專利名稱：一種實時監(jiān)測礦井頂板巖層或混凝土結構穩(wěn)定性的裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種監(jiān)測裝置，具體來說是礦井頂板巖層穩(wěn)定性或混凝土結構穩(wěn)定性的實時 監(jiān)測裝置。
背景技術：
從地下礦井中開采礦石,尤其地下開采煤礦時，礦區(qū)煤層頂板往往比較堅硬、完整，不容 易跨塌，因此，礦區(qū)采空區(qū)往往呈現大面積的懸頂現象，有些采空區(qū)懸頂面積有幾個足球場大。 由于采空了堅硬頂板下的煤層，從而造成了礦區(qū)煤層頂板壓力集中現象，當集中應力的強度 超過巖石強度時，會發(fā)生頂板巖層斷裂、跨塌的情況發(fā)生，這種突然"冒頂"落下的巖石， 充填采空區(qū)，壓縮采空區(qū)的空氣(采空遺留著大量的殘采煤層，由于通風不暢，在采空區(qū)集 聚著瓦斯、 一氧化碳等有毒有害氣體)，形成暴風，這種瞬間形成的暴風，能量極大，暴風的 沖擊波能將數噸重的井下設備掀出幾十米，甚至將井下礦車壓縮成一團廢鐵。因此，頂板巖 層斷裂、跨塌現象的發(fā)生，常常給礦山造成災難性的人員傷亡、財產損失。
為了防止煤礦大面積冒頂事故的突然發(fā)生，通常采用頂板壓力傳感器、頂板位移傳感器 和頂板離層傳感器，通過測定頂板壓力的大小、頂板位移量和頂板離層值，預測發(fā)生大面積 冒落的危險性。這種方法測定的數據雖然比較直觀，能夠說明監(jiān)測區(qū)域承受的壓力大小和下 沉量，但是這種方法是在巖層已經發(fā)生了明顯破壞、出現塑性變形的情況下，才能檢測到數 據的變化，而對需要監(jiān)測的局域內巖層結構，無法進行早期預報或安全處理，很難及時的預 測頂板巖層會發(fā)生冒頂事故的具體時間以及可能發(fā)生事故的區(qū)域和規(guī)模。即，傳統(tǒng)方法監(jiān)測 的僅僅是巖石在應力作用下產生的結果，而不是破壞過程。
同樣，對于鋼筋混凝土工程而言，如地鐵隧道、車站、大壩、橋梁及人員活動密集的高 樓大廈等，其安全性和穩(wěn)定性監(jiān)測的傳統(tǒng)監(jiān)測方法是混凝土澆灌前，在主要受力承載點的 鋼筋上，采用粘貼應力、應變片的方法，監(jiān)測這些工程的穩(wěn)定性。該方法雖然可以直接測量 出應力和應變的變化情況，但一旦埋設，無法更改，如果元件失效了，就無法再繼續(xù)測量了。 而對于沒有預埋應力、應變片的工程而言，則無法進行該監(jiān)測工作。鋼筋混凝土工程的這種 監(jiān)測方法，只有在已經發(fā)生了明顯破壞、出現塑性變形的情況下，才能檢測到數據的變化， 其無法進行早期預報或安全處理——很難及時地預測混凝土結構什么時間會發(fā)生冒頂、斷裂 事故，以及可能發(fā)生事故的區(qū)域和規(guī)模。即，其監(jiān)測的仍然是應力作用的結果，而不是破壞
過程，只有材料發(fā)生了塑性變化，才造成應力、應變的變化。
發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于，提供一種實時監(jiān)測礦井頂板巖層或混凝土結構穩(wěn)定性的裝置，能夠 及時而可靠的對地下采礦區(qū)的頂板巖層之穩(wěn)定性乃至鋼筋、混凝土材料工程之穩(wěn)定性，實施 安全可靠的監(jiān)測。
