1.本发明涉及煤岩砼体动力灾害防治技术领域，特别涉及一种基于近场电磁场矢量特性的煤岩砼破坏定位方法。
背景技术：2.基于地球物理指标提出的电磁辐射法是一种非常有发展前景的监测方法，可以有效地监测矿山动力灾害，目前电磁辐射的研究对象、产生机理、频谱特性以及矿山动力灾害的监测预警等领域在近几年的研究中已经取得了一定的进展。
3.目前，煤岩砼电磁辐射监测技术主要通过分析信号强度与脉冲数等参数的时序变化实现对煤岩砼动力灾害孕育、发展过程的追踪、预警，但无法实现对孕灾区域的定位，为灾害防治提供的信息有限，制约了该技术的应用。此外，煤岩砼在灾害孕育阶段及演化过程中产生的大量强度相对较小的破坏对最终灾害发生位置的定位具有重要的前兆作用，但目前的监测手段尚无法实现对这些小破坏事件的定位。
技术实现要素：4.针对上述问题，本发明的目的在于提供一种基于近场电磁场矢量特性的煤岩砼破坏定位方法，通过建立煤岩砼体破坏电磁辐射定位模型，实现对煤岩砼体破坏区域的准确定位，其对矿山动力灾害的监测预警具有重大意义。
5.为解决上述技术问题，本发明的实施例提供如下方案：
6.一种基于近场电磁场矢量特性的煤岩砼破坏定位方法，包括以下步骤：
7.步骤a：建立统一的直角坐标系，在煤岩砼体周围布置由n个三轴电磁传感器组成的传感器阵列，确保各个三轴电磁传感器的测试轴与所述直角坐标系平行，各个三轴电磁传感器的坐标分别记为r
(j)
＝(x
(j)
，y
(j)
，z
(j)
)，j＝1，2，
…
，n，n≥2；
8.步骤b：将监测得到的煤岩砼体破坏产生的电磁场信号记录为并将其视为由破裂发生位置r0＝(x0，y0，z0)处的电偶极矩 p0＝(p
x
，py，pz)所产生的偶极子辐射近场电场e＝e(r0，p0)，其余参数均已知；
9.步骤c：以任意两个编号为j1和j2的三轴电磁传感器为一组，得到一个含有未知参数(x0，y0，z0，p
x
，py，pz)的非线性方程组，每组非线性方程组解得的 (x0，y0，z0)构成一组解集，在直角坐标系中构造出相应解集的包络面，所述包络面所围成的区域对应于一个煤岩砼体破坏区域；
10.步骤d：重复步骤b和步骤c，基于传感器阵列中的n个三轴电磁传感器得到组解集，由此得到个三轴电磁传感器两两组合确定的煤岩砼体破坏区域，对所有得到的煤岩砼体破坏区域进行交集运算，对交集运算得到的数据进行统计，确定最终的煤岩砼体破坏区域。
11.优选地，步骤b所述的偶极子辐射近场电场的具体计算方法为：
[0012][0013]
r＝r
(j)-r0，
[0014]
优选地，步骤c所述的非线性方程组中，方程左边是含有未知参数 (x0，y0，z0，p
x
，py，pz)的两个三轴电磁传感器所在位置处偶极子辐射近场电场，方程右边是这两个三轴电磁传感器测得的六个电场强度分量，具有如下形式：
[0015][0016]
优选地，步骤d所述的进行交集运算，对交集运算得到的数据进行统计的过程，若能直接得到交集区域，则删除不在交集区域内的无效数据，保留交集区域内的有效数据，对有效数据进行统计后得到煤岩砼体破坏区域的坐标 (x0，y0，z0)及相应的误差(δx0，δy0，δz0)，上述坐标范围为最终的煤岩砼体破坏区域。
[0017]
优选地，步骤d所述的进行交集运算，对交集运算得到的数据进行统计的过程，若交集运算返回空集，将测得的个煤岩砼体破坏区域分别投影至三个坐标轴平面内，在三个坐标轴平面内分别确定交集区域，对三个交集区域内的所有解进行统计后得到两组有效统计数据[(x1，x2)，(y1，y2)，(z1，z2)]及相应的统计误差[(δx1，δx2)，(δy1，δy2)，(δz1，δz2)]，从中确定统计误差最小的定位结果 (xm，ym，zm)及相应的最小误差(δxm，δym，δzm)，上述坐标范围为最终的煤岩砼体破坏区域。
[0018]
本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果至少包括：
[0019]
本发明提供的一种基于近场电磁场矢量特性的煤岩砼破坏定位方法通过在煤岩砼体周围布置三轴电磁传感器阵列，感知并记录空间真实电磁场矢量信息，建立煤岩砼体破坏电磁辐射定位模型，实现对煤岩砼体破坏区域的定位。所述煤岩砼体破坏电磁辐射定位模型将断裂产生电磁辐射的辐射源近似的视为具有偶极矩的偶极子，进而实现对灾害孕育阶段及演化过程中产生的大量强度相对较小的破坏进行定位，以便实现对最终灾害发生位置的监测预警，进一步提高电磁辐射定位技术的可靠性。
附图说明
[0020]
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0021]
