CN117331118A - 确保微震监测有效爆破信号的最小炸药量确定方法 - Google Patents

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赵文元
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陈利
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Abstract

一种确保微震监测有效爆破信号的最小炸药量确定方法，步骤为：利用井下传感器监测网实时采集矿震信号，并手动标记各个通道的P波初至到时，继而确定微震监测系统监测到爆破信号所需的最小质点峰值振动速度，依据震动波衰减规律求得微震监测系统监测到爆破信号在震源处所需的最小质点峰值振动速度，通过矿震震源处质点峰值振动速度与能量之间的拟合公式求出得到最小炸药量爆破后产生的微震能量，再通过计算震动波能量转换系数以及炸药爆破后释放的总能量，最终得到微震监测系统接收到有效爆破信号的最小炸药量。本发明实现了在最大程度节约资源的基础上，确保了井下各传感器均能监测到有效的爆破信号，满足了井下安全生产的需要。

Description

确保微震监测有效爆破信号的最小炸药量确定方法
技术领域
本发明涉及一种确保微震监测有效爆破信号的最小炸药量确定方法，属于煤矿安全开采技术领域。
背景技术
爆破在煤矿生产中的用途十分广泛，除了用于破碎岩体、防冲解危、主动CT反演之外，还起到众多重要的辅助作用，例如，通过爆破检验微震系统定位的准确性以及通过爆破确定各传感器通道的P波波速值。
当爆破用于检验微震系统定位的准确性以及通过爆破确定各传感器通道的P波波速值时，炸药量过多不仅会使成本增加，还可能会破坏围岩的稳定性，甚至会导致爆破后炮烟和有毒有害气体增加而影响井下人员的身体健康；而过少的炸药量则可能造成有些传感器接收不到有效的爆破信号从而无法求解震源参量，无法满足井下安全生产的需要。因此，如何能够既能最大程度的节约资源、保障生产安全，又能确保微震系统监测到有效的爆破信号是亟需解决的问题。
发明内容
本发明的发明目的在于提供一种确保微震监测有效爆破信号的最小炸药量确定方法，该方法能够在最大程度节约资源的基础上，确保井下各传感器均能监测到有效的爆破信号，满足井下安全生产的需要。
为了实现上述目的，本发明提供一种确保微震监测有效爆破信号的最小炸药量确定方法，包括如下步骤：
(1)在煤矿安装微震监测系统，利用安装在井下巷道底板的传感器组成的监测网，以采样频率f实时采集井下采掘扰动产生的矿震信号；
(2)手动标记各个通道的P波初至到时tpj，其中pj为通道j中第p个采样点；截取各通道震动波形x(tij)中时刻t1至tnj时间段的波形作为背景噪音信号，计算各通道背景噪音信号平均值的绝对值v0j；其中，t1为各通道震动波形的开始时刻，/>tnj＝(tpj+t1)/2，/>floor为向下取整函数，i表示通道j中第i个采样点，利用公式/>计算各通道背景噪音信号平均值的绝对值；取各通道背景噪音信号平均值的绝对值的最大值v0＝Max(v0j)，进而确定微震监测系统监测到爆破信号所需的最小质点峰值振动速度Amin为背景噪音信号平均值的绝对值的最大值v0的m倍，m>0；
(3)依据震动波衰减规律及震源与各传感器探头之间的距离拟合得到矿震在震源处的质点峰值振动速度A0和衰减系数α；其中，震动波衰减规律公式为：式中，，Aj为第j个传感器探头接收震动信号的质点峰值振动速度，单位为m/s，A0为震动信号在震源处的质点峰值振动速度，单位为m/s，rj为第j个传感器探头距震源的距离，单位为m；变换震动波衰减规律公式得到A0＝Areαr，将步骤(2)中得到的Amin代入该变换公式，求得传感器j监测到爆破信号在震源处所需的最小质点峰值振动速度/>式中，，rj为震源距传感器j的距离，单位为m；
