通过本实验，对煤矿体系与冲击动力灾害形成整体认识；理解煤岩体冲击破坏的机理模型；理解冲击动力灾害发生条件以及典型监测预警技术与防治措施；以微震监测技术为基础，掌握煤矿冲击动力灾害监测预警与典型防治技术实施流程。

结合实验过程，培养学生在煤矿灾害治理中的计算机技术应用能力与思维理念；对智能化技术在煤矿生产实践中的应用形成深刻理解，提升数据采集分析、模型优化应用的综合创新能力。

基于不同场景推演，引导学生在生产实践中具体问题具体分析的工作方法，锻炼良好的应急心理素质，培养知识应用提高安全生产意识，形成积极参与团队协作、用心服务社会的良好情感理念。

本实验涉及煤矿冲击动力灾害的场景、理论原理及监测预警与防治总体流程，其中监测预警与防治是实验的主体，主要基于微震监测技术展开。微震监测技术是煤矿冲击动力灾害最有效的监测手段之一，通过对矿井矿震信息进行远距离、实时、自动监测，给出矿震信号的完全波形，继而计算出矿震的发生时间、能量及空间三维坐标，并进一步通过监测数据分析应力场的迁移演化规律，实现矿井冲击动力灾害危险程度的评价，以指导灾害防治工作。

本虚拟仿真实验基于微震监测技术，通过台网布置优化、震动波数据采集与震源定位、冲击危险判识模型、卸压防治准则等，对冲击动力灾害监测、预警与防治的全过程进行实验教学。

在台网布置方面，煤矿矿震的准确定位依赖于：微震台网布置、台站P波到时读入的准确性、背景噪音、求解震源算法、速度模型和区域异常导致的传播路径的变化等。该过程需要优化台网布置和降低随机因素等手段降低求解震源的非线性方程组的条件数，提高求解系统的鲁棒性。其优化布置的基本原则包括：

n 台网空间应包围待测区域，避免成为一条直线，且有足够和适当的密度。

n 探头尽可能接近待测区域，避免较大断层及破碎带的影响。

n 按监测环境与要求选择拾震仪监测方向。

n 既要照顾当前开采区域，又要考虑未来一定时期内的开采活动。

在震源定位方面，由于P波初次进入时间的确定误差较小，因此通常选择比较容易辨认的P波进行定位。

图1矿震定位示意图

图1震源传播到台站的最短时间可由式(1)描述：

（1）

式（1）中和分别为震源和第i个台站的坐标，V为P波波速，t₀为矿震的发震时刻，t_i为读入的P波初至时刻，i=1,..n，n是矿井中安装的台站数目。

对于均匀和各向同性速度模型，自震源H到第i个台站的走时为：

（2）

式（2）中P波波速V_P为一常数。上式中有四个未知数，因此选择四个以上的通道进行标记方可完成震源定位。

在冲击危险判识方面，微震事件的产生主要位于非弹性变形的BC阶段（图2），且该阶段的微震现象往往揭示出宏观大破裂、冲击矿压的前兆异常信息。因此，若能准确获知该阶段的应变参量（），如图2所示，则可以采用如下冲击危险系数对冲击发生之前的危险状态等级（无、弱、中、强）进行预警：

（3）

式中，的数值范围为0~1之间，当时，表示宏观破裂已经发生。

图2 多尺度冲击矿震模型

在卸压防治方面，由于煤矿地质构造极为复杂，开采技术条件变化多端，造成煤岩动力系统的结构形式和外部环境多种多样，所以，冲击动力灾害的诱发因素和显现形式也是多种多样。煤（岩）体弹性能释放的主体可分为煤体、顶底板岩体、断层带介质及其上下盘岩体。因此需根据弹性能释放不同的主体合理选择卸压方式及参数，并且当存在多个弹性能释放主体时，需选择多种卸压方式共同组合进行卸压，才能达到有效防治冲击动力灾害的目的。

