采场微震连续监测智能预警仪及其预警方法技术领域
本发明是一种涉及采场岩体稳定性监测预警的仪器，具体涉及一种采场微震连续
监测智能预警仪及其预警方法。
背景技术
利用微震监测系统监测矿山岩体稳定性已成为矿山安全管理的重要组成部分，南
非、美国、波兰、加拿大、中国、俄罗斯和澳大利亚等的深井矿山已通过装配微震监测系统对
岩体进行监测，已经有效控制和减少岩爆、矿震等矿井动力事故。在监测仪器研制、数据分
析方面取得了卓有成效的进展，但是也存在一些到目前为止尚没有很好解决的问题：(1)监
测主机或服务系统通常安装在地表，线路布置要从地表连接到深部去，成本高、线路维护困
难，传感器及采集仪多为固定，移动不便；(2)不能全自动处理波形监测信息，且对P波初到
时的拾取精度往往达不到工程要求；P波初到时是指震源振动发出的纵波到达传感器的时
间，由于P波比S波传播速度快，在长距离传输时，P波与S波在图形上容易区分，而对于矿区
较小范围内，S波在波形上叠加于P波尾波中不易区分，工程上一般选择易于辨识的P波进行
初到时的标记。微震P波的初到时拾取是震源定位的关键环节，为震源定位提供参数，其精
度直接影响震源定位精度；(3)定位误差大，采场实际情况复杂多变，且一般连续布置，极容
易错误定位到相邻采场，难以有效定位到采场内部具体位置；(4)难以实现采场人员作业区
域内潜在的冒顶、片帮、岩爆等安全隐患的监测和实时预警。
发明内容
本发明所解决的技术问题是，针对现有技术存在的不足，提供一种采场微震连续
监测智能预警仪及其预警方法，能对采场岩体稳定性进行监测，对采场人员作业区域内潜
在的冒顶、片帮、岩爆等安全隐患进行预警。。
本发明采用如下技术方案：
一种采场微震连续监测智能预警仪，包括微震信号处理系统、信号传感与采集器
和预警器；
所述微震信号传感与采集器布置在采场进路或邻近的沿脉巷中，对采场岩体微破
裂信号进行监测，采集震源参数，并传输到微震信号处理系统；微震信号处理系统通过分析
采集到的震源参数，对采场岩体的稳定性状态进行判定，并传输控制信号至预警器，对采场
岩体的稳定性进行预警。
所述微震信号处理系统可使用便携式工控机加装Wi-Fi模块和带有悬挂把手的防
爆防震防水不锈钢外壳组成。所述微震信号处理系统包括微震信号滤波、信号分析、IP地址
服务等模块，能够实现滤波、震源定位、分析预警功能，显示器能显示各种处理后的振动波
形图像和定位到的震源位置坐标。
所述信号传感与采集器包括6个微震传感器，其中3个微震传感器为低频传感器，
用于监测频率范围为3‐3KHZ内的低频信号、另3个微震传感器为高频传感器，用于监测频率
范围为2K‐30KHZ内的高频信号；由此，信号传感与采集器能够收集到频率范围为3‐30KHZ内
的信号。微震传感器的布设遵循如下原则：①任意4个微震传感器不在同一个平面内；②微
震传感器两两之间距离不宜超过200m；③微震传感器置入岩体钻孔中或混凝土结构中，紧
密接触岩体。采集器26、预警器25、安装在采场进路内，微震信号处理系统29安装在沿脉巷
道内，安装方式都是使用膨胀螺栓悬挂巷道顶板或两帮。
所述预警器包括Wi-Fi模块1、控制电路2、可充电锂电池3、不锈钢外壳4、防震垫圈
5、喇叭6、闪光灯7、Wi-Fi增益天线8。传感器、采集器都装有不锈钢外壳，能适应各种恶劣、
乃至极端的井下环境，并且可以移动重复利用。采集器内部有橡胶防震垫，Wi‐Fi无线信号
增益天线使用橡胶封装，能有效抗震、防水，也不会阻碍Wi‐Fi无线信号传输。传感器发出的
信号经过电缆进入传感器信号输入电路10，依次经过隔离电路11、数据选择器12、信号放大
器13、滤波电路14、AD转化器15、微控制器16、信号转换器18后、通过Wi‐Fi模块19无线或
