一种基于共振频率监测的多系统预防煤岩动力灾害的方法

1.本发明属于煤岩动力灾害防治技术领域，具体涉及一种基于共振频率监测的多系统预防煤岩动力灾害的方法。


背景技术：

2.随着我国中东部地区浅部煤炭资源趋于枯竭，向深部开采获取资源成为必然。冲击地压是严重的煤岩动力灾害，在地下深部区域，围岩具有高应力、高应变。近年来，随着矿井开采深度增加，地质条件更加复杂，冲击地压灾害愈发严重，重特大事故时有发生。现场监测表明，很多冲击事故的震源和破坏位置并不相同，引起煤岩失稳破坏的震源多为远场低频震源。
3.煤岩动力灾害的产生具有多方面的信息表征，如频率、震动、应力、电磁等多方面的变化。现有的煤岩动力灾害监测技术侧重点不同，监测预警阈值也不同。受到井下恶劣环境、施工人为因素等的影响，数据获取、传输等受到较大影响，另外，数据采集传感器往往存在误差，数据采集不能同步，导致数据分析不准确、不深入，容易产生误报、错报现象。
4.在冲击地压演化过程中，煤岩体有一个相对较低的固有频率，当地震波的频率与煤岩体的固有频率接近时，会发生共振放大效应，两者频率越接近，放大效应越明显，波的振幅增大，围岩积聚大量弹性能，最终在低频高能区引发煤岩动力灾害事故。因此，将共振监测纳入煤岩动力灾害的防治，具有重要意义。
5.这里需要说明的是，共振是指一物理系统在特定频率和波长下，比其他频率和波长以更大的振幅做振动的情形。固有频率是结构的一种固有属性，不管外界有没有对结构进行激励，结构的固有频率都是存在。巷道围岩本身具有较低的固有频率，当远处岩层断裂产生低频震源，传递出震动波，当震动波频率与巷道围岩本身具有的固有频率相近或者一致时，产生共振放大效应。


技术实现要素：

6.针对现有技术存在的以上问题，本发明提供了一种基于共振监测的多系统煤岩动力灾害预防系统及方法，以解决以上问题中的至少一个。
7.本发明采用以下技术方案实现其技术目的：一种基于共振监测的多系统煤岩动力灾害预防系统，其包括固有频率监测系统、微震传感监测系统、支架应力检测系统、电磁辐射煤岩破裂监测系统、数据采集系统、数据存储及处理系统、大数据智库云系统和灾害预警系统，数据采集系统与固有频率监测系统、微震传感监测系统、支架应力检测系统和电磁辐射煤岩破裂监测系统通信连接，数据采集系统与数据存储及处理系统通过信号线远程连接，数据存储及处理系统与大数据智库云系统通过互联网络通信连接；其中，固有频率监测系统包括激光多普勒测振仪，利用该激光多普勒测振仪能够监测巷道围岩的振动幅度和频率，当远场震源引起巷道围岩产生共振放大效应时，能够通
过激光多普勒测振仪捕捉到巷道围岩表面振动幅度与频率增大；微震传感监测系统包括沿巷道方向间隔一定距离布置的多个微震传感器，其利用不同的微震传感器所接收到的纵波的时间差，确定破裂的位置，并在三维空间上显示；支架应力检测系统包括液压支架和安装在液压支架上的支架应力监测传感器，其用于记录支架支撑力，监测记录工作面来压数据；电磁辐射煤岩破裂监测系统用于对煤岩应力集中以及微破裂、大破裂进行监测，主要监测煤岩体破裂产生的能量和脉冲；数据采集系统位于井下巷道内，用于对固有频率监测系统、微震传感监测系统、支架应力检测系统和电磁辐射煤岩破裂监测系统所获取的数据进行采集并将采集的数据传送至数据存储及处理系统，以及，对固有频率监测系统、微震传感监测系统、支架应力检测系统和电磁辐射煤岩破裂监测系统的采集状态进行调控；数据存储及处理系统位于地面，用于对来自数据采集系统的数据进行计算处理，调用大数据智库云系统中与所述来自数据采集系统的数据相匹配的相关数据，进行深入挖掘，并根据预警条件启用灾害预警系统进行预警及逃生线路规划；大数据智库云系统中包含有相邻矿井的开采数据以及本矿井中开采的历史数据，用于为煤岩动力灾害预防提供数据支撑。
8.与现有技术相比，本发明至少具备以下有益效果：利用固有频率监测系统基于共振监测，从共振角度入手，对煤岩动力灾害进行预测预报；结合多种监测方法，提升对煤岩动力灾害预测预报的准确性、及时性；通过合理布置测点使得监测结果更加合理、精确，有利于提前做好支护措施；通过对获取数据的深入分析及挖掘，找寻规律，为煤岩动力灾害预防提供数据支撑；激光多普勒测振仪的设置方式，保证了其测量的振动频率和幅度准确，同时，时钟模块的设置，确保了数据同步的同时，避免了对大量无用数据的监测，提高了系统的稳定性和效率。
