一种煤矿开采监测方法、装置及计算机设备与流程

1.本技术涉及计算机技术领域，尤其涉及一种煤矿开采监测方法、装置及计算机设备。


背景技术：

2.在煤炭开采当中必须严格遵守开采规则，按照计划开采工作面。若越界或超层开采，不仅带来很多经济纠纷，也会带来严重的安全隐患。因此，对煤矿越界和超层开采行为的监测是至关重要的。
3.目前常用的监测越界和超层开采的手段包括钻探法、空心包体应力计等现场实测法，以及广义反投射系数、极限平衡理论等理论计算和数值模拟方法。
4.现场实测法需要对监测点进行开采前后对比，由于底板变形相对工作面的推进具有一定的滞后性，因此，很难获取采后数据，且难以实现底板变形的实时监测，存在工程量大和监测范围有限等缺点。数值模拟法不但需要现场实测数据作为基础，还具有很强的主观因素，计算结果存在较大误差。
5.所以，由于煤层地质条件软弱和地质构造复杂，现有技术难以普遍适用于煤矿开采越界或超层的监测。


技术实现要素：

6.为了解决上述技术问题，本技术提供了煤矿开采监测方法、装置及计算机设备，具体方案如下：
7.第一方面，本技术实施例提供了一种煤矿开采监测方法，所述煤矿开采监测方法包括：
8.监听对应第一监测区域的微震信号，其中，所述微震信号包括所述第一监测区域内各微震源的发震时刻，以及各微震源对应的微震波传播到所述第一监测区域中各传感器的观测到时和计算到时；
9.基于各微震源对应的微震波传播到所述第一监测区域中各传感器的所述观测到时和所述计算到时，确定最小的时间残差值对应的所述微震源为目标点；
10.采集所述目标点的微震频率和位置信息；
11.若所述目标点的微震频率大于预设阈值，输出煤矿开采超层的第一提示信息，其中，所述第一提示信息包括所述目标点的所述位置信息。
12.根据本技术公开的一种具体实施方式，所述计算到时的确定的步骤，包括：
13.获取微震波从微震源传播至各所述传感器的计算走时；
14.通过公式t
ci
＝t0 t
ti
(ti,s)计算各传感器对应的所述计算到时，其中，t
ci
为第i个所述传感器对应的所述计算到时，i≥1，t0为微震源的发震时刻,t
ti
(ti,s)为第i个所述传感器对应的所述计算走时，ti为第i个所述传感器的传感器参数，s为所述微震源的震源参数。
15.根据本技术公开的一种具体实施方式，所述时间残差值的确定步骤，包括：
16.将各所述传感器对应的所述观测到时与各所述传感器对应的所述计算到时相减，得到时间残差值。
17.根据本技术公开的一种具体实施方式，所述煤矿开采监测方法还包括：
18.通过第二监测区域对应的合成孔径雷达图像对，得到第二监测区域对应的累计形变量图像，其中，所述累计形变量图像包括多个形变区域；
19.将所述第二监测区域对应的矿权图与所述累计形变量图像进行叠加分析，其中，所述矿权图包括多个授权区域；
20.若任一所述形变区域未完全处于所述授权区域内，将对应的所述形变区域确定为第一目标区域，并输出煤矿开采超界的第二提示信息，其中，所述第二提示信息包括所述第一目标区域的位置信息。
21.根据本技术公开的一种具体实施方式，将对应的所述形变区域确定为第一目标区域的步骤之后，所述煤矿开采监测方法还包括：
22.将所述累计形变量图像中除所述第一目标区域之外的各形变区域确定为第二目标区域；
23.将所述第二监测区域对应的开采工作面与全部所述第二目标区域叠加分析；
24.若任一所述第二目标区域未完全处于所述开采工作面内，输出煤矿开采超界的第三提示信息。
25.第二方面，本技术实施例提供了一种煤矿开采监测装置，所述煤矿开采监测装置包括：
26.信号监听模块，用于监听对应第一监测区域的微震信号，其中，所述微震信号包括所述第一监测区域内各微震源的发震时刻，以及各微震源对应的微震波传播到所述第一监测区域中各传感器的观测到时和计算到时；
27.时间残差模块，用于基于各微震源对应的微震波传播到所述第一监测区域中各传感器的所述观测到时和所述计算到时，确定最小的时间残差值对应的所述微震源为目标点；
28.频率采集模块，用于采集所述目标点的微震频率和位置信息；
29.第一输出模块，用于若所述目标点的微震频率大于预设阈值，输出煤矿开采超层的第一提示信息，其中，所述第一提示信息包括所述目标点的所述位置信息。
30.根据本技术公开的一种具体实施方式，所述时间残差模块具体应用于：
31.获取微震波从微震源传播至各所述传感器的计算走时；
32.通过公式t
ci
＝t0 t
ti
(ti,s)计算各传感器对应的所述计算到时，其中，t
ci
为第i个所述传感器对应的所述计算到时，i≥1，t0为微震源的发震时刻,t
ti
(ti,s)为第i个所述传感器对应的所述计算走时，ti为第i个所述传感器的传感器参数，s为所述微震源的震源参数。
