專(zhuān)利名稱(chēng)：礦山采動(dòng)裂隙演化與分布監(jiān)測(cè)裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種監(jiān)測(cè)裝置及方法，尤其是一種通過(guò)監(jiān)測(cè)煤巖破裂產(chǎn)生的聲波或震動(dòng)的礦山采動(dòng)裂隙演化與分布監(jiān)測(cè)裝置及方法，屬礦山壓力和安全技術(shù)領(lǐng)域。也可應(yīng)用于沖擊地壓(巖爆)、煤與瓦斯突出和突水等煤巖動(dòng)力災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)。
背景技術(shù)：
礦山巖體在天然條件下處于原始應(yīng)力平衡狀態(tài)。井工礦山的采掘活動(dòng)引起應(yīng)力場(chǎng)的重新分布和圍巖的活動(dòng)，圍巖活動(dòng)包括圍巖變形和采動(dòng)裂隙的產(chǎn)生。采動(dòng)裂隙的產(chǎn)生是該處圍巖應(yīng)力超過(guò)自身所能承受的極限應(yīng)力后發(fā)生的斷裂行為。在井工礦山采掘過(guò)程中始終會(huì)伴隨有采動(dòng)裂隙的產(chǎn)生及演化。采動(dòng)裂隙按煤巖層采動(dòng)裂隙出現(xiàn)的位置可以分為頂板巖層采動(dòng)裂隙、煤層采動(dòng)裂隙、底板巖層采動(dòng)裂隙和地表采動(dòng)裂隙；按采動(dòng)裂隙的性質(zhì)可以分為豎向破斷裂隙、巖層層間的離層裂隙和斷層面的活化。礦山采掘過(guò)程中出現(xiàn)的煤巖動(dòng)力災(zāi)害(如地表塌陷、巷道失穩(wěn)、頂?shù)装逋凰?、煤與瓦斯突出、沖擊地壓和頂板冒落等)都直接或間接的與這些裂隙的存在與發(fā)展有關(guān)。采動(dòng)裂隙的產(chǎn)生會(huì)引起煤巖層滲透率的提高， 是瓦斯運(yùn)移的良好通道，煤礦采動(dòng)卸壓瓦斯抽放措施的制定及實(shí)施效果也與采動(dòng)裂隙的分布及演化密切相關(guān)。采動(dòng)裂隙也是引起礦山突水和水資源流失的主要原因。因此探測(cè)采動(dòng)裂隙的產(chǎn)生、演化及分布對(duì)于實(shí)時(shí)了解井工礦山的采掘活動(dòng)、礦山應(yīng)力分布及演化、掌握礦山采掘活動(dòng)的影響范圍、保護(hù)水資源，對(duì)于煤礦瓦斯治理及煤巖動(dòng)力災(zāi)害預(yù)測(cè)及防治等都具有非常重要的理論意義和應(yīng)用前景。長(zhǎng)期以來(lái)，覆巖移動(dòng)變形破壞探測(cè)采用的常規(guī)方法是鉆孔沖洗液消耗法，采場(chǎng)底板巖體變形破壞探測(cè)采用的常規(guī)方法有分段注水漏失量觀測(cè)法和應(yīng)力測(cè)量法等。近些年來(lái)，裂隙探測(cè)也采用鉆孔窺視法。需要指出的是，上述方法都是在單個(gè)鉆孔中進(jìn)行，由于煤層采動(dòng)引起的覆巖及底板巖層變形破壞具有動(dòng)態(tài)性及時(shí)空性，即裂隙網(wǎng)絡(luò)是隨著采動(dòng)活動(dòng)的進(jìn)行而隨時(shí)間和空間動(dòng)態(tài)變化的，所以通過(guò)單一鉆孔的探測(cè)效果只能反應(yīng)孔壁局部范圍的裂隙發(fā)育狀況，并且探測(cè)結(jié)果只是反映鉆孔期間的裂隙情況，屬于靜態(tài)觀測(cè)。在鉆孔數(shù)量有限的情況下，探測(cè)結(jié)果不能完全反應(yīng)比較的空間范圍內(nèi)煤巖體裂隙的發(fā)生及分布情況， 更不能及時(shí)反映煤巖體采動(dòng)裂隙隨時(shí)間和空間的演化情況，無(wú)法滿(mǎn)足礦山的實(shí)際需求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對(duì)已有技術(shù)中存在的問(wèn)題，提供一種礦山采動(dòng)裂隙演化與分布監(jiān)測(cè)裝置及方法，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便、能實(shí)時(shí)連續(xù)監(jiān)測(cè)礦山采動(dòng)裂隙演化與分布情況。