煤礦開采過程中底板突水預警系統(tǒng)及方法
【專利摘要】一種煤礦開采過程中底板突水預警系統(tǒng)及方法，其屬于礦井水文地質(zhì)和采礦工程領(lǐng)域。該預警系統(tǒng)包括微震監(jiān)測系統(tǒng)、數(shù)值計算系統(tǒng)、虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)、網(wǎng)絡傳輸系統(tǒng)和預警預報分析中心。微震監(jiān)測系統(tǒng)中傳感器網(wǎng)絡的空間陣列布置是影響微震監(jiān)測數(shù)據(jù)可靠性和有效性的關(guān)鍵，減小了震源定位誤差。在虛擬的三維地質(zhì)環(huán)境中，地質(zhì)體的顯示可以更為直觀、清晰、準確，更有助于分析人員深刻地認識和分析工程區(qū)地質(zhì)體的形成、演變和發(fā)展；對于進一步揭示隱伏地質(zhì)構(gòu)造的幾何形態(tài)，判斷斷層運動規(guī)律，弄清地層接觸關(guān)系，深入研究地學規(guī)律，都有啟發(fā)和幫助。通過微震監(jiān)測數(shù)據(jù)、應力分析結(jié)果以及三維地質(zhì)力學模型的無縫連接與顯示，實現(xiàn)對底板突水的實時監(jiān)測和預警。
【專利說明】
煤礦開采過程中底板突水預譬系統(tǒng)及方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明設(shè)及一種煤礦開采過程中底板突水預警系統(tǒng)及方法，其屬于礦井水文地質(zhì) 和采礦工程領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 煤礦突水監(jiān)測是礦井地球物理勘探方法為主。該技術(shù)主要是利用井巷工程更加靠 近地質(zhì)和水文地質(zhì)體的特點，在井下進行不同巖±體組分的物性差異、電性差異、磁性差 異、傳播性差異等的監(jiān)測和研究。現(xiàn)階段，在煤礦突水監(jiān)測中應用較廣泛的有=種:礦井電 阻率法、礦井瞬變電磁法和礦井底板破壞裂隙帶探測法。近年來國內(nèi)用于巷道頂、底板構(gòu)造 和水文地質(zhì)條件探查的礦井電法技術(shù)發(fā)展較快，將高密度電阻率法、斷面測深技術(shù)和=維 電阻率成像技術(shù)引入煤礦井下，發(fā)明了 "方波讀數(shù)法"、減小接地電阻等壓制井下強地電干 擾的方法，解決了井下施工的技術(shù)難題。1998年起，中國礦業(yè)大學開始從事礦井瞬變電磁法 的試驗、應用工作。礦井瞬變電磁法是一類非接觸式探測技術(shù)，屬于時間域電磁法。礦井底 板破壞裂隙帶探測法是應用物探、注(放)水等手段來觀測底板破壞情況。應用較多的是注 (放)水法、地質(zhì)雷達、震波CT成像技術(shù)、直流電阻率法。近年來中國礦業(yè)大學竇林名等采 用分析巖石破壞時產(chǎn)生的電磁福射信號的方法來監(jiān)測底板巖石破壞情況。運些方法或因為 理論不夠完善，或因為理論現(xiàn)場實際情況過于復雜，并且是在煤礦工作面開采之前進行的 靜態(tài)探測，而非隨著工作面開采的進行的實時探測，從而使煤礦底板突水的監(jiān)測和預警成 為難題。
[0003] 微震監(jiān)測技術(shù)是一種對巖體在變形破壞過程中所產(chǎn)生的微破裂進行定時、定位的 一種監(jiān)測技術(shù)。當巖石中的裂紋產(chǎn)生、擴展、摩擦時，內(nèi)部積聚的能量便W應力波的形式釋 放，產(chǎn)生微震事件，并通過P波和S波的形式傳播。微震監(jiān)測系統(tǒng)通過地震檢波器或加速度傳 感器就可W將接受的波形轉(zhuǎn)化成電信號并經(jīng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)轉(zhuǎn)換成數(shù)據(jù)信號，借助專業(yè)化的 數(shù)據(jù)處理軟件，就能夠?qū)崿F(xiàn)在=維空間中實時準確地確定巖體中微震事件發(fā)生的時間、位 置、量級（即時空強），從而對巖體受力破壞的活動范圍、穩(wěn)定性及其發(fā)展趨勢做出定性、定 量評價。因此，采用微震監(jiān)測對突水通道的形成進行監(jiān)測，并結(jié)合水文地質(zhì)資料對底板突水 進行監(jiān)測是可行的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種煤礦開采過程中底板突水預警系統(tǒng)及方 法，該系統(tǒng)可提供有效的煤礦底板突水預警方法，對煤礦開采過程中的底板突水災害進行 預警，W便采取相應的措施，有效防止煤礦底板突水事故的產(chǎn)生。
