CN117631078A - 一种应用于煤矿瓦斯治理的综合监测系统及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种应用于煤矿瓦斯治理的综合监测系统及其方法。利用该系统及其方法对煤层裂缝进行实时动态监测。该综合监测系统包括地震监测子系统、瞬间电磁监测子系统、煤矿本地地质电子数据库、地面监测主服务器、井下监测分站、井下电脑服务器。上述系统建立动态监测数据库和预测模型，依此判断煤矿井下地层裂缝在压裂后的发育情况，依据上述信息及时准确预警可能发生的瓦斯或水突出，防止压裂施工本身可能导致的次生灾害发生。

Description

一种应用于煤矿瓦斯治理的综合监测系统及其方法

技术领域

本发明涉及一种利用人工地震或自然地震和瞬间电磁感应，对地层裂缝、裂缝发育和瓦斯移动进行动态、实时、全过程综合监测的系统和方法。该系统及其方法尤其适用于UDFFD技术，即集成应用井下钻孔(underground drilling)、地面压裂(fracture)、井下快速抽采(fast drainage)技术，简称UDFFD技术。

背景技术

煤矿经常发生顶板塌陷、瓦斯突出、水突出等地质灾害和事故。所述灾害和事故均与地下煤层裂隙裂缝有关。

瓦斯作为气体，如果要在煤层中储存和运移，煤层和/或其顶、底板中就必然有相互连通的裂隙裂缝，裂隙裂缝的存在是瓦斯存在的必要条件。因此，研究煤层及其顶、底板裂隙裂缝的分布和连通情况是搞清楚煤层瓦斯富集带和在煤层哪些部位可能发生瓦斯突出的关键。由于裂隙裂缝是瓦斯富集、存储、运移的场所，所以查明煤矿采区内裂隙裂缝的分布才能对煤层及其顶、底板(围岩)的透气性做出正确评价。

为了弄清楚地下煤层裂隙裂缝情况，一般在煤炭开采前，需调取煤层的原始地质静态模型资料，即煤层压裂处理前的煤层地质静态模型资料。所谓原始地质静态模型资料主要是指地质勘探时的地质建模资料，所谓地质建模是利用在空间不同地点经物探、取芯化验、钻孔爆破，制造人工地震等多种手段取得的煤矿地下地质物理化学性质的数据，经专用建模软件(如Geoframe,Petrel软件)计算，形成三维地质模型，该地质模型可用以对无测量数据空间的地质数据进行预测。

依据煤层的原始地质模型资料，确定煤层的裂缝区域，之后需对煤层裂缝区域的瓦斯和水做预处理，以防止开采煤炭时发生上述煤矿灾害和事故。

一种现有技术对煤层瓦斯和水的预处理的方法是向煤层中瓦斯和/或水富集区域，从地面打钻孔，通过钻孔将瓦斯气和/或水抽放出来。

地面钻孔抽放瓦斯和/或水成本较高，近年来，多数矿井转而采用在煤矿井下的岩巷向煤层中瓦斯和/或水富集区打钻孔，将瓦斯气和/或水抽放出来。

但由于很多煤层的透析性较差，仅对瓦斯和/或水富集区预处理，不能将煤层其他区域的瓦斯和/或水解析出来，达不到煤层彻底消突的结果。煤层消突不彻底，仍会在煤炭开采时发生相关事故。

为了彻底处理煤层消突，现有技术中有借用石油开采的地层压裂技术，将全煤层压裂，使煤层中所有瓦斯和/或水通过原有地质裂缝和人工压裂裂缝解析出来。

然而，煤矿地下压裂不同于石油地层压裂，石油压裂地层后，不管地层裂缝如何，都不会有人员和矿井设施安全的问题(油田地下没有矿井设施，也没有人员在地下作业)。而煤矿则不同，煤矿常常是消突作业与煤炭开采同步进行，在压裂煤层作业时，煤矿井下已建设了岩巷、煤巷等许多井下设施，并有大量人员在井下工作，一旦压裂，裂缝扩展到井下的岩巷和/或已开掘的煤巷，则可能在这些地区即时发生瓦斯突出和水突出的事故，所以在煤层压裂时需要同步监测压裂裂缝的发育以及不断延伸的范围，以防发生压裂的次生灾害。

由于上述的担忧，很长时间没有人敢尝试在煤碳采掘的同时，对煤层进行压裂，直至最近本申请人发明了一种集成应用井下钻孔(Underground drilling)、地面压裂(Fracture)、井下快速抽采(Fast Drainage)的新技术(简称为UDFFD技术)，才有了煤层压裂与煤炭采掘同步进行的做法。

然而，尽管UDFFD技术采用压裂措施，以连通已有裂缝和创造新的裂缝，提高煤层透气性，但是压裂后，UDFFD技术未对煤层裂缝进行后续实时监测，故没有解决压裂可能产生的次生灾害问题。

发明内容

鉴于上述现有技术的缺陷，本发明提供了一种煤层压裂后煤层裂缝变化的综合监测系统及其方法。

本发明提供了一种煤层压裂后煤层裂缝变化的实时、连续、全空间、动态监测系统及其方法。

本发明是这样实现的：

一种应用于煤矿瓦斯治理的综合监测系统包括：

地震监测子系统，所述地震监测子系统包括：震源发生系统和若干个地震检波器，所述震源发生系统是主动源人工地震系统和/或被动源自然地震系统，所述地震检波器至少为4个，所述地震检波器设置在地面和/或井下。

瞬间电磁监测子系统，所述瞬间电磁监测子系统包括井下瞬间电磁线圈和若干个磁场电流感应传感器；

煤矿本地地质电子数据库，所述煤矿本地地质电子数据库用以存储本煤矿的静态地质模型数据和/或本地地层介质共振频率、弹性波传导速度的数据以及相应地层介质电磁传导电阻参数和电磁传导时间参数；所述煤矿本地地质电子数据库既可以是所述地面监测主服务器的一个存储模块，也可以是物理上独立的一个电子资料存储器。

