CN113153430B - 巷道围岩破坏声发射定位与波速成像监测及灾变预警方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了巷道围岩破坏声发射定位与波速成像监测及灾变预警方法，根据巷道掘进过程中围岩破坏产生的声发射信号进行定位与波速成像监测及灾变预警；利用掘进巷道及邻近巷道，结合(长)钻孔安装方式建立优化的声发射传感器台网，得到巷道掘进造成围岩破坏的高精度声发射事件的定位及能量，筛选一定数量的声发射定位事件作为已知震源，进行基于高精度声发射定位的波速成像；结合高精度声发射定位、波速成像及波速差成像结果，对巷道掘进工作面围岩变形破坏过程进行连续监测，综合围岩破裂产生的时间、空间、能量、数量及所在应力区进行危险程度评价，实现对掘进巷道围岩破坏的灾变预警，为巷道安全高效掘进提供了技术保障。

Description

巷道围岩破坏声发射定位与波速成像监测及灾变预警方法

技术领域

本发明涉及一种巷道围岩破坏监测及灾变预警方法，具体涉及一种巷道围岩破坏声发射定位与波速成像监测及灾变预警方法，属于领域为岩体变形损伤破裂及工程地球物理监测预警技术领域。

背景技术

随着我国浅部煤炭资源的枯竭，煤矿开采深度逐年增加。深部开采条件下，巷道掘进过程面临高瓦斯含量和压力、高地应力以及越来越复杂的地质构造影响。深部地下工程巷道掘进过程，特别是煤矿井下巷道掘进过程中，掘进工作面前方会形成应力集中区，导致掘进面前方的煤岩层发生破裂，工作面前方会发生煤炮、煤岩体断裂等异常声响；如果煤层瓦斯压力和含量高，可能还会发生煤岩动力灾害，严重影响巷道的安全快速掘进以及矿井的采掘接替。因此，对巷道掘进工作面前后方的煤岩体变形破坏过程进行监测预警，确定巷道掘进工作面围岩应力状态、破坏空间位置对于巷道安全高效掘进具有重要意义。

目前巷道掘进过程中发生瓦斯涌出突然增加、煤炮、煤岩体断裂等异常动力显现现象时，通常采用向掘进工作面前方打瓦斯检验钻孔的方式对煤层瓦斯含量和压力进行测试，或者采用打钻孔并测量钻屑量的方法对煤岩体内部应力状态进行测试，甚至直接暂停巷道掘进作业，并对掘进工作面前方大范围的煤层进行瓦斯抽采，这种治理措施不具针对性，不仅钻孔工程量巨大，而且煤层瓦斯抽采效率低、时间长，严重影响巷道的快速安全掘进，最终造成矿井采掘接替紧张，影响整个矿井的安全高效生产。

声发射(acoustic emission,AE)监测是指利用煤岩体损伤破裂过程中产生的震动波信号来研究煤岩体稳定性的一种地球物理监测技术。近年来，声发射监测技术在煤岩体变形破坏、冲击地压和煤与瓦斯突出等煤岩动力灾害监测方面得到了一些应用。目前这方面的技术主要包括：利用声发射信号能量和累积能量、计数、振铃数、事件数、累积事件数、声发射事件率等统计参数随时间的变化特征对巷道掘进过程中可能发生的煤与瓦斯突出、岩爆或冲击地压等动力灾害进行监测预警。

例如中国专利CN106761931A公开了一种煤岩动力灾害声电瓦斯实时自动监测系统及方法，通过有效声波、电磁信号变化及频谱特征、结合瓦斯信号变化特征预警工作面前方异常区域及煤岩动力灾害危险性，这类技术通常只需要1或2个声发射传感器，没有对煤岩体破坏进行声发射定位、震级能量计算，不能对掘进工作面围岩破坏位置进行高精度定位。此外，还有一类适用于全矿井和冲击地压监测预警的声发射监测预警技术，通常也称为微震监测技术。例如中国专利CN110703320A公开了一种井上下联合微震监测系统及方法，地面增加井上微震监测系统，使得包含监测区域在内的整个井下处于三维立体监测，这类技术主要关注全矿井尺度的大型冲击地压监测预警，声发射传感器在整个矿井范围内进行布设，没有涉及到单个巷道掘进过程中的声发射传感器如何形成优化台网布设方法。此外，这类技术主要涉及采掘活动造成的大尺度顶底板断裂，没有提出一种小能量的高精度事件筛选方法，对于小能量事件定位精度不高，在声发射传感器空间布设、声发射定位等方面都不能很好的适用于巷道掘进过程中产生较小的煤炮等煤岩体破坏声发射监测。中国专利CN104454010A公开了一种深井巷道掘进施工动态综合监测预警系统与预警方法，只在掘进巷道内布设声发射信号传感器、微震拾震器监测站进行围岩内部破裂失稳信号采集；中国专利CN104018790A公开了一种基于地音监测的巷道冲击地压预警方法，在具有潜在冲击危险的区域布置两个声发射传感器，间距为100-150m，随着工作面的推进，两个探头交替向前移动，这类方法没有充分利用掘进巷道及邻近巷道，并且没有利用向煤岩层打(长)钻孔的声发射传感器安装方式优化台网。中国专利CN105257339A公布了一种掘进工作面多参量综合监测预警方法，提出了掘进工作面分区监测的思想，将各监测值在不同分区内的变化情况耦合，以多参量综合监测值为预警参数，但不能结合声发射震源定位、波速成像和波速差成像结果，对巷道掘进过程中的围岩变形破坏进行监测评价，确定巷道围岩应力状态、围岩程度及其时空演化过程。中国专利CN109441547A公布了一种采掘工作面煤与瓦斯突出实时监测预警系统及方法，根据微震事件变化特征指数和瓦斯涌出量变化特征指数建立煤与瓦斯突出模糊评价综合预警模型，但没有综合考虑声发射事件数量、能量、时间、高精度定位、波速与波速差信息等因素，对巷道掘进巷道进行冲击地压和煤与瓦斯突出等灾变监测预警。