[0005] 為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是： 該系統(tǒng)包括微震監(jiān)測系統(tǒng)、網(wǎng)絡傳輸系統(tǒng)、虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)、數(shù)值計算分析系統(tǒng)和預警預 報分析中屯、;所述微震監(jiān)測系統(tǒng)包括硬件部分和軟件部分;硬件部分微震監(jiān)測設(shè)備、現(xiàn)場數(shù) 據(jù)控制中屯、和遠程數(shù)據(jù)分析中屯、;微震監(jiān)測設(shè)備包括檢波型傳感器、配有電源并具備信號 波形修整功能的化Iadin傳感器接口盒、Paladin地震記錄儀、Paladin主控時間服務器、軟 件運行監(jiān)視卡Watch-Dog;軟件部分包括化Iadin標準版監(jiān)測系統(tǒng)配備HNAS軟件(信號實時 采集與記錄）、SeisVis軟件（事件的S維可視化）、WaveVis軟件（波形處理及事件重新定 位XPidL化軟件(震源參數(shù)計算XSpectr波譜分析軟件、DBEi化or軟件(數(shù)據(jù)過濾及報告生 成XAchiever軟件(數(shù)據(jù)存檔XMMS-View軟件(遠程網(wǎng)絡傳輸與S維可視化)等組成的整套 監(jiān)測系統(tǒng)，如圖2所示。微震監(jiān)測系統(tǒng)用于現(xiàn)場24小時連續(xù)采集微震數(shù)據(jù)，并且監(jiān)視微震監(jiān) 測系統(tǒng)是否正常運行，所述微震數(shù)據(jù)包括對開采過程中采場圍巖受應力擾動損傷、破壞、結(jié) 構(gòu)面活化過程中能量、時空位置信息的定位； 所述網(wǎng)絡傳輸系統(tǒng)包括硬件部分和軟件部分;硬件部分包括：（0 GPRS MODEM; (2) RS-232電纜一根（15pin轉(zhuǎn)9pin+4pin電話語音）；（3)天線一根；（4)供電仙韻稍仙韻稍匹 配器一個。軟件部分包括：（1)軟件、用戶手冊及軟件序列號一份；（2)為了防止來自系統(tǒng)內(nèi) 外的有意和無意的破環(huán)，所有數(shù)據(jù)全部采用美國軍方C2加密算法進行傳輸。監(jiān)測中屯、計算 機需要一個固定的IP地址或固定的域名，各個數(shù)據(jù)采集點采用GPRS模塊通過IP地址或域名 來訪問該主機，從而進行數(shù)據(jù)通信?，F(xiàn)場數(shù)據(jù)控制中屯、服務器通過RS232接口與HIT GPRS DTU終端相連，現(xiàn)場監(jiān)控點服務器將微震監(jiān)測點采集到的數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)傳輸模塊，將數(shù)據(jù)進 行處理、協(xié)議封裝后發(fā)送到GPRS無線網(wǎng)絡?，F(xiàn)場數(shù)據(jù)控制中屯、服務器采集的數(shù)據(jù)經(jīng)GPRS/ GSM網(wǎng)絡空中接口功能模塊同時對數(shù)據(jù)進行解碼處理，轉(zhuǎn)換成在公網(wǎng)數(shù)據(jù)傳送的格式，通過 中國移動的GPRS無線數(shù)據(jù)網(wǎng)絡進行傳輸，最終遠程數(shù)據(jù)分析中屯、IP地址。遠程數(shù)據(jù)分析中 屯、服務器采用公網(wǎng)方式接入Internet,如AD化撥號/電信專線寬帶上網(wǎng)等，可W實現(xiàn)中小容 量的數(shù)據(jù)采集應用，GPRS遠程無線傳輸拓撲，如圖3所示。網(wǎng)絡傳輸系統(tǒng)用于微震監(jiān)測設(shè)備 將采集到的微震數(shù)據(jù)通過GPRS網(wǎng)絡及時發(fā)送到遠程數(shù)據(jù)分析中屯、的服務器，實現(xiàn)對微震數(shù) 據(jù)的及時管理和分析； 所述虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)包括硬件部分和軟件部分;硬件部分包括:（1)主動立體投影機;（2) 立體眼鏡；（3)紅外線信號發(fā)射器；（4)畫面融合矯正機；（5)兩面墻投影幕及機械結(jié)構(gòu)；（6) 交換機；（7)零中斷電源控制機；（8)線材；（9)G-Motion光學追蹤攝像頭；（10)-臺圖形管理 工作站；（11)四臺圖形擅染工作站。