CN115542381B - 基于三分向监测仪的矿震井地一体化融合监测系统及方法 - Google Patents

基于三分向监测仪的矿震井地一体化融合监测系统及方法 Download PDF

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Abstract

一种基于三分向监测仪的矿震井地一体化融合监测系统及方法，系统：地面监测单元由户外机房、太阳能供电模块、交换机、4G/5G路由器、视频监控模块、高精度三分向监测仪和全景摄像头组成；地面监测单元中的4G/5G路由器通过无线与运营商基站连接；井下监测单元主要由拾震传感器、电缆和信号采集站组成；数据采集处理单元由VPN路由器、信号记录仪、信号分析计算机和UPS电源组成；VPN路由器通过无线与运营商基站连接。方法：在矿震发生时，通过地面监测单元采集地表基岩处的震动波信号，通过井下监测单元采集煤层岩中的震动波信号，利用信号分析仪为两种信号授时同步，再通过波速模型进行震源三维定位。该系统及方法有利于精确的确定矿震破裂发生的层位。

Description

基于三分向监测仪的矿震井地一体化融合监测系统及方法
技术领域
本发明涉及属于煤矿开采矿震监测技术领域，具体涉及一种基于三分向监测仪的矿震井地一体化融合监测系统及方法。
背景技术
矿震也被称为矿山地震，其发生的主要原因是采掘活动破坏了地下岩体结构的稳定性，导致能量释放，造成地面发生晃动或井下发生破坏，引发地质灾害。在矿震发生时，岩体断裂，能量释放，产生震动波。
现阶段，煤矿大矿震频发，其一方面严重的威胁到了矿井的安全生产工作，另一方面容易造成矿震地点周围居民的心理恐慌，加剧企业与社会之间的矛盾。在现有的微震监测系统中，其所有传感器大多处于同一水平面中，通过同一水平面的微震传感器对震动波进行实时监测的监测能力有限，在定位精度以及稳定性等方面仍然存在不足，对于远场采空区、高位厚硬顶板、低位底板、独头掘进巷道等复杂环境下的矿震精准定位困难，与当前的防冲技术要求有着较大的差距，其并没有从矿区整体的监测角度考虑，再加上近水平煤层中微震传感器的布置方式往往无法满足对监测区域的三维立体包围，导致矿震定位精度不足，尤其是垂直方向的误差较大，无法准确判断出矿震发生的层位，因此，现有的监测系统定位精度有限，现场应时时难以满足实际需求，给矿井安全造成了极大的威胁。
发明内容
针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种基于三分向监测仪的矿震井地一体化融合监测系统及方法，该系统的稳定性高，可靠性强，投入成本低，能够实现对矿震的全天候无间断的监测，同时，能实现对矿震的立体化监测，有利于精确的确定矿震破裂发生的层位。该方法实施成本低，可有效提高矿震监测能力及定位精度，能为煤矿的安全生产工作提供有效的防治措施，并能为研究矿震发生机理提供准确可靠的依据。
为了实现上述目的，本发明提供一种基于三分向监测仪的矿震井地一体化融合监测系统，包括数据采集处理单元、地面监测单元、井下监测单元和运营商基站；
所述地面监测单元为多组，且多组监测单元均匀的分布在工作面上方对应的待监测区域中，每组地面监测单元均由户外机房、太阳能供电模块、交换机、4G/5G路由器、视频监控模块、高精度三分向监测仪和全景摄像头组成；所述户外机房安装在地表基岩的上部，其内部空间的底部设置有水泥台，所述水泥台通过锚杆与地表基岩固定连接；所述太阳能供电模块由太阳能电池板、太阳能供电控制器和蓄电池组组成，所述太阳能电池板安装在户外机房的顶部，用于将太阳能转换为电能并将转换的电能向外部输出；所述蓄电池组、太阳能供电控制器、高精度三分向监测仪、视频监控模块、交换机和4G/5G路由器均安装在户外机房的内部空间中，且所述高精度三分向监测仪内置有加速度计和GPS授时模块一，其安装在所述水泥台上；所述太阳能供电控制器分别与太阳能电池板、蓄电池组、交换机、4G/5G路由器、视频监控模块和高精度三分向监测仪连接，太阳能供电控制器用于将太阳能电池板输出的电能输送给蓄电池组进行充电，同时，用于控制蓄电池组利用其中储存的电能对用电设备进行供电；所述高精度三分向监测仪与交换机连接，用于在矿震发生时对传播到地表基岩处的震动波信号进行采集，并将采集的时间信息和采集点的位置信息记录在震动波信号中形成带时间和位置戳的地表基岩震动波信号，同时，用于将带时间和位置戳的地表基岩震动波信号发送给交换机以向外部进行传输；所述全景摄像头安装在户外机房的外部，且靠近户外机房的设置，全景摄像头与视频监控模块连接，用于实时采集户外机房外部周围的图像信号，并将机房外部图像信号实时发送给视频监控模块；所述视频监控模块与交换机连接，用于将接收的机房外部图像信号发送给交换机以向外部进行传输；所述4G/5G路由器为无线路由器，其通过有线或无线的方式与交换机连接，并通过无线的方式与运营商基站连接；4G/5G路由器用于将交换机传输的带时间戳的地表基岩震动波信号和机房外部图像信号发送给运营商基站，并通过运营商基站向外部发送；