附图说明
9.此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本技术的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：图1是本发明的煤岩动力灾害预防系统的系统组成示意图；图2是本发明在井下工作面附近的监测系统布置示意图；图3是本发明在井下巷道处的传感器布置示意图；图4是图3中a-a区域的局部放大示意图；图5是本发明的激光多普勒测振仪安装示意图；图6是本发明的煤岩动力灾害预防方法的实施流程简图；图7是本发明一个实施例下的数据采集系统 原理图；其中，1-采空区，2-液压支架，3-工作面，4-支架应力监测传感器，5-微震及电磁辐射监测测点，6-固有频率监测点，61-安装罩，62-支撑单元，63-激光多普勒测振仪，64-盲板，7-采掘方向，8-巷道。
实施方式
10.下面结合附图对本发明的实施方式作详细说明。
11.如图1至图7所示，本发明提供了一种基于共振监测的多系统煤岩动力灾害预防系统， 其包括固有频率监测系统、微震传感监测系统、支架应力检测系统、电磁辐射煤岩破裂监测系统、数据采集系统、数据存储及处理系统、大数据智库云系统和灾害预警系统，数据采集系统与固有频率监测系统、微震传感监测系统、支架应力检测系统和电磁辐射煤岩破裂监测系统通信连接，数据采集系统与数据存储及处理系统通过信号线远程连接，数据存储及处理系统与大数据智库云系统通过互联网络通信连接；其中，固有频率监测系统包括ldv型激光多普勒测振仪63，利用该激光多普勒测振仪63能够监测巷道围岩的振动幅度和频率，当远场震源引起巷道围岩产生共振放大效应时，能够通过ldv型激光多普勒测振仪63捕捉到巷道围岩表面振动幅度与频率增大；微震传感监测系统包括沿巷道方向间隔一定距离布置的多个微震传感器，其利用不同的微震传感器所接收到的纵波的时间差，确定破裂的位置，并在三维空间上显示；通常情况下，微震越活跃的的区域，岩体破裂的可能性越大；支架应力检测系统包括液压支架2和安装在液压支架2上的支架应力监测传感器4，其用于记录支架支撑力，监测记录工作面来压数据等；电磁辐射煤岩破裂监测系统用于对煤岩应力集中以及微破裂、大破裂进行监测，主要监测煤岩体破裂产生的能量和脉冲；数据采集系统位于井下巷道内，用于对固有频率监测系统、微震传感监测系统、支架应力检测系统和电磁辐射煤岩破裂监测系统所获取的数据进行采集并将采集的数据传送至数据存储及处理系统，以及，对固有频率监测系统、微震传感监测系统、支架应力检测系统和电磁辐射煤岩破裂监测系统的采集状态进行调控；数据存储及处理系统位于地面，用于对来自数据采集系统的数据进行计算处理，调用大数据智库云系统中与所述来自数据采集系统的数据相匹配的相关数据，进行深入挖掘，并根据预警条件启用灾害预警系统进行预警及逃生线路规划；大数据智库云系统中包含有相邻矿井的开采数据以及本矿井中开采的历史数据，用于为煤岩动力灾害预防提供数据支撑。
12.需要说明的是，ldv型激光多普勒测振仪63安装于巷道8的侧壁上，优选的位于巷道8侧壁的中部，用于对与该ldv型激光多普勒测振仪63相对一侧的巷道侧壁的围岩振动幅度和频率进行监测。例如，参见图3和图4，位于左侧的固有频率监测点6处的ldv型激光多普勒测振仪63用于对右侧（图3微震及电磁辐射监测测点5所在一侧）的围岩振动幅度和频率进行监测。由于巷道的存在，远场震源的纵波传递过程中，横向上在巷道处具有一定隔断作用，因此，将ldv型激光多普勒测振仪63安装于相对一侧的侧壁，这样能够减少远场震源对激光多普勒测振仪63的震动干扰，监测结果更为准确；同时，安装在壁上，能够避免工人在施工过程中的误碰，确保数据准确。需要进一步说明的是，本发明的图1至图7中仅示出了在巷道8一侧设置固有频率监测点6，另一侧设置微震及电磁辐射监测测点5的技术方案；应当理解的是，巷道8的两侧均可设置固有频率监测点6和微震及电磁辐射监测测点5，此时，固有频率监测点6的激光多普勒测振仪63仍然是对与其相对一侧的巷道侧壁的围岩振动幅度和频率进行监测。