軟件部分包括：（1 )G-Motion光學追蹤軟件；（2)RFPA虛 擬現(xiàn)實接口程序；（3)DVS3D虛擬現(xiàn)實顯示及交互軟件;虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)用于對整個采礦過程 的=維虛擬顯示(包括工作面推進、工作面推進過程中圍巖的應力變化、聲發(fā)射或微震的= 維空間分布），從而使地質(zhì)體的顯示可W更為直觀、清晰、準確，更有助于分析人員深刻地認 識和分析工程區(qū)地質(zhì)體的形成、演變和發(fā)展，進一步掲示隱伏地質(zhì)構(gòu)造的幾何形態(tài)，判斷斷 層運動規(guī)律，弄清地層接觸關(guān)系，深入研究地學規(guī)律，為合理地、有重點地進行加固與支護 提供依據(jù)。
[0006]所述數(shù)值計算分析系統(tǒng)包括硬件部分和軟件部分;硬件部分包括:高性能計算機。 軟件部分包括：（1 )MMS-View顯示系統(tǒng)(微震數(shù)據(jù)顯示系統(tǒng)）；（2)RFPA-2D流固禪合分析版 (局部二維地質(zhì)力學模型的應力場、滲流場分析系統(tǒng)）；（3)RFPA-3D流固禪合分析版(整體S 維地質(zhì)力學模型的應力場、滲流場分析系統(tǒng)）。數(shù)值計算分析系統(tǒng)用于對地質(zhì)力學模型進行 計算分析，對采動誘發(fā)的高應力區(qū)進行模擬分析與預測，實現(xiàn)與微震數(shù)據(jù)的互饋分析，初步 標定對突水危險區(qū)域； 所述預警預報分析中屯、通過綜合分析微震監(jiān)測系統(tǒng)、網(wǎng)絡傳輸系統(tǒng)、虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)、數(shù) 值計算分析系統(tǒng)的結(jié)果，建立基于微震監(jiān)測和數(shù)值模擬的煤礦底板突水預警方法，實形成 基于微震監(jiān)測和數(shù)值模擬的實時煤礦底板突水危險性系統(tǒng)。煤礦開采過程中底板突水預警 系統(tǒng)的預警方法，包括W下步驟： (1) 確定具有突水危險災害的煤礦和工作面； (2) 根據(jù)煤礦和工作面的水文地質(zhì)條件，制定微震監(jiān)測方案，該方案中包括傳感器的布 置與安裝及線路的布設(shè)，W保證測點在主要監(jiān)測范圍之內(nèi)具有空間陣列結(jié)構(gòu)，降低直線和 平面布置幾率為優(yōu)化原則，優(yōu)化傳感器網(wǎng)絡布置方案； (3) 根據(jù)確定的微震監(jiān)測方案，建立并調(diào)試微震監(jiān)測系統(tǒng)； (4) 對微震監(jiān)測系統(tǒng)收集的數(shù)據(jù)信息進行處理并分析頂板、底板微震監(jiān)測結(jié)果； (5) 通過對底板微震監(jiān)測結(jié)果分析:a、確定底板破壞深度和破壞層位，由此判斷底板關(guān) 鍵層;b、確定監(jiān)測區(qū)是否有隱性斷層的存在;C、確定底板可能形成潛在突水通道的出水點； (6) 建立基于微震監(jiān)測的煤礦底板穩(wěn)定性評價方法:采用底板涌水量異常法、B值法、視 應力與視體積判斷法和能量判斷法來評價潛在突水通道的出水點是否發(fā)生突水災害;所述 能量判斷法中的閥值是通過分析頂板微震事件的產(chǎn)生的規(guī)律來確定； (7) 根據(jù)對底板微震監(jiān)測結(jié)果分析得到的底板關(guān)鍵層和可能存在的隱性斷層信息確定 基于RFPA-f low模擬的數(shù)值方案:采用RFPA-f low軟件對水壓力對底板突水的影響、強度關(guān) 鍵層厚度對底板突水的影響、隔水層厚度對底板突水的影響、強度關(guān)鍵層和隔水層的厚度 組合情況對底板突水的影響和斷層對底板突水的影響進行數(shù)值模擬，確定底板發(fā)生突水災 害的水文地質(zhì)條件； (8) 將基于微震監(jiān)測的煤礦底板穩(wěn)定性評價方法與基于RFPA-flow模擬的底板發(fā)生突 水災害的水文地質(zhì)條件相結(jié)合，實現(xiàn)對底板突水的實時監(jiān)測和預警。