本發(fā)明的構思來自傳統(tǒng)金屬材料監(jiān)測原理的啟發(fā)。傳統(tǒng)的金屬材料監(jiān)測技術的原理為 材料受到外力作用發(fā)生破壞時，會產生彈性應力波(微震信號)。由于材料是非均質性的，材 料結構都有弱面和瑕疵，因此，在破壞時能承受的應力大小各不相同，弱面和瑕疵發(fā)育的部 分首先破壞，此時產生的信號比較弱，釋放的能量也比較??；強度和材質比較好的部分承受 的應力比較大，破壞時產生的信號比較強，釋放的能量也比較大。利用金屬材料的這種特性， 開發(fā)的檢測材料穩(wěn)定性的方法，已經延用到火箭、飛機、高壓容器等制造業(yè)。
傳統(tǒng)的金屬材料的材質其剛性、強度、材質的均值性都大大優(yōu)于巖石或混混凝土材料， 因此，在應力作用下發(fā)生破壞時產生的彈性應力波信號(微震信號)，釋放的能量大、信號量 強、傳輸距離遠；傳統(tǒng)的金屬材料監(jiān)測技術，之所以能夠在金屬制造業(yè)中推廣應用，除上述 原因外，更由于對金屬材料監(jiān)測時，都是在一個安靜的測試環(huán)境中進行的，從而避免了環(huán)境 噪音的干擾。
巖石和混凝土材料其剛性、強度和材質的均值性都大大弱于金屬材料，其承載特性無法 與金屬材料相比；由于巖石和混凝土材料的均值性差，弱面多和瑕疵發(fā)育；因此，這種材料 受應力作用發(fā)生破壞時產生的彈性應力波信號(微震信號)十分微弱，持續(xù)時間短，僅有 20ms 60ms;而且礦井或混凝土工程的監(jiān)測，往往處于一種人多、機械多之噪音干擾很大的 環(huán)境，需要監(jiān)測、采集巖層或混凝土材料破壞的產生的彈性應力波信號(微震信號)十分微 弱；被埋沒在混雜的噪音信號之中。如何在如此強噪音的環(huán)境中，篩選出反映巖層或混凝土 結構破壞時產生的十分微弱的微震信號，長期以來一直是困擾著國內外研究者的一大難題。
本發(fā)明巧妙地將傳統(tǒng)金屬材料監(jiān)測原理，運用到礦井頂板巖層或混凝土結構穩(wěn)定性的監(jiān) 測中，并針對巖石和混凝土材料受應力作用發(fā)生破壞時產生的彈性應力波信號(微震信號) 弱，持續(xù)時間短的特點及其防止或濾除環(huán)境噪音的干擾的問題，做出實質性的突破。本發(fā)明 是這樣實現的
l.構成本發(fā)明主要由下述部件組成
1) 微震信號傳導桿——選擇微震信號的采集點，傳導微震信號
2) 微震信號傳感元件——接收微震信號，將微震信號轉變?yōu)殡娦盘枺?br>
3)微震信號采集分析主機——含有濾除環(huán)境噪音信號干擾的濾波電路、數據高速采樣 電路和采用人工智能技術實時分析礦井頂板巖層或混凝土結構穩(wěn)定性的專家診斷分析軟 件。
把上述實時數據和分析結果通過傳輸電纜傳送到地面實時監(jiān)控中心站；實現人機對話， 完成各種顯示、報警、報表輸出。
使用時，根據礦井中的環(huán)境條件、巖層特性進行安裝。打一個鉆孔，將微震信號傳導桿 插入煤層或巖層中；微震信號傳導桿的一端插入煤層或巖層中，微震信號傳導桿的另一端安 裝微震信號傳感元件，用屏蔽電纜線將傳感元件與微震信號采集分析主機相連，并通過通訊 電纜線將微震信號采集分析主機與地面中心站微機相連。
在混凝土結構的工程中，使用時，根據要監(jiān)測結構的特點，在可能的應力集中點，將微 震信號傳感元件安裝座固結在混凝土結構的表面上，其余器件安裝方法同上所述。
2. 環(huán)境噪音信號的濾除
研究發(fā)現所有的機械噪音信號有明顯的周期性，這是由機械設備運行的固有頻率 (運行速率)所決定的，機械噪音信號振幅和波形有一定的規(guī)律性。
從兩種信號的傳輸方向噪音信號產生在人工作業(yè)空間，而巖石或混凝土結構破壞 產生的微震信號來源于巖體或混凝土材料內部，傳輸方向正好相反。