地面监测主服务器，所述地面监测主服务器具有地质模型数据比对，并依据地质模型数据比对结果，构建预测煤层裂隙裂缝发育的数据运算模型；

井下监测分站，所述井下监测分站具有一个或多个，每个所述井下监测分站包含一台井下监测服务器；

井下监测服务器，所述井下监测分站与井下布置的地震检波器和电流感应传感器连接，并通过煤矿内部的井下环网与所述煤矿本地地质电子数据库连接。

所述地震监测子系统的若干个所述地震检波器与所述井下监测分站连接，所述井下监测分站与所述煤矿本地地质电子数据库连接，所述煤矿本地地质电子数据库与所述地面监测主服务器连接；

所述瞬间电磁监测子系统的所述井下瞬间电磁线圈与井下电源连接，所述瞬间电磁监测子系统的所述若干磁场电流感应传感器与所述井下监测分站连接。

所述综合监测系统还包括井下环网，所述井下环网一端连接所述井下监测分站，另一端连接所述煤矿本地地质电子数据库。

所述综合监测系统还可包括局域物联网，所述局域物联网将各子系统和装置连接起来，实现各子系统和装置之间的通信。

所述综合监测系统还可包括卫星定时系统，用以将各子系统和装置的同步时间校正在纳秒级别内，所述卫星定时系统通过互联网与所述地面监测主服务器连接，所述地面监测主服务器实时向所述各子系统和装置发出同步时间校正指令。

所述卫星定时系统可将各子系统和装置的同步时间校准在22纳秒内。

所述综合监测系统还可包括一个第三方地质大数据库，所述第三方地质大数据库通过互联网与所述地面监测主服务器连接，为所述地面监测主服务器提供同类地质的静态地质模型数据及其地质结构历史变化数据，尤其是地层裂隙裂缝变化的历史数据，依据地层裂隙裂缝变化的历史大数据，所述地面监测主服务器将本矿煤层地质结构煤层裂隙裂缝与大数据相同或相近地质结构煤层裂隙裂缝变化的比对，找出某种地质结构地层裂隙裂缝变化的规律，依据该规律建立煤层裂隙裂缝发育的预测模型，以该预测模型推测本矿煤层地质结构煤层裂隙裂缝未来发育的趋势，并依此趋势预警潜在的瓦斯突出或水突出发生的可能及发生的时间。

所述综合监测方法包括以下步骤：

(1)制造微地震事件，或利用自然微地震事件；

(2)用地震检波器收集所述微地震事件产生的弹性波在地层介质中产生的谐振波和弹性波；

(3)用井下瞬间电磁线圈向相关煤层发射电磁波，产生磁场；

(4)用磁场电流感应传感器收集地层介质的电阻率和感应电流传播到各个磁场电流感应传感器的时间信号；

(5)将步骤(2)收集的所述微地震产生的弹性波信号和步骤(4)收集的所述磁场电流感应信号，传送给井下监测分站；

(6)所述井下监测分站将监测信号汇总交由所述井下监测服务器，所述井下监测服务器对所述地面、井下地震检波器以及瞬变电磁的感应器收集的监测信号相互映证、消除噪音，并依据验证和消除噪音后的监测信息，形成三维立体的动态裂缝展布范围，从而构建地震事件和瞬间电磁测定发生后的静态地质模型，并将所述静态地质模型信息经由所述井下监测分站传送给煤矿本地地质电子数据库；

(7)所述煤矿本地地质电子数据库将相关煤层段的地震事件和瞬间电磁测定事件发生前的地质静态模型信息和地震事件和瞬间电磁测定事件发生后的静态地质模型信息，传送给地面监测主服务器，

(8)所述地面监测主服务器对地震事件和瞬间电磁测定事件发生前的地质静态模型信息与地震事件和瞬间电磁测定事件发生后的静态地质模型信息比对，依据多次同类比对，建立动态监测数据库，依据地质构造的动态监测数据，归纳出煤层裂缝裂隙的变化规律和变化趋势，从而构建相关煤层裂隙裂缝发展、发育的预测模型。

其中，步骤(1)所述的人工地震事件和/或自然地震事件可以多次重复，用地震检波器收集每次地震事件产生的弹性波信号。

步骤(3)，即用所述井下瞬间电磁线圈向相关煤层发射电磁波，产生磁场，可依据需要多次重复，用所述磁场电流感应传感器记录每次地层电阻率变化的信号。

所述地面监测主服务器通过互联网与卫星定时系统连接，接收卫星搭载的原子钟的时间信息，并向所述地震检波器、所述井下瞬间电磁线圈、所述磁场电流感应传感器、所述井下监测分站实时发布系统时间同步校正指令。

所述综合监测方法还包括网上大数据支持步骤，通过互联网使所述地面监测主服务器与第三方地质大数据库连接，从而获得更多的同类地质构造数据，用以验证和/或修正所述地面监测主服务器依据本矿地质资料数据库所得出的结论。

本发明同时利用地震勘探技术和瞬间磁场勘探技术来监测煤矿压裂后煤层裂隙裂缝的状况，并经电脑对原始地质模型资料与煤层压裂后煤层裂隙裂缝的状况比较、分析，建立煤层裂隙裂缝的动态数据，依据煤层裂隙裂缝的动态数据，得出煤层裂隙裂缝的发育规律，依据煤层裂隙裂缝的发育规律，构建煤层裂隙裂缝的预测模型，用以监视和预测可能发生的瓦斯突出事故。