USB、RS232、RS485、RJ45接口20(任意一种或多种)有线传输到微震信号处理系统。
所述微震信号传感与采集器通过Wi‐Fi无线通信模块或电缆与微震信号处理系统
通信连接；微震信号处理系统通过Wi‐Fi无线通信模块或电缆与预警器通信连接。
所述微震信号处理系统带有USB、RS232、RS485、RJ45接口。
一种采场微震连续监测智能预警仪的预警方法，采用上述的采场微震连续监测智
能预警仪，采场岩体稳定性状态判定与预警包括以下步骤：
S1：微震信号传感与采集器采集震源参数，包括微震时间、微震位置、微震频率、微
震能量和微震震级；并传输至微震信号处理系统；
S2：微震信号处理系统分析采集到的震源参数，对采场岩体的稳定性状态进行判
定；稳定性状态包括安全状态、预警状态或危险状态，
S3：根据采场岩体稳定性状态判定结果，对应控制打开预警器不同颜色的指示灯，
从而对采场岩体稳定性进行预警。
所述S2中，微震信号处理系统分析采集到的震源参数，对采场岩体的稳定性状态
进行判定包括以下步骤：
步骤1、微震信号处理系统进行以下计算：
1)计算每个300秒(每300秒为一个计时基数)内的微震事件数、平均微震能量和平
均微震震级，分别记为事件率Pf、能量率E和平均震级R；
2)计算第t个300秒相对于第t‐1个300秒的事件率、能量率和平均震级的增量，分
别记为Z1、Z2和Z3；即Z1、Z2和Z3分别等于第t个300秒对应的Pf、能量率E和平均震级R与第t‐1
个300秒对应的t‐1对应的Pf、能量率E和平均震级R的差值；
3)计算平静时(即无爆破或震级1级以上微震事件时)每个300秒内的平均事件率、
平均能量率和平均震级，分别记为背景事件率Pf’、背景能量率E’和背景平均震级R’；
4)计算事件率、能量率、平均震级的临界增量Z1’、Z2’、Z3’；其中Z1’＝0.1～2Pf’，
Z2’＝0.1～2E’，Z3’＝0.1～2R’；根据已有2800个典型微震事件统计结果，取Z1’＝0.5Pf’，
Z2’＝0.2E’，Z3’＝0.5R’；
步骤2、设定岩石稳定性状态判定阈值为Pf’、E’、R’、Z1’、Z2’、Z3’；对Pf＞Pf’，E＞
E’，R＞R’，Z1＞Z1’，Z2＞Z2’，Z3＞Z3’分别进行布尔运算；结果为真，记为1，结果为假，记为0；
将6组布尔运算的结果按顺序记为一个六位数值，由该六位数值判定的采场岩体稳定性状
态。布尔运算如下表1所示：
表1.岩体稳定性状态参数Bool运算表
Bool
Pf
E
R
Z1
Z2
Z3
1
Pf>Pf'
E>E’
R>R'
Z1>Z1’
Z2>Z2’
Z3>Z3’
0
P≤Pf’
E≤E’
R≤R'
Z1≤Z1’
Z2≤Z2’
Z3≤Z3’
稳定性状态为安全状态、预警状态或危险状态时，相应控制打开预警器的绿灯、黄
灯或红灯；
布尔运算的结果与控制打开的预警器指示灯灯光颜色对应关系如下表2所示：
所述微震信号处理系统基于采集到的震源参数，利用高阶统计量法(PAI‐K)和自
回归模型法(KIC)联合的方法，识别P波初到时。
能够全自动识别P波初到时，有效排除了低信噪比、刺突、尾部震荡及纯噪音信号
的干扰，极大地降低了错误拾取率，增强了P波拾取的稳定性，使得震源定位更加精确。其识
别运行过程如下：
(1)提取采场微震信号波形数据最大峰度值到时点K1；
(2)采用高阶统计量法(PAI‐K)和自回归模型法(KIC)联合的方法，拾取P波初到时
K2；
(3)判定|K1‐K2|是否大于阈值L(L取值50‐150，一般取100)，若是则舍弃该段微震
信号，反之则输出P波初到时K＝K2。
所述微震信号处理系统根据微震传感器所在位置的坐标、P波初到时、距离运算公
式及波速度与时间关系式，采用解析与迭代求解其中一种方法计算震源位置，并进行显示。
