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      一種基于時窗的煤礦沖擊地壓震級及震源定位方法與流程

      文檔序號:11229229閱讀:494來源:國知局
      一種基于時窗的煤礦沖擊地壓震級及震源定位方法與流程

      本發(fā)明屬于流數(shù)據(jù)處理領(lǐng)域,特別涉及一種煤礦沖擊地壓震級及震源定位方法設(shè)計,具體涉及一種基于時窗的煤礦沖擊地壓震級及震源定位方法設(shè)計。



      背景技術(shù):

      沖擊地壓是世界范圍內(nèi)煤礦礦井中最嚴重的自然災(zāi)害之一。沖擊地壓發(fā)生時,井下幾米到幾百米的巷道或采煤工作面被瞬間摧毀,如同在煤巖體內(nèi)裝有大量炸藥一樣,煤和巖石突出被拋出,被拋出的煤和巖石從幾噸到幾百噸不等,造成支架折損,巷道堵塞,并伴有巨大聲響和巖體震動,震動持續(xù)時間從幾秒到幾十秒,記錄到的最大震級已超過里氏5級。由于震源淺,沖擊地壓烈度遠大于同級天然地震烈度。隨著計算機和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的迅速發(fā)展,研究煤巖體在變形破壞過程中的應(yīng)力、微震、聲發(fā)射、電磁輻射等前兆信息規(guī)律,通過監(jiān)測、分析井巷和采場附近煤巖體的應(yīng)力變化及微震、聲發(fā)射和電磁輻射活動等前兆信息的多參量動態(tài)變化趨勢,就可以建立沖擊地壓監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)進行預(yù)警預(yù)報和有效防治。

      目前,我國煤礦監(jiān)測沖擊地壓的主要方法有礦壓觀測法、鉆屑法、頂板動態(tài)儀、鉆孔應(yīng)力測量法、電磁輻射法、地音法、微震法、地震ct技術(shù)、電荷感應(yīng)監(jiān)測技術(shù)。從物理本質(zhì)分類,礦壓觀測法、鉆屑法、頂板動態(tài)儀、鉆孔應(yīng)力測量法屬于基于巖石力學(xué)原理的直觀接觸式監(jiān)測方法,主要以監(jiān)測沖擊地壓發(fā)生前圍巖變形、離層、應(yīng)力變化、動力現(xiàn)象等特征為主;而電磁輻射法、地音法、微震法、地震ct技術(shù)、電荷感應(yīng)監(jiān)測技術(shù)屬于地球物理方法。

      現(xiàn)存的煤礦沖擊地壓監(jiān)測方法主要有以下幾個方面的不足:電磁輻射法和電荷感應(yīng)監(jiān)測技術(shù)主要是測量煤巖體內(nèi)應(yīng)力集中程度,地震ct技術(shù)是通過聲發(fā)射來反演煤巖體內(nèi)的應(yīng)力分布圖像,幾種方法監(jiān)測效果準(zhǔn)確,但實時性不足,計算震級及定位震源方法復(fù)雜;而地音監(jiān)測法和微震監(jiān)測法都是的監(jiān)測煤巖破裂時的震動效應(yīng),區(qū)別在于各自接收震動事件的頻率范圍不同,地音接收高頻低能事件,而微震接收低頻高能事件,兩者具有較好的前景,但目前的實際應(yīng)用中,由于不能因地制宜的進行部署及監(jiān)測,導(dǎo)致對沖擊地壓災(zāi)害的監(jiān)測準(zhǔn)確度較低。因此,設(shè)計一種實時有效的煤礦沖擊地壓震級及震源定位方法,對煤礦沖擊地壓災(zāi)害的監(jiān)測以及預(yù)警有著重要意義。



      技術(shù)實現(xiàn)要素:

      為了解決現(xiàn)有煤礦沖擊地壓監(jiān)測手段的不足,本發(fā)明提供一種基于時窗的煤礦沖擊地壓震級及震源定位方法,能夠有效地進行沖擊地壓災(zāi)害的快速定位及災(zāi)害分級。