图1是本发明实施例提供的基于近场电磁场矢量特性的煤岩砼破坏定位方法的流
程图；
[0022]
图2是本发明实施例提供的电偶极矩煤岩砼体破坏区域定位的原理示意图；
[0023]
图3a和图3b是本发明实施例提供的基于近场电磁场矢量特性的煤岩砼破坏定位效果图。
具体实施方式
[0024]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0025]
本发明的实施例提供了一种基于近场电磁场矢量特性的煤岩砼破坏定位方法，如图1所示，所述方法包括以下步骤：
[0026]
步骤a：建立统一的直角坐标系，在煤岩砼体周围布置由n个三轴电磁传感器组成的传感器阵列，确保各个三轴电磁传感器的测试轴与所述直角坐标系平行，各个三轴电磁传感器的坐标分别记为r
(j)
＝(x
(j)
，y
(j)
，z
(j)
)，j＝1，2，
…
，n，n≥2。
[0027]
步骤b：将监测得到的煤岩砼体破坏产生的电磁场信号记录为并将其视为由破裂发生位置r0＝(x0，y0，z0)处的电偶极矩 p0＝(p
x
，py，pz)所产生的偶极子辐射近场电场e＝e(r0，p0)，其余参数均已知，电偶极矩定位原理如图2所示。
[0028]
本步骤所述的偶极子辐射近场电场的具体计算方法为：
[0029][0030]
r＝r
(j)-r0，
[0031]
步骤c：以任意两个编号为j1和j2的三轴电磁传感器为一组，得到一个含有未知参数(x0，y0，z0，p
x
，py，pz)的非线性方程组，每组非线性方程组解得的 (x0，y0，z0)构成一组解集，在直角坐标系中构造出相应解集的包络面，所述包络面所围成的区域对应于一个煤岩砼体破坏区域。
[0032]
本步骤所述的非线性方程组中，方程左边是含有未知参数(x0，y0，z0，p
x
，py，pz) 的两个三轴电磁传感器所在位置处偶极子辐射近场电场，方程右边是这两个三轴电磁传感器测得的六个电场强度分量，具有如下形式：
[0033]
[0034]
步骤d：重复步骤b和步骤c，基于传感器阵列中的n个三轴电磁传感器得到组解集，由此得到个三轴电磁传感器两两组合确定的煤岩砼体破坏区域，对所有得到的煤岩砼体破坏区域进行交集运算，对交集运算得到的数据进行统计，确定最终的煤岩砼体破坏区域，解算结果如图3a和图3b所示。
[0035]
本步骤所述的进行交集运算，对交集运算得到的数据进行统计的过程，若能直接得到交集区域，则删除不在交集区域内的无效数据，保留交集区域内的有效数据，对有效数据进行统计后得到煤岩砼体破坏区域的坐标(x0，y0，z0)及相应的误差(δx0，δy0，δz0)，上述坐标范围为最终的煤岩砼体破坏区域。
[0036]
若交集运算返回空集，将测得的个煤岩砼体破坏区域分别投影至三个坐标轴平面内，在三个坐标轴平面内分别确定交集区域，对三个交集区域内的所有解进行统计后得到两组有效统计数据[(x1，x2)，(y1，y2)，(z1，z2)]及相应的统计误差[(δx1，δx2)，(δy1，δy2)，(δz1，δz2)]，从中确定统计误差最小的定位结果(xm，ym，zm) 及相应的最小误差(δxm，δym，δzm)，上述坐标范围为最终的煤岩砼体破坏区域。
[0037]
综上所述，本发明提供的一种基于近场电磁场矢量特性的煤岩砼破坏定位方法通过在煤岩砼体周围布置三轴电磁传感器阵列，感知并记录空间真实电磁场矢量信息，建立煤岩砼体破坏电磁辐射定位模型，实现对煤岩砼体破坏区域的定位。所述煤岩砼体破坏电磁辐射定位模型将断裂产生电磁辐射的辐射源近似的视为具有偶极矩的偶极子，进而实现对灾害孕育阶段及演化过程中产生的大量强度相对较小的破坏进行定位，以便实现对最终灾害发生位置的监测预警，进一步提高电磁辐射定位技术的可靠性。
[0038]
需要说明的是，在说明书中提到“一个实施例”、“实施例”、“示例性实施例”、“一些实施例”等指示所述的实施例可以包括特定特征或特性，但未必每个实施例都包括该特定特征或特性。另外，在结合实施例描述特定特征或特性时，结合其它实施例(无论是否明确描述)实现这种特征或特性应在相关领域技术人员的知识范围内。
[0039]
通常，可以至少部分从上下文中的使用来理解术语。例如，至少部分取决于上下文，本文中使用的术语“一个或多个”可以用于描述单数意义的任何特征、结构或特性，或者可以用于描述复数意义的特征、结构或特性的组合。另外，术语“基于”可以被理解为不一定旨在传达一组排他性的因素，而是可以替代地，至少部分地取决于上下文，允许存在不一定明确描述的其他因素。
[0040]
