專利名稱：一種用于煤礦頂板聲發(fā)射監(jiān)測的單元結(jié)構(gòu)的制作方法
一種用于煤礦頂板聲發(fā)射監(jiān)測的單元結(jié)構(gòu)
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及巖層信號監(jiān)測儀器儀表和傳感器及電路設(shè)計領(lǐng)域，具體涉及一種低成本、可以密集布局監(jiān)測點的煤礦冒頂前兆實時監(jiān)測方法。
背景技術(shù)：
煤礦開采時，礦區(qū)煤層頂板往往比較堅硬且不易垮塌，因此，礦區(qū)采空區(qū)往往呈現(xiàn)大面積的懸頂現(xiàn)象，有些采空區(qū)的懸頂面積甚至有幾個足球場那么大。由于采空了堅硬的頂板下的煤層，造成礦區(qū)煤層頂板壓力集中，當(dāng)集中應(yīng)力的強(qiáng)度超過巖石強(qiáng)度時，會發(fā)生頂板巖層斷裂、垮塌的現(xiàn)象，通常被稱作“冒頂”。這種冒頂落下的巖石，填充了采空區(qū)，壓縮采空區(qū)的空氣，形成暴風(fēng)。這種順勢的暴風(fēng)能量和威力極大，暴風(fēng)形成的沖擊波能將數(shù)噸重的井下設(shè)備掀起幾十米，甚至將井下礦車壓縮成一團(tuán)廢鐵。頂板巖層斷裂、垮塌現(xiàn)象的發(fā)生，給礦山造成了災(zāi)難性的人員傷亡和財產(chǎn)損失。對不同巖性的巖石進(jìn)行力學(xué)實驗，模擬頂部巖石從承受壓力到壓力將巖石壓斷的整個過程表明巖石材料在不同的應(yīng)力作用下，如在正常應(yīng)力狀態(tài)(承受應(yīng)力的大小沒有超過巖石或者材料的承受強(qiáng)度)、危險狀態(tài)(承受的應(yīng)力大小開始逐漸超過巖石或材料的承載強(qiáng)度，材料開始發(fā)生微小破壞)和破壞狀態(tài)(承受的應(yīng)力大小超過巖石或材料的最大承載強(qiáng)度，材料開始發(fā)生明顯破壞)時，巖石產(chǎn)生的聲發(fā)射信號數(shù)量差異很大。聲發(fā)射是指在固體材料內(nèi)由于能量的迅速釋放而產(chǎn)生瞬時彈性波的現(xiàn)象。聲發(fā)射與材料中的局部不穩(wěn)定狀態(tài)有關(guān)，它是材料中局部能量再分布的結(jié)果。這種能量的再分布往往是材料損壞前的征兆。因此，可以利用聲發(fā)射來研究固體材料，也可用作對材料進(jìn)行無損檢測的一種方法。聲發(fā)射檢測技術(shù)是以聲發(fā)射現(xiàn)象為依據(jù)發(fā)展起來的，有著多方面的應(yīng)用。產(chǎn)生聲發(fā)射的源是一種微動態(tài)變形的過程，例如雙晶的形成、馬氏體相變、位錯斷裂和空位聚合等現(xiàn)象。在許多材料中由于范性形變而引起的整體沉陷會產(chǎn)生聲發(fā)射。在交錯的位錯聚合處產(chǎn)生破裂核心也是導(dǎo)致聲發(fā)射的原因。有些情形下，如晶粒間或晶粒內(nèi)的斷口、脆裂和破裂擴(kuò)展都會發(fā)生較大的聲發(fā)射。聲發(fā)射大多由一系列的聲脈沖波組成，在一定時間內(nèi)聲脈沖的強(qiáng)度和數(shù)目的多少往往是判斷聲發(fā)射情況的依據(jù)。用聲發(fā)射技術(shù)檢測材料時，被檢測的材料必須在一定的條件下才能激發(fā)材料中的異常處并使之產(chǎn)生聲發(fā)射的脈沖波。一般的辦法是在材料上外加負(fù)載。在焊接的過程中， 材料中的熱循環(huán)、熔化和凝結(jié)都會有聲發(fā)射的現(xiàn)象產(chǎn)生。材料中殘余應(yīng)力的釋放也可產(chǎn)生聲發(fā)射。在一些情形下，聲發(fā)射是可以聽到的。例如，巖石破裂前或木材斷裂前發(fā)出的聲音。聲發(fā)射的脈沖波有豐富的頻率成分，大多頻率在千赫到兆赫之間的范圍內(nèi)。

