项目编号：2021AQGX001

项目名称：面向矿山安全的高性能光纤微震监测预警系统关键技术研发与示范

项目承担单位：山东省科学院激光研究所

项目主管部门：济宁高新区科技创新局

项目起止时间：2021 年11 月——2023 年12月

l)高灵敏宽频响光纤／MEMS微震检波技术

目前矿用光纤光栅微震传感器频带普遍在百Hz以下， 严重影响了高频微震事件的监测效果。 拟研发的新型光纤／MEMS微震检波器基本组成如图7所示。 检波器基于差分电容原理和体硅MEMS敏感结构， 利用高精度数据采集技术，将加速度原位数字化， 再通过光纤传输至监测分站， 其频率带宽可达lkHz, 分辨率为ug量级， 可实现对煤岩破裂源微震信号的高保真探测。 光纤／MEMS微震检波器可批量制造、 成本低、 体积小、 产品重复性好。 此外， 由于微震系统对于时间精度很敏感， 各微震检波器之间要求严格时间同步。 因此， 需要进一步解决高精度数据采集、 解调算法优化、 时钟同步等问题。

2)微震事件自动识别和定位技术

矿井下环境复杂多变，干扰因素众多，单个矿井每天微震事件约几百个，需要进行定位处理的也有几十甚至上百，有效事件的筛选和定位耗费很大的人力和时间；监测过程中由于起伏不清晰、起跳不干脆等影响，易造成定位困难，影响精度；手动定位受人员操作水平、经验因素影响较大，处理标准不统一。因此如何快速自动识别出岩石破裂信号，并进行自动震源定位，对于增强微震监测系统的实用性，提高灾害预警的及时性和准确性具有重要意义。一方面，围绕岩石破裂信号的自动识别，拟采用STA/LTA算法和快速傅里叶变换提取爆破、岩石破裂、锚杆钻机等信号的数据特征，并对每个特征样本进行特征类别标记，然后通过随机森林分类器对微震波进行判别，最后结合每个特征样本对应输出概率值准确地识别微震信号。
另一方面，拟采用基于粒子群与牛顿选代的震源自动定位方法。牛顿迭代法擅长处理局部搜索性问题，而粒子群算法擅长快速处理全局优化问题，将上述两种算法结合并充分地利用了其各自优势，同时采用随机森林算法获取初至波到时并代入此方法求解定位结果，有效的克服了牛顿选迭代法需要准确的选择初始值得缺陷，摆脱了粒子群算法在后期不收敛的束缚。

3)微震三维成像及智能分析平台

以微震综合监测数据为基础， 结合RDS云数据库技术和三维可视化技术， 可实现微震定位结果的平面、 剖面、 空间的精确显示， 实现基于时间范围、 能量范围、 区域范围的各种筛选展示， 实现微震数据结果的各种统计分析等。
通过监测矿区大范围微震活动的空间分布， 并利用系统可视化工具圈定地压活动集中区，对集中区内微震事件进行量化处理， 分析其地震学参数的时间变化过程， 同时监测集中区局部工程处的岩体位移、 应力变化趋势。 基于随机森林、 机器学习和回归算法， 把多种传感器数据拟合分析， 风险叠加判断， 态势变化推演；通过平台核心算法， 运算工作面风险等级和矿井区域风险等级， 实现了地压灾害危险区域快速辨识、 动态圈定及智能评价。

主要创新点：
l) 创制了基于差分电容原理和折叠梁敏感结构的宽频响低噪声光纤／MEMS 微震传感器， 解决了岩体破裂源高保真探测难题。
2)研发了微震震源自动识别技术， 攻克了微震事件难以自动辨识的难题， 将震源辨识效率从现有通用方法的小时级提升到秒级。
3)基于实时的微震震源位置及类型， 提出了采场微震实时连续智能监测预警方法， 以震源精准定位与辨识为基础， 通过震源参数及其时序特征实现了大震级微震事件的有效预警。

先进性：

本项目在光纤微震传感技术及应用研究基础上， 结合 MEMS 传感、 机器学习、 云数据库等先
进技术， 分别在高灵敏宽频呴光纤／MEMS 微震检波、 微震事件自动识别和定位、 微震三维成像及智能分析等关键核心技术方面实现重点突破， 形成新 代矿用高性能光纤微震与成像系统技 术和装备体系。 本项目研制完毕， 可为矿山动力灾害监测预警提供一种新型、 可靠和有效的技术手段。