專利名稱：一種實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)煤礦大面積冒頂?shù)姆椒?br> 一種實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)煤礦大面積冒頂?shù)姆椒?br> 技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及礦井冒頂監(jiān)測(cè)儀器儀表和傳感器及電路設(shè)計(jì)領(lǐng)域，具體涉及一種低成本、可以密集布局監(jiān)測(cè)點(diǎn)，從而覆蓋任意大面積區(qū)域的地震前兆實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)方法。
背景技術(shù)：
煤礦開采時(shí)，礦區(qū)煤層頂板往往比較堅(jiān)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(gè)足球場(chǎng)那么大。由于采空了堅(jiān)硬的頂板下的煤層，而造成了礦區(qū)煤層頂板壓力集中現(xiàn)象，當(dāng)集中應(yīng)力的強(qiáng)度超過巖石強(qiáng)度時(shí)，會(huì)發(fā)生頂板巖層斷裂、垮塌現(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(shì)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，給礦山造成災(zāi)難性的人員傷亡、財(cái)產(chǎn)損失。對(duì)不同巖性的巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)，模擬頂部巖石從承受壓力到壓力將巖石壓斷的整個(gè)過程分析表明巖石材料在不同的應(yīng)力作用下，在正常應(yīng)力狀態(tài)下(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(xiǎn)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(shí)，產(chǎn)生的微震信號(hào)數(shù)量差異很大，情況是正常情況下巖石材料不會(huì)發(fā)生破壞，幾乎沒有微震信號(hào)發(fā)生。危險(xiǎn)情況下當(dāng)巖石材料承受的應(yīng)力大小開始逐漸超過巖石或材料的承載強(qiáng)度時(shí)，由于巖石材料都是非均勻質(zhì)的，巖石材料都還有弱面和瑕疵，弱面和瑕疵發(fā)育的部分首先破壞，同時(shí)產(chǎn)產(chǎn)生微震信號(hào)，隨著應(yīng)力的逐漸增大，這種破壞的數(shù)量明顯增多，產(chǎn)生的微震信號(hào)數(shù)量也大幅度增加。這是產(chǎn)生的微震信號(hào)時(shí)正常情況下產(chǎn)生的微震信號(hào)的數(shù)千倍。破壞情況下當(dāng)巖石材料承受的應(yīng)力大小明顯超過巖石或材料的承載強(qiáng)度時(shí)，材料開始發(fā)生明顯破壞，同時(shí)產(chǎn)生大能量的微震信號(hào)，隨著冒落或垮塌事故的發(fā)生，大能量的微震信號(hào)伴隨者冒落或垮塌過程連續(xù)發(fā)生，直至冒落或垮塌事故結(jié)束。

發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的主要目的就是解決現(xiàn)有煤礦頂板只加固、少監(jiān)測(cè)、無預(yù)警的問題，提供一種煤礦頂板掉落前兆監(jiān)測(cè)和大面積冒頂前兆監(jiān)測(cè)方法，具有低成本、可以密集布局臨測(cè)點(diǎn)， 實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)大面積頂板區(qū)域的巖石微震的異常情況，從而進(jìn)行冒頂分析和預(yù)報(bào)。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供一種特定臨測(cè)單元結(jié)構(gòu)，其特征在于包括至少一個(gè)監(jiān)測(cè)單元和至少一個(gè)監(jiān)測(cè)中心，所述每個(gè)監(jiān)測(cè)單元包含至少一個(gè)共聚物壓電巖石微震傳感單元，一個(gè)處理單元，并與至少一個(gè)監(jiān)測(cè)中心聯(lián)結(jié)。監(jiān)測(cè)單元相比當(dāng)前使用的其他監(jiān)測(cè)技術(shù)具有極低的成本，容易安裝，快速組網(wǎng)，可以在較小的區(qū)域，比如沿巷道每5m、10m，等等，布局一個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，從而使一個(gè)監(jiān)測(cè)中心可以覆蓋一個(gè)較大的區(qū)域；多個(gè)監(jiān)測(cè)中心可以互聯(lián)覆蓋整個(gè)煤礦。