兩種信號的頻譜范圍研究發(fā)現，機械噪音信號為高頻信號，是巖石或混凝土結構 破壞產生的微震信號之2 5倍；巖石或混凝土結構破壞產生的微震信號是低頻信號， 頻率范圍在130Hz 900Hz之間，主頻在250Hz 480H之間。
兩種的信號波形機械噪音信號是一個連續(xù)的、等幅的脈沖波；巖石或混凝土結構 破壞產生的微震信號是一個非連續(xù)的、非等幅的脈沖波，每次斷裂破壞時產生的微震信 號持續(xù)時間僅有20mS 60mS。
根據上述諸多特點，利用傳輸方向的不同，本發(fā)明開發(fā)了應用微震信號傳導桿接收 微震信號的技術；利用對信號頻率的研究成果，研發(fā)了跟隨轉換主頻在200Hz 500Hz 范圍內微震信號傳感、接收元件；利用波形的差異，開發(fā)了相應的硬件濾波電路和數據 高速采樣電路?；具_到了在各種人工和機械作業(yè)的環(huán)境中濾除環(huán)境噪音信號干擾、識別 出巖石微小斷裂釋放的震動波信號的目的。以最大限度地提高巖石或混凝土破壞時產生的 微震信號的強度，最大限度地衰減環(huán)境噪音信號的強度。
3. 巖石或混凝土結構承載狀態(tài)的研究
通過在實驗室對各種不同巖性的巖石和不同標號的水泥澆灌的混凝土試件做破壞
性試驗及在煤礦和地下工程中使用表明巖石和混凝土材料在不同的應力作用下，在正
常應力狀態(tài)(承受的應力大小沒有超過巖石或材料的承載強度)、危險狀態(tài)(承受的應 力大小開始逐漸超過巖石或材料的承載強度，材料開始發(fā)生微小破壞)和破壞狀態(tài)(承 受的應力大小超過巖石或材料的最大承載強度，材料開始發(fā)生明顯破壞)時，產生的微 震信號的數量差異很大(見附件微震檢測技術在神木縣石窯店煤礦的使用)。
在正常應力狀態(tài)巖石和混凝土材料不會發(fā)生破壞，幾乎沒有微震信號產生。 在危險狀態(tài)當巖石和混凝土材料承受的應力大小開始逐漸超過巖石或材料的承載 強度時，由于巖石和混凝土材料都是非均質性的，巖石和混凝土材料都含有弱面和瑕疵， 弱面和瑕疵發(fā)育的部分首先破壞，同時產生微震信號，隨著應力的逐漸增大，這種破壞的數 量明顯增多，產生微震信號數量也大幅度增加。這時產生的微震信號是正常情況下的產生微 震信號的數千倍。
在破壞狀態(tài)當巖石和混凝土材料承受的應力大小超過巖石或材料的最大承載強 度時，材料開始發(fā)生明顯破壞，同時產生大能量的微震信號，隨著冒落或垮塌事故的發(fā) 生，大能量的微震信號伴隨著冒落或垮塌過程連續(xù)發(fā)生，直至冒落或垮塌事故結束。
經過對巖石和混凝土材料三種狀態(tài)的研究，本發(fā)明應用人工智能技術，開發(fā)出了實 時分析礦井頂板巖層或混凝土結構穩(wěn)定性的專家診斷分析數學模型，并開發(fā)了相應的軟件。
4.該實用新型的優(yōu)點
本發(fā)明，針對機械噪音信號的特點研發(fā)了相應的濾波電路，解決了識別并濾除噪音信號 的問題；針對巖石發(fā)生微小斷裂時釋放的微震信號特點，研發(fā)了傳感信號的接收跟隨主頻 在200Hz 500Hz范圍內微震信號接收元件；利用波形的差異開發(fā)了相應的硬件濾波電 路和數據高速采樣電路；基本達到了在各種人工和機械作業(yè)的環(huán)境中濾除環(huán)境噪音信號干 擾，識別出巖石微小斷裂釋放的震動波信號的目的。高速數據采集電路并與單片微機技術相 結合，解決了微震信號實時采集的問題；并根據巖石和混凝土材料在三種不同的應力狀態(tài) 下釋放微震信號特征的研究，采用應用人工智能技術，開發(fā)出了實時分析礦井頂板巖層 或混凝土結構穩(wěn)定性的專家診斷分析數學模型，并開發(fā)了相應的軟件。