结合实验原理，本仿真实验考察的核心知识点包括：

(a)微震系统台网布置；

(b)波形数据采集与震源定位；

(c)冲击动力灾害危险区域及危险等级判识；

(d)防治措施确定与执行。

一、实验简介

对系统进行总体介绍，包括实验简介、实验目的、模块介绍等三部分。如图1.1所示

图1.1 实验简介

二、场景仿真

场景仿真主要实现学生对煤矿冲击动力灾害发生背景、场景结合煤矿具体生产管理组成进行介绍。包括煤矿体系认知以及冲击动力灾害场景两部分。

煤矿体系认知包括：煤矿概览、防冲中心、超前巷道、工作面等生产实际中与冲击动力灾害密切相关的各组成部分。

（1）煤矿概览显示典型煤矿地面工业广场及井下巷道布置、地层构造等生产环境，如图2.1所示。

图2.1 煤矿概览

（2）防冲中心展示了典型的功能结构、工作布局、数据管理流程，这是煤矿企业冲击动力灾害主要管理决策机构，负责冲击动力灾害数据监测、分析处理及开展灾害防治工作。如图2.2所示。

图2.2 防冲中心

（3）超前巷道超前于回采工作面一定距离的巷道，是冲击动力灾害高发区域。通过漫游，分析巷道位置、设备构成、应力分布，理解冲击动力灾害发生机理。如图2.3所示。

图2.3 超前巷道

（4）采煤工作面是煤矿井下主要生产作业区域，设备、人员密集，是煤矿安全管理工作的重点区域，对工作面的应力持续监测，并结合推进速度、地质构造、顶板活动等深入分析也是冲击动力灾害防治的重要手段。如图2.4所示。

图 2.4 回采工作面

（5）灾害场景直观展示了冲击灾害发生的典型过程与结果。通过该部分内容，让学生理解冲击动力灾害的发生特点，对设备、人员及生产活动造成的严重损失，并进一步对灾害影响进行分析。从而为该类灾害的监测预警、防治、灾后治理与公共安全管理形成启发与思考。

图2.5 灾害场景

三、理论知识

理论知识部分从动静载叠加原理、冲击动力灾害发生的地质条件与开采技术条件、典型监测预警技术以及防治方法进行了系统讲解实验与考核。该部分一方面承接课堂理论讲解内容，对重要知识点进行了可视化论述，另一方面为接下来的监测预警提供理论基础，让学生更深入的理解知识点在实际中的应用。

（1）动静载叠加诱冲原理是研究团队重要理论成果之一，也是课程讲授的重难点，仿真实验直观展示了载荷叠加过程与临界载荷的关系，学生通过动画可对动、静载荷的产生、叠加过程以及超过临界载荷诱发冲击的过程有直观的体会，如图3.1所示。煤矿现场多种条件可诱发煤岩冲击动力灾害，而他们均遵循动静载叠加原理，通过学习了解动静载叠加原理，有助于学生后续从理论层面加深对冲击发生条件所起作用的体会。

图3.1 动静载叠加原理

（2）冲击动力灾害发生的条件。冲击动力灾害发生原因复杂，通常受到多因素的复合影响。本部分从地质条件以及开采技术条件对冲击动力灾害发生机理进行全面的实验解析。冲击发生的地质条件主要包括：煤岩体的冲击倾向性、采深条件、断层构造、褶曲构造、煤层分岔及煤层厚度等，如图3.2-3.7所示。

此处列举了煤矿井下诱发冲击动力灾害最常见的6种地质条件，并通过语音、文字讲解的形式，配合以动画直观展示每一种条件下冲击动力灾害的发生的场景，每一个动画下方并配备了相关试题，一方面使学生加深对动静载叠加原理的理解，另一方面使学生真切感受6种特殊的地质条件如何诱发冲击动力灾害的产生。

