1.本发明涉及一种深部巷道掘进矿山地震波监测及超前应力快速探测的方法，尤其适用于部矿井开采动力灾害监测技术领域。
背景技术：2.近年来，煤矿向深部开采已成为一种趋势，而深部开采极易引起冲击地压、煤与瓦斯突出等动力灾害，严重威胁着井下作业人员人身安全，给矿井安全开采带来巨大的挑战。当前对于深部巷道掘进、工作面回采期间冲击地压的有效防治主要是采用科学的监测预警方法和合理的卸压解危手段，而冲击地压监测重点从区域监测、局部监测和点监测三方面着手，三者相互补充、相互协同。深部动压巷道掘进期间主要采用微震、应力在线、电磁辐射、声发射、钻屑等监测方法，主要对掘进迎头周边及后方的应力进行有效监测，而掘进迎头前方主要施工超前钻屑孔进行应力监测，未做到实时监测。
3.目前矿井深部开采下巷道掘进迎头超前应力及周边应力的分布状态由于不能快速、实时、准确的探测，使得动压巷道掘进期间不能及时、有效分析掘进迎头超前应力分布规律和应力迁移规律，掘进巷道时刻面临着冲击危险的难题，威胁井下作业人员人身安全，给巷道安全掘进带来巨大的挑战。
4.当前煤矿深部开采造成的冲击地压难题与井下煤岩体应力条件之间存在紧密关系，而冲击地压本质上是煤岩体因应力作用而发生的动力灾害。依据某区域内应力大小与震动波纵波速度之间的正比例关系，通过层析成像(ct)法反演震动波纵波波速情况得到该区域内的应力分布规律，从而对该区域的冲击危险进行监测预警。因此，对于深部动压巷道掘进期间应力的探测，主要依据监测区域内的震动波波速大小推算应力分布情况，划分冲击危险区域。
5.对于深部开采巷道掘进迎头超前应力及周边应力快速、实时探测还没有找到有效的方法，需要提供一种方法能够对深部不同地质情况下的动压巷道掘进迎头超前应力及周边应力进行有效快速探测，实时监测巷道掘进迎头前方的应力状态，确定冲击危险等级，对现场及时采取针对性的卸压解危措施提供现实依据，并对技术人员分析、矿井领导决策、制定冲击危险防治措施以及巷道安全掘进均具有一定的指导意义。
技术实现要素：6.针对上述技术的不足之处，提供一种步骤简单，使用方便，检测过程不影响开采过程，同时可以提前监测巷道掘进迎头前方的应力状态，确定冲击危险等级的深部动压巷道掘进迎头超前应力快速探测的方法，能够划分冲击危险区域，确定冲击危险等级，并能及时、有效地制定针对性的卸压解危措施，确保巷道安全掘进。
7.为实现上述技术目的，本发明的一种深部巷道掘进矿山地震波监测及超前应力快速探测的方法：
8.在巷道待掘区域周围的运输平巷、联络巷、工作面切眼以及正在掘进的回风平巷
中间间隔布置多个震动信号传感器，震动信号传感器垂直安装在巷道帮部锚杆的端部，震动信号传感器的连接线端向上安装；
9.利用所有震动信号传感器对巷道掘进迎头超前及周边区域形成覆盖监测系统，之后利用覆盖监测系统收集覆盖巷道掘进超前区域因掘进作业诱发顶板扰动产生震源的震动波信号，震动波信号传播路径为震动波传播射线，当覆盖监测系统监测范围内的震源产生震动波，所有震动信号传感器均能够通过震动波传播射线接收到所有震源产生的震动波，将各个震动信号传感器接收到相同矿震震动信号后分别经通信电缆传输到地面监测计算机中进行数据存储、分析；
10.利用地面监测计算机生成监测区域内震动波波速分布云图，根据震动波纵波波速大小与覆盖超前区域内应力值之间的正比例关系，得到巷道掘进超前区域内应力分布状态，由于震动波速度值越大的区域其应力值也越大，即可通过应力分布状态信息判断出覆盖巷道掘进超前区域的危险位置；随着工作面回风平巷不断向前掘进而相继在巷道掘进迎头后方间隔布置震动信号传感器，从而对巷道掘进迎头超前及其周边区域的应力进行实时、快速探测。
11.具体步骤如下：
