煤矿开采过程中底板突水预警系统及方法技术方案

一种煤矿开采过程中底板突水预警系统及方法，其属于矿井水文地质和采矿工程领域。该预警系统包括微震监测系统、数值计算系统、虚拟现实系统、网络传输系统和预警预报分析中心。微震监测系统中传感器网络的空间阵列布置是影响微震监测数据可靠性和有效性的关键，减小了震源定位误差。在虚拟的三维地质环境中，地质体的显示可以更为直观、清晰、准确，更有助于分析人员深刻地认识和分析工程区地质体的形成、演变和发展；对于进一步揭示隐伏地质构造的几何形态，判断断层运动规律，弄清地层接触关系，深入研究地学规律，都有启发和帮助。通过微震监测数据、应力分析结果以及三维地质力学模型的无缝连接与显示，实现对底板突水的实时监测和预警。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种煤矿开采过程中底板突水预警系统及方法，其属于矿井水文地质和采矿工程领域。
技术介绍
煤矿突水监测是矿井地球物理勘探方法为主。该技术主要是利用井巷工程更加靠近地质和水文地质体的特点，在井下进行不同岩土体组分的物性差异、电性差异、磁性差异、传播性差异等的监测和研究。现阶段，在煤矿突水监测中应用较广泛的有三种：矿井电阻率法、矿井瞬变电磁法和矿井底板破坏裂隙带探测法。近年来国内用于巷道顶、底板构造和水文地质条件探查的矿井电法技术发展较快，将高密度电阻率法、断面测深技术和三维电阻率成像技术引入煤矿井下，专利技术了“方波读数法”、减小接地电阻等压制井下强地电干扰的方法，解决了井下施工的技术难题。1998年起，中国矿业大学开始从事矿井瞬变电磁法的试验、应用工作。矿井瞬变电磁法是一类非接触式探测技术，属于时间域电磁法。矿井底板破坏裂隙带探测法是应用物探、注（放）水等手段来观测底板破坏情况。应用较多的是注（放）水法、地质雷达、震波 CT 成像技术、直流电阻率法。近年来中国矿业大学窦林名等采用分析岩石破坏时产生的电磁辐射信号的方法来监测底板岩石破坏情况。这些方法或因为理论不够完善，或因为理论现场实际情况过于复杂，并且是在煤矿工作面开采之前进行的静态探测，而非随着工作面开采的进行的实时探测，从而使煤矿底板突水的监测和预警成为难题。微震监测技术是一种对岩体在变形破坏过程中所产生的微破裂进行定时、定位的一种监测技术。当岩石中的裂纹产生、扩展、摩擦时，内部积聚的能量便以应力波的形式释放，产生微震事件，并通过P波和S波的形式传播。微震监测系统通过地震检波器或加速度传感器就可以将接受的波形转化成电信号并经数据采集系统转换成数据信号，借助专业化的数据处理软件，就能够实现在三维空间中实时准确地确定岩体中微震事件发生的时间、位置、量级（即时空强)，从而对岩体受力破坏的活动范围、稳定性及其发展趋势做出定性、定量评价。因此，采用微震监测对突水通道的形成进行监测，并结合水文地质资料对底板突水进行监测是可行的。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是提供一种煤矿开采过程中底板突水预警系统及方法，该系统可提供有效的煤矿底板突水预警方法，对煤矿开采过程中的底板突水灾害进行预警，以便采取相应的措施，有效防止煤矿底板突水事故的产生。为解决上述技术问题，本专利技术所采用的技术方案是：该系统包括微震监测系统、网络传输系统、虚拟现实系统、数值计算分析系统和预警预报分析中心；所述微震监测系统包括硬件部分和软件部分；硬件部分微震监测设备、现场数据控制中心和远程数据分析中心；微震监测设备包括检波型传感器、配有电源并具备信号波形修整功能的Paladin传感器接口盒、Paladin地震记录仪、Paladin主控时间服务器、软件运行监视卡Watch-Dog；软件部分包括Paladin标准版监测系统配备HNAS软件（信号实时采集与记录）、SeisVis软件（事件的三维可视化）、WaveVis软件（波形处理及事件重新定位）、ProLib软件（震源参数计算）、Spectr波谱分析软件、DBEidtor软件（数据过滤及报告生成）、Achiever软件（数据存档）、MMS-View软件（远程网络传输与三维可视化）等组成的整套监测系统，如图2所示。