CN113985482B - 基于煤矿井下通讯光缆的矿震震源定位方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及矿震震源定位技术领域，公开了基于煤矿井下通讯光缆的矿震震源定位方法，包括以下步骤：采用矿井下通讯光缆为载体，在地面上将通讯光缆的一端与激光器连接，将通讯光缆的另一端与波分复用器连接，波分复用器的一端连接有偏振测量仪；通过控制激光器对通讯光缆发出具有偏振态的光信号，通讯光缆另一端的偏振测量仪对接收到的光信号进行解调，以获得通讯光缆上所有测点的第一斯托克斯参量s1的峰值Δs1max。本发明利用光纤偏振信息进行传感，创新性的利用煤矿井下既有的矿用通讯光缆替代价格昂贵、铺设困难的专用的应变传感光缆，可以有效解决煤矿现有微震监测系统布置位置单一、传感器覆盖范围小、监测范围有限等问题。

Description

基于煤矿井下通讯光缆的矿震震源定位方法
技术领域
本发明涉及矿震震源定位技术领域，特别涉及基于煤矿井下通讯光缆的矿震震源定位方法。
背景技术
随着国家大力推动“互联网+”的行业解决方案，以及智慧化矿山的建设热潮，使得越来越多的先进智能设备及装置应用到煤矿井下，来满足不断增长的矿山安全监测需求，解决煤矿现有监测系统抗灾能力差、安装不便、监测范围小等问题，提高煤矿的安全生产和安全监测水平。特别是对于传统的矿震监测系统来说，微震传感器探头和数据采集主机采用有线连接，一般只能采集8到12通道的同一类传感数据，这种的方式不仅仅限制了采集传感器的种类，也限制了采集的数量，导致监测范围有限，监测精度难以提升的困境。
矿震是由采矿诱发的矿井地震，矿震发生时井下围岩迅速释放能量，往往造成井下巷道或采掘工作面突然破坏、地面震动、房屋损坏等，严重时造成人员伤亡，随着我国煤矿开采深度增加，矿震事故频发，严重威胁着我国煤矿的安全生产。目前矿震监测主要是由井下专业的微震监测系统来完成，矿震发生时，震动波检测台站将监测到的震动波数据记录发送至地面监测系统，通过提取矿震波信息计算得到发送的时间、地点和能量大小。现有矿震监测设备，设备价格昂贵，机构复杂，每个矿井布点很少，造成网络覆盖面积小，存在大量的监测盲区，难以及时、准确的进行监测定位并达到有效预警目的，为此，我们提出基于煤矿井下通讯光缆的矿震震源定位方法。
发明内容
本发明的主要目的在于提供基于煤矿井下通讯光缆的矿震震源定位方法，可以有效解决背景技术中传统的矿震监测系统微震传感器探头和数据采集主机采用有线连接，一般只能采集8到12通道的同一类传感数据，限制了采集传感器的种类，也限制了采集的数量，导致监测范围有限，监测精度难以提升的困境，同时现有矿震监测设备，设备价格昂贵，机构复杂，每个矿井布点很少，造成网络覆盖面积小，存在大量的监测盲区，难以及时、准确的进行监测定位并达到有效预警目的的问题。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：
基于煤矿井下通讯光缆的矿震震源定位方法，包括以下步骤：
步骤一：采用矿井下通讯光缆为载体，在地面上将通讯光缆的一端与激光器连接，将通讯光缆的另一端与波分复用器连接，波分复用器的一端连接有偏振测量仪；
步骤二：通过控制激光器对通讯光缆发出具有偏振态的光信号，通讯光缆另一端的偏振测量仪对接收到的光信号进行解调，以获得通讯光缆上所有测点的第一斯托克斯参量s1的峰值Δs1max；
步骤三：对第一斯托克斯参量s1的峰值进行反演分析，利用通讯光缆的第一斯托克斯参量s1获得通讯光缆变形量，感知矿震所引起的光缆形变量Δx，其中，光缆形变量公式为：
式中，Δx为通讯光缆某一测点位置处光缆形变量；D光缆直径；a为光缆受力形变导致的折射率变化系数，矿用通讯光缆一般取0.11×1012；Δs1max1为第一斯托克斯参量s1的峰值变化量，由偏振仪测得；K为Δs1max与矿用光缆形变量的灵敏度系数，可以由室内试验测得；