[0007] 1)微震監(jiān)測系統(tǒng) 在被監(jiān)測煤礦組建微震監(jiān)測系統(tǒng)，微震監(jiān)測系統(tǒng)的硬件部分：由檢波型傳感器、配有電 源并具備信號波形修整功能的化Iadin傳感器接口盒、Paladin地震記錄儀、Paladin主控時 間服務器、軟件運行監(jiān)視卡Watch-Dog等其它硬件設(shè)施組成。軟件部分：Paladin標準版監(jiān) 測系統(tǒng)配備HNAS軟件(信號實時采集與記錄XSeisVis軟件(事件的S維可視化XWaveVis 軟件（波形處理及事件重新定位）、ProLib軟件（震源參數(shù)計算）、Spectr波譜分析軟件、 DBEi化or軟件(數(shù)據(jù)過濾及報告生成XAchiever軟件(數(shù)據(jù)存檔XMMS-View軟件(遠程網(wǎng)絡 傳輸與=維可視化)等組成的整套監(jiān)測系統(tǒng);根據(jù)被監(jiān)測工作面的具體情況進行傳感器及 線路的布設(shè)，同時對地震傳感器進行優(yōu)化布置;重點監(jiān)測工作面底板的活化情況，傳感器網(wǎng) 絡的空間陣列布置是影響微震監(jiān)測數(shù)據(jù)可靠性和有效性的關(guān)鍵因素，理論上來說，震源定 位誤差越小越好，運就要求必須選擇若干個傳感器網(wǎng)絡布置方案進行比較，W獲取盡可能 小的定位誤差。優(yōu)化原則為:保證測點在主要監(jiān)測范圍之內(nèi)，具有空間陣列結(jié)構(gòu)，降低直線 和平面布置幾率。
[000引2)數(shù)值計算分析系統(tǒng) 硬件組成:高性能計算機10臺。軟件組成：（1 )MMS-View顯示系統(tǒng)(微震數(shù)據(jù)顯示系統(tǒng)）； (2)RFPA-2D流固禪合分析版（局部二維地質(zhì)力學模型的應力場、滲流場分析系統(tǒng)）；（3) RFPA-3D流固禪合分析版(整體=維地質(zhì)力學模型的應力場、滲流場分析系統(tǒng)）。
[0009] 3)虛擬現(xiàn)實系統(tǒng) 該系統(tǒng)放置在分析預報中屯、，虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)可實現(xiàn)對整個采礦過程的=維虛擬顯示 (包括工作面推進、工作面推進過程中圍巖的應力變化、聲發(fā)射或微震的=維空間分布）。在 虛擬的=維地質(zhì)環(huán)境中，地質(zhì)體的顯示可W更為直觀、清晰、準確，更有助于分析人員深刻 地認識和分析工程區(qū)地質(zhì)體的形成、演變和發(fā)展;對于進一步掲示隱伏地質(zhì)構(gòu)造的幾何形 態(tài)，判斷斷層運動規(guī)律，弄清地層接觸關(guān)系，深入研究地學規(guī)律，都有啟發(fā)和幫助。=維地質(zhì) 模型更有利于認清地質(zhì)問題的空間分布特征，趨利避害，為合理地、有重點地進行加固與支 護提供依據(jù)。
[0010] 4)網(wǎng)絡傳輸系統(tǒng) 網(wǎng)絡傳輸可解決監(jiān)測點分散，分布范圍廣的問題，微震監(jiān)測設(shè)備可將采集到的微震數(shù) 據(jù)和告警信息通過GPRS網(wǎng)絡及時發(fā)送到遠程微震監(jiān)測分析服務器，實現(xiàn)對微震監(jiān)測的及時 管理和分析，可W大大提高微震信息分析處理和預警的工作效率。基于GPRS技術(shù)的遠程無 線數(shù)據(jù)傳輸模塊具有可靠性高、實時性強、監(jiān)控范圍廣、擴容性強、速度快、使用費用低等特 點。本系統(tǒng)具有極高的系統(tǒng)安全保障和穩(wěn)定性?？蒞防止來自系統(tǒng)內(nèi)外的有意和無意的破 環(huán)，所有數(shù)據(jù)全部采用美國軍方C2加密算法進行傳輸，其產(chǎn)品構(gòu)成如下：（1) GPRS MODEM- 只；（2) RS-232電纜一根（15pin轉(zhuǎn)9pin+4pin電話語音）；（3)天線一根；（4)供電仙韻稍仙 韻稍匹配器一個;巧）軟件一份;（6)用戶手冊一份，軟件序列號一個。