具体地说，本发明将地震勘探技术和瞬间磁场勘探技术结合、改进，并利用大数据、物联网、互联网和卫星定时系统，建立起一种应用于煤矿瓦斯治理，对煤层压裂后裂隙裂缝发育的综合监测系统和方法。

1)地震勘测方法

地震勘测方法是通过人工钻孔在特定深度中进行爆破，产生人工地震，通过收集人工地震所产生的P波(横波)、S波(纵波)、面波等弹性波，来大致确定地质的基本情况。其技术原理是爆炸瞬间所产生的脉冲式激发，在不远处使介质产生弹性形变，形成弹性波在岩、土介质中传播。由于介质的波阻抗作用，使激发的弹性波成为阻尼振动。当外部弹性波(P波、S波、面波)激励到固体时，如果相关固体介质固有的震动频率(F0)与弹性波相当时，波场振幅将被放大产生谐振。通过检波器连续采集谐振信号，通过数据降噪处理，并与数据库中事先存储的不同介质固有震动频率数据比对，依据弹性波谐振强度，就能确定弹性波所经固体介质的性质，和依据弹性波传输到不同距离的地震检波器的时间差计算出不同地层介质阶次变化的情况。

频率谐振技术对地下密度-波阻抗变化具有良好的辨识力。因此对裂隙变化、高孔隙度变化、岩石密度差异变化等都具有良好的探测能力。对孔隙度、传输速度、密度、刚度、泊松比同样敏感。

本发明不仅对有一定强度的地震进行监测，而且还对微地震进行监测。

微震监测技术是通过高灵敏度的检波器感知岩石破裂或即将破裂产生的微小振动，将这些微小振动解码为有效的震动数字信号，进行微震事件的时空定位。

微震事件定位精度的算法是根据地震检波器阵列接收到的监测数据，来确定震源发震点的空间坐标和发震时刻(参见下图)。

微震定位可以归结为一个非线性方程问题(NLP问题)，直接求解将非常困难，这就需要寻找一线性系统来代替此非线性系统。假设m是收到信号的地震检波器个数，x，y，z，t是震源的时空参数，用第i个测点的走时方程减去第k个测点的走时方程可得到线性系统，如下式：

其中，i，k＝1...m

通过i和k的不同组合可以产生m(m-1)/2个线性方程，其中只有m-1为线性独立的方程。要求解以上独立方程组成的方程组，必须有3个以上独立方程，也就是说至少需要4个地震检波器来接收同一信号。

从微震震源定位的示意和方程原理可知，其中影响定位精度的因素有检波器的数量，也就是方程的维数，但对应这类超定方程组的求解，也不是方程组维数越大求解精度越好，因此适当选择参与定位的检波器的数量非常重要。

本发明地震检波器数量以4个为一组，可以有多组。

上述是自然微地震震源定位的方法。自然微地震震源中心位置是不确定的，所以需先以上述方程式确定震源中心位置，然后才能确定地震谐振波从震源中心位置传导到检波器的阶次变化信号。

本发明的人工煤层压裂也会产生微型地震。人工压裂煤层的微震源位置是可以精确测量的，不需用上述复杂方程式计算。

然而，现行的煤田地震勘探技术属于岩性地震勘探，利用该岩性地震勘探可以查明煤层厚度、煤层埋藏深度、煤层的倾角与露头位置、煤层、断层及其他构造分布、高孔隙度的裂隙等。但是，地震勘探技术对低孔隙度的裂隙不敏感，小裂缝不易察觉。

另外，地震勘探技术属岩性勘探技术，煤层中的瓦斯气不是岩性物质，故岩性地震勘探无法确定煤层裂隙裂缝中介质的性质，所以现行的煤层地震勘探技术不能清楚地表明瓦斯气的存在和其存在的位置，从而不能对煤层及其围岩的透气性做出准确的评价。

为了查明煤层中的瓦斯气的位置和小裂缝，瞬变电磁法可以弥补上述地震勘探技术的不足。

2)瞬变电磁法

瞬变电磁法是利用不接地回线或接地线回线向地下发射一次脉冲磁场，在一次脉冲磁场间歇期间利用线圈或接地电极观测地下介质中引起的二次感应涡流场，从而探测地层介质电阻率的一种方法。其基本工作方法是：于地面或空中设置一个特定波形电流的发射线圈，从而在其周围空间产生一次电磁场，并在地下导电岩矿体中产生感应电流，断电后，感应电流由于热损耗而随时间衰减。感应电流在衰减过程中产生二次磁场，二次磁场也随感应电流迅速衰减。这种迅速衰减的二次磁场又在其周围的介质中产生出新的强度更弱的二次涡流。这一过程继续下去，直到地下岩层介质的欧姆损耗将二次磁场能量消耗完毕为止。

发射电流关断后，感应电流呈环带分布，涡流极大值首先位于紧挨发射回线的介质中，随时间的推移不断向远处扩散，强度逐渐减弱。扩散的速度与地下介质的电阻率有关，不同地下介质扩散到远处某个位置的时间不同。低电阻率地质体，如导水陷落柱、导水断层、金属矿体等能引起较强且衰减慢的二次场，而贫水区等高阻体引起较弱且衰减快的二次场。水停留在煤层或岩层的裂缝中。水为优良导电质体，电阻率较小，确定水的位置，即可确定地质裂缝或地质空洞之所在。

但现有技术的瞬变电磁法的缺点是，磁场发射电源布置在地面或空中，甚至是太空(如卫星进行的地球物理勘探)，煤层尤其是埋藏较深的煤层，离地面或空中发射线圈较远，处于磁场的远端，依据断电后地下介质产生的感应电流首先作用于紧挨磁场发射线圈的介质，其电流随时间和空间的推移强度逐渐减弱的原理，信号传导到勘探范围远端的煤层时，信号已经弱得无法转换为可视地质图形，这使地层构造的边际模糊不清，判断不了水的存在。总之，该勘探方法的探测范围较小。

