CN111273361A - 一种煤矿专用地震监测台网 - Google Patents
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Abstract
一种煤矿专用地震监测台网，包括地面监测装置、井下监测装置、GPS天线、NTP/PTP时间同步服务器、供电电源、地面监测服务器、数据处理计算机；所述地面监测装置包括地面地震数据采集器、地面地震传感器，所述井下监测装置包括井下地震数据采集器、井下地震传感器；所述井下、地面地震数据采集器通过与之相连的GPS天线或NTP/PTP时间同步服务器授时；所述地面监测装置和井下监测装置组成地面、井下专用地震立体化监测台网，用地面和井下联合布置方式，提高震源定位精度，对矿区范围内震动现象进行实时在线监测，直观显示震源分布和震动变化趋势。
Description
技术领域
本发明涉及煤矿地震、冲击地压监测，具体地说是一种煤矿专用地震监测台网，属于矿山安全、地震监测技术领域。
背景技术
世界上几乎所有主要采煤国家都不同程度地受到冲击地压的威胁。1783年英国在世界上首先报导了煤矿冲击地压现象。此后，前苏联、南非、德国、美国、加拿大、印度、英国等几十个国家和地区均有冲击地压现象发生。
在我国，冲击地压最早于1933年发生在抚顺胜利煤矿。以后，随着开采深度的增加和开采范围的不断扩大，北京、抚顺、山东、河南、山西等矿区的许多矿井，都先后有冲击地压现象发生。随着开采深度的不断增加，冲击地压灾害越来越突出，对煤矿安全生产造成的危害也越来越大。研究表明，不管是冲击地压、矿震等煤矿动力灾害问题，还是岩石工程动力灾害失稳问题，都是工程活动过程中的应力场扰动所诱发的微破裂萌生、发展、贯通等岩石破裂过程失稳的结果。因此，不管是哪种岩石动力灾害，在动力灾害出现之前，大都有微破裂前兆，而诱发微破裂活动的直接原因是岩层中应力或应变增加。
对矿山震动的发生进行科学的预测预报一直是各国学者孜孜以求的目标。近几年来这方面的研究取得了重大的进展。目前国内采用的微震监测***主要有波兰的SOS、ARAMIS、加拿大的ESG和国内的KJ551，地音监测***主要有波兰的SAK、ARES-5/E等。微震监测频带一般为5～200Hz，地音监测频带为60～2000Hz。
由于不同阶段冲击机理、前兆信息、震动参数都不相同，因此，仅装备一种频带的震动监测设备或不对多个频带的震动监测数据进行“无缝对接”，难以获得理想的监测效果。目前矿山震动大多采用由微震、地音监测，地震监测能够实现更低频、更广域、更灵敏的信号捕捉，对矿震监测具有重要意义。
发明内容
煤矿专用地震监测台网，包括地面监测装置、井下监测装置、GPS天线、NTP/PTP时间同步服务器、供电电源、地面监测服务器、数据处理计算机；所述地面监测装置包括地面地震数据采集器、地面地震传感器，所述井下监测装置包括井下地震数据采集器、井下地震传感器；所述井下地震传感器为并联的多个，与井下地震数据采集器相连；所述地面地震传感器为并联的多个，与地面地震数据采集器相连；所述井下、地面地震数据采集器通过与之相连的GPS天线或NTP/PTP时间同步服务器授时；所述井下、地面地震数据采集器与地面监测服务器、数据处理计算机相连，所述数据处理计算机安装有台网实时接收软件、台网运行监控软件、台网数据分析软件、台网标定处理软件；所述地面监测装置和井下监测装置组成地面、井下专用地震立体化监测台网，用地面和井下联合布置方式，提高震源定位精度，对矿区范围内震动现象进行实时在线监测，直观显示震源分布和震动变化趋势。
其中，地面地震传感器采用普通地震计，井下地震传感器为符合煤矿安全标准的隔爆型地震计，地震计均采用三分向一体的电子反馈方式，由三个独立分向速度传感器(1个垂直向UD、1个东西向EW、1个南北向NS)一体化安装组成，反馈式结构是通过电子反馈来拓展拾震器的折合摆长，从而达到延拓地震计的等效工作周期的目的。传感器灵敏度达到2000Vs/m，动态范围优于120dB，短周期地震计观测频带为1S～50Hz，宽频带地震计观测频带范围为60S～50Hz，适用于地面、井下不同环境下安装。
