CN108802825A - 一种次声波监测煤岩动力灾害定位方法及定位*** - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种次声波监测煤岩动力灾害定位方法及定位***，***包括监测主站和多个监测子站，监测子站通过光纤网与监测主站连接；监测子站由三角形布置的3个次声波传感器构成，次声波传感器连接次声波监测仪；监测主站设置计算服务器；定位方法是主站计算服务器对采集数据进行滤波处理，通过短时傅立叶变换（STFT）对数据进行时频分析，对比频率能量密度，提取主要频段信号，通过统计分析、时延估计理论，定位计算结果。本***监测受载煤岩破裂产生的次声波信号，通过该方法对矿山或隧道围岩的应力分布状态进行非接触式、区域性测试，确定煤岩破裂、应力异常区域。方法安装、操作简单，对生产影响较小，且检测范围大，检测距离远。

Description

一种次声波监测煤岩动力灾害定位方法及定位***

技术领域

本发明涉及矿山安全及应力监测定位技术领域，特别是涉及一种次声波监测煤岩动力灾害定位方法及定位***。

背景技术

我国煤层地质条件的复杂与人类开采过程中导致应力分布复杂，也至于煤岩破裂，可能引发煤与瓦斯突出、冲击地压、冒顶等煤岩动力灾害事故。因此，对煤岩破裂监测是解决上述问题的关键。

目前，适用于矿山应力监测的大多仪器是以接触式为主。接触式监测是通过与煤岩接触监测多点的煤岩的应力，反应煤岩区域煤岩体的结构、应力分布。监测人员是处于未知环境下进行监测环境的危险性，其本身对监测人员安全没有保障。同时选用有代表性的接触点处的传感器与煤岩的良好接触，直接影响接触式监测在实际工程监测的好坏。

典型的接触式应力测试仪如发明专利“应力监测仪”，专利号ZL200610083322.2。其壳体安装在钻孔内，承压住与孔壁需要紧密接触，煤岩压力作用于承压住，通过弹簧的压缩与回位，长光栅尺与小光栅板产生的干涉条纹，进而通过红外发光管和光电接收管将条纹转化电信号进行收集处理分析。

对地质灾害进行非接触式预测主要是以电磁辐射法、声发射法、微震和监测工作面的瓦斯涌出变化特征等预测方法为主 但是，利用电磁辐射、声发射方法监测中存在干扰大、接触性预测、衰减快等问题。其次，声发射与微震的监测过程中需要与煤岩进行良好耦合。通过监测工作面的瓦斯涌出变化特征，分析涌出与突出的关系，从而间接预测突出。该法得出的结论比较片面，可靠性较差。

发明专利“一种非接触式矿山观测及评价方法，申请号200710020549.7 ”，通过测试接收选定的监测点的电磁辐射强度，求取平均值E_i，与计算所有测点电磁辐射强度Eavg比较，仅能评价高应力区域，不能够进行实时监测。

随着次声波在地震、泥石流、核***、管道泄漏等预测预警中的广泛应用，次声波在矿井煤岩灾害的监测预警中的研究也相继开展。大量试验证明煤岩在加载变形破裂过程中能产生显著的次声波信号，在煤岩体失稳破坏即将发生或发生时，次声波信号出现较大幅度值。并且，次声波具有传播距离远、衰减小和穿透能力强，使得探测时无须考虑次声波探头的耦合情况以及信号产生衰减甚至畸变，探测结果受外界干扰要远远低于其他频段声波，验证了次声波监测煤岩动力灾害的可行性。因此次声波技术可以实现矿井煤岩动力灾害的远距离、非接触性监测，为煤岩体动力灾害的监测预警提供了可靠的依据。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提供种一种次声波监测煤岩动力灾害定位方法及定位***。主要监测受载煤岩破裂产生的次声波信号，通过该方法可以对矿山或隧道围岩的应力分布状态进行非接触式、区域性测试，确定煤岩破裂、应力异常区域。这种观测方法的特点是安装、操作简单，对生产影响较小，且检测范围大，检测距离远。