      本發(fā)明采用的技術(shù)方案是:設(shè)計并實現(xiàn)了一種有效的基于時窗的煤礦沖擊地壓震級及震源定位方法。首先,構(gòu)建底層數(shù)據(jù)處理模塊階段,采用對多路高頻傳感器采集的數(shù)據(jù)進行分類及規(guī)格化處理,將感知數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為煤礦沖擊地壓微震data數(shù)據(jù)及gps數(shù)據(jù)。其次,提出采用基于時窗的煤礦沖擊地壓震源定位方法以及基于時窗的煤礦沖擊地壓震級計算方法,通過底層數(shù)據(jù)處理模塊轉(zhuǎn)換后的data數(shù)據(jù)及gps數(shù)據(jù)計算礦山?jīng)_擊地壓微震數(shù)據(jù)的長短時窗,根據(jù)時窗計算震源坐標(biāo)及沖擊地壓的震級信息,并通過圖形化界面顯示煤礦沖擊地壓震級及震源定位的計算結(jié)果。

      本發(fā)明的步驟如下:

      步驟1構(gòu)建底層數(shù)據(jù)處理模塊。通過對多路高頻傳感器采集的數(shù)據(jù)進行分類及規(guī)格化處理,將感知數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為煤礦沖擊地壓微震data數(shù)據(jù)及gps數(shù)據(jù)。

      高頻信號采集器的存儲數(shù)據(jù)為實時動態(tài)追加,如果每次讀取全部數(shù)據(jù),則會產(chǎn)生大量重復(fù)的冗余數(shù)據(jù),且會極大的增加網(wǎng)絡(luò)傳輸帶寬,故底層數(shù)據(jù)處理模塊在規(guī)格化處理時需要以相同頻率進行增量式數(shù)據(jù)處理。同時,由于感知數(shù)據(jù)為專用格式,包含gps數(shù)據(jù)與data數(shù)據(jù)兩種類型,無法直接讀取使用。故需將其通過二進制流的形式轉(zhuǎn)化為可讀數(shù)據(jù),并進行分類,分別對gps數(shù)據(jù)與data數(shù)據(jù)進行規(guī)格化處理。

      其中,data數(shù)據(jù)包含7個通道,其中,1,2,3通道為一組,代表x,y,z三個方向上采集的沖擊地壓微震數(shù)據(jù)的分量,信號增益放大倍數(shù)為16倍;4,5,6通道為一組,同樣為x,y,z三個方向上采集的沖擊地壓微震數(shù)據(jù)的分量,但信號增益放大倍數(shù)為64倍;7通道數(shù)據(jù)為時間數(shù)據(jù)。

      步驟2采用基于時窗的煤礦沖擊地壓震源定位方法,通過data數(shù)據(jù)及gps數(shù)據(jù)計算長短時窗,根據(jù)時窗計算震源坐標(biāo)。

      步驟2-1計算長、短時窗的平均振幅

      讀取規(guī)格化數(shù)據(jù),已知一段信號中各傳感器坐標(biāo)為(x1,y1,z1)---(xn,yn,zn),取長時窗與短時窗,長時窗起點為信號的起點,由采樣頻率確定,50ms內(nèi)含的點個數(shù)即為長時窗所包含的點數(shù)n1,短時窗的起點為長時窗終點,包含10ms的采樣點個數(shù)n2,長、短時窗的平均振幅a長、a短。

      步驟2-2判斷傳感器激發(fā)

      在此階段,將步驟2-1中的長、短時窗結(jié)算結(jié)果進行除操并進行數(shù)值判斷,如果且這樣的激發(fā)在10s內(nèi)出現(xiàn)在4個以上的傳感器中,則認定發(fā)生煤礦沖擊地壓災(zāi)害,記錄每個被激發(fā)傳感器短時窗終止點時刻ti,并儲存每個傳感器在該時刻前5s與后5s的振幅數(shù)據(jù)。

      步驟2-3煤礦沖擊地壓震源定位

      在煤礦沖擊地壓震源定位階段,根據(jù)步驟2-2中得到的各被激發(fā)的傳感器到時ti與坐標(biāo)計算震源坐標(biāo)。按照個(k為被激發(fā)的傳感器個數(shù))可能排列組合分別計算震源坐標(biāo)。公式如下:

      ……

      求出方程組的解集(xi,yi,zi,ti),故震源坐標(biāo)包含經(jīng)度、緯度、海拔以及時間4個元素,取種排列組合的平均值,得(x,y,z,t)。

      步驟3采用基于時窗的煤礦沖擊地壓震級計算方法,通過震源坐標(biāo)與傳感器各自的震中距r,計算各個傳感器的平均震級。

      步驟3-1最大振幅計算

      取10s時窗內(nèi),5通道的絕對值最大的數(shù)值v,令最大值v對應(yīng)的時間為a;找到最大值后面第一個數(shù)值為0的點,該點對應(yīng)的時間為b,得南北方向振幅計算公式如下所示:

      an=[v*0.0000238*sin(2πb/4(b-a)+π/2)+v*0.0000238*sin(2πa/4(b-a)+π/2)]*(b-a)/2

      取10s時窗內(nèi),4通道的絕對值最大的數(shù)值v’,令最大值v’對應(yīng)的時間為a’;找到最大值后面第一個數(shù)值為0的點,該點對應(yīng)的時間為b’,通過公式變換,得東西方向振幅計算公式如下所示:

      ae=[v′*0.0000238*sin(2πb′/4(b′-a′)+π/2)+v′*0.0000238*sin(2πa′/4(b′-a′)+π/2)]*(b′-a′)/2

