CN114776379A - 矿震综合监测系统及其估算矿震损害范围的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种矿震综合监测系统及其估算矿震损害范围的方法。现有矿用微震监测系统均采用单一频段检波器，准确度不高。为此，本矿震综合监测系统包括地面监测计算机和多个检波器，检波器包括多个高频检波器、多个中低频检波器和多个中高频检波器，高频检波器均匀设置在掘进巷道内；中低频检波器均匀设置在矿井大巷各处；中高频检波器均匀设置在回采工作面的轨道巷和皮带巷内。本发明矿震综合监测系统科学地为不同的井下环境选择不同的矿震传感器，充分发挥了不同频段的检波器的特点、优点，同时多种检波器感应的数据汇总到同一地面监测电脑上，便于数据比对，综合判断矿震损害。
Description
技术领域
本发明涉及一种矿震综合监测系统及其估算矿震损害范围的方法。
背景技术
矿井开采过程中伴随的不同程度的矿震，不仅能够诱发井下冲击地压，给安全采矿带来严重影响，并且部分强矿震也能造成地面的强烈震感和建筑物的晃动损害，给附近居民带来极度恐慌。因此，需要不断加强矿井开采过程中的矿震监测，扩大监测区域，增大监测震动频段，评估强矿震或冲击地压给地面建筑物(构筑物)带来的影响范围，从而进行提前预警。
矿震监测技术主要是通过检波器采集煤岩体破裂过程中产生的震动信 号，经过分析处理得到震源发生的空间位置与能量等级，根据矿震事件的 强弱、频率，判断矿震对地面建(构)筑物可能产生的潜在动力灾害，从 而进行提前预警。但是现有的矿震监测系统，如地音监测系统、微震监测 系统使用检波器频段单一，且采集到的数据只在单系统内进行处理，未进 行联合分析，覆盖范围小，监测精度低，不能及时、有效地对地面可能受 到的震动损害进行评估。如专利“一种矿用微震监测方法”公开号 CN105785436A，通过动态调整检波器位置或增加检波器的安装方式提高监 测能力，未考虑检波器频段且仅使用单一监测系统；专利“一种矿用微震 监测系统”公开号CN110454229A，通过改变传感器种类进行微震监测，仍 为单一监测系统且未涉及检波器频段；专利“一种井上下联合微震监测系 统及方法”公开号CN110703320A，通过增加井上微震监测系统提高了定位 精度，进行了双系统联合分析但未考虑检波器频段。
发明内容
本发明要解决的技术问题是如何填补现有技术的上述空白，提供一种 矿震综合监测系统及其估算矿震损害范围的方法。
为解决上述技术问题，本发明矿震综合监测系统，包括地面监测计算 机和多个检波器，上述检波器分别设置在配用矿井的掘进巷道、矿井大巷、 回采工作面的轨道巷和皮带巷内，并通过环网交换机和光纤与地面监测计 算机相连，其特征在于：所述检波器包括多个高频检波器、多个中低频检 波器和多个中高频检波器，所述高频检波器均匀设置在掘进巷道内，并均 与一地音监测子站相连，并通过该地音监测子站与环网交换机相连，所述高频检波器与该地音监测子站形成地音监测子系统；
所述中低频检波器均匀设置在矿井大巷各处，并配有大巷微震监测子 站、大巷微震监测主站，通过大巷微震监测子站、大巷微震监测主站与环 网交换机相连，上述中低频检波器与大巷微震监测子站、大巷微震监测主 站组成矿井大巷微震监测子系统；
所述中高频检波器均匀设置在回采工作面的轨道巷和皮带巷内，并均与 一微震监测子站相连，并通过该微震监测子站与环网交换机相连，上述中 高频检波器与微震监测子站组成回采工作面微震监测子系统。
发明人经过长期研究、实践发现：掘进巷道周围多是坚实的煤层，便于 高频地音传输，因此选用高频检波器更加灵敏、准确；矿井大巷大都远离 采空区，远离矿震震源，只有中低频、大能量的矿震信号才容易被监测到， 因此选用中低频检波器，监测更加灵敏；回采工作面的轨道巷和皮带巷邻 近采空区和矿震震源，选用中高频检波器，才更加合适。