为了对煤层压裂后煤层裂缝变化进行准确监测，本发明同时采用地震勘探技术和瞬间磁场勘探技术，对煤层压裂后煤层裂缝变化进行监测。地震勘测可以提供整体地质构造的概貌和大裂缝、空洞位置，瞬间磁场勘测可以标示出水在煤层中的位置，水在煤层中的位置即是煤层裂缝的位置，煤层裂缝的位置即是瓦斯气富集的位置。

煤层压裂的介质是水，为了压裂坚硬的煤层和/或煤层顶、底板的岩石，需要在煤层和/或煤层顶、底板的岩石中注入大量的水，水会充盈几乎所有煤层和/或煤层顶、底板的岩石大大小小的裂缝，水排出后，这些裂缝将是瓦斯析出的通道。

水是瞬间磁场勘测方法中煤层和/或煤层顶、底板的岩石裂缝的示踪剂。可以利用水的示踪效果，判明人工压裂裂缝的状况和走向。如果监测结果表明压裂裂缝走向过于指向煤矿井下的岩巷或煤巷，甚至已延伸进岩巷或煤巷，可以依据监测数据及时做出瓦斯突出或水突出的预警或报警。

现有技术的瞬间磁场勘探方法的发射线圈设置在地面或空中，这样，发射电流时深埋在地下的煤层感应较弱，不易判断清楚地层裂缝的准确位置和状况。

本发明将磁场发射电源和接收感应电流的传感器均设置于煤矿的井下，贴近煤层的压裂区域，如设置在井下的煤巷或岩巷，从而可以清楚地接收到煤层中水的感应电流。

煤矿原有地质模型资料一般是勘探时的资料，煤矿勘探到开采之间有时间差，在这段时间里，地质可能会由于天然地震、人工地震等多种原因发生变化，开采时需要了解开采当时的地质情况。

压裂煤层会触发一场人工微型地震，本申请利用该微型地震产生的弹性波，对压裂煤层及其周边的地质构造情况做一次及时的更新。

本发明监测系统的地震波检波器和感应电流传感器，一直设置在煤矿井下的岩巷和/或煤巷，用于实时监测煤层裂缝的变化情况，直至相关煤层开采完毕。这样，在此期间，无论是发生自然地震还是人工地震，使煤层裂缝产生任何新的发育，任何可能威胁矿井安全的变化，都能被即时掌握，并可依此做出及时应对。

除了上述人工压裂制造的人为地震(主动源地震)外，本发明还利用天然地震(被动震源地震)。虽然自然界大地震不经常发生，但小地震却常有发生，如全球每天发生的小微地震就有1万多次，一年有500多万次。这些大大小小的天然地震都是本发明可利用的被动震源，每次天然地震都使本发明实时监测系统更新一次煤层构造的数据，从而实时、全过程监测地层裂缝发育、地层液体、气体(瓦斯)转移、流动瓦斯抽采等的动态情况。

另外，本发明还实时监测地层断裂前发生的微小地震，这种地震是预测煤层裂缝发展的先兆，对瓦斯突出和水突出预警非常有帮助。

本发明每次地震监测所获得的煤层和/或其周围地层构造的变化数据，是预测煤层和/或煤层顶、底板的岩石裂缝未来发育的一个重要依据。

每次地震事件后，瞬间磁场监测一般也要至少随之重复一次，以便将两者得到数据相互验证，拼凑起来，判明煤层和/或煤层顶、底板的岩石裂缝的最新发展，并更新一次相关地质构造静态模型。

瞬间磁场监测完全是主动源操作，可依据具体情况定期对煤体介质发射磁场电源，观察煤层和/或煤层顶、底板的岩石裂缝和水的情况。

出于煤矿安全的考虑，对煤层压裂所产生的裂缝监测要极其精确。无论是地震监测还是瞬间磁场监测，都是以人工地震发生地或电磁发射地为中心，在其周围设置若干个检波器和电流感应传感器，检波器和电流感应传感器距人工地震发生地或电磁发射地为中心的距离，可以精确测量，用人工地震弹性波或感应电流从中心位置传导到不同距离检波器的谐振强度和时间差来判断地质的情况和感应电流从中心位置传导到不同距离点传感器的电阻变化和时间差来判断地质的情况。为此，地震发生事件或电磁发射事件与多个检波器和多个感应电流传感器的时间必须绝对同步。现有技术的时间校准可以达到毫秒(ms)级，位置测定精确度可以达到米级，本发明为了提高监测的精确性，采用搭载原子钟的卫星系统(如北斗卫星)，将各个检波器和感应电流传感器的时间校准到纳秒(ns)级，位置测定精确度可以达到分米级。本发明开发的“北斗时间同步系统”，同步精度可达22ns。

在自然地震的情况下，需按上文所介绍的公式，先确准地震中心位置，才能计算出震源中心离检波器的距离，从而进一步确定两者之间的谐振波和弹性波传输波阻时间。

地面监测主服务器、井下监测分站、各个检波器、电流感应传感器的时间校准方式是地面监测服务器通过互联网与卫星系统的原子钟联接，收取该原子钟发出的时间信息，地面监测主服务器通过局域物联网实时对井下监测分站、检波器和感应电流传感器发布时间指令，依此实现各子系统和装置的时间校准。

地震勘探一般采集地震的P波(横波)和S波(纵波)。P波采集比较方便，在地震中心周围一定距离的地面上设置若干地震检波器即可，P波采集成本较低，所以现有技术中大多仅采集P波数据。采集S波，一般要从地面打一些深钻孔，在钻孔不同的深度放置若干个地震检波器，接收S波，其成本较高。本发明利用煤矿井下上下布置的岩巷和煤巷，布置地震检波器，可以方便地采集纵向传播的S波，大大提高了监测精度，降低了S波的采集成本。

