CN114017121B - 一种基于应变场的冲击地压实时监测系统及预警方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于应变场的冲击地压实时监测系统及预警方法，系统包含光纤传感器、光缆、光纤应变测试仪、监测中心、用户终端。将光纤传感器阵列式布置到煤矿井下采掘空间的围岩体中，形成覆盖监测区域的光纤传感网络，实时采集并处理每个光纤光栅传感器或每条监测光纤的应变数据，分析煤岩体内部应变场各监测指标的变化规律，根据其对冲击地压危险的响应程度确定具体敏感监测指标；根据各监测敏感指标随着时间和空间的变化规律识别冲击地压危险并预警，形成基于应变场的冲击地压危险实时监测预警方法。本发明因传感器埋入煤岩体内部受现场条件影响小、通过网格式在线监测实现采掘空间应变场时空变化的精细感知、测试精度和测试空间分辨率高，能够及时、准确辨识煤矿冲击地压灾害风险，创新和完善现有的冲击地压预防技术体系。

Description

一种基于应变场的冲击地压实时监测系统及预警方法

技术领域

本发明属于煤矿开采技术领域，尤其涉及一种基于应变场的煤矿冲击地压实时监测系统及预警方法。

背景技术

冲击地压，又称岩爆，会引起围岩突然外移、弹射、破坏或堵塞巷道，造成人员伤亡，破坏通风系统，煤矿最大震级达4.3级，破坏范围可达数米或数百米，近年来煤矿冲击地压破坏巷道最大长度达到600多米。我国是冲击地压最严重的国家，截止2020年底共有132对冲击地压矿井。目前，我国煤炭开采深度以每年8～12m的速度增加，东部矿井的增加速度达到每年10～25m，绝大部分原国有重点煤矿已进入深部开采(部分达到1500m采深)。随着采深不断加大，地应力的不断增高，采场结构越来越复杂，冲击地压灾害频次、强度和破坏程度均呈上升趋势。

为了矿井的安全高效生产，越来越急切需要对矿井冲击地压灾害进行治理。矿井冲击地压灾害有效防治的前提是准确监测及预警。冲击地压发生是一个动态的变化过程，可以借助众多现场监测系统及数据来监测冲击地压孕育过程中伴随的应力、应变和能量的积聚、释放或耗散的时空分布特征及其异常变化，从而实现冲击地压灾害的监测预警。

冲击地压的应力和能量监测预警方法已经在煤矿现场取得了广泛的应用，如冲击地压孕育过程中的应力监测可以通过钻屑量、巷道变形量和采动应力的直接测量得以实现，而能量监测可以通过微震、电磁辐射和声发射等地球物理的非接触式测试而实现。而应变作为反映岩体结构失稳的一个直观重要指标，由于传统的应变类技术、设备和方法上的不足，在冲击地压监测、预警研究方面的应用受到了很大限制，目前，常用的应变监测手段有巷道变形量、顶板离层监测和钻孔应变监测等。

巷道变形量一般是指从围岩表面测得的巷道底板、两帮的移近距离或某一部分的移动量，其是围岩与支护相互作用的结果，是反映多种因素影响的综合指标。巷道变形量具有直观、易测和方便定量计算等优点，在煤矿现场中应用较为广泛。现有的巷道围岩变形量测量方法按其工作原理可以分为机械式测量、电测式测量、声波测距法、激光测距法、光学测绘、近景摄影测量等。但巷道变形量监测测量范围小，难以实现区域性观测；且测量耗费时间长，实时性差，难以进行连续性测量。

顶板离层监测，主要是工作面巷道内顶板上(每间隔一定的距离)安装一定数量的顶板离层监测仪，通过定期监测顶板岩层分离时所产生位移量来判断顶板的下沉及离层情况，进而对冲击地压进行监测预警。目前煤矿安装的顶板离层仪多为机械式，虽造价便宜，需靠监测人员每天进行顶板离层量数据进行观测，且为人工读数，监测误差大；受井下潮湿、滴水的影响，离层仪容易失效；同时还不具备在线实时监测。近年来一些科研院校开发了在线式顶板离层监测系统，实现了对工作面区域顶板离层的在线监测；还开发了基于ZigBee无线网络互连式以及基于布里渊光纤光栅(FBG)的顶板离层仪，提高了离层监测精度。