所述井下监测单元主要由多个拾震传感器、多根电缆和信号采集站组成；多个拾震传感器依次编号，并彼此相间隔的布置在井下工作面的两顺槽处的底板上，且通过锚杆与煤岩层连接，拾震传感器通过电缆与信号采集站连接，用于在矿震发生时对煤岩层中的震动波信号进行采集，并将煤岩层震动波信号发送给信号采集站；所述信号采集站内置有GPS授时模块二，用于对各个拾震传感器进行用电的供应，用于在接收到煤岩层震动波信号时，将采集的时间信息和采集拾震传感器的位置信息记录在震动波信号中形成带时间和位置戳的煤岩层震动波信号，并将带时间和位置戳的煤岩层震动波信号向外部发送；
所述数据采集处理单元由VPN路由器、信号记录仪、信号分析计算机和UPS电源组成；所述VPN路由器通过有线或无线的方式与信号记录仪连接，并通过无线的方式与运营商基站连接，用于将运营商基站发送出的带时间和位置戳的地表基岩震动波信号和机房外部图像信号传输给信号记录仪；所述信号记录仪分别与信号采集站和信号分析计算机连接，用于对来自井下的带时间和位置戳的煤岩层震动波信号和来自地面的带时间和位置戳的地表基岩震动波信号进行对比分析，并在对两种信号进行同步授时后将其发送给信号分析计算机；所述信号分析计算机用于对经过同步授时后的两种信号进行分析处理，用于对机房外部图像信号进行分析处理；所述UPS电源分别与信号采集站和信号记录仪连接，用于进行不间断电源的供应。
进一步，为了有效监测震动波信号，所述拾震传感器为单分量传感器。
进一步，为了方便进行线缆的接续，所述井下监测单元还包括接线盒，所述接线盒设置在多根线缆交汇点的连接处。
进一步，为了能精确的获得X、Y、Z三个方向的震动波信号，所述加速度计为EpiSensor加速度计。
进一步，为了有效提高定位精度，所述GPS授时模块一和GPS授时模块二均为毫秒级高精度GPS授时器。毫秒级高精度GPS授时器可以确保误差小于2us，进而能保证授权的统一性和精确性。
本发明中，通过在地面的待监测区域均匀设置多个地面监测单元，可以实现对待监测区域进行全方位的监测；通过户外机房的设置，能有效对地面监测单元中的各组成部分进行有效的保护；通过太阳能供电模块的设置能将太阳能转化为电能储存在蓄电池组中，进而能利用储存的电能为地面监测单元中的各用电设备的持续运行进行用电的供应，有利于地面监测单元在户外长期稳定的运行；通过在每个户外机房的底部均设置水泥台，并通过锚杆建立水泥台与地表基岩的固定连接，再将高精度三分向监测仪安装在水泥台上，可以确保设置在户外机房内部的高精度三分向监测仪更精确更及时的接收地表基岩中震动波信号。使高精度三分向监测仪的内部内置有加速度计和GPS授时模块一，可以在同一位置同步的采集X、Y、Z三个方向的震动波信号，并可以将采集时间和采集点的位置信息绑定在震动波信号形成带时间和位置戳的地表基岩震动波信号；利用运营商基站建立地面监测单元与数据采集处理单元之间的无线通信连接，突破了有线传输方式对安装地点的限制，从而极大的方便现场监测台站地点的选择，并极大的降低传统有线通信链路的铺设成本。通过在井下工作面的两顺槽处的底板上均匀的布置多个拾震传感器，并使拾震传感器通过锚杆与煤层岩连接，有效的降低了地震波在传播过程中能量消耗的影响，进而可以更精确更及时的接收煤层岩中的震动波信号。通过内置有GPS授时模块二的信号采集站的设置，可以在接收到所采集的煤层岩震动波信号时同步的绑定采集时间信息和采集拾震传感器的位置信息并形成带时间和位置戳的煤层岩震动波信号；使信号记录仪分别连接信号采集站、VPN路由器连接和分析仪计算机连接，可以便于对来自地面监测单元的信号和井下监测单元的信号进行比对分析，并依据时间戳信息将两种信号同步授时，然后再发送给分析仪计算机进行后续定位分析；通过UPS电源的设置，可以为信号采集站和信号记录仪提供24小时不间断供电，由于信号采集站还对各个拾震传感器进行用电的供应，这样，便能保证井下监测单元全天候24小时的稳定可靠工作，再配合由太阳能供电模块进行持续用电供应的地面监测单元，便可以实现对矿震的全天候监测，进而可以在矿震发生时及时有效的监测到震动波信号，极大提高了监测的可靠性和稳定性。该监测系统通过布置在井下工作面的多个拾震传感器和布置在工作在上方对应区域中的多个地面监测单元形成了井地一体式立体监测台网，这样不仅可以大幅度提高矿井区域与局部立体空间的有效覆盖率，进而可充分提高矿震定位精度，而且还能通过立体式的监测方式来获取地震直达波信息，由于地震直达波信息提供的信息更直接更可靠，因而显著的降低了所采集的震动波信号在垂直方向上的误差，从而有利于精确的确定矿震破裂发生的层位。该系统的稳定性高，可靠性强，投入成本低，能够实现对矿震的全天候无间断的监测，同时，能实现对矿震的立体化监测，有利于精确的确定矿震破裂发生的层位。
本发明还提供了一种基于三分向监测仪的矿震井地一体化融合监测方法，包括以下步骤：