12.步骤a.首先在煤矿井下工作面已完成掘进的运输平巷、联络巷、工作面切眼以及正在掘进的回风平巷帮部锚杆的端部垂直安装震动信号传感器，用以接收震动波信号，利用通信电缆连接所有已安装完成的震动信号传感器，再与安设在井下的监测分站相连接，最后通过通信光缆把监测分站与地面监测计算机进行连接；
13.步骤b.随着回风平巷不断掘进，在巷道掘进迎头后方按照一定间隔及时布置震动信号传感器，由于巷道掘进迎头的采掘活动造成该区域上覆岩层断裂、弯曲下沉，进而诱发矿震形成震源，震源产生震动波被布置在工作面运输平巷、联络巷、回风平巷和工作面切眼的震动信号传感器接收到，震动波信号由震源传播至震动信号传感器之间的路径为震动波传播射线，即震动波模拟的无形传播路线，通过布置的多个震动信号传感器进而对工作面和巷道掘进迎头及其周边区域形成监测覆盖；
14.步骤c.所有震动信号传感器将接收到同一震源产生的矿震震动信号后分别经通信电缆传输到监测分站进行分类汇总、编码，进而通过井下通信光缆实时传输到地面监测计算机，按照数据接收的先后顺序进行分类存储；
15.步骤d.根据地面监测计算机分日期和时间存储的数据，采用震动波波形分析软件对某一段时间内的震动波数据进行处理、分析，生成回风平巷巷道掘进迎头及其周边监测区域内震动波波速分布云图，根据回风平巷巷道掘进迎头及其周边区域，即掘进迎头周边50m范围的应力值与震动波波速大小之间的正比例关系，推算出震动波速度越大的区域其应力值也越大，即该区域具有冲击危险。
16.进一步，所述多个震动信号传感器的布置间距为20m～50m，布置在巷道帮部的高度距离巷道底板0.8m～1.5m，安装有传输线接头的部位向上并垂直固定，作为矿震震动波信号的接收点；其中，震动信号传感器安装位置应避开巷道围岩破碎、地质构造发育、渗水、较强震动干扰和较强电磁干扰等区域。
17.进一步，所述步骤b中：
18.工作面巷道掘进迎头后方布置的震动信号传感器间距为20m～50m，具体间距应根
据现场实际情况合理确定；如果工作面运输平巷还未掘进至工作面切眼位置，或者工作面切眼未掘进时，要求工作面运输平巷掘进迎头的位置应超过回风平巷巷道掘进迎头不小于20m的距离，并且对工作面运输平巷已掘进完成的区域加密震动信号传感器的布置，以达到对巷道掘进迎头超前及其周边区域的监测效果。
19.进一步，所述步骤d中：
20.为保证巷道掘进迎头超前及其周边区域应力快速探测结果的准确性，应在地面监测计算机中选取不少于150个矿震数据，每个矿震数据即是某一时间全部震动信号传感器接收的同一个震源信息，不少于150个矿震数据按照连续时间的先后顺序进行选取，通过观测震动波波形分析软件生成的震动波波速分布云图，其中巷道掘进迎头超前及其周边区域的震动波传播射线覆盖程度要密集，判断当前生成的震动波波速分布云图符合现场实际情况，以此推算出巷道掘进迎头超前应力的分布规律以及回风平巷掘进期间的超前应力迁移规律，从而评估巷道掘进迎头超前及其周边区域的冲击危险程度，及时加强该区域的冲击地压监测与防治；若在震动波波形分析软件中看到震源至震动信号传感器之间的震动波传播射线覆盖程度较为稀疏时，则增加震源的矿震数据数量，相应的增加了震动波传播射线数量。
21.有益效果，由于采用了上述技术方案，本发明与现有技术相比具有如下优点：
22.本发明的系统分为地面和井下两部分，地面监测计算机与井下监测分站通过通信光缆连接，监测分站与震动信号传感器之间通过通信电缆连接，可以实时、快速监测井下工作面因采掘扰动诱发的矿震，并把矿震数据按照日期和时间进行保存。
