專利名稱：一種煤炭開采過程中地層塌陷預(yù)警系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及煤炭開采安全監(jiān)控領(lǐng)域，具體涉及煤炭開采過程中地層塌陷預(yù)警系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
氡是天然放射性衰變系列中的氣態(tài)放射性核素，它的衰變產(chǎn)物又是一種不易揮發(fā)的放射性物質(zhì)。地層塌陷過程形成的破碎帶，為氡的遷移提供良好的通道，地層中的氡會在對流作用、地下水作用、微氣泡作用、地?zé)嶙饔?、地?yīng)力作用、潮汐作用、抽吸作用、地氣作用、滲流作用等作用下遷移到地表。地層中破碎帶的發(fā)育程度在一定程度上會影響氡的遷移水平，具體能反應(yīng)在地表土壤中測量到的壤氡信息。在煤炭開采過程中，當(dāng)?shù)貙釉诳逅?夕，必然能測量到GPS坐標(biāo)位置的形變位移，因此可以用高精度GPS差分定位觀測測量點，能監(jiān)測地層沉陷過程的微小變化。煤炭資源是被人類廣泛利用的能源之一，在我國有千余座大小不等的煤礦，存在大量的煤炭開采作業(yè)。而在煤炭開采過程中，地面塌陷是目前煤炭開采的主要安全問題之一，煤炭開采過程中巖層塌陷，嚴(yán)重影響到煤炭開采工業(yè)的安全生產(chǎn)。煤礦是集人工、機械、采礦工程、地質(zhì)條件和自然環(huán)境共存的復(fù)雜系統(tǒng)，其災(zāi)變機理、途徑等基本因素難以確定，因素狀態(tài)模糊性強、安全數(shù)據(jù)不夠充分，事故發(fā)生率較高。我國時常會發(fā)生大小不等的煤礦坍塌事件。因此，在進行煤礦開采時，地面塌陷安全預(yù)警工作顯得尤為重要。目前，煤礦開采安全評價以安全系統(tǒng)工程理論和方法為基礎(chǔ)，按照相應(yīng)的程序與方法，對煤礦開采過程中存在的危險因素、發(fā)生事故的可能性與傷害程度進行識別和分析。常用的方法如模糊綜合評價、灰色聚類分析、物元分析、BP人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等，但在處理方法上分別存在某些缺陷，例如，因采用最大一最小算子而損失大量原始信息；因采用均權(quán)處理各關(guān)聯(lián)度，而未能足夠體現(xiàn)各指標(biāo)中權(quán)重的影響。這些都會造成煤礦開采條件安全性受許多未知因素影響。目前已有的安全評價機制不能確保煤礦開采過程中的地面塌陷預(yù)警，因此建立一套有效的煤炭開采過程中地面塌陷的預(yù)警方法及系統(tǒng)是煤炭企業(yè)生產(chǎn)安全運行的一種行之有效的技術(shù)手段。建立一套較為有效的煤礦開采過程中地面巖層塌陷的預(yù)警方法，將有助于提高煤炭企業(yè)的安全水平，降低事故帶來的損失，并為煤炭企業(yè)的安全施工提供技術(shù)手段。多年來，人們在應(yīng)用氡氣測量進行地震預(yù)報、勘測煤田陷落柱、探查隱伏地址構(gòu)造等領(lǐng)域進行了大量研究，但是由于煤炭開采引起巖層坍塌的過程中，壤中氡氣場受地層破損發(fā)育程度的影響以及地層塌陷過程中對壤氡異常變化的評價機制，特別是將壤氡a能譜測量方法結(jié)合高精度GPS差分技術(shù)應(yīng)用于巖層塌陷預(yù)警未見報導(dǎo)，因此本發(fā)明所提供的方法是一種創(chuàng)新的技術(shù)手段。
發(fā)明內(nèi)容本實用新型的目的在于針對目前煤炭開采過程中地層垮塌預(yù)警的應(yīng)用需求，采用壤中氡氣α能譜實時連續(xù)測量方法結(jié)合高精度地面GPS差分定位測量方法，監(jiān)測煤炭開采過程中地層垮塌前地層裂隙發(fā)育情況，對比裂隙發(fā)育實驗?zāi)Ｐ偷娜离睖y量實驗數(shù)據(jù)，建立一套利用壤氡異常來評價裂隙破損發(fā)育程度，將實驗?zāi)Ｐ椭械娜离碑惓Ｔu價機制應(yīng)用到煤炭開采過程中的地層塌陷評價中去，從而達到煤炭開采過程中地層塌陷的預(yù)警目的。