光纤微震监测系统及其在五阳煤矿的应用研究.pdf

山 东 科 学 第 卷 第 期 年 月出版.:./.【光纤与光子传感技术】收稿日期:基金项目:山东省自然科学基金重点项目()山东省自然科学基金博士基金()济南市高校 条项目()济南市新高校 条项目()济宁市重点研发计划项目()作者简介:张华()女硕士助理研究员研究方向为光纤传感器及应用:.光纤微震监测系统及其在五阳煤矿的应用研究张华胡宾鑫朱峰王纪强宋广东(齐鲁工业大学(山东省科学院)激光研究所山东 济南)摘要:光纤微震监测技术通过观测分析生产活动中产生的微小振动事件对其进行监测预警具有无源、可靠性高等优点 传感器垂直安装在巷道帮部锚杆上监测分站安装在硐室内传感器与监测分站通过敷设的光缆形成监测网络 采用单纯形法进行震源定位此方法在定位计算过程中不会出现发散问题稳定性高在求解过程中不需要求解偏导和逆矩阵降低了运算量提高了运算效率每只传感器可以根据实际情况采用不同波速进行计算更加符合实际情况 光纤微震监测系统安装于山西五阳煤矿进行了初步的监测应用并对监测结果进行了分析结果证明该系统能够监测矿山活动发挥预警功能对安全生产起到了积极作用关键词:光纤加速度传感器微震监测单纯形法监测预警中图分类号:文献标志码:文章编号:()开放科学(资源服务)标志码():().第 期张华等:光纤微震监测系统及其在五阳煤矿的应用研究 煤炭长期以来是我国的主要能源是经济发展的支柱产业 随着国民经济持续快速发展大规模深部矿产资源开采逐渐成为我国采矿行业的趋势 随着开采深度不断加大地应力明显增大同时产生大量的微震活动诱发深部巷道的高强度动力灾害造成重大人员伤亡和经济损失 以煤与瓦斯突出、突水、隧道岩爆为主的动力灾害已成为工业安全领域的主要灾害 这些动力灾害已经成为制约我国煤炭行业发展的关键因素 岩体微破裂萌生、扩展和贯通是煤与瓦斯突出、岩爆形成的重要前兆信息对前兆信息的精确捕捉、测量、分析已成为动力灾害监测预警防治亟待突破的关键问题 研究和实践表明微震监测技术是用岩体变形和破坏后本身发出的弹性波来监测工程岩体稳定性的技术方法是岩体破裂监测的有效手段于群等和王创业等引进加拿大()微震监测系统后分别将其应用于锦屏水电站、大岗山水电站、洋山隧道等研究微震事件分析方法对动力灾害进行预警 等和辛崇伟等对系统软硬件改进设计了井下微震定位系统在华丰煤矿等处实现了应用 窦林名等与波兰矿业研究院合作引进波兰()微震监测系统在桃山煤矿等进行实时监测但是上述微震监测系统中前端传感探头均是基于压电式、电容式等电学理论使用过程需要供电易受电磁干扰在煤矿等易燃易爆环境应用时受到限制 而光纤传感器具有灵敏度高、频响宽、动态范围大、本质安全等优点由此本文设计了基于悬臂梁式加速度传感器的光纤微震监测系统并将其应用在五阳煤矿 微震监测技术.微震监测原理岩石在受到外力或内力作用时其内部将会产生局部弹塑性能集中现象当能量积累到临界值之后将引起岩体微裂隙的产生与扩展微裂隙的产生与扩展伴随着弹性波或应力波的释放并在周围岩体内快速传播这种弹性波就称为微震 微震监测技术是通过观测、分析生产活动中产生的微小振动事件以监测其对生产活动的影响、效果及地下状态的地球物理技术可以实现三维空间连续、动态监测定位精度高、可靠性强 当岩石或煤层因为外界因素发生破裂或移动时产生微弱的微震信号向周围传播微震传感器可以接收这些信号记录微震信号的到达时间、传播方向等信息利用定位算法确定破裂点即震源位置本文设计悬臂梁式加速度传感器其基于惯性原理实现加速度测量采用悬臂梁式结构光纤布拉格光栅黏贴在悬臂梁上当外界发生振动或冲击时传感器的外壳和质量块会发生振动使黏贴在悬臂梁上的光纤发生应变从而导致光纤的中心波长发生移动 该项目监测设备采用的是自主研发生产的矿山微震监测系统系统组成如图 所示图 矿山微震监测系统.