本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下包括多個(gè)防爆聲波監(jiān)測(cè)儀、給防爆聲波監(jiān)測(cè)儀供電的防爆電源、地面通訊接口和地面監(jiān)測(cè)分析中心，所述的防爆聲波監(jiān)測(cè)儀包括多個(gè)聲波傳感器和信號(hào)轉(zhuǎn)換與數(shù)據(jù)采集儀；所述的信號(hào)轉(zhuǎn)換與數(shù)據(jù)采集儀包括多個(gè)輸入接口、信號(hào)轉(zhuǎn)換電路、與信號(hào)轉(zhuǎn)換電路的輸出端連接的A/D轉(zhuǎn)換電路、與A/D轉(zhuǎn)換電路連接的CPU處理器，在CPU處理器上分別連接有時(shí)鐘電路、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、程序存儲(chǔ)器、顯示器、RS485接口和光纖接口 ；所述的多個(gè)聲波傳感器分別和信號(hào)轉(zhuǎn)換與數(shù)據(jù)采集儀的對(duì)應(yīng)的各輸入接口連接；所述的地面監(jiān)測(cè)分析中心包括與地面通訊接口相連的地面監(jiān)測(cè)中心站和與地面監(jiān)測(cè)中心站相連的終端計(jì)算機(jī)；信號(hào)轉(zhuǎn)換與數(shù)據(jù)采集儀的光纖接口通過(guò)光纖、交換機(jī)與地面通訊接口連接。所述的聲波傳感器至少為4個(gè)；所述的聲波傳感器為聲發(fā)射傳感器或微震動(dòng)傳感 。本發(fā)明的礦山采動(dòng)裂隙演化與分布監(jiān)測(cè)方法，使用上述礦山采動(dòng)裂隙演化與分布監(jiān)測(cè)裝置，包括如下步驟a.根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際需要確定在礦井范圍內(nèi)的監(jiān)測(cè)區(qū)域，在監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)的采掘空間確定聲波傳感器安裝位置；b.根據(jù)監(jiān)測(cè)距離及精度選定聲波傳感器當(dāng)安裝聲波傳感器位置離回采、掘進(jìn)、頂板活動(dòng)等聲源或震動(dòng)源距離< 300m、且監(jiān)測(cè)精度要求< 5m時(shí)，選用聲發(fā)射傳感器；當(dāng)安聲波傳感器位置離回采、掘進(jìn)、頂板活動(dòng)等聲源或震動(dòng)源距離> 300m時(shí)，選用微震動(dòng)傳感器；c.在巷道底板、錨桿末端或鉆孔中安裝聲波傳感器，使聲波傳感器與煤巖體進(jìn)行良好耦合；d.將各個(gè)聲波傳感器與信號(hào)轉(zhuǎn)換與數(shù)據(jù)采集儀連接，信號(hào)轉(zhuǎn)換與數(shù)據(jù)采集儀通過(guò)光纖、交換機(jī)、地面通訊接口和地面監(jiān)測(cè)分析中心連接；在地面監(jiān)測(cè)中心站軟件中設(shè)置好各傳感器的位置及聲波傳播參數(shù)；將防爆電源與防爆聲波監(jiān)測(cè)儀連接，并打開(kāi)防爆聲波監(jiān)測(cè)儀的電源開(kāi)關(guān)，防爆聲波監(jiān)測(cè)儀開(kāi)始工作；e.煤巖體受采動(dòng)影響或應(yīng)力作用下產(chǎn)生裂隙及聲波活動(dòng)，被震源周邊的聲波傳感器接收后，聲波信號(hào)由防爆聲波監(jiān)測(cè)儀高速采集、存儲(chǔ)，并顯示聲波信號(hào)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)；同時(shí)將聲波數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸給地面監(jiān)測(cè)中心站；f.地面監(jiān)測(cè)中心站通過(guò)軟件根據(jù)各通道波形的初到時(shí)刻進(jìn)行聲波信號(hào)源定位，自動(dòng)計(jì)算聲波活動(dòng)事件的能量、強(qiáng)度、振鈴數(shù)、主頻率和信號(hào)持續(xù)時(shí)間，并統(tǒng)計(jì)單位時(shí)間內(nèi)的事件數(shù)、總能量、平均強(qiáng)度和總振鈴數(shù)；定位的聲波信號(hào)源即為采動(dòng)裂隙的位置，聲波活動(dòng)事件的能量大小表示等效的采動(dòng)裂隙的大小；g.