13.进一步的，为了进一步减小施工或远场震源对激光多普勒测振仪63的震动干扰，所述激光多普勒测振仪63通过嵌入巷道8侧壁的安装罩61进行安装，安装罩61整体为圆筒形金属管结构，激光多普勒测振仪63与安装罩61之间通过支撑单元62（例如支撑柱）进行固定，支撑单元62呈圆周间隔分布在安装罩61内，激光多普勒测振仪63位于安装罩61的中部。需要示例性的进行以下说明，例如，参见图3和图4所示，当远场震源的纵波从右侧传递过来时，此时，由于巷道8的隔断作用，巷道8左侧中部的振动会很小，而由于安装罩61整体为圆筒形金属管结构，不易随围岩一起变形振动，因此，地震波对其中部的激光多普勒测振仪63的干扰进一步减小。进一步的，安装罩61的远离巷道8一侧为盲板64，盲板64中部通过一支撑柱抵接在激光多普勒测振仪63的一侧，这样能够避免围岩进入安装罩61中，对激光多普勒测振仪63造成影响。进一步优选的，在支撑单元62与激光多普勒测振仪63之间还安装有隔振环（图中未示出），这样能进一步减少远场震源所产生的纵波对激光多普勒测振仪63的影响，提高检测精度。
14.此外，需要进一步说明的是，本发明将数据采集系统设置于井下巷道内，能够方便对设置于井下的固有频率监测系统、微震传感监测系统、支架应力检测系统和电磁辐射煤岩破裂监测系统的采集状态进行调控；具体的，数据采集系统包括时钟模块，在数据采集时，该时钟模块与固有频率监测系统的各激光多普勒测振仪63建立链接，以及与微震传感监测系统、支架应力检测系统和电磁辐射煤岩破裂监测系统的各传感器建立链接，然后，该时钟模块将参考时钟信号（包括参考的时间信号和频率信号）发送至各激光多普勒测振仪63以及所述各传感器，所述各激光多普勒测振仪63以及所述各传感器根据接收到的参考时钟信号将各自的本地时间对齐至参考时钟信号的时间信号（参考时钟信号的时间信号为数据采集系统的时钟模块的本地时间信号，由于数据采集系统与数据存储及处理系统通过信号线远程连接，几乎五延迟，因此，所述本地时间信号即为数据存储及处理系统的本地时间），以及将各自的采样频率对应至参考时钟信号的频率信号，使得，所述各激光多普勒测振仪63以及所述各传感器的本地时间与数据采集系统的时钟模块的本地时间同步，所述各激光多普勒测振仪63以及所述各传感器的采样周期分别为参考时钟信号的频率信号对应的采样周期的正整数倍，且激光多普勒测振仪63与激光多普勒测振仪63之间的采样周期相同，微震传感监测系统的各传感器之间的采样周期相同，支架应力检测系统的各传感器之间的采样周期相同，电磁辐射煤岩破裂监测系统的各传感器之间的采样周期相同，激光多普勒测振仪63的采样周期、微震传感监测系统的传感器的采样周期、支架应力检测系统的传感器的采样周期以及电磁辐射煤岩破裂监测系统的传感器的采样周期两两相同或者不同，示例性的，参考时钟信号的频率信号对应的采样周期为t，各激光多普勒测振仪63的采样周期均为n*t，微震传感监测系统的各传感器的采样周期均为m*t，支架应力检测系统的各传感器的采样周期均为k*t，电磁辐射煤岩破裂监测系统的各传感器的采样周期均为h*t，其中，n、m、k和h均为正整数。可见，各监测系统对应的参考时钟可以是不同的。这样设置的目的是为了，统一系统时间，统一同一类型的采样仪器或传感器的采样周期，方便数据计算和分析，而针对不同类型的采样仪器或传感器，则根据采样需求采用各自的采样周期，方便针对性调整。例如，在数据采集时，由于仅当震动波频率与巷道围岩本身具有的固有频率相近或者一致时才会产生共振放大效应，若所述各激光多普勒测振仪63以及所述各传感器均采用同样的采样周期，则无疑会
