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基于MATLAB的礦震中心定位系統(tǒng)研究

2021-08-10 00:49紀(jì)曉雨張俊麗濰坊職業(yè)學(xué)院山東濰坊261000
安徽建筑 2021年7期
關(guān)鍵詞:檢波器煤礦精度

紀(jì)曉雨,張俊麗 (濰坊職業(yè)學(xué)院,山東 濰坊 261000)

0 前言

煤炭在國內(nèi)能源供應(yīng)中占據(jù)主要地位,但隨著煤礦開采程度的不斷加深,淺中層煤礦已呈現(xiàn)出逐漸枯竭的態(tài)勢。中層煤礦、深層煤礦正在逐漸成為供應(yīng)煤炭的主要力量。但中、深層煤礦的開采,除了解決開采中的結(jié)束問題,也帶來一系列淺層煤礦開采中沒有出現(xiàn)的生產(chǎn)安全問題:礦震。隨著煤礦采深的加大,煤礦開采面的地層壓力也隨著開采深度急劇增大,導(dǎo)致在淺層煤礦開采過程中原本很少發(fā)生的礦震變得頻繁出現(xiàn),原本低強(qiáng)度的礦震也開始變成中、高強(qiáng)度礦震。尤其近年來,更是有越來越多因礦震造成的安全事故頻繁出現(xiàn),煤礦礦震給煤礦造成的人員和財(cái)產(chǎn)損失也在逐年增加。礦震已成為深層煤礦開采中不可忽視的安全問題之一。為了能夠最大程度的對礦震進(jìn)行預(yù)測和監(jiān)管,將礦震危害降到最低,及時、準(zhǔn)確地對礦震中心進(jìn)行定位就成為監(jiān)測礦震的重要手段。

所有開采煤礦的國家都有礦震出現(xiàn)的記錄,隨著科技的發(fā)展,礦震監(jiān)測從理論到技術(shù)都有著極大的發(fā)展和進(jìn)步。相比于國際,國內(nèi)的礦震監(jiān)測起步晚,發(fā)展也比較緩慢,直至20世紀(jì)80年代后才漸入發(fā)展的快車道,國內(nèi)也出現(xiàn)了自主的礦震監(jiān)測系統(tǒng),如:姜福興的BMS監(jiān)測系統(tǒng)。傳統(tǒng)的礦震監(jiān)測已經(jīng)能夠準(zhǔn)確捕捉礦震在地層中的傳播信號,但在解算礦震中心坐標(biāo)時仍會出現(xiàn)解算誤差較大,解算速度慢等缺點(diǎn),并且對于位于較偏遠(yuǎn)位置的礦震的定位誤差極大,僅能夠用于小范圍區(qū)域的礦震監(jiān)測。且監(jiān)測精度極易受到地質(zhì)構(gòu)造影響,尤其對于較復(fù)雜地質(zhì)結(jié)構(gòu),礦震的定位精度會極大降低。

傳統(tǒng)礦震定位方法是根據(jù)礦震波在地層中的傳播規(guī)律來進(jìn)行定位的,即根據(jù)礦震波(一般采用P波)傳播到不同傳感器的時間不同來確定礦震中心坐標(biāo)的方法。假設(shè)在開采面或巷道中布設(shè)了i個檢波器,當(dāng)?shù)V震波傳播到傳感器時,就會觸發(fā)檢波器記錄下接收到礦震波到達(dá)檢波器的時刻,根據(jù)到時不同理論,若檢波器礦震中心坐標(biāo)為 O(X,Y,Z),t時刻代表礦震發(fā)生的時刻,t代表第i個傳感器接收到礦震波時刻,L代表礦震發(fā)生點(diǎn)到監(jiān)測器i的距離:

由Geiger定位法,

就可以利用已知的幾個參數(shù)和最小二乘法則來得到礦震中心坐標(biāo)的最或然值O(X,Y,Z),利用這種方法進(jìn)行定位時,需要提前利用原位爆破方法來預(yù)知礦震波在地層中的傳播速度,以及各檢波器空間坐標(biāo)。

1 基于MATLAB的礦震中心定位方法

傳統(tǒng)礦震中心定位方法有兩種較明顯缺點(diǎn):

①若礦震發(fā)生在較為偏遠(yuǎn)的地區(qū),則由于地質(zhì)復(fù)雜等原因,將導(dǎo)致實(shí)際礦震波的傳播速度與預(yù)先測得的速度相差較大,最終定位結(jié)果也將出現(xiàn)較大誤差;

②預(yù)先測量的速度本身存在一定誤差,導(dǎo)致依賴預(yù)先測速的后續(xù)計(jì)算也將出現(xiàn)較大誤差。對此,利用測邊網(wǎng)定位法來解決整個對于礦震中心的定位解算過程。

1.1 測邊網(wǎng)定位原理

測邊網(wǎng)定位是通過利用已預(yù)先精確測得坐標(biāo)的控制點(diǎn),將已知點(diǎn)與待求點(diǎn)連接起來,形成由眾多空間三角形組合的測邊網(wǎng),在這個網(wǎng)形中,利用空間距離公式列出待求方程組,進(jìn)而將方程組解算即可求得待求點(diǎn)空間坐標(biāo)。測邊網(wǎng)示意圖,如圖1所示。