提高了微震震源定位精度，该定位结果可以为采场危险区域预警提供准确的危险位置。
所述微震信号处理系统基于采集到的震源参数生成各种微震信号图表，包括微震
能量‐时间表、微震震级‐时间表和微震频率‐时间表；将检测结果可视化，便于观察；
所述微震信号处理系统还包括人机交互模块相连，用于根据人工现场确认的采场
实际情况，对各种微震信号图表进行修正。使定位预警结果更加客观。本发明还对微震信号
处理系统也进行了细节优化设计：(1)微震信号处理系统在未接收到Wi‐Fi无线或电缆信号
或者接收到的信号离散较大(线路故障或者仪器损坏)时，能够通过预警器进行声光报警，
预警灯光红绿间隔各亮1秒，直到人为将其关闭；(2)在微震信号处理系统接收的数据量少
的时候降低信号传输处理的功率；(3)配置了UPS继电保护、防雷击等硬件保护措施。
有益效果：
本发明能对采场岩体稳定性进行监测，对采场人员作业区域内潜在的冒顶、片帮、
岩爆等安全隐患进行预警。使得工人能够及时对采场人员作业区域内的岩体垮塌隐患进行
排查和处理，能有效控制和减少冒顶、片帮、岩爆等安全事故。具有以下优点：
1.微震信号处理系统用Wi‐Fi无线(也可以用电缆)连接信号采集器、预警器，使得
采场微震连续监测智能预警仪的使用十分灵活：(1)可以随着采场开采需要(如使用上向水
平分层充填法采矿，随着分层开采对采场进路或联络巷压顶时)不断移动预警器和微震信
号处理系统的位置；(2)一个采场开采结束移动采场微震连续监测智能预警仪到毗邻的采
场时，信号处理系统所在位置安全、Wi‐Fi无线信号好的时候也可以不用移动。
2.当几个采场微震监测智能预警仪的信号处理系统距离较近时，也能够通过Wi‐
Fi无线或者电缆交换、共享彼此的数据，通过远程协助用某个信号处理系统操作其它的信
号处理系统；甚至可以直接共用1个信号处理系统。
3.微震信号处理系统带有USB、RS232、RS485、RJ45接口和Wi‐Fi模块，增加了监测
预警系统的扩展性，也能够方便的将信号传输至地表。4.高阶统计量法和自回归模型法联
合实现P波初到时自动拾取、解析与迭代联合求解定位等多种技术的运用使得对采场岩体
垮塌隐患的定位、预警精确度大大增加。预警器进行红灯危险预警后，震源较多的区域即为
不稳定区域，可以根据震源定位的位置可对震源区域进行支护。
附图说明
图1是微震信号处理系统图
图2是预警器图
图3是微震信号传感与采集器图
图4是仪器布置方式示意图
其中，1‐Wi‐Fi模块，2‐声光控制电路，3‐可充电锂电池，4‐不锈钢外壳，5‐防震垫
圈，6‐喇叭，7‐闪光灯，8‐Wi‐Fi信号增益天线，9‐微震传感器，10‐传感器信号输入电路，11‐
隔离电路，12‐数据选择电路，13‐放大电路，14‐滤波电路，15‐24位A/D转化器，16‐微控制
器，17‐PTP授时服务器，18‐信号转换电路，19‐Wi‐Fi模块，20‐USB、RS232、RS485接口，21‐
UPS不间断电源，22‐过载保护电路，23‐震源，24‐传感器，25‐预警器，26‐采集器，27‐采场进
路，28‐沿脉巷道，29‐微震信号处理系统。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做出进一步说明。
本发明公开了一种采场微震连续监测智能预警仪，包括微震信号处理系统、信号
传感与采集器和预警器；
所述微震信号传感与采集器布置在采场进路或邻近的沿脉巷中，对采场岩体微破
裂信号进行监测，采集震源参数，并传输到微震信号处理系统；微震信号处理系统通过分析
采集到的震源参数，对采场岩体的稳定性状态进行判定，并传输控制信号至预警器，对采场
岩体的稳定性进行预警。
如图1所示，本发明的微震信号处理系统是使用便携式工控机加装Wi-Fi模块和带