目前急需一种巷道围岩破坏声发射定位与波速成像监测及灾变预警方法，从而为巷道掘进产生的煤炮等煤岩层破坏进行定位监测及灾变预警。

发明内容

针对上述存在的技术不足，本发明提供了巷道围岩破坏声发射定位与波速成像监测及灾变预警方法，能够根据巷道掘进诱发的声发射事件定位结果、基于声发射定位的被动波速成像，建立巷道掘进过程煤岩变形破裂监测评价及灾变预警方法，定量监测巷道掘进产生的煤岩破裂时间、空间、能量、数量以及对掘进巷道发生冲击地压及煤与瓦斯突出等灾变进行预警。

本发明采用如下技术方案：

本发明提供巷道围岩破坏声发射定位与波速成像监测及灾变预警方法，具体包括以下步骤：

(a)根据掘进巷道重点监测区域及邻近巷道实际分布情况，选择合理数量的单分量和三分量声发射传感器，安装声发射数据采集仪，并且对声发射传感器空间布设进行优化设计，确定最优的声发射传感器台网布设方案；

(b)采用钻孔安装方式将声发射传感器安装在钻孔底部，钻孔由巷道内打至各个方向及掘进工作面斜前方，钻孔深度为几米至几百米，声发射传感器与孔底之间通过耦合剂进行耦合，减少噪声干扰，使传感器台网对掘进工作面前后方重点监测区域实现全方位包裹；

(c)以巷道掘进工作面中心为原点，巷道轴向为X轴，径向为Y轴，垂直方向为Z轴方向，建立声发射定位空间坐标系，准确确定各个声发射传感器的三维坐标，并利用爆破试验的主动震源来确定初始波速模型；

(d)根据步骤(c)建立的空间坐标系，对掘进巷道重点监测区域划分空间网格，将巷道围岩划分成若干边长为a的空间立方单元体，并规定该空间立方单元体为单位体积单元体；

(e)划分好空间网格后，对声发射波形数据进行连续采集，对有效声发射信号进行自动检测，并自动拾取有效声发射波形的高精度到时，利用单纯形与双差联合定位算法，对巷道围岩破裂产生的声发射震源进行预定位；

(f)根据声发射定位事件的有效波形数量N、定位误差D、事件能量E对声发射震源预定位结果进行初次筛选；

(g)根据声发射波形到时及声发射震源预定位初次筛选结果，计算理论与观测到时差方差S、单元体评估值Z及理论与观测到时序列不吻合度I，并利用以上三个参数对声发射震源预定位初次筛选结果做进一步精准筛选，得到高精度定位事件；

(h)基于高精度定位结果，可对围岩破坏产生的时间、空间、能量进行动态表征，并进一步确定围岩破坏的时空演化规律，进行危险程度预测，选择最优的防治措施；

(i)设置时间窗口T，时间窗口T的长度可根据现场实际情况合理选择，将时间窗口T内的高精度定位事件作为已知震源，进行波速成像、波速差成像，并结合掘进工作面前方超前应力分布区对单元体评估值Z再次加权；

(j)在波速成像结果的基础上，确定最大波速为V_MAX，将重点监测区域划分为波速V≥0.7×V_MAX的高波速区以及波速V＜0.7×V_MAX的低波速区两个区域；

(k)根据波速差成像结果，计算波速差变化率G，将单元体评估值Z结合应力区域加权，计算单元体区域评估值M；

(l)在波速V≥0.7×V_MAX区域，当波速差变化率G≥波速差变化率预警值G_c且单元体区域评估值M≥单元体区域评估预警值M_c时，对该区域进行高危险性灾变预警；当波速差变化率G＜波速差变化率预警值G_c且单元体区域评估值M＜单元体区域评估预警值M_c时，对该区域进行低危险性灾变预警；否则，对该区域进行中危险性灾变预警；

(m)在波速V＜0.7×V_MAX区域，当波速差变化率G≥波速差变化率预警值G_c且单元体区域评估值M≥单元体区域评估预警M_c时，对该区域进行中危险性灾变预警；否则，对该区域进行低危险性灾变预警。

优选地，所述步骤(a)中对声发射传感器空间布设进行优化设计时，采用但不限于射线理论、合成数据测试的方法；所述步骤(b)中声发射传感器安装时，通过推送杆将声发射传感器推送至钻孔孔底；所述步骤(e)采用但不限于门槛值法、长短时窗法、赤池信息准则法对有效声发射信号进行自动检测，对巷道围岩破裂产生的声发射震源进行预定位，震源定位参数包括声发射震源时间、空间坐标、能量等。