在終端計(jì)算機(jī)的平面、剖面或立體圖中自動(dòng)顯示及標(biāo)示采動(dòng)裂隙的位置和大小，在終端計(jì)算機(jī)上以圖或列表的形式顯示聲波活動(dòng)事件的能量、強(qiáng)度、振鈴數(shù)、主頻率和信號(hào)持續(xù)時(shí)間，以及在空間上的分布和隨時(shí)間的變化，并顯示單位時(shí)間內(nèi)聲波活動(dòng)的事件數(shù)、總能量、平均強(qiáng)度和總振鈴數(shù)。由于受載煤巖體產(chǎn)生裂隙或斷裂時(shí)會(huì)產(chǎn)生聲波或震動(dòng)，通過(guò)監(jiān)測(cè)聲波或震動(dòng)信號(hào)并定位其發(fā)生源的位置，就能夠了解產(chǎn)生裂隙的空間位置，通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)聲波或震動(dòng)信號(hào)并進(jìn)行實(shí)時(shí)定位及分析，就能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)采動(dòng)裂隙演化及分布的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，為礦山采動(dòng)活動(dòng)及礦山安全提供及時(shí)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。利用定點(diǎn)安裝的傳感器自動(dòng)接收裂隙發(fā)生或發(fā)展過(guò)程產(chǎn)生的聲波或震動(dòng)信息，通過(guò)定位、能量計(jì)算及演化分析，確定采動(dòng)裂隙的位置、大小和演化過(guò)程，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并確定采動(dòng)裂隙的產(chǎn)生、分布及其隨采掘過(guò)程和時(shí)間-空間的演化關(guān)系，實(shí)時(shí)反映礦山應(yīng)力分布及變化、圍巖活動(dòng)及采動(dòng)影響等情況。能夠?qū)Σ蓜?dòng)裂隙演化與分布的全空間、連續(xù)、動(dòng)態(tài)、實(shí)時(shí)和自動(dòng)監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)結(jié)果為礦壓觀測(cè)、覆巖活動(dòng)、采空區(qū)頂板冒落、煤巖動(dòng)力災(zāi)害預(yù)報(bào)及防治、瓦斯抽采和水資源保護(hù)等提供基礎(chǔ)依據(jù)。本發(fā)明的有益效果是與現(xiàn)有技術(shù)相比，方法簡(jiǎn)單，自動(dòng)化程度高，實(shí)時(shí)性強(qiáng)，安裝方便，操作更快捷、簡(jiǎn)便，長(zhǎng)期有效；不需要打探測(cè)鉆孔，大大減少了探測(cè)工作量；監(jiān)測(cè)信息全面、量大，克服了傳統(tǒng)觀測(cè)方法的“一孔之見(jiàn)”，通過(guò)不同頻帶尺度傳感器網(wǎng)絡(luò)可對(duì)監(jiān)測(cè)范圍內(nèi)全空間及任何時(shí)刻的采動(dòng)裂隙產(chǎn)生及擴(kuò)展情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與反映。還可應(yīng)用于沖擊地壓、煤與瓦斯突出和突水等煤巖動(dòng)力災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)。


圖1是本發(fā)明采動(dòng)裂隙演化與分布監(jiān)測(cè)裝置結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是本發(fā)明采動(dòng)裂隙演化與分布監(jiān)測(cè)方法流程圖。圖中1、聲波傳感器，2、輸入接口，3、信號(hào)轉(zhuǎn)換電路，4、電源轉(zhuǎn)換電路，5、A/D轉(zhuǎn)換電路，6、CPU處理器，7、時(shí)鐘電路，8、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，9、程序存儲(chǔ)器，10、顯示器，11、RS485接口，12、光纖接口，13、防爆電源，14、地面通訊接口，15、地面監(jiān)測(cè)中心站，16、終端計(jì)算機(jī)。