瞬间磁场监测方法也是如此，现有技术采集感应电流的传感器，也是从地面钻深钻孔，然后在钻孔中不同深度放置多个感应电流传感器。其成本同样较高。本发明利用煤矿井下上下布置的岩巷和煤巷，布置感应电流传感器，大大降低了感应电流信号采集的成本。

本发明的综合监测系统及其方法的煤矿本地地质电子数据库的作用为向地面监测主服务器提供相关煤层地段已有的煤矿静态地质模型数据，已有的煤矿静态地质模型数据包括煤层压裂前原有静态地质模型资料和煤层压裂及之后一次次地震事件一次次更新的煤层静态地质模型资料。地面监测主服务器线性排列出煤层裂缝动态监测数据。依据煤层裂缝动态监测数据所标示的煤层裂缝动态变化规律，构建煤层裂缝的预测模型，利用该预测模型预测地下地质裂缝未来的变化，提前发出防险避灾的预警。

本发明的综合监测系统及其方法的煤矿本地地质电子数据库的作用还在于向井下监测服务器提供本地地质介质固有的共振频率、弹性波传导速度的数据以及地层介质电磁传导电阻参数和电磁传导时间参数等信息，井下监测服务器用其与地震检波器和电流传感器的信号比对，判读地质地层中的结构变化和变化程度，借此建立新的地层地质模型。

本发明的煤矿本地地质电子数据库将新变化的地层地质模型传输给地面监测主服务器，地面监测主服务器将新变化的地层地质模型与第三方地质大数据库比对，发现与新变化的地层地质模型相匹配的地质模型的变化规律，依此，建立本矿的预警模型。

本发明中的地质数据库是基础，服务器是所有数据处理的工具；地面和井下地震检波器都是监测地震波，只是侧重不同，地面检波器属于平面部署，对于裂缝平面展布更准确，而井下检波器部署在巷道面上，侧重于裂缝的垂直展布。瞬变电磁则是利用水的优良导电性，监测水介质动态分布和去向。

本发明的地下地质监测系统及其方法融合了物联网、互联网、大数据、北斗导航、内部局域通信网等现代技术，实现了由静态探查到动态监测的跃升。达到实时、连续、全空间、动态监测的效果。

附图说明

图1是本发明系统某个实施例的数据采集处理装置连接示意图；

图2是本发明系统另一实施例的数据采集处理装置连接示意图；

图3本发明监测方法的流程方框图；

图4是本发明系统某个实施例的地震检波器布置示意图；

图5是本发明系统另一个实施例的地震检波器布置示意图。

具体实施方式

为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互任意组合。在附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行。并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。

如图1所示，本发明的一个实施例的综合监测系统包括：地震监测子系统、瞬间磁场监测子系统、煤矿本地地质电子数据库、地面监测主服务器、井下监测分站、井下监测服务器、井下通信共用的井下环网。其中，所述地震监测子系统进一步包括：震源发生系统和若干个地震检波器；所述瞬间磁场监测子系统进一步包括：井下瞬间电磁线圈和若干个电流感应传感器；所述煤矿本地地质电子数据库与所述地面监测主服务器连接，所述地震检波器与所述井下监测分站连接；所述电流感应传感器与所述井下监测分站连接；所述井下监测分站一端与所述井下监测服务器连接，另一端通过所述井下环网与所述煤矿本地地质电子数据库连接。

如图2所示，本发明的另一个实施例的综合监测系统包括：地震监测子系统、瞬间磁场监测子系统、煤矿本地地质电子数据库、第三方地质大数据库、地面监测主服务器、井下监测分站、井下监测服务器；井下通信共用的井下环网。其中，所述地震监测子系统进一步包括：震源发生系统和若干个地震检波器；所述瞬间磁场监测子系统进一步包括：井下瞬间电磁线圈和若干个电流感应传感器；所述煤矿本地地质电子数据库和第三方地质大数据库分别与所述地面监测主服务器连接，所述地震检波器与所述井下监测分站连接；所述电流感应传感器与所述井下监测分站连接；所述井下监测分站一端与所述井下监测服务器连接，另一端通过所述井下环网与所述煤矿本地地质电子数据库连接。

在本发明的一个实施例中，所述井下环网可以是煤矿井下通用的光纤通信网络。

在本发明的一个实施例中，所有子系统和装置的连接可以通过一个专用的局域物联网连接。

本申请实施例提供的应用于煤矿瓦斯治理的综合监测方法，如图3所示，本发明的综合监测方法包括如下步骤：

S101：制造地震事件或利用自然微地震事件；

S102：用地震检波器收集所述微地震产生的弹性波信号；

S103：用井下瞬间电磁线圈向相关煤层发射电磁波，产生磁场；

S104：用磁场电流感应传感器收集地层介质的电阻信号和感应电流传导时间信号；

S105：将步骤S102收集的所述微地震产生的弹性波信号和步骤S104收集的地层介质的电阻信号和所述磁场电流感应信号，传送给井下监测分站；

S106：所述井下监测分站将监测信号汇总、交由井下监测服务器，相互验证、消除噪音，并依据验证和消除噪音后的监测信息，构建新静态地质模型，并将所述新静态地质模型信息经由所述井下监测分站传送给所述煤矿本地地质电子数据库；

S107:所述煤矿本地地质电子数据库将原始静态地质模型和新构建的静态地质模型数据传送给地面监测主服务器；

S108：所述地面监测主服务器对前后不同时间的原始静态地质模型和新构建的静态地质模型数据比对，依据多次同类比对，建立动态监测数据库，依据地质构造的动态监测数据，归纳出煤层裂缝裂隙的变化规律和变化趋势，从而构建相关煤层裂隙裂缝发展、发育的预测模型。

