一种微震监测系统及其应用方法
阅读说明：本技术 一种微震监测系统及其应用方法 (Microseismic monitoring system and application method thereof ) 是由 龙御 于 2020-08-21 设计创作，主要内容包括：本发明提供一种微震监测系统及其应用方法,该系统包括井上微震监测系统、井下微震监测系统,井下微震监测系统包括多个微震信号采集单元,井上微震监测系统包括微震信号采集站、微震信号记录存储仪、PC端,微震信号采集站经过矿用通信电缆分别向每个微震信号采集单元提供工作电源,微震信号采集站用于采集各个微震信号采集单元检测到的微震信号,微震信号记录存储仪与PC端连接,用于采集、记录从微震信号采集站采集到的微震数据。本发明可实现对监测区域内微震事件的远距离实时、动态监测,监测数据在传输故障时自动记录存储,对煤矿的安全生产提供安全可靠的数据,进而减少煤矿微震带来的损失,具有灵活、可靠,监测效果好,成本低等特点。(The invention provides a microseismic monitoring system and an application method thereof, the system comprises an aboveground microseismic monitoring system and an underground microseismic monitoring system, the underground microseismic monitoring system comprises a plurality of microseismic signal acquisition units, the aboveground microseismic monitoring system comprises a microseismic signal acquisition station, a microseismic signal recording and storing instrument and a PC (personal computer) terminal, the microseismic signal acquisition station respectively provides working power supply for each microseismic signal acquisition unit through a mine communication cable, the microseismic signal acquisition station is used for acquiring microseismic signals detected by each microseismic signal acquisition unit, and the microseismic signal recording and storing instrument is connected with the PC terminal and is used for acquiring and recording microseismic data acquired from the microseismic signal acquisition station. The invention can realize the remote real-time and dynamic monitoring of the microseism event in the monitoring area, automatically record and store the monitoring data when the transmission fails, provide safe and reliable data for the safety production of the coal mine, further reduce the loss caused by the microseism of the coal mine, and has the characteristics of flexibility, reliability, good monitoring effect, low cost and the like.)