如此设计，本发明科学地为不同的井下环境选择不同的矿震传感器， 充分发挥了不同频段的检波器的特点、优点，同时多种检波器感应的数据 汇总到同一地面监测电脑上，便于数据比对，综合判断矿震损害。
作为优化，其还包括多个多频检波器，上述多频检波器分别置在配用矿 井地表上，上述多频检波器均与地面监测计算机相连，形成地面微震监测 子系统。如此设计，便于直接监测传到地表的矿震强度和影响。
作为优化，所述多频检波器包含多个不同频段的检波器，分别埋藏于不 同深度的、布置于矿井全部开采范围内的地表孔中。如此设计，便于监测 矿井开采过程中的全部震动事件。
作为优化，所述高频检波器由频段为60～2000Hz的高频检波器构成。 如此设计，便于连续监测高频、低能量震动事件，并将监测数据传输至地 音监测子站中。
作为优化，所述中低频检波器由频段为0.1～150Hz的中低频检波器构 成。如此设计，便于监测传到矿井大巷的低频、大能量震动事件，并将监 测数据传输至矿井大巷微震监测子系统。
作为优化，所述中高频检波器由频段为4.5～800Hz的中高频检波器构 成。如此设计，便于连续监测中高频、中高能量震动事件，并将监测数据 传输至回采工作面微震监测子系统。
作为优化，所述地音监测子系统、矿井大巷微震监测子系统、回采工作 面微震监测子系统、地面微震监测子系统配有时间同步装置，具有相同时 钟。如此设计，便于通过地面监测计算机对地音监测子系统、矿井大巷微 震监测子系统、回采工作面微震监测子系统、地面微震监测子系统感应到 的矿震数据进行数据对比，综合判断矿震损害。
本发明利用前述矿震综合监测系统监测数据估算矿震损害范围的方 法，包括步骤如下：
①.选取前述矿震综合监测系统监测到某次大能量矿震监测数据，按常 规方法计算出矿震的经纬坐标及震源深度；
②.按下述公式，估算出地面震动损害边界的半径范围：
式中，η为地震波动能转化系数，取0～1；ρ为地面质点单元的平均密 度，单位kg/m3；vm为地面质点单元安全或极限震动速度，单位mm/s；U 为地面监测服务器中监测到的关键层破断释放的弹性能，单位J；λ为与地 层介质等有关的衰减系数；h1为关键层厚度，单位m；h2为关键层距地 表距离，单位m，矿震对地面建(构)筑物无震感时vm＜5mm/s；矿震对 地面建(构)筑物有震感时5mm/s≤vm＜30mm/s；矿震对地面建(构)筑 物产生破坏时vm≥30mm/s，所得S值即为S为地面震动损害边界的半径， 单位m。
如此设计，可以方便地计算出已发生矿震的地面震动损害边界，可以计 算出将来可能发生的较大矿震的地面震动损害边界，从而指导地面预先防 范。
本发明将不同频率检波器组成的多套监测系统连接至同一地面监测服 务器实现矿区全范围内广域宽频的矿震监测，能够克服局部区域布置定频 检波器进行矿震监测的局限性问题，提高矿井不同区域矿震事件的监测精 度，准确评估矿震对地面带来的震动影响范围，满足矿井监测矿震发生的 需求。
本发明矿震综合监测系统科学地为不同的井下环境选择不同的矿震传 感器，充分发挥了不同频段的检波器的特点、优点，同时多种检波器感应 的数据汇总到同一地面监测电脑上，便于数据比对，综合判断矿震损害。
附图说明
下面结合附图对本发明矿震综合监测系统，作进一步说明：
图1为本发明矿震综合监测系统的立体结构示意图。
图2为沿着回采工作面的纵向竖直平分面部切的局部地层的剖面结构 示意图。
图中：1—地面监测计算机、2—掘进巷道、3—矿井大巷、4—回采工 作面、5—高频检波器、6—中低频检波器、7—中高频检波器、8—地音监 测子站、9—大巷微震监测子站、10—大巷微震监测主站、11—微震监测子 站、12—多频检波器、13—地表；14—环网/光纤、15—震动损害边界、16— 震感边界；17—无震感边界、18—关键层、19—煤层；20—采空区；