      最大振幅為通過公式變換,可得:

      a最大振幅=[an/64+ae/64]/2

      其中,如果4通道及5通道的沖擊地壓微震信號數(shù)值超出[32767,-32768]范圍,則需要采用1,2通道的微震數(shù)據(jù)代替4,5通道。由于1,2通道與4,5通道采集的增益放大倍數(shù)不同,故公式變?yōu)椋篴最大振幅=[an/16+ae/16]/2。

      步驟3-2煤礦沖擊地壓震級計算

      根據(jù)步驟2-3中求得的震源坐標(biāo)與傳感器坐標(biāo)計算各自的震中r距,分別計算起震函數(shù)rδ與震級ml。震級計算公式為:ml=lg(a最大振幅)+rδ,rδ采用線性插值的方式,數(shù)值對應(yīng)關(guān)系如下表所示:

      求得各傳感器的震級ml(i)后,取平均值為震級

      步驟4圖形化顯示煤礦沖擊地壓震級及震源定位的計算結(jié)果。

      可視化顯示包括震級顯示和震源定位顯示。其中,顯示程序周期性讀取震級及震源定位信息的處理結(jié)果,以10條結(jié)果為一個處理單位,例,當(dāng)系統(tǒng)開始運行產(chǎn)生10條數(shù)據(jù)時,發(fā)送給前臺顯示數(shù)據(jù)1-10,當(dāng)系統(tǒng)運行產(chǎn)生11條數(shù)據(jù)時,發(fā)送給前臺顯示數(shù)據(jù)2-11,以此類推。

      震級采用數(shù)據(jù)表與折線圖的雙重顯示方式,折線圖中x軸表示時間,y軸表示震級,形成震級隨時間的一個漸進變化關(guān)系,并采用異步刷新的方式實時顯示;震源定位信息依托地圖進行顯示,可實現(xiàn)動態(tài)加載示意圖與衛(wèi)星圖切換顯示。

      本發(fā)明的有益效果:本發(fā)明基于目前效果較好的微震感知數(shù)據(jù)進行設(shè)計,提出利用時窗的方式進行監(jiān)測,將監(jiān)測的時間范圍限制在長短時窗的50ms和10ms范圍內(nèi),相比已有的地音、電磁輻射、地震ct等方法,在保證準(zhǔn)確率的同時更注重沖擊地壓監(jiān)測的時效性,計算效率更高,能夠在更短的時間內(nèi)得到震級信息及定位信息并顯示,為后續(xù)災(zāi)害恢復(fù)工作的實時展開提供更有力的支持。同時,由于方法采用b/s架構(gòu)設(shè)計,圖形界面顯示,方便監(jiān)控人員更快上手使用,可實現(xiàn)多監(jiān)控人員多地點共同監(jiān)測,更有利于發(fā)現(xiàn)潛在的煤礦沖擊地壓隱患。

      附圖說明

      圖1本發(fā)明gps文件處理過程流程圖,

      圖2本發(fā)明data文件處理過程流程圖,

      圖3本發(fā)明底層數(shù)據(jù)處理模塊處理過程示意圖,

      圖4本發(fā)明底層數(shù)據(jù)處理模塊輸出文件目錄結(jié)構(gòu)示意圖,

      圖5本發(fā)明系統(tǒng)功能架構(gòu)圖示意圖,

      圖6本發(fā)明基于時窗的煤礦沖擊地壓震級及震源定位方法整體流程圖,

      圖7本發(fā)明后臺處理模塊震源定位及震級計算方法流程圖,

      圖8本發(fā)明后臺處理模塊文件輸出目錄結(jié)構(gòu)示意圖,

      圖9本發(fā)明實施例的前臺顯示界面數(shù)據(jù)讀取示意圖。

      具體實施方式

      結(jié)合附圖對本發(fā)明做進一步描述:

      為了驗證本發(fā)明基于時窗的煤礦沖擊地壓震級及震源定位方法的性能,作為本發(fā)明的一個實例,我們在集賢煤礦真實數(shù)據(jù)平臺上進行測試。這個平臺采用物聯(lián)網(wǎng)四層體系結(jié)構(gòu)構(gòu)建整個物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng),分為內(nèi)網(wǎng)互聯(lián)與外網(wǎng)互聯(lián)兩種方式,四層體系結(jié)構(gòu)分別為感知層、支撐層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層。

      感知層由三向微震監(jiān)測傳感器與gps模塊構(gòu)成。三向微震監(jiān)測傳感器分布在整個礦山的5個主要位置,埋入地面兩米以下且嚴格的防水防塵,并與多倍信號增益器采以有線的方式連接。gps模塊實現(xiàn)衛(wèi)星授時功能,與前端采集器采用有線的方式連接,實時修正感知數(shù)據(jù)的時間序列。支撐層由多倍信號增益器與前端采集器構(gòu)成。由于傳感器采集的數(shù)據(jù)為礦山微震感知數(shù)據(jù),能量比較弱,故使用多倍信號增益器在x,y,z三個方向?qū)π盘栠M行增益處理,與前端采集器采用有線的方式連接。前端采集器接收增益感知數(shù)據(jù)與gps授時數(shù)據(jù),實時對信號進行存盤處理,并建立數(shù)據(jù)索引以供后續(xù)數(shù)據(jù)查詢處理。同時,前端采集器通過300m無線路由器與前端多倍網(wǎng)橋無線對接。網(wǎng)絡(luò)層由300m無線路由器與多倍無線網(wǎng)橋構(gòu)成。無線路由器與前端采集器無線連接,采用ap點對點模式防止人為信號干擾,以固定ip的方式實現(xiàn)內(nèi)網(wǎng)與外網(wǎng)的互聯(lián)操作。多倍無線網(wǎng)橋兩個為一組,分為中心端與前端。每組網(wǎng)橋的中心端與前端為一一對應(yīng)模式,避免網(wǎng)橋之前的內(nèi)部干擾及其他人為干擾。在傳輸路徑無遮擋的情況下,網(wǎng)橋無線傳輸支持3公里的直線距離。應(yīng)用層由中心機服務(wù)器與遠端hadoop集群構(gòu)成。中心機服務(wù)器與中心網(wǎng)橋有線連接,支持5個地點的任意窗口查詢操作,并對采集的微震感知數(shù)據(jù)進行實時監(jiān)控、震級計算、震源坐標(biāo)定位及可視化顯示。

      下面集合附圖給出本發(fā)明的一個實例:

      (1)感知層部署的三向高頻微震監(jiān)測傳感器分布在整個礦山的5個主要位置,以每秒10000條微震感知數(shù)據(jù)頻率進行采集,并以追加的方式存儲在前端采集器中。

      如圖1所示,底層數(shù)據(jù)處理模塊首先在礦山物聯(lián)網(wǎng)組網(wǎng)內(nèi)分別讀取5個地點的gps授時數(shù)據(jù),并進行判斷,查找其中最新的數(shù)據(jù)。讀取數(shù)據(jù)信息并進行規(guī)格化處理,將專用格式的感知數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為可讀取數(shù)據(jù)。

      圖2所示為本發(fā)明提出的data文件處理的執(zhí)行過程。如圖3所示,data文件由數(shù)據(jù)文件頭、通道信息、數(shù)據(jù)段頭以及數(shù)據(jù)段4個部分的信息組成,其中,數(shù)據(jù)文件頭及通道信息為每次生成文件時產(chǎn)生一次,數(shù)據(jù)段頭及數(shù)據(jù)段信息為循環(huán)追加。因此,底層數(shù)據(jù)處理模塊首先在組網(wǎng)內(nèi)查找傳感器感知到的最新data文件,然后讀取文件頭和通道信息。由于數(shù)據(jù)段頭和數(shù)據(jù)信息不斷追加產(chǎn)生,故模塊需以數(shù)據(jù)增量的方式進行循環(huán)讀取并進行規(guī)格化處理。

      (2)為每個微震監(jiān)測傳傳感器構(gòu)建文件目錄,包含gps文件和data文件,并統(tǒng)一生成到中心機服務(wù)器,以便能夠有效地支撐后臺計算模塊進行處理。

      圖4給出了底層數(shù)據(jù)處理模塊生成文件的目錄結(jié)構(gòu)。如圖所示,模塊為5個微震監(jiān)測傳傳感器分別生成一份獨立的文件目錄,每個目錄下都包含已規(guī)格化好的gps文件數(shù)據(jù)以及data文件數(shù)據(jù)。同時,通過對第7通道數(shù)據(jù)進行時間歸一化處理,確保5個傳感器內(nèi)的規(guī)格化數(shù)據(jù)都擁有相同的時間戳。