图3.2 冲击倾向性

图3.3 采深条件

图3.4 断层构造

图3.5 褶曲构造

图3.6 煤层分岔

图3.7 煤层厚度

开采技术条件主要讨论了不同开采速度、煤柱宽度、不同底煤留设等因素对冲击动力灾害发生的影响。如图3.8-3.10所示。

由于煤岩冲击动力灾害的另一大特点便是人为干扰，如开采速度、煤柱宽度、底煤留设等由于采取不合理的采矿设计后导致出现易诱发冲击动力灾害的情况，学生通过该模块可直观体会采矿设计不合理时是如何诱发冲击动力灾害。

该模块设计的目的之一是让学生体会合理采矿设计的重要性，了解开采技术条件在诱发冲击动力灾害中所起的作用，进而树立科学进行采矿设计的工程师理念；目的之二是学生可从动画演示了解开采设计不合理诱发冲击动力灾害的全过程，为后续学生在监测预警实验中危险因素判别、监测预警与卸压解危过程建立基础。

图3.8 开采速度

图3.9 煤柱宽度

图3.10 底煤留设

（3）监测预警技术对微震监测技术、地音、应力在线、钻屑法等典型煤岩冲击动力灾害监测预警技术进行介绍，包括不同技术的工作原理、系统构成、布置结构、操作流程等，对于关键的知识点设置了考核。如图3.11-3.14所示。

关于煤矿冲击动力灾害的监测方法与手段多种多样，在此列举了最为常见的监测技术，通过语音、文字介绍了各类监测技术的工作原理、系统构成、布置结构、操作流程等，并配合结构示意图使学生加深理解，目的一是使学生了解、知悉煤矿冲击动力灾害常用监测手段，每一动画下方配合题目考察学生对该项技术的整体理解。同时各类监测监测技术可看做是对动静载叠加原理的实际应用，了解各类监测技术的工作原理，学生可加深对动静载叠加原理的理解，另一方面，监测预警技术中“微震监测技术”是开展后续监测预警仿真实验的基础，学生可通过对其的学习提前建立感官认识。

图3.11 微震监测技术

图3.12 地音

图3.13 应力在线

图3.14 钻屑法

（4）防治方法对煤层钻孔卸压、煤层爆破卸压、顶板爆破卸压以及底板爆破卸压等典型卸压流程进行了仿真场景演示，不同防治方法针对钻孔直径、深度、方位、排距等进行了分析讨论。

如图3.15-3.18所示。防治方法中针对冲击动力灾害发生过程中典型的致灾对象，以场景仿真加即问即答的形式向学生展示典型卸压手段的操作过程，旨在让学生掌握不同卸压手段执行过程中的合理参数、执行对象以及卸压流程，对煤矿井下卸压手段实际执行的场景及过程有具象生动的认识。

图3.15 煤层钻孔卸压

图3.16 煤层爆破卸压

图3.17 顶板爆破卸压

图3.18 底板钻孔卸压

四、监测预警

监测预警模块是冲击动力灾害虚拟仿真实验的主体部分，基于微震监测技术，实验从系统部署到数据采集、数据处理、分析判断、以及确定防治措施并进行效果检验的工程实际总体流程进行了内容设计，通过监测预警与防治全流程的实验仿真，对理论知识进行了综合设计与应用。

本部分实验内容主要包括：系统部署、震源及波形产生、标波定位、分析判断、防治措施以及效果检验等六个部分。实验过程具有顺序性，需逐步按设计流程完成实验。

（1）系统部署。系统部署主要包括微震监测系统各组成部分结构部署，通过逐个拖动组件包括记录仪、信息采集仪、分析仪、拾震器等至相应位置，完成系统的虚拟搭建。如图4.1所示。

微震系统具有部署范围广，各个部件间联接复杂的特点，理论讲解具有一定的抽象性，现场教学则难以窥探到微震系统的全貌，而通过系统仿真布置，学生在拖动各个部件到指定位置的时候，可观察各个部件在矿井中布置的位置，以及部件相互间的联接关系，在拖动部件的过程中可了解井下微震系统实际的部署过程，对井下微震系统部署有直观的认识和理解。