[0011] 5)預警預報分析中屯、 預警預報分析中屯、主要由微震數(shù)據(jù)分析工作室、地質(zhì)力學模型計算分析工作室和虛擬 現(xiàn)實系統(tǒng)工作室=個工作室組成?？蓪⑽⒄鸨O(jiān)測數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡傳輸系統(tǒng)匯總至該中屯、、地 質(zhì)力學模型應力場計算分析、W及上述二者在虛擬現(xiàn)實機器上的顯示(微震監(jiān)測數(shù)據(jù)、應力 分析結(jié)果W及=維地質(zhì)力學模型的無縫連接與顯示），通過技術(shù)分析人員的分析，從而做出 對突水危險性的評價，供管理人員的決策提供參考。因此是突水預警分析平臺的中樞、決策 中屯、。
[0012] 本發(fā)明的有益效果：該預警系統(tǒng)包括微震監(jiān)測系統(tǒng)、數(shù)值計算系統(tǒng)、虛擬現(xiàn)實系 統(tǒng)、網(wǎng)絡傳輸系統(tǒng)和預警預報分析中屯、。微震監(jiān)測系統(tǒng)中傳感器網(wǎng)絡的空間陣列布置是影 響微震監(jiān)測數(shù)據(jù)可靠性和有效性的關(guān)鍵，減小了震源定位誤差。在虛擬的=維地質(zhì)環(huán)境中， 地質(zhì)體的顯示可W更為直觀、清晰、準確，更有助于分析人員深刻地認識和分析工程區(qū)地質(zhì) 體的形成、演變和發(fā)展;對于進一步掲示隱伏地質(zhì)構(gòu)造的幾何形態(tài)，判斷斷層運動規(guī)律，弄 清地層接觸關(guān)系，深入研究地學規(guī)律，都有啟發(fā)和幫助。通過微震監(jiān)測數(shù)據(jù)、應力分析結(jié)果 W及=維地質(zhì)力學模型的無縫連接與顯示，實現(xiàn)對底板突水的實時監(jiān)測和預警。
【附圖說明】
[0013] 圖1為微震監(jiān)測系統(tǒng)網(wǎng)絡拓撲圖。
[0014] 圖2為系統(tǒng)軟硬件組成系統(tǒng)軟硬件組成。
[001引圖3為GPRS遠程無線傳輸拓撲圖。
[0016]圖4為基于微震監(jiān)測和數(shù)值模擬的煤礦底板突水預警方法示意圖。
【具體實施方式】 [0017]實施例1 (I)安裝微震監(jiān)測系統(tǒng)，根據(jù)被監(jiān)測工作面的具體情況進行傳感器及線路的布設(shè)，同時 對地震傳感器進行優(yōu)化布置;微震監(jiān)測系統(tǒng)的硬件部分：由檢波型傳感器、配有電源并具備 信號波形修整功能的化Iadin傳感器接口盒、Paladin地震記錄儀、Paladin主控時間服務 器、軟件運行監(jiān)視卡Watch-Dog等其它硬件設(shè)施組成。軟件部分：Paladin標準版監(jiān)測系統(tǒng) 配備HNAS軟件(信號實時采集與記錄XSeisVis軟件(事件的S維可視化XWaveVis軟件(波 形處理及事件重新定位）、ProL化軟件(震源參數(shù)計算）、Spec化波譜分析軟件、D邸idtor軟 件(數(shù)據(jù)過濾及報告生成XAcMever軟件(數(shù)據(jù)存檔XMMS-View軟件(遠程網(wǎng)絡傳輸與S維 可視化)等組成的整套監(jiān)測系統(tǒng);根據(jù)被監(jiān)測工作面的具體情況進行傳感器及線路的布設(shè)， 同時對地震傳感器進行優(yōu)化布置;重點監(jiān)測工作面底板的活化情況，傳感器網(wǎng)絡的空間陣 列布置是影響微震監(jiān)測數(shù)據(jù)可靠性和有效性的關(guān)鍵因素，理論上來說，震源定位誤差越小 越好，運就要求必須選擇若干個傳感器網(wǎng)絡布置方案進行比較，W獲取盡可能小的定位誤 差。優(yōu)化原則為:保證測點在主要監(jiān)測范圍之內(nèi)，具有空間陣列結(jié)構(gòu)，降低直線和平面布置 幾率。
[0018] (2)建立數(shù)值計算分析系統(tǒng)；該系統(tǒng)的硬件組成：高性能計算機10臺。軟件組成： (1 )MMS-View顯示系統(tǒng)(微震數(shù)據(jù)顯示系統(tǒng)）；（2)RFPA-2D流固禪合分析版(局部二維地質(zhì)力 學模型的應力場、滲流場分析系統(tǒng)）；（3)RFPA-3D流固禪合分析版(整體S維地質(zhì)力學模型 的應力場、滲流場分析系統(tǒng)）。
