采动岩体渗突水远近临多源分级信息智能监测预警方法与流程

1.本发明涉及一种采动岩体渗突水远近临多源分级信息智能监测预警方法，属于保水开采和遥感岩石力学领域。


背景技术：

2.随着煤炭资源需求量的增加，煤炭生产规模不断扩大，煤矿渗突水灾害不仅造成了严重的人员伤亡与经济损失，同时也导致了地下水污染与流失，对环境造成不可逆转的破坏，已成为制约煤矿安全高效生产的重要问题。
3.伴随着煤炭生产向集约化、规模化快速发展的趋势，煤矿渗突水灾害防治不仅需要控制采场采动岩体变形和裂隙发育，更进一步需要实时监测预警采场渗突水的发生情况。若出现采场覆岩渗突水预警不准确或错误判断等问题，将会引发矿井突水等灾害，导致矿井水资源流失、矿区生态环境劣化等不可估量的恶果。加强对采场渗突水监测预警技术的研究，减少矿井突水灾害，是实现煤炭安全生产所亟需解决的问题之一。然而，目前国内的煤矿渗(突)水监测及预警，主要是依赖工作人员采用钻探和物探的勘探方法进行探水，这不仅会占用大量的人力资源，而且存在很多的人为误差，尚缺乏准确、有效的实时动态的监测系统。因此本发明提出了一种利用微震监测系统、地质雷达监测系统和红外辐射监测系统和渗突水水质离子成分分析等对采动岩体渗突水进行远近临多源信息分级智能监测预警方法，对采场覆岩渗突水监测预警具有重要意义。