其中，步骤S101可以在相关煤层区域钻孔、注水、加压，压裂煤层，造成人工微地震事件；步骤S102所述地震检波器所收集的弹性波信号为不同地层介质各自固有的谐振频率信号和波阻信号；步骤S104所述磁场电流感应传感器收集的地层介质电阻信号和感应电流信号为不同地层介质各自固有的电阻率信号和感应电流通过不同地层介质传播到设置在不同距离的所述各个磁场电流感应传感器的不同时间信号；S105所述的井下监测分站为地震震波和磁场电流信号的监测分站，一般煤矿井下监测分站是瓦斯监测分站，瓦斯监测分站与瓦斯传感器连接，本发明的井下监测分站所连接的是检波器和电流传感器。与现有技术相比，本发明的井下监测服务器；传输信号不同；S106所提到的新静态地质模型是井下监测分站制作的地震事件和瞬间电磁测定发生后的最新静态地质模型，S107所提到的原始静态地质模型数据是指相关煤层段的地震事件和瞬间电磁测定发生前的地质静态模型数据，所述新构建的静态地质模型数据是指井下监测分站制作的所述地震事件和瞬间电磁测定发生后的静态地质模型数据；步骤S106中提到的煤矿本地地质电子数据库还向所述地面监测主服务器提供不同地层介质各自固有的谐振频率、波阻、不同地层介质各自固有的电阻率、导电时间等常数数据。

另外，本发明的所述地面监测主服务器获得的煤层裂隙裂缝动态信息还可以用来指导钻瓦斯抽采钻孔的位置选择。

在本发明的一个实施例中，本发明的综合监测系统及其方法还可进一步包括：卫星定时系统和与卫星定时系统相联的互联网。

在本发明的一个实施例中，本发明所述煤矿本地地质电子数据库可以是一个单独的电子数据库，也可以是地面监测主服务器中的一个数据模块。

在本发明的一个实施例中，所述地面监测主服务器可以同时接入多个矿井监测点，数据采集端在各个矿井监测点、数据处理在所述地面监测主服务器，这样可以用一个所述地面监测主服务器，同时处理多个不同矿井的监测信息。

在本发明的一个实施例中，本发明地震监测子系统每个检波器的监测半径400-500m、空间定位误差小于10m。

在本发明的一个实施例中，本发明瞬间磁场监测子系统可识别10^-7～10^-9v的微弱信号。

如图4是本发明一个具体实施例的煤层压裂微地震监测工程中检波器布置的示意图。

如图4所示，在煤层联巷内和煤层联巷两侧的主煤巷布置8个检波器，检波器通过钻孔，埋入煤层。其中，在煤层联巷内布置4个检波器，标号为1、4、5、6；在煤层联巷两侧的主煤巷内布置4个检波器，标号为2、3、7、8。在煤层联巷内布置的4个检波器钻孔指向图中标号为DW9-1和DW9-2的煤层压裂区域的靶点位置，靶点为煤层压裂区的压裂中心。在本实施例中煤层分段压裂，压裂出两个压裂区，其一标号为DW9-1，其二标号为DW9-2，每个压裂区域分别有一个靶点。所述在煤层联巷内布置的4个检波器钻孔延伸方向平行于四条大煤巷，即一条水平集中回风巷、一条水平集中回风巷II、一条水平集中轨道巷和一条水平集中胶皮带巷。在所述煤层联巷两侧的主煤巷(即水平集中回风巷II和水平集中胶皮带巷)内布置4个检波器，其钻孔方向不指向DW9-1和DW9-2煤层压裂区域的靶点位置，以不同倾角布置。其中，标号2、3的检波器钻孔指向两个相反的方向，标号7、8的检波器钻孔指向两个相反的方向。原因是地震检波器采集的地震波信号不完全是人工压裂产生的地震信号，还采集来自其他方向的自然地震的信号。在本实施例中四条大巷迎头联巷长126米。DW9-1的靶点距8号和3号检波器的距离为232m；DW9-2的靶点距8号和3号检波器的距离为332m；DW9-1的靶点距DW9-2的靶点为105m。DW9-1的靶点距8号和3号检波器的距离为232m；DW9-1的靶点距1、4、5、6号检波器的距离为132m；DW9-2区域的底部边缘距1、4、5、6号检波器的距离为310m。

在井下布置地震检波器，在一定程度上会受到井下空间限制，只能采取集中布置。在每条大巷迎头布置1个检波器，集中回风巷和胶带巷迎头往后各布置2个检波器，其间隔40m。在本实施例中，共布置8个检波器，监测分站1台(图中未示出)。检波器倾角参数、检波器安装钻孔参数、具体成孔参数、检波器及采集分站工程布置参数请参见下表1-1。

表1-1煤矿采区四条大巷检波器安装钻孔参数表

检波器专用电缆与对应井下监测分站连接，所需电缆长度请详见表1-2。

表1-2煤碳采区四条大巷检波器至分站的电缆长度

如图5所示，在开采两块回采区之间的煤区时，可以从两个回采区的皮带巷向该煤区打水平长钻孔，将该区的煤层压裂。如图5所示，水平长钻孔是从编号为090515的皮带巷向煤层中打的。在两边的090515皮带巷和编号为090509的皮带巷道布置检波器，每边设置8个检波器，共布置16个检波器。