地面地震数据采集器和井下地震数据采集器均具有高速模拟信号输入通道，可以连接三分向地震计；采用GPS同步授时，一方面可以通过光纤接收来自IRIG-B码发生器输出的GPS时钟信号，通过光纤提供实时数据服务，另一方面整个***通过NTP/PTP时间同步服务器网络授时，采集器内置NTP/PTP授时服务功能提供实时数据功能。
在地面和井下分别布置地震传感器和地震数据采集器，组成地面、井下专用地震立体化监测台网，用地面和井下联合布置方式，显著提高了震源定位精度，尤其是在垂直定位深度具有明显优势，能够对矿区范围内地震、矿震、微震等震动现象进行实时在线监测，直观显示震源分布和震动变化趋势。
地面授时采用GPS天线和数据采集器电缆线直连，各地面台站的GPS天线独立，信号接收稳定，同步精度高。井下台站数据采集器内置NTP/PTP授时服务功能，一方面通过地面授时GPS天线，经光缆给井下各数据采集器授时，授时精度高，同步误差小于10μs，另一方面采用NTP/PTP时间同步服务器网络授时，地面的GPS天线接收授时信息，通过网络中连接的NTP/PTP时间同步服务器，给井下数据采集器授时，授时同步误差小于1ms。
煤矿专用地震监测台网中包含实时接收软件、运行监控软件、数据分析软件、标定处理软件。实时接收软件，实时接收台网数据，实时显示波形，实时监测线路通断，实时数据存盘；运行监控软件，监控台网数据处理软件工作状态，动态显示地震定位结果；数据分析软件，实现地震波形数据人机交互处理，震相识别，地震定位，波形文件格式转换；标定处理软件，计算脉冲标定和正弦标定，计算传递函数，检测地震计工作状态。地震定位方法采用网格定位，网格定位使用目标函数最小值搜索法进行，即在全空间范围内寻找一个网格m(m1,m2,m3)。建立了不同的目标函数。一是当同时具有初至P波和续至S波时，根据最小二乘法原理，如果在该位置发生地震，地震波到达各台站的计算走时与实际观测走时的残差平方和最小，可认为这就是震源位置。二是当只有初至P波时，根据等时差(EDT)面的概念，即：Ti-Tj＝ti(m1,m2,m3)-tj(m1,m2,m3)；就是说某一次地震到达i、j台站的到时Ti、Tj之差和网格(震源)(m1,m2,m3)到达此两个台站的理论走时ti(m1,m2,m3)、tj(m1,m2,m3)之差相等。根据最小二乘原理，当观测到时之差与理论走时之差的残差平方和最小时，这一网格即为震源。
***采用地震持续时间震级MD计算震级大小，用记录振动持续时间测定震级，比用最大振幅测定震级能更好地符合实际情况，持续时间τ的定义一般是从P波初动开始，向后追索直至尾波双振幅衰减至2毫米为止的时间，并且以后10秒钟内不再出现2毫米以上的尾波。此方法的优点是τ不受地震波辐射方向性的影响，所以测定精度高。在△＜200公里的范围内，τ与震中距几乎无关，没有较大地震振幅出格之虑，对传输台网易于实现计算机自动测定震级。
附图说明：
为了能够更加清晰的说明本发明中的技术方案，下面将对该方案中必要的设计细节通过示意图或原理图的方式进行说明：
图1地震计三分向一体结构
图2反馈式原理结构图
图3地震计工作原理框图
图4煤矿专用地震监测台网结构图
具体实施方式:
如图4所示，煤矿专用地震监测台网，包括地面监测装置、井下监测装置、GPS天线、NTP/PTP时间同步服务器、供电电源、地面监测服务器、数据处理计算机；所述地面监测装置包括地面地震数据采集器、地面地震传感器，所述井下监测装置包括井下地震数据采集器、井下地震传感器；所述井下地震传感器为并联的多个，与井下地震数据采集器相连；所述地面地震传感器为并联的多个，与地面地震数据采集器相连；所述井下、地面地震数据采集器通过与之相连的GPS天线或NTP/PTP时间同步服务器授时；所述井下、地面地震数据采集器与地面监测服务器、数据处理计算机相连，所述数据处理计算机安装有台网实时接收软件、台网运行监控软件、台网数据分析软件、台网标定处理软件。