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例作進(jìn)上步的描述圖1所示，本發(fā)明的礦山采動(dòng)裂隙演化與分布監(jiān)測(cè)裝置，主要由防爆聲波監(jiān)測(cè)儀 A、防爆電源13、地面通訊接口 14和地面監(jiān)測(cè)分析中心C四部分組成。防爆聲波監(jiān)測(cè)儀A主要由聲波傳感器1、輸入接口 2、信號(hào)轉(zhuǎn)換電路3、電源轉(zhuǎn)換電路4、A/D轉(zhuǎn)換電路5、CPU處理器6、時(shí)鐘電路7、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器8、程序存儲(chǔ)器9、顯示器10、RS485接口 11和光纖接口 12構(gòu)成。其中聲波傳感器1為聲發(fā)射傳感器或微震動(dòng)傳感器；聲波傳感器至少為4個(gè)；A/D轉(zhuǎn)換電路5的A/D轉(zhuǎn)換模塊選用ADS7852芯片；CPU處理器6中央處理單元選用STM32103單片機(jī)；時(shí)鐘電路7選用時(shí)鐘芯片DSU887為主電路，可以輸出年、月、日、時(shí)、分、秒等信息；數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器8根據(jù)設(shè)計(jì)要求，能實(shí)時(shí)把測(cè)試的數(shù)據(jù)通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)輸出接口傳輸?shù)降孛?，或?qū)y(cè)試的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)起來(lái)，防止丟失，留待以后傳輸給計(jì)算機(jī)；數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器選用容量為4. OGB的SDHC Ultimate Class 10記憶卡。程序存儲(chǔ)器9考慮到本系統(tǒng)主要是測(cè)試數(shù)據(jù)，并不進(jìn)行復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理，所以程序存儲(chǔ)器選用64K字節(jié)的27C512已能滿(mǎn)足要求。顯示器10顯示器選用耗電極低的液晶顯示器。為了編程方便和節(jié)省程序存儲(chǔ)器空間，以及顯示內(nèi)容豐富，選用每行16個(gè)字符共4行的液晶顯示器。顯示器和主板的連接通過(guò)插座CH2完成。防爆聲波監(jiān)測(cè)儀A包括4 16個(gè)聲波傳感器1、信號(hào)轉(zhuǎn)換與數(shù)據(jù)采集儀B，4 16個(gè)聲波傳感器1為聲發(fā)射傳感器或微震動(dòng)傳感器。信號(hào)轉(zhuǎn)換與數(shù)據(jù)采集儀B分別連接4 16個(gè)聲波傳感器 1的4 16個(gè)輸入接口 2和信號(hào)轉(zhuǎn)換電路3，信號(hào)轉(zhuǎn)換電路3的輸出端連接有A/D轉(zhuǎn)換電路5，A/D轉(zhuǎn)換電路5連接到CPU處理器6，CPU處理器6上分別連接有時(shí)鐘電路7、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器8、程序存儲(chǔ)器9、顯示器10、RS485接口 11和光纖接口 12。防爆電源選用現(xiàn)有的KJ系列防爆電源，工作電壓為DC12 21V。地面監(jiān)測(cè)分析中心C的主要功能包括數(shù)據(jù)接收、數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)處理(聲源或震源自動(dòng)定位、能量計(jì)算、事件時(shí)一空分布統(tǒng)計(jì)分析等)、數(shù)據(jù)及圖形顯示、數(shù)據(jù)查詢(xún)、信息提示和報(bào)表等功能。地面監(jiān)測(cè)分析中心C主要由與地面通訊接口 14 相連的地面監(jiān)測(cè)中心站15和與地面監(jiān)測(cè)中心站15相連的終端計(jì)算機(jī)16構(gòu)成。地面監(jiān)測(cè)分析中心C根據(jù)需要連接1 16個(gè)防爆聲波監(jiān)測(cè)儀。