在图5所示的实施例中，在两个回采区的皮带巷，即编号为090515的皮带巷和编号为090509的皮带巷道相对钻检波器钻孔。在本实施例中，每边设置8个检波器。检波器钻孔指向标号为DW9-3、DW9-4L的靶点。如图5所示，向DW9-3煤层所钻的水平长钻孔，长度为175m；向DW9-4L煤层所钻的水平长钻孔，孔长为450m，编号为090515的皮带巷到编号为090509的皮带巷的间距为619m。在编号为090515皮带巷布置检波器8个，2号监测分站，用来监测DW9-3压裂区域及DW9-4L第三、四、五段压裂区域；在标号为090509皮带巷布置检波器8个，3号监测分站，用以监测DW9-4L第一、二段压裂区域。检波器间距60m，检波器倾角参数、检波器安装钻孔参数请参见表1-3；090515皮带巷检波器至2号监测分站电缆长度请参见表1-5。090509皮带巷检波器安装钻孔参数请参见表1-4，090509皮带巷检波器至3号监测分站电缆长度详见表1-6。

表1-3 090515皮带巷检波器安装钻孔参数表

表1-4 090509皮带巷检波器安装钻孔参数表

表1-5 090515皮带巷检波器至2号监测分站电缆长度

表1-6 090509皮带巷检波器至3号监测分站电缆长度

为确保监测效果，检波器需埋设在钻孔内，检波器阵列需避免线性和扁平式布置。需遵守如下要求：

(1)检波器底端朝向监测区域，与围岩耦合接触；

(2)埋设深度大于巷道松动圈破坏范围；

(3)各个检波器空间位置不在同一个水平面或同一个岩层层位，以形成一个三维空间、立体监测网络。

检波器安装钻孔方位应当严格定向，深度满足设计要求，钻孔需全孔段安装套管护孔，以便于检波器回收。最小孔径(包括套管内径)保证不得小于50mm。钻孔成孔后要吹孔，以确保孔底无岩泥淤积。检波器安装用细钢丝绳固定，底部采用锚固剂固结，确保与围岩耦合接触。钻孔实际坐标在完成安装后测量，包括孔口三维坐标、钻孔方位、倾角、深度，悬挂标志牌。

井下监测服务器、监测分站应布置在巷道稳定性好，通风、照明良好，无淋水，远离大型电器设备地点，距施工地点50m以上，分站安装在底座上，防爆外壳接地，悬挂警示牌；并确保监测期间供电稳定。

在地震监测系统安装完成运行后，为测量监测区域煤岩层波速，需进行校正炮爆破作业，在监测区施工4～6个校正炮，孔深3m，药量150-400g，反向装药，顺序爆破，记录对应钻孔的爆破时间，测量孔口三维坐标。地震监测系统校正爆破注意事项：

(1)系统校正爆破要记录爆破的时间和对应的位置，需要记录爆破孔口的精确三维坐标，现场可参考表内测量控制导线点位置。

(2)炮孔孔径适应矿方的药卷直径即可，反向装药，顺序爆破。

(3)炮孔设计位置在工作面内帮，均按倾角-45°、深度3m。

(4)爆破作业要符合当地矿井爆破施工规定。

校正炮爆破作业参数请参见表表2-1。

表2校正炮设计表

监测分站通过专用光缆连接至井下环网，通过井下环网将采集数据传输至地面监测主服务器，地面监测主服务器可同时将采集数据传输至第三方地质大数据库，在地面监测主服务器与第三方地质大数据库同时进行实时数据处理。

在本申请一个实施例中，监测过程为：

1)压裂前背景场监测与探查

地震(包括微地震)系统于压裂前10日安装完成，利用校正炮反演推测地层速度，判定现场监测干扰因素，进行系统调式校正。

压裂前7日开始以压裂范围现场作业环境为地震监测背景，揭示现场压裂作业信号和背景噪声信号伴随的地震事件属性特征，为压裂过程中地震信号无效信息剥离提供支持，进而描述压裂过程中诱发的微裂隙发育几何形状和空间展布形态。

压裂前在设计测点进行瞬变电磁探查，确定背景参数。

2)压裂施工监测

从压裂开始至压裂结束全过程监测压裂过程中煤岩体裂隙发育范围及延展方向，确保压裂裂隙不穿过压裂煤体附近巷道及构造一定范围设立的“警戒墙”。

3)放溢流与应力恢复监测

压裂结束放溢流前先在设计测点再次进行瞬变电磁探测，确定压裂充水范围，进而分析压裂裂隙延伸方向和影响范围。

压裂结束后持续对放溢流过程进行地震监测，包括地面、井下放溢流两个阶段。放溢流结束后对应力恢复过程进行监测，直到应力处于平衡稳定，地震事件3日内无明显变化后停止监测。

在本申请一个实施例中，监测预警过程为：在压裂目标煤层附近巷道及构造的20～50m范围内设置“警戒墙”。预警依据为压裂施工中“警戒墙”内有无大量密集微地震事件发生。根据现场监测情况，当“警戒墙”内连续出现10～30个微震事件时，进行预警，要求减压或者停止压裂。微震监测数据在矿井本地压裂监控中心与上级地震监测中心同时进行处理，即时进行结果互通。

本领域技术人员应该而知，以上为方便本申请实施例的理解而涉及到的数值还可以是其他任何合理的数值，不仅仅限定于以上方案所描述。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的方法，可以通过其它的方式实现。

本申请所提供的几个方法实施例中所揭露的方法，在不冲突的情况下可以任意组合，得到新的方法实施例。

本申请所提供的几个方法实施例中所揭露的特征，在不冲突的情况下可以任意组合，得到新的方法实施例。

以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (12)

1.一种应用于煤矿瓦斯治理的综合监测系统，其特征在于，所述系统包括：

地震监测子系统，所述地震监测子系统包括：震源发生系统和若干个地震检波器，所述震源发生系统是主动源人工地震系统和/或被动源自然地震系统，所述地震检波器设置在地面和/或井下；

