煤矿微震监测网络优化设计的方法，总结起来主要包括定性分析和定量评估两种。定性研究方面如有学者提出将煤矿微震系统的传感器布设分为“内场”、“近场”和“远场”，通过优化台网布置，尽可能地扩大有效检波器组合的控制范围，使监控区域处于“内场”或者“近场”以提高定位精度，应用于梧桐庄煤矿；另有学者系统的提出微震测站网络动态优化布置的一般性原则，如微震测站网络空间上应包围待测区域，形成立体网状结构，避免较大断层及破碎带的影响等，有助于提高定位精度，并在平顶山十一矿区得到了现场验证。而定量评估方面大多是基于已有数学优化理论(D值理论、C值理论等)进一步拓展而得，如有学者基于D值理论，采用综合指数法建立基于数值仿真实验方法的震中与震源误差期望值模型，以及提出包括模型数据准备模块、遗传算法求解模块和台网布置方案定位能力评价模块的微震台网布置方案求解模型，最终形成用于评价煤矿冲击地压的台网布置方案。另有学者采用D值理论方法建立了SOS监测系统,在李雅庄煤矿深部采区布设11个监测台站，用以监测李雅庄煤矿深部采区采场及覆岩运动，利用微震系统监测煤柱及顶底板岩层活动,为煤柱的稳定性进行了评价。
但目前这些方法会有以下几个弊端：(1)定性分析只是从宏观上对传感器布设区域进行规划，并不能给出可直接用于现场安装的具体坐标；(2)当前理论算法的核心都是在均匀介质或波速为常数的理想环境下，依托台网优化目标函数中与震源参数和传感器位置参数相关的协方差矩阵，求解传感器位置参数。显然这些算法未考虑煤矿水平层状地层的影响，与工程实际不符。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种基于P波入射方向的煤矿井下微震监测传感器布设方法，通过监测对象的受力特点和监测区域内震源机制特征统计规律，确定监测区域微震事件的P波主入射方向；建立二维区域施工坐标系和符合监测区域地质特征的层状地层模型，进一步建立P波的射线路径方程，将射线参数、地层参数、波速参数等依次代入射线方程，最终可获取煤层介质中传感器布设的最优位置；依次求解监测区域内各震源的P波其他主要入射方向对应的传感器位置即为三维监测区域内的传感器的最优布设位置。本方法同样适用于土木、水电等水平层状介质地下工程的微震监测传感器最优位置设计。
该方法包括步骤如下：
(1)确定P波主入射方向：根据监测对象的受力特点和监测区域内震源机制特征统计规律，确定监测区域微震事件的P波主入射方向；
(2)建立地层模型：根据微震主监测区域和传感器布设区域，建立二维区域施工坐标系，根据煤矿的水平或近水平层状地层特征，建立符合监测区域地质特征的层状地层模型，根据现场勘测资料或波速测试仪等获取各层波速、层厚地质参数；
(3)建立P波的射线路径方程：矿山微震监测信号中的反射波、折射波等能量占比相对较小，传感器以接收透射波为主，忽略干扰波影响，基于步骤(1)中确定的P波主入射方向，建立该方向P波在步骤(2)中的坐标系和地层模型中的射线路径方程；
(4)求解传感器最优位置：将射线参数、地层参数、波速参数依次代入步骤(3)中的射线路径方程，得到步骤(2)中煤层介质中传感器布设的最优位置；其中，地层参数和波速参数通过现场地勘资料得到；
(5)煤矿井下三维监测区域的传感器位置求解：再次按照步骤(2)、步骤(3)和步骤(4)依次求解监测区域内各震源的P波其他主要入射方向对应的传感器位置即为三维监测区域内的传感器的最优布设位置。
所述步骤(1)中监测对象受力特点包括在重力和区域构造应力场的水平应力作用下的冒落、开挖卸荷导致的基底回弹，或者煤柱体承受上覆岩层的重力导致煤柱底部周边煤岩体剪切破坏等；监测区域内震源机制特征统计规律指监测区域内主要微震事件应力释放方向的主压应力轴、中等应力轴或主张应力轴的方位、仰角等分布特征，从而确定P波主入射方向。如某一主震源o(x0,z0)的P波初始入射角用θ0表示。P波主入射方向通过类似地质工程类比或本工程以往监测数据类比确定。