每個(gè)8通道防爆聲波監(jiān)測(cè)儀A最多可接8個(gè)聲波傳感器，每個(gè)16通道防爆聲波監(jiān)測(cè)儀A最多可接16個(gè)聲波傳感器1。聲波傳感器1根據(jù)監(jiān)測(cè)精度及監(jiān)測(cè)范圍的要求選用聲發(fā)射傳感器或微震動(dòng)傳感器。信號(hào)轉(zhuǎn)換與數(shù)據(jù)采集儀B包括分別連接多個(gè)聲波傳感器1的多個(gè)輸入接口 2和信號(hào)轉(zhuǎn)換電路3，信號(hào)轉(zhuǎn)換電路3的輸出端連接有A/D轉(zhuǎn)換電路5，A/D轉(zhuǎn)換電路5連接到CPU處理器6，CPU處理器6 上分別連接有時(shí)鐘電路7、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器8、程序存儲(chǔ)器9、顯示器10、RS485接口 11和光纖接口 12;地面監(jiān)測(cè)分析中心C包括與地面通訊接口 14相連的地面監(jiān)測(cè)中心站15和終端計(jì)算機(jī)16 ；防爆聲波監(jiān)測(cè)儀A中的每個(gè)聲波傳感器1與信號(hào)轉(zhuǎn)換與數(shù)據(jù)采集儀B相應(yīng)的輸入接口 2、信號(hào)轉(zhuǎn)換電路3串聯(lián)連后接A/D轉(zhuǎn)換電路5，電源轉(zhuǎn)換電路4、A/D轉(zhuǎn)換電路5和CPU 處理器6與防爆電源13連接，A/D轉(zhuǎn)換電路5、時(shí)鐘電路7、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器8、程序存儲(chǔ)器9、顯示器10、RS485接口 11、光纖接口 12分別接CPU處理器6，光纖接口 12通過(guò)光纖、交換機(jī)與地面通訊接口 14連接，地面通訊接口 14和終端計(jì)算機(jī)16接地面監(jiān)測(cè)中心站15。圖2所示，本發(fā)明的礦山采動(dòng)裂隙演化與分布監(jiān)測(cè)方法a.根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際需要確定在礦井范圍內(nèi)的監(jiān)測(cè)區(qū)域，在監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)的采掘空間確定聲波傳感器安裝位置，確定的地點(diǎn)應(yīng)便于安裝聲波傳感器；b.根據(jù)監(jiān)測(cè)距離及精度選定聲波傳感器當(dāng)安裝聲波傳感器1位置離回采、掘進(jìn)、頂板活動(dòng)等聲源或震動(dòng)源距離< 300m，或監(jiān)測(cè)一個(gè)工作面的尺度范圍，且監(jiān)測(cè)精度要求< 5m時(shí)，選用聲發(fā)射傳感器；當(dāng)安聲波傳感器1位置離回采、掘進(jìn)、頂板活動(dòng)等聲源或震動(dòng)源距離> 300m時(shí)，或監(jiān)測(cè)的范圍大于一個(gè)工作面的尺度時(shí)，選用微震動(dòng)傳感器；安裝位置允許且監(jiān)測(cè)精度要求較高時(shí)，應(yīng)盡可能多地安裝聲發(fā)射傳感器；c.在巷道底板、錨桿末端或鉆孔中安裝聲波傳感器1，使聲波傳感器1與煤巖體進(jìn)行良好耦合；d.將各個(gè)聲波傳感器1與信號(hào)轉(zhuǎn)換與數(shù)據(jù)采集儀B連接，信號(hào)轉(zhuǎn)換與數(shù)據(jù)采集儀 B通過(guò)光纖、交換機(jī)、地面通訊接口 14和地面監(jiān)測(cè)分析中心15連接；在地面監(jiān)測(cè)中心站軟件中設(shè)置好各傳感器的位置及聲波傳播參數(shù)；將防爆電源13與防爆聲波監(jiān)測(cè)儀連接，并打開(kāi)防爆聲波監(jiān)測(cè)儀的電源開(kāi)關(guān)，防爆聲波監(jiān)測(cè)儀開(kāi)始工作；e.煤巖體受采動(dòng)影響或應(yīng)力作用下產(chǎn)生裂隙及聲波活動(dòng)，被震源周邊的聲波傳感器1接收后，聲波信號(hào)由防爆聲波監(jiān)測(cè)儀高速采集、存儲(chǔ)，并顯示聲波信號(hào)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)；同時(shí)將聲波數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸給地面監(jiān)測(cè)中心站15存儲(chǔ)；f.