微震监测系统主要包括 支光纤微震传感器、微震监测分站、光缆、交换机、同步时钟、主站等安装示意图如图 所示山 东 科 学 年图 安装示意图.传感器垂直安装在巷道帮部锚杆上监测分站安装在硐室内传感器与监测分站通过敷设的光缆形成监测网络 通道微震监测系统可对 回风巷的开采面产生的微震事件进行 不间断监测传感器将获得的微震信号通过光缆传送至微震监测分站监测分站接收各通道的数据将数据通过环网传送至地面主站计算机进行数据分析形成报告.微震监测系统定位震源事件的定位是微震监测技术研究的主要内容震源事件的定位能够确定煤岩体破裂的时间和坐标是煤岩动力灾害监测预警的基础 微震监测定位方法较多通常根据定位原理分为两大类:一是基于三分量传感器的震源定位方法二是基于不同到时原理的震源定位方法 第二种是目前微震定位监测中应用最广的一类震源定位方法例如经典的 法、粒子群算法、算法、单纯形法等 经典的 法属于特殊的线性定位算法将非线性方程组采用牛顿高斯法进行线性化计算出方程组的最小二乘解使观测到时间与计算到时间之间的到时残差最小 法采用多支传感器进行定位极大程度上提高了定位的准确性但是此算法过度依赖初始值的选取若选择不当易出现定位不准或无法定位的问题 单纯形法是一种适用于求解多维无约束优化问题的一种数值搜索方法在连续改变几何图形的过程中相互比较单纯形各顶点的目标函数值逐步以目标函数值较小的顶点取代目标函数值较大的顶点在迭代过程中将单纯形逐渐向最优点移动从而进行优化 而单纯形法在定位计算过程中不会出现发散问题稳定性高在求解过程中不需要求解偏导和逆矩阵降低了运算量提高了运算效率每只传感器可以根据实际情况采用不同波速进行计算更加符合实际情况所以本文采用的是单纯形法进行定位计算算法步骤如下:第一步 计算每支传感器之间获取信号的到时差值以及各支传感器的坐标选取 支信号完整的传感器作为 个顶点构造初始的单纯形 通过线性定位初步计算微震震源的位置得到初始定位坐标()第二步 根据微震传感器的坐标计算每个传感器的残差 设微震发生的时刻为 震源坐标为()第 支微震传感器的坐标为()其中 表示探测到微震有用信号的微震传感器个数第 支微震传感器的微震波初至到时时刻为 微震波到达第 支微震传感器的波速为 则震源定位方程可表达为()()()()()第 期张华等:光纤微震监测系统及其在五阳煤矿的应用研究根据最小二乘法原理震源定位的目标函数可以表示为()()其中 为微震传感器的残差即观测到时和计算到时之间的差值可用式()表示 ()()式中 为第 支微震传感器的计算到时第三步 比较 个点的残差选出最大值和最小值通过映射、扩展、压缩、收缩等 种形式在误差空间中将原单纯形中的顶点替换成新的单纯形第四步 不断重复第三步得到新的单纯形使单纯形朝着空间内目标函数值最小的方向移动直到找到最佳的震源位置得到定位结果算法流程图见图 图 单纯形法流程图 .微震监测系统数据分析五阳煤矿位于山西省长治市襄垣县王桥镇微震监测设备安装在 回风巷地表位于西周村、东元垴村、西元垴村之间地面标高为 回风巷位于 采区南部工作面标高为 其南部为 底抽巷东部为 采区胶带运输巷西部为 放水巷北部为实煤体 煤体结构为原生结构煤煤岩类型以亮煤为主暗煤次之煤质为贫瘦煤 回风巷总设计长度 现已掘进 剩余 向前掘进时选择合适位置开始留设顶煤在相对稳定层位沿中煤(顶煤不超 )掘进至切眼设计位置停掘若因煤层酥软或受到 底抽巷造穴孔影响无法留住顶煤时仍改为沿顶板掘进至切眼设计位置山 东 科 学 年.