技术领域
本发明涉及微震监测技术领域，尤其涉及一种微震监测系统以及应用于该系统的应用方法。
背景技术
矿震是采矿诱发的矿井地震，是矿井的一大自然灾害，矿震发生时，围岩迅速释放能量，煤岩被瞬间突然破坏，可形成强大的冲击气流，造成冒顶片帮，支架折断，巷道堵塞，地面震动，房屋损坏和人身伤亡等灾害。当岩石材料承受的应力大小开始逐渐超过岩石或材料的承载强度时，由于岩石材料都是非均匀质的，岩行材料都还行弱面和瑕疵，弱面和瑕疵发育的部分首先破坏，同时产生微震信号，随着应力的逐渐增大，这种破坏的数量明显增多，产生的微震信号数量也大幅度增加。这时产生的微震信号是正常情况下产生的微震信号的数千倍。当岩石材料承受的应力大小明显超过岩石或材料的承载强度时，材料开始发生明显破坏，同时产生大能量的微震信号，随着冒落或垮塌事故的发生，大能量的微震信号伴随着冒落或垮塌过程连续发生，直至冒落或垮塌事故结束。
目前国内外都在研究预测和控制矿震的技术，虽然对矿震机理有所了解并具有了一些预防措施，但一直没有得到很好的解决。目前多数研究都是针对矿震的某一个现象进行专门研究。我国矿井大多建于五六十年代，目前这些矿井即将进入深部开采，矿震灾害将变得越来越严重，并且煤矿矿震的发生将出现进一步上升趋势，严重影响了煤矿安全生产。对矿震灾害尤其是煤矿微震的实时监测设备，目前达不到监测数据在传输故障的时候能够自动记录存储和对监测数据实现远程控制并实时发送，达不到灵活、可靠的监测，不能避免事故的发生。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种可实现对监测区域内微震事件的远距离实时、动态监测，监测数据在传输故障时自动记录存储，具有灵活、可靠，监测效果好，成本低的特点，对煤矿的安全生产提供安全可靠的数据，减少煤矿微震带来的损失的微震监测系统。
本发明的另一目的在于提供一种可实现对监测区域内微震事件的远距离实时、动态监测，监测数据在传输故障时自动记录存储，具有灵活、可靠，监测效果好，成本低的特点，对煤矿的安全生产提供安全可靠的数据，减少煤矿微震带来的损失的微震监测系统的应用方法。
为了实现上述的主要目的，本发明提供的一种微震监测系统，其包括井上微震监测系统、井下微震监测系统，所述井下微震监测系统包括布置在井下的多个微震信号采集单元，所述井上微震监测系统包括设置在井上的微震信号采集站、微震信号记录存储仪、PC端；所述微震信号采集单元与所述微震信号采集站通过矿用通信电缆连接，所述微震信号采集站经过所述矿用通信电缆分别向每个所述微震信号采集单元提供工作电源，所述微震信号采集站用于采集各个所述微震信号采集单元检测到的微震信号，所述微震信号记录存储仪通过局域网与所述PC端连接，用于采集、记录从所述微震信号采集站采集到的微震数据。
进一步的方案中，所述微震信号采集单元包括拾震传感器，并将检测到的微震信号传输至所述微震信号采集站。
进一步的方案中，所述微震信号采集单元包括拾震传感器、信号调理电路、微处理器、以太网通讯模块，所述拾震传感器将检测到的微震信号经过所述信号调理电路输出至所述微处理器，所述微处理器通过所述以太网通讯模块与所述PC端建立通讯。
更进一步的方案中，所述信号调理电路包括放大电路、滤波电路和A/D转换模块，所述放大电路与所述拾震传感器连接，所述放大电路与所述滤波电路连接，所述滤波电路与所述A/D转换模块连接。
更进一步的方案中，所述拾震传感器为DLM2001拾震传感器，每个所述DLM2001拾震传感器分别通过避雷设备连接至所述微震信号采集站上。
更进一步的方案中，所述微震信号记录存储仪为AS-1信号记录存储仪，所述AS-1信号记录存储仪是基于内嵌入有32通道A/D转换卡的IBM PC计算机而设计的，用于将从所述微震信号采集站采集到的微震信号转换成数字信号。
更进一步的方案中，所述微震信号采集站为DLM-SO信号采集站，用来采集所述拾震传感器传过来的微震信号并向所述拾震传感器供电。