地面監(jiān)測(cè)中心站15通過(guò)軟件根據(jù)各通道波形的初到時(shí)刻進(jìn)行聲波信號(hào)源定位，自動(dòng)計(jì)算聲波活動(dòng)事件的能量、強(qiáng)度、振鈴數(shù)、主頻率和信號(hào)持續(xù)時(shí)間，并統(tǒng)計(jì)單位時(shí)間內(nèi)的事件數(shù)、總能量、平均強(qiáng)度和總振鈴數(shù)；定位的聲波信號(hào)源即為采動(dòng)裂隙的位置，聲波活動(dòng)事件的能量大小表示等效的采動(dòng)裂隙的大小；監(jiān)測(cè)范圍內(nèi)的聲波活動(dòng)應(yīng)至少有不在同一平面內(nèi)的四個(gè)及以上聲波傳感器1能夠接收到，否則應(yīng)加設(shè)聲波傳感器或優(yōu)化傳感器安裝位置，直到滿(mǎn)足要求為止；監(jiān)測(cè)精度不能滿(mǎn)足要求時(shí)應(yīng)重新優(yōu)化確定聲波傳感器的安裝位置；g.在終端計(jì)算機(jī)的平面、剖面或立體圖中自動(dòng)顯示及標(biāo)示采動(dòng)裂隙的位置和大小，在終端計(jì)算機(jī)上以圖或列表的形式顯示聲波活動(dòng)事件的能量、強(qiáng)度、振鈴數(shù)、主頻率和信號(hào)持續(xù)時(shí)間，以及在空間上的分布和隨時(shí)間的變化，并顯示單位時(shí)間內(nèi)聲波活動(dòng)的事件數(shù)、總能量、平均強(qiáng)度和總振鈴數(shù)；g.地面監(jiān)測(cè)中心站15通過(guò)軟件根據(jù)各通道波形的初到時(shí)刻進(jìn)行聲波信號(hào)源定位，自動(dòng)計(jì)算事件能量、強(qiáng)度、事件數(shù)、振鈴數(shù)、主頻率和信號(hào)持續(xù)時(shí)間；h.定位的聲波源即為采動(dòng)裂隙的位置，其能量大小按比例表示裂隙的大小，在終端計(jì)算機(jī)的平面、剖面或立體圖中自動(dòng)顯示及標(biāo)示，在終端計(jì)算機(jī)上可以圖或表的形式查詢(xún)顯示能量、強(qiáng)度、事件數(shù)、振鈴數(shù)、主頻率和信號(hào)持續(xù)時(shí)間在空間上的分布和隨時(shí)間的變化；j.當(dāng)一定尺度范圍內(nèi)三個(gè)及以上的活動(dòng)或裂隙在一條近似直線上并連通時(shí)，認(rèn)為這些裂隙已貫通為一條大裂隙；當(dāng)在某一規(guī)定的較小尺度范圍內(nèi)聲波活動(dòng)較多，達(dá)到相應(yīng)的設(shè)定界限時(shí)，表明該區(qū)域范圍內(nèi)裂隙已貫通；當(dāng)某一監(jiān)測(cè)范圍及其上覆巖層不再產(chǎn)生新的聲波活動(dòng)或新的裂隙時(shí)，表明該區(qū)域范圍宏觀裂隙已飽和；k.聲波活動(dòng)或裂隙豐富的區(qū)域頂部是高效抽采卸壓瓦斯的鉆孔終孔合理位置； 采空區(qū)頂板裂隙從煤層頂板由下而上、從采空區(qū)傾向中心區(qū)域向外逐漸發(fā)展，并隨采動(dòng)向前及時(shí)跟進(jìn)時(shí)，表明該采空區(qū)頂板冒落良好；當(dāng)工作面后方20米以上的范圍在推進(jìn)后無(wú)明顯的聲波活動(dòng)時(shí)，表明該采空區(qū)頂板冒落性不好。通過(guò)連續(xù)監(jiān)測(cè)及分析，就可以反映出采動(dòng)裂隙或震動(dòng)的產(chǎn)生與分布及其隨時(shí)間和空間位置的變化規(guī)律，這為礦壓觀測(cè)、覆巖活動(dòng)、采空區(qū)頂板冒落、動(dòng)力災(zāi)害預(yù)報(bào)及瓦斯抽采等提供基礎(chǔ)依據(jù)。本發(fā)明可實(shí)現(xiàn)采動(dòng)裂隙演化與分布連續(xù)監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集、數(shù)據(jù)遠(yuǎn)距離傳輸、數(shù)據(jù)自動(dòng)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)自動(dòng)分析、實(shí)時(shí)反映采動(dòng)裂隙產(chǎn)生、分布及其隨采動(dòng)、時(shí)間和空間的演化規(guī)律、本質(zhì)安全防爆等功能。