所述地面监测装置和井下监测装置组成地面、井下专用地震立体化监测台网，用地面和井下联合布置方式，提高震源定位精度，对矿区范围内震动现象进行实时在线监测，直观显示震源分布和震动变化趋势。
地震传感器整机采用三分向一体式结构，且EW、NS和UD分向的敏感轴方向两两正交，从而构成空间测量坐标系。地震计三分向一体结构如附图1所示。
进一步，地震传感器安装时，调整三个分量地理位置，EW指向东西，NS指向南北，UD为垂直指向，并调节水准泡保证地震传感器处于水平状态，保证地震波形数据精度。
进一步，地震传感器整机为电子反馈式结构，即各分向均为在一定形式的机械摆体上加装电子反馈线路构成，能够有效地延拓地震计的等效工作周期，电子反馈式结构的机理如附图2所示，以单摆为例，假设地面存在某特定大小的运动A，如果没有反馈力矩的作用，则单摆I在地动作用下应产生位置1的运动，但在反馈力矩的作用下，单摆I只运动到位置2，即位置2是反馈式单摆I相对于该地面运动A的输出位置。此时的输出情况等效于纯粹的单摆II的情况，即在同样大小的地面运动A的作用下，单摆II与反馈式单摆I具有相同的转角输出。显然，纯粹的单摆II较纯粹的单摆I具有更长的物理摆长，其固有振动周期也更大。通过电子反馈来拓展拾震器的折合摆长，从而达到延拓地震计的等效工作周期的目的。
进一步，地震传感器内部采用电磁转换原理，地震计工作原理框图如图3所示。当煤矿存在某种运动时(如矿震)，地震传感器内部质量块相对于所悬挂的框架产生一个相对运动，导致工作线圈相对于磁场产生相对运动，从而在工作线圈中产生感生电压，该电压经放大器放大后流经反馈网络，并以电流的形式在反馈线圈中产生反馈力矩。同时，从放大器输出的电压经过补偿网络和差分驱动器后，形成地震计的双端输出。
进一步，地震计的双端输出电压信号，连接数据采集器进行数据采集，将地震计模拟信号进行模数转换，数据采集器采用高分辨率、大动态范围、能够输出低延迟实时数据流、适合恶劣环境使用的通用地震数据采集记录设备。能将多道模拟电压量和频率量的输入转换成数字量输出，具有网络、串口数据传输功能，支持大容量数据存储，具有数据采集、记录、和网络数据服务、GPS同步授时、NTP/PTP时间同步服务器网络授时的功能。
地震数据采集器采用GPS天线授时时，GPS采用IRIG—B码格式同步校时，IRIG—B码是每秒一帧的时间码，时间格式里的每个脉冲称为码元。码元的“准时”参考点是其脉冲前沿，码元的重复速率称为码元速率，B码的码元速率为100pps。每个码元对应一个索引计数。两个相邻码元前沿之间的时间间隔为索引计数间隔，B码的索引计数间隔为10ms。索引计数在帧参考点处以“0”开始，以后每隔一个索引计数间隔增加1，直至这帧结束。B码每帧的索引计数间隔为100个，直至这帧结束。B码每帧的索引计数间隔为100个，索引计数数字从0～99。一个时间格式帧参考标志开始。由两个相邻帧参考标志间的所***元组成。时帧的重复速率为时帧速率，其周期为时帧周期。B码的时帧速率为1个/秒，时帧周期为1秒。时帧周期越短，信息位就越长。B码为30位，其中天10位(从001到365或366)，时6位，分7位，秒7位。时序为秒->分->时->天。位置在P0到P5之间。天时间的纯二进制秒码(SBS码)：A、B格式时间码除了有年时间的BCD码外，还有天时间的纯二进制秒码共17位，午夜为0秒，最大计数现86399秒时序，低位在前，高位在后。
进一步，地震数据采集器采用NTP/PTP时间同步服务器网络授时，同步服务器网络授时适用于运行在计算机上的和客户端/服务器程序和协议，程序由作为NTP/PTP客户端、服务器端或两者的用户编写，在基本条件下，NTP/PTP客户端发出时间请求，与时间服务器交换时间，这个交换的结果是，客户端能计算出时间的延迟，它的弥补值，并调整与服务器时间同步。通常情况下，在设置的初始，在5至10分钟有内6次交换。一旦同步后，每10分钟与服务器时间进行一次同步，通常要求单一信息交换。冗余服务器和不同的网络路径用于保证可靠性的精确度。