更进一步的方案中，所述放大电路包括运放芯片IC1、运放芯片IC2，所述运放芯片IC1的电源正端与电容C2的一端、+5V电压输入端连接，所述电容C2的另一端接地，所述运放芯片IC1的电源负端与电容C3的一端、-5V电压输入端连接，所述电容C3的另一端接地；所述运放芯片IC1的输出端分别与电阻R2的另一端、电容C1的另一端、电阻R3的一端连接，所述电阻R3的另一端分别与电容C4的一端、电阻R4的一端、运放芯片IC2的反相输入端连接，所述电容C4的另一端接地，所述电阻R4的另一端分别与运放芯片IC2的输出端、电阻R6的一端连接，所述电阻R6的另一端与所述滤波电路的输入端连接，所述运放芯片IC1的同相输入端串接电阻R5后接地。
更进一步的方案中，所述滤波电路包括运放芯片IC21、运放芯片IC22和运放芯片IC23，所述运放芯片IC21的反相输入端分别与电阻R22的一端、电容C22的一端、电阻R23的一端、电容C23的一端、电容C24的一端、可调电阻RP21的一端连接，所述电阻R22的另一端分别与电阻R21的一端、电容C26的一端连接，所述电容C26的另一端接地，所述电阻R21的另一端分别与电容C21的一端、所述滤波电路的输入端连接，所述电容C21的另一端与电容C22的另一端连接；所述电阻R23的另一端分别与电容C23的另一端、电阻R24的一端、运放芯片IC21的输出端连接；所述电容C24的另一端分别与可调电阻RP21的另一端、电容C25的一端、运放芯片IC22的输出端连接，所述电容C25的另一端分别与可调电阻RP22的一端、运放芯片IC22的反相输入端连接，所述运放芯片IC22的同相输入端接地；所述电容C23的另一端分别与电阻R23的另一端、电阻R24的一端、运放芯片IC22的输出端连接，所述电阻R24的另一端分别与电阻R25的一端、运放芯片IC22的反相输入端连接，所述放芯片IC23的同相输入端接地，所述电阻R25的另一端分别与可调电阻RP22的另一端、所述滤波电路的输出端连接。
为了实现上述的另一目的，本发明提供的一种微震监测系统的应用方法，所述微震监测系统是采用上述的微震监测系统，所述方法包括以下步骤：通过在煤矿井田待测区域内安装微震信号采集单元，然后将安装微震信号采集单元的三维坐标输入系统，通过对记录的数据P波进行标记，经过系统运算得出矿震事件的三维坐标及能量大小；将井下的的每组微震信号采集单元分别用电缆连接，再与设置在井上的微震信号采集站连接，形成一个完整的监测网；通过拾震传感器采集微震信号，经工业以太环网传输到地面上的微震信号采集站，微震信号采集站实时将监测到的数据传到微震信号记录存储仪进行滤波、微震事件判定、微震事件定位以及震源参数的确定，调用微震监测系统的数据库，对其进行数据转换、分析，生成矿震监测预警报表、曲线图、柱状图等。
由此可见，本发明在地面增加井上微震监测系统，使得包含监测区域在内的整个井下处于三维立体监测，可以明显的提高井下微震事件在垂直方向的监测精度，采用带嵌入式信号传输模块的震动速度型矿震测量探头，采用独立的干线式数据传输系统，进行双向控制传输，可实现测量探头工作状态的远程监控和调试；抗干扰性能强，运行稳定可靠，能实现自动滤波，对干扰信号进行过滤除噪，自动筛选出有效信号，可以实现监测数据数字化收集、传输、整理，监测数据准确。
本发明的区域性监测方法，监测范围广，能实现整个井田范围内全方位、多层位连续监测，定位精度高，误差小。通过矿震信号完全波形的分析，确定出每次震动的震动类型、发生力源及能量，对矿井冲击矿压危险程度进行评价，可以大大降低煤矿的冲击矿压灾害损失，产生巨大的经济效益和社会效益。
附图说明
图1是本发明一种微震监测系统实施例的示意图。
图2是本发明一种微震监测系统实施例的原理图。
图3是本发明一种微震监测系统实施例中放大电路的电路原理图。
图4是本发明一种微震监测系统实施例中滤波电路的电路原理图。
图5是本发明一种微震监测系统实施例的矿震定位示意图。
图6是本发明一种微震监测系统实施例中的井下拾震传感器的布置示意图。
以下结合附图及实施例对本发明作进一步说明。
具体实施方式
一种微震监测系统实施例：
参见图1与图2，本发明的微震监测系统包括井上微震监测系统、井下微震监测系统，井下微震监测系统包括布置在井下的多个微震信号采集单元10，井上微震监测系统包括设置在井上的微震信号采集站21、微震信号记录存储仪22、PC端31。
在本实施例中，微震信号采集单元10与微震信号采集站21通过矿用通信电缆连接，微震信号采集站21经过矿用通信电缆分别向每个微震信号采集单元10提供工作电源，微震信号采集站21用于采集各个微震信号采集单元10检测到的微震信号，微震信号记录存储仪22通过局域网与PC端31连接，用于采集、记录从微震信号采集站21采集到的微震数据。本实施例中，还包括分析系统30和USP电源模块40，分析系统30包括PC端31和与其连接的打印机32，并由微震信号采集站21和微震信号记录存储仪22构成微震监测系统机房20，通过USP电源模块40向分析系统30和微震监测系统机房20提供工作电源。