钻孔应变监测(包括钻孔体应变观测和钻孔分量应变观测)作为一种地壳形变监测方法，自上世纪80年代起就开始应用于日本、美国、德国和我国的地震监测及临震预报。而煤矿中冲击地压灾害钻孔应变监测借鉴于天然地震的研究方法和技术，具有观测频带宽、量程大、精度高等特点，可以对地层内部应变状态随时间变化的精细观测。但由于其高监测精度，地壳变形有效信号易被固体潮趋势背景所掩盖。此外钻孔应变为单点测量，安装要求、安装介质、耦合材料和环境因素对其稳定性和准确性均存在明显影响。

综合上述分析可以发现，目前缺乏基于应变类技术的煤矿冲击地压监测预警方法，且煤矿现有的应变类技术不能满足冲击地压前兆判断及预警的实际需求，包括：(1)现有的应变监测方法及手段都是局部范围，单点测量，无法实现基于应变场监测的冲击地压预警。①正在使用的应变监测为巷道变形量和顶板离层监测，属于宏观、表面变形监测，且监测结果滞后，无法反映冲击危险区域围岩内部的应变规律；②钻孔应变观测虽然测试精度高，但为单点测量，安装要求、安装介质、耦合材料和环境因素对其稳定性和准确性均存在明显影响，限制了其的应用效果，更不适应于弹性模量复杂、裂隙节理发育的煤层。(2)现行的基于应变技术的冲击地压灾害的判断基本是基于矿压显现规律的推测和估计，难以实现空间预测的量化，监测结果滞后于围岩空间冲击致灾演化过程，更是缺乏提前预警。(3)现有的应变监测方法多是采用油泵、电力等作为动力，由于井下空间位置狭小，会对现场应变的监测条件产生限制。

发明内容

为了克服现有应变类技术的冲击地压监测预警技术方法中的不足，本发明提供了一种具有受现场影响小、监测点密度高、可形成网格式在线监测、测试精度高等优点的基于“全分布式光纤及准分布式光纤”的围岩应变场监测系统和基于应变场的冲击地压实时监测预警方法，通过合理布置光纤传感器，测试回采工作面煤岩体应变场的分布及变化规律，根据实时应变、累计应变、应变速率、应变离散度、应变空间梯度波动系数等应变监测指标来实现对冲击地压灾害的实时监测及预警。

为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

一种基于应变场的冲击地压实时监测系统，包括具有冲击地压危险性的采煤工作面的巷道，巷道为沿工作面推采方向或走向布置，巷道内侧的煤体为待测试区域煤体，待测试区域煤体的一侧设有光纤应变测试仪，光纤应变测试仪外接监测中心；

待测试区域煤体沿其平面侧钻有至少一排钻孔，钻孔垂直于其对应的平面侧，多个钻孔相互平行，钻孔呈水平向或近似水平方向；

一排钻孔中任意的钻孔中插置有金属套管，其他钻孔中插置有测试配套管；

金属套管内置松套传感光纤，测试配套管水平方向绕有紧套传感光纤；所述松套传感光纤通过一根光纤传输段经过巷道连接光纤应变测试仪；多个钻孔位置的紧套传感光纤通过多根光纤传输段依次串连，该光纤传输段经过巷道连接光纤应变测试仪；

所述钻孔中灌浆固定。

作为更进一步的优选方案，测试配套管位于钻孔底部的一端为半球形的凸头，测试配套管的两侧沿长度方向开设有条形槽，凸头上过半球形的中心开设有弧形槽，弧形槽的两端分别与测试配套管两侧的条形槽连通，所述紧套传感光纤置于条形槽和弧形槽中，紧套传感光纤沿条形槽-弧形槽-条形槽绕测试配套管布置。

