【技术实现步骤摘要】
多场多源信息融合的冲击地压智能化监测预警装置及方法
[0001]本专利技术涉及一种多场多源信息融合的冲击地压智能化监测预警装置及方法，属于矿井冲击地压防治
技术介绍
[0002]我国隧洞开挖、矿山开采、核废料贮藏等地下工程逐渐转入地层深部，岩爆、冲击地压与矿震等岩石动力灾害频发，严重威胁深地资源与空间的安全开发利用。尤其在深部煤炭开采过程中，冲击地压事故频发，导致重大安全风险，损失严重，教训惨痛。目前我国冲击地压矿井已达146座，遍布山东、陕西、内蒙古以及新疆等主力生产矿区。2018年以来，冲击地压以前所未有的频度、强度和复杂性表现出来。如2018年山东龙郓“10.20”冲击地压事故，造成21人遇难；2019年吉林龙家堡“6.9”冲击地压事故，造成9人遇难，12人受伤；2020年山东龙堌“2.22”冲击地压事故，造成4人遇难；2021年陕西胡家河“10.11”冲击地压事故，造成4人遇难，6人重伤。因此，未来我国冲击地压监测预警及防控工作将面临极大压力。
[0003]随着国家科技实力与煤矿智能化建设力度的增大，“机械化换人、自动化减人”已经成为企业新旧动能转换、高质量发展的共识共为，智能开采已成为深地资源安全开采的重要手段，也是有效遏制冲击地压重要的发展方向。微震监测方法是目前煤矿开采过程中监测范围最大、信息量最多的方法，我国冲击地压矿井几乎都安装了该类监测系统，已成为煤矿冲击地压区域性监测预警的最主要手段。而目前微震监测数据的分析处理仍处于起步阶段，难以适用于现场日益复杂的采掘条件。具体体现在深部复...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种多场多源信息融合的冲击地压智能化监测预警装置，其特征在于，包括应力在线监测系统、地音监测系统、支架阻力监测系统、井地联合微震系统、锚杆锚索应力监测系统和数据处理中心；所述应力在线监测系统包括多个应力传感器，所述应力传感器每两个一组，沿工作面掘进方向在工作面两侧巷道回采帮等间距布设多组，用于获取各个位置的应力分布情况并反馈给数据处理中心；所述地音监测系统包括地面中心和多个地音监测探头，地面中心布设在地面，多个地音监测探头分布在井下的回采工作面及掘进工作面，用于对煤岩体内部发生破裂产生的高频震动信号进行监测，且各个地音监测探头通过无线数据发射器将监测数据反馈给地面中心，地面中心将监测数据反馈给数据处理中心；所述支架阻力监测系统包括地面数据处理设备和多个压力自记仪，地面数据处理设备布设在地面，多个压力自记仪分别安装在采煤工作面各个液压支架的立柱上，用于监测各个立柱的支撑压力并反馈给地面数据处理设备，地面数据处理设备将每个液压支架各个立柱的支撑压力平均值作为该液压支架的支架阻力；所述井地联合微震系统包括地面设备和井下设备，地面设备设置在矿井地面，井下设备装在矿井内；所述地面设备包括监测主机和多个地面台站，多个地面台站均与监测主机数据通信，用于接收监测主机发出的控制指令并进行数据采集，并将采集的数据反馈给监测主机；所述井下设备包括多个拾震传感器，多个拾震传感器分布在矿井各个位置处；各个拾震传感器通过线缆均与监测主机连接，用于将采集的波形数据反馈给监测主机；所述监测主机对各个地面台站及各个拾震传感器反馈的数据进行分析处理，实现对微震震源的定位及采动裂隙反演成像，并将成像结果反馈给数据处理中心；所述锚杆锚索应力监测系统包括让压管、多个RFID标签和屏蔽铁盒，让压管套在处于煤岩体外部的杆体上且压紧固定在托盘与球形螺母之间，多个RFID标签装在让压管下部，屏蔽铁盒与球形螺母通过连杆固定连接，且处于多个RFID标签下方，所述屏蔽铁盒顶部为敞口；正常监测时，各个RFID标签能进行通信传递，当让压管受压变形时，其中一个RFID标签通过敞口进入屏蔽铁盒内，此时屏蔽铁盒对该RFID标签屏蔽通信，根据让压管的变形情况能控制不同RFID标签进入屏蔽铁盒内，并生成应力云图反馈给数据处理中心；所述数据处理中心将获取的各个监测数据汇总后，采用预警模型对数据进行综合分析处理，从而对冲击地压进行预警。2.根据权利要求1所述的多场多源信息融合的冲击地压智能化监测预警装置，其特征在于，所述井地联合微震系统中多个拾震传感器分布在矿井内的水平大巷、采区上山和采煤工作面的进风巷及回风巷；所述多个拾震传感器为单分量检波器和三分量检波器其中一种或两者混合组成。3.根据权利要求1所述的多场多源信息融合的冲击地压智能化监测预警装置，其特征在于，所述让压管的抗压强度为30～50MPa，所述RFID标签为三个，各个RFID标签与让压管之间均为柔性连接。4.一种根据权利要求1或2所述多场多源信息融合的冲击地压智能化监测预警装置的工作方法，其特征在于，具体步骤为：