步骤四：为了区分井下矿震引起的光缆变形和其他因素引起的光缆变形，将Δx≥1mm设置为判别条件，当Δx≥1mm时，认为是矿震引起光缆变形；
步骤五：按照上述方法对通讯光缆进行实时监测，当发生矿震时，测量获得通讯光缆上所有测量点的第一斯托克斯参量s1的峰值，对于测量点峰值频率进行分析计算，获得所有测量点的位移，当Δx≥1mm时，将这些测量点的位置及测量点监测到时直接上传至云端服务器进行分析处理，通过空间定位算法实现矿震震源定位；
步骤六：首先选取4个符合条件的测点为一个参考平面，在参考平面上将4个测点命名为：A、B、C、D，其中三角形的AB、AC边长分别为LAB＝a，LAC＝b，假设AB与AC垂直，D为AB中点，并选取A为空间直角坐标原点，震源位置为点P(x，y，z)，P点到A、B、C、D四点的距离分别为Ra、Rb、Rc和Rd；
步骤七：当矿震在P点产生应力波引发的岩层变形进而作用到光缆上压力F致使光缆发生形变，通过偏振检测仪和矿震震源定位算法判别出符合条件的测量点，选取其中4个测点发生变形的时刻分别为ta，tb，tc和td，则4个点到震源P的距离有如下关系，
式中：t1＝ta-tb；t2＝ta-tc；t3＝ta-td；
结合式(2)、式(3)可得式(4)：
令Ra-Rb＝R1，Ra-Rd＝R2，得到Ra的一元一次方程：
可以求出Ra的值，代入到式(1)得到Rb和Rc的值，进而根据P点坐标得方程组：
由此可以得到震源P点的坐标；
步骤八：重复步骤四、步骤五、步骤六与步骤七，通过对多组符合要求的测量点进行反演，获得到更精确的矿震震源位置。
进一步的，步骤三中所述Δs1max与通讯光缆受力大小呈线性关系，一般为9×103，而通讯光缆受力大小与煤矿井下悬挂的矿用光缆存在一定的关系，其中矿用光缆受到一定的预紧力为σ，其次当矿震引发的岩层变形进而作用到光缆上压力F致使光缆发生形变，引起光缆的弯矩M发生变化。
进一步的，步骤三中所述光缆形变量Δx与光缆作用力之间关系可以由室内试验测试得出，对光缆施加恒定的力，然后记录其形变量变化，光缆受力与光缆型变量的分布曲线的斜率的倒数再乘以9×103即为Δs1max与矿用光缆形变量的灵敏度系数K。
进一步的，步骤四中由于考虑测量时间和测量精度的平衡，一般偏振测量仪的空间分辨率为1m，采样间隔为0.05m，也就是说对于50km长的通讯光缆，它具有1000000个测量点。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
利用光纤偏振信息进行传感，创新性的利用煤矿井下既有的矿用通讯光缆替代价格昂贵、铺设困难的专用的应变传感光缆，可以有效解决煤矿现有微震监测系统布置位置单一、传感器覆盖范围小、监测范围有限等问题，同时研发煤矿环境下高效精确的定位算法，对通讯光缆偏振态信号进行反演处理，以实现煤矿井下实时监测并精确定位震源，并且系统中使用到的都是高性价比、通用性较强的技术平台和设备，与现有的百万级矿震监测系统相比，价格上有显著优势。同时利用井下既有的矿用通讯光缆替代价格昂贵、铺设困难的专用的应变传感光缆，使得监测覆盖范围更大，更适用于全矿井范围的震源监测及定位，具有实时监测、全范围立体监测、空间定位、全数字化数据采集、存储和处理、远程监测和信息远传输送以及多用户计算机可视化监控与分析的特点。在煤矿井下中，通讯光缆不像地面上那样易受影响，使得基于偏振态的检测方式成为高效低成本的震源定位及监测预警方法。及时准确的获取，传递并传播预警信息，在减灾过程中，具有决定性作用。成功在不额外增加通信负担的前提下，通过测量光信号的偏振态，首次将传统通信光纤变为“震源监测定位网络”，实现了震源信号和定位信息的光速传递，为自救避难争取了宝贵时间。可以在不影响井下光缆通信功能的情况下，实现对煤矿井下矿震的探测定位，且不会对通信系统增加额外负载。
附图说明