微震监测系统用于现场24小时连续采集微震数据,并且监视微震监测系统是否正常运行，所述微震数据包括对开采过程中采场围岩受应力扰动损伤、破坏、结构面活化过程中能量、时空位置信息的定位；所述网络传输系统包括硬件部分和软件部分；硬件部分包括：（1） GPRS MODEM；（2） RS-232电缆一根(15pin转9pin+4pin电话语音)；（3） 天线一根；（4） 供电仙韵稍仙韵稍匹配器一个。软件部分包括：（1）软件、用户手册及软件序列号一份；（2）为了防止来自系统内外的有意和无意的破环，所有数据全部采用美国军方C2加密算法进行传输。监测中心计算机需要一个固定的IP地址或固定的域名，各个数据采集点采用GPRS模块通过IP地址或域名来访问该主机，从而进行数据通信。现场数据控制中心服务器通过RS232接口与HIT GPRS DTU终端相连，现场监控点服务器将微震监测点采集到的数据通过数据传输模块，将数据进行处理、协议封装后发送到GPRS无线网络。现场数据控制中心服务器采集的数据经GPRS/GSM网络空中接口功能模块同时对数据进行解码处理，转换成在公网数据传送的格式，通过中国移动的GPRS无线数据网络进行传输，最终远程数据分析中心IP地址。远程数据分析中心服务器采用公网方式接入Internet，如ADSL拨号/电信专线宽带上网等，可以实现中小容量的数据采集应用，GPRS远程无线传输拓扑，如图3所示。网络传输系统用于微震监测设备将采集到的微震数据通过GPRS网络及时发送到远程数据分析中心的服务器，实现对微震数据的及时管理和分析；所述虚拟现实系统包括硬件部分和软件部分；硬件部分包括：（1）主动立体投影机；（2）立体眼镜；（3）红外线信号发射器；（4）画面融合矫正机；（5）两面墙投影幕及机械结构；（6）交换机；（7）零中断电源控制机；（8）线材；（9）G-Motion光学追踪摄像头；（10）一台图形管理工作站；（11）四台图形渲染工作站。软件部分包括：（1）G-Motion光学追踪软件；（2）RFPA虚拟现实接口程序；（3）DVS3D虚拟现实显示及交互软件；虚拟现实系统用于对整个采矿过程的三维虚拟显示（包括工作面推进、工作面推进过程中围岩的应力变化、声发射或微震的三维空间分布），从而使地质体的显示可以更为直观、清晰、准确，更有助于分析人员深刻地认识和分析工程区地质体的形成、演变和发展，进一步揭示隐伏地质构造的几何形态，判断断层运动规律，弄清地层接触关系，深入研究地学规律，为合理地、有重点地进行加固与支护提供依据。所述数值计算分析系统包括硬件部分和软件部分；硬件部分包括：高性能计算机。软件部分包括：（1）MMS-View显示系统（微震数据显示系统）；（2）RFPA-2D流固耦合分析版（局部二维地质力学模型的应力场、渗流场分析系统）；（3）RFPA-3D流固耦合分析版（整体三维地质力学模型的应力场、渗流场分析系统）。数值计算分析系统用于对地质力学模型进行计算分析，对采动诱发的高应力区进行模拟分析与预测，实现与微震数据的互馈分析，初步标定对突水危险区域；所述预警预报分析中心通过综合分析微震监测系统、网络传输系统、虚拟现实系统、数值计算分析系统的结果，建立基于微震监测和数值模拟的煤矿底板突水预警方法，实形成基于微震监测和数值模拟的实时煤矿底板突水危险性系统。煤矿开采过程中底板突水预警系统的预警方法，包括以下步骤：（1）确定具有突水危险灾害的煤矿和工作面；（2）根据煤矿和工作面的水文地质条件，制定微震监测方案，该方案中包括传感器的布置与安装及线路的布设，以保证测点在主要监测范围之内具有空间阵列结构，降低直线和平面布置几率为优化原则，优化传感器网络布置方案；（3）根据确定的微震监测方案，建立并调试微震监测系统；（4）对微震监测系统收集的数据信息进行处理并分析顶板、底板微震监测结果；（5）通过对底板微震监测结果分析：a、确定底板破坏深度和破坏层位，本文档来自技高网...