也可應(yīng)用于沖擊地壓(巖爆)、煤與瓦斯突出和突水等煤巖動(dòng)力災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)。防爆聲波監(jiān)測(cè)儀的主要技術(shù)指標(biāo)1)聲波傳感器主要技術(shù)指標(biāo)聲發(fā)射傳感器帶寬1kHz 15kHz ；微震動(dòng)傳感器帶寬0. 5Hz IkHz ；2)信號(hào)轉(zhuǎn)換與數(shù)據(jù)采集儀主要技術(shù)指標(biāo)(1)通道數(shù)4，8或16通道；(2)輸入數(shù)據(jù)型式4 20mA，_5 5V，1 5V或200_3000Hz信號(hào)，可選；(3)信號(hào)輸出方式RS485，CAN總線或光纖；(4)防爆型式本質(zhì)安全型。地面監(jiān)測(cè)分析中心主要技術(shù)指標(biāo)(1)可連接分站或防爆聲波監(jiān)測(cè)儀數(shù)1 16個(gè)，安裝16通道聲波監(jiān)測(cè)儀時(shí)可采集1 256路數(shù)據(jù)；(2)輸入數(shù)據(jù)型式-5 5V或-10-10V信號(hào)，可選。
權(quán)利要求
1.一種礦山采動(dòng)裂隙演化與分布監(jiān)測(cè)裝置，包括多個(gè)防爆聲波監(jiān)測(cè)儀(A)、給防爆聲波監(jiān)測(cè)儀(A)供電的防爆電源(13)、地面通訊接口(14)和地面監(jiān)測(cè)分析中心(C)，其特征在于所述的防爆聲波監(jiān)測(cè)儀(A)包括多個(gè)聲波傳感器(1)和信號(hào)轉(zhuǎn)換與數(shù)據(jù)采集儀(B)； 所述的信號(hào)轉(zhuǎn)換與數(shù)據(jù)采集儀(B)包括多個(gè)輸入接口 O)、信號(hào)轉(zhuǎn)換電路(3)、與信號(hào)轉(zhuǎn)換電路⑶的輸出端連接的A/D轉(zhuǎn)換電路(5)、與A/D轉(zhuǎn)換電路(5)連接的CPU處理器(6)，在 CPU處理器(6)上分別連接有時(shí)鐘電路(7)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器(8)、程序存儲(chǔ)器(9)、顯示器(10)、 RS485接口(11)和光纖接口(1 ；所述的多個(gè)聲波傳感器(1)分別和信號(hào)轉(zhuǎn)換與數(shù)據(jù)采集儀(B)的對(duì)應(yīng)的各輸入接口( 連接；所述的地面監(jiān)測(cè)分析中心(C)包括與地面通訊接口 (14)相連的地面監(jiān)測(cè)中心站(1 和與地面監(jiān)測(cè)中心站(1 相連的終端計(jì)算機(jī)(16)；信號(hào)轉(zhuǎn)換與數(shù)據(jù)采集儀(B)的光纖接口(1 通過(guò)光纖、交換機(jī)與地面通訊接口(14)連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的采動(dòng)裂隙演化與分布監(jiān)測(cè)裝置，其特征在于所述的聲波傳感器⑴至少為4個(gè)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的礦山采動(dòng)裂隙演化與分布監(jiān)測(cè)裝置，其特征在于所述的聲波傳感器(1)為聲發(fā)射傳感器或微震動(dòng)傳感器。
4.一種礦山采動(dòng)裂隙演化與分布監(jiān)測(cè)方法，其特征在于使用權(quán)利要求1所述的礦山采動(dòng)裂隙演化與分布監(jiān)測(cè)裝置，包括如下步驟a.根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際需要確定在礦井范圍內(nèi)的監(jiān)測(cè)區(qū)域，在監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)的采掘空間確定聲波傳感器(1)的安裝位置；b.根據(jù)監(jiān)測(cè)距離及精度選定聲波傳感器當(dāng)安裝聲波傳感器(1)位置離回采、掘進(jìn)、頂板活動(dòng)等聲源或震動(dòng)源距離< 300m、且監(jiān)測(cè)精度要求< 5m時(shí)，選用聲發(fā)射傳感器；當(dāng)安聲波傳感器(1)位置離回采、掘進(jìn)、頂板活動(dòng)等聲源或震動(dòng)源距離> 300m時(shí)，選用微震動(dòng)傳感器；c.