优选地，所述步骤(a)中，声发射数据采集仪安装在巷道掘进工作面后方50-100米的范围内或邻近巷道中，安装在邻近巷道中时，向邻近巷道打对穿钻孔，使数据通信电缆穿过对穿钻孔到达邻近巷道，将声发射传感器数据通信线缆与安装在邻近巷道中的声发射数据采集仪连接，巷道对穿钻孔采用PVC套管进行护孔；

声发射传感器应在空间三个方向上形成对巷道掘进工作面全包围的台网布设形态；对于巷道工作面上方的声发射传感器，至少保证有一个与工作面的距离在巷道垂向上的投影不小于50米；对于巷道工作面下方的声发射传感器，至少保证有一个与工作面的距离在巷道垂向上的投影不小于50米；对于巷道工作面前方的声发射传感器，至少保证有一个与工作面的距离在巷道轴向上的投影不小于200米；对于巷道工作面前上方的声发射传感器，至少保证有一个与工作面的距离在巷道径向上的投影不小于50米；对于掘进工作面前下方的声发射传感器，至少保证有一个与工作面的距离在巷道径向上的投影不小于50米；对于掘进工作面后方的声发射传感器，至少保证有一个与工作面的距离在巷道轴向上的投影不小于100米；对于巷道掘进工作面后上方的声发射传感器，至少保证有一个与工作面的距离在巷道径向上的投影不小于50米；对于巷道掘进工作面后下方的声发射传感器，至少保证有一个与工作面的距离在巷道径向上的投影不小于50米。

优选地，所述步骤(a)中，声发射传感器数量不小于12个，且根据声发射定位需要，在掘进巷道以及邻近巷道各布置1-2个三分量声发射传感器，通过三分量传感器利用方位角法定位，进一步提高震源定位精度。

优选地，所述步骤(b)中，在打长钻孔时，需要在掘进巷道内向掘进工作面前方、后方、顶底板方向及在邻近巷道内向掘进工作面前上方、前下方打长钻孔，并在长钻孔孔底安装声发射传感器，对长钻孔采用PVC套管进行护孔。

优选地，所述步骤(f)中，初次筛选声发射定位事件时，根据有效波形数量N、定位误差D、事件能量E及其判定条件有效波形数量N≥有效波形数量优选值N_c个、定位误差D≤定位误差优选值D_c米、事件能量E≥事件能量优选值E_c J进行筛选。

优选地，所述步骤(g)具体包括：

(1)基于初次筛选声发射定位事件，计算出其理论到时T_(u，v)与观测到时t_(u，v)的差γ_(u，v)，并且根据理论与观测到时差方差计算公式

计算理论与观测到时差方差S；筛选出理论与观测到时差方差S≤理论与观测到时差方差优选值S_c的定位事件，上述计算公式中γ_(u，v)为理论到时T_(u，v)与观测到时t_(u，v)的差，u为事件序号，v为通道序号，S为理论与观测到时差方差，N为有效波形数量；

(2)根据以上筛选的声发射定位事件，基于步骤(c)建立的声发射定位空间坐标系，将煤岩体划分为如步骤(d)所述的单位体积空间立方单元体，对声发射事件在一段时间、空间内的分布进行统计，将空间单元体内事件按能量大小分为大、中、小三级，确定事件最大能量为E_MAX，界定事件能量E≥0.6×E_MAX时，该事件为大能量事件，当0.3×E_MAX≤E＜0.6×E_MAX时，该事件为中能量事件，当E＜0.3×E_MAX时，该事件为小能量事件；

(3)根据空间单元体内事件能量大小分配权重，大能量加权系数e₁＝0.6、中能量加权系数e₂＝0.3、小能量加权系数e₃＝0.1，对单位时间单位体积单元体进行加权，计算单元体评估值

式中Z为某一单位时间单位体积单元体评估值，L_i为单位时间单位体积单元体内大、中、小各类事件的数量，e_i为能量加权系数，当单元体评估值Z≥单元体评估值优选值Z_c时，保留该单元体内事件作为优选事件，当单元体评估值Z＜单元体评估值优选值Z_c时舍弃该单元体内事件；

(4)将事件的各传感器观测到时进行排序得出观测到时序列，计算出事件的理论到时并进行排序得出理论到时序列，事件总的波形数为N_a，接着计算出理论到时序列与观测到时序列不同的个数N_y，按照公式

计算出该事件的理论与观测到时序列不吻合度I；

(5)当理论与观测到时差方差S≤理论与观测到时差方差优选值S_c、单元体评估值Z≥单元体评估值优选值Z_c、理论与观测到时序列不吻合度I≤0.2时，筛选出最优的声发射定位事件作为进行波速成像的已知震源。

优选地，所述步骤(k)具体包括：

(1)在波速成像的基础上，选择合理的时间窗口T，起始时刻t₀测得波速为v₀，时间T后时刻t₁测得波速为v₁，时间2T后时刻t₂测得波速为v₂，对相邻两个时间窗口的波速做差值计算，V_d1为v₁与v₀之差，V_d2为v₂与v₁之差，随时长依次类推，进而进行波速差成像，在两段时长皆为T的相邻时间窗口内的波速差分别为V_d1与V_d2，获得两次波速差间隔时间也为T，据公式

得出波速差变化率G，式中：G为波速差变化率，V_d1与V_d2为两段时长皆为T的相邻时间窗口内的波速差，之后判定波速差变化率G与波速差变化率预警值G_c大小，通过波速差和时间的关系对围岩应力变化和变形变化进行定量表征；