33.根据本技术公开的一种具体实施方式，所述煤矿开采监测装置还包括：
34.形变累计模块，用于通过第二监测区域对应的合成孔径雷达图像对，得到第二监测区域对应的累计形变量图像，其中，所述累计形变量图像包括多个形变区域；
35.叠加分析模块，用于将所述第二监测区域对应的矿权图与所述累计形变量图像进
行叠加分析，其中，所述矿权图包括多个授权区域；
36.第二输出模块，用于若任一所述形变区域未完全处于所述授权区域内，将对应的所述形变区域确定为第一目标区域，并输出煤矿开采超界的第二提示信息，其中，所述第二提示信息包括所述第一目标区域的位置信息。
37.相对于现有技术而言，本技术具有以下有益效果：
38.本技术提供一种煤矿开采监测方法、装置及计算机设备。该方法包括：监听对应第一监测区域的微震信号，其中，微震信号包括第一监测区域内各微震源的发震时刻，以及各微震源对应的微震波传播到第一监测区域中各传感器的观测到时和计算到时；基于各微震源对应的微震波传播到第一监测区域中各传感器的观测到时和计算到时，确定最小的时间残差值对应的微震源为目标点；采集目标点的微震频率和位置信息；若目标点的微震频率大于预设阈值，输出煤矿开采超层的第一提示信息。目标点是指第一监测区域中震动频率较大的点，表明当前煤矿开采的工作可能超过原本的煤层，对第一监测区域对应的煤层产生影响。本技术通过微震技术判断目标点的微震频率，若所述目标点的微震频率大于预设阈值，输出煤矿开采超层的第一提示信息，通过传感器对微震波的相关数据的采集和计算，可以避免煤矿开采受煤层地址条件的限，能实现对煤矿开采的实时准确监测的效果。
附图说明
39.为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对本发明保护范围的限定。在各个附图中，类似的构成部分采用类似的编号。
40.图1为本技术实施例提供的一种煤矿开采监测方法的流程示意图；
41.图2为本技术实施例提供的一种煤矿开采监测方法方法涉及的传感器布设示意图；
42.图3为本技术实施例提供的一种煤矿开采监测方法涉及的微震波的传播速度计算示意图；
43.图4为本技术实施例提供的一种煤矿开采监测方法涉及的矿权图与累计形变量图像进行叠加分析的示意图；
44.图5为本技术实施例提供的一种煤矿开采监测方法装置的模块框图之一；
45.图6为本技术实施例提供的一种煤矿开采监测方法装置的模块框图之二。
具体实施方式
46.下面将结合本发明实施例中附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
47.通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
48.在下文中，可在本发明的各种实施例中使用的术语“包括”、“具有”及其同源词仅
意在表示特定特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合，并且不应被理解为首先排除一个或更多个其它特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合的存在或增加一个或更多个特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合的可能性。
49.此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
50.除非另有限定，否则在这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明的各种实施例所属领域普通技术人员通常理解的含义相同的含义。所述术语(诸如在一般使用的词典中限定的术语)将被解释为具有与在相关技术领域中的语境含义相同的含义并且将不被解释为具有理想化的含义或过于正式的含义，除非在本发明的各种实施例中被清楚地限定。
51.下面结合附图，对本技术的一些实施方式作详细说明。在不冲突的情况下，下述的实施例及实施例中的特征可以相互结合。
52.参见图1，图1为本技术实施例提供的一种煤矿开采监测方法的流程示意图。如图1所示，所述煤矿开采监测方法主要包括：
53.步骤s101，监听对应第一监测区域的微震信号，其中，所述微震信号包括所述第一监测区域内各微震源的发震时刻，以及各微震源对应的微震波传播到所述第一监测区域中各传感器的观测到时和计算到时。