本實用新型所提供方法合理，理論基礎(chǔ)充分，實現(xiàn)的技術(shù)方案成熟可行。通過本實用新型裝置，可方便用來評價煤炭開采進程中地層塌陷預(yù)警的目的。為能達到上述發(fā)明目的，所采用的技術(shù)方案是提供一種煤炭開采過程中地層塌陷預(yù)警系統(tǒng)，其特征是包括多參數(shù)壤氡α 能譜測量單元、高精度GPS差分定位裝置、現(xiàn)場多測點數(shù)據(jù)管理裝置、基于太陽能的電源管理裝置、ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)、GPRS無線網(wǎng)絡(luò)、遠程計算機后臺監(jiān)控系統(tǒng)，多參數(shù)壤氡α能譜測量單元和高精度GPS差分定位裝置通過ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)與現(xiàn)場多測點數(shù)據(jù)管理裝置相連；現(xiàn)場多測點數(shù)據(jù)管理裝置通過GPRS無線網(wǎng)絡(luò)與遠程計算機后臺監(jiān)控系統(tǒng)相連；多參數(shù)壤氡α能譜測量單元、高精度GPS差分定位裝置、現(xiàn)場多測點數(shù)據(jù)管理裝置與基于太陽能的電源管理裝置相連。按照本實用新型提供的一種煤炭開采過程中地層塌陷預(yù)警系統(tǒng)，其特征是所述的多參數(shù)壤氡α能譜測量單元包含壤中氡氣取樣裝置、壤中氡氣測量模塊、環(huán)境參數(shù)測量模塊；其中所述的環(huán)境參數(shù)包括壤中溫度、濕度和氣壓。按照本實用新型提供的一種煤炭開采過程中地層塌陷預(yù)警系統(tǒng)，其特征是所述的高精度GPS差分定位裝置包含GPS測量天線、GPS接收機和GPS數(shù)據(jù)采集單元；高精度GPS差分定位裝置通過ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)將采集的GPS定位數(shù)據(jù)傳送到現(xiàn)場多測點數(shù)據(jù)管理裝置，現(xiàn)場多測點數(shù)據(jù)管理裝置通過GRPS網(wǎng)絡(luò)將GPS定位數(shù)據(jù)傳輸?shù)接嬎銠C后臺監(jiān)控系統(tǒng)，由計算機后臺監(jiān)控系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)處理。按照本實用新型提供的一種煤炭開采過程中地層塌陷預(yù)警系統(tǒng)，其特征是所述的現(xiàn)場多測點數(shù)據(jù)管理裝置主要包含數(shù)據(jù)處理單元、數(shù)據(jù)存儲單元、數(shù)據(jù)發(fā)送單元和人機接口單元，多測點數(shù)據(jù)管理裝置主要負責(zé)對壤氡測量數(shù)據(jù)和高精度GPS差分定位觀測數(shù)據(jù)的現(xiàn)場管理。按照本實用新型提供的一種煤炭開采過程中地層塌陷預(yù)警系統(tǒng)，其特征是所述的基于太陽能的電源管理裝置，主要包括太陽能電池板、電源充電電路、電池電量檢測電路和電池保護電路，完成對多參數(shù)壤氡α能譜測量單元、高精度GPS差分定位裝置現(xiàn)場多測點數(shù)據(jù)管理裝置的電源管理。

附圖I為一種煤炭開采過程中地層塌陷預(yù)警方法流程圖；附圖2為本實用新型實施的多參數(shù)壤氡α能譜測量單元和高精度GPS差分定位探測點布置示意圖；附圖3為多參數(shù)壤氡數(shù)據(jù)采集單元的結(jié)構(gòu)示意圖；附圖4為一種煤炭開采過程中地層塌陷預(yù)警系統(tǒng)構(gòu)成示意具體實施方式