步骤一：在待监测区域的地面布置多个地面监测单元：在地表基岩的上部均匀的布置多个户外机房，并在每个户外机房的外部附近安装全景摄像头，在每个户外机房的顶部安装太阳能电池板，在每个户外机房的内部布置蓄电池组、太阳能供电控制器、高精度三分向监测仪、视频监控模块、交换机和4G/5G路由器，并在每个户外机房内部空间的底部设置水泥台，同时，使水泥台通过锚杆与地表基岩固定连接，并将高精度三分向监测仪安装在水泥台上；使太阳能供电控制器分别与太阳能电池板、蓄电池组、交换机、4G/5G路由器、视频监控模块和高精度三分向监测仪连接，以便于利用太阳能产生的电能对各个用电设备进行用电的供应；使全景摄像头与视频监控模块连接，使视频监控模块和高精度三分向监测仪通过交换机与4G/5G路由器连接；
在待监测区域的井下构建井下监测单元：在待监测区域的井下工作面中两顺槽处的底板上均匀的布置多个拾震传感器，并使每个拾震传感器通过电缆与位于地面上的信号采集站连接，同时，使每个拾震传感器通过锚杆与煤岩层连接；
构建数据采集处理单元：使信号记录仪分别与信号分析计算机和VPN路由器连接；
建立数据采集处理单元与井下监测单元和地面监测单元的通信连接：利用地面上的多个运营商基站通过无线通信的方式建立地面监测单元中4G/5G路由器与VPN路由器的通信连接，建立信号记录仪与井下监测单元中信号采集站的通信连接；
步骤二：在矿震发生时，通过地面监测单元中的高精度三分向监测仪对传播到地表基岩处的震动波信号进行采集，同时，利用内置在高精度三分向监测仪中的GPS授时模块一发出采集的时间信息和采集点的位置信息，并将采集的时间信息和采集点的位置信息记录在震动波信号中形成带时间和位置戳的地表基岩震动波信号，然后将带时间和位置戳的地表基岩震动波信号发送给交换机；该过程中，利用地面监测单元中的全景摄像头实时采集户外机房外部周围的图像信号，并将机房外部图像信号实时发送给视频监控模块，再通过视频监控模块将机房外部图像信号发送给交换机；利用交换机将接收到的机房外部图像信号、带时间和位置戳的地表基岩震动波信号经4G/5G路由器以无线通信的形式发送给运营商基站，再通过运营商基站将接收到的机房外部图像信号、带时间和位置戳的地表基岩震动波信号以无线通信的形式经VPN路由器发送给信号记录仪；
同步地，通过井下监测单元中的拾震传感器对煤岩层中的震动波信号进行采集，并将煤岩层震动波信号发送给信号采集站，信号采集站在接收到煤岩层震动波信号时，利用内置的GPS授时模块二发出采集的时间信息和采集拾震传感器的位置信息，并将采集的时间信息和采集点的位置信息记录在震动波信号中形成带时间和位置戳的煤岩层震动波信号，再将带时间和位置戳的煤岩层震动波信号发送给信号记录仪；
步骤三：通过信号记录仪对来自地面监测单元的信号和井下监测单元的信号进行比对分析，并依据时间戳信息将两种信号同步授时，然后记录并保存为震动波形文件，同时，通过信号记录仪对机房外部图像信号进行处理，获得机房外部图像数据；再将震动波形文件和机房外部图像数据发送给信号分析计算机；
步骤四：通过信号分析计算机对震动波形文件进行定位分析，求解出矿震三维坐标及能量，并通过信号分析计算机对矿震发生地附近的机房外部图像数据进行处理，再将矿震三维坐标及能量信息和矿震发生地附近的机房外部图像数据发送给显示屏进行实时直观的显示。
作为一种优选，在步骤四中求解矿震三维坐标及能量时，先通过三维坐标已知的井下放炮信号求解井下波速V下，通过三维坐标已知的地面放炮信号求解地面波速V上，井下波速V下用于井下拾震传感器的求解算法，地面波速V上用于地面高精度三分向监测仪的求解算法；再采用基于放炮信号的异向波速求解模型，并根据公式（1）求解第i个高精度三分向监测仪上人工标记的P波初至到时，根据公式（2）求解第i个拾震传感器上人工标记的P波初至到时/>；
（1）；
（2）；
式中：为矿震震源三维坐标，/>为参与定位的地面三分量监测仪坐标，/>为井下拾震传感器坐标，/>为震源发震时刻，/>为地面第i个接收到震动的高精度三分向监测仪的波速，/>为井下第i个接收到震动的拾震传感器的波速，i=1，2，3，4，5，···。
进一步，为了保证监测精度，在步骤一中，多个地面监测单元中相邻两个地面监测单元的间距为1～2 km。
进一步，为了保证监测精度，在步骤一中，多个拾震传感器中相邻两个拾震传感器的间距为200～1000 km。
