一种采动煤岩体突水微震监测方法技术

本发明专利技术具体涉及一种采动煤岩体突水微震监测方法，包括：根据采动煤岩体突水微震监测系统的工程要求及实施条件，确定采动煤岩体突水微震监测的系统架构；对检波器阵列拾取的微震信号，采用阈值算法和STA/LTA算法判断是否存在采动煤岩体突水微震触发事件，若是，保存触发事件波形；采用STA/LTA算法拾取p波到时t，并通过单纯形法迭代求解出触发事件的发生位置；计算触发事件发生时的微震辐射能量；分析采动煤岩体微震辐射能量的时空分布特征和聚集程度，设定微震辐射能量释放阈值，以识别出采动煤岩体潜在突水灾害区域。本发明专利技术的技术方案，能实现对采动煤岩体突水的全局、实时和动态监测，监测方法简单，监测效率高，便于推广实施。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及矿井水文地质
，具体涉及一种采动煤岩体突水微震监测方法。
技术介绍
在煤矿开采过程中，煤岩体突水、淹井事故时有发生，严重威胁煤矿的安全生产。特别是近年来，矿井开采深度已经达千米，采动煤岩体突水问题就显得更加突出。煤矿开采过程中不同的地质赋存环境、岩石性质、地应力分布和断裂构造以及破碎带的发育情况等都有可能诱发不同机理的矿井突水。因此，采动煤岩体突水是由多种因素共同作用造成的，对于突水灾害的监测需要综合考虑多种因素的影响，圈定开采过程中可能的突水通道和突水危险区域。目前，煤矿突水的监测方法主要有钻孔注水法、岩层移动钻孔探测法、水文地质钻孔探测法、三维地球物理探测技术等。近几年，以地质雷达技术、电阻率法、瞬变电磁法和红外探测方法为代表的地球物理探测技术方法得到了飞速发展，这些监测技术均能较好地获得煤层底板潜在的突水点和突水通道，但这些监测结果往往只获得采动煤岩体突水全过程中的某一静态时刻的局部结果，未能实现完整的突水全过程中突水通道形成的连续动态监测，并且受监测环境中电磁信号干扰的影响较大，监测结果可靠性不高，从而制约了采动煤岩体突水的监测和预警技术的发展。近年来，高精度微震监测技术的发展为岩体微破裂的全局、实时和动态监测提供了一种新方法。微震监测技术通过对岩体在变形破坏过程释放的微
地震波形的拾取、反演和分析，获取岩体微破裂的发生的时间、位置和强度等震源信息，进而对岩体破坏的活动范围、稳定性及其发展趋势做出定性、定量评价。采用微震监测技术对采动煤岩体突水进行监测，突破了以流量、水温及水压等表象信息监测为依据进行采动煤岩体突水灾害预警的传统思路，引入微震能量与煤岩体劣化表征关系，提出从采动诱发的煤岩体微破裂导致煤岩体力学性质劣化并形成突水通道的本质出发，以微震监测技术和水文地质资料分析为手段，进行采动煤岩体突水的监测和预警。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术提供一种采动煤岩体突水微震监测方法，实现实时监测采动煤岩体可能出现的突水灾害。为实现以上目的，本专利技术采用如下技术方案：一种采动煤岩体突水微震监测方法，包括：步骤S1、根据采动煤岩体突水微震监测系统的工程要求及实施条件，确定采动煤岩体突水微震监测的系统架构；其中，所述系统架构包括检波器阵列在煤矿回采工作面的回采巷道中的安装方式及安装位置，所述检波器阵列用于拾取被监测采动煤岩体产生的微震信号；步骤S2、对所述检波器阵列拾取的微震信号，采用阈值算法和STA/LTA算法判断是否存在采动煤岩体突水微震触发事件，若是，保存触发事件波形；步骤S3、滤除所述触发事件波形中的噪声信号，对滤噪后的触发事件波形，采用STA/LTA算法拾取p波到时t，并根据采动煤岩体整体最优波速vopt通过单纯形法迭代求解出所述触发事件的发生位置；步骤S4、根据公式计算所述触发事件发生时的微震辐射能量；其中，ρ为煤岩体密度；v为煤岩体弹性波速；R为震源到检波器阵列的距离；Jc为辐射能通量，通过质点速度谱在频域中积分获得；Fc为地震波辐射类型经验系数；步骤S5、分析所述触发事件发生时微震辐射能量的时空分布特征和聚集程度，设定微震辐射能量释放阈值，以识别出采动煤岩体潜在突水灾害区域。