O—震源；P—震中；S—地面震动损害边界的半径；r—震源传播的空 间距离；h1—关键层厚度；h2—关键层距地表距离；h3—关键层距煤层距 离；H—煤层距地表距离。
具体实施方式
实施方式一：如图1-2所示，本矿震综合监测系统包括地面监测计算机1 和多个检波器，上述检波器分别设置在配用矿井的掘进巷道2、矿井大巷3、 回采工作面4的轨道巷和皮带巷内，并通过环网交换机和光纤与地面监测计 算机1相连，其特征在于：所述检波器包括多个高频检波器5、多个中低频 检波器6和多个中高频检波器7，
所述高频检波器5均匀设置在掘进巷道2内，并均与一地音监测子站8相 连，并通过该地音监测子站8与环网交换机相连，所述高频检波器5与该地 音监测子站8形成地音监测子系统；
所述中低频检波器6均匀设置在矿井大巷3各处，并配有大巷微震监测 子站9、大巷微震监测主站10，通过大巷微震监测子站9、大巷微震监测主 站10与环网交换机相连，上述中低频检波器6与大巷微震监测子站9、大巷 微震监测主站10组成矿井大巷微震监测子系统；
所述中高频检波器7均匀设置在回采工作面4的轨道巷和皮带巷内，并 均与一微震监测子站11相连，并通过该微震监测子站11与环网交换机相连， 上述中高频检波器7与微震监测子站11组成回采工作面微震监测子系统。
本矿震综合监测系统还包括多个多频检波器12，上述多频检波器12分 别置在配用矿井地表上，上述多频检波器12均与地面监测计算机相连，形 成地面微震监测子系统。所述多频检波器12包含多个不同频段的检波器， 分别埋藏于不同深度的、布置于矿井全部开采范围内的地表孔中。所述高 频检波器5由频段为60～2000Hz的高频检波器构成。所述中高频检波器7 由频段为4.5～800Hz的中高频检波器构成。所述中低频检波器6由频段为0.1～150Hz的中低频检波器构成。所述地音监测子系统、矿井大巷微震监 测子系统、回采工作面微震监测子系统、地面微震监测子系统配有时间同 步装置(参见CN 205644073 U所述的用于矿震监测系统的时间同步装置)， 具有相同时钟。
本发明利用前述矿震综合监测系统监测数据估算矿震损害范围的方 法，包括步骤如下：
①.选取前述矿震综合监测系统监测到某次大能量矿震监测数据，按常 规方法计算出矿震的经纬坐标及震源深度；
②.按下述公式，估算出地面震动损害边界的半径范围：
式中，η为地震波动能转化系数，取0～1；ρ为地面质点单元的平均密 度，单位kg/m3；vm为地面质点单元安全或极限震动速度，单位mm/s；U 为地面监测服务器中监测到的关键层破断释放的弹性能，单位J；λ为与地 层介质等有关的衰减系数；h1为关键层厚度，单位m；h2为关键层距地 表距离，单位m，矿震对地面建(构)筑物无震感时vm＜5mm/s；矿震对 地面建(构)筑物有震感时5mm/s≤vm＜30mm/s；矿震对地面建(构)筑 物产生破坏时vm≥30mm/s，所得S值即为S为地面震动损害边界的半径， 单位m。
进一步地，地音监测系统、微震监测系统、全矿微震监测系统监测数 据首先共同传输至井下微震监测主站12中再通过环网/光纤13传输至地面 监测服务器14中；地面微震监测系统监测数据通过无线或通讯电缆直接传 输至同一地面监测服务器14中。
进一步地，通过监测服务器14对多套系统同一时间监测到的同一震动 事件进行联合对比分析定位，实现矿区全范围内广域宽频的矿震监测。
进一步地，通过监测服务器14对比分析得到的震源O和震动能量U，震源O所在主关
键层厚度h1=263m，平均埋深h2=326.5m，震动能量U=1.45×107J，根据取地震波动能转化系