作为更进一步的优选方案，钻孔的深度为10-30m；相邻两个钻孔之间的间距为10-50m。

一种基于应变场的冲击地压实时监测系统的预警方法，包括以下步骤：

步骤一，在采煤工作面水平钻孔形成的巷道，巷道侧的采煤工作面形成待测试区域煤体，搭建煤矿冲击地压围岩应变监测场；

步骤二，根据布里渊频移、光纤光栅波长变化与温度和应变的关系，对所测应变进行温度补偿；

步骤三，根据测点数据提出基于应变场的煤矿冲击地压灾害监测指标；

步骤四，根据不同能量级冲击地压事件确定应变敏感监测指标；

步骤五，根据对不同能量级微震事件的响应情况，对应变敏感监测指标划分危险等级并确定不同危险等级的预警值；

步骤六，根据应变敏感监测指标和不同危险等级的预警值对冲击地压灾害进行监测预警。

作为更进一步的优选方案，步骤一中，搭建煤矿冲击地压围岩应变监测场的方法如下：

步骤1，在巷道中使用钻机对待测试区域煤体的平面壁连续打孔形成以一排钻孔，钻孔垂直于对应侧的平面壁，形成钻孔阵列，煤矿的地质条件良好无大断层建议选用光纤光栅，可自行设计光栅的间距，煤层具有大断层或者煤岩性不均质建议选用全分布式光纤；根据煤矿的具体条件和要求，测量光纤选用紧套传感光纤和松套传感光纤，将金属套管插入一个钻孔，将开设好条形槽和弧形槽的测试配套管插入其他钻孔，将松套传感光纤放置于金属套管中，将紧套传感光纤镶嵌在测试配套管的凹槽内，并将测试配套管固定在孔底，并对所有的钻孔进行注浆封孔，紧套传感光纤的两端接头暴露于孔外；

步骤2，通过光纤传输段将各钻孔孔口预留的紧套传感光纤两个接头依次串联，并与光纤应变测试仪相连。

作为更进一步的优选方案，步骤二，具体包括：用于测量的紧套传感光纤会同时受到温度和应变的作用，而松套传感光纤只受到温度的影响，因此利用紧套传感光纤与松套传感光纤的布里渊频移或光纤光栅波长的差值，除以相应的应变系数，即可计算出围岩的应变值；松套传感光纤的布里渊频移或光纤光栅波长的变化量除以相应的温度系数可得出围岩的温度。

作为更进一步的优选方案，步骤三，基于应变场的煤矿冲击地压灾害实时监测指标包括单测点应变指标和多测点应变场指标；所述单测点应变指标包括围岩内部实时应变、累计应变、应变速率；所述多测点应变场指标除了包含单测点应变指标，还包含应变离散度、应变空间梯度波动系数；

各个指标的含义及其计算公式如下：

以全分布式光纤传感器为例，实时应变为光纤传感器采样周期下每个测点的实时应变值，计算公式为：

Δε_i＝(υ_B1-υ_B2)/C_ε

式中Δε_i为第i个测点实时应变；υ_B1、υ_B2分别为紧套传感光纤与松套传感光纤的布里渊频移变化值；C_ε为光纤的布里渊频移应变系数；

累计应变为实时应变的累加求和，计算公式为：

式中Δε_iT为第i个测点在T时间段内的累计应变；Δε_i为第i个测点实时应变；应变速率为统计周期Δt下单个测点应变的变化速率，计算公式为：

式中Δε_i′为第i个测点的应变速率；Δε_it为t时刻测点i的实时应变；Δε_i(t+Δt)为t+Δt时刻的实时应变；

应变离散度为某时刻某个监测区域内所有测点的应变最大值与最小值的差值，反映应变空间分布的不均匀程度，计算公式为：

式中

为t时刻应变离散度；maxΔε_it、minΔε_it分别为t时刻所有测点的实时应变最大值和最小值；

应变空间梯度波动系数为统计周期Δt₁内的两测点间每米应变大小的差值的变化情况，计算公式为：

式中

为应变空间梯度波动系数；

分别为t和t+Δt₁时刻所应变空间梯度；Δε_it、Δε_jt分别为第i、j测点t时刻的实时应变；Δε_i(t+Δt)、Δε_j(t+Δt)分别为第i、j测点t+Δt₁时刻的实时应变；L_ij为测点i、j之间的距离。