      (3)沖擊地壓震級及震源定位

      圖5、6分別為本發(fā)明系統(tǒng)功能架構(gòu)圖示意圖以及基于時窗的煤礦沖擊地壓震級及震源定位方法整體流程圖。如圖所示,底層數(shù)據(jù)處理模塊將專用數(shù)據(jù)格式處理好后,生成可讀取的文件傳遞給后臺震級及震源定位計算模塊進行核心計算處理,分為沖擊地壓震源定位計算和沖擊地壓震級計算。下面分別進行說明:

      ●基于時窗的煤礦沖擊地壓震源定位方法

      后臺震級及定位計算模塊以相同的頻率獲取規(guī)格化數(shù)據(jù)。如圖7所示,設(shè)置10s為一個時窗單位,模塊每次讀取10秒時窗的data文件,共10萬條數(shù)據(jù)。計算長短時窗的平均振幅:

      由于發(fā)生礦山?jīng)_擊地壓的頻度較低,且規(guī)模過小的沖擊地壓加入計算會大幅增加中心機服務(wù)器的計算負擔(dān),降低處理效率,故根據(jù)實地情況,本發(fā)明提出的方法只當(dāng)并且5個傳感器同時被激發(fā)時進行震級及定位計算。存儲時窗前后5秒的數(shù)據(jù),求出方程組的解集(xi,yi,zi,ti):

      ……

      x,y,z分別為發(fā)生沖擊地壓的震源精度、維度及海拔數(shù)據(jù)。由于傳感器數(shù)量為5,即k=5,故無需求均值,方程組解集即為震源坐標(biāo)。

      ●基于時窗的煤礦沖擊地壓震級計算方法

      震級計算公式為:ml=lg(a最大振幅)+rδ,故先要得到10秒時窗內(nèi)感知數(shù)據(jù)的最大振幅。最大振幅為:其中,a,b分別代表一次最大波峰(或波谷)到波峰(或波谷)對應(yīng)的值,v為最大波峰(或波谷)對應(yīng)值的絕對值。通過微積分公式轉(zhuǎn)換后,a最大振幅=[an/64+ae/64]/2,計算方法如下:

      取10s時窗內(nèi),第5通道的絕對值最大的數(shù)值v,令最大值v對應(yīng)的時間為a;找到最大值后面第一個數(shù)值為0的點,該點對應(yīng)的時間為b,則南北方向振幅計算公式如下所示:

      an=[v*0.0000238*sin(2πb/4(b-a)+π/2)+v*0.0000238*sin(2πa/4(b-a)+π/2)]*(b-a)/2

      取10s時窗內(nèi),第4通道的絕對值最大的數(shù)值v’,令最大值v’對應(yīng)的時間為a’;找到最大值后面第一個數(shù)值為0的點,該點對應(yīng)的時間為b’,則東西方向振幅計算公式如下所示:

      ae=[v′*0.0000238*sin(2πb′/4(b′-a′)+π/2)+v′*0.0000238*sin(2πa′/4(b′-a′)+π/2)]*(b′-a′)/2

      求得5個傳感器的震級ml(i)后,取平均值為震級

      (4)前臺可視化交互顯示模塊

      本發(fā)明后臺處理模塊文件輸出目錄結(jié)構(gòu)示意圖如圖8所示,5個三向高頻微震監(jiān)測傳感器的震級及震源定位數(shù)據(jù)相互獨立存儲于中心及服務(wù)器。前臺可視化交互顯示模塊以相同的頻率讀取文件數(shù)據(jù),如圖9所示,當(dāng)系統(tǒng)開始運行產(chǎn)生10條數(shù)據(jù)時,發(fā)送給前臺顯示數(shù)據(jù)1-10,當(dāng)系統(tǒng)運行產(chǎn)生11條數(shù)據(jù)時,發(fā)送給前臺顯示數(shù)據(jù)2-11,以此類推。

      震級采用數(shù)據(jù)表與折線圖的雙重顯示方式,折線圖使用e-charts技術(shù)進行構(gòu)造,其中x軸表示時間,y軸表示震級,形成震級隨時間的一個漸進變化關(guān)系,并采用異步刷新的方式實時顯示;震源定位信息依托百度地圖api接口進行顯示,可實現(xiàn)動態(tài)加載示意圖與衛(wèi)星圖切換顯示。

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