【技术保护点】
煤矿开采过程中底板突水预警系统，其特征在于：该系统包括微震监测系统、网络传输系统、虚拟现实系统、数值计算分析系统和预警预报分析中心；所述微震监测系统用于现场24小时连续采集微震数据,并且监视微震监测系统是否正常运行，所述微震数据包括对开采过程中采场围岩受应力扰动损伤、破坏、结构面活化过程中能量、时空位置信息的定位；微震监测系统包括微震监测硬件和微震监测软件；微震监测硬件包括微震监测设备、现场数据控制中心和远程数据分析中心；所述网络传输系统用于微震监测设备将采集到的微震数据通过GPRS网络及时发送到远程数据分析中心的服务器，实现对微震数据的及时管理和分析；现场数据控制中心计算机采用固定的IP地址或固定的域名，各个数据采集点采用GPRS模块通过IP地址或域名来访问该主机，进行数据通信；现场数据控制中心服务器通过RS232接口与HIT GPRS DTU终端相连，现场监控点服务器将微震监测点采集到的数据通过数据传输模块，将数据进行处理、协议封装后发送到GPRS无线网络；现场数据控制中心服务器采集的数据经GPRS/GSM网络空中接口功能模块同时对数据进行解码处理，转换成在公网数据传送的格式，通过中国移动的GPRS无线数据网络进行传输，最终传输到远程数据分析中心IP地址上；远程数据分析中心服务器采用公网方式接入Internet，实现中小容量的数据采集应用和GPRS远程无线传输拓扑；所述虚拟现实系统用于对整个采矿过程的三维虚拟显示，包括工作面推进、工作面推进过程中围岩的应力变化、声发射或微震的三维空间分布；所述数值计算分析系统用于对地质力学模型进行计算分析，对采动诱发的高应力区进行模拟分析与预测，实现与微震数据的互馈分析，初步标定对突水危险区域；所述预警预报分析中心综合分析微震监测系统、网络传输系统、虚拟现实系统、数值计算分析系统的结果，建立基于微震监测和数值模拟的煤矿底板突水预警方法，实形成基于微震监测和数值模拟的实时煤矿底板突水危险性系统。...

【技术特征摘要】
1.煤矿开采过程中底板突水预警系统，其特征在于：该系统包括微震监测系统、网络传输系统、虚拟现实系统、数值计算分析系统和预警预报分析中心；所述微震监测系统用于现场24小时连续采集微震数据,并且监视微震监测系统是否正常运行，所述微震数据包括对开采过程中采场围岩受应力扰动损伤、破坏、结构面活化过程中能量、时空位置信息的定位；微震监测系统包括微震监测硬件和微震监测软件；微震监测硬件包括微震监测设备、现场数据控制中心和远程数据分析中心；所述网络传输系统用于微震监测设备将采集到的微震数据通过GPRS网络及时发送到远程数据分析中心的服务器，实现对微震数据的及时管理和分析；现场数据控制中心计算机采用固定的IP地址或固定的域名，各个数据采集点采用GPRS模块通过IP地址或域名来访问该主机，进行数据通信；现场数据控制中心服务器通过RS232接口与HIT GPRS DTU终端相连，现场监控点服务器将微震监测点采集到的数据通过数据传输模块，将数据进行处理、协议封装后发送到GPRS无线网络；现场数据控制中心服务器采集的数据经GPRS/GSM网络空中接口功能模块同时对数据进行解码处理，转换成在公网数据传送的格式，通过中国移动的GPRS无线数据网络进行传输，最终传输到远程数据分析中心IP地址上；远程数据分析中心服务器采用公网方式接入Internet，实现中小容量的数据采集应用和GPRS远程无线传输拓扑；所述虚拟现实系统用于对整个采矿过程的三维虚拟显示，包括工作面推进、工作面推进过程中围岩的应力变化、声发射或微震的三维空间分布；所述数值计算分析系统用于对地质力学模型进行计算分析，对采动诱发的高应力区进行模拟分析与预测，实现与微震数据的互馈分析，初步标定对突水危险区域；所述预警预报分析中心综合分析微震监测系统、网络传输系统、虚拟现实系统、数值计算分析系统的结果，建立基于微震监测和数值模拟的煤矿底板突水预警方法，实形成基于微震监测和数值模拟的实时煤矿底板突水危险性系统。2.根据权利要求1所述的煤矿开采过程中底板突水预警系统，其特征在于：所述微震监测设备包括检波型传感器、配有电源并具备信号波形修整功能的Paladin传感器接口盒、Paladin地震记录仪、Paladin主控时间服务器、软件运行监视卡Watch-Dog；微震监测软件包括用于信号实时采集与记录的Paladin标准版监测系统配备HNAS软件、用于事件的三维可视化的SeisVis软件、用于波形处理及事件重新定位的WaveVis软件、用于震源参数计算的ProLib软件、Spectr波谱分析软件、用于数据过滤及报告生成的DBEidtor软件、用于数据存档的Achiever软件、用于...

【专利技术属性】
技术研发人员：唐春安，王苏健，程关文，陈通，王悦，杨菊英，李连崇，马天辉，陈志强，
申请(专利权)人：大连理工大学，陕西煤业化工技术研究院有限责任公司，力软科技大连股份有限公司，
类型：发明
国别省市：辽宁;21