一種基于皮帶機(jī)的煤礦工作面實(shí)時(shí)探測系統(tǒng)及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種探測系統(tǒng)及方法，屬于煤礦工作面應(yīng)力監(jiān)控領(lǐng)域，具體涉及一種基于皮帶機(jī)的煤礦工作面實(shí)時(shí)探測系統(tǒng)及方法。
【背景技術(shù)】
[0002]采煤工作掏空地下部分煤層后會(huì)引起劇烈的應(yīng)力調(diào)整，對(duì)工作面應(yīng)力調(diào)整情況的實(shí)時(shí)探測，能夠有效預(yù)警災(zāi)害事故。煤礦工作面的地質(zhì)災(zāi)害主要包括頂板的冒落、瓦斯突出、承壓水的突出等，這些災(zāi)害的發(fā)生主要是因?yàn)殚_采活動(dòng)打破了工作面巖層原有的應(yīng)力平衡，巨大的上覆地層壓力在采空部位失去了支撐，應(yīng)力不斷重新調(diào)整，在采空區(qū)域的邊界上形成了明顯的應(yīng)力集中區(qū)，采空區(qū)域的底板有向上拱起的應(yīng)力。強(qiáng)烈的應(yīng)力改變會(huì)在應(yīng)力集中區(qū)或巖層的薄弱帶形成裂隙，而且裂隙往往會(huì)逐步相互連通，最終造成瓦斯或水的突出，或頂板冒落。
[0003]現(xiàn)有技術(shù)中，通常使用鉆孔應(yīng)力儀測量應(yīng)力變化，然而這種方法只能測量局部變化，利用地震方法能解決應(yīng)力的全工作面掃描問題。應(yīng)力的變化無法直接由地震學(xué)方法測得，不過可以利用地震波速度的變化間接得到。完整巖石的波速由巖石的密度和楊氏模量決定，應(yīng)力變化可以對(duì)楊氏模量造成比較明顯的改變，從而能夠間接改變巖石的局部波速。對(duì)于有裂隙或孔隙的介質(zhì)，應(yīng)力造成裂隙等的閉合對(duì)波速的影響比較顯著。如果巖層中存在流體飽和的裂隙或孔隙，橫波和縱波的速度比會(huì)有比較大的差異，與縱波相比，橫波速度對(duì)于流體的存在不太敏感，因而利用縱橫波速比的變化不僅能夠探測應(yīng)力的變化，而且可以發(fā)現(xiàn)介質(zhì)各向異性性質(zhì)的改變。由于煤層相對(duì)于圍巖軟弱易變形，它的波速變化對(duì)應(yīng)力變化的反應(yīng)能力更強(qiáng)，因此利用地震方法實(shí)時(shí)監(jiān)測頂、底板和煤層的波速改變，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)工作面巖層應(yīng)力變化的全面掃描。
[0004]利用地震方法監(jiān)測巖層介質(zhì)參數(shù)的變化，要求震源和檢波器盡量固定不變，因?yàn)閹r層介質(zhì)的改變本身是微弱的，測量條件的穩(wěn)定性對(duì)于介質(zhì)變化的探測至關(guān)重要。檢波器固定安裝在相同的位置上很容易做到，而要得到一個(gè)可重復(fù)激發(fā)的震源則不太容易。通常的炸藥震源都會(huì)破壞炮孔，再次激發(fā)需要重新打孔，兩次的孔位會(huì)有一些差異，重復(fù)性比較差，更不可能實(shí)現(xiàn)長期監(jiān)測。長期監(jiān)測的震源要能多次重復(fù)激發(fā)、對(duì)礦井下設(shè)施無損害，最好還能不影響正常的采煤作業(yè)。錘擊等方法可重復(fù)使用但能量太低。采煤機(jī)也可以作為震源，缺點(diǎn)是位置不固定，且只局限在切眼內(nèi)。皮帶運(yùn)輸機(jī)發(fā)出的機(jī)械噪音具有高能量、寬頻帶的特點(diǎn)，且能隨采掘?qū)崟r(shí)發(fā)射，利用地震干涉方法將其實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)化為虛炮集，是工作面四維地震掃描的理想震源。針對(duì)工作面預(yù)警遇到的難題和皮帶機(jī)作為一種有效震源的特點(diǎn)，我們研究出了以皮帶機(jī)為震源的煤礦工作面實(shí)時(shí)探測預(yù)警方法。