[0019] (3)建立虛擬現(xiàn)實系統(tǒng);該系統(tǒng)放置在分析預報中屯、，虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)可實現(xiàn)對整個 采礦過程的=維虛擬顯示(包括工作面推進、工作面推進過程中圍巖的應力變化、聲發(fā)射或 微震的=維空間分布）。在虛擬的=維地質(zhì)環(huán)境中，地質(zhì)體的顯示可W更為直觀、清晰、準 確，更有助于分析人員深刻地認識和分析工程區(qū)地質(zhì)體的形成、演變和發(fā)展;對于進一步掲 示隱伏地質(zhì)構(gòu)造的幾何形態(tài)，判斷斷層運動規(guī)律，弄清地層接觸關(guān)系，深入研究地學規(guī)律， 都有啟發(fā)和幫助。=維地質(zhì)模型更有利于認清地質(zhì)問題的空間分布特征，趨利避害，為合理 地、有重點地進行加固與支護提供依據(jù)。
[0020] (4)建立網(wǎng)絡傳輸子系統(tǒng)；網(wǎng)絡傳輸可解決監(jiān)測點分散，分布范圍廣的問題，微震 監(jiān)測設(shè)備可將采集到的微震數(shù)據(jù)和告警信息通過GPRS網(wǎng)絡及時發(fā)送到遠程微震監(jiān)測分析 服務器，實現(xiàn)對微震監(jiān)測的及時管理和分析，可W大大提高微震信息分析處理和預警的工 作效率?；贕PRS技術(shù)的遠程無線數(shù)據(jù)傳輸模塊具有可靠性高、實時性強、監(jiān)控范圍廣、擴 容性強、速度快、使用費用低等特點。本系統(tǒng)具有極高的系統(tǒng)安全保障和穩(wěn)定性?？蒞防止 來自系統(tǒng)內(nèi)外的有意和無意的破環(huán)，所有數(shù)據(jù)全部采用美國軍方C2加密算法進行傳輸，其 產(chǎn)品構(gòu)成如下:GPRSM0DEM-只；RS-232電纜一根（15pin轉(zhuǎn)9pin+4pin電話語音）；天線一根； 供電仙韻稍仙韻稍匹配器一個;軟件一份;用戶手冊一份，軟件序列號一個。
[0021] 巧)建立預警預報分析中屯、；建立基于微震監(jiān)測和RFPA-flow模擬在底板突水預警 方法，其具體方法如下： 1) 確定具有突水危險災害的煤礦和工作面； 2) 根據(jù)煤礦和工作面的水文地質(zhì)條件，制定相應的微震監(jiān)測方案(微震監(jiān)測系統(tǒng)的選 擇，線路及傳感器的布置與安裝等）； 3) 根據(jù)確定的微震監(jiān)測方案，建立并調(diào)試微震監(jiān)測系統(tǒng)； 4) 對微震監(jiān)測系統(tǒng)收集到的數(shù)據(jù)信息進行處理并分析頂、底板微震監(jiān)測結(jié)果； 5) 通過對底板微震監(jiān)測結(jié)果分析:①、確定底板破壞深度和破壞層位，由此判斷底板關(guān) 鍵層;②、確定監(jiān)測區(qū)是否有隱性斷層的存在;③、確定底板可能形成潛在突水通道的出水 占. 6) 建立基于微震監(jiān)測的煤礦底板穩(wěn)定性評價方法一一底板涌水量異常法、B值法、視應 力與視體積判斷法和能量判斷法，來評價潛在突水通道的出水點是否發(fā)生突水災害。其中 能量判斷法中的閥值是通過分析頂板微震事件的產(chǎn)生的規(guī)律來確定； 7) 根據(jù)底板關(guān)鍵層和可能存在的隱性斷層確定確定基于RFPA-f low模擬的數(shù)值方案。
[0022] 8)采用RFPA-flow對如下四個方面方面進行模擬:①、水壓力對底板突水的影響； ②、強度關(guān)鍵層厚度對底板突水的影響;③、隔水層厚度對底板突水的影響;④、強度關(guān)鍵層 和隔水層的厚度組合情況對底板突水的影響;⑤、斷層對底板突水的影響。最終確定底板發(fā) 生突水災害的水文地質(zhì)條件； 9)預警預報分析中屯、主要由微震數(shù)據(jù)分析工作室、地質(zhì)力學模型計算分析工作室和虛 擬現(xiàn)實系統(tǒng)工作室組成?？蓪⑽⒄鸨O(jiān)測數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡傳輸系統(tǒng)匯總至該中屯、、地質(zhì)力學模 型應力場計算分析、W及上述二者在虛擬現(xiàn)實機器上的顯示(微震監(jiān)測數(shù)據(jù)、應力分析結(jié)果 W及=維地質(zhì)力學模型的無縫連接與顯示），將基于微震監(jiān)測的煤礦底板穩(wěn)定性評價方法 與基于RFPA-f low的底板發(fā)生突水災害的水文地質(zhì)條件相結(jié)合，從而實現(xiàn)對底板突水的實 時監(jiān)測和預警。 r 00231 親1鄕震化畑Il器錯補化麗晉潔並