23.为解决煤矿深部开采巷道掘进超前应力及周边应力快速、实时探测的问题而提出的有效方法，通过在工作面进风巷、联络巷、工作面切眼以及正在掘进的巷道后方布置震动信号传感器，对巷道掘进迎头超前及周边区域形成覆盖监测。同时，根据监测区域内应力大小与震动波纵波速度之间的正比例关系，通过层析成像法反演震动波纵波波速情况得到该区域内应力分布状态，以便准确地分析、总结巷道掘进期间掘进迎头超前应力的分布规律，划分冲击危险区域，确定冲击危险等级。
24.本方法根据井下工作面巷道实际掘进情况及时动态调整工作面震动信号传感器的布置间距，使得巷道掘进迎头周边始终布置一定密度的震动信号传感器，对掘进迎头超前及其周边区域形成有效监测，以便准确得出掘进迎头超前应力的分布状态，划分冲击危险区域，及时、有效地制定针对性的卸压解危措施，确保巷道安全掘进。
25.本方法满足矿井深部开采下巷道掘进期间不同动力灾害预测预报的要求，并能够实现深部动压巷道掘进迎头超前应力快速探测的自动化、信息化，且探测结果更能符合现场实际情况，不会因为巷道掘进前方存在地质构造分布、巷道交叉等特殊区域影响应力探测结果。同时，本发明还能够对巷道掘进迎头实施卸压措施后的卸压解危效果进行检验，丰富了巷道掘进迎头卸压效果检验的方法。
26.本方法是巷道掘进期间，由于掘进作业诱发该区域上覆岩层断裂、弯曲下沉，进而产生矿震。依据矿震震源至传感器之间的距离、传感器接收到震动波信号的时间，求得出震动波的传播速度，生成波速分布云图。基于应力值与震动波波速大小之间的正比例关系，推算出震动波速度越大的区域其应力值也越大，从而确定出巷道掘进期间掘进迎头超前及周边应力的分布情况，波速越大或者波速变化越大的区域应力集中程度越大，即具有冲击危
险。根据确定的危险区域位置及时停止作业，采取卸压解危措施，待冲击危险解除后方可继续作业，从而确保作业人员的人身安全、作业环境安全以及矿井的安全开采。
附图说明
27.图1是本发明深部巷道掘进矿山地震波监测及超前应力快速探测的方法的实施示意图。
28.图中：1-地面监测计算机；2-通信光缆；3-监测分站；4-运输平巷；5-联络巷；6-回风平巷；7-震源；8-震动信号传感器；9-巷道掘进迎头；10-通信电缆；11-工作面切眼；12-震动波传播射线；13-巷道贯通位置；14-巷道待掘区域。
具体实施方式
29.下面结合附图和实例对本发明作进一步的说明：
30.目前矿井深部开采下巷道掘进迎头超前应力及周边应力的分布状态由于不能快速、实时、准确的探测，使得动压巷道掘进期间不能及时、有效分析掘进迎头超前应力分布规律和应力迁移规律，掘进巷道时刻面临着冲击危险的难题，威胁井下作业人员人身安全，给巷道安全掘进带来巨大的挑战。为了解决煤矿深部开采巷道掘进超前应力及周边应力快速、实时探测的问题，通过在工作面进风巷、联络巷、工作面切眼以及正在掘进的巷道后方布置震动信号传感器，对巷道掘进迎头超前及周边区域形成覆盖监测。同时，根据监测区域内应力大小与震动波纵波速度之间的正比例关系，通过层析成像(ct)法反演震动波纵波波速情况得到该区域内应力分布状态，以便准确地分析、总结巷道掘进期间掘进迎头超前应力的分布规律，划分冲击危险区域，确定冲击危险等级，从而及时、有效地制定针对性的卸压解危措施，确保巷道安全掘进。
31.如图1所示，本发明的一种深部巷道掘进矿山地震波监测及超前应力快速探测的方法：
32.在巷道贯通位置13附近的巷道待掘区域14周围的运输平巷4、联络巷5、工作面切眼11以及正在掘进的回风平巷6中间间隔布置多个震动信号传感器8，震动信号传感器8垂直安装在巷道帮部锚杆的端部，震动信号传感器8的连接线端向上安装；
33.利用所有震动信号传感器8对巷道掘进迎头超前及周边区域形成覆盖监测系统，之后利用覆盖监测系统收集覆盖巷道掘进超前区域因掘进作业诱发顶板扰动产生震源7的震动波信号，震动波信号传播路径为震动波传播射线12，当覆盖监测系统监测范围内的震源7产生震动波，所有震动信号传感器8均能够通过震动波传播射线12接收到所有震源7的震动波，将各个震动信号传感器8接收到相同矿震震动信号后分别经通信电缆10传输到地面监测计算机1中进行数据存储、分析；