(2)将掘进工作面前方煤壁根据超前应力影响范围划分为三个区域，即卸压区A₁、应力集中区A₂、原岩应力区A₃，所述卸压区A₁半径范围为：0＜r≤R₁，应力集中区A₂半径范围为：R₁＜r≤R₂，原岩应力区A₃半径范围为R₂＜r；针对三个应力区分配权重，卸压区A₁加权系数p1＝0.3、应力集中区A₂加权系数p₂＝0.6、原岩应力区A₃加权系数p₃＝0.1，在单元体评估值Z的基础上对三个应力区域进行再次加权，根据公式

Z得出单元体区域评估值M，式中：M为单元体区域评估值，p_n为所在应力区加权系数，Z为单元体评估值；

之后判定单元体区域评估值M与单元体区域评估预警值M_c大小，结合声发射震源定位、波速成像和波速差成像结果，确定巷道围岩应力状态、变形破坏程度及其时空演化过程，对巷道掘进过程中的围岩变形破坏及灾变进行监测预警。

本发明的有益效果在于：

1、本发明中声发射传感器布置方式充分利用了掘进巷道及邻近的底板岩巷、顶板岩巷或底抽巷，并利用向煤岩层打(长)钻孔的声发射传感器安装方式，减少了随掘随移的工作量，受巷道走向倾向影响较小，能够增大传感器台网的有效覆盖面积，可实现掘进工作面前方、后方巷道围岩和顶底板破坏的高精度声发射定位，建立了能够包围巷道掘进工作面前后方围岩重点监测区域的优化的声发射传感器空间布设台网，从而为巷道围岩破坏高精度声发射震源定位以及波速成像、波速差成像奠定了优化的传感器台网基础。

2、本发明中声发射传感器安装方式采用(长)钻孔深孔安装，(长)钻孔随掘随钻，钻孔可由巷道打至各个方向及掘进煤壁前方，钻孔深度可由几米至几百米，将声发射传感器安装至钻孔孔底，有效减少了噪声干扰，传感器可以直接通过钻孔布置在煤/岩层内部。传感器布置在煤岩层中，改善了传感器与煤岩体的接触效果，能够有效屏蔽掘进工作面嘈杂的背景噪声，从而更好监测掘进过程的小能量事件，为监测到巷道掘进过程中产生的微弱声发射信号提供了保障，也实现了传感器布设对巷道掘进工作面前方应力集中区煤壁的全方位包裹。

3、本发明采用一套系统的声发射定位事件评价优选方法，能够从大量声发射定位事件中选取一定数量高精度的声发射定位事件作为被动波速成像的已知声发射震源，优选的声发射定位事件定位精度高、震级能量大，且均匀分布在整个重点监测区域，从而能够得到精度更高的被动波速成像和波速差成像结果。对巷道掘进工作面围岩变形破坏过程进行连续监测，确定掘进工作面前方煤岩体破裂空间位置，预警煤岩破裂的危险性程度。

4、本发明利用声发射震源定位对巷道掘进产生的围岩破坏时间和空间位置进行高精度定位，定量确定围岩破坏时间和空间信息。利用优选的声发射定位事件作为已知震源，对掘进工作面围岩进行被动波速成像和波速差成像监测，通过波速成像和波速差成像定量刻画巷道围岩应力状态和变形破坏情况。

5、本发明进一步进行了不同时窗(时间段)的波速差值成像，通过设置新的参数能够更加直观的观测到巷道掘进过程中围岩的波速变化情况，由于巷道围岩波速差成像对煤岩内部应力状态变化更加敏感，所以得到的巷道围岩应力变化情况对其变形和破坏监测意义更大。

6、本发明基于声发射定位与波速成像结果，考虑了区域波速大小及波速差变化率等参数，并将掘进工作面前方煤岩体划分为立方单元体，综合考虑每个单元体内在单位时间单位体积内产生的声发射事件的数量、能量及所在的应力区域来共同评估该区域在未来发生灾变的可能性，实现对掘进巷道范围内冲击地压及煤与瓦斯突出的灾变预警。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明声发射定位与波速成像联合监测方法流程图；

图2为本发明声发射传感器台网布设图；

图3为本发明网格波速成像图；

图4为本发明声发射传感器接收到时图；

图中：1-震源；2-单分量传感器；3-三分量传感器；4-掘进煤巷；5-底抽巷；6-掘进工作面；7-掘进方向；8-重点监测区域；9-传感器信号线；10-信号传输总线；11-声发射数据采集仪；12-P波射线路径；13-传感器安装钻孔；14-巷道对穿孔；15-PVC套管；16-超前应力曲线；17-空间坐标系；18-空间网格；19-波速云图；20-有效波形；21-P波到时。

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。

如图1-4所示，本实例提供一种巷道围岩破坏声发射定位与波速成像监测及灾变预警方法，具体包括以下步骤：

(a)如图2所示，根据矿山实际生产需要掘进煤巷，沿掘进方向7掘进煤巷，并以掘进工作面6周围椭圆区域8为重点监测区域建立声发射传感器台网，台网布设区域大致为掘进工作面前方235米、掘进工作面后方120米、掘进工作面上方58米、掘进工作面下方55米的范围内；

声发射传感器包括单分量传感器2及三分量传感器3，声发射传感器应在空间三个方向上形成对巷道掘进工作面全包围的台网布设形态，使声发射传感器对震源1及其他震源形成足够密度的P波射线路径12；