以下結(jié)合附圖對本實用新型的實施方式進行詳細的描述。[0017]圖I為一種煤炭開采過程中地層塌陷預(yù)警方法流程圖。如圖所示，本實用新型提供的一種煤炭開采過程中地層塌陷預(yù)警系統(tǒng)所采用的技術(shù)方案是根據(jù)煤炭開采范圍在地表土壤中布置探測點(SlOl);在各探測點(S201)上采用多參數(shù)壤氡α能譜測量系統(tǒng)進行壤氡實時連續(xù)測量(S102);在其中設(shè)定數(shù)量(S202)的探測點上作高精度GPS差分定位測量(S103);根據(jù)高精度GPS差分定位測量，獲取地層的沉降信息；根據(jù)獲得的壤中氡氣異常分布關(guān)系和變化規(guī)律，與實驗室的煤炭開采過程地層裂隙評價實驗?zāi)Ｐ偷膶嶒灁?shù)據(jù)對比，結(jié)合高精度GPS差分定位獲取的地層沉降信息，確定地層裂隙的發(fā)育程度，進而獲取煤炭開采過程中地層塌陷的預(yù)警信息(S104)。根據(jù)煤炭開采范圍在地表土壤中布置探測點SlOl。圖2為本實用新型實施的多參數(shù)壤氡α能譜測量單元和高精度GPS差分定位探測點布置示意圖。如圖所示，根據(jù)煤炭開采范圍在地表相應(yīng)范圍內(nèi)(比如IOOOOm2)的土壤中設(shè)置測點(S201，S202)和測線(S203)，使得探測范圍能夠覆蓋地下煤炭開采區(qū)，選定測線和測點之間的距離為設(shè)定值。在地表探測范圍內(nèi)布置探測點可以是均勻布置也可是不均勻布置。例如，在地表探測范圍內(nèi)設(shè)置測 線，所述測線方向與煤炭開采掘進方向一致，測線之間的距離為設(shè)定值，該設(shè)定值可以根據(jù)監(jiān)測所要求的精度設(shè)定(如要求監(jiān)測精度為2. 5m，則測線之間的距離設(shè)為5m)，每條測線上可以均勻布置探測點(測點之間的距離也是根據(jù)監(jiān)測精度的要求確定設(shè)定值，比如要求監(jiān)測精度為2. 5m，則測線之間的距離設(shè)為5m)或者不均勻地布置探測點(S201)。測線及測線上的測點構(gòu)成測網(wǎng)(圖2)，測網(wǎng)覆蓋了煤炭開采區(qū)的地面探測范圍。選擇測網(wǎng)上的設(shè)定數(shù)量探測點同時作為高精度GPS差分定位測量點(S202)，選擇測網(wǎng)以外的一個靜態(tài)點作為GPS差分定位靜態(tài)參考點(S204)。在煤炭開采區(qū)各探測點上開展多參數(shù)壤氡α能譜實時連續(xù)在線監(jiān)測S102。具體包括在探測點挖設(shè)定深度的探測坑，在每個探測坑內(nèi)放置多參數(shù)壤氡α能譜測量單元，將多參數(shù)壤氡α能譜測量單元測量的數(shù)據(jù)通過ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到現(xiàn)場多測點數(shù)據(jù)管理裝置，由現(xiàn)場多測點數(shù)據(jù)管理裝置通過GPRS無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到遠程計算機后臺監(jiān)控系統(tǒng)。現(xiàn)有壤中氡氣測量的方法很多，本實用新型采用的壤氡測量方法為基于壤氡靜態(tài)擴散靜電累積原理的α能譜測量技術(shù)，圖3為多參數(shù)壤氡數(shù)據(jù)采集單元的結(jié)構(gòu)示意圖。如圖所示，氡氣取樣裝置由帶有擴散孔的高壓腔體構(gòu)成，氡通過靜態(tài)擴散運動進入氡氣收集裝置腔體內(nèi)部時，發(fā)生α衰變產(chǎn)生氡的子體，由于氡的子體帶正電，會在高壓電場的作用下吸附到金硅面探測器表面，吸附在金硅面上的氡子體衰變產(chǎn)生的α射線被金硅面探測器探測并將信號輸出到電路系統(tǒng)，由電路系統(tǒng)進行α能譜測量。電路系統(tǒng)中同時含有測量壤中溫度、濕度、氣壓的測量模塊，電路系統(tǒng)通過絕緣材料與壤中氡氣取樣裝置相連接，整個電路系統(tǒng)采用環(huán)氧樹脂灌封。圖4為一種煤炭開采過程中地層塌陷預(yù)警系統(tǒng)構(gòu)成示意圖。