科研选题报告微震监测系统介绍
附件5：
中国矿业大学(北京)
科研选题训练课程总结报告
（试行）
课题名称：微震监测系统关键技术的研究学生姓名：徐顺成
所在学院：力学与建筑工程学院专业年级：12级土木一班联系电话：15652935662
E-mail:1418874417@qq.com指导教师:宋俊生填表日期：201*年12月
报告撰写说明
一、学生本人对参加科研选题训练的过程、收获、体会进行总结，字数201*字左右。
二、格式要求：字体为仿宋，一级标题四号字，正文小四号字，1.5倍行距。
三、材料规格：用A4纸双面打印（复印），左侧装订。四、总结报告需经指导教师审阅并签字同意后方可提交学院。
一．
任务概述煤矿生产中的不安全因素主要是由覆岩破裂造成的顶板
跨落、矿井突水、煤与瓦斯突出和冲击地压等，而覆岩破裂与开采后应力重新分布有关。近几年,国际上研发了一项能够在三维空间实时定位的微地震监测系统。它可以长期、连续、动态监测岩层破裂与移动情况,为煤矿安全监测提供了一种新型的实用技术。该仪器可以直接布置在煤矿井下进行微震监测,提高了监测的可靠性和精度,并通过井下实际监测证明,仪器工作稳定、性能可靠、操作方便,同时获得了良好的技术效果。微地震监测技术是
通过观测、分析生产活动中产生的微小地震事件,来监测其对生产活动的影响、效果及地下状态的地球物理技术。其基础是声发射学和地震学,当地下岩石由于人为因素或自然因素发生破裂、移动时,产生一种微弱的地震波向周围传播,在空间上不同方位设置的微震传感器,可以记录这些微震波的到达时间、传播方向等信息,然后利用各种计算方法确定岩石的破裂点,即震源的空间位置。微地震监测技术,理论比较充分、技术手段先进,有比较好的实用性,方法可靠。主要表现在投资少、周期短,可实现三维空间连续、动态监测,观测成果精度高,可靠性强。在煤矿生产中,该方法可用于监测采场围岩破裂形态,及由此推演的覆岩空间破裂形态与采动应力场的关系,预测和控制可能发生的煤矿灾害,如冲击地压、矿井突水、瓦斯突出、顶板冒落等;也可以动态监测、预报由于开采活动引起的煤层顶板冒落带和断裂带高度,对于进一步确定煤层开采上限、研究导水裂隙带、最大限度地开发利用煤炭资源,同时对提高煤矿生产安全性有重要的指导作用。
二．任务详情
系统工作原理：大多数弹脆性材料在外界应力作用下，其内部将产生局部弹性能集中，当能量积聚到某一临界值后，会引起微裂隙的产生与扩展，并伴随有弹性波或应力波在周围岩体中的快速释放和传播。传感器接收到原始的微震信号以后将其转变为模拟电信号，发送到微震监测系统的信号采集单元Paladin，软件再将此电信号转变为数字信号并传给数据采集计算机，经过运行在数采计算机上的软件对原始数字信号的加工处理后再传入分析计算机，分析计算机运行的软件便可以对微震信号进行多方面的处理和分析，实现对微震事件的定位、事件原始参数的获取、传感器位置的较正、破坏趋势的跟踪等处理，并可以对微震事件在三维空间和时间轴下进行实体演示，其原始数据和处理文件也将会实时显示。
存在问题：a.井下数据不能高速地实时传到地面。微地震监测中记录的信号不仅有大量的有效信号,而且还记录了大量的干扰信号,如果我们想在地面上查看一下这些记录,每个记录大约需要2～3min后才能传到地面,所以,把有效信号从所有干扰信号里挑选出来,看起来是非常简单的问题,实现起来困难很大。如果采用光缆传输很快就能解决这一问题,这是下一步要解决的问题。b.微地震事件定位需要进行大量的处理和解释工作,进行现场解
释工作量很大,所以亟需要研究计算机自动处理和定位方法。目前国内开展微震监测时间很短,很多情况下需要人工解释,专业人员少,不能满足现场要求,同时,目前还没有成熟的商用软件和通用软件,也给解释和应用带来了困难。微地震监测技术是一项新技术,许多方面还不成熟。在仪器方面,经过试验发现需要改进的有散热、轻便、可靠性、操作性能、通讯性能等,都不能满足现场要求。另外,仪器与监测系统设计都需要实现标准化,以利于技术推广与应用。三，收获与体会