微震数据处理光纤微震监测系统将监测到的有效信号进行保存在震源定位前首先对信号进行滤波和去噪图 是微震传感器采集到的信号 对这些信号滤波进行数据处理和分析之后得到震源的位置坐标和能量见表 图 微震监测信号波形图.第 期张华等:光纤微震监测系统及其在五阳煤矿的应用研究表 部分微震事件定位坐标 序号日期时间/能量/震级:.:.:.:.:.:.:.:.:.:.:.:.:.:.:.将震源位置在矿图上进行标记微震事件基本发生在采煤区多是因为煤矿开采引起的与矿上开采活动时间对应监测效果较好.微震监测结果分析通过对微震事件的部分数据统计分析绘制出折线柱状图如图 所示图 微震事件数量分布图.年 月 日至 日微震事件频次较低 月 日至 月 日微震事件数量频次升高监测到大量的微震事件信号 日至 日微震事件数量下降 对单日微震事件进行数据统计分析绘制柱状图如图 所示 从图 可以看出微震活动主要集中在 个时期分别为 时、时和 时 结合现场实际生产活动情况这 个时间段主要为矿山的作业生产事件发生小规模爆破活动从而引起岩体的扰动和山 东 科 学 年损伤导致岩体内部发生微破裂 这说明微震事件的产生大部分是由矿山开采活动引起的图 微震事件日分布图.小结本文采用光纤微震监测系统进行了初步的监测应用研究结果证明该系统性能良好能够监测矿山活动发挥预警功能满足矿山微震监测的要求具有良好的推广应用前景 光纤微震监测系统对五阳煤矿的地压监测、安全生产等提供了技术手段对安全生产起到积极作用推动了安全生产管理水平的发展参考文献:.():.:./.岳东 刘超 袁增云.基于微震监测的煤层覆岩关键层判别.煤炭科技 ():.:./.于群 唐春安 李连崇等.基于微震监测的锦屏二级水电站深埋隧洞岩爆孕育过程分析.岩土工程学报 ():.:./.王创业 谷雷 高照.微震监测技术在矿山中的研究与应用.煤炭技术 ():.:./.():.:./.辛崇伟 姜福兴 樊硕 等.矿内矿间微震监测技术研究.煤炭工程 ():.:./.窦林名冯龙飞蔡武等.煤岩灾变破坏过程的声震前兆识别与综合预警模型研究.采矿与安全工程学报():.:./.():.:./.():.:./.(下转第 页)山 东 科 学 年:./.:.():.:./.:.:./.赵婧宇 池越 周亚同.基于 模型的短期电力负荷预测.电工电能新技术 ():.:./.吴娟 何跃齐 张宁 等.基于 的城市轨道交通短时客流预测.都市快轨交通 ():.:./.马超群 李培坤 朱才华 等.基于不同时间粒度的城市轨道交通短时客流预测.长安大学学报(自然科学版)():.:./.何九冉 四兵锋.组合模型在城市轨道交通客流预测中的应用.铁道运输与经济 ():.:./.朱才华 孙晓黎 李培坤 等.融合车站分类和数据降噪的城市轨道交通短时客流预测.铁道科学与工程学报():.:././.谢鑫鑫.基于 的城市轨道站点客流预测方法研究.苏州:苏州科技大学.张惠臻 高正凯 李建强 等.基于循环神经网络的城市轨道交通短时客流预测.吉林大学学报(工学版)():.:./.(上接第 页).():.:./.:.张志斌 金花 王晓飞.单纯形定位方法在新疆数字地震台网的测定精度分析.震灾防御技术 ():.李健 高永涛 谢玉玲 等.基于无需测速的单纯形法微地震定位改进研究.岩石力学与工程学报 ():.:./.李楠王恩元孙珍玉等.基于 范数统计的单纯形微震震源定位方法.煤炭学报 ():.:.():.:./.:.():.:./.