巷道围岩破坏声发射定位与波速成像监测及灾变预警方法技术

本发明专利技术公开了巷道围岩破坏声发射定位与波速成像监测及灾变预警方法，根据巷道掘进过程中围岩破坏产生的声发射信号进行定位与波速成像监测及灾变预警；利用掘进巷道及邻近巷道，结合(长)钻孔安装方式建立优化的声发射传感器台网，得到巷道掘进造成围岩破坏的高精度声发射事件的定位及能量，筛选一定数量的声发射定位事件作为已知震源，进行基于高精度声发射定位的波速成像；结合高精度声发射定位、波速成像及波速差成像结果，对巷道掘进工作面围岩变形破坏过程进行连续监测，综合围岩破裂产生的时间、空间、能量、数量及所在应力区进行危险程度评价，实现对掘进巷道围岩破坏的灾变预警，为巷道安全高效掘进提供了技术保障。

【技术实现步骤摘要】
巷道围岩破坏声发射定位与波速成像监测及灾变预警方法
本专利技术涉及一种巷道围岩破坏监测及灾变预警方法，具体涉及一种巷道围岩破坏声发射定位与波速成像监测及灾变预警方法，属于领域为岩体变形损伤破裂及工程地球物理监测预警

技术介绍
随着我国浅部煤炭资源的枯竭，煤矿开采深度逐年增加。深部开采条件下，巷道掘进过程面临高瓦斯含量和压力、高地应力以及越来越复杂的地质构造影响。深部地下工程巷道掘进过程，特别是煤矿井下巷道掘进过程中，掘进工作面前方会形成应力集中区，导致掘进面前方的煤岩层发生破裂，工作面前方会发生煤炮、煤岩体断裂等异常声响；如果煤层瓦斯压力和含量高，可能还会发生煤岩动力灾害，严重影响巷道的安全快速掘进以及矿井的采掘接替。因此，对巷道掘进工作面前后方的煤岩体变形破坏过程进行监测预警，确定巷道掘进工作面围岩应力状态、破坏空间位置对于巷道安全高效掘进具有重要意义。目前巷道掘进过程中发生瓦斯涌出突然增加、煤炮、煤岩体断裂等异常动力显现现象时，通常采用向掘进工作面前方打瓦斯检验钻孔的方式对煤层瓦斯含量和压力进行测试，或者采用打钻孔并测量钻屑量的方法对煤岩体内部应力状态进行测试，甚至直接暂停巷道掘进作业，并对掘进工作面前方大范围的煤层进行瓦斯抽采，这种治理措施不具针对性，不仅钻孔工程量巨大，而且煤层瓦斯抽采效率低、时间长，严重影响巷道的快速安全掘进，最终造成矿井采掘接替紧张，影响整个矿井的安全高效生产。声发射(acousticemission,AE)监测是指利用煤岩体损伤破裂过程中产生的震动波信号来研究煤岩体稳定性的一种地球物理监测技术。近年来，声发射监测技术在煤岩体变形破坏、冲击地压和煤与瓦斯突出等煤岩动力灾害监测方面得到了一些应用。目前这方面的技术主要包括：利用声发射信号能量和累积能量、计数、振铃数、事件数、累积事件数、声发射事件率等统计参数随时间的变化特征对巷道掘进过程中可能发生的煤与瓦斯突出、岩爆或冲击地压等动力灾害进行监测预警。例如中国专利CN106761931A公开了一种煤岩动力灾害声电瓦斯实时自动监测系统及方法，通过有效声波、电磁信号变化及频谱特征、结合瓦斯信号变化特征预警工作面前方异常区域及煤岩动力灾害危险性，这类技术通常只需要1或2个声发射传感器，没有对煤岩体破坏进行声发射定位、震级能量计算，不能对掘进工作面围岩破坏位置进行高精度定位。此外，还有一类适用于全矿井和冲击地压监测预警的声发射监测预警技术，通常也称为微震监测技术。例如中国专利CN110703320A公开了一种井上下联合微震监测系统及方法，地面增加井上微震监测系统，使得包含监测区域在内的整个井下处于三维立体监测，这类技术主要关注全矿井尺度的大型冲击地压监测预警，声发射传感器在整个矿井范围内进行布设，没有涉及到单个巷道掘进过程中的声发射传感器如何形成优化台网布设方法。此外，这类技术主要涉及采掘活动造成的大尺度顶底板断裂，没有提出一种小能量的高精度事件筛选方法，对于小能量事件定位精度不高，在声发射传感器空间布设、声发射定位等方面都不能很好的适用于巷道掘进过程中产生较小的煤炮等煤岩体破坏声发射监测。中国专利CN104454010A公开了一种深井巷道掘进施工动态综合监测预警系统与预警方法，只在掘进巷道内布设声发射信号传感器、微震拾震器监测站进行围岩内部破裂失稳信号采集；中国专利CN104018790A公开了一种基于地音监测的巷道冲击地压预警方法，在具有潜在冲击危险的区域布置两个声发射传感器，间距为100-150m，随着工作面的推进，两个探头交替向前移动，这类方法没有充分利用掘进巷道及邻近巷道，并且没有利用向煤岩层打(长)钻孔的声发射传感器安装方式优化台网。中国专利CN105257339A公布了一种掘进工作面多参量综合监测预警方法，提出了掘进工作面分区监测的思想，将各监测值在不同分区内的变化情况耦合，以多参量综合监测值为预警参数，但不能结合声发射震源定位、波速成像和波速差成像结果，对巷道掘进过程中的围岩变形破坏进行监测评价，确定巷道围岩应力状态、围岩程度及其时空演化过程。中国专利CN109441547A公布了一种采掘工作面煤与瓦斯突出实时监测预警系统及方法，根据微震事件变化特征指数和瓦斯涌出量变化特征指数建立煤与瓦斯突出模糊评价综合预警模型，但没有综合考虑声发射事件数量、能量、时间、高精度定位、波速与波速差信息等因素，对巷道掘进巷道进行冲击地压和煤与瓦斯突出等灾变监测预警。目前急需一种巷道围岩破坏声发射定位与波速成像监测及灾变预警方法，从而为巷道掘进产生的煤炮等煤岩层破坏进行定位监测及灾变预警。