为了实现上述目的，本发明的技术方案是：

一种次声波监测煤岩动力灾害定位方法，S1、布置次声波监测煤岩动力灾害定位***，选定需要进行监测的区域，设立一个监测主站和多个监测子站，监测子站三角子阵列排列以接收选定预监测区域的次声波信息并进行信息数据保存，在保存后上传到主站；

S2、主站计算服务器接收监测子站的次声波信息数据后，对采集数据进行滤波处理，通过短时傅立叶变换（STFT）对数据进行时频分析，对比频率能量密度，提取主要频段信号，通过统计分析、时延估计理论，定位计算结果；

S3主站计算服务器首先进行滤波处理，选用FIR滤波器，设置滤波器上下限分别为0.01HZ和20HZ；采集和滤波工作面开采前、开采过程中（正常开采、动力灾害前兆）的次声波信号；

S4、提取波形特征；分别对工作面开采前、开采过程中（正常开采、动力灾害前兆）的次声波信号进行时频分析，计算频段能量密度；通过短时傅立叶变换（STFT），变换公式如下：

其中，X( f，t) 为变换后的时频函数；f为频率，单位为Hz；t 为时间，单位为s；f(τ)为滤波去噪后信号；w (τ－t) 为分析窗口；τ 为有限时间，单位为s；

其能量密度谱如下：

；

S5、分析对比；将工作面开采前、开采过程中（正常开采、动力灾害前兆）的次声波信号波形幅值，频率，以及能量密度等特征量进行对比，监测是否有相对较高能量的低频段的信号产生，为监测***的定位提供依据；

S6、时延估计理论定位计算方法针对主要次声波频带进行定位分析；将一组子阵列保存的数据L₁进行取样，通过时延估计理论，确定子阵列的传感器两两之间每个取样长度的时延量τ；

S7、对τ统计分析，求出正态分布均值μ，选取门限值δ=1/f，采样频率为1000Hz，求解有效时延范围μ-δ<τ₁<μ+δ，提取有效值τ，删除野量，减少误差；

S8、三角子阵列接收远处传来的平面波，因此以三角子阵列任意一个传感器为原点，建立平面坐标系，根据有效时延值与阵列的几何构型相结合，确定次声波波源在地面上的投影位置方向；

L₁₂、L₂₃、L₃₁为两两传感器的间距，夹角 α、β ，可得波源入射角夹角ϕ；

并根据三角阵的几何构型，求取波速v=L₁₂*τ₁₂；

S9、重复以上步骤，对各个三角阵进行求取波源入射夹角角ϕ、波速v；并对各个子阵列监测定位结果进行汇总，标注波源位置；

S10、次声波监测煤岩动力灾害定位***对于标注波源位置区域后，做出提示，根据矿井地质图资料，相应的井下区域做出支护设计、灾害预防决策。

进一步的，在步骤S1中，监测子站以30min数据文件定常保存。

进一步的，在步骤S6中，取样长度为50s 。

进一步的，该次声波监测煤岩动力灾害定位***包括最少包括一个监测主站和多个监测子站，所述多个监测子站通过光纤网与监测主站连接；每一个所述监测子站由3个次声波传感器构成一个三角形形状的子阵列，所述的3个次声波传感器连接次声波监测仪；所述监测主站设置最少设置有一台计算服务器；主站计算服务器对采集数据进行滤波处理，通过短时傅立叶变换对数据进行时频分析，对比频率能量密度，提取主要频段信号，通过统计分析、时延估计理论，定位计算结果。

进一步的，监测子站为3~5个，该3~5个监测子站以选定预监测区域中心为圆心，以不同朝向分布在1.0km~2.5km内。

进一步的，三角形子阵列的3个次声波传感器两两之间距离设置20~30m。

进一步的，所述次声波监测煤岩动力灾害定位***还包括外部电源，该外部电源为监测主站、监测子站提供工作电源。

在该次声波监测煤岩动力灾害定位***的统计分析定位方法执行完毕后，***对于标注波源位置区域，应做出提示，这一般是煤岩破裂或即将破裂的区域，可根据实际情况做出支护设计、灾害预防等决策。