34.利用地面监测计算机1生成监测区域内震动波波速分布云图，根据覆盖超前区域内应力值与震动波纵波波速大小之间的正比例关系，得到巷道掘进超前区域内应力分布状态，由于震动波速度值越大的区域其应力值也越大，即可通过应力分布状态信息判断出覆盖巷道掘进超前区域的危险位置；随着工作面回风平巷6不断向前掘进而相继在巷道掘进迎头9后方间隔布置震动信号传感器8，从而对巷道掘进迎头9超前及其周边区域的应力进行实时、快速探测。
35.具体步骤如下：
36.步骤a.首先在煤矿井下工作面已完成掘进的运输平巷4、联络巷5、工作面切眼11以及正在掘进的回风平巷6帮部锚杆的端部垂直安装震动信号传感器8，用以接收震动波信号，利用通信电缆10连接所有已安装完成的震动信号传感器8，再与安设在井下的监测分站3相连接，最后通过通信光缆2把监测分站3与地面监测计算机1进行连接；多个震动信号传感器8的布置间距为20m～50m，布置在巷道帮部的高度距离巷道底板0.8m～1.5m，安装有传输线接头的部位向上并垂直固定，作为矿震震动波信号的接收点；其中，震动信号传感器8安装位置应避开巷道围岩破碎、地质构造发育、渗水、较强震动干扰和较强电磁干扰等区域。
37.步骤b.随着回风平巷6不断掘进，在巷道掘进迎头9后方按照一定间隔及时布置震动信号传感器8，由于巷道掘进迎头9的采掘活动造成该区域上覆岩层断裂、弯曲下沉，进而诱发矿震形成震源7，震源7产生震动波被布置在工作面运输平巷4、联络巷5、回风平巷6和工作面切眼11的震动信号传感器8接收到，震动波信号由震源7传播至震动信号传感器8之间的路径为震动波传播射线12，即震动波模拟的无形传播路线，通过布置的多个震动信号传感器8进而对工作面和巷道掘进迎头9及其周边区域形成监测覆盖；工作面巷道掘进迎头9后方布置的震动信号传感器8间距为20m～50m，具体间距应根据现场实际情况合理确定；如果工作面运输平巷4还未掘进至工作面切眼11位置，或者工作面切眼11未掘进时，要求工作面运输平巷4掘进迎头的位置应超过回风平巷6巷道掘进迎头9不小于20m的距离，并且对工作面运输平巷4已掘进完成的区域加密震动信号传感器8的布置，以达到对巷道掘进迎头9超前及其周边区域的监测效果。
38.步骤c.所有震动信号传感器8将接收到同一震源产生的矿震震动信号后分别经通信电缆10传输到监测分站3进行分类汇总、编码，进而通过井下通信光缆2实时传输到地面监测计算机1，按照数据接收的先后顺序进行分类存储；
39.步骤d.根据地面监测计算机1分日期和时间存储的数据，采用震动波波形分析软件对某一段时间内的震动波数据进行处理、分析，生成回风平巷6巷道掘进迎头9及其周边监测区域内震动波波速分布云图，根据回风平巷6巷道掘进迎头9及其周边区域，即掘进迎头周边50m范围的应力值与震动波波速大小之间的正比例关系，推算出震动波速度越大的区域其应力值也越大，即该区域具有冲击危险。随着工作面回风平巷6不断向前掘进，工作面内部及其巷道掘进迎头9周边区域由于采掘扰动不断诱发矿震，其震动波与工作面巷道布置的震动信号传感器8之间形成震动波传播射线12，覆盖工作面整个监测区域，进而对巷道掘进迎头9超前及其周边区域的应力进行实时、快速探测。