整個預(yù)警系統(tǒng)由多參數(shù)壤氡α能譜測量單元、高精度GPS差分定位裝置、現(xiàn)場多測點數(shù)據(jù)管理裝置、基于太陽能的電源管理裝置、ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)、GPRS無線網(wǎng)絡(luò)、遠程計算機后臺監(jiān)控系統(tǒng)幾個部分構(gòu)成；多參數(shù)壤氡α能譜測量單元和高精度GPS差分定位裝置通過ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)與現(xiàn)場多測點數(shù)據(jù)管理裝置相連；現(xiàn)場多測點數(shù)據(jù)管理裝置通過GPRS無線網(wǎng)絡(luò)與遠程計算機后臺監(jiān)控系統(tǒng)相連；多參數(shù)壤氡α能譜測量單元、高精度GPS差分定位裝置、現(xiàn)場多測點數(shù)據(jù)管理裝置與基于太陽能的電源管理裝置相連接。其中所述的多參數(shù)壤氡α能譜測量單元包含壤中氡氣取樣裝置、壤中氡氣測量模塊、環(huán)境參數(shù)測量模塊。其中所述的環(huán)境參數(shù)包括壤中溫度、濕度和氣壓。在其中設(shè)定數(shù)量的探測點上作高精度GPS差分定位測量，指的是在設(shè)定數(shù)量的壤氡測量點上同時設(shè)置觀測地面沉降高精度GPS差分定位測量點，在一個靜態(tài)位置上設(shè)定一個高精度GPS差分定位靜態(tài)參考點；所述的高精度GPS差分定位測量點以及高精度GPS差分定位靜態(tài)參考點包含GPS測量天線、GPS接收機和GPS數(shù)據(jù)采集單元；高精度GPS差分定位測量點以及高精度GPS差分定位靜態(tài)參考點通過ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)將GPS定位數(shù)據(jù)傳送到現(xiàn)場多測點數(shù)據(jù)管理裝置，現(xiàn)場多測點數(shù)據(jù)管理裝置通過GRPS網(wǎng)絡(luò)將GPS定位數(shù)據(jù)傳輸?shù)接嬎銠C后臺監(jiān)控系統(tǒng)，由計算機后臺監(jiān)控系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)處理?，F(xiàn)場多測點數(shù)據(jù)管理裝置主要包含數(shù)據(jù)處理單元、數(shù)據(jù)存儲單元、數(shù)據(jù)發(fā)送單元和人機接口單元，多測點數(shù)據(jù)管理裝置主要負責(zé)對壤氡測量數(shù)據(jù)和高精度GPS差分定位觀測數(shù)據(jù)的現(xiàn)場管理。基于太陽能的電源管理裝置，主要包括太陽能電池板、電源充電電路、電池電量檢 測電路和電池保護電路，完成對多參數(shù)壤氡α能譜測量單元、高精度GPS差分定位裝置現(xiàn)場多測點數(shù)據(jù)管理裝置的電源管理。以上所述僅是本實用新型的優(yōu)選實施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本實用新型原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些不需要創(chuàng)造性勞動就能做出的各種改進和潤飾也應(yīng)視為本實用新型的保護范圍。
權(quán)利要求1.一種煤炭開采過程中地層塌陷預(yù)警系統(tǒng)，其特征在于包括多參數(shù)壤氡a能譜測量單元、高精度GPS差分定位裝置、現(xiàn)場多測點數(shù)據(jù)管理裝置、基于太陽能的電源管理裝置、ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)、GPRS無線網(wǎng)絡(luò)、遠程計算機后臺監(jiān)控系統(tǒng)，多參數(shù)壤氡a能譜測量單元和高精度GPS差分定位裝置通過ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)與現(xiàn)場多測點數(shù)據(jù)管理裝置相連；現(xiàn)場多測點數(shù)據(jù)管理裝置通過GPRS無線網(wǎng)絡(luò)與遠程計算機后臺監(jiān)控系統(tǒng)相連；多參數(shù)壤氡a能譜測量單元、高精度GPS差分定位裝置、現(xiàn)場多測點數(shù)據(jù)管理裝置與基于太陽能的電源管理裝置相連。