發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的主要目的就是解決現(xiàn)有技術(shù)中的問題，提供一種實時監(jiān)測煤礦頂板巖層聲發(fā)射的單元結(jié)構(gòu)，具有低成本、易安裝維護(hù)的特性，適合大區(qū)域密集分布。為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明公開一種實時監(jiān)測煤礦頂板巖層聲發(fā)射變化的監(jiān)測單元結(jié)構(gòu)，其特征在于包括至少一個共聚物壓電巖層聲發(fā)射傳感單元，一個處理單元。所述共聚物壓電巖層聲發(fā)射傳感單元與處理單元互聯(lián)，共聚物壓電巖層聲發(fā)射傳感單元實時獲得 IOOHz到IMHz巖層聲發(fā)射的信號，通過無源電纜(比如，可在直埋時防水、低電容(如89pF/ m)、可達(dá)IOOm或更長的超強(qiáng)韌性高密度聚乙烯(HDPE)電纜)連接到處理單元，處理單元完成信號采樣和數(shù)字化等預(yù)處理并將處理后的數(shù)據(jù)再通過無線或有線廣域通信網(wǎng)發(fā)送出去。本發(fā)明公開的監(jiān)測單元結(jié)構(gòu)能夠根據(jù)需要置入頂板巖層0. 1米至1米范圍內(nèi)的任何深度，實時連續(xù)監(jiān)測所處位置IOOHz到IMHz的巖層聲發(fā)射信號的變化；也能夠通過將傳感器安裝在與頂板巖層緊密接觸的支撐結(jié)構(gòu)(如錨桿)上，達(dá)到連續(xù)監(jiān)測巖層聲發(fā)射信號變化的目的。監(jiān)測單元結(jié)構(gòu)可以實時連續(xù)監(jiān)測的時間精度和間隔(從毫秒到秒到分)和采樣精度(16位到M位)等均可由用戶設(shè)置。監(jiān)測單元結(jié)構(gòu)具有較低成本，能夠大區(qū)域、高密集布局，易于安裝維護(hù)的優(yōu)勢和特
點ο共聚物壓電巖層聲發(fā)射傳感單元的感知或檢測原理是壓電材料是一種經(jīng)特殊加工后能將動能轉(zhuǎn)化成電能的材料。一些聚合體材料，例如共聚物(PVDF-TrFE)使這一特性有了很大提高。壓電材料在受機(jī)械沖擊或振動時產(chǎn)生電荷。在原子層，偶極子(氫-氟偶對)的排列順序被打亂，并試圖使其恢復(fù)原來的狀態(tài)。這個偶極子被打亂的結(jié)果就是有一個電子流形成。就像海綿中的水，當(dāng)你擠壓一塊濕海綿時， 水會從海綿中流出來，當(dāng)你松開時，水又被吸回去，這同壓電應(yīng)力變化傳感單元十分相似。 當(dāng)有應(yīng)力施加到傳感單元上時，就產(chǎn)生了電荷(電壓)，而當(dāng)去掉負(fù)載時，就會產(chǎn)生一個相反極性的信號。它產(chǎn)生的電壓可以相當(dāng)高，但傳感單元產(chǎn)生的電流卻比較小。共聚物壓電巖層聲發(fā)射傳感單元的檢測原理就是如此，頂板巖層處于正常狀態(tài)， 即巖層強(qiáng)度高于巖層承載力時，巖層聲發(fā)射信號產(chǎn)生強(qiáng)度和頻率都??；頂板巖層處于危險狀態(tài)，即巖層強(qiáng)度接近于巖層承載力時，巖層聲發(fā)射信號的強(qiáng)度和頻率增高；頂板巖層處于冒頂前，就會產(chǎn)生大量高強(qiáng)度的巖層聲發(fā)射信號，以此可進(jìn)行冒頂預(yù)報和分析。本發(fā)明的有益效果是本發(fā)明采用一種共聚物壓電巖層聲發(fā)射傳感單元和處理單元，完成煤礦頂板巖層聲發(fā)射信號變化的實時監(jiān)測，成本低，結(jié)構(gòu)可靠，安裝維護(hù)容易，適宜建立大區(qū)域高密集度的巖層聲發(fā)射實時監(jiān)測點，從而有助于煤礦冒頂?shù)姆治龊皖A(yù)報。同時，本發(fā)明的實時監(jiān)測巖層聲發(fā)射的監(jiān)測單元，能夠通過有線通信網(wǎng)，將檢測數(shù)據(jù)發(fā)送出去，這樣可以在任何地方建立監(jiān)測中心，接收任意大區(qū)域的監(jiān)測單元發(fā)送的數(shù)據(jù)， 形成一個大區(qū)域的巖層聲發(fā)射變化圖像，進(jìn)行煤礦冒頂分析和預(yù)報。
具體實施方式
和

本申請的特征及優(yōu)點將通過實施例進(jìn)行補(bǔ)充說明。圖1是一個球形監(jiān)測單元結(jié)構(gòu)示意圖，包括一個直徑IOcm的金屬球保護(hù)層，該金屬球內(nèi)壁附著一層用于監(jiān)測巖層聲發(fā)射信號的共聚物壓電薄膜傳感器。金屬球上開一個小口，用于將內(nèi)部傳感器的電極引出，引出后通過無源電纜連接處理單元。
