CN114994791A - 一种用于评估井地一体微震监测系统监测能力的方法 - Google Patents
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Abstract
一种用于评估井地一体微震监测系统监测能力的方法，利用分别安装在矿井井下与地面的传感器联合记录采掘区域生产过程中出现的微震信号，采用多个不同能量级别的微震信号确定矿井微震能量与P波初至峰值幅度的传播关系式，综合依据采掘区域和传感器安装位置确定监测能力评估范围，划分用于评估的三维等间距网格模型，然后顺序选取三维等间距网格模型的每一个点，利用确定的能量与P波初至峰值幅度的传播关系式反演计算每个点上能够触发微震监测系统记录的最小能量，最后获得评估井地一体微震监测能力的云图结果。该方法能准确评估井地一体微震监测系统对不同能量级别微震的观测能力，有效指导现场调整井地一体微震监测台网。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于评估井地一体微震监测系统监测能力的方法，属于煤矿安全技术领域。
背景技术
冲击地压是发生在井下巷道围岩中的突发性动力显现现象，其破坏性巨大，甚至引发煤与瓦斯突出、水灾等次生灾害。微震监测可采集记录矿山采掘区域内产生的各类震动信号，它是目前用于大范围判识冲击危险分布及预测冲击危险变化趋势的最可靠方法。但受井下巷道布设空间的限制，例如在巷道独头掘进、采空区远场高位岩层破裂等环境下，传感器很难有效立体覆盖和包围待测区域，极大地限制了微震监测的监测与定位能力。因此，根据采掘生产区域所在位置，通过在地面安装一些传感器，与井下安装的传感器共同形成监测台网，可显著提高微震监测系统的监测与定位能力。
目前，基于井地一体微震监测的多数预警方法都依赖于系统采集的有效微震信号数量，而已有方法主要是采用例如D值优化算法等评估微震监测系统的定位能力，而对于对如何评估井地一体微震监测系统对不同能量级别微震的监测能力则未有涉及，无法满足现场对有效布设井地一体微震监测系统的需求。
发明内容
针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种用于评估井地一体微震监测系统监测能力的方法，该方法能准确评估井地一体微震监测系统对不同能量级别微震的观测能力，有效指导现场调整井地一体微震监测台网，满足矿井采掘生产过程中对有效布设井地一体微震监测系统的需求。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种用于评估井地一体微震监测系统监测能力的方法，包括如下步骤：
(1)利用分别安装在矿井井下与地面的传感器联合记录采掘区域生产过程中出现的微震信号；
(2)选择步骤(1)中采集的多个不同能量级别的微震信号，并确定矿井微震能量E与P波初至峰值幅度f之间的传播关系式为：
其中，α1为幅能比系数，α2为衰减系数，r为微震震源至井下或地面传感器的距离；
(3)依据采掘区域和井下及地面传感器安装位置确定监测能力评估范围，划分用于评估的三维等间距网格模型，划分步骤为：
301)取采掘区域范围和井下及地面传感器安装范围X方向最小值Xmin、最大值Xmax，Y方向最小值Ymin、最大值Ymax，Z方向最小值Zmin、最大值Zmax，确定定位能力评估范围为[XminXmax]、[YminYmax]、[ZminZmax]；
302)根据步骤301)中确定的定位能力评估范围[XminXmax]、[YminYmax]、[ZminZmax]，取X方向间距为dx，Y方向间距为dy，Z方向间距为dz，进而确定网格数量为：
的三维等间距网格模型；其中，m、n、p分别代表X方向、Y方向、Z方向的网格数量；
(4)按顺序取步骤(3)中三维等间距网格模型的每一个点[Xi,Yj,Zk]，利用步骤(2)确定的能量E与P波初至峰值幅度f的传播关系式，反演计算每个点[Xi,Yj,Zk](i∈1，2，...m,j∈1,2,...n,k∈1,2,...p)上能够触发微震监测系统记录的最小能量
(5)依据步骤4中确定的三维网格模型中每个点[Xi,Yj,Zk]的最小能量