其優(yōu)點在于其一， 建立在接收材料受集中應力作用破壞而產生的彈性應力波上，破壞的程度不同，信號的強弱 也不同。因此，本發(fā)明重點檢測的是材料的破壞過程，更適合對由于工程材料破壞而引發(fā)的 事故進行預測。其二,彈性應力波通過材料(鋼材、巖石、混凝土)進行傳輸，傳感器安裝、 拆卸方便，可以在工程建設任何階段安裝、實施。其三,傳感器具有就地顯示、報警、遠距離 傳輸功能；所有的傳感器(多達1000個)采用數字通訊技術，并接在2芯通訊電纜上，傳輸 半徑可達35km。
本發(fā)明適用于煤礦和非煤礦山，也可以用于以鋼筋、混凝土為材料的地下工程，如地鐵
車站、隧道的穩(wěn)定性監(jiān)測，還可用于水壩、橋梁、高樓大廈、山體滑坡等工程的穩(wěn)定性監(jiān)測。 通過一套微震信號的數字濾波識別、采集技術，將巖石斷裂時釋放聲波信號的識別率提高到 80%以上，達到了世界領先水平。
圖1.是本發(fā)明的整體結構示意圖2.是機械噪音信號濾波和數據高速采樣的主要電路結構方框圖3.是采用人工智能技術，實時分析礦井頂板巖層或混凝土結構穩(wěn)定性的專家診斷分
析數學模型的工作流程圖4.微震(礦壓動態(tài))傳感器在神木縣石窯店煤礦安裝布置示意圖。
圖中l(wèi)微震信號傳導桿，2微震信號傳感元件，3微震信號采集分析主機；4將低頻
微震信號轉變?yōu)殡娦盘枺?濾除噪音信號，6單片微機，7高速數據采集(A/D轉換)，8
LED顯示，9聲光報警，IO遙控調校，IIEEPROM數據存貯器，12實時數據遠距離傳送;
13有效信號采集器，14數據處理機，15原始數據庫，16推理機，17學習機，18判據庫,
19控制器，20顯示、報警，21實時數據遠距離轉送。
具體實施例方式
下面結合附圖敘述一個本發(fā)明的兩個實施例 實施例l
圖l是本發(fā)明的整體結構示意圖，顯示了本實施例的整體結構。該監(jiān)測裝置主要由微震 信號傳導桿1、微震信號傳感元件2、微震信號采集分析主機3組成。
使用時，根據巖層特性，打一個直徑42mm，深度為1 2m的鉆孔(深度與巖性有關)， 將微震信號傳導桿l打入煤層或巖層中，在微震信號傳導桿1孔外的一端安裝微震信號傳感 元件2，將微震信號傳感元件2與微震信號采集分析主機3相連，并通過光纖或金屬電纜與 地面中心站微機相連。
該實用新型通過微震信號傳導桿l選擇微震信號的采集點，傳導微震信號至微震傳感元件 2;微震傳感元件2將微震信號轉變?yōu)殡娦盘?；微震信號采集分析主機3接收傳感元件2的信號， 經過信號放大、濾波、數據采集、數理統(tǒng)計、實時分析判斷，就地顯示報警；并將數據以數 據通訊方式(計算機網絡)通過電纜遠距傳送到地面中心站微機，地面微機專家診斷分析軟 件進行實時分析、處理。
圖2是機械噪音信號濾波和數據高速采樣的主要電路結構方框圖。該電路主要由將低
頻微震信號轉變?yōu)殡娦盘?、濾除噪音信號5、單片微機6、高速數據采集(A/D轉換)7、 LED 顯示8、聲光報警9、遙控調校IO、 EEPROM數據存貯器ll、實時數據遠距離傳送12構成。 按如下步驟執(zhí)行-
(a) 通過微震信號傳感元件2將低頻微震信號轉變?yōu)殡娦盘?，根據機械信號特點濾除噪 音信號(5);
(b) 單片微機6時刻監(jiān)視著有效的微震信號，當接收到巖石和混凝土材料破壞時產生的 微震信號時，單片微機啟動高速數據采集(A/D轉換)7進行數據采集；
(c) 單片微機6根據釆集的數據，統(tǒng)計在單位時間(分鐘、小時、日)內的采集到的微震 信號數量及釋放出的能量值，根據分析數學模型進行分析判斷處理；