导致产生大量的无用数据，例如，在并未产生共振甚至并未检测到远场震源时，各激光多普勒测振仪63进行了大量的围岩振动幅度和频率检测，而这些检测无疑是无用的，本发明针对不同类型的采样仪器或传感器采用各自的采样周期，可以避免这种现象的发生，而为了实现这一目的，还进一步包括，在所述各传感器检测到异常信号时，例如微震传感监测系统的传感器检测到远场震源时，利用数据采集系统的时钟模块向所述各激光多普勒测振仪63以及所述各传感器发送紧急信号，该紧急信号用于调整所述各激光多普勒测振仪63以及所述各传感器的采样周期，使得所述各激光多普勒测振仪63以及所述各传感器的采样周期均为t。
15.本发明通过将数据采集系统设置于井下巷道内，将与数据存储及处理系统设置在地面，两者通过一根信号线即可建立通信连接，进而将井下各个系统的数据上传，无需借助于在井下搭建的网络，因为在井下特别是深井搭建基站，这样的费用将是昂贵的，而数据存储及处理系统通常为大型的计算机设备，其要求运行环境干净、通风等，矿井中的煤灰、不通风等因素，将对其造成不利影响，因此，本发明将数据采集系统与数据存储及处理系统分开，巧妙的解决了以上技术问题。
16.本发明还提供了一种基于共振监测的多系统煤岩动力灾害预防方法，其采用上述的基于共振监测的多系统煤岩动力灾害预防系统，参见图6，其实施过程如下：（1）在工作面前方两侧区段巷道8（平巷）内从某位置开始间隔一定距离布置微震及电磁辐射监测测点5和固有频率监测点6，如图2至图3所示，所述间隔一定距离是指，沿着巷道方向等距间隔lm，在竖直方向间隔im；（2）在区段巷道8内安置ldv激光多普勒测振仪63、微震传感器和电磁辐射传感器，在液压支架2上安设支架应力监测传感器4，其中，ldv激光多普勒测振仪63安装在固有频率监测点6处，微震传感器和电磁辐射传感器安装在微震及电磁辐射监测测点5处；（3）开启所述基于共振监测的多系统煤岩动力灾害预防系统，进行实时监测，保证数据实时传输；（4）工作面进行开采；（5）所述各传感器检测到异常信号时，统一固有频率监测系统、微震传感监测系统、支架应力检测系统和电磁辐射煤岩破裂监测系统的采样周期为t；（6）当发生共振放大效应，通过各个系统迅速检测到相应区域，进行定点预报，并对定点区域周围加强支护；若无共振放大效应，各个系统正常运行，记录数据；（7）利用数据存储及处理系统对来自数据采集系统的数据进行计算处理，调用大数据智库云系统中与所述来自数据采集系统的数据相匹配的相关数据，进行深入挖掘，并根据预警条件启用灾害预警系统进行预警及逃生线路规划，逃生路线的规划采用蚁群算法进行模拟计算获得。
17.以上所述的仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

技术特征：
1.一种基于共振频率监测的多系统煤岩动力灾害预防方法，该方法采用一种基于共振监测的多系统煤岩动力灾害预防系统来实现，其特征在于，所述多系统煤岩动力灾害预防系统包括固有频率监测系统、微震传感监测系统、支架应力检测系统、电磁辐射煤岩破裂监测系统、数据采集系统、数据存储及处理系统、大数据智库云系统和灾害预警系统，数据采集系统与固有频率监测系统、微震传感监测系统、支架应力检测系统和电磁辐射煤岩破裂监测系统通信连接，数据采集系统与数据存储及处理系统通过信号线远程连接，数据存储及处理系统与大数据智库云系统通过互联网络通信连接；其中，固有频率监测系统包括激光多普勒测振仪（63），利用该激光多普勒测振仪（63）能够监测巷道（8）围岩的振动幅度和频率，当远场震源引起巷道（8）围岩产生共振放大效应时，能够通过激光多普勒测振仪（63）捕捉到巷道（8）围岩表面振动幅度与频率增大；微震传感监测系统包括沿巷道（8）方向间隔一定距离布置的多个微震传感器，其利用不同的微震传感器所接收到的纵波的时间差，确定破裂的位置，并在三维空间上显示；支架应力检测系统包括液压支架（2）和安装在液压支架（2）上的支架应力监测传感器（4），其用于记录支架支撑力，监测记录工作面（3）来压数据；电磁辐射煤岩破裂监测系统用于对煤岩应力集中以及微破裂、大破裂进行监测，主要监测煤岩体破裂产生的能量和脉冲；数据采集系统位于井下巷道（8）内，用于对固有频率监测系统、微震传感监测系统、支架应力检测系统和电磁辐射煤岩破裂监测系统所获取的数据进行采集并将采集的数据传送至数据存储及处理系统，以及，对固有频率监测系统、微震传感监测系统、支架应力检测系统和电磁辐射煤岩破裂监测系统的采集状态进行调控；数据存储及处理系统位于地面，用于对来自数据采集系统的数据进行计算处理，调用大数据智库云系统中与所述来自数据采集系统的数据相匹配的相关数据，进行深入挖掘，并根据预警条件启用灾害预警系统进行预警及逃生线路规划；大数据智库云系统中包含有相邻矿井的开采数据以及本矿井中开采的历史数据，用于为煤岩动力灾害预防提供数据支撑。