图4.1 结构部署

结构部署正确完成会显示微震监测系统结构图，学生可以全面了解系统的工作流程，如图4.2所示。

图4.2 结构图

（2）结构部署完成后，随着工作面的推进，为了提高监测效果，需要根据生产实际调整拾震器布置，学生需要根据矿震定位原理，合理确定拾震器布置位置及数量以优化微震网络，以减少震源定位误差。由于煤矿进行生产区域在不断改变，因此微震系统监测的重点区域也在对应改变，具体针对不同的重点区域，学生需要根据矿震定位原理，合理确定拾震器布置位置及数量以优化微震网络，以减少震源定位误差。因此在此处预设了一块重点监测区域，需要学生根据提示布置拾震器来满足对目标区域的监测精度；学生通过该步骤可掌握、理解根据生产实际调整拾震器的原则，进一步熟悉矿震定位原理等，如图4.3所示。

图4.3 探头布置

（3）探头安装部分展示了典型探头安装组件及流程，学生需根据正确顺序在提示区完成组件安装，布置过程中通过题目回答来确定安装参数，如图4.4所示。学生根据提示模拟在真实巷道环境下微震布置的完整过程，通过完整的布置操作，目的是让学生掌握探头布置的位置、探头布置的流程，探头布置的原则等。

图4.4 探头安装

（4）标定炮验证。在标定炮验证阶段，学生需根据震源定位原理，确定标定炮位置并验证，通过震中误差、震源误差数据判断微震网络监测是否满足误差要求并确定基础监测参数，如图4.5所示。

煤矿井下布置好微震台网后需进行定位误差的检验，此处标定炮的作用在于产生人工震源，因此人工震源的坐标是已知的，通过与微震系统定位后的坐标相比较，以此来评价微震系统定位的误差程度，进而评价微震系统部署的合理性。通过本部分学习，学生可掌握通过标定炮验证微震系统布置合理性的整个流程，了解微震系统震中、震源误差最低要求，进而对微震定位原理有更深层次的理解。

图4.5 标定炮验证

图4.6 误差判断

（5）数据接入。为了结合具体冲击动力灾害开展实验研究，系统部署完成后，仿真实验模拟四种典型冲击动力灾害产生场景，包括：工作面初次来压、工作面一次见方、工作面临近断层以及工作面临近褶曲，学生可以随机选择一类场景接入后续实验数据，以进行针对性的灾害数据分析并模拟执行卸压解危工作。如图4.7所示。

图4.7 数据接入

（6）波形产生。冲击动力灾害发生前会产生震动信号，而微震系统可提前捕捉这类震动信号并将其转换为波形图的形式进行分析，分析的第一步便是通过对波形图到时位置的标记进行震源定位，波形产生部分着重表现了煤矿井下对波形的捕捉过程，如图4.8所示。

系统引入研究团队监测预警云平台提供的煤矿实际监测波形数据，通过该过程学习，旨在让学生掌握震动信号的产生过程、微震系统对信号的捕捉以及将其转换为波形图的过程及原理；针对学生选择不同的冲击动力灾害产生场景，系统产生的波形图的特征也不尽相同，学生可点击记录仪中某一波形对其波形特征进行观察，进而掌握不同冲击动力灾害场景下的典型波形特征，并可对四种不同场景下的波形特征差异进行对比，继而加深对特定条件下波形特征的记忆。

图4.8 波形产生

（7）与地震定位的原理相同，学生在选择相应震动波形文件之后，仿真实验模拟了标波定位算法流程，学生通过判断信号通道、确定波形到时，进行震源的定位计算、计算结果分析以及数据存储，如图4.9-4.11所示。