近十多年来，以冲击地压、煤与瓦斯突出、突水为主的矿山动力灾害已成为我国工业安全领域的主要灾害，已成为制约我国煤炭产业健康发展的关键因素，国家领导人及全社会都对此给予了高度关注，为本项目研究提供了足够的动力。国民经济的快速发展，对煤炭能源的需求激增，行业经济形势看好，如果不能有效控制矿山动力灾害，煤炭能源的供给将难以保证。研究矿产资源开采过程诱发动力灾害的前兆规律及其监测预报的关键科学问题，建立并完善矿山动力灾害预测预报基础理论和方法，是保障我国能源安全和实现十六大提出的"高度重视安全生产、保护国家财产和人民生命安全"国家战略目标的重大需求，也是全面建设小康和谐社会的必要条件。通过学习与上网查阅资料我们明白了微地震监测技术是一种高技术，信息化的地下工程动力检测技术，并且我们逐渐了解了微震监测技术的主要特点，微震监测的作用，掌握了微地震监测系统原理、方法,分析了微地震监测仪器结构、性能及施工措施。学会了解微震检测技术在地下工程的几个方面的应用，并且较为全面地分析了该技术在矿井微地震、岩爆、地应力、冒顶与岩移、爆破及其余震、、安全救助和预警等方面的可能应用。由此可见，该技术在应用领域还有许多待解决的应用理论和技术问题，我们作为新一代的研究人员，我们需要结合微地震监测技术在煤矿井下监测中所遇到的问题,提出了一些具体的技术措施也感受到了来自学术前沿的东西。我们每个人都要在自己的学术领域里尽心尽力，坚持去做研究，不断的去追求真理，才能为人类幸福做贡献，实现人生价值。学会合作，学会与人沟通，学会学习和做研究的方法。勇于实践，勇于创新。即使失败，也要站起来重新开始直至成功。我们要结合自己的专业，联系我们的社会实际，寻找社会的需求，为社会创造价值。
扩展阅读：开题报告
中北大学
毕业设计开题报告
学生姓名：学院、系：专业：论文题目：
指导教师:
201*年3月27日
叶延伟
学号：0507340247
信息与通信工程学院通信工程系
信息对抗技术
基于声信号的微震定位技术研究
张丕状
开题报告填写要求
1．开题报告作为毕业论文答辩委员会对学生答辩资格审查的依据材料之一。此报告应在指导教师指导下，由学生在毕业论文工作前期内完成，经指导教师签署意见及所在系审查后生效；
2．开题报告内容必须用按教务处统一设计的电子文档标准格式（可从教务处网页上下载）打印，禁止打印在其它纸上后剪贴，完成后应及时交给指导教师签署意见；
3．学生写文献综述的参考文献应不少于15篇（不包括辞典、手册）。文中应用参考文献处应标出文献序号，文后“参考文献”的书写，应按照国标GB771487《文后参考文献著录规则》的要求书写，不能有随意性；
4．学生的“学号”要写全号（如0201*40102），不能只写最后2位或1位数字；
5.有关年月日等日期的填写，应当按照国标GB/T740894《数据元和交换格式、信息交换、日期和时间表示法》规定的要求，一律用阿拉伯数字书写。如“201*年3月15日”或“201*-03-15”；
6.指导教师意见和所在系意见用黑墨水笔工整书写，不得随便涂改或潦草书写。
毕业论文开题报告
1．结合毕业论文情况，根据所查阅的文献资料，撰写201*字左右的文献综述：文献综述1.1研究背景，目的与意义