作为更进一步的优选方案，步骤四，根据测点各应变监测指标在时间和空间的变化规律以及其对发生在采掘现场不同能量级冲击地压时间的前兆响应特征以及敏感性，筛选并确定适合监测效果好的监测指标作为采掘现场冲击地压危险性监测预警的应变敏感监测指标。

作为更进一步的优选方案，步骤五，对应变敏感监测指标划分危险等级并确定不同危险等级的预警值，方法如下：根据不同能量级微震对应的危险等级，对应的应变敏感监测指标划分危险等级：绿色预警、黄色预警和红色预警，并确定应变监测敏感指标不同危险等级预警值。当应变敏感监测指标危险等级达到黄色预警时，则地面监测中心需要时刻密切关注该区域的应变变化情况。只要有某个应变预警指标达到红色预警，开始报警，停止井下作业，撤离人员并切断电源，同时逐级向上汇报。防冲人员根据现场实际情况对冲击危险进行认定，采取解危方案，并进行解危效果检测，当所有应变敏感监测指标检测结果均小于绿色预警值，则认为危险解除，恢复作业。

作为更进一步的优选方案，步骤六，根据应变敏感监测指标和应变预警指标对冲击地压灾害进行监测预警，包括以下两种方法：

方法一：基于应变场的煤矿冲击地压灾害实时监测预警采用实时危险等级划分法，在圈定区域内，将各应变敏感监测指标处于同一等级的地区划分在同一个区域，绘制冲击危险性等级区域图，同时预测危险等级变化迁移路径和应变空间分布；当某个应变敏感监测指标达到红色预警，系统发出警报信号，进行提前预警，并在该区域采取相应的预防控制措施；

方法二：基于应变场的煤矿冲击地压灾害实时监测预警采用区段时间动态变化趋势法，分析各个应变敏感监测指标随时间的变化过程，分析T1时间段内各个应变敏感监测指标变化率的最大值，当T1时间段内变化率的最大值未达到红色预警时，再根据已有规律预测T2时间段危险性是否会达到红色预警，若是可能则进行提前发出预警提示，进行人工干预，如果不会到达红色预警，则继续分析T2时间段内各个应变敏感监测指标；当T1时间段内变化率的最大值达到红色预警时，系统发出警报信号，绘制冲击危险区域图，并判定该区域具有冲击危险性，进行提前预警，人为地采取控制措施，当T1时间段内变化率的最大值达到黄色预警时，则井上需要密切关注该区域的应变场变化情况；

当相邻的两个时间段应变敏感监测指标变化率的差值达到红色预警时，说明各指标变化速率很大，极有可能是发生冲击地压的前兆特征，因此，标出变化率的差值达到红色预警的区域，绘制冲击危险区域图，判断该区域具有冲击危险性，系统发出警报信号，进行提前预警，人为地采取控制措施；

有益效果

与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下有益的技术效果：

传统的应变类技术、设备和方法上的不足，限制了应变监测在冲击地压预警研究方面的应用和发展，分布式光纤传感技术的出现，弥补了此方面的不足，具有受现场影响小、监测点密度高、可形成网格式在线监测、测试精度高、不需要配套如油泵等动力设备等优点，能够实时监测围岩大范围内的内部应变，实现对采掘空间围岩内部应变场时空分布的精细化监测及预警。本发明提出了基于“全分布式光纤以及准分布式光纤”的围岩应变场测试系统、冲击地压应变场监测指标及预警方法，对降低煤矿冲击地压灾害、揭示冲击地压的演化过程、发生机理，丰富冲击地压预防体系具有重要的理论意义和应用价值。