54.第一监测区域可以是煤矿开采过程中需要进行监测的任一区域，例如在煤矿开采的过程中，开采工作面会覆盖不同的煤层。若某一开采工作面覆盖了三个煤层，分别为4号煤层、5号煤层和6号煤层。其中，4号煤层至5号煤层之间的间距为18m，5号煤层至6号煤层之间的间距为8m。当前计划开采的煤层为6号煤层，此时，6号煤层之外的其他区域均可设定为第一监测区域，如5号煤层。可以通过在5号煤层上安装传感器，例如微震仪，对煤矿开采的工作进行实时监测，若监测出地层断裂和破碎即证明发生煤矿开采超层的行为。
55.参见图2，图2为本技术实施例提供的一种煤矿开采监测方法方法涉及的传感器布设示意图。对应上述示例，可以将微震仪布设在5号煤层的计划开采工作面中，沿着开采工作面的两个长边从一头开始每隔预设距离安装一个传感器，通过数据传输设备将该煤层监测到的微震信号传输回地面监测设备。具体实施时，所述预设距离可以100米。计算一个震源位置一般至少需要四个微震仪，为了能有多余观测即观测裕度，以达到检验的目的，可以至少布设5个微震仪。
56.观测到时是指某一传感器记录的微震波到达传感器的时间。计算到时是指微震源的发震时刻加上微震波从微震源传播到传感器的时间。而计算走时是指微震波从微震源传播到传感器的时间。
57.所述计算到时的确定的步骤，包括：
58.获取微震波从微震源传播至各所述传感器的计算走时；
59.通过公式t
ci
＝t0 t
ti
(ti,s)计算各传感器对应的所述计算到时，其中，t
ci
为第i个所述传感器对应的所述计算到时，i≥1，t0为微震源的发震时刻,t
ti
(ti,s)为第i个所述传感器对应的所述计算走时，ti为第i个所述传感器的传感器参数，s为所述微震源的震源参数。
60.为了后续计算微震源的位置，可以先获取微震波在煤层中的传播速度。参见图3，
图3为本技术实施例提供的一种煤矿开采监测方法涉及的微震波的传播速度计算示意图。s(x0，y0，z0，t0)和ti(xi，yi，zi，ti)分别表示微震源和第i个传感器，其中,x0，y0，z0和xi，yi，zi分别表示微震源和传感器的空间坐标，t0和ti分别表示微震源发震时刻和第i个传感器的波形初至观测到时。s(x0，y0，z0，t0)是人为提前制造的一个微震源，并在这个微震源的周围布设i个传感器。因此，这个人为制造的微震源的空间位置和周围的传感器的空间位置是已知的，通过记录认为制造的微震源的发震时刻和到达各个传感器的观测到时，可以求解微震波在该煤层的传播速度，用于确定后续因为煤矿开采导致的煤层产生微震的微震源的空间位置。
61.设第i个传感器的计算到时为t
ci
，则t
ci
可用下式描述:t
ci
＝t0 t
ti
(ti，s)该式中，s为震源参数，记s＝(x0，y0，z0，t0)t；ti为第i个传感器参数，记ti＝(xi，yi，zi，ti)t，i＝1，2，
…
n；t
ti
(ti，s)为第i个传感器的计算走时。
62.步骤s102，基于各微震源对应的微震波传播到所述第一监测区域中各传感器的所述观测到时和所述计算到时，确定最小的时间残差值对应的所述微震源为目标点。
63.所述时间残差值的确定步骤，包括：
64.将各所述传感器对应的所述观测到时与各所述传感器对应的所述计算到时相减，得到时间残差值。
65.具体实施时，可以将传感器记录的观测到时和计算到时之间的差值记台站残差或时间残差γi，当然也可以称为台站残差γi，可以通过下面的公式进行表示:γi＝t
i-t
ci
＝t
i-(t0 t
ti
(ti，s))。参与定位的传感器的观测到时和计算到时之间的不吻合程度可以用时间残差表示，微震源定位的实质就是将第一监测区域中最小的时间残差值对应的微震源为目标点。可以先计算各传感器对应的时间残差值，再从该第一监测区域的全部传感器对应的全部时间残差值中选择最小值作为最小时间残差值。时间残差值越小，表明观测到时和计算到时之间的吻合程度越高，可以将最小的时间残差值对应的微震点确定为第一监测区域中受震动影响较大或者具有代表性的一个点。
66.步骤s103，采集所述目标点的微震频率和位置信息。
67.对应步骤s101中示例，目标点是指对6号煤层进行煤矿开采时，在5号煤层的范围内出现的符合条件的微震源。此时，目标点仅能说明此时的煤矿开采工作对其他的煤层造成了影响。但具体实施时，若目标点的震动频率比较小，可以忽略目标点对5号煤层的影响。因此，此时可以采集目标点的微震频率和位置信息，基于目标点的微震频率做进一步的判断。
68.步骤s104，若所述目标点的微震频率大于预设阈值，输出煤矿开采超层的第一提示信息，其中，所述第一提示信息包括所述目标点的所述位置信息。
69.具体实施时，可以在煤矿还未开采时，记录5号煤层的微震频率。在6号煤层开采后，继续记录5号煤层的微震频率，如果6号煤层开采后，监测到5号煤层的微震频率超过预设阈值，则认为在6号煤层开采过程中发生了超层开采行为，使得5号煤层的微震事件频发，煤层断裂。具体实施时，预设阈值可以是6号煤层未开采时，5号煤层对应的微震频率的130％，具体数值可以根据用户的实际使用需求和应用场景自定义，这里不做具体限定。