圖1 測邊網(wǎng)示意圖

1.2 礦震定位參數(shù)解算

礦震發(fā)生時,周圍已經(jīng)布設(shè)了一定數(shù)量的檢波器,檢波器坐標(biāo)需提前精確測定,作為已知點(diǎn)使用。礦震波在地層中傳播,會在不同的時刻經(jīng)過各個檢波器,此時,檢波器就會記錄下礦震波經(jīng)過時的時刻。

由空間距離公式:

當(dāng)?shù)V震中心周圍的檢波器足夠多時,就會得到足夠多的獨(dú)立方程,我們以此建立方程組即可將相關(guān)參數(shù)解算出來,即把礦震中心坐標(biāo)O(X,Y,Z)和礦震波的傳播速度V和礦震發(fā)生的初始時刻t解算出來,但在實(shí)際情況中,由于檢波器捕捉時刻誤差,已知點(diǎn)坐標(biāo)誤差等原因,導(dǎo)致解算數(shù)據(jù)結(jié)果并不理想,我們利用平差原理,建立誤差方程組,再利用泰勒級數(shù)展開,得誤差方程,然后解算改正值,利用前面得到的參數(shù)值作為初始值再次代入誤差方程,逐次迭代計(jì)算直至得到滿意結(jié)果。

部分事件定位結(jié)果 表1

部分事件定位結(jié)果精度 表2

1.3 MATLAB算法流程

利用MATLAB強(qiáng)大的矩陣運(yùn)算功能,不僅可以將復(fù)雜的礦震監(jiān)測數(shù)據(jù)解算簡化,而且能夠極大提升數(shù)據(jù)解算速度,為此,利用MATLAB編制程序來優(yōu)化礦震中心坐標(biāo)及其他參數(shù)的解算過程。

當(dāng)有礦震事件發(fā)生時,檢波器檢測到礦震信號,將信號直接發(fā)送系統(tǒng)中計(jì)算出初始值,接著對初始值正確性進(jìn)行檢驗(yàn),若無問題,對區(qū)域參數(shù)進(jìn)行微調(diào)以進(jìn)一步增大數(shù)據(jù)精度,接著開始迭代計(jì)算,得出結(jié)果后,將結(jié)果進(jìn)行誤差評定和檢核,最后在系統(tǒng)中實(shí)時輸出,系統(tǒng)算法流程圖,如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)算法流程圖

2 工程實(shí)例

以山東省滕州市的田陳礦為例,田陳礦于1989年建成投產(chǎn),現(xiàn)年設(shè)計(jì)出煤能力約為120萬t,建礦16年來,共生產(chǎn)原煤2010萬t,掘進(jìn)總進(jìn)尺27萬m。

在以往的監(jiān)測中,由于開采面是應(yīng)力破壞最嚴(yán)重的和應(yīng)力變化最快的區(qū)域,絕大部分礦震事件均發(fā)生在開采面附近,所以檢波器會以開采面為中心,盡可能均勻地分布在開采面周圍,采區(qū)共布設(shè)有6個檢波器,這里采用2020年10月7日至2020年10月17日之間的某些代表性礦震事件為例,進(jìn)行定位運(yùn)算。檢波器示意圖,如圖3所示。

圖3 檢波器位置示意圖

由于外界環(huán)境干擾、檢波器本身精度等問題,為了避免出現(xiàn)某個數(shù)值精度過低影響結(jié)果的問題,在進(jìn)行計(jì)算前,先對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理,優(yōu)先選用事件記錄清楚、讀數(shù)準(zhǔn)確、位置良好的檢波器數(shù)據(jù),剔除掉不符合要求的數(shù)據(jù)。將合格的觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算處理,部分礦震事件結(jié)果,見表1所示。

以上為系統(tǒng)隨意選用6組合格數(shù)據(jù)進(jìn)行迭代計(jì)算得到的最優(yōu)結(jié)果,再對結(jié)果進(jìn)行誤差分析,利用單位權(quán)中誤差對定位結(jié)果進(jìn)行精度評定

評定結(jié)果,見表2所示。

上述結(jié)果表明,系統(tǒng)在對觀測合格的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理時,可以在不進(jìn)行原位爆破試驗(yàn)的前提下,對礦震中心的空間坐標(biāo)進(jìn)行快速解算。但最終解算精度(包括礦震傳播速度)受觀測數(shù)據(jù)精度影響極大,并且相對于其他定位系統(tǒng),定位結(jié)果精度未得到提升。

3 結(jié)語

基于MATLAB的礦震定位系統(tǒng)相比于傳統(tǒng)礦震定位系統(tǒng),能夠做到快速對礦震中心進(jìn)行定位解算,解算過程更加簡單、高效。目前大部分礦震監(jiān)測需要提前進(jìn)行原位爆破,實(shí)驗(yàn)以確定礦震在地層中的傳播速度,采用基于MAT?LAB的礦震定位系統(tǒng)可以自行解算傳播速度,為不能或不方便進(jìn)行原位爆破實(shí)驗(yàn)的區(qū)域提供了極大便利,解算結(jié)果精度與點(diǎn)位定位精度相同,均取決于原始觀測數(shù)據(jù)的精度。提升檢波器精度和精確擬合地層模型,可以極大提升觀測精度,綜上所述,基于MATLAB的礦震定位系統(tǒng)雖然不能提升礦震定位精度,但解算過程更加簡單、高效,為礦震定位系統(tǒng)的發(fā)展提供了有益借鑒。

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