附图说明

图1是本发明的全分布式测量光纤钻孔布置图；

图2是本发明的全分布式温度补偿光纤钻孔布置图；

图3是本发明的围岩全分布式光纤传感布置监测系统图；

图4是本发明的基于应变场的冲击地压监测系统预警流程图；

图中，1-巷道，2-待测试区域煤体，3-钻孔，4-光纤应变测试仪，5-监测中心，6-金属套管，7-测试配套管，8-松套传感光纤，9-紧套传感光纤，10-光纤传输段，11-用户终端，12-采空区。

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。

本发明所述的一种基于应变场的冲击地压实时监测系统，基于分布式光纤传感器煤矿围岩应变场监测系统包含：光纤传感器(金属套管6，测试配套管7，松套传感光纤8，紧套传感光纤9)、钻孔3、光纤传输段10、光纤应变测试仪4、监测中心5、用户终端11。其中松套传感光纤8和紧套传感光纤9采用分布式光纤传感器，分布式光纤又可以分为全分布光纤和准分布式光纤，全分布式光纤传感系统中是利用一根光纤作为延伸的传感元件，光纤上的任意一段既是传感单元，又是其他传感单元的信息传输通道，因此可以获得被测量沿此光纤在空间和时间上变化的分布信息。将光纤架设成网格状，就可测定被测量的二维和三维分布情况，可给出大空间范围温度和应变等参量沿空间位置的连续变化值，能够准确给出被测量所对应空间的位置。准分布式光纤系统是把空间上呈一定规则分布的相同调制类型的光纤光栅传感器耦合到一根或多根光纤总线上，检测出被测量的大小以及空间分布，传感器的间距可以根据测试空间所需的精度自行设置，本发明建议在1m左右，光纤总线仅起到传光作用，具有高分辨率、大范围测量的优势。在搭建监测系统平台时可以根据煤矿的具体情况和要求来选择选用全分布式光纤传感器或者准分布式光纤传感器；包括具有冲击地压危险性的采煤工作面的巷道1，巷道1为沿工作面推采方向或走向布置，巷道1内侧的煤体为待测试区域煤体2，待测试区域煤体2的一侧设有光纤应变测试仪4，光纤应变测试仪4外接监测中心5；待测试区域煤体2沿其平面侧钻有至少一排钻孔3，钻孔3垂直于其对应的平面侧，多个钻孔3相互平行，钻孔3为水平向或近似水平方向的；任选一钻孔3插置有金属套管6，其他钻孔3中插置有测试配套管7。

金属套管6内置松套传感光纤8，测试配套管7的水平方向绕有紧套传感光纤9，所述松套传感光纤8通过光纤传输段10经过巷道1连接光纤应变测试仪4，多个钻孔3位置的紧套传感光纤9通过光纤传输段10依次串连，光纤传输段10经过巷道1连接光纤应变测试仪4。

该说明书中以全分布式光纤传感器为例，如图1、图2和图3所示，其中钻孔3为N个，分别以一定间隔设置于开采工作面巷道1煤岩壁中且垂直巷道1壁方向，将紧套传感光纤9固定在钻孔中，另外再任选一个或多个钻孔3，在其中布置金属套管6，管内布置一根松套传感光纤8，用来进行温度补偿；紧套传感光纤9和松套传感光纤8通过光纤传输段10与光纤应变测试仪4连接，光纤应变测试仪4与监测中心5相连，监测中心5与用户终端11连接；