有悬挂把手的防爆防震防水不锈钢外壳组成的，装有微震信号滤波、信号分析、IP地址服务
等模块，接收到信号采集器的信号后能够实现滤波、震源定位、分析预警功能，显示器能显
示各种处理后的振动波形图像和定位到的震源位置坐标。
如图2所示，本发明的预警器由Wi-Fi模块1、控制电路2、可充电锂电池3、不锈钢外
壳4、防震垫圈5、喇叭6、闪光灯7、Wi-Fi增益天线8组成。可根据采场情况将一个或多个预警
器布置在采场进路巷道内。预警灯光使用红绿灯式的“红灯停，绿灯行，黄灯亮了等一等”的
灯光模式，并配有相应的语音提示。预警器工作模式有：(1)监测预警模式，根据收到的信号
处理系统Wi-Fi无线或电缆传输的信号，亮绿、黄、红灯，还会语音播报警示语：“采场安全”
或“采场有冒顶/片帮/岩爆隐患，请及时支护”或“采场有冒顶/片帮/岩爆危险，请勿进入”
等警示语。警示灯光颜色的优先级别为红、黄、绿，红灯亮后需要人工排除危险后操作信号
处理系统才能恢复绿灯，而不会接收信号直接变为绿灯或黄灯；同样黄灯亮后需要人工复
位绿灯，却可以直接变为红灯；绿灯可以直接变成黄灯或红灯；(2)事件预警模式(可以保持
监测预警模式开启)，如需要放炮的时候也可以直接选择放炮预警模式，预警器闪红灯、播
报***采场放炮还有5/3/2/1分钟；(3)故障排查模式，微震传感与采集器损坏、Wi-Fi无线或
电缆连接故障等问题使得处理器接收到的信号离散较大时还能进行预警灯光红绿间隔各
亮1秒和语音播报：“请检查Wi-Fi无线信号”、“几号传感器故障”等故障相应的语音。
如图3所示，本发明的微震信号传感与采集器，是6个微震传感器9连接在1个6通道
微震信号采集器上，其中3个传感器使用低频传感器(3‐2KHZ)，3个传感器使用高频传感器
(2KHZ‐30KHZ)。传感器、采集器都装有不锈钢外壳，能适应各种恶劣、乃至极端的井下环境，
并且可以移动重复利用。采集器内部有橡胶防震垫，Wi‐Fi无线信号增益天线使用橡胶封
装，能有效抗震、防水，也不会阻碍Wi‐Fi无线信号传输。传感器发出的信号经过电缆进入传
感器信号输入电路10，依次经过隔离电路11、数据选择器12、信号放大器13、滤波电路14、AD
转化器15、微控制器16、信号转换器18后、通过Wi‐Fi模块19无线或USB、RS232、RS485、RJ45
接口20(任意一种或多种)有线传输到微震信号处理系统。
如图4所示的仪器布置图，所有仪器都应尽量布置在安全区域。微震传感器24安装
在采场进路27或沿脉巷道28内，需遵循如下原则：①任意4个微震传感器不在同一个平面
内；②微震传感器两两之间距离不宜超过200m；③微震传感器置入岩体钻孔中或混凝土结
构中，紧密接触岩体。采集器26、预警器25、安装在采场进路内，微震信号处理系统29安装在
沿脉巷道内，安装方式都是使用膨胀螺栓悬挂巷道顶板或两帮。
实施例1：
下面以某矿山采场使用实例来说明采场微震连续监测智能预警仪的使用方式：
(1)微震传感器布置在采场进路巷道(采场有多条进路的每条进路内都可以布置)
或邻近的沿脉巷道内，用普通凿岩钻机在巷道顶板、两帮或者底板打孔将传感器安装至孔
中，用泥土等将传感器固定好。采集器使用膨胀螺栓悬挂在巷道顶板或者两帮。
(2)微震信号处理系统安装在沿脉巷道内，悬挂在巷道顶板或者两帮，能够搜索到
采集器和预警器Wi‐Fi无线信号的地方(一般最远为100m，复杂的巷道可能稍近)。可在安全
的情况下，尽量将信号处理系统放在方便且离采集器和预警器较近、Wi‐Fi无线信号好的地
方；
(3)预警器安装在采场进路巷道内安全显眼的地方，悬挂在巷道顶板或者两帮；
(4)适当移动采集器、预警器和信号处理系统的位置，让信号处理系统能搜索到采