步骤一、应力在线监测系统的监测：将应力在线监测系统安装后，在工作面掘进期间及工作面回采期间，各个应力传感器实时采集各个位置的应力分布数据，并反馈给数据处理中心；步骤二、地音监测系统的监测及预警：将地音监测系统安装后，在工作面掘进期间及工作面回采期间，多个地音监测探头对各个位置煤岩体内部发生破裂产生的高频震动信号进行监测，且通过无线数据发射器将监测数据反馈给数据处理中心；步骤三、支架阻力监测系统的监测及预警：将支架阻力监测系统安装后，在工作面回采期间，通过监测多个液压支架的支架阻力对工作面不同区域的顶板压力进行监测，且地面数据处理设备通过无线数据发射器将监测数据反馈给数据处理中心；步骤四、井地联合微震系统的监测：S1、根据所需监测的区域，建立地面台站与井下拾震传感器整体协同全局最优布置方案，并根据确定的最优布设方案，将各个地面台站与井下拾震传感器分别完成布设安装；S2、先构建基于深度神经网络的微震信号去噪模型，对采集的地震数据进行去噪，然后构建面向煤矿微震信号的到时自动拾取模型，接着监测主机采用到时自动拾取模型对各个拾震传感器去噪后的地震数据进行提取，从而获取微震信号；S3、根据步骤S2获取的微震信号及地面台站获取的监测数据，进行井地联合定位，从而得出微震震源的位置；S4、根据步骤S3获取的微震震源位置并结合步骤S2获取的微震信号，建立微震震源破裂参数实时反演模型，并根据反演模型进行反演后获取微震震源破裂参数，进而根据破裂参数形成采动裂隙成像；并将成像结果反馈给数据处理中心；步骤五、锚杆锚索应力监测系统的监测及预警：将锚杆锚索应力监测系统分别安装在各个所需监测的锚杆或锚索后，利用RFID标签对巷道内锚杆锚索应力状态进行监测并生成应力云图，并将应力云图反馈给数据处理中心；步骤六、先建立初始预警模型，然后对初始预警模型进行训练后获取已训练的预警模型，接着将数据处理中心接收上述五个步骤的监测数据输入预警模型，预警模型进行综合分析后，输出冲击地压预测结果并判断是否预警，最终工作人员根据预测结果及时采取对应措施，降低冲击地压对煤矿的影响。5.根据权利要求4所述多场多源信息融合的冲击地压智能化监测预警装置的工作方法，其特征在于，所述步骤S1中建立地面台站与井下拾震传感器整体协同全局最优布置方案的具体过程为：
①
基于采矿地球物理学方法建立描述采掘诱发微震震源破裂启动至结束过程的理论模型，据此根据煤岩体内不同破裂尺度及本构对微震震源频率变化、波形幅值变化的作用机制确定微震能量与信号主频、最大幅值的对应关系；
②
数值模拟研究不同主频、最大幅值的微震波形信号在巷道围岩中的传播与衰减规律，确定在常规环境背景噪音下不同能量等级微震信号的有效监测范围，确立对不同微震能量等级下的全频段信号采集方案，获得适用于监测不同能量范围微震的传感器类型和有效安装范围；
③
采用的拾震传感器为单分量检波器和三分量检波器混合组成，先构建用于定位的走时目标函数t，通过引入方向目标函数d，并结合走时目标函数t，构建能够降低到时拾取精
度、台网布设因素影响的混合目标函数，提高不利监测条件下微震震源参量的求解精度；接着由于走时目标函数t与方向目标函数d都与传播路径密切相关，进而构建针对独头掘进巷道的弯曲射线路径下三维波速分布定位目标函数，获取更接近掘进巷道实际微震信号的传播路径和角度，以进一步消除波速、射线传播路径、台网布设对微震定位精度的影响；
④
采集冲击地压矿井的生产施工过程、方法与环境，归类分析不同作业环境在不同生产阶段的监测情形，针对不同的监测情形，确定对应的最优传感器安装方式，确定合理的安装参数，构建描述安装难易程度的量化公式；依据井下微震传感器布置基本原则，考虑传感器的类型、空间布置和监测频率段，建立不同地质构造条件下及不同巷道条件下拾震传感器布置的最优方案；接着采用虚拟到时技术，模拟微震波形到时，建立最大化感知掘进微震信号、准确求解微震震源参量和最小化安装成本的多目标函数，结合现场实际施工工艺，构建基于粒子群智能优化算法的多目标函数求解模型，从而最终确定传感器最优空间分布，建立地面台站与井下拾震传感器整体协同全局最优布置方案。6.根据权利要求4所述多场多源信息融合的冲击地压智能化监测预警装置的工作方法，其特征在于，所述步骤S2中建立基于深度神经网络的微震信号去噪模型的具体过程为：建立微震信号去噪初始模型，其包括频域特征提取、编码和解码三部分，首先将输入的微震信号利用短时傅里叶变换得到该信号的时频特征，将该特征经标准化处理，输入编码器，通过多个下采样阶段得到一个高维特征图，然后通过多步上采样进行解码，得到与输入时频图像相同大小的掩码m；在该模型中，输入信号为各个拾震传感器检测到的微震信号R(t)，经过短时傅里叶变换(STFT)得到时频特征R(f,t)，STFT使用长度为100ms的时间窗，该过程表示为：R(f,t)＝STFT[R(t)]其中，时频特征R(f,t)包括微震信号M(f,t)和噪音N(f,t)两部分，表示为：R(f,t)＝M(f,t)+N(f,t)模型的训练目标是使预测信号和真实信号之间的误差最小化，损失函数表示为：其中掩码标签的生成方法为：该模型使用多个...
【专利技术属性】
技术研发人员：曹安业，杨旭，刘耀琪，葛庆，窦林名，巩思园，马志锋，蔡武，牛强，王常彬，
申请(专利权)人：徐州弘毅科技发展有限公司，
类型：发明
国别省市：
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