CN114412573B - 一种矿井井壁破裂监测预警系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种矿井井壁破裂监测预警系统及方法，包括如下步骤：首先根据已建井壁周围环境及地质情况，分析井壁易发生破坏的位置，确定监测区域；在监测区域的井壁内侧安装多层微震传感器，并通过通讯电缆与井上采集仪连接，实时获取震源信号；对采集的信号波形分析，筛选出反映井壁破裂的微震事件，并通过相关算法确定其对应的震源位置、时间、能量以及破裂机理；根据破裂震源信息实时刻画井壁的动态损伤过程，最终实现对井壁破坏、失稳灾害的预警；本发明提供的技术方案，有别于传统的位移式监测方法，能实现全空间范围内井壁微破裂的实时动态监测和分析。
Description
技术领域
本发明涉及矿井井筒安全监测领域，具体涉及一种矿井井壁破裂监测预警系统及方法。
背景技术
立井井筒是矿山的咽喉，承担着地下矿产资源与地表生产系统连接的重任，由于井筒井壁受力状况不同，地质层种类复杂多样，自然环境差异大，井筒在建设和使用过程中很容易出现变形、损伤等现象，给煤矿的生产经营带来严重的安全问题和财产损失。
井壁发生井壁破裂的因素很多，很难通过理论分析准确确定井壁破裂的时间与区域，因此采取有效的监测手段对井筒结构的安全状态进行有效的监测显得尤为重要。
传统的井壁的监测方法主要有倒锤法、三维变形监测法、位移法、悬绳法、GPS监测法、应变计法等，近年来，随着计算机和通讯技术的飞速发展，图像监测、光纤传感器监测、分布式光纤监测等得到应用。
专利CN201810242255.7提供一种对井壁进行监测的钢弦式传感器系统和变形预警的方法，通过在井壁内侧布置若干个钢弦式应变、压力传感器，得到各个测点的应变、压力值，最终实现了对井壁变形的监测预警。
专利CN201810241075.7提供一种对井壁进行监测的光纤传感器系统与变形预警的方法，通过在井壁内表面布置若干个分布式光纤传感器、光纤光栅应变传感器和光纤光栅温度传感器，实现对内层井壁承受的注浆压力、内层井壁变形和井壁温度的实时监测。
专利CN202110673391.3提供了一种矿井井壁应变及预警监测方法，监测装置包含钢弦式传感器和光纤光栅式传感器两种类型，不再是使用单一传感器类型对井筒变形监测，实现了不同类型传感器工作性能之间的相互验证。
以上监测方法，都是以测点(线)的变形量或压力值等指标判断特征曲线的变化趋势从而进行时间概念上的井筒变形、破坏预测研究，此类方法无法分析井壁宏观失稳前的微破裂的萌生、演化、扩展、相互作用直至贯通破坏的影响，难以揭示井壁的渐进微破裂诱发宏观破坏失稳的本质规律。
此外，这些监测方法多是是井壁变形表观信息为监测对象，可以对井壁内表面位移、压力进行较好的监测，但对于井壁内部可能存在的微破裂往往束手无策。
因此急需寻求一种井壁全空间的损伤破裂监测方法，用于实时获取监测过程中的损伤演化规律。
发明内容
技术问题：本发明的目的是针对上述现有技术存在的问题，提供一种矿井井壁破裂监测预警系统及方法，实现全空间范围内井壁微破裂的实时动态监测和分析。
技术方案：为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种矿井井壁破裂监测预警方法，包括：
步骤S1、根据已建井筒周围环境、地质情况以及实施条件，分析井壁易发生破坏的位置，确定监测区域；
步骤S2、在监测区域的井壁内侧安装多层微震传感器，并通过通讯电缆与井上采集仪连接，实时获取震源信号；
步骤S3、对采集的信号波形分析，筛选出反映井壁破裂的微震事件，并通过震源定位、源能计算与矩张量反演算法确定其对应的震源位置、时间、能量以及破裂机理；
步骤S4、根据破裂震源信息实时刻画井壁的动态损伤过程，建立损伤预警指标，最终实现对井壁破坏、失稳灾害的预警。
优选地，在所述步骤S2中，每层的微震传感器数量不少于4个，监测范围内的安装的微震传感器层数不少于4层；传感器采用埋入式的方式实现与井壁的较好耦合，预埋孔直径不小于40mm，孔深不小于60mm，传感器就位后通过锚固剂填充缝隙。
优选地，所述的通讯电缆采用屏蔽电缆，当传感器与采集仪连接成功后，通过敲击试验，人工激发弹性波检验各个传感器的耦合效果，确保每个传感器都能正常采集，并通过传感器的的空间位置与激震信号的初至时间，得到井壁的平均波速v。
优选地，在所述步骤S3中，对采集的信号波形分析、筛选的过程如下：首先通过递归STA/LTA算法判断信号是否为突发型信号，若为突发型信号再经过小波包多尺度分解、重构，然后对重构的信号进行频带的细部分析，获取特征频带的分形盒维数D，最后通过波形的盒维数判断该信号是否为井壁破裂信号。