优选地，所述采动煤岩体突水微震监测方法，还包括：步骤S6、根据所述触发事件发生时微震辐射能量的时空分布特征及采动煤岩体潜在突水灾害区域，确定采动煤岩体潜在突水通道赋存的主控地质因素，建立煤岩体突水灾害分析的三维地质力学模型，为采动煤岩体突水灾害的监测预警提供模型支持；步骤S7、根据所述触发事件的时空分布规律和所述触发事件发生时微震辐射能量的时空分布特征，利用能量耗散原理，将煤矿围岩微震辐射能量转化为围岩损伤弱化的力学参数，为采动煤岩体的数值分析提供力学修正参数。优选地，所述步骤S1具体包括：步骤S10、根据采动煤岩体突水微震监测系统的工程要求及实施条件，确定采动煤岩体突水微震监测系统的系统架构；步骤S11、通过现场波速测试试验获取可供选择的岩体弹性波波速范围(vmin,vmax)，其中，vmin和vmax分别表示岩体弹性波波速的最小值和最大值；步骤S12、对采动煤岩体现场进行定点爆破或敲击试验，人工激发弹性波，滤除所述人工弹性波中的噪声信号，并对滤除噪声信号后的人工弹性波，采用STA/LTA算法拾取p波到时t；步骤S13、遍历岩体弹性波波速vi∈(vmin,vmax)内的所有弹性波波速，采用单纯形法迭代求解微震震源位置Xi(xi,yi,zi,vi)，并利用公式minE(vi)＝||Xi-X0||，i＝1,2…n，n≥2(2)，计算出采用单纯形法迭代求解的震源位置Xi(xi,yi,zi,vi)与人工震源位置X0(x0,y0,z0)之间的误差最小值minE(vi)，其对应的弹性波波速为采动煤岩体整体最优波速vopt；步骤S14、若minE(vi)的值不在预设误差范围内，返回步骤S10，调整采动煤岩体突水微震监测系统的系统架构，直至minE(vi)的值在预设误差范围；
其中，调整采动煤岩体突水微震监测系统的系统架构包括调整采动煤岩体突水微震监测系统中检波器阵列的安装方式及安装位置。需要说明的是，所述预设误差范围根据用户实际需要和微震监测工程要求进行设置。优选地，所述步骤S2具体包括：步骤S21、采集所述检波器阵列输出的微震信号，判断所述微震信号初至时的幅值As是否大于第一触发阈值At；其中，At根据采动煤岩体突水微震监测系统工程现场的背景噪声值确定；步骤S22、若As大于At，判断所述微震信号是否满足值，若是，则判定所述微震信号存在采动煤岩体突水微震触发事件；其中，STA为微震信号短时能量平均值，LTA为微震信号长时能量平均值，T为第二触发阈值。优选地，所述步骤S21中At根据如下步骤进行确定：步骤S210、计算预设时段内采动煤岩体突水微震监测系统工程现场的背景噪声的平均振幅值；步骤S211、若微震信号初至时的幅值As大于所述平均振幅值，则判定所述微震信号中可能存在采动煤岩体突水微震触发事件；步骤S212、若被监测采动煤岩体实际状态稳定，利用步骤S211判定的可能存在的触发事件每分钟低于30个，且微震信号的信噪比在预设比值范围内，则将所述平均振幅值设为第一触发阈值At；否则，返回步骤S210，调整预设时段的长度重新计算所述平均振幅。需要说明的是，所述预设比值根据用户实际需要和微震监测工程要求进行设置。优选地，所述步骤S3中滤除所述触发事件波形中的噪声信号具体为：对工程现场大于预设幅值的噪声信号进行快速傅里叶变换，以获取噪声信号的时域和频域特征，建立噪声信号特征库；根据噪声信号特征库中噪声
信号的时域和频域特征滤除所述触发事件波形中的噪声信号。需要说明的是，所述预设幅值根据工程经验和现场监测试验确定。优选地，所述步骤S7具体包括：根据公式计算微震触发事件发生后岩体的损伤变量D；根据损伤变量D，对采动煤岩体的力学参数进行修正。其中，η地震效率，E表示震源尺寸范围内的岩体单元损伤后被微震监测系统拾取的辐射能，Ue为岩体单元可释放总应变能，Ue由公式计算，其中E0为岩体初始的弹性模量，σ1、σ2和σ3分别为岩体第一、第二和第三主应力，ν为岩体泊松比。