技术实现思路
针对上述存在的技术不足，本专利技术提供了巷道围岩破坏声发射定位与波速成像监测及灾变预警方法，能够根据巷道掘进诱发的声发射事件定位结果、基于声发射定位的被动波速成像，建立巷道掘进过程煤岩变形破裂监测评价及灾变预警方法，定量监测巷道掘进产生的煤岩破裂时间、空间、能量、数量以及对掘进巷道发生冲击地压及煤与瓦斯突出等灾变进行预警。本专利技术采用如下技术方案：本专利技术提供巷道围岩破坏声发射定位与波速成像监测及灾变预警方法，具体包括以下步骤：(a)根据掘进巷道重点监测区域及邻近巷道实际分布情况，选择合理数量的单分量和三分量声发射传感器，安装声发射数据采集仪，并且对声发射传感器空间布设进行优化设计，确定最优的声发射传感器台网布设方案；(b)采用钻孔安装方式将声发射传感器安装在钻孔底部，钻孔由巷道内打至各个方向及掘进工作面斜前方，钻孔深度为几米至几百米，声发射传感器与孔底之间通过耦合剂进行耦合，减少噪声干扰，使传感器台网对掘进工作面前后方重点监测区域实现全方位包裹；(c)以巷道掘进工作面中心为原点，巷道轴向为X轴，径向为Y轴，垂直方向为Z轴方向，建立声发射定位空间坐标系，准确确定各个声发射传感器的三维坐标，并利用爆破试验的主动震源来确定初始波速模型；(d)根据步骤(c)建立的空间坐标系，对掘进巷道重点监测区域划分空间网格，将巷道围岩划分成若干边长为a的空间立方单元体，并规定该空间立方单元体为单位体积单元体；(e)划分好空间网格后，对声发射波形数据进行连续采集，对有效声发射信号进行自动检测，并自动拾取有效声发射波形的高精度到时，利用单纯形与双差联合定位算法，对巷道围岩破裂产生的声发射震源进行预定位；(f)根据声发射定位事件的有效波形数量N、定位误差D、事件能量E对声发射震源预定位结果进行初次筛选；(g)根据声发射波形到时及声发射震源预定位初次筛选结果，计算理论与观测到时差方差S、单元体评估值Z及理论与观测到时序列不吻合度I，并利用以上三个参数对声发射震源预定位初次筛选结果做进一步精准筛选，得到高精度定位事件；(h)基于高精度定位结果，可对围岩破坏产生的时间、空间、能量进行动态表征，并进一步确定围岩破坏的时空演化规律，进行危险程度预测，选择最优的防治措施；(i)设置时间窗口T，时间窗口T的长度可根据现场实际情况合理选择，将时间窗口T内的高精度定位事件作为已知震源，进行波速成像本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.巷道围岩破坏声发射定位与波速成像监测及灾变预警方法，其特征在于：具体包括以下步骤：/n(a)根据掘进巷道重点监测区域及邻近巷道实际分布情况，选择合理数量的单分量和三分量声发射传感器，安装声发射数据采集仪，并且对声发射传感器空间布设进行优化设计，确定最优的声发射传感器台网布设方案；/n(b)采用钻孔安装方式将声发射传感器安装在钻孔底部，钻孔由巷道内打至各个方向及掘进工作面斜前方，钻孔深度为几米至几百米，声发射传感器与孔底之间通过耦合剂进行耦合，减少噪声干扰，使传感器台网对掘进工作面前后方重点监测区域实现全方位包裹；/n(c)以巷道掘进工作面中心为原点，巷道轴向为X轴，径向为Y轴，垂直方向为Z轴方向，建立声发射定位空间坐标系，准确确定各个声发射传感器的三维坐标，并利用爆破试验的主动震源来确定初始波速模型；/n(d)根据步骤(c)建立的空间坐标系，对掘进巷道重点监测区域划分空间网格，将巷道围岩划分成若干边长为a米的空间立方单元体，并规定该空间立方单元体为单位体积单元体；/n(e)划分好空间网格后，对声发射波形数据进行连续采集，对有效声发射信号进行自动检测，并自动拾取有效声发射波形的高精度到时，主要是纵波(P波)高精度到时，利用单纯形与双差联合定位算法，对巷道围岩破裂产生的声发射震源进行预定位；/n(f)根据声发射定位事件的有效波形数量N、定位误差D、事件能量E对声发射震源预定位结果进行初次筛选；/n(g)根据声发射波形到时及声发射震源预定位初次筛选结果，计算理论与观测到时差方差S、单元体评估值Z及理论与观测到时序列不吻合度I，并利用以上三个参数对声发射震源预定位初次筛选结果做进一步精准筛选，得到高精度定位事件；/n(h)基于高精度定位结果，可对围岩破坏产生的时间、空间、能量进行动态表征，并进一步确定围岩破坏的时空演化规律，进行危险程度预测，选择最优的防治措施；/n(i)设置时间窗口T，时间窗口T的长度可根据现场实际情况合理选择，将时间窗口T内的高精度定位事件作为已知震源，进行波速成像、波速差成像，并结合掘进工作面前方超前应力分布区对单元体评估值Z再次加权；/n(j)在波速成像结果的基础上，确定最大波速为V...