本发明涵盖任何在本发明的精髓和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。为了使公众对本发明有彻底的了解，在以下本发明优选实施例中详细说明了具体的细节，而对本领域技术人员来说没有这些细节的描述也可以完全理解本发明。另外，为了避免对本发明的实质造成不必要的混淆，并没有详细说明众所周知的方法、过程、流程、元件和电路等。
[0041]
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，该程序可以存储于计算机可读取存储介质中，如：rom/ram、磁碟、光盘等。
[0042]
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
技术特征：1.一种基于近场电磁场矢量特性的煤岩砼破坏定位方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤a：建立统一的直角坐标系，在煤岩砼体周围布置由n个三轴电磁传感器组成的传感器阵列，确保各个三轴电磁传感器的测试轴与所述直角坐标系平行，各个三轴电磁传感器的坐标分别记为r
(j)
＝(x
(j)
，y
(j)
，z
(j)
)，j＝1，2，
…
，n，n≥2；步骤b：将监测得到的煤岩砼体破坏产生的电磁场信号记录为并将其视为由破裂发生位置r0＝(x0，y0，z0)处的电偶极矩p0＝(p
x
，p
y
，p
z
)所产生的偶极子辐射近场电场e＝e(r0，p0)，其余参数均已知；步骤c：以任意两个编号为j1和j2的三轴电磁传感器为一组，得到一个含有未知参数(x0，y0，z0，p
x
，p
y
，p
z
)的非线性方程组，每组非线性方程组解得的(x0，y0，z0)构成一组解集，在直角坐标系中构造出相应解集的包络面，所述包络面所围成的区域对应于一个煤岩砼体破坏区域；步骤d：重复步骤b和步骤c，基于传感器阵列中的n个三轴电磁传感器得到组解集，由此得到个三轴电磁传感器两两组合确定的煤岩砼体破坏区域，对所有得到的煤岩砼体破坏区域进行交集运算，对交集运算得到的数据进行统计，确定最终的煤岩砼体破坏区域。2.根据权利要求1所述的基于近场电磁场矢量特性的煤岩砼破坏定位方法，其特征在于，步骤b所述的偶极子辐射近场电场的具体计算方法为：r＝r
(j)-r0，3.根据权利要求1所述的基于近场电磁场矢量特性的煤岩砼破坏定位方法，其特征在于，步骤c所述的非线性方程组中，方程左边是含有未知参数(x0，y0，z0，p
x
，p
y
，p
z
)的两个三轴电磁传感器所在位置处偶极子辐射近场电场，方程右边是这两个三轴电磁传感器测得的六个电场强度分量，具有如下形式：4.根据权利要求1所述的基于近场电磁场矢量特性的煤岩砼破坏定位方法，其特征在于，步骤d所述的进行交集运算，对交集运算得到的数据进行统计的过程，若能直接得到交集区域，则删除不在交集区域内的无效数据，保留交集区域内的有效数据，对有效数据进行统计后得到煤岩砼体破坏区域的坐标(x0，y0，z0)及相应的误差(δx0，δy0，δz0)，上述坐标范围为最终的煤岩砼体破坏区域。5.根据权利要求1所述的基于近场电磁场矢量特性的煤岩砼破坏定位方法，其特征在
于，步骤d所述的进行交集运算，对交集运算得到的数据进行统计的过程，若交集运算返回空集，将测得的个煤岩砼体破坏区域分别投影至三个坐标轴平面内，在三个坐标轴平面内分别确定交集区域，对三个交集区域内的所有解进行统计后得到两组有效统计数据[(x1，x2)，(y1，y2)，(z1，z2)]及相应的统计误差[(x1，x2)，(y1，y2)，(z1，z2)]，从中确定统计误差最小的定位结果(x
m
，y
m
，z
m
)及相应的最小误差(δx
m
，δy
m
，δz
m
)，上述坐标范围为最终的煤岩砼体破坏区域。
技术总结本发明公开了一种基于近场电磁场矢量特性的煤岩砼破坏定位方法，通过在煤岩砼体周围布置三轴电磁传感器阵列，同步感知记录来自于不同方向的磁感应强度，测量得到空间真实电磁场矢量信息，建立煤岩砼体破坏电磁场矢量特性定位模型，进而实现对煤岩砼体破坏区域的定位。本发明依靠电磁场矢量特性对破坏区域进行定位，将断裂产生电磁辐射的辐射源近似的视为具有偶极矩的偶极子，进而实现对灾害孕育阶段及演化过程中产生的大量强度相对较小的破坏进行定位，可以更全面、更准确地描述煤岩砼体损伤破坏的全过程，实现对煤岩砼体动力灾害的精确监测预警，对于煤岩砼体动力灾害防治具有重大意义。重大意义。重大意义。
技术研发人员：宋大钊 程宇清 何学秋 韦梦菡 童永军
受保护的技术使用者：北京科技大学
技术研发日：2022.06.22
技术公布日：2022/11/1