进一步地，震源定位方法采用稀疏网格搜索与单纯形法相结合的定位方法，首先对监测的井壁进行稀疏网格划分，并分别计算每一个网格点处的亮度值，根据选定的亮度阈值，确定初次震源位置的网格点坐标，然后将将网格点坐标作为单纯形法的迭代初始值，参与到后续单纯形法的迭代计算中，当目标函数取得最小时，获得最终震源定位结果。
更进一步地，震源能量E计算方法通过下式确定：
其中，n为破裂源被接收到的有效传感器个数；ρ为井壁破裂源材料密度；v为井壁的平均波速；Ri为震源到i传感器的距离；Ji为i传感器采集波形的辐射能通量，通过质点速度谱在频域中积分获得；为微震源的辐射类型经验系数，通过矩张量分解判断震源类型，进而确定辐射类型经验系数。
更进一步地，通过矩张量反演获取的震源机制解及震源参数，确定的破裂源类型包括剪切破裂、张拉破裂、压缩破裂、张拉-剪切混合破裂以及为压缩-剪切混合破裂五种类型。
优选地，在所述步骤S4中，分析井壁破裂的微震辐射能量时空分布特征和聚集程度，将微震能量密度作为损伤预警指标，分析确定各级损伤阈值，从而识别出井壁潜在失稳危险区域，最终实现对井壁破坏、失稳灾害的预警。
进一步地，微震能量密度计算方法如下：
首先通过空间维数D将监测空间Ω划分为边长为a的若干统计区域，统计区域数若第j个统计区域有n个微震事件，则第j区域中心能量密度/> 然后采用插值法即可获得监测区域能量密度分布。
本发明涉及的一种矿井井壁破裂监测预警系统由加速度微震传感器(4)、通讯电缆(5)、高频率信号采集系统(6)、信号处理预警系统(7)四部分组成，其中传感器的采集频率范围为50～100KHz，采集系统的采样频率不小于500KHz，采用触发式采集。
有益效果：本发明提供一种矿井井壁破裂监测预警系统及方法，通过将微震传感器安装在井壁内侧，对传感器阵列拾取的微震信号，根据破裂震源信息实时刻画井壁的动态损伤过程，最终实现对井壁破坏、失稳灾害的预警；本发明提供的技术方案，有别于传统的位移式监测方法，可以有效揭示井壁损伤破坏过程的微震活动性演化规律和变形失稳机制，丰富了井筒损伤变形的研究方法，较好的实现全空间范围内井壁微破裂的实时动态监测和分析，为我国井筒变形破坏的长期监测提供了新的技术手段。
附图说明
图1是本发明一实施例提供的一种矿井井壁破裂监测预警方法的流程示意图；
图2是本发明一实施例提供的一种矿井井壁破裂监测预警系统示意图；
图3是本发明一实施例提供的微震传感器安装示意图；
图4是本发明一实施例提供的微震信号处理流程示意图；
图中：1-井壁；2-井壁外围岩土体；3-井壁外围表土层与基岩的交界面；4-传感器；5-通讯电缆；6-高频率信号采集系统；7-信号处理预警系统；
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明作进一步的描述，实施例的内容不作为对本发明的保护范围的限制。
本发明基于微震监测技术实现矿井井壁破裂的实时监测预警，其原理为：微震监测技术作为一种时空动态的三维“体”监测方法，能够及时捕捉到岩体内部微破裂，并实时分析微破裂萌生、演化、扩展、贯通直至宏观滑面的产生，可作为评价井壁损伤破坏的重要监测工具。
对本发明所述的一种矿井井壁破裂监测预警系统及方法，在山东某风井进行试验，井壁内径6.5m，此次监测中心断面为井下280m，主要由于该处位于表土层与基岩的交界面附近，曾发生过破坏，现已修复，具有再次破坏的风险。
图1给出了本发明的矿井井壁破裂监测预警方法的流程示意图。包括以下步骤：
步骤S1、根据已建井筒周围环境、地质情况以及实施条件，分析井壁易发生破坏的位置，确定监测区域，本次试验的监测区域主要布置于井下270m～289.5m之间；
步骤S2、在监测区域的井壁内侧安装多层微震传感器，并通过通讯电缆与井上采集仪连接，实时获取震源信号，本次试验的传感器布置方案采用阵列式布置，分4层布置，层间距为6.5m，每层交叉布置4个传感器，如图2所示。传感器采用埋入式的方式实现与井壁的较好耦合，预埋孔直径为40mm，孔深为60mm，传感器就位后通过锚固剂填充缝隙。图3为本次试验的微震传感器安装示意图。
进一步地，传感器固定后，通过屏蔽电缆与采集仪连接，并调试好各通道的触发阈值。
待系统架构完成后，通过敲击试验，人工激发弹性波检验各个传感器的耦合效果，确保每个传感器都能正常采集，并通过传感器的的空间位置与激震信号的初至时间，得到井壁的平均波速v，本次试验敲击的位置为监测区域的井壁内表面，用敲击10次，通过不同传感器之间的首波到达时差，确定两传感器之间的波速，最终得到整个监测区域的平均波速。