70.若目标点的微震频率大于预设阈值，输出煤矿开采超层的第一提示信息。第一提示信息可以以短息、广播或者多种数据的组合形式发送至上位机或者用户所属的终端设
备，用于提示当前煤矿开采工作发生超层的违规行为。其中，第一提示信息包括目标点的位置信息。具体实施时，位置信息的采集可以在煤矿开采前，也可以在目标点确定之后，还可以在“目标点的微震频率大于预设阈值”的判断步骤之后，这里不做进一步限定。
71.在上述实施例的基础上，根据本技术的一种具体实施方式，还提供了一种改进性方案，相对于上述实施方式增设了针对煤矿开采过程中越界情况的监测。具体的，所述煤矿开采监测方法还可以包括：
72.通过第二监测区域对应的合成孔径雷达图像对，得到第二监测区域对应的累计形变量图像，其中，所述累计形变量图像包括多个形变区域；
73.将所述第二监测区域对应的矿权图与所述累计形变量图像进行叠加分析，其中，所述矿权图包括多个授权区域；
74.若任一所述形变区域未完全处于所述授权区域内，将对应的所述形变区域确定为第一目标区域，并输出煤矿开采超界的第二提示信息。
75.具体实施时，煤矿开采的过程中，除了可能会超层开采之外，也可能出现超界开采的情况。超界开采会引起的煤层地层扰动，破坏原本稳定的应力结构造成地层的弯曲、沉降。可以采用合成孔径雷达干涉(i nterferometr i c synthet i c aperture radar,简称i nsar)技术获取各第二监测区域的累计形变量。通过累计形变量套合第二监测区域对应的煤矿开采工作面，分析是否发生越界开采行为。i nsar技术具有全天候，高分辨率、高精度、成本低廉和数据间隔适中的优点。
76.优选地，由于煤矿大多位于野外，没有大量均匀分布的高相干点，可以采取更加适合野外高相干点分布少的sbas-i nsar技术。具体实施时，可以下载免费的sent i ne l数据，以及所需要的外部dem30米分辨率数据，通过sbas-i nsar技术得到第二监测区域的累计形变量。
77.参见图4，图4为本技术实施例提供的一种煤矿开采监测方法涉及的矿权图与累计形变量图像进行叠加分析的示意图。确定第二监测区域的累计形变量之后，可以将第二监测区域对应的矿权图与累计形变量图像进行叠加分析。图4中，黑粗线部分对应的区域为第二监测区域对应的矿权图中的授权区域,如图4中a1所示；阴影部分为第二监测区域对应的累计形变量图像中的形变区域,如图4中b1所示。若第二监测区域对应的累计形变量图像完全位于矿权图中，判定煤矿开采工作没有出现超界开采的不合规行为；任一形变区域未完全处于对应的授权区域内，将对应的形变区域确定为第一目标区域，并输出煤矿开采超界的第二提示信息。
78.上述通过将第二监测区域对应的矿权图与累计形变量图像进行叠加分析的方法，确定的指示煤矿开采是否存在大范围越界情况。对于小范围内的越界情况可能不会准确的显示。因此，将对应的所述形变区域确定为第一目标区域的步骤之后，所述煤矿开采监测方法还包括：
79.将所述累计形变量图像中除所述第一目标区域之外的各形变区域确定为第二目标区域；
80.将所述第二监测区域对应的开采工作面与全部所述第二目标区域叠加分析；
81.若任一所述第二目标区域未完全处于所述开采工作面内，输出煤矿开采超界的第三提示信息。
82.具体实施时，若煤矿开采引起的采煤沉陷区基本都在矿权范围内，并没有发生沉陷区出现在矿权范围以外的情况。为了确定开采工作面与煤矿开采沉降情况，可以进一步分析在每个实施阶段是否发生超出开采工作面的采煤情况。将累计形变量图像中除第一目标区域之外的各形变区域确定为第二目标区域，若任一第二目标区域未完全处于开采工作面内，输出煤矿开采超界的第三提示信息。
83.本技术提供的煤矿开采监测方法，能够监测到地层微小的开裂、断裂等事件的频率和微震源的位置。对比没有开采时，不在开采计划的煤层的微震频率，若开采后的微震频率大于预设阈值，即可确定当前煤层发生超层开采行为并定位其震源位置。通过i nsar时序观测方法，能大范围的长期观测待监测区域的地表沉降情况，获取该区域的地表形变速率、累计形变量。结合对应的煤矿矿权图和开采工作面，可以由大范围到精细化地鉴定煤矿开采引起的地表沉降是否符合计划开采进程和范围。本技术不受煤层地质条件的限制，能实现对煤矿开采的实时准确地监测。
84.与上述方法实施例相对应，参见图5，本发明还提供一种煤矿开采监测装置500，所述煤矿开采监测装置500包括：
85.信号监听模块501，用于监听对应第一监测区域的微震信号，其中，所述微震信号包括所述监测区域内各微震源的发震时刻，以及各微震源对应的微震波传播到所述监测区域中各传感器的观测到时和计算到时；