所述步骤(2)中二维区域施工坐标系的目的是为了简化计算和便于后期施工，施工坐标系根据矿山测量习惯而定，包括大地坐标系、高斯平面直角坐标系；建立的二维区域施工坐标系保证微震主监测区域和传感器布设区域位于坐标系第一象限，坐标系的原点记为O(0,0)；地层模型从下往上依次记为Z0,Z1,…,Zi,…,Zn，其中，i为层数，i＝0,1,2,…,n；待监测区域主震源所在地层用第0层表示，拟布设传感器的地层用第n层表示，Zi,Zi+1分别为第i层的下边界和上边界；vi，θi，hi分别表示拟监测区域内第i层的速度、入射角、真实厚度；v0，h0分别表示待监测主震源所在地层的速度、真实厚度，θ0为监测区域内主震源初始入射角。
所述步骤(3)中射线路径方程为：
p＝sinθi/vi，
其中，p为射线参数，i为层数，i＝0,1,2,…,n，待监测区域主震源所在地层用第0层表示，拟布设传感器的地层用第n层表示；vi，θi分别表示拟监测区域内第i层的速度、入射角；
不同震相有各自的射线路径方程，通过定义等效层厚
可以化为相同的形式，即：
式中，震中距Δ为震源与接收点两点之间的水平距离，hi表示拟监测区域内第i层的真实厚度，h0表示待监测主震源所在地层的真实厚度，z0表示震源在区域坐标系中的竖向坐标。
所述步骤(4)中，根据snell定律，射线参数p为定值：
式中，θ0为监测区域内主震源初始入射角，v0表示待监测主震源所在地层的速度，i为层数，i＝0,1,2,…,n，待监测区域主震源所在地层用第0层表示，拟布设传感器的地层用第n层表示，vi，θi分别表示拟监测区域内第i层的速度、入射角；
最终确定射线在层状地层中的出射点位置，即为传感器布设的最优位置：
式中，
为等效层厚，x0为震源在区域坐标系中的横向坐标。
本发明的上述技术方案的有益效果如下：
(1)以往定性分析方法只是从宏观上对传感器布设区域进行规划，并不能给出可直接用于现场安装的具体坐标，而本发明可计算出确切的布设坐标，以便于施工。
(2)以往理论算法虽能给出具体的安装坐标，但其坐标求解过程都是建立在均匀介质或波速为常数的理想模型下，未考虑煤层与岩层介质属性的差异，与工程实际不符。本发明的求解过程是基于现场真实地质模型，考虑了煤矿水平层状地层的影响，更符合工程现场。
(3)本发明中的传感器位置参数求解过程中先基于二维模型计算，再根据监测区域震源不同的P波入射方向将最终的传感器布设扩展到三维空间。不仅极大的简化了建模和计算过程，而且也保证了传感器在监测区域四周的空间布设，提高了监测精度和传感器的利用效率。
附图说明
图1为本发明的基于P波入射方向的煤矿井下微震监测传感器布设方法流程示意图；
图2为本发明的基于P波入射方向的煤矿井下微震监测传感器布设方法的二维模型示意图；
图3为本发明的基于P波入射方向的煤矿井下微震监测传感器布设方法三维监测区域内传感器求解及布设示意图。
其中：1-监测区域及传感器布设区域；2-传感器布设位置水平线；3-地层分界线；4-岩层；5-煤层；6-震源；7-P波初始入射角；8-射线路径；9-入射角；10-传感器的最优位置。
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。
本发明针对现有的煤矿井下微震监测传感器布设定性方法无法提供准确安装位置，定量方法又未考虑现场地层介质影响不够准确等问题，提供一种基于P波入射方向的煤矿井下微震监测传感器布设方法。
如图1所示，该方法包括步骤如下：
(1)确定P波主入射方向：根据监测对象的受力特点和监测区域内震源机制特征统计规律，确定监测区域微震事件的P波主入射方向；
(2)建立地层模型：根据微震主监测区域和传感器布设区域，建立二维区域施工坐标系和层状地层模型，并获取各层波速、层厚地质参数；
(3)建立P波的射线路径方程：基于步骤(1)中确定的P波主入射方向，建立该方向P波在步骤(2)中的坐标系和地层模型中的射线路径方程；