本方法中，利用信号记录仪来对来自地面监测单元的信号和井下监测单元的信号进行比对分析，并依据时间戳信息将两种信号同步授时，可以显著的降低采集时间误差。在经过同步授时的基础上，再通过波速模型进行震源三维定位，可以精确高效的求解出矿震的三维坐标及能量。利用UPS电源通过信号采集站为井下工作面中各个拾震传感器提供24小时不间断供电，同时，配合由太阳能供电模块为地面监测单元提供持续的用电供应，这样，便能保证该系统全天候24小时的稳定可靠工作，进而可以在矿震发生时及时有效的监测到震动波信号，极大提高了监测的可靠性和稳定性。利用利用运营商基站建立地面监测单元与数据采集处理单元之间的无线通信连接，突破了有线传输方式对户外监测站安装地点的限制，从而极大的方便了现场监测地点的选择，同时，极大的降低传统有线通信链路的铺设成本。该方法同时在地面和井下工作面布置了监测单元，进而可以形成立体式的监测网络，这样可以利用井下的拾震传感器采集到煤层岩中的震动波信号，再通过地面上的高精度三分向监测仪来采集传播到地表基岩的震动波信号，进而可以利用地震波在垂直方向上的传播速度来精确的判断出矿震破裂发生的层位。本发明实施成本低，有效地提高了矿震监测能力及定位精度，能为煤矿的安全生产工作提供有效的防治措施，并能为研究矿震发生机理提供准确可靠的依据。
附图说明
图1是本发明的原理框图；
图2是本发明中井下监测单元的结构示意图；
图3是本发明中地面监测单元的结构示意图。
图中：1、拾震传感器；2、信号采集站；3、信号记录仪；4、信号分析计算机；5、UPS电源；6、GPS授时模块一；7、高精度三分向监测仪；8、视频监控模块；8-1、视频监控控制端；8-2、全景摄像头；9、交换机；10、4G/5G路由器；11、运营商基站；12、VPN路由器；13、太阳能供电模块；13-1、太阳能供电控制器；13-2、太阳能电池板；14、电缆；15、接线盒；16、户外机房；17、水泥台；18、锚杆，19、GPS授时模块二，20、数据采集处理单元。
实施方式
下面对本发明作进一步说明。
如图1至图3所示，一种基于三分向监测仪的矿震井地一体化融合监测系统，包括数据采集处理单元20、地面监测单元、井下监测单元和运营商基站11；
所述地面监测单元为多组，且多组监测单元均匀的分布在工作面上方对应的待监测区域中，每组地面监测单元均由户外机房16、太阳能供电模块、交换机9、4G/5G路由器10、视频监控模块8-1、高精度三分向监测仪7和全景摄像头8-2组成；所述户外机房16安装在地表基岩的上部，其内部空间的底部设置有水泥台17，所述水泥台17通过锚杆18与地表基岩固定连接；所述太阳能供电模块由太阳能电池板13-2、太阳能供电控制器13-1和蓄电池组组成，所述太阳能电池板13-2安装在户外机房16的顶部，用于将太阳能转换为电能并将转换的电能向外部输出；所述蓄电池组、太阳能供电控制器13-1、高精度三分向监测仪7、视频监控模块8-1、交换机9和4G/5G路由器10均安装在户外机房16的内部空间中，且所述高精度三分向监测仪7内置有加速度计和GPS授时模块一6，其安装在所述水泥台17上；所述太阳能供电控制器13-1分别与太阳能电池板13-2、蓄电池组、交换机9、4G/5G路由器10、视频监控模块8-1和高精度三分向监测仪7连接，太阳能供电控制器13-1用于将太阳能电池板13-2输出的电能输送给蓄电池组进行充电，同时，用于控制蓄电池组利用其中储存的电能对用电设备进行供电；所述高精度三分向监测仪7与交换机9连接，用于在矿震发生时对传播到地表基岩处的震动波信号进行采集，并将采集的时间信息和采集点的位置信息记录在震动波信号中形成带时间和位置戳的地表基岩震动波信号，同时，用于将带时间和位置戳的地表基岩震动波信号发送给交换机9以向外部进行传输；所述全景摄像头8-2安装在户外机房16的外部，且靠近户外机房16的设置，全景摄像头8-2与视频监控模块8-1连接，用于实时采集户外机房16外部周围的图像信号，并将机房外部图像信号实时发送给视频监控模块8-1；所述视频监控模块8-1与交换机9连接，用于将接收的机房外部图像信号发送给交换机9以向外部进行传输；所述4G/5G路由器10为无线路由器，其通过有线或无线的方式与交换机9连接，并通过无线的方式与运营商基站11连接；4G/5G路由器10用于将交换机9传输的带时间戳的地表基岩震动波信号和机房外部图像信号发送给运营商基站11，并通过运营商基站11向外部发送；
所述井下监测单元主要由多个拾震传感器1、多根电缆14和信号采集站2组成；多个拾震传感器1依次编号，并彼此相间隔的布置在井下工作面的两顺槽处的底板上，且通过锚杆18与煤岩层连接，拾震传感器1通过电缆14与信号采集站2连接，用于在矿震发生时对煤岩层中的震动波信号进行采集，并将煤岩层震动波信号发送给信号采集站2；所述信号采集站2内置有GPS授时模块二19，用于对各个拾震传感器1进行用电的供应，用于在接收到煤岩层震动波信号时，将采集的时间信息和采集拾震传感器1的位置信息记录在震动波信号中形成带时间和位置戳的煤岩层震动波信号，并将带时间和位置戳的煤岩层震动波信号向外部发送；其中信号采集站2为各个拾震传感器1进行用电的供应。