微震监测技术是近年来出现的新技术，该技术大部分应用在各种材质质质量测量中，包括矿山微地震监测，岩石层结构监测，金属内部的质量问题等等[1]。矿业是我国国民经济的基础产业，而随着社会经济的飞速提高，对矿产资源的需求量日益增加，复杂难采和深部开采诱发的安全问题日益突出。顶板冒落、岩移岩爆和滑坡等重大工程地质灾害和事故隐患严重，严重制约着矿产资源合理的开发与利用，矿山安全已成为我国安全生产领域急需解决的重点和难点。微震探测技术为矿山地压灾害预报提供了重要的手段[2]。70年代初，国内开始了以耳机接收或录音机记录岩石声探测频率的便携式地音仪的研究及现场应用。最近十年，由于电子技术及计算机技术的发展，国外研究出了三分量探头及高性能的声探测数据处理系统，国内相关研究院也相继研发了DYF-1，DYF-2型便携式只能地音分析仪及SDL-1，SDL-12型多通道声探测监测系统。近两年来，数据处理技术的迅速发展，尤其是波形识别理论的形成，标志着声探测技术的水平进入了一个全新的时代，越来越收到人们的重视。国际间有关声探测研究的学术交流活动也愈加频繁。微震监测系统被认为是岩体工程最有效的监测方法之一[3]。1.2研究基本原理与仪器1.2.1研究基本原理基于声信号的微震定位技术的就是事先在地表或者地下布置传感器，一旦在传感器的有效监控范围内出现微震事件，则根据事先记录的传感器的具体位置参数，以及时候微震检波器记录的由声源探测出的P（纵波）波到达的时间差或者P波和S（横波）波到达的时间差，利用标准距离公式来推导计算出声源的具体位置，而这种定位方法就叫做时差定位[4]。时差定位又叫做双曲线定位，它通过处理三个或者更多的传感器采集到的信号到达时间测量数据对震动源进行定位。在二维平面中，辐射源信号到达两个传感器的时间差规定了一对以两个传感器为交点的双曲线，利用三个传感器可形成两条单边双曲线来产生交点，以确定震动源位置。而若要确定三维空间的任意震动源，震动源信号到达两侧两站的时间差确定了一对以两站为焦点的双曲面，则至少需要四个传感器形成三个单边双曲面来产生交点，以确定震动源位置[5]。虽然时差定位系统具有精度高、定位块和抗干扰能力强等优点，但是因为时差定位在计算过程中的数据主要是靠传感器和数据采集仪来取得，因此在定位过程中也会出现多值现象，即定位模糊。这主要是因为在进行数据采集的时候有噪声和有采集系统的数据采集误差，所以在某些点上甚至会出现无解现象[6]。1.2.2声探测传感器的类型声探测传感器是定位系统采集数据的关键，也是影响系统整体性能重要因素。声探测传感器设计不合理，或许使得接受到的信号和希望接受到的声探测信号有较大差别，直接影响采集到的数据真实度和数据处理结果
[7]。声探测传感器是利用某些物质（如半导体、陶瓷、压电晶体、强磁性体和超导体等）的物理特性随着外界待测量作用而发生变化的原理制成的。它利用了诸多的效应（包括物理效应、化学效应和生物效应）和物理现象，如利用材料的压阻、湿敏、热敏、光敏、磁敏和气敏等效应，把应变、湿度、温度、位移、磁场、煤气等被测量变换成电量[8]。声探测传感器的主要类型有：高灵敏度声探测传感器，它是应用最多的一种谐振式声探测传感器；宽频带声探测传感器；差动声探测传感器；此外，还有微型声探测传感器、磁吸附声探测传感器、低频抑制声探测传感器和电容式声探测传感器等。在声探测检测过程中，大多时候使用的是谐振式声探测传感器[9]。谐振式声探测传感器参数技术的基础归结于两个基本假设：(1)声探测是阻尼正弦波；(2)声波是以某一固定的速度传播的。根据这一假设，对声探测信号参数，如上升时间、峰值幅度、持续时间等测量、记录所得到得声探测特征是合理的[10]。传播特性上，谐振声探测传感器参数技术的假设意味着传播信号除了单纯衰减以外，它的声波形状是不变的[11]。它是以不变的波形和不变的声速获取声探测信号的参数。需要指出的是所谓谐振式窄带声探测传感器并不是只对某频率信号敏感，而是对某频率带信号敏感，其它频率带信号灵敏度较低。声探测传感器的选择应根据被测声探测信号来确定[12]。首先是了解被测声探测信号的频率范围和幅度范围，包括有可能存在的噪音信号。然后选择相对感兴趣的声探测信号灵敏、对噪音信号不灵敏的声探测传感器进行检测[13]。
