[发明专利]一种次声波监测煤岩动力灾害定位方法及定位系统

摘要

本发明公开了一种次声波监测煤岩动力灾害定位方法及定位系统，系统包括监测主站和多个监测子站，监测子站通过光纤网与监测主站连接；监测子站由三角形布置的3个次声波传感器构成，次声波传感器连接次声波监测仪；监测主站设置计算服务器；定位方法是主站计算服务器对采集数据进行滤波处理，通过短时傅立叶变换（STFT）对数据进行时频分析，对比频率能量密度，提取主要频段信号，通过统计分析、时延估计理论，定位计算结果。本系统监测受载煤岩破裂产生的次声波信号，通过该方法对矿山或隧道围岩的应力分布状态进行非接触式、区域性测试，确定煤岩破裂、应力异常区域。方法安装、操作简单，对生产影响较小，且检测范围大，检测距离远。

主权项

1.一种次声波监测煤岩动力灾害定位方法，其特征在于：该定位方法的步骤是：S1、布置次声波监测煤岩动力灾害定位系统，选定需要进行监测的区域并以此为圆心，在选定监测区域地面附近设立一个监测主站和多个监测子站，监测子站三角子阵列排列以接收选定预监测区域的次声波信息并进行信息数据保存，在保存后上传到主站；S2、主站计算服务器接收监测子站的次声波信息数据后，对采集数据进行滤波处理，通过短时傅立叶变换对数据进行时频分析，对比频率能量密度，提取主要频段信号，通过统计分析、时延估计理论，定位计算结果；S3主站计算服务器首先进行滤波处理，选用FIR滤波器，设置滤波器上下限分别为0.01HZ和20HZ；采集和滤波工作面开采前、开采过程中的次声波信号；S4、提取波形特征；分别对工作面开采前、开采过程中的次声波信号进行时频分析，计算频段能量密度；通过短时傅立叶变换，变换公式如下：其中，X( f，t) 为变换后的时频函数；f为频率，单位为Hz；t 为时间，单位为s；f(τ)为滤波去噪后信号；w (τ－t) 为分析窗口；τ 为有限时间，单位为s；其能量密度谱如下：；S5、分析对比；将工作面开采前、开采过程中的次声波信号波形幅值，频率，以及能量密度等特征量进行对比，监测是否有相对较高能量的低频段的信号产生，为监测系统的定位提供依据；S6、时延估计理论定位计算方法针对主要次声波频带进行定位分析；将一组子阵列保存的数据L1进行取样，通过时延估计理论，确定子阵列的传感器两两之间每个取样长度的时延量τ；S7、对τ统计分析，求出正态分布均值μ，选取门限值δ=1/f，采样频率为1000Hz，求解有效时延范围μ‑δ<τ1<μ+δ，提取有效值τ，删除野量，减少误差；S8、三角子阵列接收远处传来的平面波，因此以三角子阵列任意一个传感器为原点，建立平面坐标系，根据有效时延值与阵列的几何构型相结合，确定次声波波源在地面上的投影位置方向；L12、L23、L31为两两传感器的间距，夹角 α、β ，可得波源入射角夹角ϕ；并根据三角阵的几何构型，求取波速v=L12*τ12；S9、重复以上步骤，对各个三角阵进行求取波源入射夹角角ϕ、波速v；并对各个子阵列监测定位结果进行汇总，标注波源位置；S10、次声波监测煤岩动力灾害定位系统对于标注波源位置区域后，做出提示，根据矿井地质图资料，相应的井下区域做出支护设计、灾害预防决策。