(4)求解传感器最优位置：将射线参数、地层参数、波速参数依次代入步骤(3)中的射线路径方程，得到步骤(2)中煤层介质中传感器布设的最优位置；
(5)煤矿井下三维监测区域的传感器位置求解：再次按照步骤(2)、步骤(3)和步骤(4)依次求解监测区域内各震源的P波其他主要入射方向对应的传感器位置即为三维监测区域内的传感器的最优布设位置。
本发明计算采用的地层模型如图2所示，三维监测区域的内计算原理如图3所示。
在具体实施中，首先确定监测区域内震源的P波主要入射方向，然后在监测区域及传感器布设区域1中建立二维坐标系，如图2所示，区域最上层为传感器布设位置水平线2，岩层4和煤层5之间为地层分界线3，根据震源6的P波初始入射角7可计算岩层4或煤层5中的射线路径8相应的入射角9，最终可计算出传感器的最优位置10。
根据监测区域内其他震源的P波主要入射方向统计规律，按照步骤(2)、步骤(3)和步骤(4)再次求解，可获得不同布设方向上的传感器位置。由于不同震源的P波传输方向各异，传感器的位置将分布在监测区域的三维空间上。
下面结合具体实施例予以说明。
实施例1
(1)某煤矿井下一区域存在冒顶的危险，为保障井下开采安全，拟引进微震监测系统对该区域进行监测，首批拟在区域边长为100m的正方体区域A1B1C1D1-ABCD的边界上安装4个传感器，现需要对4个传感器位置进行优化设计。
(2)根据监测对象受力特点和监测区域内震源机制特征统计规律，初步判断监测区域内各震源P波的主入射方向如图3所示，入射点可用D表示，入射角θD＝30°。入射方向在竖直方向上隶属于面A1D1DA，在水平方向上隶属于面ABCD上。
(3)此区域的施工坐标系以A为原点，坐标轴xyz如图3所示。地层为三层，从下到上三层相关参数分别如下：h1＝4.2m，v1＝2134m/s，h2＝29.2m,，v2＝2315m/s，h3＝16.5m，v3＝2268m/s。D点的施工坐标为XD0＝(0,100,0)。
(4)根据主入射方向所在的竖直面A1D1DA建立二维区域坐标系，根据步骤(3)中的传感器布设的最优位置计算公式，将地层各层厚度、波速、初始震源位置、初始入射角等参数依次代入，最终求解该方向上的传感器最优布设位置的坐标为：XD1＝(0,68.37,49.9)。
(5)由于要布设4个传感器，再次根据监测对象受力特点和监测区域内震源机制特征统计规律，获取监测区域内各震源P波的另外3个主入射方向如图3所示，入射点可分别用M、N、J三个点表示，入射角依次为：θM＝45°，θN＝45°，θJ＝30°。竖直方向上分别隶属于面A1B1BA、B1C1CB、A1C1CA，水平方向上都隶属于面ABCD上。
(6)依次根据三个主入射方向所在的竖直面建立二维区域坐标系，同理根据步骤(3)中的传感器布设的最优位置计算公式，将地层各层厚度、波速、初始震源位置、初始入射角等参数依次代入，最终求解此三个方向上的传感器最优布设位置的坐标为：XM1＝(100,0,42.96)，XN1＝(100,100,29.96)，XJ1＝(27.63,27.63,49.9)。
(7)由于不同震源的P波传输方向各异，传感器的位置将分布在监测区域的三维空间上，四个传感器的位置如图3所示的XD1、XM1、XN1、XJ1的黑色三角形所在位置。
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 (6)
1.一种基于P波入射方向的煤矿井下微震监测传感器布设方法，其特征在于：包括步骤如下：
(1)确定P波主入射方向：根据监测对象的受力特点和监测区域内震源机制特征统计规律，确定监测区域微震事件的P波主入射方向；
(2)建立地层模型：根据微震主监测区域和传感器布设区域，建立二维区域施工坐标系和层状地层模型，并获取各层波速、层厚地质参数；
(3)建立P波的射线路径方程：基于步骤(1)中确定的P波主入射方向，建立该方向P波在步骤(2)中的坐标系和地层模型中的射线路径方程；