圖2是一個球形監(jiān)測單元安裝示意圖，球形監(jiān)測單元的主結(jié)構(gòu)放入頂板巖層的開口中，用膠灌封后傳感器與巖層能夠很好地結(jié)合在一起，無源電纜伸入巖層連接壓電薄膜， 處理單元負(fù)責(zé)收集壓電薄膜信號并向外發(fā)送信息。圖3是一個層狀監(jiān)測單元結(jié)構(gòu)示意圖，包括一個多層結(jié)構(gòu)的壓電薄膜傳感器，從上到下分別為保護(hù)層、電極片、共聚物壓電薄膜、電極片、保護(hù)層。由于整個多層結(jié)構(gòu)采用柔性材料制成，因此該傳感器能夠以彎折方式適應(yīng)物體表面圖4是一個層狀監(jiān)測單元結(jié)構(gòu)的安裝示意圖，錨桿錨入巖層頂板，錨桿尾部用傳感器包裹并上膠固定，無源電纜連接傳感器和處理單元。這種安裝方式靈活、簡易、環(huán)境適應(yīng)性好。以上內(nèi)容是結(jié)合具體的優(yōu)選實施方式對本發(fā)明所作的進(jìn)一步詳細(xì)說明，不能認(rèn)定本發(fā)明的具體實施只局限于這些說明。對于本發(fā)明所屬技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干簡單推演或替換，都應(yīng)當(dāng)視為屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.一種實時監(jiān)測煤礦頂板巖層聲發(fā)射變化的監(jiān)測單元結(jié)構(gòu)，其特征在于包括至少一個共聚物壓電巖層聲發(fā)射傳感單元，一個處理單元。所述共聚物壓電巖層聲發(fā)射傳感單元與處理單元互聯(lián)，共聚物壓電巖層聲發(fā)射傳感單元實時獲得IOOHz到IMHz巖層聲發(fā)射的信號，通過無源電纜(比如，可在直埋時防水、低電容(如89pF/m)、可達(dá)IOOm或更長的超強(qiáng)韌性高密度聚乙烯(HDPE)電纜)連接到處理單元，處理單元完成信號采樣和數(shù)字化等預(yù)處理，并將處理后的數(shù)據(jù)再通過無線或有線廣域通信網(wǎng)發(fā)送出去。
2.如權(quán)利要求1所述的共聚物壓電巖層聲發(fā)射傳感單元結(jié)構(gòu)，其特征在于能夠根據(jù)需要置入頂板巖層0. 1米至1米范圍內(nèi)的任何深度，可實時連續(xù)監(jiān)測所處位置IOOHz到 IMHz的巖層聲發(fā)射信號的變化。
3.如權(quán)利要求1所述的共聚物壓電巖層聲發(fā)射傳感單元結(jié)構(gòu)，其特征在于能夠通過將傳感器安裝在與頂板巖層緊密接觸的支撐結(jié)構(gòu)(如錨桿)上，達(dá)到連續(xù)監(jiān)測巖層聲發(fā)射信號變化的目的。
4.如權(quán)利要求2所述的共聚物壓電巖層聲發(fā)射傳感單元結(jié)構(gòu)，其特征在于實時連續(xù)監(jiān)測的時間精度和間隔(從毫秒到秒到分)和采樣精度(16位到對位)等均可由用戶設(shè)置。
5.如權(quán)利要求1所述的實時監(jiān)測巖層活動變化的監(jiān)測單元結(jié)構(gòu)，其特征在于具有較低成本，能夠大區(qū)域、高密集布局，易于安裝維護(hù)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種用于煤礦頂板巖層聲發(fā)射監(jiān)測的單元結(jié)構(gòu)，包括至少一個共聚物壓電巖層聲發(fā)射傳感單元，一個處理單元。傳感單元獲得100Hz到1MHz巖層聲發(fā)射信號強(qiáng)度的變化，經(jīng)過無源電纜(比如，可在直埋時防水、低電容、可達(dá)100m或更長的超強(qiáng)韌性高密度聚乙烯電纜)連接到處理單元，一個處理單元可以連接多個傳感單元。傳感單元實時獲得地頂板巖層聲發(fā)射信號，處理單元進(jìn)行信號采集、預(yù)處理，并將預(yù)處理的數(shù)據(jù)通過無線或有線方式傳輸出去。本發(fā)明具有采樣周期、采樣精度、傳輸數(shù)據(jù)時間間隔可配置、可編程的靈活性，安裝操作簡便并具有良好的煤礦巷道惡劣條件適應(yīng)性，能夠支撐大區(qū)域的密集安裝。
文檔編號E21F17/18GK102182512SQ201110057898
公開日2011年9月14日 申請日期2011年3月10日 優(yōu)先權(quán)日2011年3月10日
發(fā)明者馮曉星, 楊欣, 王新安, 王金泊, 葛彬杰 申請人:北京大學(xué)深圳研究生院, 深圳思量微系統(tǒng)有限公司