地震数据采集器配接好地震传感器，实时采集地震数据信息，通过煤矿地面和井下组建的专用地震数据传输网络，汇总各台站地震数据至服务器，处理机通过访问服务器数据，进行日常数据处理。
煤矿专用地震监测台网中包含实时接收软件、运行监控软件、数据分析软件、标定处理软件。实时接收软件，实时接收台网数据，实时显示波形，实时监测线路通断，实时数据存盘；运行监控软件，监控台网数据处理软件工作状态，动态显示地震定位结果；数据分析软件，实现地震波形数据人机交互处理，震相识别，地震定位，波形文件格式转换；标定处理软件，计算脉冲标定和正弦标定，计算传递函数，检测地震计工作状态。
煤矿专用地震定位方法采用网格定位，网格定位使用目标函数最小值搜索法进行，即在全空间范围内寻找一个网格m(m1,m2,m3)。建立了不同的目标函数。
一是当同时具有初至P波和续至S波时，根据最小二乘法原理，如果在该位置发生地震，地震波到达各台站的计算走时与实际观测走时的残差平方和最小，可认为这就是震源位置。
目标函数如下:
其中：F(m1,m2,m3,t)为各台站与网格中心的理论走时和观测走时的残差平方和；
Obsi为i地震台的观测到时；Thoi(m1,m2,m3)为i地震台的计算到时，已由前面数据库计算；
二是当只有初至P波时，根据等时差(EDT)面的概念，即：Ti-Tj＝ti(m1,m2,m3)-tj(m1,m2,m3)；就是说某一次地震到达i、j台站的到时Ti、Tj之差和网格(震源)(m1,m2,m3)到达此两个台站的理论走时ti(m1,m2,m3)、tj(m1,m2,m3)之差相等；建立目标函数如下：
这里T和(m1,m2,m3)分别为到时最早台站的观测到时和理论走时，Ti和ti(m1,m2,m3)是各台的观测到时和理论走时，(m1,m2,m3)代表震源位置，n为台站个数；根据最小二乘原理，当观测到时之差与理论走时之差的残差平方和最小时，这一网格即为震源。
***采用地震持续时间震级MD计算震级大小，用记录振动持续时间测定震级，比用最大振幅测定震级能更好地符合实际情况，持续时间τ的定义一般是从P波初动开始，向后追索直至尾波双振幅衰减至2毫米为止的时间，并且以后10秒钟内不再出现2毫米以上的尾波。此方法的优点是τ不受地震波辐射方向性的影响，所以测定精度高。在△＜200公里的范围内，τ与震中距几乎无关，没有较大地震振幅出格之虑，对传输台网易于实现计算机自动测定震级。此法可以作为台站正式测报ML的方法。计算公式一股为：
MD＝α0+α1logτ(s)+α2Δ
α0、α1、α2在一定震级范围内为常数；α0＝-1.3-1.0，随地震仪的放大倍数而异；α1≈1.7-2.6，大多数在2.0附近，随地震仪的通频带不同而不同；α2很小，约万分之几，所以在△＜200公里时,可以忽略不计。各台可根据大量资料自行统计本台使用的MD公式。但在统计过程中。应使MD和由振幅测定的ML之间没有***偏差。
Claims (10)
1.一种煤矿专用地震监测台网，包括地面监测装置、井下监测装置、GPS天线、NTP/PTP时间同步服务器、供电电源、地面监测服务器、数据处理计算机；所述地面监测装置包括地面地震数据采集器、地面地震传感器，所述井下监测装置包括井下地震数据采集器、井下地震传感器；所述井下地震传感器为并联的多个，与井下地震数据采集器相连；所述地面地震传感器为并联的多个，与地面地震数据采集器相连；所述井下、地面地震数据采集器通过与之相连的GPS天线或NTP/PTP时间同步服务器授时；所述井下、地面地震数据采集器与地面监测服务器、数据处理计算机相连，所述数据处理计算机安装有台网实时接收软件、台网运行监控软件、台网数据分析软件、台网标定处理软件；其特征是：
所述地面监测装置和井下监测装置组成地面、井下专用地震立体化监测台网，用地面和井下联合布置方式，提高震源定位精度，对矿区范围内震动现象进行实时在线监测，直观显示震源分布和震动变化趋势。
2.一种如权利要求1所述的煤矿专用地震监测台网，其特征是：所述地面地震传感器为普通地震计，所述井下地震传感器为复合煤矿安全标准的隔爆型地震计。