对于巷道工作面上方的声发射传感器，至少保证有一个与工作面的距离在巷道垂向上的投影不小于50米；对于巷道工作面下方的声发射传感器，至少保证有一个与工作面的距离在巷道垂向上的投影不小于50米；对于巷道工作面前方的声发射传感器，至少保证有一个与工作面的距离在巷道轴向上的投影不小于200米；对于巷道工作面前上方的声发射传感器，至少保证有一个与工作面的距离在巷道径向上的投影不小于50米；对于掘进工作面前下方的声发射传感器，至少保证有一个与工作面的距离在巷道径向上的投影不小于50米；对于掘进工作面后方的声发射传感器，至少保证有一个与工作面的距离在巷道轴向上的投影不小于100米；对于巷道掘进工作面后上方的声发射传感器，至少保证有一个与工作面的距离在巷道径向上的投影不小于50米；对于巷道掘进工作面后下方的声发射传感器，至少保证有一个与工作面的距离在巷道径向上的投影不小于50米；

如图2所示，现场采用24通道声发射数据采集仪，声发射数据采集仪采样频率为1KHz-2MHz，共布设12个单分量传感器2和4个三分量声感器3，利用掘进煤4下方已经形成的底抽巷5，安装声发射数据采集11，通过向下方的底抽巷5打巷道对穿孔14，使信号传输总线10穿过巷道对穿孔14到达底抽巷5，将声发射信号传输总线10与安装在底抽巷5中的数据采集仪11连接，巷道对穿孔14采用PVC套管15进行护孔，并且采用射线理论和合成数据测试方法，对声发射传感器空间布设进行了优化设计，确定出最优的声发射传感器台网布设方案。

(b)在掘进巷道4和底抽巷5内向四周围岩打传感器安装钻孔13安装声发射传感器，采用(长)钻孔安装方式将声发射传感器安装在钻孔底部，需要在掘进巷道4内向掘进工作面6前方、后方、顶底板方向及底抽巷5内向掘进工作面6前上方、前下方打长钻孔，并在长钻孔孔底安装声发射传感器，对长钻孔采用PVC套管15进行护孔，钻孔深度由几米至几百米，通过推送杆将声发射传感器推送至钻孔孔底，并由传感器信号线9将声发射传感器与信号传输总线10相连，声发射传感器与孔底之间通过腻子粉耦合剂进行耦合，使传感器台网对该掘进工作面6前后方重点监测区域8实现全方位包裹。

(c)如图3，以巷道掘进工作面，中心为原点，巷道轴向为X轴，径向为Y轴，垂直方向为Z轴方向，建立声发射定位空间坐标系17，准确确定各个声发射传感器的三维坐标，并在现场利用爆破试验来确定实际初始波速模型为2500-4500m/s。

(d)如图3，根据以巷道掘进工作面中心为原点建立的空间坐标系17，将掘进巷道重点监测区域划分空间网格18，将巷道围岩划分成若干边长为10米的空间立方单元体，并规定该空间立方单元体为单位体积单元体。

(e)如图4，同时采用门槛值法、长短时窗法及赤池信息准则法等方法，对有效声发射信号进行自动检测，并自动拾取有效声发射波形20的高精度P波到时21，利用单纯形与双差联合定位算法，对掘进工作面巷道围岩破裂产生的声发射震源进行预定位。

(f)现场24h内掘进工作面前方围岩共监测到105个能量较高的声发射事件，根据得到的声发射定位事件有效波形数量N、定位误差D、事件能量E，对声发射震源预定位结果进行初次筛选，其筛选条件为：N≥Nc个、D≤Dc米、E≥E_c J(N_c＝8、D_c＝1、E_c＝10³)，经过初次筛选得到54个声发射定位事件。

(g)再根据声发射波形到时及声发射震源预定位初次筛选结果，计算声发射事件的理论与观测到时差方差S、单元体评估值Z及理论与观测到时序列不吻合度I；

基于初次筛选的54个声发射定位事件，计算出各事件理论到时T_(u，v)与观测到时t_(u，v)的差γ_(u，v)，并且根据理论与观测到时差方差计算公式

计算这54个声发射事件的理论与观测到时差方差S，筛选出S≤S_c(S_c＝10^-4s)的定位事件为43个；

基于之前建立声发射定位空间坐标系17，将煤岩体划分为单位体积立方单元体，对声发射事件在一段时间内空间内的分布进行统计，筛选出的43个声发射事件分布在掘进工作面周围的重点监测区域内，对43个声发射事件进行再次筛选；

在掘进巷道重点监测区域划分好的空间网格内，以掘进工作面正前方某一空间单元体为例，将该空间单元体内的事件按能量大小分为大、中、小三级，确定事件最大能量E_MAX为8.70×10⁶J，则界定事件能量E＜2.61×10⁶J时，该事件为小能量事件，当2.61×10⁶J≤E＜5.22×10⁶J时，该事件为中能量事件，当E≥5.22×10⁶J时，该事件为大能量事件，该单元体内共筛选出13个声发射事件，该单元体内大能量事件1个、中能量事件1个、小能量事件11个，并对其分配权重，大能量加权系数e₁＝0.6、中能量加权系数e₂＝0.3、小能量加权系数e₃＝0.1，对单元体进行加权，根据公式计算得出该空间立方单元体的评估值为