紧套传感光纤9用于实时监测煤矿围岩应变场，并将监测到的数据通过光缆传输至光纤应变测试仪4；

光纤应变测试仪4用于识别煤矿围岩应变场中光纤所受应变、温度分布的变化，并将处理数据传递至监测中心5；

监测中心5用于实时处理每个传感光纤8、9监测到的数据，分析待测试区域煤体2应变场监测指标的响应规律和敏感程度并进行预警与存储，并将数据传递至用户终端11；

用户终端11用于在线实时观测监测中心5应变指标数据变化及预警结果；

监测中心5实时处理每个松套传感光纤8和紧套传感光纤9通监测到的数据，根据时间和空间绘制应变等级变化云图，预测应力集中区迁移路径和应力空间分布。

钻孔3为水平孔或近似水平孔，钻孔3深度为10-30m，相邻钻孔间隔为10-50m。

一种基于应变场的冲击地压实时监测及预警方法，包括以下步骤：

步骤一，在采煤工作面设置待测试区域煤体2，搭建冲击地压煤矿围岩应变场；方法如下：

步骤1-1，使用钻孔机在采煤工作面巷道1的垂直方向设置钻孔3，形成钻孔阵列，煤矿的地质条件良好无大断层建议选用光纤光栅，可自行设计光纤光栅的间距，煤层具有大断层或者煤岩性不均质建议选用全分布式光纤，钻孔阵列的水平相邻钻孔间隔为d，优选地，相邻钻孔间隔为10-50m，所述钻孔为水平孔；由于紧套传感光纤9需要与其他钻孔内的紧套传感光纤9进行串联，因此在孔口两侧都需要预留紧套传感光纤9，采用测试配套管7，将紧套馆传感光纤9镶嵌在测试配套管7的凹槽内，并将测试配套管7固定在孔底，因此沿钻孔壁有两段紧套传感光纤9；另外，由于布里渊频移、光纤光栅波长变化受温度和应变两个因素的影响，而在井下待测试区域煤体2的温度变化不明显，因此只需计算任一个钻孔3内温度对布里渊频移(或者光纤光栅波长差值)的影响，金属套管6内布置一根松套传感光纤8，用来进行温度补偿，即可以直接消除围岩温度变化引起的光纤布里渊频移(或者光纤光栅波长差值)而对应变测量的影响，如图1所示，如果围岩的温度极易变化，则可以在每个钻孔3内都布置松套传感光纤8和金属套管6；接着对钻孔3进行注浆封孔；

步骤1-2，将各钻孔紧套传感光纤9尾端的光纤连接头首尾串联，温度补偿光纤首尾串联，再分别通过光纤传输段10接入光纤应变测试仪4，实现围岩内部应变场的网格式实时监测。

步骤二，根据布里渊频移(或者光纤光栅波长差值)以及温度和应变的关系，对光纤应变进行温度补偿；具体包括：钻孔3内的紧套传感光纤9会受到温度、应力的同时作用，而松套传感光纤8只有温度对其的影响，因此利用紧套传感光纤9和松套传感光纤8的布里渊频移的差值，可以计算出钻孔的应变值。松套传感光纤8的布里渊频移变化量(或者光纤光栅波长变化量)除以相应的温度系数即可得出待测试区域煤体2的温度。

步骤三，根据测点数据建立基于应变场的煤矿冲击地压灾害监测指标；

基于应变场的煤矿冲击地压灾害实时监测指标包括单测点应变指标和多测点应变场指标；所述单测点应变指标包括围岩内部实时应变、累计应变、应变速率；所述多测点应变场指标除了包含单测点应变指标，还包含应变离散度、应变空间梯度波动系数；

以全分布式光纤传感器为例，各个指标的含义及其计算公式如下：

实时应变为光纤传感器采样周期下每个测点的实时应变值，计算公式为：

Δε_i＝(υ_B1-υ_B2)/C_ε

式中Δε_i为第i个测点实时应变；υ_B1、υ_B2分别为紧套传感光纤9和松套传感光纤8的布里渊频移值；C_ε为光纤的布里渊频移应变系数。

累计应变为实时应变的累加求和，计算公式为：

式中Δε_iT为第i个测点在T时刻的累计应变；

应变速率为统计周期Δt下单个测点应变的变化速率，计算公式为：

式中Δε_i′为第i个测点的应变速率；Δε_it为t时刻测点i的实时应变；Δε_i(t+Δt)为t+Δt时刻的实时应变；

应变离散度为某时刻某个监测区域内所有测点的应变最大值与最小值的差值，反映应变空间分布的不均匀程度，计算公式为：

式中

为t时刻应变离散度；maxΔε_it、minΔε_it分别为t时刻所有测点的实时应变最大值和最小值；

应变空间梯度波动系数为统计周期Δt₁内的两测点间每米应变大小的差值的变化情况，计算公式为：

式中

为应变空间梯度波动系数；

分别为t和t+Δt₁时刻所应变空间梯度；Δε_it、Δε_jt分别为第i、j测点t时刻的实时应变；Δε_i(t+Δt)、Δε_j(t+Δt)分别为第i、j测点t+Δt₁时刻的实时应变；L_ij为测点i、j之间的距离。