所述監(jiān)測(cè)單元包含一個(gè)或多個(gè)共聚物壓電巖石微震傳感單元、一個(gè)處理單元。傳感單元能夠獲得IOOHz到IOOkHz的巖石微震信號(hào)。處理單元對(duì)傳感單元的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理之后，通過有線或無線方式發(fā)送到監(jiān)測(cè)中心。監(jiān)測(cè)中心通過大區(qū)域密集布局的監(jiān)測(cè)單元， 實(shí)現(xiàn)大區(qū)域的密集監(jiān)測(cè)，作為煤礦冒頂分析和預(yù)報(bào)的依據(jù)。所述傳感單元的共聚物壓電傳感器，感知巖石微震，感知信號(hào)經(jīng)過無源電纜(比如，超強(qiáng)韌性高密度聚乙烯(HDPE)、可在直埋時(shí)防水、低電容-89pF/m、可達(dá)IOOm或更長) 傳輸?shù)降孛妫B接到處理單元后再進(jìn)行采樣量化。通過連接該監(jiān)測(cè)中心的一大批監(jiān)測(cè)單元提供的反映所覆蓋區(qū)域的煤礦頂板巖石微震情況，綜合分析，排除局部干擾，進(jìn)行冒頂?shù)姆治龊皖A(yù)報(bào)。多個(gè)監(jiān)測(cè)中心互連，將能夠覆蓋整個(gè)煤礦區(qū)域。本發(fā)明的有益效果是低成本實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)煤礦頂板巖層微震，能夠密集布局，并覆蓋任意大面積區(qū)域，從而掌握整個(gè)監(jiān)測(cè)區(qū)域頂板狀態(tài)的實(shí)時(shí)變化。解決長期以來沒有實(shí)現(xiàn)的低成本、高密集度、大面積覆蓋的冒頂實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的建立問題，為冒頂前兆分析和冒頂預(yù)報(bào)建立詳細(xì)、精確、可信的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。


圖1是監(jiān)測(cè)單元和監(jiān)測(cè)中心一一對(duì)應(yīng)連接。 圖2是一個(gè)監(jiān)測(cè)中心連接兩個(gè)監(jiān)測(cè)單元。 圖3是多個(gè)監(jiān)測(cè)單元和監(jiān)測(cè)中心互聯(lián)。 圖4是本發(fā)明一種實(shí)施例的特定應(yīng)用分析。
圖5是一種監(jiān)測(cè)單元的實(shí)施例。(為表述方便，我們將監(jiān)測(cè)單元稱為SP)具體實(shí)施方式本申請(qǐng)的特征及優(yōu)點(diǎn)將通過實(shí)施例，結(jié)合附圖進(jìn)行說明。為表述方便，我們將監(jiān)測(cè)單元稱為SP，將監(jiān)測(cè)中心稱為SC。通過一系列SP和SC的互聯(lián)就可以實(shí)現(xiàn)任意大的區(qū)域的冒頂前兆監(jiān)測(cè)，該種結(jié)構(gòu)包括至少一個(gè)SP和至少一個(gè)SC， SP與SC中的至少一個(gè)互聯(lián)，SC與SC的互聯(lián)，如圖1至3所示。SP和SC，SC和SC的互聯(lián)均可以采用無線或有線方式。圖4是本發(fā)明一種實(shí)施例的特定應(yīng)用分析，在巷道方向上每IOm的區(qū)域布局一個(gè) SP,這樣在IKm的巷道區(qū)域共布局100個(gè)SP，在IOkm的巷道區(qū)域布局一個(gè)SC，SP通過GPRS 或3G模塊無線發(fā)布數(shù)據(jù)到至少一個(gè)SC，SC之間通過3G無線模塊和有線互聯(lián)，使每個(gè)SC能夠獲得全部區(qū)域SP監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)，從而實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)煤礦冒頂前兆。圖5是一種SP的實(shí)施例，SP中包括兩個(gè)個(gè)共聚物壓電巖石微震傳感單元(用SA 表示)、一個(gè)處理單元。SA傳感單元能夠獲得IOOHz到IOOkHz的巖石微震信號(hào)；處理單元包括一個(gè)對(duì)傳感單元的信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化等預(yù)處理的模塊，一個(gè)GPRS或3G模塊，一個(gè)電源管理模塊提供電源管理，預(yù)處理后的數(shù)據(jù)通過GPRS或3G無線方式發(fā)送到監(jiān)測(cè)中心。SP發(fā)送的數(shù)據(jù)至少包括SP的標(biāo)識(shí)(每個(gè)SP具有唯一標(biāo)識(shí))；位置信息(坐標(biāo))；監(jiān)測(cè)時(shí)間精度；