集器和预警器良好的Wi‐Fi无线信号，分配信号传感与采集器和预警器的IP地址，调节Wi‐
Fi无线系统至正常工作状态。
(5)在微震信号处理系统上调试各个传感器、预警器的运行状态，选择监测预警模
式和故障排查模式，设置采样频率、采样时间、采样间隔等参数，也可直接在默认模式下(采
样时间连续，采样间隔无，岩体稳定性阈值设定Z1＝0.5Pf’，Z2＝0.2E’，Z3＝0.5R’)运行采
样，调试仪器各部分至正常工作状态。
(6)开始监测，采场微震连续监测智能预警仪运行24小时后，得到背景事件率Pf’
＝4次，背景能量率E’＝30KJ/次，背景平均震级R’＝0.02，临界增量Z1’＝2，Z2’＝6，Z3’＝
0.01。某时间点开始，每300秒为一个计时基数，信号处理系统计算接收到的微震事件信号
如下表3，t＝1(0‐300秒)时，如表4所示信号系统计算的6位数结果为100000，对应表2预警
器灯光绿色，岩体稳定性状态为安全状态，预警器绿灯亮，语音播报：“采场安全”；t＝5
(1200秒‐1500秒)时，Pf＝5>Pf’，E＝35KJ>E’，R＝0.02＝0.02，Z1＝3>2，Z2＝7>6，Z3＝‐0.01
<0.02，如表4所示信号系统计算的6位数结果为110110，对应表2预警器灯光黄色，岩体稳定
性状态为临界状态，预警器黄灯亮，语音播报：“采场有冒顶/片帮/岩爆隐患，请及时支护”；
t＝23(6600秒‐6900秒)时，Pf＝7>4，E＝108KJ>30KJ，R＝0.2>0.02，Z1＝3>2，Z2＝78>6，Z3
＝‐0.17>0.01，如表4所示信号系统运算的6位数结果为111111，对应表2预警器灯光红色，
岩体稳定性状态为危险状态，预警器红灯亮，语音播报：“采场有冒顶/片帮/岩爆危险，请勿
进入”。
表3.某时间微震信号表
时间t
0
1
2
3
4
5
···
···
21
22
23
24
25
事件率Pf
4
6
1
4
2
5
4
4
3
4
7
3
3
能量率E(KJ)
30
26
35
30
28
35
30
30
30
30
108
30
30
震级R
0.02
0.01
0.02
0.02
0.03
0.02
0.02
0.02
0.02
0.03
0.2
0.02
0.01
表4.某时间运算结果与预警器灯光颜色表
时间t
0
1
2
3
4
5
···
···
21
22
23
24
25
Pf
0
1
0
0
0
1
0
0
0
0
1
0
0
E
0
0
1
0
0
1
0
0
0
0
1
0
0
R
0
0
0
0
1
0
0
0
0
1
1
0
0
Z1
0
0
0
1
0
1
0
0
0
0
1
0
0
Z2
0
0
1
0
0
1
0
0
0
0
1
0
0
Z3
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
1
0
0
预警灯颜色
绿
绿
绿
绿
绿
黄
黄
黄
黄
黄
红
红
红
(7)技术人员查看震源定位地点后，根据现场情况给出建议：(1)建议支护，工人进
行支护处理后，再操作信号处理系统复位报警器亮红灯至亮绿灯状态；(2)建议撤离，工人
将安全区域内的设备回收。安装采场微震连续监测智能预警仪损失的配件(一般会采购库
存仪器配件)，如上(1)‐(5)所述重新安装采场微震连续监测智能预警仪，继续进行开采。
(8)放炮前，设置信号处理系统打开事件预警模式(监测预警仍然会继续)选择放
炮预警、放炮15分钟倒计时，预警器闪红光模式，并且语音自动播报离放炮还有10/5/3/1分
钟。放炮结束后信号处理系统自动关闭事件预警模式。
(9)采场开采结束后，移动采场微震连续监测智能预警仪安装至新的采场。重复
(1)到(8)。