故Z≥Z_c(Z_c＝1)保留该单元体内事件作为优选事件。

依次计算重点监测区域内所有空间单元体的单元体评估值Z，并进行筛选保留Z≥Z_c的单元体内事件，舍弃Z＜Z_c的空间单元体内事件，最终得到34个筛选后的声发射事件。

对所有选出事件的各传感器观测到时进行排序得出观测到时序列，计算出事件的理论到时并进行排序得出理论到时序列，事件总的波形数为N_a，接着计算出理论到时序列与观测到时序列不同的个数N_y，按照公式

计算出该事件的理论与观测到时序列不吻合度I。

如图4，某一事件总的波形数N_a为10个，理论到时序列与观测到时序列不同的个数N_y为3个，按照公式

计算出该事件的理论与观测到时序列不吻合度I为0.3，不满足理论与观测到时序列不吻合度I≤0.2的条件，故舍弃该事件。

依次计算34个声发射事件的理论与观测到时序列不吻合度I，舍弃12个I≤0.2的声发射事件，最终得到28个声发射优选事件。

利用理论与观测到时差方差S、单元体评估值Z及理论与观测到时序列不吻合度I，对声发射震源预定位初次筛选结果进一步精准筛选，当理论与观测到时差方差S≤10^-4s、单元体评估值Z≥1、理论与观测到时序列不吻合度I≤0.2时，筛选出最优声发射定位事件28个。将以上优选得到28个高精度定位事件作为进行波速成像的已知震源。

(h)基于高精度定位事件，对围岩破坏的时间、空间位置、能量进行动态表征，并进一步确定围岩破坏的时空演化规律。

(i)根据现场实际情况设置时间窗口为24h，将时间窗口内的高精度定位事件作为已知震源，之后进行波速成像、波速差成像，并结合超前应力曲线16划分的应力区域，分配权值。

(j)如图3，将优选的声发射定位事件作为已知震源，对巷道掘进工作面附近围岩进行声发射波速成像形成波速云图19，根据波速成像结果，确定最大波速V_MAX为4500m/s，根据波速大小将重点监测区域划分为波速V＜3010m/s的低波速区和V≥3010m/s的高波速区，之后综合波速差变化率G和单元体区域评估值M对围岩应力状态和变形破坏状态进行定量评价。

(k)根据波速差成像结果，计算波速差变化率G，结合应力区域加权，计算单元体区域评估值M；

在某一波速区域内基于波速成像，选择合理的时间窗口时长为24h，起始时刻t₀测得波速为3100m/s，24h后时刻t₁测得波速为3300m/s，48h后时刻t₂测得波速为4500m/s，对相邻两个时间窗口的波速做差值计算，V_d1＝3300-3100＝200m/s，V_d2＝4500-3300＝1200m/s，则两相邻时间窗口内的波速差分别为200m/s与1200m/s，获得两次波速差间隔时间为24h，据公式

得出波速差变化率G为1.16×10^-2m/s²，之后依次判定各波速区域的G与G_c大小，G_c为1×10^-2m/s²。

其次，将掘进工作面前方煤壁根据超前应力影响范围划分为三个区域，即卸压区A₁(半径：0m＜r≤10m)、应力集中区A₂(半径：10m＜r≤20m)及原岩应力区A₃(半径：20m＜r)，针对三个应力区分配权重，卸压区A₁加权系数p₁＝0.3、应力集中区A₂加权系数p₂＝0.6、原岩应力区A₃加权系数p₃＝0.1；

上述的步骤g中，以掘进工作面前方的某一单元体为例，在该单元体评估值Z的基础上对所在应力区域进行加权，根据公式

得出该单元体区域评估值M为0.6，该区域单元体区域评估值M≥M_c(M_c＝0.5)。

根据以上方法依次计算出每个立方单元体的单元体区域评估值M。

(l)在波速V≥3010m/s区域，当波速差变化率G≥1×10^-2m/s²且单元体区域评估值M≥0.5时，对该区域进行高危险性灾变预警；当波速差变化率G＜1×10^-2m/s²且单元体区域评估值M＜0.5时，对该区域进行低危险性灾变预警；否则，对该区域进行中危险性灾变预警。

以上述步骤k中的空间单元体为例，得出该空间单元体在波速V≥3010m/s区域，波速差变化率G≥1×10^-2m/s²且单元体区域评估值M≥0.5，需要对步骤k中所选区域进行高危险性灾变预警。

(m)在波速V＜3010m/s区域，当波速差变化率G≥1×10^-2m/s²且单元体区域评估值M≥0.5时，对该区域进行中危险性灾变预警；否则，对该区域进行低危险性灾变预警。

根据以上步骤判别掘进工作面重点监测区域内所有空间单元体所在波速区域、波速差变化率G及单元体区域评估值M，对所有区域进行危险性评价。

最终，结合高精度声发射定位、波速成像及波速差成像结果，对巷道掘进工作面围岩变形破坏过程进行连续监测，综合围岩破裂产生的时间、空间、能量、数量及所在应力区进行危险评价，可实现对该条掘进巷道围岩变形破坏及灾变进行监测预警。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (8)

1.巷道围岩破坏声发射定位与波速成像监测及灾变预警方法，其特征在于：具体包括以下步骤：

(a)根据掘进巷道重点监测区域及邻近巷道实际分布情况，选择合理数量的单分量和三分量声发射传感器，安装声发射数据采集仪，并且对声发射传感器空间布设进行优化设计，确定最优的声发射传感器台网布设方案；