就声发射源定位而言，实际运用中大量遇到的是结构稳定的金属材料（如压力容器等），这类材料的声向各向异性较小，声波衰减系数也很小，，因此选用谐振式声探测传感器比较适合。声探测源定位技术通常利用的是压电效应来进行检测信号。所谓的压电效应是指某些电介质在受到某一方向的外力作用而发生形变（包括弯曲和伸缩形变）时，由于内部电荷的极化现象，会在其表面产生电荷的现象，而利用压电效应的原理制作的传感器就叫做压电传感器[14]。压电传感器主要应用在加速度、压力和力等的测量中，因此又叫做压力传感器。压电式加速度传感器是一种常用的加速度计。它具有结构简单、体积小、重量轻、使用寿命长等优异的特点。压电式加速度传感器在飞机、汽车、船舶、桥梁和建筑的振动和冲击测量中已经得到了广泛的应用。压电式传感器也可以用于军事工业，例如用它来测量枪炮子弹在膛中击发的一瞬间的膛压的变化和炮口的冲击波压力。由此可见压力传感器的应用范围非常广泛，它既可以用来测量大的压力，也可以用来测量微小的压力[15]。1.2.3数据采集仪数据采集就是在所监测的数据发生变化时，例如温度的变化、震动的发生、压力的变化等等一些物理现象，通过传感器捕获这些信息然后转换成模拟信号，再通过将传感器采集道德模拟信号依次进行调理、采样、量化、编码和传输等步骤，最后转换成数字信号送到计算机终端系统中进行处理、分析、存储和显示的过程[16]。首先，借助于各种类型的传感器检测外部世界的各种信号，将其转换成电信号，然后进行信号的调理和A/D转换，使之转换成为能够在数字系统中进一步处理的数字信号[17]，其系统结构如下图1-1所示:被测量声震信号传感器信号变换模拟信号记录模拟信号处理A/D转换数字信号处理A/D转换数字信号记录图1-1
参考文献[1]姜福兴，XunLuo.微震监测技术在矿井岩层破裂监测中的应用[J].岩石力学与工程学报，201*.24[2]唐礼忠，潘长良，杨承祥.大规模深井开采微震监测系统站网布置优化[J].岩石力学与工程学报，201*.25[3]中国科学院地质研究所，岩体工程地质力学问题平[M]，北京科学出版社，1986[4]孙钧.面向21实际的岩石力学与工程.北京中国科学技术出版社。1996.6[5]潘一山，李忠华，章梦涛.我国冲击地压分布类型机制及防治研究[J].岩石力学与工程学报，201*.22[6]姜福兴，杨淑华，成云海等.煤矿冲击地压的微震监测研究[J].金属矿山，201*，（10）[7]中国地震局监测预报司.数字地震观测技术[M].北京地震出版社，201*[8]王焕义.岩体微震事件的精确定位研究[J].工程爆破，201*，7（3）[9]张银平.岩体声探测与微震监测定位技术及其应用[J].工程爆破，201*，8（1）[10]张诚.地震分析基础[M].北京：地震出版社，1998[11]刘英利，徐建新.强震与微震观测系统的研究[J].地震工程与工程振动，201*，26（3）[12]成云海，姜福兴，张兴民，等.微震监测揭示的C型采场空间结构及应力场[J].岩石力学与工程学报，201*，26（1）
[13]姜福兴，王存文，杨淑华，等.冲击地压及煤与瓦斯突出和透水的微震监测技术[J].煤炭科学技术，201*，35（1）[14]李凤琴，张兴民，姜福兴.煤矿井下微震监测系统及应用[J煤田地质与勘探，201*，34（4）[15]李庶林，尹贤刚，郑文达，等.凡口锌矿多通道微震监测系统及其应用研究[J].岩石力学与工程学报，201*，24（12）[16]Marano,s.Matta,V.Willett,P.Sequentialdetectionofalmost-harmonicsignals[J].IEEETransactionsonSignalProcessing,Vol.51,NO.2Feb.201*Page(s):395-406[17]GardnerW.A.,SignalTnterception.AUnifyingTheoreticalFranmewo--rkforFeatureDetection[J].IEEETrans.Vol.36,NO8,1998