所述数据采集处理单元20由VPN路由器12、信号记录仪3、信号分析计算机4和UPS电源5组成；所述VPN路由器12通过有线或无线的方式与信号记录仪3连接，并通过无线的方式与运营商基站11连接，用于将运营商基站11发送出的带时间和位置戳的地表基岩震动波信号和机房外部图像信号传输给信号记录仪3；所述信号记录仪3分别与信号采集站2和信号分析计算机4连接，用于对来自井下的带时间和位置戳的煤岩层震动波信号和来自地面的带时间和位置戳的地表基岩震动波信号进行对比分析，并在对两种信号进行同步授时后将其发送给信号分析计算机4；所述信号分析计算机4用于对经过同步授时后的两种信号进行分析处理，用于对机房外部图像信号进行分析处理；所述UPS电源5分别与信号采集站2和信号记录仪3连接，用于进行不间断电源的供应。
为了有效监测震动波信号，所述拾震传感器1为单分量传感器。
为了方便进行线缆的接续，所述井下监测单元还包括接线盒15，所述接线盒15设置在多根线缆14交汇点的连接处。
为了能精确的获得X、Y、Z三个方向的震动波信号，所述加速度计为EpiSensor加速度计。
为了有效提高定位精度，所述GPS授时模块一6和GPS授时模块二19均为毫秒级高精度GPS授时器。毫秒级高精度GPS授时器可以确保误差小于2us，进而能保证授权的统一性和精确性。
本发明中，通过在地面的待监测区域均匀设置多个地面监测单元，可以实现对待监测区域进行全方位的监测；通过户外机房的设置，能有效对地面监测单元中的各组成部分进行有效的保护；通过太阳能供电模块的设置能将太阳能转化为电能储存在蓄电池组中，进而能利用储存的电能为地面监测单元中的各用电设备的持续运行进行用电的供应，有利于地面监测单元在户外长期稳定的运行；通过在每个户外机房的底部均设置水泥台，并通过锚杆建立水泥台与地表基岩的固定连接，再将高精度三分向监测仪安装在水泥台上，可以确保设置在户外机房内部的高精度三分向监测仪更精确更及时的接收地表基岩中震动波信号。使高精度三分向监测仪的内部内置有加速度计和GPS授时模块一，可以在同一位置同步的采集X、Y、Z三个方向的震动波信号，并可以将采集时间和采集点的位置信息绑定在震动波信号形成带时间和位置戳的地表基岩震动波信号；利用运营商基站建立地面监测单元与数据采集处理单元之间的无线通信连接，突破了有线传输方式对安装地点的限制，从而极大的方便现场监测台站地点的选择，并极大的降低传统有线通信链路的铺设成本。通过在井下工作面的两顺槽处的底板上均匀的布置多个拾震传感器，并使拾震传感器通过锚杆与煤层岩连接，有效的降低了地震波在传播过程中能量消耗的影响，进而可以更精确更及时的接收煤层岩中的震动波信号。通过内置有GPS授时模块二的信号采集站的设置，可以在接收到所采集的煤层岩震动波信号时同步的绑定采集时间信息和采集拾震传感器的位置信息并形成带时间和位置戳的煤层岩震动波信号；使信号记录仪分别连接信号采集站、VPN路由器连接和分析仪计算机连接，可以便于对来自地面监测单元的信号和井下监测单元的信号进行比对分析，并依据时间戳信息将两种信号同步授时，然后再发送给分析仪计算机进行后续定位分析；通过UPS电源的设置，可以为信号采集站和信号记录仪提供24小时不间断供电，由于信号采集站还对各个拾震传感器进行用电的供应，这样，便能保证井下监测单元全天候24小时的稳定可靠工作，再配合由太阳能供电模块进行持续用电供应的地面监测单元，便可以实现对矿震的全天候监测，进而可以在矿震发生时及时有效的监测到震动波信号，极大提高了监测的可靠性和稳定性。该监测系统通过布置在井下工作面的多个拾震传感器和布置在工作在上方对应区域中的多个地面监测单元形成了井地一体式立体监测台网，这样不仅可以大幅度提高矿井区域与局部立体空间的有效覆盖率，进而可充分提高矿震定位精度，而且还能通过立体式的监测方式来获取地震直达波信息，由于地震直达波信息提供的信息更直接更可靠，因而显著的降低了所采集的震动波信号在垂直方向上的误差，从而有利于精确的确定矿震破裂发生的层位。该系统的稳定性高，可靠性强，投入成本低，能够实现对矿震的全天候无间断的监测，同时，能实现对矿震的立体化监测，有利于精确的确定矿震破裂发生的层位。
本发明还提供了一种基于三分向监测仪的矿震井地一体化融合监测方法，包括以下步骤：
步骤一：在待监测区域的地面布置多个地面监测单元：在地表基岩的上部均匀的布置多个户外机房16，并在每个户外机房16的外部附近安装全景摄像头8-2，在每个户外机房16的顶部安装太阳能电池板13-2，在每个户外机房16的内部布置蓄电池组、太阳能供电控制器13-1、高精度三分向监测仪7、视频监控模块8-1、交换机9和4G/5G路由器10，并在每个户外机房16内部空间的底部设置水泥台17，同时，使水泥台17通过锚杆18与地表基岩固定连接，并将高精度三分向监测仪7安装在水泥台17上；使太阳能供电控制器13-1分别与太阳能电池板13-2、蓄电池组、交换机9、4G/5G路由器10、视频监控模块8-1和高精度三分向监测仪7连接，以便于利用太阳能产生的电能对各个用电设备进行用电的供应；使全景摄像头8-2与视频监控模块8-1连接，使视频监控模块8-1和高精度三分向监测仪7通过交换机9与4G/5G路由器10连接；
在待监测区域的井下构建井下监测单元：在待监测区域的井下工作面中两顺槽处的底板上均匀的布置多个拾震传感器1，并使每个拾震传感器1通过电缆14与位于地面上的信号采集站2连接，同时，使每个拾震传感器1通过锚杆18与煤岩层连接；