在本实施例中，微震信号采集单元10包括拾震传感器11，并将检测到的微震信号传输至微震信号采集站21。
其中，拾震传感器11为DLM2001拾震传感器，每个DLM2001拾震传感器分别通过避雷设备连接至微震信号采集站21上。作为优选，本实施例的避雷设备为防雷栅。
其中，微震信号记录存储仪22为AS-1信号记录存储仪，AS-1信号记录存储仪是基于内嵌入有32通道A/D转换卡的IBM PC计算机而设计的，用于将从微震信号采集站21采集到的微震信号转换成数字信号。
其中，微震信号采集站21为DLM-SO信号采集站，用来采集拾震传感器11传过来的微震信号并向拾震传感器11供电，其包括多个微震数据采集器。
可见，本实施例的拾震传感器11检测的到微震信号可以直接通过微震信号采集站21采集，并通过微震信号记录存储仪22、PC端31采集、记录从微震信号采集站21采集到的微震数据。在使用时，传感器直接输出数字信号传送到微震信号采集站21处理，微震信号采集站21汇总各路信号后，送到主机。
本实施例的微震信号采集单元10还可以包括拾震传感器11、信号调理电路12、微处理器13、以太网通讯模块14，拾震传感器11将检测到的微震信号经过信号调理电路12输出至微处理器13，微处理器13通过以太网通讯模块14与PC端31建立通讯。
其中，信号调理电路12包括放大电路、滤波电路和A/D转换模块，放大电路与拾震传感器11连接，放大电路与滤波电路连接，滤波电路与A/D转换模块连接。
参见图3，放大电路包括运放芯片IC1、运放芯片IC2，运放芯片IC1的电源正端与电容C2的一端、+5V电压输入端连接，电容C2的另一端接地，运放芯片IC1的电源负端与电容C3的一端、-5V电压输入端连接，电容C3的另一端接地；运放芯片IC1的输出端分别与电阻R2的另一端、电容C1的另一端、电阻R3的一端连接，电阻R3的另一端分别与电容C4的一端、电阻R4的一端、运放芯片IC2的反相输入端连接，电容C4的另一端接地，电阻R4的另一端分别与运放芯片IC2的输出端、电阻R6的一端连接，电阻R6的另一端与滤波电路的输入端连接，运放芯片IC1的同相输入端串接电阻R5后接地。
参见图4，滤波电路包括运放芯片IC21、运放芯片IC22和运放芯片IC23，运放芯片IC21的反相输入端分别与电阻R22的一端、电容C22的一端、电阻R23的一端、电容C23的一端、电容C24的一端、可调电阻RP21的一端连接，电阻R22的另一端分别与电阻R21的一端、电容C26的一端连接，电容C26的另一端接地，电阻R21的另一端分别与电容C21的一端、滤波电路的输入端连接，电容C21的另一端与电容C22的另一端连接；电阻R23的另一端分别与电容C23的另一端、电阻R24的一端、运放芯片IC21的输出端连接；电容C24的另一端分别与可调电阻RP21的另一端、电容C25的一端、运放芯片IC22的输出端连接，电容C25的另一端分别与可调电阻RP22的一端、运放芯片IC22的反相输入端连接，运放芯片IC22的同相输入端接地；电容C23的另一端分别与电阻R23的另一端、电阻R24的一端、运放芯片IC22的输出端连接，电阻R24的另一端分别与电阻R25的一端、运放芯片IC22的反相输入端连接，放芯片IC23的同相输入端接地，电阻R25的另一端分别与可调电阻RP22的另一端、滤波电路的输出端连接。
可见，在本实施例中，还可以通过拾震传感器11采集微震信号，微震信号通过放大电路和滤波电路进行放大和滤波后经过A/D转换模块A/D转换后得到数字信号，并通过微处理器13经由以太网将数字信号最终传送至PC端31，PC端31对此数字信号进行收集和处理，实现了无线采集微震信号，在电缆损坏的情况下可以通过上述方式进行信号采集，进而对事故或自然灾害进行预警，最大程度的降低灾害带来的损失。
一种微震监测系统的应用方法实施例：