【主權(quán)項】
1. 煤礦開采過程中底板突水預警系統(tǒng)，其特征在于:該系統(tǒng)包括微震監(jiān)測系統(tǒng)、網(wǎng)絡傳 輸系統(tǒng)、虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)、數(shù)值計算分析系統(tǒng)和預警預報分析中心； 所述微震監(jiān)測系統(tǒng)用于現(xiàn)場24小時連續(xù)采集微震數(shù)據(jù)，并且監(jiān)視微震監(jiān)測系統(tǒng)是否正 常運行，所述微震數(shù)據(jù)包括對開采過程中采場圍巖受應力擾動損傷、破壞、結(jié)構(gòu)面活化過程 中能量、時空位置信息的定位;微震監(jiān)測系統(tǒng)包括微震監(jiān)測硬件和微震監(jiān)測軟件;微震監(jiān)測 硬件包括微震監(jiān)測設(shè)備、現(xiàn)場數(shù)據(jù)控制中心和遠程數(shù)據(jù)分析中心； 所述網(wǎng)絡傳輸系統(tǒng)用于微震監(jiān)測設(shè)備將采集到的微震數(shù)據(jù)通過GPRS網(wǎng)絡及時發(fā)送到 遠程數(shù)據(jù)分析中心的服務器，實現(xiàn)對微震數(shù)據(jù)的及時管理和分析;現(xiàn)場數(shù)據(jù)控制中心計算 機采用固定的IP地址或固定的域名，各個數(shù)據(jù)采集點采用GPRS模塊通過IP地址或域名來訪 問該主機，進行數(shù)據(jù)通信;現(xiàn)場數(shù)據(jù)控制中心服務器通過RS232接口與HIT GPRS DTU終端相 連，現(xiàn)場監(jiān)控點服務器將微震監(jiān)測點采集到的數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)傳輸模塊，將數(shù)據(jù)進行處理、協(xié) 議封裝后發(fā)送到GPRS無線網(wǎng)絡;現(xiàn)場數(shù)據(jù)控制中心服務器采集的數(shù)據(jù)經(jīng)GPRS/GSM網(wǎng)絡空中 接口功能模塊同時對數(shù)據(jù)進行解碼處理，轉(zhuǎn)換成在公網(wǎng)數(shù)據(jù)傳送的格式，通過中國移動的 GPRS無線數(shù)據(jù)網(wǎng)絡進行傳輸，最終傳輸?shù)竭h程數(shù)據(jù)分析中心IP地址上;遠程數(shù)據(jù)分析中心 服務器采用公網(wǎng)方式接入Internet，實現(xiàn)中小容量的數(shù)據(jù)采集應用和GPRS遠程無線傳輸拓 撲； 所述虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)用于對整個采礦過程的三維虛擬顯示，包括工作面推進、工作面推 進過程中圍巖的應力變化、聲發(fā)射或微震的三維空間分布； 所述數(shù)值計算分析系統(tǒng)用于對地質(zhì)力學模型進行計算分析，對采動誘發(fā)的高應力區(qū)進 行模擬分析與預測，實現(xiàn)與微震數(shù)據(jù)的互饋分析，初步標定對突水危險區(qū)域； 所述預警預報分析中心綜合分析微震監(jiān)測系統(tǒng)、網(wǎng)絡傳輸系統(tǒng)、虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)、數(shù)值計 算分析系統(tǒng)的結(jié)果，建立基于微震監(jiān)測和數(shù)值模擬的煤礦底板突水預警方法，實形成基于 微震監(jiān)測和數(shù)值模擬的實時煤礦底板突水危險性系統(tǒng)。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的煤礦開采過程中底板突水預警系統(tǒng)，其特征在于:所述微震監(jiān) 測設(shè)備包括檢波型傳感器、配有電源并具備信號波形修整功能的Paladin傳感器接口盒、 Paladin地震記錄儀、Paladin主控時間服務器、軟件運行監(jiān)視卡Watch-Dog;微震監(jiān)測軟件 包括用于信號實時采集與記錄的Paladin標準版監(jiān)測系統(tǒng)配備HNAS軟件、用于事件的三維 可視化的SeisVis軟件、用于波形處理及事件重新定位的WaveVis軟件、用于震源參數(shù)計算 