(4)拟合矿震震源处质点峰值振动速度A0与能量E之间的关系，拟合公式为：
式中，C为拟合系数，C>0；
(5)根据步骤(4)的拟合公式，得到最小炸药量爆破后产生的微震能量Emin：
式中，rm为传感器m距爆破点的距离，传感器m为距爆破点第m近的传感器，且m≥4；r0为E0等于100J时爆破点与传感器m的距离，E0为炸药爆破后释放的总能量；
(6)计算震动波能量转换系数η，计算公式如下：
η＝(k*10-2-β)3/β，
式中，k为爆破介质系数，β为爆破衰减指数；
(7)计算炸药爆破后释放的总能量E0，计算公式如下：
E0＝(Emin/η)eαr；
(8)计算微震监测系统接收到有效爆破信号的最小炸药量，计算公式如下：
Q＝E0/(427G)，
式中，Q为炸药量，单位为kg；G为炸药的爆热，单位为kcal/kg；427为热功当量，单位为kJ/kcal。
进一步地，所述步骤(6)中，爆破介质系数k的取值为：当爆破区为坚硬岩石时，k取50～150；当爆破区为中硬岩石时，k取150～250；当爆破区为软岩石时，k取250～350；爆破衰减指数β的取值范围为：当爆破区为坚硬岩石时，β取1.3～1.5；当爆破区为中硬岩石时，β取1.5～1.8；当爆破区为软岩石时，β取1.8～2.0；其中，岩石坚硬程度的划分方法为：坚固系数f大于6的为坚硬岩石；坚固系数f介于3到6之间的为中硬岩石；坚固系数f小于3的为软岩石，坚固系数f的计算公式为：
式中，Rc为岩石的单轴抗压强度。
本发明通过利用井下传感器监测网实时采集矿震信号，并手动标记各个通道的P波初至到时，继而确定微震监测系统监测到爆破信号所需的最小质点峰值振动速度，依据震动波衰减规律求得微震监测系统监测到爆破信号在震源处所需的最小质点峰值振动速度，通过矿震震源处质点峰值振动速度与能量之间的拟合公式求出得到最小炸药量爆破后产生的微震能量，再通过计算震动波能量转换系数以及炸药爆破后释放的总能量，最终得到微震监测系统接收到有效爆破信号的最小炸药量。本发明实现了在最大程度节约资源的基础上，确保了井下各传感器均能监测到有效的爆破信号，保障了井下作业环境安全，满足了井下安全生产的需要。
附图说明
图1是本发明的流程示意图；
图2是本发明实施例中矿震波形示意图；
图3是本发明实施例中矿震衰减曲线拟合示意图；
图4是本发明实施例中震源处质点峰值振动速度与能量的拟合示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
如图1所示，一种确保微震监测有效爆破信号的最小炸药量确定方法，包括如下步骤：
(1)在煤矿安装微震监测系统，利用安装在井下巷道底板的传感器组成的监测网，以采样频率f实时采集井下采掘扰动产生的矿震信号；
(2)手动标记各个通道的P波初至到时tpj，其中pj为通道j中第p个采样点；截取各通道震动波形x(tij)中时刻t1至tnj时间段的波形作为背景噪音信号，计算各通道背景噪音信号平均值的绝对值v0j；其中，t1为各通道震动波形的开始时刻，/>tnj＝(tpj+t1)/2，/>floor为向下取整函数，i表示通道j中第i个采样点，利用公式/>计算各通道背景噪音信号平均值的绝对值；取各通道背景噪音信号平均值的绝对值的最大值v0＝Max(v0j)，进而确定微震监测系统监测到爆破信号所需的最小质点峰值振动速度Amin为背景噪音信号平均值的绝对值的最大值v0的m倍，m>0；
(3)依据震动波衰减规律及震源与各传感器探头之间的距离拟合得到矿震在震源处的质点峰值振动速度A0和衰减系数α；其中，震动波衰减规律公式为：式中，，Aj为第j个传感器探头接收震动信号的质点峰值振动速度，单位为m/s，A0为震动信号在震源处的质点峰值振动速度，单位为m/s，rj为第j个传感器探头距震源的距离，单位为m；变换震动波衰减规律公式得到A0＝Areαr，将步骤(2)中得到的Amin代入该变换公式，求得传感器j监测到爆破信号在震源处所需的最小质点峰值振动速度/>式中，，rj为震源距传感器j的距离，单位为m；