步骤四，根据不同能量级冲击地压事件确定应变敏感监测指标；方法如下：根据测点各应变监测指标在时间和空间上的变化规律对发生在采掘现场的不同能量级冲击地压事件的前兆响应特征及敏感性，确定适合采掘现场冲击地压危险性监测预警的应变敏感监测指标。

步骤五，对应变敏感监测指标划分危险等级并不同危险等级预警值；方法如下：根据防治煤矿冲击地压细则中对不同能量级微震对应的危险等级对应敏感指标划分为三个危险等级：绿色预警、黄色预警和红色预警，并对应变敏感监测指标确定不同危险等级预警值。当应变敏感监测指标危险等级达到黄色预警等级时，则地面监测中心需要时刻密切关注该区域的应变变化情况，准备好预警方案。当任一应变敏感监测指标达到红色预警等级，将立即发出警报，停止井下作业，撤离人员并切断电源，同时逐级向上汇报，防冲人员实施解危措施后减小危险效果检验，当所有敏感指标检验结果均小于绿色预警临界值，才能确认危险解除，恢复作业。

步骤六，根据应变敏感监测指标对冲击地压灾害进行监测预警；包括以下两种方法：

其一、采用实时危险等级划分法进行基于应变场的煤矿冲击地压灾害实时监测预警，具体为：在圈定区域内，将各应变敏感监测指标处于同一等级的地区划分在同一个区域，绘制冲击危险性等级区域图，同时预测危险等级变化迁移路径和应变空间分布。当某个应变敏感监测指标达到红色预警值，系统发出警报信号，进行提前预警，并在该区域采取相应的预防控制措施；

其二、采用区段时间动态变化趋势法进行基于应变场的煤矿冲击地压灾害实时监测预警，具体为：分析各个应变敏感监测指标随时间的变化过程，分析T1时间段内各个应变敏感监测指标变化率的最大值，当T1时间段内变化率的最大值未达到红色预警值时，再根据已有规律预测T2时间段危险性是否会达到红色预警，若是可能则进行提前发出预警提示，进行人工干预，如果不会到达红色预警，则继续分析T2时间段内各个应变敏感监测指标；当T1时间段内变化率的最大值达到红色预警值时，系统发出警报信号，绘制冲击危险区域图，并判定该区域具有冲击危险性，进行提前预警，人为地采取控制措施；当相邻两个时间段应变敏感监测指标变化率的差值达到红色预警值时，说明各指标变化速率很大，极有可能是发生冲击地压的前兆特征，因此，标出变化率的差值达到红色预警值的区域，绘制冲击危险区域图，判断该区域具有冲击危险性，系统发出警报信号，进行提前预警，人为地采取控制措施。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种基于应变场的冲击地压实时监测系统的预警方法，其特征在于，其包括以下步骤：

步骤一，选择有冲击地压危险性的采煤工作面巷道(1)内侧的受采动影响的煤体区域作为待测试区域煤体(2)，待测试区域煤体(2)沿其平面侧钻有至少一排钻孔(3)，钻孔(3)内插置内置松套传感光纤(8)的金属套管(6)或者紧套传感光纤(9)的测试配套管(7)；多个钻孔(3)位置的松套传感光纤(8)和紧套传感光纤(9)分别通过光纤传输段(10)依次串连，光纤传输段(10)经过巷道(1)连接光纤应变测试仪(4)；所述钻孔(3)中灌浆固定；