构建数据采集处理单元20：使信号记录仪3分别与信号分析计算机4和VPN路由器12连接；
建立数据采集处理单元20与井下监测单元和地面监测单元的通信连接：利用地面上的多个运营商基站11通过无线通信的方式建立地面监测单元中4G/5G路由器10与VPN路由器12的通信连接，建立信号记录仪3与井下监测单元中信号采集站2的通信连接；
步骤二：在矿震发生时，通过地面监测单元中的高精度三分向监测仪7对传播到地表基岩处的震动波信号进行采集，同时，利用内置在高精度三分向监测仪7中的GPS授时模块一6发出采集的时间信息和采集点的位置信息，并将采集的时间信息和采集拾震传感器1的位置信息记录在震动波信号中形成带时间和位置戳的地表基岩震动波信号，然后将带时间和位置戳的地表基岩震动波信号发送给交换机9；该过程中，利用地面监测单元中的全景摄像头8-2实时采集户外机房16外部周围的图像信号，并将机房外部图像信号实时发送给视频监控模块8-1，再通过视频监控模块8-1将机房外部图像信号发送给交换机9；利用交换机9将接收到的机房外部图像信号、带时间和位置戳的地表基岩震动波信号经4G/5G路由器10以无线通信的形式发送给运营商基站21，再通过运营商基站21将接收到的机房外部图像信号、带时间和位置戳的地表基岩震动波信号以无线通信的形式经VPN路由器12发送给信号记录仪3；
同步地，通过井下监测单元中的拾震传感器1对煤岩层中的震动波信号进行采集，并将煤岩层震动波信号发送给信号采集站2，信号采集站2在接收到煤岩层震动波信号时，利用内置的GPS授时模块二19发出采集的时间信息和采集点的位置信息，并将采集的时间信息和采集点的位置信息记录在震动波信号中形成带时间和位置戳的煤岩层震动波信号，再将带时间和位置戳的煤岩层震动波信号发送给信号记录仪3；
步骤三：通过信号记录仪3对来自地面监测单元的信号和井下监测单元的信号进行比对分析，并依据时间戳信息将两种信号同步授时，然后记录并保存为震动波形文件，同时，通过信号记录仪3对机房外部图像信号进行处理，获得机房外部图像数据；再将震动波形文件和机房外部图像数据发送给信号分析计算机4；
步骤四：通过信号分析计算机4对震动波形文件进行定位分析，求解出矿震三维坐标及能量，并通过信号分析计算机4对矿震发生地附近的机房外部图像数据进行处理，再将矿震三维坐标及能量信息和矿震发生地附近的机房外部图像数据发送给显示屏进行实时直观的显示。
作为一种优选，求解矿震三维坐标及能量时，先通过三维坐标已知的井下放炮信号求解井下波速V下，通过三维坐标已知的地面放炮信号求解地面波速V上，井下波速V下用于井下拾震传感器（1）的求解算法，地面波速V上用于地面高精度三分向监测仪（7）的求解算法；再采用基于放炮信号的异向波速求解模型，并根据公式（1）求解第i个高精度三分向监测仪上人工标记的P波初至到时，根据公式（2）求解第i个拾震传感器上人工标记的P波初至到时/>；
（1）；
（2）；
式中：为矿震震源三维坐标，/>为参与定位的地面三分量监测仪坐标，/>为井下拾震传感器1坐标，为震源发震时刻，/>为地面第i个接收到震动的高精度三分向监测仪的波速，/>为井下第i个接收到震动的拾震传感器1的波速，i=1，2，3，4，5，···。
确保i大于4，从而能保证至少有4个求解方程，以保证震源坐标可以得到有效的求解；
为了保证监测精度，在步骤一中，多个地面监测单元中相邻两个地面监测单元的间距为1～2 km。
为了保证监测精度，在步骤一中，多个拾震传感器1中相邻两个拾震传感器1的间距为200～1000 km。
本方法中，利用信号记录仪来对来自地面监测单元的信号和井下监测单元的信号进行比对分析，并依据时间戳信息将两种信号同步授时，可以显著的降低采集时间误差。在经过同步授时的基础上，再通过波速模型进行震源三维定位，可以精确高效的求解出矿震的三维坐标及能量。利用UPS电源通过信号采集站为井下工作面中各个拾震传感器提供24小时不间断供电，同时，配合由太阳能供电模块为地面监测单元提供持续的用电供应，这样，便能保证该系统全天候24小时的稳定可靠工作，进而可以在矿震发生时及时有效的监测到震动波信号，极大提高了监测的可靠性和稳定性。利用利用运营商基站建立地面监测单元与数据采集处理单元之间的无线通信连接，突破了有线传输方式对户外监测站安装地点的限制，从而极大的方便了现场监测地点的选择，同时，极大的降低传统有线通信链路的铺设成本。该方法同时在地面和井下工作面布置了监测单元，进而可以形成立体式的监测网络，这样可以利用井下的拾震传感器采集到煤层岩中的震动波信号，再通过地面上的高精度三分向监测仪来采集传播到地表基岩的震动波信号，进而可以利用地震波在垂直方向上的传播速度来精确的判断出矿震破裂发生的层位。本发明实施成本低，有效地提高了矿震监测能力及定位精度，能为煤矿的安全生产工作提供有效的防治措施，并能为研究矿震发生机理提供准确可靠的依据。