(b)采用钻孔安装方式将声发射传感器安装在钻孔底部，钻孔由巷道内打至各个方向及掘进工作面斜前方，钻孔深度为几米至几百米，声发射传感器与孔底之间通过耦合剂进行耦合，减少噪声干扰，使传感器台网对掘进工作面前后方重点监测区域实现全方位包裹；

(c)以巷道掘进工作面中心为原点，巷道轴向为X轴，径向为Y轴，垂直方向为Z轴方向，建立声发射定位空间坐标系，准确确定各个声发射传感器的三维坐标，并利用爆破试验的主动震源来确定初始波速模型；

(d)根据步骤(c)建立的空间坐标系，对掘进巷道重点监测区域划分空间网格，将巷道围岩划分成若干边长为a米的空间立方单元体，并规定该空间立方单元体为单位体积单元体；

(e)划分好空间网格后，对声发射波形数据进行连续采集，对有效声发射信号进行自动检测，并自动拾取有效声发射波形的纵波高精度到时，即P波高精度到时，利用单纯形与双差联合定位算法，对巷道围岩破裂产生的声发射震源进行预定位；

(f)根据声发射定位事件的有效波形数量N、定位误差D、事件能量E对声发射震源预定位结果进行初次筛选；

(g)根据声发射波形到时及声发射震源预定位初次筛选结果，计算理论与观测到时差方差S、单元体评估值Z及理论与观测到时序列不吻合度I，并利用以上三个参数对声发射震源预定位初次筛选结果做进一步精准筛选，得到高精度定位事件；

(h)基于高精度定位结果，可对围岩破坏产生的时间、空间、能量进行动态表征，并进一步确定围岩破坏的时空演化规律，进行危险程度预测，选择最优的防治措施；

(i)设置时间窗口T，时间窗口T的长度可根据现场实际情况合理选择，将时间窗口T内的高精度定位事件作为已知震源，进行波速成像、波速差成像，并结合掘进工作面前方超前应力分布区对单元体评估值Z再次加权；

(j)在波速成像结果的基础上，确定最大波速为V_MAX，将重点监测区域划分为波速V≥0.7×V_MAX的高波速区以及波速V＜0.7×V_MAX的低波速区两个区域；

(k)根据波速差成像结果，计算波速差变化率G，并将单元体评估值Z结合所在应力区域加权，计算单元体区域评估值M；

(l)在波速V≥0.7×V_MAX区域，当波速差变化率G≥波速差变化率预警值G_c且单元体区域评估值M≥单元体区域评估预警值M_c时，对该区域进行高危险性灾变预警；当波速差变化率G＜波速差变化率预警值G_c且单元体区域评估值M＜单元体区域评估预警值M_c时，对该区域进行低危险性灾变预警；否则，对该区域进行中危险性灾变预警；

(m)在波速V＜0.7×V_MAX区域，当波速差变化率G≥波速差变化率预警值G_c且单元体区域评估值M≥单元体区域评估预警M_c时，对该区域进行中危险性灾变预警；否则，对该区域进行低危险性灾变预警。

2.如权利要求1所述的巷道围岩破坏声发射定位与波速成像监测及灾变预警方法，其特征在于：所述步骤(a)中对声发射传感器空间布设进行优化设计时采用射线理论或合成数据测试的方法；所述步骤(b)中声发射传感器安装时，通过推送杆将声发射传感器推送至钻孔孔底；所述步骤(e)采用门槛值法、长短时窗法或赤池信息准则法对有效声发射信号进行自动检测，对巷道围岩破裂产生的声发射震源进行预定位，震源定位参数包括声发射震源时间、空间坐标以及能量。

3.如权利要求1所述的巷道围岩破坏声发射定位与波速成像监测及灾变预警方法，其特征在于：所述步骤(a)中，声发射数据采集仪安装在巷道掘进工作面后方50-100米的范围内或邻近巷道中，安装在邻近巷道中时，向邻近巷道打对穿钻孔，使数据通信电缆穿过对穿钻孔到达邻近巷道，将声发射传感器数据通信线缆与安装在邻近巷道中的声发射数据采集仪连接，巷道对穿钻孔采用PVC套管进行护孔；

声发射传感器应在空间三个方向上形成对巷道掘进工作面全包围的台网布设形态；对于巷道工作面上方的声发射传感器，至少保证有一个与工作面的距离在巷道垂向上的投影不小于50米；对于巷道工作面下方的声发射传感器，至少保证有一个与工作面的距离在巷道垂向上的投影不小于50米；对于巷道工作面前方的声发射传感器，至少保证有一个与工作面的距离在巷道轴向上的投影不小于200米；对于巷道工作面前上方的声发射传感器，至少保证有一个与工作面的距离在巷道径向上的投影不小于50米；对于掘进工作面前下方的声发射传感器，至少保证有一个与工作面的距离在巷道径向上的投影不小于50米；对于掘进工作面后方的声发射传感器，至少保证有一个与工作面的距离在巷道轴向上的投影不小于100米；对于巷道掘进工作面后上方的声发射传感器，至少保证有一个与工作面的距离在巷道径向上的投影不小于50米；对于巷道掘进工作面后下方的声发射传感器，至少保证有一个与工作面的距离在巷道径向上的投影不小于50米。

4.如权利要求1所述的巷道围岩破坏声发射定位与波速成像监测及灾变预警方法，其特征在于：所述步骤(a)中，声发射传感器数量不小于12个，且根据声发射定位需要，在掘进巷道以及邻近巷道各布置1-2个三分量声发射传感器，通过三分量传感器利用方位角法定位，进一步提高震源定位精度。