40.为保证巷道掘进迎头9超前及其周边区域应力快速探测结果的准确性，应在地面监测计算机1中选取不少于150个矿震数据，每个矿震数据即是某一时间全部震动信号传感器8接收的同一个震源信息，150个矿震数据按照连续时间的先后顺序进行选取，通过观测震动波波形分析软件生成的震动波波速分布云图，其中巷道掘进迎头9超前及其周边区域的震动波传播射线12覆盖程度要密集，判断当前生成的震动波波速分布云图符合现场实际情况，以此推算出巷道掘进迎头9超前应力的分布规律以及回风平巷6掘进期间的超前应力迁移规律，从而评估巷道掘进迎头9超前及其周边区域的冲击危险程度，及时加强该区域的冲击地压监测与防治；若在震动波波形分析软件中看到震源7至震动信号传感器8之间的震
动波传播射线12覆盖程度较为稀疏时，则应增加收集震源7的数量，即选择较多矿震数据，相应的增加了震动波传播射线12数量。
41.巷道掘进期间安装的传感器不必拆除，当巷道掘进完成后，工作面准备回采之前，把布置在工作面切眼11以及回采工作面前方50m范围内的传感器拆除，安装在工作面前方50m～300m范围内巷道帮部。随着工作面向前开采，距离传感器小于50m时，应及时拆除。当工作面回采结束后，拆掉的传感器可以安装在下一个工作面，为巷道掘进期间掘进迎头超前应力进行探测，继续执行本方案步骤，以此类推。
技术特征：1.一种深部巷道掘进矿山地震波监测及超前应力快速探测的方法，其特征在于：在巷道待掘区域(14)周围的运输平巷(4)、联络巷(5)、工作面切眼(11)以及正在掘进的回风平巷(6)中间间隔布置多个震动信号传感器(8)，震动信号传感器(8)垂直安装在巷道帮部锚杆的端部，震动信号传感器(8)的连接线端向上安装；利用所有震动信号传感器(8)对巷道掘进迎头超前及周边区域形成覆盖监测系统，之后利用覆盖监测系统收集覆盖巷道掘进超前区域因掘进作业诱发顶板扰动产生震源(7)的震动波信号，震动波信号传播路径为震动波传播射线(12)，当覆盖监测系统监测范围内的震源(7)产生震动波，所有震动信号传感器(8)均能够通过震动波传播射线(12)接收到所有震源(7)产生的震动波，将各个震动信号传感器(8)接收到相同矿震震动信号后分别经通信电缆(10)传输到地面监测计算机(1)中进行数据存储、分析；利用地面监测计算机(1)生成监测区域内震动波波速分布云图，根据震动波纵波波速大小与覆盖超前区域内应力值之间的正比例关系，得到巷道掘进超前区域内应力分布状态，由于震动波速度值越大的区域其应力值也越大，即可通过应力分布状态信息判断出覆盖巷道掘进超前区域的危险位置；随着工作面回风平巷(6)不断向前掘进而相继在巷道掘进迎头(9)后方间隔布置震动信号传感器(8)，从而对巷道掘进迎头(9)超前及其周边区域的应力进行实时、快速探测。2.根据权利要求1所述的深部巷道掘进矿山地震波监测及超前应力快速探测的方法，其特征在于具体步骤如下：步骤a.首先在煤矿井下工作面已完成掘进的运输平巷(4)、联络巷(5)、工作面切眼(11)以及正在掘进的回风平巷(6)帮部锚杆的端部垂直安装震动信号传感器(8)，用以接收震动波信号，利用通信电缆(10)连接所有已安装完成的震动信号传感器(8)，再与安设在井下的监测分站(3)相连接，最后通过通信光缆(2)把监测分站(3)与地面监测计算机(1)进行连接；步骤b.随着回风平巷(6)不断掘进，在巷道掘进迎头(9)后方按照一定间隔及时布置震动信号传感器(8)，由于巷道掘进迎头(9)的采掘活动造成该区域上覆岩层断裂、弯曲下沉，进而诱发矿震形成震源(7)，震源(7)产生震动波被布置在工作面运输平巷(4)、联络巷(5)、回风平巷(6)和工作面切眼(11)的震动信号传感器(8)接收到，震动波信号由震源(7)传播至震动信号传感器(8)之间的路径为震动波传播射线(12)，即震动波模拟的无形传播路线，通过布置的多个震动信号传感器(8)进而对工作面和巷道掘进迎头(9)及其周边区域形成监测覆盖；步骤c.