3.一种如权利要求2所述的煤矿专用地震监测台网，其特征是：所述地震传感器整机采用三分向一体式结构，且东西、南北和垂直分向的敏感轴方向两两正交，从而构成空间测量坐标系。
4.一种如权利要求3所述的煤矿专用地震监测台网，其特征是：所述地震传感器整机均为电子反馈式结构，即各分向均为在一定形式的机械摆体上加装电子反馈线路构成，能够有效地延拓地震计的等效工作周期。
5.一种如权利要求1所述的煤矿专用地震监测台网，其特征是：所述地面地震数据采集器和井下地震数据采集器均具有高速模拟信号输入通道，用于连接地震传感器；采用GPS同步授时，一方面通过光纤接收来自IRIG-B码发生器输出的GPS时钟信号，通过光纤提供实时数据服务，另一方面整个***通过NTP/PTP时间同步服务器网络授时，采集器内置NTP/PTP授时服务功能提供实时数据功能。
6.一种如权利要求5所述的煤矿专用地震监测台网，其特征是：当地震数据采集器采用GPS天线授时时，GPS采用IRIG—B码格式同步校时；当地震数据采集器采用NTP/PTP时间同步服务器网络授时，同步服务器网络授时适用于运行在计算机上的和客户端/服务器程序和协议，程序由作为NTP/PTP客户端、服务器端或两者的用户编写，在基本条件下，NTP/PTP客户端发出时间请求，与时间服务器交换时间，这个交换的结果是，客户端能计算出时间的延迟，它的弥补值，并调整与服务器时间同步。
7.一种如权利要求1所述的煤矿专用地震监测台网，其特征是：所述实时接收软件，实时接收台网数据，实时显示波形，实时监测线路通断，实时数据存盘；所述运行监控软件，监控台网数据处理软件工作状态，动态显示地震定位结果；所述数据分析软件，实现地震波形数据人机交互处理，震相识别，地震定位，波形文件格式转换；所述标定处理软件，计算脉冲标定和正弦标定，计算传递函数，检测地震计工作状态。
8.一种使用如权利要求1-7任一所述的煤矿专用地震监测台网对地震震源进行定位的方法，其特征是：所述定位方法采用网格定位，网格定位使用目标函数最小值搜索法进行，在全空间范围内寻找一个网格m(m1,m2,m3)；建立不同的目标函数；
当同时具有初至P波和续至S波时，根据最小二乘法原理，如果在该位置发生地震，地震波到达各台站的计算走时与实际观测走时的残差平方和最小，可认为这就是震源位置；
所述目标函数如下:
其中：F(m1,m2,m3,t)为各台站与网格中心的理论走时和观测走时的残差平方和；
Obsi为i地震台的观测到时；Thoi(m1,m2,m3)为i地震台的计算到时，已由前面数据库计算；
当只有初至P波时，根据等时差(EDT)面的概念，即：Ti-Tj＝ti(m1,m2,m3)-tj(m1,m2,m3)；就是说某一次地震到达i、j台站的到时Ti、Tj之差和网格(震源)(m1,m2,m3)到达此两个台站的理论走时ti(m1,m2,m3)、tj(m1,m2,m3)之差相等；建立目标函数如下:
这里T和(m1,m2,m3)分别为到时最早台站的观测到时和理论走时，Ti和ti(m1,m2,m3)是各台的观测到时和理论走时，(m1,m2,m3)代表震源位置，n为台站个数；根据最小二乘原理，当观测到时之差与理论走时之差的残差平方和最小时，这一网格即为震源。
9.一种使用如权利要求1-7任一所述的煤矿专用地震监测台网测定地震震级的方法，其特征是：采用地震持续时间震级MD计算震级大小，用记录振动持续时间测定震级，持续时间τ的定义一般是从P波初动开始，向后追索直至尾波双振幅衰减至2毫米为止的时间，并且以后10秒钟内不再出现2毫米以上的尾波。
10.一种如权利要求9所述的测定地震震级的方法，其特征是：所述震级的计算公式为：
MD＝α0+α1logτ(s)+α2Δ
α0、α1、α2在一定震级范围内为常数；α0＝-1.3-1.0，随地震仪的放大倍数而异；α1≈1.7-2.6，大多数在2.0附近，随地震仪的通频带不同而不同；α2很小，约万分之几，所以在△＜200公里时，可以忽略不计。
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