的ProLib軟件、Spectr波譜分析軟件、用于數(shù)據(jù)過濾及報告生成的DBEidtor軟件、用于數(shù)據(jù) 存檔的Achiever軟件、用于遠程網(wǎng)絡傳輸與三維可視化MMS-View軟件； 所述網(wǎng)絡傳輸系統(tǒng)包括網(wǎng)絡傳輸硬件和網(wǎng)絡傳輸軟件，網(wǎng)絡傳輸硬件包括GPRS M0DEM、15pin轉(zhuǎn)9pin+4pin電話語音的RS-232電纜、天線、供電仙韻稍匹配器；網(wǎng)絡傳輸軟 件包括用戶手冊及軟件序列號； 所述虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)包括虛擬現(xiàn)實硬件和虛擬現(xiàn)實軟件;虛擬現(xiàn)實硬件包括主動立體投 影機、立體眼鏡、紅外線信號發(fā)射器、畫面融合矯正機、兩面墻投影幕及機械結(jié)構(gòu)、交換機、 零中斷電源控制機、線材、G-Motion光學追蹤攝像頭、圖形管理工作站、四臺圖形渲染工作 站;虛擬現(xiàn)實軟件包括G-Motion光學追蹤軟件、RFPA虛擬現(xiàn)實接口程序、DVS3D虛擬現(xiàn)實顯 示及交互軟件； 所述數(shù)值計算分析系統(tǒng)包括數(shù)值計算分析硬件和數(shù)值計算分析軟件;數(shù)值計算分析硬 件為計算機，數(shù)值分析軟件包括用于微震數(shù)據(jù)顯示的MMS-View顯示系統(tǒng)、用于局部二維地 質(zhì)力學模型的應力場、滲流場分析的RFPA-2D流固耦合分析版和用于整體三維地質(zhì)力學模 型的應力場、滲流場分析的RFPA-3D流固耦合分析版。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的煤礦開采過程中底板突水預警系統(tǒng)的預警方法，其特征在于， 包括以下步驟： (1) 確定具有突水危險災害的煤礦和工作面； (2) 根據(jù)煤礦和工作面的水文地質(zhì)條件，制定微震監(jiān)測方案，該方案中包括傳感器的布 置與安裝及線路的布設(shè)，以保證測點在主要監(jiān)測范圍之內(nèi)具有空間陣列結(jié)構(gòu)，降低直線和 平面布置幾率為優(yōu)化原則，優(yōu)化傳感器網(wǎng)絡布置方案； (3) 根據(jù)確定的微震監(jiān)測方案，建立并調(diào)試微震監(jiān)測系統(tǒng)； (4) 對微震監(jiān)測系統(tǒng)收集的數(shù)據(jù)信息進行處理并分析頂板、底板微震監(jiān)測結(jié)果； (5) 通過對底板微震監(jiān)測結(jié)果分析:a、確定底板破壞深度和破壞層位，由此判斷底板關(guān) 鍵層;b、確定監(jiān)測區(qū)是否有隱性斷層的存在;c、確定底板可能形成潛在突水通道的出水點； (6) 建立基于微震監(jiān)測的煤礦底板穩(wěn)定性評價方法:采用底板涌水量異常法、B值法、視 應力與視體積判斷法和能量判斷法來評價潛在突水通道的出水點是否發(fā)生突水災害;所述 能量判斷法中的閥值是通過分析頂板微震事件的產(chǎn)生的規(guī)律來確定； (7) 根據(jù)對底板微震監(jiān)測結(jié)果分析得到的底板關(guān)鍵層和可能存在的隱性斷層信息確定 基于RFPA-f low模擬的數(shù)值方案:采用RFPA-f low軟件對水壓力對底板突水的影響、強度關(guān) 鍵層厚度對底板突水的影響、隔水層厚度對底板突水的影響、強度關(guān)鍵層和隔水層的厚度 組合情況對底板突水的影響和斷層對底板突水的影響進行數(shù)值模擬，確定底板發(fā)生突水災 害的水文地質(zhì)條件； (8) 將基于微震監(jiān)測的煤礦底板穩(wěn)定性評價方法與基于RFPA-f low模擬的底板發(fā)生突 水災害的水文地質(zhì)條件相結(jié)合，實現(xiàn)對底板突水的實時監(jiān)測和預警。
【文檔編號】G01V1/30GK106019364SQ201610296102
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年5月8日
【發(fā)明人】唐春安, 王蘇健, 程關(guān)文, 陳通, 王悅, 楊菊英, 李連崇, 馬天輝, 陳志強
【申請人】大連理工大學, 陜西煤業(yè)化工技術(shù)研究院有限責任公司, 力軟科技（大連）股份有限公司