[发明专利]煤矿开采过程中底板突水预警系统及方法

摘要

一种煤矿开采过程中底板突水预警系统及方法，其属于矿井水文地质和采矿工程领域。该预警系统包括微震监测系统、数值计算系统、虚拟现实系统、网络传输系统和预警预报分析中心。微震监测系统中传感器网络的空间阵列布置是影响微震监测数据可靠性和有效性的关键，减小了震源定位误差。在虚拟的三维地质环境中，地质体的显示可以更为直观、清晰、准确，更有助于分析人员深刻地认识和分析工程区地质体的形成、演变和发展；对于进一步揭示隐伏地质构造的几何形态，判断断层运动规律，弄清地层接触关系，深入研究地学规律，都有启发和帮助。通过微震监测数据、应力分析结果以及三维地质力学模型的无缝连接与显示，实现对底板突水的实时监测和预警。

主权项

1.煤矿开采过程中底板突水预警系统，其特征在于：该系统包括微震监测系统、网络传输系统、虚拟现实系统、数值计算分析系统和预警预报分析中心；所述微震监测系统用于现场24小时连续采集微震数据,并且监视微震监测系统是否正常运行，所述微震数据包括对开采过程中采场围岩受应力扰动损伤、破坏、结构面活化过程中能量、时空位置信息的定位；微震监测系统包括微震监测硬件和微震监测软件；微震监测硬件包括微震监测设备、现场数据控制中心和远程数据分析中心；所述网络传输系统用于微震监测设备将采集到的微震数据通过GPRS网络及时发送到远程数据分析中心的服务器，实现对微震数据的及时管理和分析；现场数据控制中心计算机采用固定的IP地址或固定的域名，各个数据采集点采用GPRS模块通过IP地址或域名来访问该主机，进行数据通信；现场数据控制中心服务器通过RS232接口与HIT GPRS DTU终端相连，现场监控点服务器将微震监测点采集到的数据通过数据传输模块，将数据进行处理、协议封装后发送到GPRS无线网络；现场数据控制中心服务器采集的数据经GPRS/GSM网络空中接口功能模块同时对数据进行解码处理，转换成在公网数据传送的格式，通过中国移动的GPRS无线数据网络进行传输，最终传输到远程数据分析中心IP地址上；远程数据分析中心服务器采用公网方式接入Internet，实现中小容量的数据采集应用和GPRS远程无线传输拓扑；所述虚拟现实系统用于对整个采矿过程的三维虚拟显示，包括工作面推进、工作面推进过程中围岩的应力变化、声发射或微震的三维空间分布；所述数值计算分析系统用于对地质力学模型进行计算分析，对采动诱发的高应力区进行模拟分析与预测，实现与微震数据的互馈分析，初步标定对突水危险区域；所述预警预报分析中心综合分析微震监测系统、网络传输系统、虚拟现实系统、数值计算分析系统的结果，建立基于微震监测和数值模拟的煤矿底板突水预警方法，实形成基于微震监测和数值模拟的实时煤矿底板突水危险性系统；所述微震监测设备包括检波型传感器、配有电源并具备信号波形修整功能的Paladin传感器接口盒、Paladin地震记录仪、Paladin主控时间服务器、软件运行监视卡Watch‑Dog；微震监测软件包括用于信号实时采集与记录的Paladin标准版监测系统配备HNAS软件、用于事件的三维可视化的SeisVis软件、用于波形处理及事件重新定位的WaveVis软件、用于震源参数计算的ProLib软件、Spectr波谱分析软件、用于数据过滤及报告生成的DBEidtor软件、用于数据存档的Achiever软件、用于远程网络传输与三维可视化MMS‑View软件；所述网络传输系统包括网络传输硬件和网络传输软件，网络传输硬件包括GPRS MODEM、15pin转9pin+4pin电话语音的RS‑232电缆、天线、 供电仙韵稍匹配器；网络传输软件包括用户手册及软件序列号；所述虚拟现实系统包括虚拟现实硬件和虚拟现实软件；虚拟现实硬件包括主动立体投影机、立体眼镜、红外线信号发射器、画面融合矫正机、两面墙投影幕及机械结构、交换机、零中断电源控制机、线材、G‑Motion光学追踪摄像头、图形管理工作站、四台图形渲染工作站；虚拟现实软件包括G‑Motion光学追踪软件、RFPA虚拟现实接口程序、DVS3D虚拟现实显示及交互软件；所述数值计算分析系统包括数值计算分析硬件和数值计算分析软件；数值计算分析硬件为计算机，数值分析软件包括用于微震数据显示的MMS‑View显示系统、用于局部二维地质力学模型的应力场、渗流场分析的RFPA‑2D流固耦合分析版和用于整体三维地质力学模型的应力场、渗流场分析的RFPA‑3D流固耦合分析版；所述微震监测系统用于现场24小时连续采集微震数据,并且监视微震监测系统是否正常运行；所述网络传输系统用于传输微震监测设备将采集到的微震数据；所述虚拟现实系统用于对显示采矿过程中工作面推进、工作面推进过程中围岩的应力变化、微震的三维空间分布；所述数值计算分析系统用于对地质力学模型进行计算分析，对采动诱发的高应力区进行模拟分析与预测，实现与微震数据的互馈分析；所述预警预报分析中心基于微震监测和数值模拟的煤矿底板突水预警方法，形成基于微震监测和数值模拟的实时煤矿底板突水危险性系统；所述煤矿开采过程中底板突水预警系统通过所述微震监测采集系统采集开采过程中采场围岩受应力扰动损伤、破坏、结构面活化过程中所产生的时间、空间位置和能量信息；并通过所述网络传输系统传输至所述虚拟现实系统和所述数值计算分析系统；所述虚拟现实系统，基于微震信息对采矿过程中引起围围岩的损伤和破坏现状进行三维展示；所述数值计算分析系统，通过将微震数据转化为损伤变量，从而导致岩体参数的折减，实现与微震数据的互馈分析，确定现阶段采矿引起的围岩应力分布和岩体损伤破坏区域的空间分布情况的现状；根据工作面的采掘计划，所述数值计算分析系统预测未来的围岩应力分布和岩体损伤破坏区域的空间分布情况，并将预测结果反馈至所述虚拟现实系统，进行三维显示；所述预警预报分析中心基于至所述虚拟现实系统的三维显示，并采用煤矿底板突水预警方法对工作面的突水危险性进行预报预警。