步骤S3、对采集的信号波形分析，筛选出反映井壁破裂的微震事件，并通过震源定位、源能计算与矩张量反演算法确定其对应的震源位置、时间、能量以及破裂机理。
图4为本实施例提供的微震信号处理流程示意图。由图4可以看出，对采集的信号波形分析、筛选的过程如下：首先通过递归STA/LTA算法判断信号是否为突发型信号，若为突发型信号再经过小波包多尺度分解、重构，然后对重构的信号进行频带的细部分析，获取特征频带的分形盒维数D，最后通过波形的盒维数判断该信号是否为井壁破裂信号。
破裂源位置采用稀疏网格搜索与单纯形法相结合的定位方法确定，首先对监测的井壁进行稀疏网格划分，并分别计算每一个网格点处的亮度值，根据选定的亮度阈值，确定初次震源位置的网格点坐标，然后将将网格点坐标作为单纯形法的迭代初始值，参与到后续单纯形法的迭代计算中，当目标函数取得最小时，获得最终震源定位结果。
破裂源类型通过矩张量反演的方法获取，确定的破裂源类型包括剪切破裂、张拉破裂、压缩破裂、张拉-剪切混合破裂以及为压缩-剪切混合破裂五种类型。
震源能量E计算方法通过下式确定：
其中，n为破裂源被接收到的有效传感器个数，ρ为井壁破裂源材料密度；v为井壁的平均波速；Ri为震源到i传感器的距离；Ji为i传感器采集波形的辐射能通量，通过质点速度谱在频域中积分获得；为微震源的辐射类型经验系数，通过矩张量分解判断震源类型，进而确定辐射类型经验系数。
步骤S4中，分析井壁破裂的微震辐射能量时空分布特征和聚集程度，将微震能量密度作为损伤预警指标，分析确定各级损伤阈值，从而识别出井壁潜在失稳危险区域，最终实现对井壁破坏、失稳灾害的预警。
微震能量密度计算方法如下：首先通过空间维数D将监测空间Ω划分为边长为a的若干统计区域，统计区域数若第j个统计区域有n个微震事件，则第j区域中心能量密度/>然后采用插值法即可获得监测区域能量密度分布。
本实施例涉及的一种矿井井壁破裂监测预警系统架构方式如图2所示，由加速度微震传感器(4)、通讯电缆(5)、高频率信号采集系统(6)、信号处理预警系统(7)四部分组成，其中传感器的采集频率范围为50～100KHz，采集系统的采样频率为500KHz，采用触发式采集。
本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无法对所有的实施方式予以穷举。
凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (2)
1.一种矿井井壁破裂监测预警方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1、根据已建井筒周围环境、地质情况以及实施条件，分析井壁易发生破坏的位置，确定监测区域；
步骤S2、在监测区域的井壁内侧安装多层微震传感器，每层的微震传感器数量不少于4个，监测范围内的安装的微震传感器层数不少于4层；传感器采用埋入式的方式实现与井壁的较好耦合，预埋孔直径不小于40mm，孔深不小于60mm，传感器就位后通过锚固剂填充缝隙，所有传感器通过通讯电缆与井上采集仪连接，实时获取震源信号；
步骤S3、对采集的信号波形分析，首先通过递归STA/LTA算法判断信号是否为突发型信号，若为突发型信号再经过小波包多尺度分解、重构，然后对重构的信号进行频带的细部分析，获取特征频带的分形盒维数D，最后通过波形的盒维数判断该信号是否为井壁破裂信号；其次，通过稀疏网格搜索与单纯形法相结合的定位方法获得破裂源的空间坐标；最后，通过矩张量反演获取的震源机制解及震源参数，确定的井壁的破裂源类型，在此基础上计算出每个震源的能量大小；
步骤S4、根据破裂震源信息实时刻画井壁的动态损伤过程，建立损伤预警指标，最终实现对井壁破坏、失稳灾害的预警；分析井壁破裂的微震辐射能量时空分布特征和聚集程度，将微震能量密度作为损伤预警指标，分析确定各级损伤阈值，从而识别出井壁潜在失稳危险区域，最终实现对井壁破坏、失稳灾害的预警。
2.根据权利要求1所述的一种矿井井壁破裂监测预警方法，其特征在于，该监测预警方法采用监测预警系统来完成，整个监测预警系统由加速度微震传感器、通讯电缆、信号采集系统、信号处理预警系统四部分组成，其中传感器的采集频率范围为50～100KHz，采集系统的采样频率不小于500KHz，采用触发式采集。
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