為了加強(qiáng)皮帶機(jī)震源的能量，設(shè)計(jì)了一種附加擊震器支架，既不影響支架系統(tǒng)原有的穩(wěn)固性，又能持續(xù)激發(fā)出更高能量的地震波。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的是解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的震源可重復(fù)激發(fā)難度大，難以實(shí)現(xiàn)工作面的長期實(shí)時(shí)監(jiān)測的技術(shù)問題，提供了一種基于皮帶機(jī)的煤礦工作面實(shí)時(shí)探測系統(tǒng)及方法。該系統(tǒng)及方法將安裝在工作面運(yùn)順巷內(nèi)的皮帶機(jī)作為震源，在運(yùn)順巷和工作面另外一側(cè)的回風(fēng)巷都布置地震檢波器，通過記錄一定時(shí)間長度的震動(dòng)，從而獲得信噪比較高的地震炮集，經(jīng)層析成像處理得到工作面的速度分布CT，將各個(gè)時(shí)間段的工作面CT連起來形成隨時(shí)間變化的“云圖”，就能夠發(fā)現(xiàn)應(yīng)力調(diào)整的異常區(qū)，發(fā)出預(yù)警信號(hào)。因此，該系統(tǒng)及方法可以實(shí)現(xiàn)全工作面的長期實(shí)時(shí)應(yīng)力掃描。
[0006]為了解決上述問題，根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供了一種基于皮帶機(jī)的煤礦工作面實(shí)時(shí)探測系統(tǒng)，包括:
[0007]皮帶機(jī)，用于產(chǎn)生可重復(fù)激發(fā)的聲波信號(hào)；
[0008]檢波器，用于在探測區(qū)域內(nèi)接收皮帶機(jī)所發(fā)出的聲波信號(hào)；
[0009]數(shù)據(jù)處理設(shè)備，用于將檢波器所接收到的聲波信號(hào)轉(zhuǎn)換為虛炮集并利用所述虛炮集對(duì)工作面進(jìn)行CT成像。
[0010]優(yōu)化的，上述的一種基于皮帶機(jī)的煤礦工作面實(shí)時(shí)探測系統(tǒng)，還包括安裝于所述皮帶機(jī)上的擊震器支架，所述擊震器支架包括:連接于皮帶機(jī)橫梁上的上支架、固定于底板上的下支架，所述上支架和所述下支架相對(duì)的一端套接在一起并且間隙配合。
[0011]為了解決上述問題，根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，提供了一種基于皮帶機(jī)的煤礦工作面實(shí)時(shí)探測方法，包括利用地震干涉法對(duì)工作面進(jìn)行探測，所述地震探測法中以皮帶機(jī)為震源。
[0012]優(yōu)化的，上述的一種基于皮帶機(jī)的煤礦工作面實(shí)時(shí)探測方法，包括以下步驟:
[0013]數(shù)據(jù)采集步驟，用于利用安裝于監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的檢波器采集皮帶機(jī)發(fā)出的聲彈性波信號(hào);
[0014]數(shù)據(jù)處理步驟，用于利用地震干涉法將皮帶機(jī)的聲波信號(hào)轉(zhuǎn)化為虛炮集，通過虛炮集對(duì)工作面進(jìn)行CT成像，按時(shí)間順序?qū)T圖像組織成應(yīng)力調(diào)整云圖和差分云圖；
[0015]數(shù)據(jù)分析步驟，用于通過所述應(yīng)力調(diào)整云圖和所述差分云圖對(duì)可能的災(zāi)害類型和位置做出判斷及預(yù)警。
[0016]優(yōu)化的，上述的一種基于皮帶機(jī)的煤礦工作面實(shí)時(shí)探測方法，所述數(shù)據(jù)處理步驟具體包括:
[0017]虛炮集轉(zhuǎn)換子步驟，利用互相關(guān)干涉技術(shù)把皮帶機(jī)的聲波信號(hào)轉(zhuǎn)化為有效地震信號(hào)，得到從運(yùn)順巷透射到回風(fēng)巷的虛炮集；再利用多維反褶積干涉壓縮虛炮集的點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)，得到高分辨率的虛炮集；
[0018]CT成像子步驟，用于將虛炮集射線在工作面內(nèi)交叉覆蓋從而對(duì)工作面進(jìn)行CT成像；
[0019]圖像處理子步驟，將CT圖像按時(shí)間排列形成工作面應(yīng)力調(diào)整云圖，將初始CT圖像與其后續(xù)CT圖像進(jìn)行差分得到差分云圖。
[0020]優(yōu)化的，上述的一種基于皮帶機(jī)的煤礦工作面實(shí)時(shí)探測方法，所述CT成像子步驟中，對(duì)回風(fēng)巷頂板和/或底板進(jìn)行成像時(shí)，取回風(fēng)巷頂板和/或底板橫波，計(jì)算回風(fēng)巷頂板和/或底板橫波靈敏度核函數(shù)，進(jìn)行有限頻率層析成像。
[0021]優(yōu)化的，上述的一種基于皮帶機(jī)的煤礦工作面實(shí)時(shí)探測方法，所述CT成像子步驟中，對(duì)煤層進(jìn)行成像時(shí)，取煤層槽波，計(jì)算煤層槽波靈敏度核函數(shù)，進(jìn)行有限頻率層析成像。
[0022]優(yōu)化的，上述的一種基于皮帶機(jī)的煤礦工作面實(shí)時(shí)探測方法，所述的CT反演算法選自貝葉斯反演、ART、SIRT算法。
[0023]因此，本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn):
[0024](I)能夠?qū)崟r(shí)和長期監(jiān)測:采用皮帶機(jī)作為震源，可重復(fù)激發(fā)，從而實(shí)現(xiàn)全工作面的實(shí)時(shí)應(yīng)力掃描和監(jiān)測預(yù)警。
[0025](2)適用面廣并且成本低:皮帶機(jī)是各個(gè)工作面都利用的運(yùn)輸工具，所以本方法適用面很廣并且成本低，同時(shí)增加了附加擊震器支架后激發(fā)地震波的效率更高，適用面得到進(jìn)一步提尚。
[0026](3)無需要改造和破壞工作面:除了添加附加擊震器支架、數(shù)據(jù)采集和傳輸系統(tǒng)夕卜，不會(huì)對(duì)工作面進(jìn)行任何改造或破壞。
[0027](4)能夠判斷垂向上速度分布:利用有限頻率層析成像能夠?qū)數(shù)装逶诖瓜蛏弦欢ǚ秶鷥?nèi)介質(zhì)的速度分布也做出判斷，而通常的到時(shí)層析成像在這種信號(hào)采集條件下只能做出水平面二維CT結(jié)果。
[0028](5)展示方式直觀便于判斷:利用CT “云圖”方式展示結(jié)果，方便煤礦一線的地質(zhì)分析人員直觀快速的做出判斷。
【附圖說明】
[0029]圖1本發(fā)明的采煤工作面及檢波器布置示意圖；
[0030]圖2本發(fā)明的附加擊震器支架結(jié)構(gòu)及安裝示意圖；
[0031]圖3本發(fā)明的皮帶機(jī)震動(dòng)信號(hào)干涉得到的虛炮集；
[0032]圖4本發(fā)明的利用虛炮集得到的第一天的CT；
[0033]圖5本發(fā)明的利用虛炮集得到的第二天的CT。
【具體實(shí)施方式】
[0034]下面通過實(shí)施例，并結(jié)合附圖，對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步具體的說明。
[0035]圖中，擊震器支架1，上支架2，下支架3，擊震器間隙4，皮帶機(jī)橫梁5，皮帶機(jī)支架6，皮帶7，巷道底板8。
[0036]實(shí)施例1:
[0037]本實(shí)施例的基于皮帶機(jī)的煤礦工作面實(shí)時(shí)探測系統(tǒng)及方法主要分為數(shù)據(jù)采集與傳輸、數(shù)據(jù)處理兩個(gè)部分，分別介紹如下。