获得评估井地一体微震监测系统监测能力的云图结果。
进一步地，所述步骤(4)中，触发微震监测系统记录的最小能量
的计算步骤为：
401)依据利用P波初至到时进行定位的微震定位原理，当至少有总数为4的井下传感器和地面传感器接收到的P波初至峰值幅度f大于等于其各自所监测的3倍背景环境噪音时触发微震监测系统记录微震信号；
402)计算点[Xi,Yj,Zk]与每个井下及地面传感器
的距离rq，式中，q＝1，2，...n1,n1为传感器数量；依据步骤401)确定触发每个井下及地面传感器所需的P波初至峰值幅度fq，根据步骤(2)中矿井微震能量E与P波初至峰值幅度f之间的传播关系式反算触发每个探头所需的震源能量
为：
403)对根据步骤402)计算得到的
进行从小到大排序，选择排序在第4个的能量值作为能够触发井地一体微震监测系统记录微震信号的最小能量
进一步地，所述步骤401)中，所述的环境噪音包括由安装于地表的地面传感器进行监测的地表环境噪音NLs和安装于井下巷道里的井下传感器进行监测的井下环境噪音NLu。
进一步地，所述步骤(2)中，α1和α2的确定方法为：人工标记各传感器记录的P波初至峰值f，计算多个不同能量级别微震信号的震源位置和震源能量E，获取震源至井下或地面传感器的距离r，再根据非线性最小二乘法确定α1和α2。
进一步地，所述步骤(5)中采用克里金插值算法绘制最小能量分布云图。
本发明利用分别安装在矿井井下与地面的传感器联合记录采掘区域生产过程中出现的微震信号，并采用多个不同能量级别的微震信号确定矿井微震能量与P波初至峰值幅度的传播关系式，综合依据采掘区域和传感器安装位置确定监测能力评估范围，划分用于评估的三维等间距网格模型，然后顺序选取三维等间距网格模型的每一个点，利用确定的能量与P波初至峰值幅度的传播关系式反演计算每个点上能够触发微震监测系统记录的最小能量，最后获得评估井地一体微震监测能力的云图结果。该方法利用井地一体微震监测系统的实际监测信号，可准确评估监测系统的观测能力，有效指导了现场调整井地一体微震监测台网，确保了井地一体微震监测系统能够观测到矿井采掘生产过程中产生的各种能量级别的微震，满足了矿井采掘生产过程中对有效布设井地一体微震监测系统的需求。
附图说明
图1是本发明的工作流程图；
图2是实施例中实际P波初至峰值幅度f与拟合数据的对比曲线；
图3是实施例中划分的三维网格模型；
图4是实施例中井地一体微震监测系统监测能力评估云图。
具体实施方式
下面将对本发明作进一步说明。
如图1所示，一种用于评估井地一体微震监测系统监测能力的方法，包括如下步骤：
(1)利用分别安装在矿井井下与地面的传感器联合记录采掘区域生产过程中出现的微震信号；
(2)选择步骤(1)中采集的多个不同能量级别的微震信号，并确定矿井微震能量E与P波初至峰值幅度f之间的传播关系式为：
其中，α1为幅能比系数，α2为衰减系数，r为微震震源至井下或地面传感器的距离；
(3)依据采掘区域和井下及地面传感器安装位置确定监测能力评估范围，划分用于评估的三维等间距网格模型，划分步骤为：
301)取采掘区域范围和井下及地面传感器安装范围X方向最小值Xmin、最大值Xmax，Y方向最小值Ymin、最大值Ymax，Z方向最小值Zmin、最大值Zmax，确定定位能力评估范围为[XminXmax]、[YminYmax]、[ZminZmax]；
302)根据步骤301)中确定的定位能力评估范围[XminXmax]、[YminYmax]、[ZminZmax]，取X方向间距为dx，Y方向间距为dy，Z方向间距为dz，进而确定网格数量为：
的三维等间距网格模型；其中，m、n、p分别代表X方向、Y方向、Z方向的网格数量；
(4)按顺序取步骤(3)中三维等间距网格模型的每一个点[Xi,Yj,Zk]，利用步骤(2)确定的能量E与P波初至峰值幅度f的传播关系式，反演计算每个点[Xi,Yj,Zk](i∈1，2，...m,j∈1,2,...n,k∈1,2,...p)上能够触发微震监测系统记录的最小能量
(5)依据步骤4中确定的三维网格模型中每个点[Xi,Yj,Zk]的最小能量
获得评估井地一体微震监测系统监测能力的云图结果。