瞬间电磁监测子系统，所述瞬间电磁监测子系统包括井下瞬间电磁线圈和若干个磁场电流感应传感器；

煤矿本地地质电子数据库，所述煤矿本地地质电子数据库用以存储本煤矿的静态地质模型数据和/或本地地层介质共振频率、弹性波传导速度的数据以及相应地层介质电磁传导电阻参数和电磁传导时间参数；

地面监测主服务器，所述地面监测主服务器具有地质模型数据比对，并依据地质模型数据比对结果，构建预测煤层裂隙裂缝发育的数据运算模型；

井下监测分站，所述井下监测分站具有一个或多个，每个所述井下监测分站包含一台井下监测服务器；

所述地震监测子系统的若干个地震检波器与所述井下监测分站连接，所述井下监测分站与所述煤矿本地地质电子数据库连接，所述煤矿本地地质电子数据库与所述地面监测主服务器连接；

所述瞬间电磁监测子系统的所述井下瞬间电磁线圈与井下电源连接，所述瞬间电磁监测子系统的若干所述磁场电流感应传感器与所述井下监测分站连接。

2.一种根据权利要求1所述的应用于煤矿瓦斯治理的综合监测系统，其中，所述综合监测系统还包括井下环网，所述井下环网一端与所述煤矿本地地质电子数据库连接，另一端与所述井下监测分站连接。

3.一种根据权利要求1或2所述的应用于煤矿瓦斯治理的综合监测系统，其中，所述综合监测系统还可包括局部物联网，所述局部物联网将各子系统和装置连接起来，实现各子系统和装置之间的通信。

4.一种根据权利要求1或3所述的应用于煤矿瓦斯治理的综合监测系统，其中，所述综合监测系统还可包括卫星定时系统，所述卫星定时系统将各子系统和装置的同步时间校正在纳秒级别内，所述卫星定时系统通过互联网与所述地面监测主服务器联接，所述地面监测主服务器实时向所述各子系统和装置发出同步时间校正指令。

5.一种根据权利要求4所述的应用于煤矿瓦斯治理的综合监测系统，其中，所述卫星定时系统可将各子系统和装置的同步时间校准在22纳秒内。

6.一种根据权利要求1或3所述的应用于煤矿瓦斯治理的综合监测系统，其中，所述综合监测系统还可包括第三方地质大数据库，所述第三方地质大数据库通过互联网与所述地面监测主服务器连接，为所述地面监测主服务器提供更多或更详细的同类地质的静态地质模型数据和/或不同地层介质共振频率、弹性波传导速度的数据以及相应地层介质电磁传导电阻参数和电磁传导时间参数等大数据资料，以支持所述地面监测主服务器建立煤层裂隙裂缝发育的预测模型。

7.一种根据权利要求1所述的应用于煤矿瓦斯治理的综合监测系统，其中，所述地震检波器至少4个。

8.一种应用于煤矿瓦斯治理的综合监测方法，其特征在于，所述综合监测方法包括以下步骤：

(1)人工制造地震事件，或利用自然地震事件，或人工制造微地震事件，或利用自然微地震事件；

(2)用地震检波器收集所述地震事件产生的弹性波在地层介质中产生的谐振波和弹性波；

(3)用井下瞬间电磁线圈向相关煤层发射电磁波，产生磁场；

(4)用磁场电流感应传感器收集地层介质的电阻率和感应电流传播到各个磁场电流感应传感器的时间信号；

(5)将步骤(2)收集的所述地震产生的弹性波信号和步骤(4)收集的所述磁场电流感应信号，传送给井下监测分站；

(6)所述井下监测分站将监测信号汇总交由所述井下监测服务器，所述井下监测服务器对所述监测信号消除噪音、相互映证，并依据验证和消除噪音后的监测信息，构建地震事件和瞬间电磁测定事件发生后的静态地质模型，并将所述静态地质模型信息经由所述井下监测分站传送给煤矿本地地质电子数据库；

(7)所述煤矿本地地质电子数据库将相关煤层段的地震事件和瞬间电磁测定事件发生前的地质静态模型信息和发生后的地质静态模型信息，传送给地面监测主服务器，

(8)所述地面监测主服务器对地震事件和瞬间电磁测定事件发生前的地质静态模型信息与发生后的地质静态模型信息比对，依据多次同类比对，建立动态监测数据库，依据地质构造的动态监测数据，归纳出煤层裂缝裂隙的变化规律和变化趋势，从而构建相关煤层裂隙裂缝发展、发育的预测模型,以预测模型预警可能瓦斯突出和/或水突出灾害。

9.一种根据权利要求8所述的应用于煤矿瓦斯治理的综合监测方法，其中，步骤(1)所述的人工地震事件和/或自然地震事件可以多次重复，用地震检波器收集每次地震事件产生的弹性波信号。

10.一种根据权利要求8所述的应用于煤矿瓦斯治理的综合监测方法，其中，步骤(3)所述的井下瞬间电磁测定事件，可依据需要多次重复，用所述磁场电流感应传感器，记录每次地层电阻率变化的信号。

11.一种根据权利要求8所述的应用于煤矿瓦斯治理的综合监测方法，其中，所述地面监测主服务器通过互联网与卫星定时系统连接，接收卫星搭载的原子钟的时间信息，并向所述地震检波器、所述井下瞬间电磁线圈、所述磁场电流感应传感器、所述井下监测分站实时发布系统时间同步校正指令。

12.一种根据权利要求8所述的应用于煤矿瓦斯治理的综合监测方法，其中，所述综合监测方法还包括网上大数据支持步骤，通过互联网使所述地面监测主服务器与第三方地质大数据库连接，从而获得同类地质构造数据，用以验证和/或修正所述地面监测主服务器依据本矿地质资料数据库所得出的结论。