監(jiān)測(cè)或發(fā)送數(shù)據(jù)的時(shí)間間隔；預(yù)板巖層的微震信號(hào)；以上內(nèi)容是結(jié)合一種實(shí)施方式對(duì)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(shí)施具局限于這些說明。對(duì)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
1.一種大區(qū)域密集實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)煤礦冒頂前兆的監(jiān)測(cè)單元和監(jiān)測(cè)中心的系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)，其特征在于包括至少一個(gè)監(jiān)測(cè)單元和至少一個(gè)監(jiān)測(cè)中心，所述每個(gè)臨測(cè)單元包含至少一個(gè)共聚物壓電巖石微震傳感單元，一個(gè)處理單元，并與至少一個(gè)監(jiān)測(cè)中心聯(lián)結(jié)。監(jiān)測(cè)單元相比當(dāng)前使用的其他監(jiān)測(cè)技術(shù)具有極低的成本，容易安裝，快速組網(wǎng)，可以在較小的區(qū)域，比如沿巷道每5m、10m，等等，布局一個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，從而使一個(gè)監(jiān)測(cè)中心可以覆蓋一個(gè)較大的區(qū)域； 多個(gè)監(jiān)測(cè)中心可以互聯(lián)覆蓋整個(gè)煤礦。
2.如權(quán)利要求1所述的特定臨測(cè)單元結(jié)構(gòu)，其特征在于所述監(jiān)測(cè)單元包含一個(gè)或多個(gè)共聚物壓電巖石微震傳感單元、一個(gè)處理單元。傳感單元能夠獲得IOOHz到IOOkHz的巖石微震信號(hào)。處理單元對(duì)傳感單元的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理之后，通過有線或無線方式發(fā)送到監(jiān)測(cè)中心。監(jiān)測(cè)中心通過大區(qū)域密集布局的監(jiān)測(cè)單元，實(shí)現(xiàn)大區(qū)域的密集監(jiān)測(cè)，作為煤礦冒頂分析和預(yù)報(bào)的依據(jù)。
3.如權(quán)利要求2所述的特定傳感單元結(jié)構(gòu)，其特征在于所述傳感單元的共聚物壓電傳感器，感知巖石微震，感知信號(hào)經(jīng)過無源電纜(比如，超強(qiáng)韌性高密度聚乙烯(HDPE)、可在直埋時(shí)防水、低電容_89pF/m、可達(dá)IOOm或更長)傳輸?shù)降孛?，連接到處理單元后再進(jìn)行采樣量化。
4.如權(quán)利要求1所述的監(jiān)測(cè)中心結(jié)構(gòu)，其特征在于通過連接該監(jiān)測(cè)中心的一大批監(jiān)測(cè)單元提供的反映所覆蓋區(qū)域的煤礦頂板巖石微震情況，綜合分析，排除局部干擾，進(jìn)行冒頂?shù)姆治龊皖A(yù)報(bào)。多個(gè)監(jiān)測(cè)中心互連，將能夠覆蓋整個(gè)感礦區(qū)域。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)煤礦大面積冒頂?shù)姆椒?，該方法由沿開采巷道可以密集布局在頂部的監(jiān)測(cè)單元(每5m，或10m等)和若干個(gè)監(jiān)測(cè)中心組成。監(jiān)測(cè)單元包括采用一個(gè)或多個(gè)感知100Hz到100kHz的巖石微震信號(hào)的共聚物壓電傳感單元，一個(gè)處理單元。處理單元對(duì)接收的傳感單元的感知信號(hào)或數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理之后，發(fā)送到監(jiān)測(cè)中心。監(jiān)測(cè)中心負(fù)責(zé)接收一個(gè)較大區(qū)域的多個(gè)監(jiān)測(cè)單元發(fā)來的數(shù)據(jù)，并進(jìn)行分析處理，監(jiān)測(cè)中心之間同樣可以交換數(shù)據(jù)，以獲得更大區(qū)域的采空區(qū)頂板變化狀態(tài)，從而進(jìn)行煤礦冒頂分析和預(yù)報(bào)。本發(fā)明具有成本低、安裝易和組網(wǎng)靈活的特點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)任意大區(qū)域的煤礦冒頂前兆分析和監(jiān)測(cè)。
文檔編號(hào)G01V1/00GK102183296SQ20111000820
公開日2011年9月14日 申請(qǐng)日期2011年1月14日 優(yōu)先權(quán)日2011年1月14日
發(fā)明者馮曉星, 王新安, 王金泊, 葛彬杰 申請(qǐng)人:深圳思量微系統(tǒng)有限公司