进一步地，所述步骤(4)中，触发微震监测系统记录的最小能量
的计算步骤为：
401)依据利用P波初至到时进行定位的微震定位原理，当至少有总数为4的井下传感器和地面传感器接收到的P波初至峰值幅度f大于等于其各自所监测的3倍背景环境噪音时触发微震监测系统记录微震信号；
402)计算点[Xi,Yj,Zk]与每个井下及地面传感器
的距离rq，式中，q＝1，2，...n1,n1为传感器数量；依据步骤401)确定触发每个井下及地面传感器所需的P波初至峰值幅度fq，根据步骤(2)中矿井微震能量E与P波初至峰值幅度f之间的传播关系式反算触发每个探头所需的震源能量
为：
403)对根据步骤402)计算得到的
进行从小到大排序，选择排序在第4个的能量值作为能够触发井地一体微震监测系统记录微震信号的最小能量
进一步地，所述步骤401)中，所述的环境噪音包括由安装于地表的地面传感器进行监测的地表环境噪音NLs和安装于井下巷道里的井下传感器进行监测的井下环境噪音NLu。
进一步地，所述步骤(2)中，α1和α2的确定方法为：人工标记各传感器记录的P波初至峰值f，计算多个不同能量级别微震信号的震源位置和震源能量E，获取震源至井下或地面传感器的距离r，再根据非线性最小二乘法确定α1和α2。
进一步地，所述步骤(5)中采用克里金插值算法绘制最小能量分布云图。
实施例：
(1)利用分别安装在矿井井下与地面的传感器联合记录采掘区域生产过程中出现的微震信号，其中5个地面传感器安装在地表，地表监测环境背景噪音NLs＝2.0×10-8m/s；4个井下传感器安装在井下巷道里，井下监测环境背景噪音NLu＝5.0×10-7m/s。井下与地面传感器形成包围矿井采掘区域的监测台网，实时采集生产中围岩内出现的微震信号。
5个地面传感器和4个井下传感器的位置
如下表:
(2)选择步骤(1)中采集的3个不同能量级别的微震信号，计算其微震震源能量和震源位置，如下表：
之后人工标记各传感器记录的P波初至峰值f，计算震源至各传感器的距离r，如下表：
代入微震能量E与P波初至峰值幅度f的传播关系式：
(3)依据采掘区域和井下及地面传感器安装位置确定监测能力评估范围，划分用于评估的三维等间距网格模型：
301)确定采掘区域范围为X：[19382313 19382964]、Y：[4322587 4323053]、Z:[700 709]，取采掘区域范围和传感器安装范围的X方向最小值Xmin＝19381853、最大值Xmax＝19383511，Y方向最小值Ymin＝4321677、最大值Ymax＝4323184，Z方向最小值Zmin＝692、最大值Zmax＝1406；
302)依据步骤301中确定的范围[19381853 19383511]、[4321677 4323184]、[6921406]，取X方向间距为dx＝20、Y方向间距为dy＝20、Z方向间距为dz＝50，进而确定如图3所示网格数量为：
的三维等间距网格模型；
(4)以取三维等间距网格模型的一个点[X1＝19381853,Y1＝4321677,Z1＝692](i＝1、j＝1、k＝1)为例，利用步骤2确定的能量E与P波初至峰值幅度f传播关系式：
反演计算点[X1＝19381853,Y1＝4321677,Z1＝692]上能够触发微震监测系统记录的最小能量
的步骤为：
401)依据利用P波初至到时进行定位的微震定位原理，当至少有总数为4的井下传感器和地面传感器接收到的P波初至峰值幅度f大于等于其各自所监测的3倍环境噪音时触发微震监测系统记录微震信号，具体要求地面传感器f≥3×2.0×10-8m/s＝6×10-8m/s、井下传感器f≥3×5.0×10-7m/s＝1.5×10-6m/s；
402)计算点[X1＝19381853,Y1＝4321677,Z1＝692]与每个井下及地面传感器的距离r＝[1617，2333，1287，668，1786，1416，828，1191，1057]，依据步骤401)确定触发每个传感器所需的P波初至峰值幅度f＝[6×10-8，6×10-8，6×10-8，6×10-8，6×10-8，1.5×10-6，1.5×10-6，1.5×10-6，1.5×10-6]，通过步骤(2)中确定的矿井微震能量E与P波初至峰值幅度f的传播关系式