判断信号通道环节，旨在要学生掌握标波定位的基本原则，即必须选择具有清晰起震位置通道进行标记；确定波形到时环节，目的要学生掌握起震位置的判断原则；震源的定位计算环节，旨在让学生掌握震源标波定位的最低通道数量；计算结果分析及数据存储环节，学生在完成了标波定位后，可对定位结果，即震源的空间坐标以及震源能量进行查看，并可点击“数据存储”对定位结果进行保存以便后续分析。本部分的主要目的是帮助学生掌握微震监测系统中基本的标波定位原则以及流程，同时有助于学生理解如何将抽象的震动现象转换为数据形式进行分析的过程。

图4.9 P波到时标记

图 4.10 震源信息

图4.11 添加数据

（8）数据筛选。在经历标波定位过程后，学生可将定位结果保存在震源数据库中以便进一步分析，根据所要分析的采煤工作面回采时期不同，学生可通过下拉菜单选择不同的时间段，确定好时间段后，点击筛选，震源数据库中会显示相应时间段的数据，然后点击数据分析，进行进一步分析。如图4.12所示。本部分的目的是要学生掌握数据筛选的基本原则和流程。

图4.12 数据筛选

（9）等级判断。此处在进行冲击动力灾害风险等级判断时，引入了研究团队最新的研究成果—冲击变形能指标，冲击变形能相关概念、理论以及基本算法均在课程讲述时讲解过。通过筛选后的微震数据，软件可进一步计算对筛选出的数据分析计算，系统生成冲击变形能云图以及冲击变形能指数图，学生可根据在课上学习的知识，要求学生应用危险区域判识原理，根据图形特征对当前场景的危险区域及危险等级进行标识判断。如图4.13所示。本部分内容的目的是引导学生掌握使用冲击变形能进行危险区域判断的原理，进一步使学生加强对冲击变形能相关概念的理解。

“等级判断”时，学生通过自己的知识掌握通过拖动标注框对危险区域进行框选，框选的位置不同直接会影响学生的得分情况；学生可通过冲击变形能指标曲线对当前区域冲击危险性进行判断，判断结果与标准答案不同，即不得分。

图4.13 等级判断

（10）防治措施选择。判断完潜在的危险区域以及危险程度后，学生需结合所学的知识根据所确定的危险区域及等级，选择合适的防治措施，如图4.14所示。

冲击动力灾害发生的场景不同，对应冲击危险的主控因素也不同，学生需结合主控因素以及“等级判断”中确定的危险等级选择合理的卸压方式。本部分目的是考察学生对危险区域针对性防治措施选择原则的掌握。

图4.14 措施选择

（11）措施执行。本部分对防治措施的执行进行仿真，系统模拟了防治措施的完整执行过程，防治措施执行时需要学生确定措施执行的核心工程参数，以交互的方式完成防治措施的执行，如图4.15所示。

本部分的目的是考察学生对各种卸压措施核心工程参数掌握情况。若学生选择合理的卸压措施以及工程参数，在结果判断中会显示较好的卸压效果，若卸压措施以及参数选择不合理，结果判断中则会显示较差的卸压效果。不同的卸压措施及工程参数选择均会对应不同的得分情况，系统会根据卸压措施的选择合理程度根据计分原则计算学生的得分情况。

图4.15 措施执行

（12）结果判断。防治措施执行完成后，系统根据防治措施选择以及施工参数设置的合理性，给出预计防治效果，并让学生进一步判断防治措施执行后的卸压效果。需要学生根据冲击变形能云图以及指标的情况与“等级判断”环节中的危险等级进行对比，综合判定防治措施执行后的卸压效果。如图4.16所示。

图4.16 结果判断

五、考核测试

系统在部分完成整体实验过程，并根据实验流程中用户各步骤操作情况进行判断评价，根据过程考核的结果，形成实验评价报告。如图5.1所示。单击提交按钮，系统将评价数据上传到中国矿业大学虚拟仿真实验教学共享平台。

图5.1 实验报告