86.时间残差模块502，用于基于各微震源对应的微震波传播到所述监测区域中各传感器的所述观测到时和所述计算到时，确定最小的时间残差值对应的所述微震源为目标点；
87.频率采集模块503，用于采集所述目标点的微震频率和位置信息；
88.第一输出模块504，用于若所述目标点的微震频率大于预设阈值，输出煤矿开采超层的第一提示信息，其中，所述第一提示信息包括所述目标点的所述位置信息。
89.具体实施时，所述时间残差模块具体应用于：
90.获取微震波从微震源传播至各所述传感器的计算走时；
91.通过公式t
ci
＝t0 t
ti
(ti,s)计算各传感器对应的所述计算到时，其中，t
ci
为第i个所述传感器对应的所述计算到时，i≥1，t0为微震源的发震时刻,t
ti
(ti,s)为第i个所述传感器对应的所述计算走时，ti为第i个所述传感器的传感器参数，s为所述微震源的震源参数。
92.参见图6，图6为本技术实施例提供的一种煤矿开采监测方法装置的模块框图之二。具体实施时，所述煤矿开采监测装置500还包括：
93.形变累计模块505，用于通过第二监测区域对应的合成孔径雷达图像对，得到第二监测区域对应的累计形变量图像，其中，所述累计形变量图像包括多个形变区域；
94.叠加分析模块506，用于将所述第二监测区域对应的矿权图与所述累计形变量图像进行叠加分析，其中，所述矿权图包括多个授权区域；
95.第二输出模块507，用于若任一所述形变区域未完全处于所述授权区域内，将对应的所述形变区域确定为第一目标区域，并输出煤矿开采超界的第二提示信息。
96.本技术提供的煤矿开采监测装置、计算机设备和计算机可读存储介质，能够监测到地层微小的开裂、断裂等事件的频率和微震源的位置。对比没有开采时，不在开采计划的
煤层的微震频率，若开采后的微震频率大于预设阈值，即可确定当前煤层发生超层开采行为并定位其震源位置。通过i nsar技术，能大范围的长期观测待监测区域的地表沉降情况，获取该区域的地表形变速率、累计形变量。结合对应的煤矿矿权图和开采工作面，可以由大范围到精细化地鉴定煤矿开采引起的地表沉降是否符合计划开采进程和范围。本技术不受煤层地质条件的限制，能实现对煤矿开采的实时准确地监测。
97.本技术所提供的煤矿开采监测装置、计算机设备和计算机可读存储介质的具体实施过程，可以参见上述实施例提供的煤矿开采监测方法的具体实施过程，在此不再一一赘述。
98.在本技术所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的装置和方法，也可以通过其它的方式实现。以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，附图中的流程图和结构图显示了根据本发明的多个实施例的装置、方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段或代码的一部分，所述模块、程序段或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意，在作为替换的实现方式中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个连续的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，结构图和/或流程图中的每个方框、以及结构图和/或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或动作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。
99.另外，在本发明各个实施例中的各功能模块或单元可以集成在一起形成一个独立的部分，也可以是各个模块单独存在，也可以两个或更多个模块集成形成一个独立的部分。
100.所述功能如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是智能手机、个人计算机、服务器、或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：u盘、移动硬盘、只读存储器(rom，read-on l y memory)、随机存取存储器(ram，random access memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
101.以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。