【技术特征摘要】
1.巷道围岩破坏声发射定位与波速成像监测及灾变预警方法，其特征在于：具体包括以下步骤：
(a)根据掘进巷道重点监测区域及邻近巷道实际分布情况，选择合理数量的单分量和三分量声发射传感器，安装声发射数据采集仪，并且对声发射传感器空间布设进行优化设计，确定最优的声发射传感器台网布设方案；
(b)采用钻孔安装方式将声发射传感器安装在钻孔底部，钻孔由巷道内打至各个方向及掘进工作面斜前方，钻孔深度为几米至几百米，声发射传感器与孔底之间通过耦合剂进行耦合，减少噪声干扰，使传感器台网对掘进工作面前后方重点监测区域实现全方位包裹；
(c)以巷道掘进工作面中心为原点，巷道轴向为X轴，径向为Y轴，垂直方向为Z轴方向，建立声发射定位空间坐标系，准确确定各个声发射传感器的三维坐标，并利用爆破试验的主动震源来确定初始波速模型；
(d)根据步骤(c)建立的空间坐标系，对掘进巷道重点监测区域划分空间网格，将巷道围岩划分成若干边长为a米的空间立方单元体，并规定该空间立方单元体为单位体积单元体；
(e)划分好空间网格后，对声发射波形数据进行连续采集，对有效声发射信号进行自动检测，并自动拾取有效声发射波形的高精度到时，主要是纵波(P波)高精度到时，利用单纯形与双差联合定位算法，对巷道围岩破裂产生的声发射震源进行预定位；
(f)根据声发射定位事件的有效波形数量N、定位误差D、事件能量E对声发射震源预定位结果进行初次筛选；
(g)根据声发射波形到时及声发射震源预定位初次筛选结果，计算理论与观测到时差方差S、单元体评估值Z及理论与观测到时序列不吻合度I，并利用以上三个参数对声发射震源预定位初次筛选结果做进一步精准筛选，得到高精度定位事件；
(h)基于高精度定位结果，可对围岩破坏产生的时间、空间、能量进行动态表征，并进一步确定围岩破坏的时空演化规律，进行危险程度预测，选择最优的防治措施；
(i)设置时间窗口T，时间窗口T的长度可根据现场实际情况合理选择，将时间窗口T内的高精度定位事件作为已知震源，进行波速成像、波速差成像，并结合掘进工作面前方超前应力分布区对单元体评估值Z再次加权；
(j)在波速成像结果的基础上，确定最大波速为VMAX，将重点监测区域划分为波速V≥0.7×VMAX的高波速区以及波速V＜0.7×VMAX的低波速区两个区域；
(k)根据波速差成像结果，计算波速差变化率G，并将单元体评估值Z结合所在应力区域加权，计算单元体区域评估值M；
(l)在波速V≥0.7×VMAX区域，当波速差变化率G≥波速差变化率预警值Gc且单元体区域评估值M≥单元体区域评估预警值Mc时，对该区域进行高危险性灾变预警；当波速差变化率G＜波速差变化率预警值Gc且单元体区域评估值M＜单元体区域评估预警值Mc时，对该区域进行低危险性灾变预警；否则，对该区域进行中危险性灾变预警；
(m)在波速V＜0.7×VMAX区域，当波速差变化率G≥波速差变化率预警值Gc且单元体区域评估值M≥单元体区域评估预警Mc时，对该区域进行中危险性灾变预警；否则，对该区域进行低危险性灾变预警。