(4)求解传感器最优位置：将射线参数、地层参数、波速参数依次代入步骤(3)中的射线路径方程，得到步骤(2)中煤层介质中传感器布设的最优位置；
(5)煤矿井下三维监测区域的传感器位置求解：再次按照步骤(2)、步骤(3)和步骤(4)依次求解监测区域内各震源的P波其他主要入射方向对应的传感器位置即为三维监测区域内的传感器的最优布设位置。
2.根据权利要求1所述的基于P波入射方向的煤矿井下微震监测传感器布设方法，其特征在于：所述步骤(1)中监测对象受力特点包括在重力和区域构造应力场的水平应力作用下的冒落、开挖卸荷导致的基底回弹，或者煤柱体承受上覆岩层的重力导致煤柱底部周边煤岩体剪切破坏；监测区域内震源机制特征统计规律指监测区域内主要微震事件应力释放方向的主压应力轴、中等应力轴或主张应力轴的方位、仰角分布特征，从而确定P波主入射方向。
3.根据权利要求1所述的基于P波入射方向的煤矿井下微震监测传感器布设方法，其特征在于：所述步骤(2)中二维区域施工坐标系包括大地坐标系、高斯平面直角坐标系；建立的二维区域施工坐标系保证微震主监测区域和传感器布设区域位于坐标系第一象限，坐标系的原点记为O(0,0)；地层模型从下往上依次记为Z0,Z1,…,Zi,…,Zn，其中，i为层数，i＝0,1,2,…,n；待监测区域主震源所在地层用第0层表示，拟布设传感器的地层用第n层表示，Zi,Zi+1分别为第i层的下边界和上边界；vi，θi，hi分别表示拟监测区域内第i层的速度、入射角、真实厚度；v0，h0分别表示待监测主震源所在地层的速度、真实厚度，θ0为监测区域内主震源初始入射角。
4.根据权利要求1所述的基于P波入射方向的煤矿井下微震监测传感器布设方法，其特征在于：所述步骤(3)中射线路径方程为：
p＝sinθi/vi，
其中，p为射线参数，i为层数，i＝0,1,2,…,n，待监测区域主震源所在地层用第0层表示，拟布设传感器的地层用第n层表示；vi，θi分别表示拟监测区域内第i层的速度、入射角；
不同震相有各自的射线路径方程，通过定义等效层厚
可以化为相同的形式，即：
式中，震中距Δ为震源与接收点两点之间的水平距离，hi表示拟监测区域内第i层的真实厚度，h0表示待监测主震源所在地层的真实厚度，z0表示震源在区域坐标系中的竖向坐标。
5.根据权利要求1所述的基于P波入射方向的煤矿井下微震监测传感器布设方法，其特征在于：所述步骤(4)中，根据snell定律，射线参数p为定值：
式中，θ0为监测区域内主震源初始入射角，v0表示待监测主震源所在地层的速度，i为层数，i＝0,1,2,…,n，待监测区域主震源所在地层用第0层表示，拟布设传感器的地层用第n层表示，vi，θi分别表示拟监测区域内第i层的速度、入射角；
最终确定射线在层状地层中的出射点位置，即为传感器布设的最优位置：
式中，
为等效层厚，x0为震源在区域坐标系中的横向坐标，z0表示震源在区域坐标系中的竖向坐标。
6.根据权利要求2所述的基于P波入射方向的煤矿井下微震监测传感器布设方法，其特征在于：所述P波主入射方向通过类似地质工程类比或本工程以往监测数据类比确定。
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- 2020-03-06 CN CN202010149541.6A patent/CN111308559B/zh active Active
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| CN114814940A (zh) * | 2022-06-28 | 2022-07-29 | 矿冶科技集团有限公司 | 微震监测台网评价方法、装置、电子设备及介质 |
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