(d) 送原始數據和實時分析結果到LED顯示8進行顯示，并通過聲光報警9進行報警；
(e) 通過實時數據遠距離傳送12將數據和分析結果傳送到地面監(jiān)控中心站。 當檢測到接收到巖石和混凝土材料破壞時產生的微震信號時，由單片微機6向高速
數據采集(A/D轉換)7的發(fā)出數據采集申請，高速數據采集(A/D轉換)7以50000Hz/S 的速率進行數據采集。
圖3是采用人工智能技術，實時分析礦井頂板巖層或混凝土結構穩(wěn)定性的專家診斷分析 數學模型的工作流程圖。該人工智能實時分析處理數學模型，由有效信號采集器13、數據統(tǒng) 計機14、原始數據庫15、推理機16、學習機17、判據庫18、控制器19、數據顯示報警20、實 時數據遠距離傳送21組成。各部分功能如下
(1) 有效信號采集器13
a. 硬件根據噪音信號特點濾除干擾信號；
b. 高速A/D轉換器，將模擬量的微震信號轉變?yōu)閿底中盘枴?br>
(2) 數據處理機14
a. 統(tǒng)計、處理原始數據，送數據到顯示器顯示(相當于環(huán)境或工況監(jiān)測功能)；
b. 分析結果送推理機，啟動推理機對當前安裝區(qū)域巖層穩(wěn)定性進行推理分析；
c. 分析原始數據15，判斷是否已發(fā)生冒頂事故，啟動學習機校核判據指標。 (3)原始數據庫根據數據統(tǒng)計結果，建立原始數據庫
(4)推理機16
a. 推理機根據數據統(tǒng)計機14送來的統(tǒng)計分析結果及學習機17認可的邏輯關系和判 據指標(判據庫)，進行推理分析，預測可能發(fā)生事故的危險性；
b. 根據危險性進行控制決策，并向報警器9和井下控制單元發(fā)出報警信號。 (5)學習機17
a.冒頂事故發(fā)生后，建立事故檔案；
b.分析事故發(fā)生全過程，尋找標志事故發(fā)生危險的特征值，根據預測準確性，校
核調整優(yōu)化判據指標，逐步減小預報誤差，使判據指標向真值逼近。
(6)判據庫18
冒頂事故發(fā)生后，由學習機根據預測準確性，修改判據庫中的判據指標。
(6) 控制器19
根據控制邏輯和用戶定義，執(zhí)行特定的控制功能并根據數據處理機14 數據流的變化情況，判斷控制效果。
(7) 顯示、報警20:就地顯示數據，根據控制器19指令進行聲光報警。
(8) 實時數據遠距離轉送21:將原始數據和分析結果通過網絡發(fā)送到地面中心站微機 實施例2微震(礦壓動態(tài))傳感器在神木縣石窯店煤礦實施
圖4為微震(礦壓動態(tài))傳感器在神木縣石窯店煤礦安裝布置示意圖-石窯店煤礦煤層厚度7 8m，頂板為細砂巖，水平煤層，由于頂板堅硬，不易跨落，采 用房柱式的開采方法。圖中打了剖面線的區(qū)域為該礦已采完煤層形成的釆空區(qū)，采空區(qū)大約 長3. 6km,寬近2km; 2005年8月在該煤礦安裝頂板監(jiān)測系統(tǒng)，在采空區(qū)煤柱上分別安裝了 4 個GDD-1型微震(礦壓動態(tài))傳感器2。分別為3號、4號、5號、6號微震(礦壓動態(tài))傳 感器2。由本安電源為傳感器2提供電源。在地面安裝有監(jiān)測中心站，傳感器2通過電纜線 與地面主機相連，實現了 24小時對采空區(qū)礦壓活動的連續(xù)實時跟蹤監(jiān)測。
在2006年11月4日，應用本發(fā)明的微震(微小型地震)頂監(jiān)控技術，在神府煤田石窯 店煤礦的現場試驗中提前14天成功地預測到了一次大面積冒(冒頂面積36.2萬平方米)事 故。從不同時間的礦壓監(jiān)測實時曲線圖(見附件)可以看出2006年10月22日以前該礦頂 板穩(wěn)定，沒有明顯的礦壓活動，頂板巖層斷裂現象；IO月22日17時開始出現小型頂板斷裂 現象。這次冒頂事故，監(jiān)測系統(tǒng)在13天前就發(fā)出了頂板礦壓活動異常，隨著礦壓活動的加劇， 系統(tǒng)都及時地發(fā)出了報警。