反算触发每个探头所需的震源能量为：
403)依据步骤401)，对步骤402)中计算的
进行从小到大排序，选择排序后[114.6，403.4，699.2，909.9，2025.1，4148.3，6626.8，8499.9，12596.4]第4个能量值作为能够触发井地一体微震监测系统记录微震信号的最小能量
(5)依据步骤(4)，计算三维网格模型中每个点[Xi,Yj,Zk]的最小能量
通过克里金插值算法获得如图4所示的评估井地一体微震监测能力的云图结果。
Claims (5)
1.一种用于评估井地一体微震监测系统监测能力的方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)利用分别安装在矿井井下与地面的传感器联合记录采掘区域生产过程中出现的微震信号；
(2)选择步骤(1)中采集的多个不同能量级别的微震信号，并确定矿井微震能量E与P波初至峰值幅度f之间的传播关系式为：
其中，α1为幅能比系数，α2为衰减系数，r为微震震源至井下或地面传感器的距离；
(3)依据采掘区域和井下及地面传感器安装位置确定监测能力评估范围，划分用于评估的三维等间距网格模型，划分步骤为：
301)取采掘区域范围和井下及地面传感器安装范围X方向最小值Xmin、最大值Xmax，Y方向最小值Ymin、最大值Ymax，Z方向最小值Zmin、最大值Zmax，确定定位能力评估范围为[XminXmax]、[YminYmax]、[ZminZmax]；
302)根据步骤301)中确定的定位能力评估范围[XminXmax]、[YminYmax]、[ZminZmax]，取X方向间距为dx，Y方向间距为dy，Z方向间距为dz，进而确定网格数量为：
的三维等间距网格模型；其中，m、n、p分别代表X方向、Y方向、Z方向的网格数量；
(4)按顺序取步骤(3)中三维等间距网格模型的每一个点[Xi,Yj,Zk]，利用步骤(2)确定的能量E与P波初至峰值幅度f的传播关系式，反演计算每个点[Xi,Yj,Zk](i∈1，2，...,m,j∈1,2,...n,k∈1,2,...,p)上能够触发微震监测系统记录的最小能量
(5)依据步骤4中确定的三维网格模型中每个点[Xi,Yj,Zk]的最小能量
获得评估井地一体微震监测系统监测能力的云图结果。
2.根据权利要求1所述的一种用于评估井地一体微震监测系统监测能力的方法，其特征在于，所述步骤(4)中，触发微震监测系统记录的最小能量
的计算步骤为：
401)依据利用P波初至到时进行定位的微震定位原理，当至少有总数为4的井下传感器和地面传感器接收到的P波初至峰值幅度f大于等于其各自所监测的3倍背景环境噪音时触发微震监测系统记录微震信号；
402)计算点[Xi,Yj,Zk]与每个井下及地面传感器
的距离rq，式中，q＝1，2，...n1,n1为传感器数量；依据步骤401)确定触发每个井下及地面传感器所需的P波初至峰值幅度fq，根据步骤(2)中矿井微震能量E与P波初至峰值幅度f之间的传播关系式反算触发每个探头所需的震源能量
为：
403)对根据步骤402)计算得到的
进行从小到大排序，选择排序在第4个的能量值作为能够触发井地一体微震监测系统记录微震信号的最小能量
3.根据权利要求2所述的一种用于评估井地一体微震监测系统监测能力的方法，其特征在于，所述步骤401)中，所述的环境噪音包括由安装于地表的地面传感器进行监测的地表环境背景噪音NLs和安装于井下巷道里的井下传感器进行监测的井下环境背景噪音NLu。
4.根据权利要求1或2所述的一种用于评估井地一体微震监测系统监测能力的方法，其特征在于，所述步骤(2)中，α1和α2的确定方法为：人工标记各传感器记录的P波初至峰值f，计算多个不同能量级别微震信号的震源位置和震源能量E，获取震源至井下或地面传感器的距离r，再根据非线性最小二乘法确定α1和α2。
5.根据权利要求4所述的一种用于评估井地一体微震监测系统监测能力的方法，其特征在于，所述步骤(5)中采用克里金插值算法绘制最小能量分布云图。
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