(4)拟合矿震震源处质点峰值振动速度A0与能量E之间的关系，拟合公式为：
式中，C为拟合系数，C>0；
(5)根据步骤(4)的拟合公式，得到最小炸药量爆破后产生的微震能量Emin：
式中，rm为传感器m距爆破点的距离，传感器m为距爆破点第m近的传感器，且m≥4；r0为E0等于100J时爆破点与传感器m的距离，E0为炸药爆破后释放的总能量；
(6)计算震动波能量转换系数η，计算公式如下：
η＝(k*10-2-β)3/β，
式中，k为爆破介质系数，β为爆破衰减指数；
(7)计算炸药爆破后释放的总能量E0，计算公式如下：
E0＝(Emin/η)eαr；
(8)计算微震监测系统接收到有效爆破信号的最小炸药量，计算公式如下：
Q＝E0/(427G)，
式中，Q为炸药量，单位为kg；G为炸药的爆热，单位为kcal/kg；427为热功当量，单位为kJ/kcal。
作为一种优选的实施方式，所述步骤(6)中，爆破介质系数k的取值为：当爆破区为坚硬岩石时，k取50～150；当爆破区为中硬岩石时，k取150～250；当爆破区为软岩石时，k取250～350；爆破衰减指数β的取值范围为：当爆破区为坚硬岩石时，β取1.3～1.5；当爆破区为中硬岩石时，β取1.5～1.8；当爆破区为软岩石时，β取1.8～2.0；其中，岩石坚硬程度的划分方法为：坚固系数f大于6的为坚硬岩石；坚固系数f介于3到6之间的为中硬岩石；坚固系数f小于3的为软岩石，坚固系数f的计算公式为：
式中，Rc为岩石的单轴抗压强度。
实施例：
本实施案例针对某矿进行了确保微震监测到爆破信号的最小炸药量的计算，具体步骤为：
(1)在煤矿安装微震监测系统，利用安装在井下巷道底板的传感器组成的监测网，以采样频率f为500HZ，实时采集井下采掘扰动产生的矿震信号，监测系统接收到的某一矿震信号如图2所示，经系统分析得到其能量E为2.52×104J；
(2)手动标记各个通道的P波初至到时tpj为{2.288s,2.192s,2.234s,2.218s,2.196s,2.202s,2.216s,2.146s,2.184s,2.220s,2.148s}；截取各通道震动波形x(tij)中时刻t1至tnj时间段的波形作为背景噪音信号，利用公式tnj＝(tpj+t1)/2， floor为向下取整函数，计算得到ni为{572,548,559,555,549,551,554,537,546,555,537}；通道j背景噪音信号平均值的绝对值v0j利用公式/>计算得到为{1.39×10-7m/s,8.34×10-8m/s,1.29×10-7m/s,1.33×10-7m/s,1.41×10-7m/s,6.66×10-7m/s,4.53×10-7m/s,1.49×10-7m/s,4.88×10-6m/s,5.26×10-7m/s,2.97×10- 6m/s}，取各通道背景噪音信号平均值的绝对值的最大值v0＝Max(v0i)＝4.88×10-6，则传感器监测到爆破信号的最小质点峰值振动速度Amin为3v0，即Amin＝1.46×10-5；
(3)依据震动波衰减规律及震源与各传感器之间的距离拟合得到该矿震在震源处的质点峰值振动速度A0为1.4117和衰减系数α为0.0048，则该区域的矿震衰减模型为进一步公式变换为A0＝Are0.0048r，代入步骤(2)得到的Amin，求得A0min＝1.46×10-5re0.0048r；矿震衰减拟合曲线如图3所示；
(4)依据公式拟合该矿震震源处质点峰值振动速度A0与能量E之间的关系，拟合结果如图4所示，拟合系数C为0.0089，即/>
(5)联立公式A0min＝1.46e-5re0.0048r及公式求得最小炸药量爆破能量的计算公式/>