權利要求
1.一種實時監(jiān)測礦井頂板巖層或混土結構穩(wěn)定性的裝置，其特征在于由微震信號傳導桿(1)、微震信號傳感元件(2)、微震信號采集分析主機(3)組成；微震信號傳導桿(1)的一端插入煤層或巖層中，微震信號傳導桿(1)的另一端安裝微震信號傳感元件，用屏蔽電纜線將傳感元件(2)與微震信號采集分析主機(3)相連，并通過通訊電纜線將微震信號采集分析主機與地面中心站微機相連；微震信號采集分析主機內有濾除環(huán)境噪音信號干擾的濾波電路(5)、數據高速采樣電路(7)和采用人工智能技術實時分析礦井頂板巖層或混凝土結構穩(wěn)定性的專家數學模型。
2. 根據權利要求l所述的一種實時監(jiān)測礦井頂板巖層或混凝土結構穩(wěn)定性的裝置，其 特征在于所說的有濾除環(huán)境噪音信號干擾的濾波電路(5)、數據高速采樣電路(7)，由 將低頻微震信號轉變?yōu)殡娦盘?4)、濾除噪音信號(5)、 單片微機(6)、高速數據采集(A/D 轉換)(7)、 LED顯示(8)、聲光報警(9)、 遙控調校(10)、 EEPROM數據存貯器(11)、 實時數據遠距離傳送構成(12)。
3. 根據權利要求l所述的一種實時監(jiān)測礦井頂板巖層或混凝土結構穩(wěn)定性的裝置，其特 征在于微震信號傳感元件(2)的跟隨轉換主頻在200Hz 500Hz范圍內。
4. 根據權利要求l所述的一種實時監(jiān)測礦井頂板巖層或混凝土結構穩(wěn)定性的裝置，其特 征在于所說實時分析礦井頂板巖層或混凝土結構穩(wěn)定性的專家診斷分析數學模型，由有效 信號采集器(13)、數據統(tǒng)計機(14)、原始數據庫(15)、推理機(16)、學習機(17)、判據 庫(18)、控制器(19)、數據顯示報警(20)、實時數據遠距離傳送(21)組成。
5. 根據權利要求2所述的一種實時監(jiān)測礦井頂板巖層或混凝土結構穩(wěn)定性的裝置， 其特征在于當檢測到接收到巖石和混凝土材料破壞時產生的微震信號時，由單片微機(6)向高速數據采集(A/D轉換)(7)的發(fā)出數據采集申請，高速數據采集(A/D轉 換)(7)以50000Hz/S的速率進行數據采集。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種實時監(jiān)測礦井頂板巖層或混凝土工程穩(wěn)定性的裝置，主要由微震信號傳導桿、微震信號傳感元件、微震信號采集分析主機組成。微震信號采集分析主機中設有濾除環(huán)境噪音信號干擾的濾波電路、數據高速采樣電路和采用人工智能技術實時分析礦井頂板巖層或混凝土結構穩(wěn)定性的專家診斷分析軟件。本發(fā)明適用于煤礦和非煤礦山，也可以用于以鋼筋、混凝土為材料的地下工程，如地鐵車站、隧道的穩(wěn)定性監(jiān)測，還可用于水壩、橋梁、高樓大廈、山體滑坡等穩(wěn)定性監(jiān)測。通過一套微震信號的數字濾波識別、采集技術，將巖石斷裂時釋放聲波信號的識別率提高到80％以上，很好地完成了實時監(jiān)測礦井頂板巖層或混凝土結構穩(wěn)定性的目的。
文檔編號G01V1/40GK101363824SQ20081001817
公開日2009年2月11日 申請日期2008年5月12日 優(yōu)先權日2008年5月12日
發(fā)明者燹 蘇 申請人:西安西科測控設備有限責任公司