Claims (5)

1.一种基于三分向监测仪的矿震井地一体化融合监测系统，包括数据采集处理单元（20）、地面监测单元、井下监测单元和运营商基站（11），其特征在于；
所述地面监测单元为多组，且多组监测单元均匀的分布在工作面上方对应的待监测区域中，每组地面监测单元均由户外机房（16）、太阳能供电模块、交换机（9）、4G/5G路由器（10）、视频监控模块（8-1）、高精度三分向监测仪（7）和全景摄像头（8-2）组成；所述户外机房（16）安装在地表基岩的上部，其内部空间的底部设置有水泥台（17），所述水泥台（17）通过锚杆（18）与地表基岩固定连接；所述太阳能供电模块由太阳能电池板（13-2）、太阳能供电控制器（13-1）和蓄电池组组成，所述太阳能电池板（13-2）安装在户外机房（16）的顶部，用于将太阳能转换为电能并将转换的电能向外部输出；所述蓄电池组、太阳能供电控制器（13-1）、高精度三分向监测仪（7）、视频监控模块（8-1）、交换机（9）和4G/5G路由器（10）均安装在户外机房（16）的内部空间中，且所述高精度三分向监测仪（7）内置有加速度计和GPS授时模块一（6），其安装在所述水泥台（17）上；所述太阳能供电控制器（13-1）分别与太阳能电池板（13-2）、蓄电池组、交换机（9）、4G/5G路由器（10）、视频监控模块（8-1）和高精度三分向监测仪（7）连接，太阳能供电控制器（13-1）用于将太阳能电池板（13-2）输出的电能输送给蓄电池组进行充电，同时，用于控制蓄电池组利用其中储存的电能对用电设备进行供电；所述高精度三分向监测仪（7）与交换机（9）连接，用于在矿震发生时对传播到地表基岩处的震动波信号进行采集，并将采集的时间信息和采集点的位置信息记录在震动波信号中形成带时间和位置戳的地表基岩震动波信号，同时，用于将带时间和位置戳的地表基岩震动波信号发送给交换机（9）以向外部进行传输；所述全景摄像头（8-2）安装在户外机房（16）的外部，且靠近户外机房（16）的设置，全景摄像头（8-2）与视频监控模块（8-1）连接，用于实时采集户外机房（16）外部周围的图像信号，并将机房外部图像信号实时发送给视频监控模块（8-1）；所述视频监控模块（8-1）与交换机（9）连接，用于将接收的机房外部图像信号发送给交换机（9）以向外部进行传输；所述4G/5G路由器（10）为无线路由器，其通过有线或无线的方式与交换机（9）连接，并通过无线的方式与运营商基站（11）连接；4G/5G路由器（10）用于将交换机（9）传输的带时间戳的地表基岩震动波信号和机房外部图像信号发送给运营商基站（11），并通过运营商基站（11）向外部发送；
所述井下监测单元主要由多个拾震传感器（1）、多根电缆（14）和信号采集站（2）组成；多个拾震传感器（1）依次编号，并彼此相间隔的布置在井下工作面的两顺槽处的底板上，且通过锚杆（18）与煤岩层连接，拾震传感器（1）通过电缆（14）与信号采集站（2）连接，用于在矿震发生时对煤岩层中的震动波信号进行采集，并将煤岩层震动波信号发送给信号采集站（2）；所述信号采集站（2）内置有GPS授时模块二（19），用于对各个拾震传感器（1）进行用电的供应，用于在接收到煤岩层震动波信号时，将采集的时间信息和采集拾震传感器（1）的位置信息记录在震动波信号中形成带时间和位置戳的煤岩层震动波信号，并将带时间和位置戳的煤岩层震动波信号向外部发送；
所述数据采集处理单元（20）由VPN路由器（12）、信号记录仪（3）、信号分析计算机（4）和UPS电源（5）组成；所述VPN路由器（12）通过有线或无线的方式与信号记录仪（3）连接，并通过无线的方式与运营商基站（11）连接，用于将运营商基站（11）发送出的带时间和位置戳的地表基岩震动波信号和机房外部图像信号传输给信号记录仪（3）；所述信号记录仪（3）分别与信号采集站（2）和信号分析计算机（4）连接，用于对来自井下的带时间和位置戳的煤岩层震动波信号和来自地面的带时间和位置戳的地表基岩震动波信号进行对比分析，并在对两种信号进行同步授时后将其发送给信号分析计算机（4）；所述信号分析计算机（4）用于对经过同步授时后的两种信号进行分析处理，用于对机房外部图像信号进行分析处理；所述UPS电源（5）分别与信号采集站（2）和信号记录仪（3）连接，用于进行不间断电源的供应；
所述加速度计为EpiSensor加速度计；
所述GPS授时模块一（6）和GPS授时模块二（19）均为毫秒级高精度GPS授时器。
2.根据权利要求1所述的一种基于三分向监测仪的矿震井地一体化融合监测系统，其特征在于，所述拾震传感器（1）为单分量传感器。
3.根据权利要求1或2所述的一种基于三分向监测仪的矿震井地一体化融合监测系统，其特征在于，所述井下监测单元还包括接线盒（15），所述接线盒（15）设置在多根线缆（14）交汇点的连接处。
4.一种基于三分向监测仪的矿震井地一体化融合监测方法，采用如权利要求1至3任一项所述的一种基于三分向监测仪的矿震井地一体化融合监测系统，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：在待监测区域的地面布置多个地面监测单元：在地表基岩的上部均匀的布置多个户外机房（16），并在每个户外机房（16）的外部附近安装全景摄像头（8-2），在每个户外机房（16）的顶部安装太阳能电池板（13-2），在每个户外机房（16）的内部布置蓄电池组、太阳能供电控制器（13-1）、高精度三分向监测仪（7）、视频监控模块（8-1）、交换机（9）和4G/5G路由器（10），并在每个户外机房（16）内部空间的底部设置水泥台（17），同时，使水泥台（17）通过锚杆（18）与地表基岩固定连接，并将高精度三分向监测仪（7）安装在水泥台（17）上；使太阳能供电控制器（13-1）分别与太阳能电池板（13-2）、蓄电池组、交换机（9）、4G/5G路由器（10）、视频监控模块（8-1）和高精度三分向监测仪（7）连接，以便于利用太阳能产生的电能对各个用电设备进行用电的供应；使全景摄像头（8-2）与视频监控模块（8-1）连接，使视频监控模块（8-1）和高精度三分向监测仪（7）通过交换机（9）与4G/5G路由器（10）连接；