(6)依据公式η＝(k*10-2-β)3/β求解地震波能量转换系数η，其中k和β分别为与爆破点、装药有关的介质系数及衰减指数，爆破区岩石的单轴抗压强度Rc为43.26MPa，则坚固系数f＝Rc/10＝4.33，属于中硬岩石，爆破系数k取200，衰减指数β取1.6，则η求解为0.0037；进而根据公式计算出炸药爆破后释放的总能量E0；
(7)计算得到微震监测系统接收到有效爆破信号的最小炸药量，即

Claims (2)

1.一种确保微震监测有效爆破信号的最小炸药量确定方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)在煤矿安装微震监测系统，利用安装在井下巷道底板的传感器组成的监测网，以采样频率f实时采集井下采掘扰动产生的矿震信号；
(2)手动标记各个通道的P波初至到时tpj，其中pj为通道j中第p个采样点；截取各通道震动波形x(tij)中时刻t1至tnj时间段的波形作为背景噪音信号，计算各通道背景噪音信号平均值的绝对值v0j；其中，t1为各通道震动波形的开始时刻，/>tnj＝(tpj+t1)/2，/>floor为向下取整函数，i表示通道j中第i个采样点，利用公式计算各通道背景噪音信号平均值的绝对值；取各通道背景噪音信号平均值的绝对值的最大值v0＝Max(v0j)，进而确定微震监测系统监测到爆破信号所需的最小质点峰值振动速度Amin为背景噪音信号平均值的绝对值的最大值v0的m倍，m>0；
(3)依据震动波衰减规律及震源与各传感器探头之间的距离拟合得到矿震在震源处的质点峰值振动速度A0和衰减系数α；其中，震动波衰减规律公式为：式中，，Aj为第j个传感器探头接收震动信号的质点峰值振动速度，单位为m/s，A0为震动信号在震源处的质点峰值振动速度，单位为m/s，rj为第j个传感器探头距震源的距离，单位为m；变换震动波衰减规律公式得到A0＝Areαr，将步骤(2)中得到的Amin代入该变换公式，求得传感器j监测到爆破信号在震源处所需的最小质点峰值振动速度/>式中，，rj为震源距传感器j的距离，单位为m；
(4)拟合矿震震源处质点峰值振动速度A0与能量E之间的关系，拟合公式为：
式中，C为拟合系数，C>0；
(5)根据步骤(4)的拟合公式，得到最小炸药量爆破后产生的微震能量Emin：
式中，rm为传感器m距爆破点的距离，传感器m为距爆破点第m近的传感器，且m≥4；r0为E0等于100J时爆破点与传感器m的距离，E0为炸药爆破后释放的总能量；
(6)计算震动波能量转换系数η，计算公式如下：
η＝(k*10-2-β)3/β，
式中，k为爆破介质系数，β为爆破衰减指数；
(7)计算炸药爆破后释放的总能量E0，计算公式如下：
E0＝(Emin/η)eαr；
(8)计算微震监测系统接收到有效爆破信号的最小炸药量，计算公式如下：
Q＝E0/(427G)，
式中，Q为炸药量，单位为kg；G为炸药的爆热，单位为kcal/kg；427为热功当量，单位为kJ/kcal。
2.根据权利要求1所述的确保微震监测有效爆破信号的最小炸药量确定方法，其特征在于，所述步骤(6)中，爆破介质系数k的取值为：当爆破区为坚硬岩石时，k取50～150；当爆破区为中硬岩石时，k取150～250；当爆破区为软岩石时，k取250～350；爆破衰减指数β的取值范围为：当爆破区为坚硬岩石时，β取1.3～1.5；当爆破区为中硬岩石时，β取1.5～1.8；当爆破区为软岩石时，β取1.8～2.0；其中，岩石坚硬程度的划分方法为：坚固系数f大于6的为坚硬岩石；坚固系数f介于3到6之间的为中硬岩石；坚固系数f小于3的为软岩石，坚固系数f的计算公式为：
式中，Rc为岩石的单轴抗压强度。
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