与现有技术相比，本发明具有的优点和积极效果是：

本发明的次声波监测煤岩动力灾害定位方法及定位***，可以通过采集低频、传播距离长的次声波信号，通过时频分析，统计分析、时延估计理论定位方法，对次声波信号进行处理、计算，实现监测煤岩破裂和定位的功能。本发明与现行的监测技术相比：该方法安装、操作简单，对生产影响较小，且检测范围大，检测距离远。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的监测方法的流程图；

图2为本发明的定位方法的流程图；

图3为本发明的次声波传感器布置原理示意图；

图4为本发明监测煤岩破裂信号的时频图；

图5为本发明三角阵时延估算定位原理模型；

图6为本发明的***结构组成框图；

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

如图1次声波监测煤岩动力灾害定位方法流程图所示，在监测煤岩动力灾害之前，首先选定需要进行监测的区域，例如选定某回采工作面区域作为监测区域，其中下方工作面发生灾害，产生震动，与上方地面空气耦合产生次声波并通过大气传至远处。3组监测子阵列以不同朝向分布在距监测区域中心1.0km~2.5km内，每组是由3个次声波传感器组成，呈边长30m的正三角形的形状分布，如图3所示。其次进行数据的采集与保存，每组监测子阵列分别连接配套的次声波传输仪，并以30min监测时间进行数据保存，通过USB数据传输或无线传输技术，将采集数据传输至监测中心的计算机。接着滤波处理，采集和滤波工作面开采前、开采过程中（正常开采、动力灾害前兆）的次声波信号，选用FIR滤波器，设置滤波器上下限分别为0.01HZ和20HZ。然后对工作面开采前、开采过程中（正常开采、动力灾害前兆）的次声波信号数据波形进行时频分析，计算频段能量密度。最后分析对比信号波形幅值，频率，以及能量密度等特征量，监测是否有相对较高能量的低频段的信号产生，为监测***的定位提供依据。

如图2所示，本发明定位计算方法流程为：时延估计理论定位计算方法针对异常次声波频带进行定位分析，将第一组子阵列分段保存的数据L₁进行取样，取样长度为50s，通过时延估计理论，确定子阵列的传感器两两之间每个取样长度的时延量τ。对τ统计分析，求出正态分布均值μ，选取门限值δ=1/f，采样频率为1000Hz，求解有效时延范围μ-δ<τ₁<μ+δ，提取有效值τ，删除野量，减少误差。以三角子阵列任意一个传感器为原点，建立平面坐标系，根据有效时延值与阵列的几何构型相结合，确定次声波波源在地面上的投影位置方向。重复以上步骤，并对子阵列监测定位结果进行汇总，标注波源地面位置。***对于标注波源位置区域后，应做出提示，可根据矿井地质图等资料，相应的井下区域做出支护设计、灾害预防等决策。

如图4所示，监测煤岩破裂信号的时频图的方法为：监测受载煤岩破裂时，采集的次声波信号，通过短时傅立叶变换（STFT），引入时间窗函数，根据计算机Matlab软件转换的时频图。通过此方法可以对现场采集的截取信号、分段信号进行分析对比。

如图5所示，三角阵时延估算定位原理是，三角基阵接收远处传来的平面波，因此以三角基阵，建立有效坐标系，根据有效时延量与阵列的几何构型相结合，确定次声波来播方向。L₁₂、L₂₃、L₃₁为两两传感器的间距，夹角 α、β ，可得波源入射角夹角ϕ。

如图6所示，本发明提供的次声波监测煤岩动力灾害定位***，具体由多个三角监测子站和一个监测主站构成，分别用于采集信号，时频分析、定位分析。监测子站由次声波传感器1、外部电源2、次声波监测仪3组成，监测主站是一台计算服务器4。监测子站与监测主站之间的装置都用光纤网连接，外部电源2为监测子站、监测主供电。

Claims (7)