在待监测区域的井下构建井下监测单元：在待监测区域的井下工作面中两顺槽处的底板上均匀的布置多个拾震传感器（1），并使每个拾震传感器（1）通过电缆（14）与位于地面上的信号采集站（2）连接，同时，使每个拾震传感器（1）通过锚杆（18）与煤岩层连接；
构建数据采集处理单元（20）：使信号记录仪（3）分别与信号分析计算机（4）和VPN路由器（12）连接；
建立数据采集处理单元（20）与井下监测单元和地面监测单元的通信连接：利用地面上的多个运营商基站（11）通过无线通信的方式建立地面监测单元中4G/5G路由器（10）与VPN路由器（12）的通信连接，建立信号记录仪（3）与井下监测单元中信号采集站（2）的通信连接；
步骤二：在矿震发生时，通过地面监测单元中的高精度三分向监测仪（7）对传播到地表基岩处的震动波信号进行采集，同时，利用内置在高精度三分向监测仪（7）中的GPS授时模块一（6）发出采集的时间信息和采集点的位置信息，并将采集的时间信息和采集点的位置信息记录在震动波信号中形成带时间和位置戳的地表基岩震动波信号，然后将带时间和位置戳的地表基岩震动波信号发送给交换机（9）；该过程中，利用地面监测单元中的全景摄像头（8-2）实时采集户外机房（16）外部周围的图像信号，并将机房外部图像信号实时发送给视频监控模块（8-1），再通过视频监控模块（8-1）将机房外部图像信号发送给交换机（9）；利用交换机（9）将接收到的机房外部图像信号、带时间和位置戳的地表基岩震动波信号经4G/5G路由器（10）以无线通信的形式发送给运营商基站（21），再通过运营商基站（21）将接收到的机房外部图像信号、带时间和位置戳的地表基岩震动波信号以无线通信的形式经VPN路由器（12）发送给信号记录仪（3）；
同步地，通过井下监测单元中的拾震传感器（1）对煤岩层中的震动波信号进行采集，并将煤岩层震动波信号发送给信号采集站（2），信号采集站（2）在接收到煤岩层震动波信号时，利用内置的GPS授时模块二（19）发出采集的时间信息和采集拾震传感器（1）的位置信息，并将采集的时间信息和采集点的位置信息记录在震动波信号中形成带时间和位置戳的煤岩层震动波信号，再将带时间和位置戳的煤岩层震动波信号发送给信号记录仪（3）；
步骤三：通过信号记录仪（3）对来自地面监测单元的信号和井下监测单元的信号进行比对分析，并依据时间戳信息将两种信号同步授时，然后记录并保存为震动波形文件，同时，通过信号记录仪（3）对机房外部图像信号进行处理，获得机房外部图像数据；再将震动波形文件和机房外部图像数据发送给信号分析计算机（4）；
步骤四：通过信号分析计算机（4）对震动波形文件进行定位分析，求解出矿震三维坐标及能量，并通过信号分析计算机（4）对矿震发生地附近的机房外部图像数据进行处理，再将矿震三维坐标及能量信息和矿震发生地附近的机房外部图像数据发送给显示屏进行实时直观的显示；
求解矿震三维坐标及能量时，先通过三维坐标已知的井下放炮信号求解井下波速V下，通过三维坐标已知的地面放炮信号求解地面波速V上，井下波速V下用于井下拾震传感器（1）的求解算法，地面波速V上用于地面高精度三分向监测仪（7）的求解算法；再采用基于放炮信号的异向波速求解模型，并根据公式（1）求解第i个高精度三分向监测仪上人工标记的P波初至到时，根据公式（2）求解第i个拾震传感器上人工标记的P波初至到时/>；
（1）；
（2）；
式中：为矿震震源三维坐标，/>为参与定位的地面三分量监测仪坐标，/>为井下拾震传感器（1）坐标，/>为震源发震时刻，/>为地面第i个接收到震动的高精度三分向监测仪的波速，/>为井下第i个接收到震动的拾震传感器（1）的波速，i=1，2，3，4，5，···。
5.根据权利要求4所述的一种基于三分向监测仪的矿震井地一体化融合监测方法，其特征在于，在步骤一中，多个地面监测单元中相邻两个地面监测单元的间距为1～2 km。
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CB03 Change of inventor or designer information
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Inventor after: Li Chenghai

Inventor after: Gong Siyuan

Inventor after: Dou Linming

Inventor after: Ge Qing

Inventor after: Ma Zhifeng

Inventor after: Cao Anye

Inventor after: He Jiang

Inventor after: Xue Jianqiu

Inventor after: Liao Yanle

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