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種煤炭開采過程中地層塌陷預(yù)警系統(tǒng)，其特征在于所述的多參數(shù)壤氡a能譜測量單元包含壤中氡氣取樣裝置、壤中氡氣測量模塊、環(huán)境參數(shù)測量模塊；其中所述的環(huán)境參數(shù)包括壤中溫度、濕度和氣壓。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種煤炭開采過程中地層塌陷預(yù)警系統(tǒng)，其特征在于所述的高精度GPS差分定位裝置包含GPS測量天線、GPS接收機和GPS數(shù)據(jù)采集單元；高精度GPS差分定位裝置通過ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)將采集的GPS定位數(shù)據(jù)傳送到現(xiàn)場多測點數(shù)據(jù)管理裝置，現(xiàn)場多測點數(shù)據(jù)管理裝置通過GRPS網(wǎng)絡(luò)將GPS定位數(shù)據(jù)傳輸?shù)接嬎銠C后臺監(jiān)控系統(tǒng)，由計算機后臺監(jiān)控系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)處理。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種煤炭開采過程中地層塌陷預(yù)警系統(tǒng)，其特征在于所述的現(xiàn)場多測點數(shù)據(jù)管理裝置主要包含數(shù)據(jù)處理單元、數(shù)據(jù)存儲單元、數(shù)據(jù)發(fā)送單元和人機接口單元，多測點數(shù)據(jù)管理裝置主要負責(zé)對壤氡測量數(shù)據(jù)和高精度GPS差分定位觀測數(shù)據(jù)的現(xiàn)場管理。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種煤炭開采過程中地層塌陷預(yù)警系統(tǒng)，其特征在于所述的基于太陽能的電源管理裝置，主要包括太陽能電池板、電源充電電路、電池電量檢測電路和電池保護電路，完成對多參數(shù)壤氡a能譜測量單元、高精度GPS差分定位裝置現(xiàn)場多測點數(shù)據(jù)管理裝置的電源管理。
專利摘要本實用新型提供了一種煤炭開采過程中地層塌陷預(yù)警系統(tǒng)，具體包括多參數(shù)壤氡α能譜測量單元、高精度GPS差分定位裝置、現(xiàn)場多測點數(shù)據(jù)管理裝置、基于太陽能的電源管理裝置、ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)、GPRS無線網(wǎng)絡(luò)、遠程計算機后臺監(jiān)控系統(tǒng)。多參數(shù)壤氡α能譜測量單元和高精度GPS差分定位裝置通過ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)與現(xiàn)場多測點數(shù)據(jù)管理裝置相連；現(xiàn)場多測點數(shù)據(jù)管理裝置通過GPRS無線網(wǎng)絡(luò)與遠程計算機后臺監(jiān)控系統(tǒng)相連；多參數(shù)壤氡α能譜測量單元、高精度GPS差分定位裝置、現(xiàn)場多測點數(shù)據(jù)管理裝置與基于太陽能的電源管理裝置相連。壤氡實時測量及高精度GPS監(jiān)測，能更為準(zhǔn)確的達到煤炭開采過程中地層塌陷預(yù)警的預(yù)警目的。
文檔編號E21F17/18GK202578785SQ20122003729
公開日2012年12月5日 申請日期2012年2月6日 優(yōu)先權(quán)日2012年2月6日
發(fā)明者丁衛(wèi)撐, 其他發(fā)明人請求不公開姓名 申請人:成都理工大學(xué)