￠^1/ 板、槲干末端或鉆孔中安裝聲波傳麵⑴，使聲波傳麵⑴與煤巖體進(jìn)行華禹合；d.將各個(gè)聲波傳感器(1)與信號(hào)轉(zhuǎn)換與數(shù)據(jù)采集儀(B)連接，信號(hào)轉(zhuǎn)換與數(shù)據(jù)采集儀 (B)通過(guò)光纖、交換機(jī)、地面通訊接口(14)和地面監(jiān)測(cè)分析中心(1 連接；在地面監(jiān)測(cè)中心站軟件中設(shè)置好各傳感器的位置及聲波傳播參數(shù)；將防爆電源(1 與防爆聲波監(jiān)測(cè)儀連接，并打開(kāi)防爆聲波監(jiān)測(cè)儀的電源開(kāi)關(guān)，防爆聲波監(jiān)測(cè)儀開(kāi)始工作；e.煤巖體受采動(dòng)影響或應(yīng)力作用下產(chǎn)生裂隙及聲波活動(dòng)，被震源周邊的聲波傳感器 (1)接收后，聲波信號(hào)由防爆聲波監(jiān)測(cè)儀高速采集、存儲(chǔ)，并顯示聲波信號(hào)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)；同時(shí)將聲波數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸給地面監(jiān)測(cè)中心站(15)；f.地面監(jiān)測(cè)中心站(1 通過(guò)軟件根據(jù)各通道波形的初到時(shí)刻進(jìn)行聲波信號(hào)源定位， 自動(dòng)計(jì)算聲波活動(dòng)事件的能量、強(qiáng)度、振鈴數(shù)、主頻率和信號(hào)持續(xù)時(shí)間，并統(tǒng)計(jì)單位時(shí)間內(nèi)的事件數(shù)、總能量、平均強(qiáng)度和總振鈴數(shù)；定位的聲波信號(hào)源即為采動(dòng)裂隙的位置，聲波活動(dòng)事件的能量大小表示等效的采動(dòng)裂隙的大??；g.在終端計(jì)算機(jī)的平面、剖面或立體圖中自動(dòng)顯示及標(biāo)示采動(dòng)裂隙的位置和大小，在終端計(jì)算機(jī)上以圖或列表的形式顯示聲波活動(dòng)事件的能量、強(qiáng)度、振鈴數(shù)、主頻率和信號(hào)持續(xù)時(shí)間，以及在空間上的分布和隨時(shí)間的變化，并顯示單位時(shí)間內(nèi)聲波活動(dòng)的事件數(shù)、總能量、平均強(qiáng)度和總振鈴數(shù)。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種礦山采動(dòng)裂隙演化與分布監(jiān)測(cè)裝置及方法，通過(guò)監(jiān)測(cè)煤巖破裂產(chǎn)生的聲波或振動(dòng)的方法監(jiān)測(cè)采動(dòng)裂隙的產(chǎn)生、演化及分布。主要包括防爆聲波監(jiān)測(cè)儀、防爆電源和地面監(jiān)測(cè)分析中心。防爆聲波監(jiān)測(cè)儀由聲波傳感器、信號(hào)轉(zhuǎn)換與數(shù)據(jù)采集儀組成。在巷道底板、錨桿末端或鉆孔中安裝聲波傳感器，聲波傳感器監(jiān)測(cè)到的聲波或振動(dòng)信號(hào)由信號(hào)轉(zhuǎn)換與數(shù)據(jù)采集儀采集和處理，通過(guò)光纖端口傳輸?shù)降孛姹O(jiān)測(cè)分析中心進(jìn)行處理及定位、定量分析，并按位置和大小標(biāo)注于平面、剖面或立體圖中，以此表示裂隙的位置和大小。有益效果是監(jiān)測(cè)范圍大，監(jiān)測(cè)信息全面、量大，自動(dòng)化程度高，實(shí)時(shí)性強(qiáng)。也可應(yīng)用于沖擊地壓、煤與瓦斯突出和突水等煤巖動(dòng)力災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)。
文檔編號(hào)G01V1/22GK102298154SQ20111010917
公開(kāi)日2011年12月28日 申請(qǐng)日期2011年4月20日 優(yōu)先權(quán)日2011年4月20日
發(fā)明者王喜元, 王恩元, 許福樂(lè) 申請(qǐng)人:徐州福安科技有限公司