优选地，所述步骤S1本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种采动煤岩体突水微震监测方法，其特征在于，包括：步骤S1、根据采动煤岩体突水微震监测系统的工程要求及实施条件，确定采动煤岩体突水微震监测的系统架构；其中，所述系统架构包括检波器阵列在煤矿回采工作面的回采巷道中的安装方式及安装位置，所述检波器阵列用于拾取被监测采动煤岩体产生的微震信号；步骤S2、对所述检波器阵列拾取的微震信号，采用阈值算法和STA/LTA算法判断是否存在采动煤岩体突水微震触发事件，若是，保存触发事件波形；步骤S3、滤除所述触发事件波形中的噪声信号，对滤噪后的触发事件波形，采用STA/LTA算法拾取p波到时t，并根据采动煤岩体整体最优波速vopt通过单纯形法迭代求解出所述触发事件的发生位置；步骤S4、根据公式计算所述触发事件发生时的微震辐射能量；其中，ρ为煤岩体密度；v为煤岩体弹性波速；R为震源到检波器阵列的距离；Jc为辐射能通量，通过质点速度谱在频域中积分获得；Fc为地震波辐射类型经验系数；步骤S5、分析所述触发事件发生时微震辐射能量的时空分布特征和聚集程度，设定微震辐射能量释放阈值，以识别出采动煤岩体潜在突水灾害区域。

【技术特征摘要】
1.一种采动煤岩体突水微震监测方法，其特征在于，包括：步骤S1、根据采动煤岩体突水微震监测系统的工程要求及实施条件，确定采动煤岩体突水微震监测的系统架构；其中，所述系统架构包括检波器阵列在煤矿回采工作面的回采巷道中的安装方式及安装位置，所述检波器阵列用于拾取被监测采动煤岩体产生的微震信号；步骤S2、对所述检波器阵列拾取的微震信号，采用阈值算法和STA/LTA算法判断是否存在采动煤岩体突水微震触发事件，若是，保存触发事件波形；步骤S3、滤除所述触发事件波形中的噪声信号，对滤噪后的触发事件波形，采用STA/LTA算法拾取p波到时t，并根据采动煤岩体整体最优波速vopt通过单纯形法迭代求解出所述触发事件的发生位置；步骤S4、根据公式计算所述触发事件发生时的微震辐射能量；其中，ρ为煤岩体密度；v为煤岩体弹性波速；R为震源到检波器阵列的距离；Jc为辐射能通量，通过质点速度谱在频域中积分获得；Fc为地震波辐射类型经验系数；步骤S5、分析所述触发事件发生时微震辐射能量的时空分布特征和聚集程度，设定微震辐射能量释放阈值，以识别出采动煤岩体潜在突水灾害区域。2.根据权利要求1所述的采动煤岩体突水微震监测方法，其特征在于，还包括：步骤S6、根据所述触发事件发生时微震辐射能量的时空分布特征及采动煤岩体潜在突水灾害区域，确定采动煤岩体潜在突水通道赋存的主控地质因素，建立煤岩体突水灾害分析的三维地质力学模型，为采动煤岩体突水灾害的监测预警提供模型支持；步骤S7、根据所述触发事件的时空分布规律和所述触发事件发生时微震
\t辐射能量的时空分布特征，利用能量耗散原理，将煤矿围岩微震辐射能量转化为围岩损伤弱化的力学参数，为采动煤岩体的数值分析提供力学修正参数。3.根据权利要求1所述的采动煤岩体突水微震监测方法，其特征在于，所述步骤S1具体包括：步骤S10、根据采动煤岩体突水微震监测系统的工程要求及实施条件，确定采动煤岩体突水微震监测系统的系统架构；步骤S11、通过现场波速测试试验获取可供选择的岩体弹性波波速范围(vmin,vmax)，其中，vmin和vmax分别表示岩体弹性波波速的最小值和最大值；步骤S12、对采动煤岩体现场进行定点爆破或敲击试验，人工激发弹性波，滤除所述人工弹性波中的噪声信号，并对滤除噪声信号后的人工弹性波，采用STA/LTA算法拾取p波到时t；步骤S13、遍历岩体弹性波波速vi∈(vmin,vmax)内的所有弹性波波速，采用单纯形法迭代求解微震震源位置Xi(xi,yi,zi,vi)，并利用公式min E(vi)＝||Xi-X0||，i＝1,2…n，n≥2(2)，计算出采用单纯形法迭代求解的震源位置Xi(xi,yi,zi,vi)与人工震源位置X0(x0,y0,z0)之间的误差最小值min E(vi)，其对应的弹性波波速为采动煤岩体整体最优波速vopt；步骤S14、若min E(vi)的值不在预设误差范围内，返回步骤S10，调整采动煤岩体突水微震监测系统的系统架构，直至min E(vi)的值在预设误差范围；其中，调整采动煤岩体突水微震监测系统的系统架构包括调整采动煤岩体突水微震监测系统中检波器阵列的安装方式及安装位置。4.根据权利要求1所述的采动煤岩体突水微震监测方法，其特征在于，所述步骤S2具体包括：步骤S21、采集所述检波器阵列输出的微震信号，判断所述微震信号初至时的幅值As是否大于...

【专利技术属性】
技术研发人员：马克，庄端阳，唐春安，
申请(专利权)人：马克，庄端阳，唐春安，
类型：发明
国别省市：北京;11