技术实现要素：

4.针对现有技术的不足之处，提供一种采动岩体渗突水远近临多源分级信息智能监测预警方法，其步骤简单，自动化程度高，监测精度高，实现了顶底板渗突水多源信息分级智能监测与预警。
5.为实现上述技术目的，本发明的采动岩体渗突水远近临多源分级信息智能监测预警方法，首先分析采场受采动影响的结构关键层和含水层的分布情况，进而判定采场的主隔水关键层的位置；在采动过程中，使用微震监测系统远距离监测采场顶底板主隔水关键层是否受采动影响而产生导水裂隙通道，有异常信号表示有裂隙产生，进一步进行异常信号定位，如若定位点在主隔水关键层的位置，则说明是导水裂隙产生，在采动岩体顶底板区域利用矿用地质雷达对存在异常信号区域的巷道顶板近距离范围进行移动式连续往返监测，根据地质雷达信号判定近距离范围内是否产生导水裂隙，如有异常信号，分析定位异常信号发生的水体位置参数，在定位点对应的的顶底板区域表面设置红外辐射固定式监测系统，如果获取的红外信息突变超过阈值，即判断该处顶板区域发生渗突水；最后对监测区域渗突水进行搜集取样，采用灰色关联度进行渗突水水质离子成分分析，以此分析渗突水水源，并判断顶板各含水层导水裂隙是否贯通。
6.具体包括以下步骤：
7.步骤1，判定采场上覆岩层含水层与结构关键层的分布情况，确定主隔水关键层的
位置，并搜集含水层水样；
8.步骤2，根据矿井中现有的微震远距离监测系统获取的监测数据，分析出微震能量密度释放率的变化情况，根据变化情况进行异常信号定位，通过微震指标是否超过设定阈值和定位点位于主隔水关键层处来判定主隔水关键层是否产生导水裂隙，若判断出现异常则执行下一步，并进行远距离预报；
9.步骤3，利用矿用地质雷达对顶底板近距离范围进行移动式连续监测，通过监测结果判定主隔水关键层破坏后渗流水是否到达近距离范围内，如果地质雷达波形图显示出现异常信号，则根据用地质雷达读取的地质雷达电磁波波速平均振幅与监测里程曲线图从而对对渗突水区域进行定位，对采动岩体渗突水进行近距离预报；
10.步骤4，对步骤3定位区域垂直对应的顶底板表面区域进行红外辐射临界固定式监测，如果红外辐射监测信号发生突变，表明监测区域的顶底板表面发生渗突水，并进行临界距离预报；
11.步骤5，收集顶底板表面渗突水的水样进行检测，采用灰色关联度分析含水层水样与渗突水水样的关联度，从而判断采掘面围岩渗突水的水源，若含水层水样与渗突水水样成分一致，则判断采动岩体导水裂隙通道贯通，否则为其它地方渗水。
12.步骤2所述的远距离监测方法是使用微震监测系统对隔水主关键层进行监测的。若主隔水关键层位置处能量释放率大于阈值，则判定为异常信号产生，进一步使用定位算法进行异常信号定位，若定位点位于主隔水关键层处，则认为产生了导水裂隙通道；异常信号判断方法如下：
13.设微震事件时间序列为{t1，t2，
…
，t
n
}，对应能量序列为{e1，e2，
…
e
n
}，则t
i
时刻对应能量释放率为：
[0014][0015]
若满足ε>a则判断为异常信号，其中ε表示t
i
时刻对应的能量释放率，a表示能量释放率阈值。
[0016]
步骤3所述的近距离监测预报是使用矿用地质雷达对顶底板岩层近距离范围内进行监测的，并进行了渗突水区域定位，通过地质雷达波形图进行异常区域检测，若波形图有显示异常区域发生，则绘制地质雷达电磁波波速平均振幅与监测里程曲线图，用此来定位异常区域位置参数。
[0017]
步骤4所示的临界距离监测预报，利用红外辐射监测系统自动对定位区域垂直对应的顶板表面区域进行监测预报的，若红外辐射差分红外辐射方差指标发生突变超过阈值时，则可以判定为顶板表面出现了渗突水；差分红外辐射方差指标具体计算公式如下：
[0018][0019][0020]
voiit(p)>b
[0021]
其中，voiit(p)为第p帧红外辐射温度矩阵的差分红外辐射方差；airt(p)为第p帧
红外辐射温度矩阵平均值；l
x
和l
y
分别为红外辐射温度矩阵的最大行数和列数；p为红外辐射温度矩阵序号；f
p
(x，y)为第p帧红外辐射温度矩阵中第x行y列的温度值；b是判别阈值。
[0022]
步骤5所述灰色关联度水化学离子分析方法为：
[0023]
将含水层水样的离子成分序列视为母序列x1(k)，监测区域表面渗突水水样视为子序列x
i
(k)，其中i(i＝1,2,3...i
max
)为子序列数量，即步骤4发生中红外辐射信号发生突变的位置个数，k(k＝1,2,3
…
k
max
)为水样离子成分个数，将子、母序列统一合并写为x
i
(k)，其中i＝1表示母序列，其余为子序列。对这些序列进行均值无量纲化处理，使新的序列具有可比性和等效性，为了计算方便将均值后的表达式仍记为x
i
(k)，计算方法为：
[0024][0025]
求取子数列的绝差数列δ
1j
(k)，并确定数列两级差δ
1j
(k)
min
和δ
1j
(k)
max
，计算方法为：
[0026][0027]
其中j(j＝2,3,4
…
i
max
)为子序列序号；
[0028]
计算子序列与被母序列的关联系数，即：
[0029][0030]
式中ρ为分辨系数，一般取值为0.5。关联系数ξ
1j
(k)是子序列与母序列在各项水化学离子成分指标下的关联系数，其中j(j＝2,3,4
…
i
max
)为子序列个数，k(k＝1,2,3
…
k
max
)为水化学离子成分个数；
[0031]
将各关联系数序列进行均值处理，作为子序列和母序列间关联程度的数量表示称之为关联度，即：子序列与母序列的灰色关联度记为r
1j
；
[0032][0033]
灰色关联度r
1j
的大小能够反应母序列和子序列之间的关联程度，关联度越大，关系越密切，渗突水水源即为含水层；关联度大于等于0.8时，表明子序列与母序列关联性很好；当关联度介于0.6与0.8之间时，关联性好；关联度小于0.5时，表明子序列与母序列基本不相关。
[0034]
有益效果：
[0035]