毕业论文开题报告
２．本课题要研究或解决的问题和拟采用的研究手段（途径）：本课题研究的方向是基于声信号的微震定位技术研究，通过本次设计方案实现准确的声震动源定位。理论上时差定位的计算方法与步骤：设震源源点E的坐标为(x,y)，各个传感器的坐标为(xi,yi)，则可以得到如下方程组：r02(xx0)2(yy0)2222r(xx)(yy)i1,2iii（2.1）rrrCtC(tt)ii0ii0其中各个传感器的位置为(xi,yi)，这些位置均为实验中测量得到，i0表示主传感器，i1,2表示辅传感器，ri表示震动源位置到第i个传感器与震动源位置到主传感器之间的距离之差，C为声震动在空气中的传播速度340米/秒，tit0为课题中的主要数据，该数据由数据采集仪获得。计算过程如下：对（2.1）式整理化简可得到22222(xxi)x(yyi)y[ri(x0y0)(xiyi)]r0ri,i1,2（2.2）121设ki[ri2(x02y02)(xi2yi2)],i1,2（2.3）2则有(xxi)x(yyi)ykir0ri,i1,2（2.4）由式（2.4）表示的两个方程构成一个非线性的方程组。将r0看为已知可得到一个矩阵表达式
AXF(2.5)
式中
x0x1Ax0x2y0y1k1r0r1x,X,F
y0y2krry202当三个传感器不在一条直线上的时候，可以知道A可逆，于是得到
XA1F
(2.6)
1A令aij22
因此由（2.6）式可得
xm1n1r0（2.7）ym2n2r0其中
miai1k1ai2k2,i1,2niai1r1ai2r2将式（2.7）代入r0的表达式，得到
2ar02br0c0（2.8）
式中
an12n221b(m1x0)n1(m2y0)n222c(mx)(my)1020将式（2.8）看为一元二次方程，由一元二次方程求根公式解出r0，然后代
入式（2.7）得到震动源位置(x,y)。
式（2.8）中，当b2ac时，方程组将有双解，由于r0必须是正数，所以当两根一正一负时，可以舍去负根，正根为非模糊的定位解，而若两根都
2为正则出现模糊解。若bac，则方程组无实数解。这是因为存在噪声干扰
和测量误差使得原本可以相交的两条双曲线发生了平移且平移大至它们没有交点。
本次课题实验中，为使得后期数据处理的方便，拟采用以主传感器为坐标原点的方法建立坐标系，将其他4个传感器分别放置在距离主传感器3米以内的任意位置，为防止无解现象使得主传感器与4个辅传感器中任意2个都不在同一条直线上。
由式（2.1）可知，实际上实验要采集的数据为以传感器捕获第一次震动信号的前后时间的差值。因此在声震信号产生时，实验要求数据采集系统可以立刻以捕获震动信号的第一个传感器的时间为基准，其他传感器依次获得该次信号的时间与该基准时间的差值。因此对于数据采集是从5个传感器采集得来的数据，所以要求系统能够同时监测多组数据；声音在空气中传播的速度很快为340米/秒，所以声震动的一个传播周期大概在一毫秒内就已经传过了3米的路程，而获得的时间数据的准确性是课题成败的关键，所以为保证数据的准确性必须要求数据采集仪具有可以精确到微秒级的电子时钟。
多通道数据采集仪不仅具有采集通道多，多路并行监测，可实时更新数据，对数据采集精度高，系统稳定性强，反应速度快，可视化程度高并且它可以对测试的数据进行复杂的数学运算等优点，非常切合课题的设计要
求。所以本次课题采用的是带有高精度电子时钟的多通道数据采集仪作为数据采集的仪器。
对于声信号到达时间进行精确测量时，需要选取一个统一的信号到达时间特征点。在本次课题中我选取的是零点，也就说信号电压只要大于零的时刻即为信号到达时间值。
毕业论文开题报告
指导教师意见：指导教师：年月日所在系审查意见：系主任：年月日
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