图1为本发明基于煤矿井下通讯光缆的矿震震源定位方法的激光器、通讯光缆、波分复用器与偏振测量仪的连接结构示意图。
图2为本发明基于煤矿井下通讯光缆的矿震震源定位方法的矿井内部通讯光缆分布布置图。
图3为本发明基于煤矿井下通讯光缆的矿震震源定位方法中选取的4个符合条件的测点的参考平面坐标轴。
图4为本发明基于煤矿井下通讯光缆的矿震震源定位方法的通讯光缆受力大小线性图。
图中：1、激光器；2、通讯光缆；3、波分复用器；4、偏振测量仪。
具体实施方式
为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。
如图1-4所示，基于煤矿井下通讯光缆的矿震震源定位方法，包括以下步骤：
步骤一：采用矿井下通讯光缆2为载体，在地面上将通讯光缆2的一端与激光器1连接，将通讯光缆2的另一端与波分复用器3连接，波分复用器3的一端连接有偏振测量仪4；
步骤二：通过控制激光器1对通讯光缆2发出具有偏振态的光信号，通讯光缆2另一端的偏振测量仪4对接收到的光信号进行解调，以获得通讯光缆2上所有测点的第一斯托克斯参量s1的峰值Δs1max；
步骤三：对第一斯托克斯参量s1的峰值进行反演分析，利用通讯光缆2的第一斯托克斯参量s1获得通讯光缆2变形量，感知矿震所引起的光缆形变量Δx，其中，光缆形变量公式为：
式中，Δx为通讯光缆2某一测点位置处光缆形变量；D光缆直径；a为光缆受力形变导致的折射率变化系数，矿用通讯光缆2一般取0.11×1012；Δs1max为第一斯托克斯参量s1的峰值变化量，由偏振仪测得；K为Δs1max与矿用光缆形变量的灵敏度系数，可以由室内试验测得；
步骤四：为了区分井下矿震引起的光缆变形和其他因素引起的光缆变形，将Δx≥1mm设置为判别条件，当Δx≥1mm时，认为是矿震引起光缆变形；由于考虑测量时间和测量精度的平衡，一般偏振测量仪4的空间分辨率为1m，采样间隔为0.05m，也就是说对于50km长的通讯光缆2，它具有1000000个测量点；
步骤五：按照上述方法对通讯光缆2进行实时监测，当发生矿震时，测量获得通讯光缆2上所有测量点的第一斯托克斯参量s1的峰值，对于测量点峰值频率进行分析计算，获得所有测量点的位移，当Δx≥1mm时，将这些测量点的位置及测量点监测到时直接上传至云端服务器进行分析处理，通过空间定位算法实现矿震震源定位；
步骤六：首先选取4个符合条件的测点为一个参考平面，在参考平面上将4个测点命名为：A、B、C、D，其中三角形的AB、AC边长分别为LAB＝a，LAC＝b，假设AB与AC垂直，D为AB中点，并选取A为空间直角坐标原点，震源位置为点P(x，y，z)，P点到A、B、C、D四点的距离分别为Ra、Rb、Rc和Rd；
步骤七：当矿震在P点产生应力波引发的岩层变形进而作用到光缆上压力F致使光缆发生形变，通过偏振检测仪和矿震震源定位算法判别出符合条件的测量点，选取其中4个测点发生变形的时刻分别为ta，tb，tc和td，则4个点到震源P的距离有如下关系，
式中：t1＝ta-tb；t2＝ta-tc；t3＝ta-td；
结合式(2)、式(3)可得式(4)：
令Ra-Rb＝R1，Ra-Rd＝R2，得到Ra的一元一次方程：
可以求出Ra的值，代入到式(1)得到Rb和Rc的值，进而根据P点坐标得方程组：
由此可以得到震源P点的坐标；
步骤八：重复步骤四、步骤五、步骤六与步骤七，通过对多组符合要求的测量点进行反演，获得到更精确的矿震震源位置。
如图4所示，Δs1max与通讯光缆2受力大小呈线性关系，一般为9×103，而通讯光缆2受力大小与煤矿井下悬挂的矿用光缆存在一定的关系，其中矿用光缆受到一定的预紧力为σ，其次当矿震引发的岩层变形进而作用到光缆上压力F致使光缆发生形变，引起光缆的弯矩M发生变化；
光缆形变量Δx与光缆作用力之间关系可以由室内试验测试得出，对光缆施加恒定的力，然后记录其形变量变化，光缆受力与光缆型变量的分布曲线的斜率的倒数再乘以9×103即为Δs1max与矿用光缆形变量的灵敏度系数K。