所有震动信号传感器(8)将接收到同一震源产生的矿震震动信号后分别经通信电缆(10)传输到监测分站(3)进行分类汇总、编码，进而通过井下通信光缆(2)实时传输到地面监测计算机(1)，按照数据接收的先后顺序进行分类存储；步骤d.根据地面监测计算机(1)分日期和时间存储的数据，采用震动波波形分析软件对某一段时间内的震动波数据进行处理、分析，生成回风平巷(6)巷道掘进迎头(9)及其周边监测区域内震动波波速分布云图，根据回风平巷(6)巷道掘进迎头(9)及其周边区域，即掘进迎头周边50m范围的应力值与震动波波速大小之间的正比例关系，推算出震动波速度越大的区域其应力值也越大，即该区域具有冲击危险。3.根据权利要求2所述的深部巷道掘进矿山地震波监测及超前应力快速探测的方法，
其特征在于：所述多个震动信号传感器(8)的布置间距为20m～50m，布置在巷道帮部的高度距离巷道底板0.8m～1.5m，安装有传输线接头的部位向上并垂直固定，作为矿震震动波信号的接收点；其中，震动信号传感器(8)安装位置应避开巷道围岩破碎、地质构造发育、渗水、较强震动干扰和较强电磁干扰等区域。4.根据权利要求2所述的深部巷道掘进矿山地震波监测及超前应力快速探测的方法，其特征在于所述步骤b中：工作面巷道掘进迎头(9)后方布置的震动信号传感器(8)间距为20m～50m，具体间距应根据现场实际情况合理确定；如果工作面运输平巷(4)还未掘进至工作面切眼(11)位置，或者工作面切眼(11)未掘进时，要求工作面运输平巷(4)掘进迎头的位置应超过回风平巷(6)巷道掘进迎头(9)不小于20m的距离，并且对工作面运输平巷(4)已掘进完成的区域加密震动信号传感器(8)的布置，以达到对巷道掘进迎头(9)超前及其周边区域的监测效果。5.根据权利要求2所述的深部巷道掘进矿山地震波监测及超前应力快速探测的方法，其特征在于所述步骤d中：为保证巷道掘进迎头(9)超前及其周边区域应力快速探测结果的准确性，应在地面监测计算机(1)中选取不少于150个矿震数据，每个矿震数据即是某一时间全部震动信号传感器(8)接收的同一个震源(7)信息，不少于150个矿震数据按照连续时间的先后顺序进行选取，通过观测震动波波形分析软件生成的震动波波速分布云图，其中巷道掘进迎头(9)超前及其周边区域的震动波传播射线(12)覆盖程度要密集，判断当前生成的震动波波速分布云图符合现场实际情况，以此推算出巷道掘进迎头(9)超前应力的分布规律以及回风平巷(6)掘进期间的超前应力迁移规律，从而评估巷道掘进迎头(9)超前及其周边区域的冲击危险程度，及时加强该区域的冲击地压监测与防治；若在震动波波形分析软件中看到震源(7)至震动信号传感器(8)之间的震动波传播射线(12)覆盖程度较为稀疏时，则增加震源(7)的矿震数据数量，相应的增加了震动波传播射线(12)数量。
技术总结本发明公开一种深部巷道掘进矿山地震波监测及超前应力快速探测的方法，涉及深部矿井开采动力灾害监测的领域，适用于煤矿深部开采下巷道掘进迎头超前应力及周边应力的快速探测。首先在工作面进风巷、联络巷、工作面切眼以及正在掘进的巷道后方布置震动信号传感器，对巷道掘进迎头超前及周边区域形成覆盖监测，然后根据监测区域内应力大小与收集到的震动波纵波速度大小之间的正比例关系，通过层析成像法反演震动波纵波波速情况得到该区域内应力分布状态，以便准确地分析、总结巷道掘进期间掘进迎头超前应力的分布规律，划分冲击危险区域，确定冲击危险等级，从而及时、有效地制定针对性的卸压解危措施，确保巷道安全掘进。确保巷道安全掘进。确保巷道安全掘进。
技术研发人员：李成海 刘亚婕 熊洪恩 吕国伟 翟军 葛庆 马志锋 巩思园
受保护的技术使用者：中国矿业大学
技术研发日：2022.03.17
技术公布日：2022/7/5