5.如权利要求1所述的巷道围岩破坏声发射定位与波速成像监测及灾变预警方法，其特征在于：所述步骤(b)中，在打长钻孔时，需要在掘进巷道内向掘进工作面前方、后方、顶底板方向及在邻近巷道内向掘进工作面前上方、前下方打长钻孔，并在长钻孔孔底安装声发射传感器，对长钻孔采用PVC套管进行护孔。

6.如权利要求1所述的巷道围岩破坏声发射定位与波速成像监测及灾变预警方法，其特征在于：所述步骤(f)中，初次筛选声发射定位事件时，根据有效波形数量N、定位误差D、事件能量E及其判定条件有效波形数量N≥有效波形数量优选值N_c个、定位误差D≤定位误差优选值D_c米、事件能量E≥事件能量优选值E_cJ进行筛选。

7.如权利要求1所述的巷道围岩破坏声发射定位与波速成像监测及灾变预警方法，其特征在于：所述步骤(g)具体包括：

(1)基于初次筛选声发射定位事件，计算出其理论到时T_(u，v)与观测到时t_(u，v)的差γ_(u，v)，并且根据理论与观测到时差方差计算公式

计算理论与观测到时差方差S；筛选出理论与观测到时差方差S≤理论与观测到时差方差优选值S_c的定位事件，上述计算公式中γ_(u，v)为理论到时T_(u，v)与观测到时t_(u，v)的差，u为事件序号，v为通道序号，S为理论与观测到时差方差，N为有效波形数量；

(2)根据以上筛选的声发射定位事件，基于步骤(c)建立的声发射定位空间坐标系，将煤岩体划分为如步骤(d)所述的单位体积空间立方单元体，对声发射事件在一段时间、空间内的分布进行统计，将空间立方单元体内的事件按能量大小分为大、中、小三级，确定事件最大能量为E_MAX，界定事件能量E≥0.6×E_MAX时，该事件为大能量事件，当0.3×E_MAX≤E＜0.6×E_MAX时，该事件为中能量事件，当E＜0.3×E_MAX时，该事件为小能量事件；

(3)根据空间立方单元体内事件能量大小分配权重，大能量加权系数e₁＝0.6、中能量加权系数e₂＝0.3、小能量加权系数e₃＝0.1，对单位时间单位体积单元体进行加权，计算单元体评估值

式中Z为某一单位时间单位体积单元体评估值，L_i为单位时间单位体积单元体内大、中、小各类事件的数量，e_i为能量加权系数，当单元体评估值Z≥单元体评估值优选值Z_c时保留该单元体内事件作为优选事件，当单元体评估值Z＜单元体评估值优选值Z_c时舍弃该单元体内事件；

(4)将事件的各传感器观测到时进行排序得出观测到时序列，接着计算出事件的理论到时并进行排序得出理论到时序列，事件总的波形数为N_a，接着计算出理论到时序列与观测到时序列不同的个数N_y，按照公式

计算出该事件的理论与观测到时序列不吻合度I；

(5)当理论与观测到时差方差S≤理论与观测到时差方差优选值S_c、单元体评估值Z≥单元体评估值优选值Z_c、理论与观测到时序列不吻合度I≤0.2时，筛选出最优的声发射定位事件作为进行波速成像的已知震源。

8.如权利要求7所述的巷道围岩破坏声发射定位与波速成像监测及灾变预警方法，其特征在于：所述步骤(k)具体包括：

(1)在波速成像的基础上，选择合理的时间窗口T，起始时刻t₀测得波速为v₀，时间T后时刻t₁测得波速为v₁，时间2T后时刻t₂测得波速为v₂，对相邻两个时间窗口的波速做差值计算，V_d1为v₁与v₀之差，V_d2为v₂与v₁之差，随时长依次类推，进而进行波速差成像，在两段时长皆为T的相邻时间窗口内的波速差分别为V_d1与V_d2，获得两次波速差间隔时间也为T，据公式

得出波速差变化率G，式中：G为波速差变化率，V_d1与V_d2为两段时长皆为T的相邻时间窗口内的波速差，之后判定波速差变化率G与波速差变化率预警值G_c大小，通过波速差和时间的关系对围岩应力变化和变形变化进行定量表征；

(2)将掘进工作面前方煤壁根据超前应力影响范围划分为三个区域，即卸压区A₁、应力集中区A₂、原岩应力区A₃，所述卸压区A₁半径范围为：0＜r≤R₁，应力集中区A₂半径范围为：R₁＜r≤R₂，原岩应力区A₃半径范围为R₂＜r；针对三个应力区分配权重，卸压区A₁加权系数p₁＝0.3、应力集中区A₂加权系数p₂＝0.6、原岩应力区A₃加权系数p₃＝0.1，在单元体评估值Z的基础上对三个应力区域进行再次加权，根据公式

Z得出单元体区域评估值M，式中：M为单元体区域评估值，p_n为所在应力区加权系数，Z为单元体评估值；

之后判定单元体区域评估值M与单元体区域评估预警值M_c大小，结合声发射震源定位、波速成像和波速差成像结果，确定巷道围岩应力状态、变形破坏程度及其时空演化过程，对巷道掘进过程中的围岩变形破坏及灾变进行监测预警。

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