一种微震监测系统的应用方法，应用于上述的微震监测系统，本发明的方法包括以下步骤：通过在煤矿井田待测区域内安装微震信号采集单元10，然后将安装微震信号采集单元10的三维坐标输入系统，通过对记录的数据P波进行标记，经过系统运算得出矿震事件的三维坐标及能量大小；将井下的的每组微震信号采集单元10分别用电缆连接，再与设置在井上的微震信号采集站21连接，形成一个完整的监测网；通过拾震传感器11采集微震信号，经工业以太环网传输到地面上的微震信号采集站21，微震信号采集站21实时将监测到的数据传到微震信号记录存储仪22进行滤波、微震事件判定、微震事件定位以及震源参数的确定，调用微震监测系统的数据库，对其进行数据转换、分析，生成矿震监测预警报表、曲线图、柱状图等。
本实施例的微震监测系统的软件由SEISGRAM和MULTILOK组成，其中，SEISGRAM软件来完成有用(震动)信号的提取、微震信号的可视化及其分析、波群的分离和筛选等。MULTILOK软件完成包括三维定位、能量大小等所有关于岩体震动参数的计算。矿井微震监测分析PLOT软件是专门用于SOS微震监测系统的数据分析软件。该软件可以直接调用SOS微震监测系统的数据库，对其进行数据转换、分析，生成矿震监测预警报表、曲线图、柱状图等。矿井微震监测分析Surfer软件是分析和报表软件，可以用于SOS微震监测系统的数据分析。通过图形，可以将微震发生的情况直观的反映在报表中。
微震三维可视化软件Seismic 3DView是与微震监测系统构成一个更加完整的监测与分析系统，通过与三维地质模型结合，更加有利于微震时空分布规律的分析。
通过在煤矿井田范围内安装微震传感器，然后将安装传感器的三维坐标输入系统，通过对记录的数据P波进行标记(P波初次进入时间的确定误差较小，定位精度较高)，经过系统运算得出矿震事件的三维坐标及能量大小，矿震定位示意图如图5所示。
本实施例对震源定位，要求有较高的准确性，故通常选择比较容易辨认的纵波(P波)进行定位，与其它波相比，P波首次到达时间的确定误差较小，定位精度较高。由于采用任意传播速度来确定传播时间是非产困难的，实际应用中，多假设处于均质、各向同性介质，即P波在各个传播方向上保持速度不变，为一定值。从震源传播到台站的最短时间可由式(2-1)得出：
其中，x0,y0,z0为震源坐标，t0为震源发震时间，xi,yi,zi为第i个观测站的坐标，ti为P波到达第i个观测站的时间，v(x0,y0,z0)为P波在介质中的传播速度。
其中，公式(2-1)中有(x0,y0,z0,t0)四个未知数，要解这个方程至少需要4个测站的数据(目前在各个矿区投入使用的SOS微震系统大都采用16个台站的布置形式，所以本实施例进行P波标记的时候通常要选择至少4个以上的通道进行P波标记)，然后通过系统设定的其它计算公式自动计算出震源发生的能量大小及震源所在位置的三维坐标。
在本实施例中，如图6所示，井下拾震传感器11布置原则：泊江海子煤矿共布置16个SOS微震监测系统拾震传感器11，主要布置地点：永久避难硐室口(1#)、0面辅运硐口(2#)、2面胶运机头硐室与胶带机巷交叉处(3#)、5面胶运硐口(4#)、7面胶运硐口(5#)、西翼3号变电所(6#)、0面胶运巷内3号硐室(7#)、0面胶运巷内5号硐室(8#)、0面胶运巷内6号硐室(9#)、0面辅运巷内0F29点处(10#)、0面辅运巷内0F35点处(11#)、0面辅运巷内P173点处(12#)、3面辅运巷内93号风筒处，皮带机里帮(13#)、3面辅运巷内124号风筒处，皮带机里帮(14#)、3面胶运巷内203号风筒处(15#)、3面胶运巷内256号风筒处(16#)。
由此可见，本发明在地面增加井上微震监测系统，使得包含监测区域在内的整个井下处于三维立体监测，可以明显的提高井下微震事件在垂直方向的监测精度，采用带嵌入式信号传输模块的震动速度型矿震测量探头，采用独立的干线式数据传输系统，进行双向控制传输，可实现测量探头工作状态的远程监控和调试；抗干扰性能强，运行稳定可靠，能实现自动滤波，对干扰信号进行过滤除噪，自动筛选出有效信号，可以实现监测数据数字化收集、传输、整理，监测数据准确。
本发明的区域性监测方法，监测范围广，能实现整个井田范围内全方位、多层位连续监测，定位精度高，误差小。通过矿震信号完全波形的分析，确定出每次震动的震动类型、发生力源及能量，对矿井冲击矿压危险程度进行评价，可以大大降低煤矿的冲击矿压灾害损失，产生巨大的经济效益和社会效益。
需要说明的是，以上仅为本发明的优选实施例，但发明的设计构思并不局限于此，凡利用此构思对本发明做出的非实质性修改，也均落入本发明的保护范围之内。