需要说明的是，本发明为基于煤矿井下通讯光缆2的矿震震源定位方法，在使用时，现在矿井运输巷内构建如图1所示的检测系统，包括激光器1和偏振测量仪4，激光器1安装在通讯光缆2一端，通讯光缆2的另一端安装有波分复用器3，偏振测量仪4安装在波分复用器3的一端，其中激光器1实时发出具有偏振态的光信号到通讯光缆2内，通讯光缆2另一端输出光信号到偏振测量仪4；本发明利用光纤偏振信息进行传感，创新性的利用煤矿井下既有的矿用通讯光缆2替代价格昂贵、铺设困难的专用的应变传感光缆，可以有效解决煤矿现有微震监测系统布置位置单一、传感器覆盖范围小、监测范围有限等问题。
本发明采用矿井下通讯光缆2为载体，在地面上将通讯光缆2的一端与激光器1连接，将通讯光缆2的另一端与波分复用器3连接，波分复用器3的一端连接有偏振测量仪4；通过控制激光器1对通讯光缆2发出具有偏振态的光信号，通讯光缆2另一端的偏振测量仪4对接收到的光信号进行解调，以获得通讯光缆2上所有测点的第一斯托克斯参量s1的峰值Δs1max；然后对第一斯托克斯参量s1的峰值进行反演分析，利用通讯光缆2的第一斯托克斯参量s1获得通讯光缆2变形量，感知矿震所引起的光缆形变量Δx，其中，光缆形变量公式为：式中，Δx为通讯光缆2某一测点位置处光缆形变量；D光缆直径；a为光缆受力形变导致的折射率变化系数，矿用通讯光缆2一般取0.11×1012；Δs1max为第一斯托克斯参量s1的峰值变化量，由偏振仪测得；K为Δs1max与矿用光缆形变量的灵敏度系数，可以由室内试验测得；为了区分井下矿震引起的光缆变形和其他因素引起的光缆变形，将Δx≥1mm设置为判别条件，当Δx≥1mm时，认为是矿震引起光缆变形；由于考虑测量时间和测量精度的平衡，一般偏振测量仪4的空间分辨率为1m，采样间隔为0.05m，也就是说对于50km长的通讯光缆2，它具有1000000个测量点；按照上述方法对通讯光缆2进行实时监测，当发生矿震时，测量获得通讯光缆2上所有测量点的第一斯托克斯参量s1的峰值，对于测量点峰值频率进行分析计算，获得所有测量点的位移，当Δx≥1mm时，将这些测量点的位置及测量点监测到时直接上传至云端服务器进行分析处理，通过空间定位算法实现矿震震源定位；如图3所示，首先选取4个符合条件的测点为一个参考平面，在参考平面上将4个测点命名为：A、B、C、D，其中三角形的AB、AC边长分别为LAB＝a，LAC＝b，假设AB与AC垂直，D为AB中点，并选取A为空间直角坐标原点，震源位置为点P(x，y，z)，P点到A、B、C、D四点的距离分别为Ra、Rb、Rc和Rd；当矿震在P点产生应力波引发的岩层变形进而作用到光缆上压力F致使光缆发生形变，通过偏振检测仪和矿震震源定位算法判别出符合条件的测量点，选取其中4个测点发生变形的时刻分别为ta，tb，tc和td，则4个点到震源P的距离有如下关系，
式中：t1＝ta-tb；t2＝ta-tc；t3＝ta-td；
结合式(2)、式(3)可得式(4)：
令Ra-Rb＝R1，Ra-Rd＝R2，得到Ra的一元一次方程：
[(2Ra-R1)2-a2]×[a2-R1 2]＝4[(2Ra-R2)2-a2/4]×[a2/4-R2 2] (5)
可以求出Ra的值，代入到式(1)得到Rb和Rc的值，进而根据P点坐标得方程组：
由此可以得到震源P点的坐标；重复以上步骤，一次性对多个矿震震源位置进行定位，通过采用煤矿环境下高效精确的定位算法，对通讯光缆2偏振态信号进行反演处理，以实现煤矿井下实时监测并精确定位震源，并且系统中使用到的都是高性价比、通用性较强的技术平台和设备，与现有的百万级矿震监测系统相比，价格上有显著优势。
本发明利用井下既有的矿用通讯光缆2替代价格昂贵、铺设困难的专用的应变传感光缆，使得监测覆盖范围更大，更适用于全矿井范围的震源监测及定位，具有实时监测、全范围立体监测、空间定位、全数字化数据采集、存储和处理、远程监测和信息远传输送以及多用户计算机可视化监控与分析的特点。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (4)