1.一种次声波监测煤岩动力灾害定位方法，其特征在于：该定位方法的步骤是：

S1、布置次声波监测煤岩动力灾害定位***，选定需要进行监测的区域并以此为圆心，在选定监测区域地面附近设立一个监测主站和多个监测子站，监测子站三角子阵列排列以接收选定预监测区域的次声波信息并进行信息数据保存，在保存后上传到主站；

S2、主站计算服务器接收监测子站的次声波信息数据后，对采集数据进行滤波处理，通过短时傅立叶变换对数据进行时频分析，对比频率能量密度，提取主要频段信号，通过统计分析、时延估计理论，定位计算结果；

S3主站计算服务器首先进行滤波处理，选用FIR滤波器，设置滤波器上下限分别为0.01HZ和20HZ；采集和滤波工作面开采前、开采过程中的次声波信号；

S4、提取波形特征；分别对工作面开采前、开采过程中的次声波信号进行时频分析，计算频段能量密度；通过短时傅立叶变换，变换公式如下：

其中，X( f，t) 为变换后的时频函数；f为频率，单位为Hz；t 为时间，单位为s；f(τ)为滤波去噪后信号；w (τ－t) 为分析窗口；τ 为有限时间，单位为s；

其能量密度谱如下：

；

S5、分析对比；将工作面开采前、开采过程中的次声波信号波形幅值，频率，以及能量密度等特征量进行对比，监测是否有相对较高能量的低频段的信号产生，为监测***的定位提供依据；

S6、时延估计理论定位计算方法针对主要次声波频带进行定位分析；将一组子阵列保存的数据L₁进行取样，通过时延估计理论，确定子阵列的传感器两两之间每个取样长度的时延量τ；

S7、对τ统计分析，求出正态分布均值μ，选取门限值δ=1/f，采样频率为1000Hz，求解有效时延范围μ-δ<τ₁<μ+δ，提取有效值τ，删除野量，减少误差；

S8、三角子阵列接收远处传来的平面波，因此以三角子阵列任意一个传感器为原点，建立平面坐标系，根据有效时延值与阵列的几何构型相结合，确定次声波波源在地面上的投影位置方向；

L₁₂、L₂₃、L₃₁为两两传感器的间距，夹角 α、β ，可得波源入射角夹角ϕ；

并根据三角阵的几何构型，求取波速v=L₁₂*τ₁₂；

S9、重复以上步骤，对各个三角阵进行求取波源入射夹角角ϕ、波速v；并对各个子阵列监测定位结果进行汇总，标注波源位置；

S10、次声波监测煤岩动力灾害定位***对于标注波源位置区域后，做出提示，根据矿井地质图资料，相应的井下区域做出支护设计、灾害预防决策。

2.如权利要求1所述的定位方法，其特征在于：在步骤S1中，监测子站监测子站以30min数据文件定常保存。

3.如权利要求1所述的定位方法，其特征在于：在步骤S6中，取样长度为50s 。

4.一种次声波监测煤岩动力灾害定位***，其特征在于：该次声波监测煤岩动力灾害定位***包括一个监测主站和多个监测子站，所述多个监测子站通过光纤网与监测主站连接；每一个所述监测子站由3个次声波传感器构成一个三角形形状的子阵列，所述的3个次声波传感器连接次声波监测仪；所述监测主站设置最少设置有一台计算服务器；主站计算服务器对采集数据进行滤波处理，通过短时傅立叶变换对数据进行时频分析，对比频率能量密度，提取主要频段信号，通过统计分析、时延估计理论，定位计算结果。

5.如权利要求4所述的次声波监测煤岩动力灾害定位***，其特征在于：监测子站为3~5个，该3~5个监测子站以选定预监测区域中心为圆心，以不同朝向分布在1.0km~2.5km内。

6.如权利要求4所述的次声波监测煤岩动力灾害定位***，其特征在于：三角形子阵列的3个次声波传感器两两之间距离设置20~30m。

7.如权利要求4所述的次声波监测煤岩动力灾害定位***，其特征在于：所述次声波监测煤岩动力灾害定位***还包括外部电源，该外部电源为监测主站、监测子站提供工作电源。