数η=1%，岩层介质r=25kN/m3，衰减系数l=1.5，将参数代入公式
中可得地面建（构）筑物损害边界16为524m，震感边界17为7573m，无震感边界18为大于
7573m。表1为不同能量矿震影响平面范围理论参考。
表1
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 (8)
1.一种矿震综合监测系统，包括地面监测计算机和多个检波器，上述检波器分别设置在配用矿井的掘进巷道、矿井大巷、回采工作面的轨道巷和皮带巷内，并通过环网交换机和光纤与地面监测计算机相连，其特征在于：所述检波器包括多个高频检波器、多个中低频检波器和多个中高频检波器，
所述高频检波器均匀设置在掘进巷道内，并均与一地音监测子站相连，并通过该地音监测子站与环网交换机相连，所述高频检波器与该地音监测子站形成地音监测子系统；
所述中低频检波器均匀设置在矿井大巷各处，并配有大巷微震监测子站、大巷微震监测主站，通过大巷微震监测子站、大巷微震监测主站与环网交换机相连，上述中低频检波器与大巷微震监测子站、大巷微震监测主站组成矿井大巷微震监测子系统；
所述中高频检波器均匀设置在回采工作面的轨道巷和皮带巷内，并均与一微震监测子站相连，并通过该微震监测子站与环网交换机相连，上述中高频检波器与微震监测子站组成回采工作面微震监测子系统。
2.根据权利要求1所述的矿震综合监测系统，其特征在于：其还包括多个多频检波器，上述多频检波器分别置在配用矿井地表上，上述多频检波器均与地面监测计算机相连，形成地面微震监测子系统。
3.根据权利要求2所述的矿震诱发地面震动损害危险性的监测和评估方法，其特征在于：所述多频检波器包含多个不同频段的检波器，分别埋藏于不同深度的、布置于矿井全部开采范围内的地表孔中。
4.根据权利要求1所述的矿震综合监测系统，其特征在于：所述高频检波器由频段为60～2000Hz的高频检波器构成。
5.根据权利要求1所述的矿震综合监测系统，其特征在于：所述中低频检波器由频段为0.1～150Hz的中低频检波器构成。
6.根据权利要求1所述的矿震综合监测系统，其特征在于：所述中高频检波器由频段为4.5～800Hz的中高频检波器构成。
7.根据权利要求2所述的矿震综合监测系统，其特征在于：所述地音监测子系统、矿井大巷微震监测子系统、回采工作面微震监测子系统、地面微震监测子系统配有时间同步装置。
8.一种利用权利要求7所述矿震综合监测系统监测数据估算矿震损害范围的方法，包括步骤如下：
①.选取权利要求7所述矿震综合监测系统监测到某次大能量矿震监测数据，按常规方法计算出矿震的经纬坐标及震源深度；
②.按下述公式，估算出地面震动损害边界的半径范围：
式中，η为地震波动能转化系数，取0～1；ρ为地面质点单元的平均密度，单位kg/m3；vm为地面质点单元安全或极限震动速度，单位mm/s；U为地面监测服务器中监测到的关键层破断释放的弹性能，单位J；λ为与地层介质等有关的衰减系数；h1为关键层厚度，单位m；h2为关键层距地表距离，单位m，矿震对地面建(构)筑物无震感时vm＜5mm/s；矿震对地面建(构)筑物有震感时5mm/s≤vm＜30mm/s；矿震对地面建(构)筑物产生破坏时vm≥30mm/s，所得S值即为S为地面震动损害边界的半径，单位m。
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|---|---|---|---|---|
| CN117075224A (zh) * | 2023-10-18 | 2023-11-17 | 山东科岳科技有限公司 | 一种用于评价矿震监测台站检测能力的方法 |
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