1.基于煤矿井下通讯光缆的矿震震源定位方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：采用矿井下通讯光缆为载体，在地面上将通讯光缆的一端与激光器连接，将通讯光缆的另一端与波分复用器连接，波分复用器的一端连接有偏振测量仪；
步骤二：通过控制激光器对通讯光缆发出具有偏振态的光信号，通讯光缆另一端的偏振测量仪对接收到的光信号进行解调，以获得通讯光缆上所有测点的第一斯托克斯参量s1的峰值Δs1max；
步骤三：对第一斯托克斯参量s1的峰值进行反演分析，利用通讯光缆的第一斯托克斯参量s1获得通讯光缆变形量，感知矿震所引起的光缆形变量Δx，其中，光缆形变量公式为：
式中，Δx为通讯光缆某一测点位置处光缆形变量；D光缆直径；a为光缆受力形变导致的折射率变化系数，矿用通讯光缆取0.11×1012；Δs1max为第一斯托克斯参量s1的峰值变化量，由偏振仪测得；K为Δs1max与矿用光缆形变量的灵敏度系数，可以由室内试验测得；
步骤四：为了区分井下矿震引起的光缆变形和其他因素引起的光缆变形，将Δx≥1mm设置为判别条件，当Δx≥1mm时，认为是矿震引起光缆变形；
步骤五：当发生矿震时，测量获得通讯光缆上所有测量点的第一斯托克斯参量s1的峰值，对于测量点峰值频率进行分析计算，获得所有测量点的位移，当Δx≥1mm时，将这些测量点的位置及测量点监测到时直接上传至云端服务器进行分析处理，通过空间定位算法实现矿震震源定位；
步骤六：首先选取4个符合条件的测点为一个参考平面，在参考平面上将4个测点命名为：A、B、C、D，其中三角形的AB、AC边长分别为LAB＝a，LAC＝b，假设AB与AC垂直，D为AB中点，并选取A为空间直角坐标原点，震源位置为点P(x，y，z)，P点到A、B、C、D四点的距离分别为Ra、Rb、Rc和Rd；
步骤七：当矿震在P点产生应力波引发的岩层变形进而作用到光缆上压力F致使光缆发生形变，通过偏振检测仪和矿震震源定位算法判别出符合条件的测量点，选取其中4个测点发生变形的时刻分别为ta，tb，tc和td，则4个点到震源P的距离有如下关系，
式中：t1＝ta-tb；t2＝ta-tc；t3＝ta-td；
结合式(2)、式(3)可得式(4)：
令Ra-Rb＝R1，Ra-Rd＝R2，得到Ra的一元一次方程：
可以求出Ra的值，代入到式(1)得到Rb和Rc的值，进而根据P点坐标得方程组：
由此可以得到震源P点的坐标；
步骤八：重复步骤四、步骤五、步骤六与步骤七，通过对多组符合要求的测量点进行反演，获得到更精确的矿震震源位置。
2.根据权利要求1所述的基于煤矿井下通讯光缆的矿震震源定位方法，其特征在于：步骤三中所述Δs1max与通讯光缆受力大小呈线性关系，为9×103，而通讯光缆受力大小与煤矿井下悬挂的矿用光缆存在一定的关系，其中矿用光缆受到一定的预紧力为σ，其次当矿震引发的岩层变形进而作用到光缆上压力F致使光缆发生形变，引起光缆的弯矩M发生变化。
3.根据权利要求1所述的基于煤矿井下通讯光缆的矿震震源定位方法，其特征在于：步骤三中所述光缆形变量Δx与光缆作用力之间关系可以由室内试验测试得出，对光缆施加恒定的力，然后记录其形变量变化，光缆受力与光缆型变量的分布曲线的斜率的倒数再乘以9×103即为Δs1max与矿用光缆形变量的灵敏度系数K。
4.根据权利要求1所述的基于煤矿井下通讯光缆的矿震震源定位方法，其特征在于：步骤四中由于考虑测量时间和测量精度的平衡，偏振测量仪的空间分辨率为1m，采样间隔为0.05m，也就是说对于50km长的通讯光缆，它具有1000000个测量点。
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