步骤二，根据布里渊频移、光纤光栅波长变化与温度和应变的关系，对紧套传感光纤(9)的输出信号进行温度补偿；

步骤三，提出基于应变场的煤矿冲击地压灾害应变监测指标，包括：内部实时应变、累计应变、应变速率、应变离散度、应变空间梯度波动系数；

步骤四，根据待测试区域煤体(2)的各应变监测指标数据在时间和空间的变化规律及其对发生在采掘现场的不同能量级冲击地压事件的前兆响应特征及敏感程度，筛选并确定适合采掘现场冲击地压危险性监测预警的应变敏感监测指标；

步骤五，根据对不同能量级微震事件的响应情况，对应变敏感监测指标划分危险等级并确定不同危险等级的预警值；

步骤六，根据应变敏感监测指标及不同危险等级的预警值对冲击地压灾害进行应变场监测预警。

2.根据权利要求1所述的一种基于应变场的冲击地压实时监测系统的预警方法，其特征在于：所述步骤三，基于应变场的煤矿冲击地压灾害实时监测指标包括单测点应变指标和多测点应变场指标；所述单测点应变指标包括围岩内部实时应变、累计应变、应变速率；所述多测点应变场指标除了包含单测点应变指标外，还包含应变离散度、应变空间梯度波动系数；

各个指标的含义及其计算公式如下：

当使用全分布式光纤传感器测定布里渊频移时，实时应变为采样周期下光纤传感器上每个测点的实时应变值，计算公式为：

Δε_i＝(υ_B1-υ_B2)/C_ε

式中Δε_i为第i个测点实时应变；υ_B1、υ_B2分别为紧套传感光纤(9)与松套传感光纤(8)的布里渊频移变化值；C_ε为光纤的布里渊频移应变系数；

累计应变为实时应变的累加求和，计算公式为：

式中Δε_iT为第i个测点在T时间段内的累计应变；Δε_i为第i个测点实时应变；

应变速率为统计周期Δt下单个测点应变速率，计算公式为：

式中Δε_i′为第i个测点的应变速率；Δε_it为t时刻测点i的实时应变；Δε_i(t+Δt)为t+Δt时刻的实时应变；

应变离散度为某时刻某个监测区域内所有测点的应变最大值与最小值的差值，反映应变空间分布的不均匀程度，计算公式为：

式中

为t时刻应变离散度；maxΔε_it、minΔε_it分别为t时刻所有测点的实时应变最大值和最小值；

应变空间梯度波动系数为统计周期Δt₁内的两测点间每米应变大小的差值的变化情况，计算公式为：

式中

为应变空间梯度波动系数；

分别为t和t+Δt₁时刻所应变空间梯度；Δε_it、Δε_jt分别为第i、j测点t时刻的实时应变；Δε_i(t+Δt)、Δε_j(t+Δt)分别为第i、j测点t+Δt₁时刻的实时应变；L_ij为测点i、j之间的距离。

3.根据权利要求1所述的一种基于应变场的冲击地压实时监测系统的预警方法，其特征在于：所述步骤四，根据测点各应变监测指标数据在时间和空间的变化规律及其对发生在采掘现场的不同能量级冲击地压事件的前兆响应特征及敏感性，筛选并确定适合采掘现场冲击地压危险性预警的应变敏感监测指标。

4.根据权利要求1所述的一种基于应变场的冲击地压实时监测系统的预警方法，其特征在于：所述步骤五，对应变敏感监测指标划分危险等级并确定不同危险等级预警值，方法如下：根据《防治煤矿冲击地压细则》冲击地压危险等级划分规则，将应变敏感监测指标划分为三个不同危险等级：绿色预警、黄色预警和红色预警，并根据应变敏感监测指标的数据值确定不同危险等级预警值；当任一应变敏感监测指标达到红色预警等级，将立即发出警报，停止井下作业，撤离人员并切断电源，同时逐级向防冲办、防冲副总、总工程师、矿长汇报；解危措施实施后，必须对解危效果进行检验，只有当所有敏感指标检验结果均小于绿色预警临界值，才能确认危险解除，恢复作业；当应变敏感监测指标危险等级达到黄色预警时，则地面监测中心需要时刻密切关注该区域的应变变化情况。

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