2.如权利要求1所述的一种基于共振频率监测的多系统煤岩动力灾害预防方法，其特征在于，所述激光多普勒测振仪（63）安装于巷道（8）的侧壁中部，用于对与该激光多普勒测振仪（63）相对一侧的巷道（8）侧壁的围岩振动幅度和频率进行监测。3.如权利要求2所述的一种基于共振频率监测的多系统煤岩动力灾害预防方法，其特征在于，所述激光多普勒测振仪（63）通过嵌入巷道（8）侧壁的安装罩（61）进行安装，安装罩（61）整体为圆筒形金属管结构，激光多普勒测振仪（63）与安装罩（61）之间通过支撑单元（62）进行固定，支撑单元（62）呈圆周间隔分布在安装罩（61）内，激光多普勒测振仪（63）位于安装罩（61）的中部。4.如权利要求3所述的一种基于共振频率监测的多系统煤岩动力灾害预防方法，其特征在于，安装罩（61）的远离巷道（8）一侧为盲板（64），盲板（64）中部通过一支撑柱抵接在激光多普勒测振仪（63）的一侧。5.如权利要求3所述的一种基于共振频率监测的多系统煤岩动力灾害预防方法，其特征在于，在支撑单元（62）与激光多普勒测振仪（63）之间还安装有隔振环。6.如权利要求1至3中任一项所述的一种基于共振频率监测的多系统煤岩动力灾害预
防方法，其特征在于，利用所述数据采集系统对固有频率监测系统、微震传感监测系统、支架应力检测系统和电磁辐射煤岩破裂监测系统的采集状态进行调控的方式包括，所述数据采集系统包括时钟模块，在数据采集时，该时钟模块与固有频率监测系统的各激光多普勒测振仪（63）建立链接，以及与微震传感监测系统、支架应力检测系统和电磁辐射煤岩破裂监测系统的各传感器建立链接，然后，该时钟模块将参考时钟信号发送至各激光多普勒测振仪（63）以及所述各传感器，使得，所述各激光多普勒测振仪（63）以及所述各传感器的本地时间与数据采集系统的时钟模块的本地时间同步，所述各激光多普勒测振仪（63）以及所述各传感器的采样周期分别为参考时钟信号的频率信号对应的采样周期的正整数倍，且激光多普勒测振仪（63）与激光多普勒测振仪（63）之间的采样周期相同，微震传感监测系统的各传感器之间的采样周期相同，支架应力检测系统的各传感器之间的采样周期相同，电磁辐射煤岩破裂监测系统的各传感器之间的采样周期相同，激光多普勒测振仪（63）的采样周期、微震传感监测系统的传感器的采样周期、支架应力检测系统的传感器的采样周期与电磁辐射煤岩破裂监测系统的传感器的采样周期之间两两相同或者不同。7.如权利要求6所述的一种基于共振频率监测的多系统煤岩动力灾害预防方法，其特征在于，在所述各传感器检测到异常信号时，利用数据采集系统的时钟模块向所述各激光多普勒测振仪（63）以及所述各传感器发送紧急信号，该紧急信号用于调整所述各激光多普勒测振仪（63）以及所述各传感器的采样周期，使得所述各激光多普勒测振仪（63）以及所述各传感器的采样周期均为参考时钟信号的频率信号对应的采样周期。

技术总结
本发明提供了一种基于共振频率监测的多系统预防煤岩动力灾害的方法，属于煤岩动力灾害防治技术领域，从共振角度入手结合多种监测方法对煤岩动力灾害进行预测预报，提升了对煤岩动力灾害预测预报的准确性、及时性；通过合理布置测点使得监测结果更加合理、精确，有利于提前做好支护措施，时钟模块的设置，确保了数据同步的同时，避免了对大量无用数据的监测，提高了系统的稳定性和效率。提高了系统的稳定性和效率。提高了系统的稳定性和效率。


技术研发人员：李学龙 王恩元 李忠辉 陈绍杰 刘淑敏 王永 薛守振 翟明华 陈德友 王涛 耿学生 张新元 高振亮 王维斌
受保护的技术使用者：山东科技大学
技术研发日：2023.03.21
技术公布日：2023/7/7