本发明对采场覆岩渗突水的远近临监测预警联合使用了四种无损、高效监测方法，自动化程度高，无需人工值守，只需要出现异常情况报警后，到现场确认并进行采样分析即可，使用的多源信息分级智能监测预警技术对于渗突水的预警准确率会大大提高，降低了渗突水灾害对矿山开采的影响。
附图说明
[0036]
图1为本发明采动岩体渗突水远近临多源分级信息智能监测预警方法流程示意图。
具体实施方式
[0037]
下面结合附图对本发明的实施例做进一步说明：
[0038]
如图1所示，本发明的采动岩体渗突水远近临多源分级信息智能监测预警方法，其特征在于：首先分析采场受采动影响的结构关键层和含水层的分布情况，进而判定采场的主隔水关键层的位置；在采动过程中，使用微震监测系统远距离监测采场顶底板主隔水关键层是否受采动影响而产生导水裂隙通道，有异常信号表示有裂隙产生，进一步进行异常信号定位，如若定位点在主隔水关键层的位置，则说明是导水裂隙产生，在采动岩体顶底板区域利用矿用地质雷达对存在异常信号区域的巷道顶板近距离范围进行移动式连续往返监测，根据地质雷达信号判定近距离范围内是否产生导水裂隙，如有异常信号，分析定位异常信号发生的水体位置参数，在定位点对应的的顶板区域表面设置红外辐射固定式监测系统，如果获取的红外信息突变超过阈值，即判断该处顶板区域发生渗突水；最后对监测区域渗突水进行搜集取样，采用灰色关联度进行渗突水水质离子成分分析，以此分析渗突水水源，并判断顶板各含水层导水裂隙是否贯通。
[0039]
具体包括以下步骤：
[0040]
步骤1，判定采场上覆岩层含水层与结构关键层的分布情况，确定主隔水关键层的位置，并搜集含水层水样；
[0041]
步骤2，根据矿井中现有的微震远距离监测系统获取的监测数据，分析出微震能量密度释放率的变化情况，根据变化情况进行异常信号定位，通过微震指标是否超过设定阈值和定位点位于主隔水关键层处来判定主隔水关键层是否产生导水裂隙，若判断出现异常则执行下一步，并进行远距离预报。
[0042]
上述的远距离监测方法是使用微震监测系统对隔水主关键层进行监测的。若主隔水关键层位置处能量释放率大于阈值，则判定为异常信号产生，进一步使用定位算法进行异常信号定位，若定位点位于主隔水关键层处，则认为产生了导水裂隙通道；异常信号判断方法如下：
[0043]
设微震事件时间序列为{t1,t2,
…
,t
n
}，对应能量序列为{e1,e2,
…
e
n
}，则t
i
时刻对应能量释放率为：
[0044][0045]
若满足ε＞a则判断为异常信号，其中ε表示t
i
时刻对应的能量释放率，a表示能量释放率阈值；
[0046]
步骤3，利用矿用地质雷达对顶底板近距离范围进行移动式连续监测，通过监测结果判定主隔水关键层破坏后渗流水是否到达近距离范围内，如果地质雷达波形图显示出现异常信号，则根据用地质雷达读取的地质雷达电磁波波速平均振幅与监测里程曲线图从而对对渗突水区域进行定位，对采动岩体渗突水进行近距离预报；
[0047]
上述的近距离监测预报是使用矿用地质雷达对顶底板岩层近距离范围内进行监
测的，并进行了渗突水区域定位，通过地质雷达波形图进行异常区域检测，若波形图有显示异常区域发生，则绘制地质雷达电磁波波速平均振幅与监测里程曲线图，用此来定位异常区域位置参数。
[0048]
步骤4，对步骤3定位区域垂直对应的顶底板表面区域进行红外辐射临界固定式监测，如果红外辐射监测信号发生突变，表明监测区域的顶底板表面发生渗突水，并进行临界距离预报；
[0049]
所示的临界距离监测预报，利用红外辐射监测系统自动对定位区域垂直对应的顶板表面区域进行监测预报的，若红外辐射差分红外辐射方差指标发生突变超过阈值时，则可以判定为顶板表面出现了渗突水；差分红外辐射方差指标具体计算公式如下：
[0050][0051][0052]
voiit(p)＞b
[0053]
其中，voiit(p)为第p帧红外辐射温度矩阵的差分红外辐射方差；airt(p)为第p帧红外辐射温度矩阵平均值；l
x
和l
y
分别为红外辐射温度矩阵的最大行数和列数；p为红外辐射温度矩阵序号；f
p
(x,y)为第p帧红外辐射温度矩阵中第x行y列的温度值；b是判别阈值。
[0054]
步骤5，收集顶底板表面渗突水的水样进行检测，采用灰色关联度分析含水层水样与渗突水水样的关联度，从而判断采掘面围岩渗突水的水源，若含水层水样与渗突水水样成分一致，则判断采动岩体导水裂隙通道贯通，否则为其它地方渗水。
[0055]
所述灰色关联度水化学离子分析方法为：
[0056]
将含水层水样的离子成分序列视为母序列x1(k)，监测区域表面渗突水水样视为子序列x
i
(k)，其中i(i＝1,2,3...i
max
)为子序列数量，即步骤4发生中红外辐射信号发生突变的位置个数，k(k＝1,2,3
…
k
max
)为水样离子成分个数，将子、母序列统一合并写为x
i
(k)，其中i＝1表示母序列，其余为子序列。对这些序列进行均值无量纲化处理，使新的序列具有可比性和等效性，为了计算方便将均值后的表达式仍记为x
i
(k)，计算方法为：
[0057][0058]
求取子数列的绝差数列δ
1j
(k)，并确定数列两级差δ
1j
(k)
min
和δ
1j
(k)
max
，计算方法为：
[0059][0060]
其中j(j＝2,3,4
…
i
max
)为子序列序号；
[0061]
计算子序列与被母序列的关联系数，即：
[0062][0063]
式中ρ为分辨系数，一般取值为0.5。关联系数ξ
1j
(k)是子序列与母序列在各项水化学离子成分指标下的关联系数，其中j(j＝2，3，4
…
i
max
)为子序列个数，k(k＝1，2,3
…
k
max
)为水化学离子成分个数；
[0064]
将各关联系数序列进行均值处理，作为子序列和母序列间关联程度的数量表示称之为关联度，即：子序列与母序列的灰色关联度记为r
1j
；
[0065][0066]
灰色关联度r
1j
的大小能够反应母序列和子序列之间的关联程度，关联度越大，关系越密切，渗突水水源即为含水层；关联度大于等于0.8时，表明子序列与母序列关联性很好；当关联度介于0.6与0.8之间时，关联性好；关联度小于0.5时，表明子序列与母序列基本不相关。