2.如权利要求1所述的巷道围岩破坏声发射定位与波速成像监测及灾变预警方法，其特征在于：所述步骤(a)中对声发射传感器空间布设进行优化设计时采用但不限于射线理论、合成数据测试的方法；所述步骤(b)中声发射传感器安装时，通过推送杆将声发射传感器推送至钻孔孔底；所述步骤(e)采用但不限于门槛值法、长短时窗法、赤池信息准则法对有效声发射信号进行自动检测，对巷道围岩破裂产生的声发射震源进行预定位，震源定位参数包括声发射震源时间、空间坐标、能量等。


3.如权利要求1所述的巷道围岩破坏声发射定位与波速成像监测及灾变预警方法，其特征在于：所述步骤(a)中，声发射数据采集仪安装在巷道掘进工作面后方50-100米的范围内或邻近巷道中，安装在邻近巷道中时，向邻近巷道打对穿钻孔，使数据通信电缆穿过对穿钻孔到达邻近巷道，将声发射传感器数据通信线缆与安装在邻近巷道中的声发射数据采集仪连接，巷道对穿钻孔采用PVC套管进行护孔；
声发射传感器应在空间三个方向上形成对巷道掘进工作面全包围的台网布设形态；对于巷道工作面上方的声发射传感器，至少保证有一个与工作面的距离在巷道垂向上的投影不小于50米；对于巷道工作面下方的声发射传感器，至少保证有一个与工作面的距离在巷道垂向上的投影不小于50米；对于巷道工作面前方的声发射传感器，至少保证有一个与工作面的距离在巷道轴向上的投影不小于200米；对于巷道工作面前上方的声发射传感器，至少保证有一个与工作面的距离在巷道径向上的投影不小于50米；对于掘进工作面前下方的声发射传感器，至少保证有一个与工作面的距离在巷道径向上的投影不小于50米；对于掘进工作面后方的声发射传感器，至少保证有一个与工作面的距离在巷道轴向上的投影不小于100米；对于巷道掘进工作面后上方的声发射传感器，至少保证有一个与工作面的距离在巷道径向上的投影不小于50米；对于巷道掘进工作面后下方的声发射传感器，至少保证...

【专利技术属性】
技术研发人员：李楠，陈鹏，张运鹏，蔡超，房柳林，
申请(专利权)人：中国矿业大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32